腐蚀是普遍存在于国民经济和生产生活中的重要破坏因素，学者们针对材料腐蚀现象进行了众多研究，其中，静态环境下的腐蚀研究已较为丰富。在流动体系中，流体对材料表面及腐蚀产物膜的力学冲刷作用、对腐蚀性离子的传质促进作用以及对界面反应过程的影响使得流动环境下的腐蚀问题更加严重和复杂。然而，我国众多军事、化工领域所面临的腐蚀问题多处于流动环境中，例如在备受关注的海洋工业中，螺旋桨、深海泵的叶片旋转所带来的流场作用进一步加剧了腐蚀问题；流场对传质的促进以及对保护膜的剪切效应同样加快了腐蚀进程，极易导致化工流体机械设备的过早失效，轻则影响效率，重则引发重大安全事故。因此，探究流动条件下的腐蚀机理，揭示流场作用在腐蚀过程中的复杂影响迫在眉睫。同时，流动环境下的腐蚀研究是流体力学、传质学、材料力学、腐蚀电化学等多学科交叉的重要前沿研究方向，具有重要的学术价值和理论意义。

1、流动腐蚀的概述

腐蚀是与界面相关的溶解过程，介质在金属表面的流动会影响腐蚀机理，进而增加或者降低金属的腐蚀速率，通常称之为流动腐蚀。按流动体系分类，腐蚀系统包括单相流、两相流和多相流腐蚀。

单相流腐蚀是由单一流体介质引起的腐蚀，研究较早，是两相流和多相流研究的基础，涉及的工业设备主要是输送腐蚀性介质的管道等过流部件。

两相流腐蚀是最普遍的一种，当流体中混入固体颗粒时就形成固液两相流腐蚀体系，例如喷砂冲蚀、螺旋桨、各类输送管道等，此时固体颗粒导致的磨损会破坏具有保护性的腐蚀产物膜，使得更多的金属表面裸露于腐蚀性介质中，进而加剧腐蚀作用。高速流体中含有气泡时形成气液两相流腐蚀体系，气泡的产生是由于流体的湍流或者温度变化引起局部压力下降，气泡破裂时对壁面产生极高的液压冲击，进一步加剧腐蚀过程。两相流腐蚀已成为目前的研究焦点。

多相流腐蚀是由固、液、气多相组成的介质，腐蚀程度比单相流严重，腐蚀机理也更加复杂，其中每一相的比例、固体颗粒的大小、气泡的流动等因素都会对腐蚀造成影响[1]，其过程十分复杂，且实验难度较大，是未来研究的难点，后文将会详细阐述。

20世纪20年代起，人们开始关注流动水引起金属材料的失效问题，学者们初步研究了低流速介质中金属材料的腐蚀规律。40年代中期，为了适应沿海工业的发展，学者们研究了流动水体系中各种合金材料失效行为。其中，针对合金铸铁、低碳钢、不锈钢等材料的研究较多，且主要为单相流。国外从80年代开始研究多相流腐蚀，而我国对于多相流腐蚀的研究尚处于起步阶段。

为了探索界面介质流动与腐蚀的关系，利用实验数据有效预测实际工况中的流动腐蚀，学者们陆续引入雷诺数、传质系数等流体力学参数。实验研究中，传统的测试方法（失重法）是对实验前后的试件重量进行测量和比较，容易实现，但只能得到总体腐蚀速率。随着现代电化学技术的迅速发展，极化曲线、电化学阻抗谱、电化学噪声技术等电化学检测技术受到了重视，被广泛应用于流动腐蚀研究中，可以通过腐蚀过程中的电化学参数分析流动腐蚀动力学特征，并进行在线实时监测腐蚀行为。近年来，随着计算机的普及、计算流体力学的产生，以及近似计算方法的发展，数值计算成为流动腐蚀研究的方法之一。学者通过计算机建模模拟流动工况，实现了流动状况下材料表面近壁处的流体力学参数的测量。与实验方法相比，数值计算方法能够大大节省时间及费用，对于实验难以实现的部分，数值计算能更好的模拟测量。在20世纪90年代初，Zeisel等利用计算机数值模拟了固液两相流中电极表面近壁处的流体力学对腐蚀过程的影响，并初步取得了一些成果[2]。

但是数值计算方法对于模型的建立要求较高，另外在数值方法中工况较为理想，与实际存在一定误差。因此，将数值计算结果与实验研究以及理论解析相结合，是解决流动体系下腐蚀问题的可靠手段。

2、流动对腐蚀过程的影响机制

流体介质在金属表面的流动并不一定总是增加金属的腐蚀速率，在一些特殊情况下，金属腐蚀速率因流速增大而降低。例如，由于特定流速的冲刷作用，使材料表面更平整、产物膜更加均匀而致密，从而降低了腐蚀速率。但在大部分情况下，流动会加速腐蚀。流体介质在高速流动状态下，金属材料表面受到机械冲刷和电化学腐蚀交互协同作用而产生破坏[3]。一方面，腐蚀过程导致材料表面粗糙度增加，促进冲刷过程；同时，产物膜缺陷处容易产生局部腐蚀坑，介质高速流动导致腐蚀坑内产生湍流涡，从而加速了冲刷过程。另一方面，材料表面的腐蚀产物膜容易被介质冲刷破裂或脱落，甚至产生冲蚀坑，裸露的金属与周围腐蚀产物膜形成“小阳极-大阴极”的特征，诱发局部腐蚀；同时，介质冲刷促进了反应物（如腐蚀性离子）朝向壁面以及腐蚀产物远离壁面方向的传输，从而促进腐蚀过程。一般情况下，流动状态下的局部腐蚀速率远大于均匀腐蚀速率，Wei等[4]研究发现在动态条件下，X70钢局部腐蚀速率和凹坑深度远高于静态条件下的腐蚀速率和凹坑深度，且随流速线性增加，腐蚀坑内流型如图1所示。流动加速腐蚀过程主要通过增加质量传输速率和去除保护性腐蚀产物层实现。

图1氧化膜表面和局部腐蚀坑内的流型示意图[4]

2.1 质量传输速率的影响

在金属材料的电化学腐蚀过程中，电荷转移、反应物及腐蚀产物的传输会对腐蚀速率造成很大的影响。腐蚀性离子，如氯离子、硫酸根离子等的传输也会影响腐蚀过程。流体的湍动能可以有效减小流动边界层的厚度，导致质量传输速率的增大，同时还会干扰产物层的过饱和度，导致产物层结构发生变化，进而影响腐蚀速率。当流速较低时，反应物的质量传输速率较低，相对来说电荷转移速率太高，以至于金属表面反应物浓度耗尽，此时腐蚀过程受到传质过程的控制，随着流速的增大，流动效应会增加质量传输速率，从而加速腐蚀；当流速继续增大，直到电荷传输成为反应速率的决定步骤，此时流速的增大对于腐蚀速率影响不大；然而在更高的流速下，表面剪切应力足够高以致对表面产生破坏，腐蚀急剧加速，见图2[5]。

传质过程（腐蚀反应物/产物的质量传输）主要通过三种方式进行，即分子扩散、对流传质、电迁移。

图2流动对腐蚀速率的影响[5]

2.1.1 分子扩散

分子扩散是由分子热运动引起，流体在金属表面附近存在浓度梯度，其驱动离子或分子从高浓度区域扩散到低浓度区域，静止溶液中的传质主要依靠分子扩散过程，扩散通量J符合菲克第一定律，见式(1)。

式中，n是反应中交换的电子数；F是法拉第常数；i是电流密度，D为扩散系数，数值越大表示分子扩散能力越强；ΔC是金属表面和主体溶液之间的浓度差；δ为边界层厚度，m。

由于扩散系数通常较小，因此材料在静止溶液中的腐蚀速率相对较小，然而当溶液处于流动状态时，流场诱发的对流扩散增加了腐蚀反应物/产物的质量传输速率，进而导致腐蚀速率的增加。

2.1.2 对流传质

对流质量传输是由于流体微团的宏观运动引起的物质的传输[6]，仅发生在流动介质中，其传质过程很大程度上受到流体力学参数的影响，包括雷诺数和施密特数[7]，定义如式(2)、式(3)。

式中，v为流体速度，m/s;L为流体动力系统特征长度，m，ν为流体运动黏度，m2/s;D为扩散系数，m2/s。

Re为惯性力与黏性力的比值，通常用来表征流体的流动情况，Re越大，表明流动越不稳定，对物质运动的扰动作用更强；Sc（施密特数）为动量传递与分子扩散引起的质量传递间的比值，即浓度与流动边界厚度之比的度量，高施密特数对应薄的流动边界层[8,9]，也表示对流过程比分子扩散影响更大。

边界层理论对研究近壁面区域的对流扩散过程十分重要，流动边界层与浓度（传质）边界层的关系如图3所示[10]。介质流过固体表面时，与表面直接接触的流体因黏性力的作用使速度降为零，远离壁面的流体速度有所增加并逐渐达到自由流的速度，从而沿壁面法线方向形成速度梯度。其中黏性的影响仅限于靠近壁面的薄层，也就是流动边界层[9]，边界层越厚，质量传递速率越小。此外，传质边界层的厚度明显小于流动边界层，即物质浓度沿壁面法线方向经历更短的距离即可达到主体溶液的浓度。

图3流动边界层与传质边界层的关系[10]

为了综合考虑流动边界层和传质边界层的影响，进而评价对流传质效果，学者们提出舍伍德数Sh，为分子扩散阻力与对流传质阻力的比率，见式(4)。

式中，L为流体动力系统特征尺寸，m;D为分子扩散系数；K为对流传质系数，m/s，是影响腐蚀速率的一个重要参数，可表示为式(5)。

在一定温度下，速度的增加导致边界层厚度（δ）变薄，从而导致传质系数增加，质量传递速率加快。

2.1.3 电迁移

电迁移通常是指在电场作用下，电解质溶液中的带电离子沿一定方向移动的现象。其中，某种离子浓度发生变化的数量称为电迁移流量，可表示为式(6)。

式中，Ji为离子i的电迁移流量，mol/(m2·s);zi为离子i的电荷数；ci为离子浓度，mol/m3;ui为离子i电化学迁移率，m2/(s·V)；φ为电解质电势，V。

传输的离子并非都参与电极反应，有些起到传导电流的作用。电迁移与溶液温度、浓度等性质有关，在溶液中没有大量惰性电解质的情况下，必须考虑电迁移对扩散作用产生的影响（叠加或抵消）。

电极反应会消耗大量粒子，需要靠传质过程补充，三种传质方式可能同时存在，互相影响，但电解液中有大量惰性电解质或电解质电流较小时，电迁移的传质作用可忽略不计。

2.2 表面剪切应力的影响

剪切力是流体介质相对材料表面运动时产生的，其大小表明了流体与表面相互作用的程度，可以用来度量流体介质对于表面的冲量。对于牛顿流体，壁面剪切力与速度梯度有关，剪切力随流速增大而增大，一些现场以及腐蚀试验表明产物膜在高速流动状态下失效是因为高壁面剪切力的作用，当壁面剪切力大于产物层与基体的黏合强度时，产物层发生破坏。Tobón等[11]研究表明，旋转圆柱电极转速在6000～6500r/min之间时API5LX52钢的腐蚀速率加剧，这是由于高壁面剪切力造成部分腐蚀产物与基体分离，产物层厚度减小而引起的。但是某些情况下，湍流状态下的高壁面剪切应力不影响缓蚀剂膜或者腐蚀产物层，Li等[12]使用浮动元件壁面探测针测量多相流中的壁面剪切应力，最高测量值约为100Pa,Xiong等[13]研究表明从钢表面去除缓蚀剂膜需要的侧向力为50～100MPa，比多相管流中测量的壁面剪切应力大了几个数量级。因此，多相管流中的壁面剪切力不一定总能机械去除保护性缓蚀剂膜或腐蚀产物层，这与剪切力数值、膜黏附力有密切关系。值得注意的是，在多相流管中对于表面剪切应力的测量多通过间接方法获得，因此流体剪切效应与表面膜破坏之间的联系仍需进一步研究。

流动腐蚀与界面流体动量和质量传递有很大的关系，很大程度上受材料近壁处流体力学参数的影响，包括传质系数、表面剪切力、雷诺数以及舍伍德数等。在传质控制的腐蚀体系中，表面剪切力与传质系数直接相关，共同影响腐蚀体系，同时，随着腐蚀过程的进行，腐蚀体系的变化也会反过来影响流动情况以及传质过程。因此，流动条件下的腐蚀过程是流场、浓度场、传质过程以及材料溶解等多种物理化学过程耦合作用的结果，其中如何准确获得流体力学相关参数并揭示腐蚀动力学与流体动力学的内在数理联系是研究腐蚀过程的重难点[14]。

3、流动腐蚀的实验装置

3.1 旋转式

旋转式装置需要的试件形状为圆盘、圆柱等，通过电极自身的旋转实现被测试件与腐蚀介质之间的相对流动。试验过程中应重点考虑转速与流速的匹配问题，通过改变试件的旋转速度，模拟实际现场介质流动[10]，并且要求圆盘尺寸较大方可达到较高的雷诺数。此实验装置操作简单、费用低、实验周期短、易于操作，在低转速下就能使雷诺数大于2000，进而实现层流向湍流的转变[15]，因此在流动腐蚀研究中被广泛应用。周昊等[16]采用旋转圆柱电极流动腐蚀装置研究了N80油气井套管钢在固液两相流中的腐蚀规律，结果表明砂粒的冲刷作用会使材料表面产生腐蚀坑，并形成局部湍流，从而导致材料表面腐蚀加剧。该装置的缺点是转速较高时，电化学信号不稳定、不易控制流体的流动性、无法考虑冲击角度的影响等。

3.2 管流式

在管流式实验装置中，试件直接镶嵌在管道内壁上，试件工作表面与管道内壁面平齐，此装置是一个流动循环系统，实验参数容易控制，能更好地模拟实际运行工况条件，流体流速、介质成分等更易控制，可进行多种流态实验。在相关领域中，对于管流式的流体动力特性研究较深入，与其他方法相比，更易将实验结果与流体力学参数相联系。郭浩等[17]将电化学测试装置与循环管路系统相结合，研究了球墨铸铁供水管道中流速对腐蚀的影响，结果表明流速与腐蚀速率基本正相关，流动主要促进阴极反应。该装置的缺点是耗溶液量较大，管道维修、校准复杂且费用高，操作要求比较高，制约了其广泛应用。

3.3 冲击式

这种装置通过水泵控制相应的水压改变流体流速，流速易于控制，可调节冲刷角度。电化学测量方便，适用于高温、高压下的湍流腐蚀研究，多用于研究螺旋桨、水翼前缘等的冲刷腐蚀。杨江等[18]利用喷射冲击装置评价缓蚀剂性能，装置可以模拟高达30m/s的高速流冲刷腐蚀，还可实现含砂与不含砂条件下的冲蚀。该装置的缺点是加工和安装试样困难，不能很好地模拟实际工况条件。

以往对于流动影响腐蚀的研究主要建立在实验研究上，根据不同的研究目标选择不同的设备，但是所得材料流动腐蚀结果存在较大差异，难以横向比较。因此学者们对比研究了不同装置对腐蚀过程的影响。

Nesic等[19]利用旋转圆柱装置和管流装置研究了低碳钢在含二氧化碳的氯化钠溶液中的腐蚀过程，发现在相同的传质条件下，低温状态材料表面没有保护性产物膜时，两装置测得电化学参数相似。然而温度较高时，管流式试样表面生成了更为致密的产物膜，因此管流式的腐蚀速率较低。但Efird等[20]研究了碳钢在含二氧化碳的氯化钠溶液中的腐蚀，表明相同的表面切应力或者传质系数下，管流装置测得的腐蚀速率与喷射装置所得数据相似，远远大于旋转圆柱装置所得的腐蚀速率。

学者们试图利用流体力学参数来实现不同装置之间的关联，并与实际情况相联系，然而对于如何选择适当的因素来关联不同装置的流动腐蚀一直存在争议。Chen等[21]发现在传质系数相同的条件下，旋转流、管流、冲击装置测量的腐蚀数据一致。Azmi等[5]研究发现在25℃时，旋转圆柱装置和管道流动装置的腐蚀速率相近，证实了在特定条件下，质量传递速率相近时，二氧化碳腐蚀速率与几何无关的假设[19]。Dayalan等[22]发现在由质量传递控制过程中，传质系数相同的管流装置和旋转流装置之间的腐蚀数据存在一定的定量关系，而基于相同的剪切应力下均不能建立关联。不同学者的研究尚存在一定差异，需要进一步研究。

4、流动腐蚀影响因素

流动状态下的腐蚀过程中影响因素众多，包括材料本身的因素[23,24,25]（硬度、钝化特性、腐蚀性能等）、流体力学因素[4,26]（流速、流态、流型、冲击角度等）、液相因素（pH、温度、溶解氧含量等）、固体颗粒因素、累计冲刷时间等，这些因素的影响不是独立作用，而是共同影响腐蚀过程。其中与介质流动相关的因素包括以下几方面。

4.1 流速和流态

流体介质流速对于腐蚀速率起着至关重要的作用[27,28,29]，流态通过不同雷诺数可分为层流和紊流，这不仅取决于流速，还取决于流体的物性、流道的几何形状，突然扩充、收缩、凸台、改变流向等都会影响流态。因此在低流速状态下也有可能出现湍流，流态对于腐蚀规律影响较大，研究中需要考虑这点。

在层流条件下，介质流速较低，腐蚀反应主要受氧扩散过程控制，此时流速增加，会提高氧扩散系数及电荷转移速度，从而促进了阴阳极反应，腐蚀过程加速[30]，阴极极化曲线表现在阴极段部分一般呈现氧扩散特征；介质流速增加，金属表面的剪切应力也随之增加，但数值较小。流速对于腐蚀速率的影响表现为流速增加，腐蚀速率缓慢上升[31,32]。对于钝性材料来说，合适的流速会促进材料表面氧化膜的形成、保护基体，腐蚀速率很大程度上取决于流体冲刷作用与钝化能力的相对强弱，当流速对钝化的促进作用大于冲刷作用时，腐蚀速率随流速减小，反之则增大。

当流速增大到雷诺数超过层流临界值时进入紊流状态，传质速率较高，反应物以及腐蚀性离子更易到达金属材料表面，从而促进腐蚀；同时湍流造成材料表面剪切力增大，腐蚀产物与基体的结合力变差，破碎程度增加，流体介质中固体颗粒对表面产生无规则冲击也会加速腐蚀。

一般情况下，材料腐蚀速率随流速增大开始缓慢增加，当流速超过某个临界值时，腐蚀明显加剧。这个临界值通常称为临界流速，是评价材料冲蚀腐蚀性能的有效参数之一，其大小与腐蚀体系以及材料自身性质有关[33,34,35,36]。例如当流道形状突然改变，流态随之改变，也会引发腐蚀加剧，导致腐蚀形态复杂多变。关于临界流速的研究已成为流动腐蚀研究的重点和热点。Wang等[37]通过彩色标记法和离子标记法，探寻了临界流速引起腐蚀的机理，发现钛表面膜在低于临界流速的流速下发生机械破裂，提出临界流速现象存在的机理为固体颗粒碰撞引起的去钝化过程与再钝化过程的相对强弱。Yi等[38]研究发现2205双相不锈钢表面经过固液射流冲击后，按腐蚀损伤程度可分为三个区域，临界流速分别为13m/s、11m/s和15m/s，临界值越低的区域冲蚀损伤越大。不同区域之间的临界流速差异是由固体颗粒撞击角和撞击速度的联合作用造成的。此外，流速也会引起腐蚀形貌的变化，Wang等[39]研究发现流动条件下点蚀坑内部的涡流会带来浓度场和电势场的变化，进而导致点蚀坑的演变呈现非对称性的特点。

4.2 流型

由于流体湍动、相间冲击作用及相对运动，两相流和多相流流动结构复杂多样，相界面分布呈现不同的几何形状或流动结构，称为流型。不同的多相流流型的相分布、分相速度差别很大，对腐蚀性环境的形成及腐蚀性离子的传质过程影响很大，进而对壁面腐蚀程度产生影响。张昆[40]对气液两相不同流型下腐蚀规律进行研究，实验装置可以实现分层流、气泡流、段塞流和环状流四种流型，实验结果表明不同流型下管道的腐蚀速率不同，段塞流和环状流下的腐蚀速率最大。主要原因为段塞前部形成的气液混合区对管壁产生强烈的冲刷作用，同时气泡对管壁底部产生强烈冲击并破灭，伴随高温和高压作用。同时，气泡相邻的液膜对管壁产生很大的瞬间剪切力作用，这种综合效果导致剧烈的流动腐蚀。另外，段塞流腐蚀速率随温度和压力的增大而升高。刘晓田[41]通过研究段塞流特性参数对腐蚀的影响发现，管道顶部的腐蚀速率会随弗劳德数增大而减小，而液塞频率、液相流速、气液比增大时，腐蚀速率随之增大。环状流中由于气体和液滴不断冲击管壁表面，破坏保护膜的形成，使金属腐蚀加剧。气泡流和分层流状态下的腐蚀速率较低。气泡流中，流速增大的气体易与液相混合形成气液混合物，虽然气泡的破裂也会对管壁形成冲击，但这种作用比较轻微。分层流中液体和气体流速较慢，重力的作用使气相与液膜分层，腐蚀主要是液相介质产生的电化学腐蚀，外部流体的冲击作用较弱，导致腐蚀速率相对较低。

对于常见的输油管道内部多相流动过程，油包水分散流条件下形成原油为连续相的油水分散体系，避免水相与管道内壁直接接触。然而油包水型分散体系的小液滴在长距离、长时间输送过程中容易发生沉降形成积液，导致管道底部腐蚀问题。段塞流条件下管道内壁特定位置将处于周期性的油水两相交替润湿状态，其润湿特性取决于流型特征和材料表面等因素，此时管道的腐蚀规律和机理变得更加复杂。张鲁飞[42]研究发现油管腐蚀中，当管内流型变化时，对壁面的腐蚀程度比较剧烈，段塞流对壁面的腐蚀最严重。由于段塞流中流体处于高度紊流状态，在管壁形成的边界层很薄，从而发生对流传质腐蚀、相转变腐蚀和冲刷腐蚀等多种腐蚀机制，腐蚀速率远高于其他流型。目前对于复杂流型下多种腐蚀机制并存的问题仍缺乏深入认识，流型与腐蚀的关系是一项特别需要深入研究的问题。

4.3 表面膜

材料表面膜的阻隔作用对于腐蚀过程起着至关重要的作用[43]，可增加传质阻力，防止基体暴露在介质中从而溶解。表面膜的化学成分、厚度、稳定性对于腐蚀过程影响很大[44,45,46]。

Mohammadi等[47]采用多种电化学模型计算了不同操作条件下不锈钢表面钝化膜的厚度，并进行了实验验证，提出最近发展起来的幂律模型比其他模型更能准确预测钝化膜厚度。Karoui等[48]对于不锈钢的研究表明，流动海水腐蚀过程中形成的沉积物主要是碳酸钙和水镁石。另外，沉积层的孔隙率对于腐蚀过程有很大的影响，孔隙率低的沉积层具有更好的阻隔性，能有效地防止腐蚀性离子进入基体。Hoseinieh等[49]研究表明，与水镁石相比，碳酸钙的孔隙率小，阻隔性能更好。高流速能降低沉积层的孔隙率，更有利于碳酸钙生成，保护基体，抗腐蚀性能更好。

腐蚀过程中产物膜的形成和溶解同时进行，而产物膜的形成以及溶解本身受多种因素的影响，包括合金成分、溶液pH、离子种类、温度、流速等，这些因素不是单独作用的，它们共同影响金属的腐蚀过程[49,50,51]。其中溶液介质流动对于表面产物膜的形成和溶解过程影响很大且非常复杂[52,53]，流速增大，质量传输速率随之增大，可以为表面膜提供充足的氧，有利于维持金属的钝化，而溶液的冲刷作用会使产物膜更为致密，减少了腐蚀产物的缺陷，降低腐蚀速率；同时，流动会加速腐蚀性离子（氯离子等）的传质，破坏产物膜的完整性，容易引起局部腐蚀。另外流速增大会使材料表面剪切力增大，当剪切力大于表面产物膜与基体的黏合强度时，产物膜遭到破坏，基体与介质接触从而加速腐蚀。但是也有研究表明，在一些情况下由于流体对壁面的剪切力远小于表面膜与壁面的黏合强度，仅剪切力不足以去除产物膜。Wei等[4]研究表明动态条件下钝化膜的破坏由流动的剪切应力和氧化膜的内应力共同引起，虽然壁面剪切力太小不足以破坏产物膜，但内应力会随产物膜的厚度增加而显著增大，从而导致表面膜因缺陷而开裂。Tan等[54]研究发现在流动条件下，特别是有缺陷引起的不均匀流场下X80钢表面要形成完整的钝化膜比较困难，当钝化膜被部分破坏时，金属表面会形成阴极和阳极，且阴阳极面积相差较大，从而加速受损区域的局部腐蚀。

综上，流速会通过促进物质传递来加速表面膜的生成，同时也会通过剪切效应来破坏表面膜，表面膜的生成和溶解共同决定了对腐蚀的影响。

4.4 流体冲刷角度

流体对于金属表面的冲刷力可分为水平和垂直两个分量。在水平方向上，流体对材料表面产生剪切作用，这种作用虽然加快了电荷传输速度，但反应物质难以在材料表面吸附。当剪切力大于腐蚀产物的附着力时，腐蚀产物从材料表面剥离，因而剪切作用是材料损失的主要原因；而垂直方向分量则产生撞击作用，促进反应物在材料表面上的附着并接触发生反应，抑制电荷转移过程，同时固体颗粒会对表面造成冲击坑、微裂纹等。持续冲击作用使材料呈片状脱落，表面粗糙度增大，加速腐蚀。两者损伤效果不同，冲刷角度的变化会使得这两个分量发生变化，随着冲击角的增加，水平剪应力通常会减小，法向撞击作用会增强，腐蚀过程会随之变化。因此，存在某一角度使得切应力和冲击作用共同产生的损伤最大，此时材料的腐蚀损伤最严重[55]。Tang等[56]研究发现冲刷角度从45°到90°时，冲刷腐蚀先减小后增大，冲刷角度大于30°小于45°时，腐蚀速率随角度增大而增大，45°时，腐蚀速率最大，主要是因为水平剪切力和垂直方向的撞击作用共同导致的。当冲击角度小于45°时，剪切力占主导，冲击角度大于45°时，法向撞击作用占主导。45°时，剪切应力与法向应力具有最大的协同作用。综上，流体冲刷角度对于材料腐蚀速率的影响较为复杂，具体取决于施加在材料表面上的水平剪切力和法向应力的大小以及二者的协同作用。

4.5 累积冲刷时间

在腐蚀研究过程中，累积时间是一个重要的变量[57]。腐蚀速率一般随流体介质的作用时间的延长而降低，Zhang等[58]研究发现，电机转速为1000r/min时，EIS图显示阻抗谱半圆的大小随时间的增加而增大，如图4所示。这主要是初期材料表面未形成完整而致密的产物膜，此时氧化膜处于不稳定状态，因此腐蚀性介质以及反应物等更容易到达金属表面，随着时间的延长，伴随着钝化膜的形成和溶解，金属表面更容易形成均匀而致密的膜，因此腐蚀速率也随着降低。连续的冲击腐蚀，会导致腐蚀坑面积增大产生溃疡腐蚀[59]，进而会增加材料表面粗糙度，影响流体力学参数，例如传质系数和舍伍德数，影响腐蚀过程[10]。

图4X65钢在转速为1000r/min、含油量为10%的溶液中不同腐蚀时间后的奈奎斯特图[58]

图4X65钢在转速为1000r/min、含油量为10%的溶液中不同腐蚀时间后的奈奎斯特图[58]下载原图

4.6 热力学因素

从热力学角度看，温度对反应动力学过程的影响同样不可忽视，主要通过影响腐蚀反应的动力学参数、氧扩散系数、氧溶解量及产物膜特性等方面对流动腐蚀产生复杂多变的影响。氧的扩散系数随着温度的上升而逐渐增高，促进腐蚀过程；另一方面，温度升高时，氧会逐渐析出，减缓了阴极还原反应。对于钝性材料，表面膜的特性及材料再钝化的能力也会随着温度的变化而发生转变：温度较低时，腐蚀性离子的传输速率低，腐蚀产物膜的形成较慢，难以形成连续、附着力强、具有保护性的产物膜，再加上流体的流动冲刷对膜的破坏，容易引起严重的局部腐蚀；温度较高时，腐蚀速率较快，腐蚀产物达到过饱和并且加速沉淀，容易形成致密、保护性强的产物膜，从而抑制腐蚀过程。彭文才等[60]研究表明不同温度条件下腐蚀模式也有差别，在高温度以及较高含氧量的情况下，5083铝合金容易发生均匀腐蚀，在低温度低含氧量的情况下5083合金容易产生点蚀。Gat等[61]研究表明温度对流动腐蚀的影响过程由多种机制共同决定，包括扩散过程、氧溶解量以及产物膜特性等。随着温度的升高，材料的流动腐蚀速率是增大还是减少取决于腐蚀过程中上述热动力耦合作用的哪种机制占据主导地位，而主导机制也会随温度而发生变化，导致腐蚀速率的变化规律随着实验条件而发生复杂的变化。

4.7 固体颗粒

在实际的工业生产中，流体介质不只是有单纯的化学成分，还经常存在杂质。当流体介质中存在固体颗粒，此时形成了固/液两相流。固体颗粒对金属的影响主要通过破坏金属表面氧化膜来实现，流体经过材料表面时，颗粒会对表面产生切应力，增强了介质对于材料表面的冲刷，疏松的腐蚀产物膜容易被冲刷掉，从而对材料表面造成冲击坑，导致材料表面的粗糙度增加，使得金属基体裸露在外面遭到腐蚀。此外，Zhang等[58]研究表明，溶液中加砂会使电荷转移阻力显著降低，钢的腐蚀性能增加。

固体颗粒的硬度、尺寸、棱角度、含量等对腐蚀过程也会产生显著的影响。一般情况下，颗粒硬度越高、尺寸越大，破坏性越大，颗粒以相同的速度撞击材料表面时较大的粒子具有更大的动能，颗粒的粒径越大，密度越大，磨损率越高；棱角越多，对于材料表面破坏性越强；但是并不是固体颗粒含量越高腐蚀速率越大，颗粒含量增大，流体对表面的切应力可能减小，这主要是颗粒之间相互作用，从而对材料产生了屏蔽作用，彭文山等[62]研究表明含砂量增加时，材料表面产物层的孔隙被细微砂石填补，在一定程度上减弱腐蚀。

4.8 气泡

当流动介质中存在气泡时，特别是在高流速下，随着流体的运动，气泡对金属表面的冲击作用不可忽视，会导致腐蚀明显加剧。气泡和液体以相同的速度流动，进入高压区或者碰撞材料表面时，气泡瞬间溃灭，对壁面产生极高的液压冲击、机械力，并伴有高温、振动等现象，它会破坏金属表面上的保护膜，甚至会使基体受到损伤，长期作用使壁面形成破坏区，加剧材料腐蚀。另外，气泡的尺寸、上升速度、气相浓度、体积分率对腐蚀也有显著影响。茅俊杰等[63]研究表明在弯管内壁侧存在局部压降，气泡体积分率和剪切力增大，冲刷腐蚀最严重。李鹏等[64]研究发现在一定流速下，截面含气率增加会降低腐蚀速率。不仅如此，流体中气体的存在可能改变流型，对表面边界层产生扰动作用，从而进一步加速腐蚀过程。

5、展望

(1）腐蚀体系的流体力学参数随表面粗糙度变化而改变。腐蚀过程中，材料表面产生附着物，造成表面不均匀，流道发生变化。此时光滑表面的雷诺数与舍伍德数之间的关系不再有效，腐蚀过程随之变化。如何表征腐蚀引起的流道变化情况下的腐蚀过程已成为真实、准确描述腐蚀过程的关键问题。一方面，通过研究流体力学参数随流道结构变化规律，准确把握流道变化对于腐蚀过程的影响机理；另一方面，可以寻求与结构无关的流体力学参数来表征腐蚀。

(2）在常规实验中，短时间实验结果对于指导实际长周期运行存在偏差，腐蚀过程中材料表面产物膜结构、厚度等随时间变化对于腐蚀的影响不可忽视。因此可结合数值模拟来克服时间尺度的影响，对于腐蚀动态过程的长周期影响开展进一步研究。

(3）相同腐蚀条件下不同模拟试验装置的研究结果不同，难以横向比较，至今未得到统一的结论。如何建立相同腐蚀条件下不同模拟试验装置之间流体力学条件的等同关系是未来流动腐蚀研究需要解决的重要问题。

(4）工业中经常遇到两相流或者多相流，其中多相流腐蚀过程极为复杂，影响因素众多。多相流场、多组分传质以及界面反应之间存在紧密的耦合关系但时空尺度差别较大，模拟实验条件和方法等方面较为困难，迄今为止，对于多相流的腐蚀规律和腐蚀加剧的机制尚不十分清楚，因此迫切需要开展进一步研究，获得多相流场下腐蚀的诱发机理、演变规律以及发展趋势。

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基金:国家自然科学基金(51906200,51879216,51839010);陕西省教育厅重点实验室科研计划(19JS045).