磨損腐蝕概述

來源：磨蝕專委會

一、磨損腐蝕定義

磨損腐蝕（Wear Corrosion）是在材料表面磨損與腐蝕介質(zhì)共同作用下所產(chǎn)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(jī)溶劑或液體金屬等腐蝕介質(zhì)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(shè)備如管道系統(tǒng)、離心機(jī)、推進(jìn)器、葉輪、換熱器、蒸汽管道等Z易遭受磨損腐蝕（見圖1）。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[1]。

圖1  運動流體設(shè)備磨損腐蝕圖（來源：設(shè)備維修管家索雷）

二、磨損腐蝕分類

根據(jù)摩擦副相對運動時材料性質(zhì)的不同，磨損腐蝕可分為：摩振腐蝕(FrettingCorrosion)，金屬材料之間相對運動時所發(fā)生的磨損腐蝕；沖蝕(ImpingementCorrosion)，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(chǎn)生的腐蝕現(xiàn)象。磨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(chǎn)生滑移和變形；有腐蝕介質(zhì)參與作用。磨振腐蝕的機(jī)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(jī)車部件、螺栓連接的部件等處。

圖2  磨振腐蝕機(jī)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(yīng)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(fēng)分離器、容器內(nèi)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(chǎn)生的原因是流體高速運動時產(chǎn)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(chǎn)生極大壓力，破壞了金屬表面的保護(hù)膜，使金屬受到強(qiáng)烈的破壞?？张莞g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(fù)進(jìn)行，Z終造成嚴(yán)重的氣蝕[2]。

圖4  空泡腐蝕過程

三、磨損腐蝕影響因素

磨損腐蝕的影響因素，主要有以下四方面[2]：

(1) 金屬耐磨損腐蝕性能與它的耐蝕性和耐磨性密切相關(guān)。

(2) 表面膜的保護(hù)性能和損壞后的修復(fù)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(fù)雜的，當(dāng)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(dāng)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(fù)時，將導(dǎo)致磨損腐蝕出現(xiàn)。

(4) 當(dāng)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。

四、磨損腐蝕的防止

(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(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化是指改變設(shè)備形狀或幾何結(jié)構(gòu)，力求避免產(chǎn)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(kuò)大，使湍流不至于形成；也可以設(shè)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(dāng)加?壁厚。設(shè)備的進(jìn)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(hù)

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(shè)備、管道和攪拌槳的使用壽命。凝汽器銅管冷卻水進(jìn)口也常采尼龍或塑料套圈，或涂環(huán)氧樹脂進(jìn)行保護(hù)。此外，盡可能降低溫度，除去介質(zhì)中的氧，采用緩蝕劑。

(4) 陰極保護(hù)

采用電化學(xué)方法對設(shè)備進(jìn)行防護(hù)，例如海水環(huán)境使用的熱交換器上施加電流進(jìn)行陰極保護(hù)，在泵中使用鋅塞以犧牲陽極的方式保護(hù)泵。陰極保護(hù)可使金屬表面上產(chǎn)生氫氣泡，以阻擋空泡腐蝕所產(chǎn)生的沖擊波[3]。

磨損腐蝕是一個物理、機(jī)械、化學(xué)和電化學(xué)協(xié)同作用的綜合領(lǐng)域，各影響因素錯綜復(fù)雜，其將大幅加速材料的降解速度并在磨損腐蝕過程中?速失效，引起設(shè)備故障、生產(chǎn)線打斷等經(jīng)濟(jì)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(xué)理論價值和工業(yè)實際應(yīng)用意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 林玉珍, 楊德鈞. 腐蝕和腐蝕控制原理第2版[M]. 北京：中國石化出版社， 2014:186.

[2] 祝新偉. 壓力管道腐蝕與防護(hù)[M]. 上海: 華東理工大學(xué)出版社, 2015: 102-104.

[3] 陳穎敏. 電廠設(shè)備的腐蝕與控制[M]. 北京: 中國電力出版社, 2014: 93.