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动海水腐蚀模拟试验的发展
赵永韬 孙明先
摘 要 综述了动海水腐蚀模拟试验的研究概况，主要阐述了旋转试验、管流式模拟试验、喷射冲击试验、高速冲刷试验等4类试验方法及其优缺点，进而展望了动水腐蚀的研究动向和发展趋势。
关键词 腐蚀 模拟试验 流动 海水
Review on Simulated Tests of Corrosion in Flowing Seawater
Zhao Yongtao Sun
Mingxian
(Qingdao Branch of Luoyang Ship Material Research
Institute, Qingdao, 266071)
Abstract The simulated tests of corrosion in flowing seawater are reviewed.
The main methods including rotating disc, spindle and drum test, tubular
loop-flow test, jet impingement test and mutivelocity jet test are described,
and the development trends of simulated tests of corrosion in flowing seawater
are discussed in this paper.
Keywords Corrosion Simulated test Flowing Seawater
在海洋环境中，金属设备大多数情况下是与流动海水接触的，有时海水流速还相当高，如船舶及滨海电站的冷凝器和舰船的螺旋桨等。这就有可能发生冲刷腐蚀、磨蚀和空泡腐蚀，在换热器的传热面上还有某些特殊的腐蚀形式。过去在研究此类问题时，多采用人工海水浸泡试验，这类试验的优点是节省费用，试验条件容易控制，试验结果重现性好，但其试验条件与实际情况有较大差异，很难完全模拟实际的材料、环境和时间等因素的综合影响，也不便于对腐蚀的全过程进行连续的动态监测，得到的只是某段时间内的平均结果，尤其无法反映流速等因素对材料腐蚀行为的影响。众所周知，舰船在航行过程中船体结构材料和海水冷却系统材料均受到流动海水的腐蚀作用，在流动海水中舰船材料的腐蚀行为和腐蚀程度均与在静止海水中明显不同，因此有必要尽快建立和开展舰船材料动水腐蚀模拟装置和试验方法的研究，通过模拟船舶实际航行的工况条件，准确地研究各种船用材料在动水环境下的腐蚀行为，评价各种防护措施的保护效果，以便为新型船用材料的研制、研究和应用提供可靠的依据。
1 国内外研究现状
为模拟高速流动海水对金属的冲刷腐蚀，试验装置应能改变和控制海水与金属的相对运动速度。可以是海水流动、试样不动，也可以试样动、海水基本不动。目前这方面的工作仍有某些争议，集中在两个方面。一是对于实际体系中的复杂情况，实验室里是否真正能准确控制模拟条件，尤其是对流动状态的模拟；二是这些模拟试验结果和实际情况有多大误差，现有的测试技术过多的把注意力放在研究环境和冶金因素对动水腐蚀的影响上，不同方法所得数据之间的相关性十分有限［1～3］，且大多数是定性数据。这表明，动水腐蚀研究结果的可靠程度仍有待提高。
Syrett研究了环境和冶金因素对Cu-Ni合金在动海水中腐蚀的影响，以及流动海水中的电偶腐蚀，并对测试动水腐蚀的不同方法进行了比较，认为动水腐蚀不仅仅和金属与水之间的速率有关，而且与测试体系的几何形状有关。因此
，迫切需要得到流体流动参数和金属腐蚀速率及腐蚀机理之间的关系，只有把这一腐蚀过程的特征准确地表达出来，在实验室中才有可能建立准确的模拟装置，模拟研究结果的可靠性才能提高。旋转圆筒电极的优点在于能控制流体力学参数，实验者认为，在预先确知的壁剪切应力范围内，使用旋转圆筒电极，就可以在实验室中模拟研究流体流动对腐蚀速率的影响机理。一旦确知这种腐蚀机理以及流体与腐蚀速率之间的关系，就可以预测设备的腐蚀［4、5］。
对于旋转圆筒电极研究腐蚀和湍流管线腐蚀之间的关系，有人建立了一个封闭式的数学模型［6］，它可以预测湍流管的均匀腐蚀速率，对于旋转盘转动也产生腐蚀产物膜的情况，又建立了一个可以预测产物膜形成的模型，并将模型推导所得理论数据与文献［7］中所记录试验数据进行比较验证，结果发现它们的规律相符。从流体动力学来分析，管流和旋转实验流体，可以有相同的传质过程，通过控制两种溶液中相类似的传质过程，就可以把旋转电极的转速等效地换算成管流中的相应流速，因此，利用旋转电极测得的腐蚀速率就可以换算为管流中管道的腐蚀速率［8］。
高流速往往引起严重的冲刷腐蚀，许多材料-介质体系尤其是带膜材料往往存在临界流速，超过此流速会使材料失重突然增大，因此临界流速对工程设计无疑是十分重要的。关于临界流速，尤其是针对海上设备用材，许多学者作了不少研究，Efird给出了铜在流速小于15 m/s条件下的失重数据和临界剪切应力数据［9］。当控制流速与实际生产条件发生矛盾时，改变流态便成为控制冲刷腐蚀的有效方法。这需要综合考虑流速、几何尺寸、粘度、密度、传质系数等参量，将冲刷腐蚀失重同各种无量纲参数如雷诺数(Reynolds number)，舍武德数(Sherwood number)，斯密兹数(Schmidt number)等联系起来，找出流体流态的影响规律。目前在此方面的研究仅局限于牛顿性流体(如海水)，而对固含量很高的溶液中各无量纲参数的影响规律的研究较少。
Efird［10］还用喷射冲击装置和旋转圆筒试验来模拟碳钢在含氧的新鲜湍流中的腐蚀，并比较了两种试验方法所得结果，认为动水的物理参数和流体动力学参数包含在管壁剪切应力τω中，使用τω这个相关因子并不意味着剪切会加速腐蚀，而是认为τω是研究不同几何形状的流动体系中的腐蚀行为的十分有效的流体力学因数，它的运用可以使实验室模拟测试和现场加速试验进行有效的比较。
利用管道回路进行动水腐蚀试验，能够较好地模拟管道冲刷的实际工况条件，试验结果有很好的实用性。Macdonald等人［4，11～14］对此作了一系列卓有成效的工作，他们研究了不同流体动力学因素如流速、流动体系几何形状等对腐蚀行为的影响，材料的腐蚀速率分别用小幅度循环伏安法(SACV)，交流阻抗技术(EIS)、线性极化法，电位阶跃法和失重法得到，并对这些电化学方法测量Cu-Ni合金在水溶液中极化阻力可能导致的误差作了探讨，同时用试验数据验证了这些方法的可靠程度［15］。
美国海军评定了在流速更高的海水中试验的Cu-Ni合金的腐蚀行为，经过种种努力获得一些方法使流速达到了36 m/s，并重新评价现有试验技术，共采用了4种不同的试验技术，包括两种旋转试验，一种冲击试验和一种多速喷射试验［16］。
此外，德国、荷兰、加拿大、英国的研究者把质量传递、流体动力学和腐蚀速率联系起来，极大地推动了动水腐蚀研究的发展［17～24］。
我国在此方面的研究已经起步，北京化工大学，中科院金属腐蚀与防护研究所，中国船舶工业总公司725研究所都开展了流动海水中材料腐蚀试验的研究工作［25～28］。
2 动水腐蚀的试验方法及设备
材料的动水腐蚀数据随试验方法不同有很大的差异。从目前设计出的各种试验装置来看，可以概括为如下几种［29～34］：
(1)旋转试验(试样的形状可以是圆盘、圆筒、圆棒、方片等)
(2)管流试验
(3)喷射冲击试验
(4)高速冲刷试验
上述几种试验方法各有优缺点和适用范围，下面就每种试验方法分别加以讨论。
2.1 旋转试验
这类试验的设备主要用于实验室模拟试验，以ASTM-STP655标准中介绍的Stauffer试验设备为代表。改变旋转速率和圆盘直径可在圆盘试样上建立一系列不同的圆周速度。要求圆盘试样足够大，以便观察临界速度范围。在离圆盘中心某处将发生由层流向湍流的转变，这常常导致腐蚀速率的突然增大。也可以用长条试样代替圆盘试样。旋转圆盘试样腐蚀后的表面形貌与黄铜螺旋桨上所观察到的腐蚀特征十分相象，这说明旋转圆盘试验很好地模拟了螺旋桨的腐蚀情况，是评定螺旋桨材料耐蚀性的主要手段。这种试验方法具有操作简单、方便、价格低廉，测试用溶液量小(一般可小于4 L)，试验周期短等优点，因此，有较多研究者使用旋转类设备来模拟流动态的电化学体系中传质的影响。60年代出现了对传输过程的研究，这些研究工作为研究动水腐蚀、了解多相流体特性和建立流体动力学的测量技术打下了基础［17］。该类装置在操作上还存在一些问题，如高速旋转时易产生剧烈振颤，所以对旋转轴的垂直度要求很高，另外，在进行电化学测量时，电极的电化学信号的导出也有问题。这种试验方法不易控制流体的流动特性，因为当试样旋转时，试样给流体施加一个离心力，使得流体经过试样表面时既有环向运动，又有径向运动。在旋转试验中除旋转圆盘和旋转圆筒有良好的流体力学模型外，其它几种均比较复杂。Heitz曾对此有过详细论述［35］，认为实验室条件下旋转圆盘最为适宜，而Dean［36］也认为旋转圆筒较为适宜。具体试验方法可参阅标准NACE TM02-70，可控流速的流动液体实验室腐蚀试验法。
2.2 管流模拟试验
管流模拟试验是另一种使用比较广泛的试验方法，其试验装置就是一个海水循环系统。这种方法在管道的形状、管道安装、流体流速及流体成分等方面可以很好地模拟实际设备的工况条件，只是这种方法与其它方法比较起来，需要的溶液量大，试验费用比较高，操作也比较复杂，其优点是易于控制和测量流体的流动特性，流体中固体颗粒的分布比较均匀。另外，在相关领域中，对管流流体的流动特性研究的比较深入。这种方法得到的试验结果可以与传质系数、雷诺数等流体力学参数联系起来，试验结果易于解释说明，并可以推广到其它的简单流型。值得一提的是，在这种方法的基础上，Heitz等首次将激光测速技术与冲刷腐蚀试验结合起来，研究了流体运动特性对冲刷腐蚀过程的影响［37］。
2.3 喷射冲击试验
喷射冲击试验是用高速液流垂直喷射在试样表面上，主要用来模拟铜合金冷凝管进口端所受到的湍流冲击腐蚀，试验结果是用被喷射区浸蚀深度表示。这种方法主要是由英国有色金属研究协会(BNFMRA)提出和完善的，其优点是可以精确控制冲击液流的速度，而且流速可以很高，试验周期可以很短。由于试样固定不动，即使在很高的冲击速度下电化学测量也十分容易。其主要缺点是不能很好地模拟实际工况条件，冲刷比实际情况严重，与泵、管道的实际冲刷腐蚀条件有一定的差距，得出的材料冲刷腐蚀临界速率往往比其它方法得到的低得多。喷射冲击法测得的腐蚀速率最大，旋转圆盘法次之，高速冲刷法最小。松村昌信等人［33］比较了几种不同喷射方式间的差异并将狭缝冲击试验推荐为冲刷腐蚀的标准试验方法。
2.4 高速冲刷试验
高速冲刷试验中，试样不动海水流动，长条形试样与纵向液流相互作用。试样置于水道中尼龙支架上并与喷嘴连接，每个尼龙支架又与供应海水的岐管相连，利用泵提供足够高的水压。在喷嘴处，一定流速的海水流过试样表面产生冲刷腐蚀。该方法可以获得高达38 m/s的流速，并可通过改变海水压力而改变流速。另一种改进型装置的岐管中的压力是恒定的，每个试样支架前端设一腔室，每个腔室开有一个小孔(喷嘴)，通过改变喷嘴小孔直径改变流过试样的海水流速，该装置的优点是不同流速的对比试验可以一次完成，且流速易于控制。该方法能比较好地模拟水翼前缘、泵转子叶片和螺旋桨的冲刷腐蚀。
3 未来研究方向和发展趋势
综上所述，可以看出以上各类方法都有其优点和局限性，这就决定了它们的适用范围不尽相同。 喷射冲击试验能较好地模拟在高温、高压下的高湍流态流体中的流动腐蚀过程，试验容易控制，不足之处是精确地机加工试样和安装试样十分困难，由于试样尺寸较小，测量失重误差较大。旋转类试验具有装置简单、价格低廉、操作简易等优点，并能提供稳定的流体，重现性好，测试溶液需用量少，但不能用于高温、高压下的流体体系，对高湍流态也不适宜。至于管流模拟试验，尽管它可以很好地模拟实际设备的工况条件，但这种方法与其他方法比较起来，试验费用高、操作也较复杂，制约了其普及使用。
因此，我们认为动海水腐蚀研究趋势和焦点将可能集中在如下几个方面：
(1)深入研究动海水腐蚀体系的环境特征，使模拟条件的控制日趋精确。
(2)试验方法的标准化。众多文献中所报道的腐蚀试验结果之所以有很大差异，不仅源于金属组分及热处理的差别，还与测试时间和腐蚀测试方法以及海水组成的不同有关，而最主要的则源于试验装置、设备等技术上的差别。因此，试验方法的标准化是一个迫切需要解决的问题。
(3)研究新的测试方法。目前已有多种测试方法，各有其优缺点和适用范围，今后将更多地引用先进的物理和电化学测试技术，使动海水腐蚀测试方法适用性更强，所得到的腐蚀数据也更为全面。
(4)腐蚀试验数据的采集、储存、处理智能化，进而建立相应的专家智能系统。
赵永韬:男，1973年生，1998年毕业于湖南大学化学化工学院，硕士。主要从事腐蚀电化学、缓蚀剂和缓蚀材料的研究，在全国性学术期刊已发表论文9篇文章。
作者单位：洛阳船舶材料研究所青岛分部 青岛266071
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