關于磨損腐蝕,你了解多少?
磨損腐蝕(Wear Corrosion)是在材料表面磨損與腐蝕介質共同作用下所產生的局部性金屬腐蝕。受磨損腐蝕的表面形貌表現(xiàn)為溝槽、溝紋或呈山谷狀,并常帶有方向性,磨損和腐蝕交互作用將加速金屬材料破壞過程。大多數(shù)金屬和合金,在一些氣體、水溶液、有機溶劑或液體金屬等腐蝕介質中都會受到磨損腐蝕。銅、鉛、錫等更容易發(fā)生磨損腐蝕。其處于運動流體中的設備如管道系統(tǒng)、離心機、推進器、葉輪、換熱器、蒸汽管道等最易遭受磨損腐蝕,如圖1所示。所有影響腐蝕的因素都影響磨損腐蝕,磨損腐蝕的速度比單純的腐蝕更快。
圖1 運動流體設備磨損腐蝕圖
一、磨損腐蝕的分類
根據(jù)摩擦副相對運動時材料性質的不同,磨損腐蝕可分為:
摩振腐蝕(Fretting Corrosion),金屬材料之間相對運動時所發(fā)生的磨損腐蝕;
沖蝕(Impingement Corrosion),金屬材料與流體相對運動時發(fā)生的磨損腐蝕。
1、摩振腐蝕
摩振腐蝕又稱微動腐蝕或摩擦氧化,是指在有氧氣存在的外界環(huán)境中,外界載荷作用下固體相互接觸表面間由于振動或滑動產生的腐蝕現(xiàn)象。
摩振腐蝕的形成條件為:承受載荷的界面存在振動或滑動;載荷和相對運動使界面產生滑移和變形;有腐蝕介質參與作用。
摩振腐蝕的機理包括:磨損-氧化理論和氧化-磨損理論,如圖2所示。常發(fā)生于滾珠軸承與軸之間,也發(fā)生在引擎、機車部件、螺栓連接的部件等處。
圖2 摩振腐蝕機理示意圖
2、沖蝕磨損
沖蝕(沖擊腐蝕)又稱湍流腐蝕,是指腐蝕性流體與金屬表面間相互運動而引起的金屬的加速腐蝕。高速流體或流動截面的突然變化形成了湍流或沖擊,對金屬材料表面施加切應力,使表面膜破壞,在磨損和腐蝕的協(xié)同作用下形成腐蝕坑,如圖3所示。沖擊腐蝕多發(fā)生在流體改變方向的部位,如彎頭、三通、旋風分離器、容器內以及入口管相對的部位。
圖3 沖蝕磨損示意圖
空泡腐蝕(Cavitation Erosion)是沖擊腐蝕的一種特殊形式。其產生的原因是流體高速運動時產生的湍流、氣泡和空腔。氣泡和空腔高速形成并破滅,在其破滅的瞬間產生極大壓力,破壞了金屬表面的保護膜,使金屬受到強烈的破壞。
空泡腐蝕過程(如圖4所示):
① 在金屬表面膜上形成氣泡;
② 氣泡破滅使膜破壞;
③ 暴露出的金屬基體被腐蝕并重新成膜;
④ 在該處容易形成新的氣泡;
⑤ 氣泡破滅,膜再次破壞;
⑥ 金屬基體的裸區(qū)被腐蝕并重新成膜。
上述過程反復進行,最終造成嚴重的氣蝕。
圖4 空泡腐蝕過程
二、磨損腐蝕的影響因素
磨損腐蝕的影響因素,主要有以下四方面:
(1) 金屬耐磨損腐蝕性能與它的耐蝕性和耐磨性密切相關。
(2) 表面膜的保護性能和損壞后的修復能力,對材料耐磨損腐蝕性能起著決定性的作用。
(3) 流速是影響磨損腐蝕的重要因素,但它對金屬材料腐蝕的影響是復雜的,當流體流動有利于金屬鈍化時,流速增加將使腐蝕速度下降。流動也能消除液體停滯而降低點蝕等局部腐蝕發(fā)生概率。當流體的流速和流動狀態(tài)影響到金屬表面膜的形成,破壞和修復時,將導致磨損腐蝕出現(xiàn)。
(4) 當液體中含有懸浮固體顆粒(如泥漿、料漿)或氣泡,氣體中含有微液滴(如蒸氣中含冷凝水滴)時,將加劇材料的磨損腐蝕破壞。
三、磨損腐蝕的預防
1、選擇耐磨損腐蝕的材料
選擇耐磨損磨蝕的材料是解決磨損腐蝕的常用方法。一般硬度高、耐腐蝕和表面膜性能好的合金有利于抗磨損腐蝕。
2、結構設計優(yōu)化
結構設計優(yōu)化是指改變設備形狀或幾何結構,力求避免產生渦流和湍流。例如,熱交換器的流體入口管端可以把湍流的死區(qū)擴大,使湍流不至于形成;也可以設計為流線型,以利于減小沖刷磨損腐蝕。在受沖刷的部位,適當加大壁厚。設備的進口管如果伸出管板外十多厘米,可以使管子的壽命成倍增長。降低表面粗糙度也是有益的。
3、采用涂層和襯層防護
選用有彈性的、耐蝕耐磨的涂層材料,如橡膠襯里材料、塑料襯里、采用耐磨蝕的金屬覆蓋層可延長設備、管道和攪拌槳的使用壽命。凝汽器銅管冷卻水進口也常采尼龍或塑料套圈,或涂環(huán)氧樹脂進行保護。此外,盡可能降低溫度,除去介質中的氧,采用緩蝕劑。
4、陰極保護
采用電化學方法對設備進行防護,例如海水環(huán)境使用的熱交換器上施加電流進行陰極保護,在泵中使用鋅塞以犧牲陽極的方式保護泵。陰極保護可使金屬表面上產生氫氣泡,以阻擋空泡腐蝕所產生的沖擊波。磨損腐蝕是一個物理、機械、化學和電化學協(xié)同作用的綜合領域,各影響因素錯綜復雜,其將大幅加速材料的降解速度并在磨損腐蝕過程中快速失效,引起設備故障、生產線打斷等經濟損失問題,甚至還會引起安全事故,逐漸受到各個工業(yè)部門的重視。因此對于這種特殊的磨損形式的持續(xù)探索和研究具有重要的科學理論價值和工業(yè)實際應用意義。
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