磨损和冲刷腐蚀

2022-02-10 13:27:48 作者：工业小南点来源：工业小南点分享至：

4.6 磨损和冲刷腐蚀

流动的腐蚀介质、或在腐蚀介质中的两个金属的接触面发生相对运动，则金属表面即发生腐蚀作用，又存在机械作用导致的金属破坏，两者协同作用，从而使腐蚀或磨损的速率大大加速。虽然磨损是一个渐进的过程，正常情况下磨损直接的结果也并非灾难性的，但有时也会导致压力容器的爆炸事故发生，因此，腐蚀磨损造成材料的加速损坏已经引起了人们极大的关注和重视。实际上，机械设备的磨损失效造成的经济损失是巨大的。我国每年因摩擦磨损造成的经济损失在1000亿人民币以上，仅磨料磨损每年就要消耗300多万吨金属耐磨材料。

Vol.4.6.1 磨损和冲刷腐蚀定义

当材料的表面相互接触或材料表面与流体接触并作相对运动时，由于物理和化学的作用，材料表面的形状、尺寸或质量发生变化的过程，称为磨损腐蚀（wear corrosion），也称为摩耗腐蚀。磨损有多种形式，根据相对运动的特点，可分为3种形式：腐蚀磨损、冲击磨损和空泡腐蚀。根据失效机理也可以分为：粘着磨损、磨料磨损、冲击磨损、微动磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损等。

01 腐蚀磨损

腐蚀磨损是摩擦副接触表面的机械磨损与周围环境介质发生的化学或电化学腐蚀的共同作用，导致表层材料流失的现象。常发生在矿山机械、工程机械、农业机械、冶金机械等接触部件或直接与砂、石、煤、灰渣等摩擦的部件，如磨煤机、矿石破碎机、球磨机、溜槽、振动筛、螺旋加料器、刮板运输机、旋风除尘器等。

①微动性损伤。微动性损伤有微动疲劳、微动磨损和微动腐蚀等。微动腐蚀属于腐蚀磨损，又称摩振腐蚀，微动指名义上相对静止的两个固体的相互接触表面在一定法面载荷作用下互相挤压，在周期性小幅相对滑动（通常为振动）的固体表面因磨损与腐蚀交互作用所导致的材料表面损伤现象。产生微动腐蚀的相对滑动极小，振幅一般约为5～400μm。腐蚀使金属表面呈现麻点或沟槽，在麻点或沟槽周围是腐蚀产物。他同时破坏了零部件接触面所允许的公差，使紧配合松动。

②粘着磨损。粘着磨损是在两摩擦表面相对滑动时，材料发生“冷焊”后便从一个表面转移到另一个表面，成为表面凸起物，促使摩擦表面进一步磨损的现象称。

③磨料磨损。由外部进入摩擦面间的硬颗粒或突出物在较软材料的表面上犁刨出很多沟纹，产生材料的迁移而造成的一种磨损现象。常会产生一些小的磨粒或碎屑，进一步加重表面的磨损。

对于磨料磨损还可以进一步按不同分类方法进行分为两体磨损、三体磨损、凿削磨损、。高应力磨损、低应力磨损、切削磨损和变形磨损。

02 冲击磨损（Erosion或Erosive wear）

指流体或固体粒子（通常粒径不超过1mm）以一定速度（通常不超过500m·s-1）和角度对材料表面进行冲击所造成的材料表面流失的现象，也称为侵蚀或侵蚀磨损。根据流动介质可以分为：气固冲蚀磨损、液固（浆体）冲蚀磨损、液滴冲蚀磨损等。

材料在静止的或低速流动的腐蚀介质中，腐蚀并不严重，而当腐蚀流体高速运动时，因为破坏了金属表面具有保护作用的表面膜或腐蚀产物膜，表面膜的减薄或去除加速了金属的腐蚀过程，因而冲蚀是流体的冲刷与腐蚀协同作用的结果。流体输送管道、旋流分离器、旋风分离器、容器的进料口（物料冲蚀），锅炉管道（燃烧粉尘冲蚀），喷砂机的喷嘴，各种排料泵（磨粒对叶轮和泵体的冲蚀）等都可能受到冲刷腐蚀。据统计，在用管道输送物料的气动运输装置中，弯头处的冲蚀磨损比直通部分严重50倍；锅炉管道的失效分析表明，在管道事故中约有1/3是由于冲蚀磨损造成的。英国Eyre估计，冲蚀磨损约占工业生产中磨损总量的8%。

①气固冲蚀磨损：当含有固体微粒的流体冲击材料表面造成的一种磨损现象；

②浆体（液体-固体）冲蚀磨损：液体介质携带固体粒子以一定的角度和速度对材料表面进行冲击，使材料表面产生磨损的现象；

③液滴冲蚀磨损：液滴或连续射流冲击材料表面产生的磨损。

03 气蚀磨损（Cavitation corrosion，erosion corrosion）

气蚀磨损又称空泡腐蚀，是一种高速相对运动的、局部的冲击腐蚀，属于冲击腐蚀的特殊形式。当流体高速运动达到湍流时，在流体内形成负压区，从而产生气泡。气泡受到压缩时，内压升高而发生溃灭，气泡溃灭产生高压冲击波，压力可达103MPa以上，由于液流中不断溃灭的气泡产生的高压强以及溃灭时的微射流的反复冲击作用，使材料表面产生破坏的现象称为气蚀（或空蚀）磨损。常发生在水轮机叶片、高速螺旋桨、阀门、管路、水冷发动机缸套、水工泄水建筑物等处。除水以外，其它液体也常发生气蚀磨损。如原子能电站中常用的传热介质-液态金属钠、钾、铋等；一些飞行器中的液态氢；油泵或轴瓦中的润滑油等。

Vol.4.6.2 磨损和冲刷腐蚀对压力容器的危害

腐蚀和冲蚀并存会加速劣化的速率，使设备寿命大大缩短。当磨损和冲刷腐蚀发生在压力容器的壳体上时，往往因壳体局部承压能力的下降导致容器爆炸事故的发生。换热器管束也常因为微动磨损、冲刷腐蚀导致内漏，使装置非计划停车。

Vol.4.6.3 磨损和冲刷腐蚀形貌

不同的磨损类型，有不同的宏观和微观特征，共同的宏观特征是受损部位严重减薄。

01 腐蚀磨损

①磨粒磨损。大部分磨粒棱角比车床、刨床所用刀具刃口钝得多，因此磨粒切削过程使材料表面产生更大程度的塑性变形。典型的微切屑形貌，一面是磨屑形成时与磨粒表面摩擦产生的微细磨痕，另一面是磨粒切削时产生的剪切变形皱折。微切屑的长宽比一般比较大，常有卷曲现象。

但脆性材料，塑性变形很小，裂纹扩展导致断裂脱落的机理可能占支配的地位。当断裂发生时，压痕四周外围的材料都要被磨损剥落，因此磨损量比塑性材料的磨损量大；

②微动磨损。材料表面形成凹坑或麻点，并在摩擦表面上伴有腐蚀斑点，这些是集结的氧化物，常布满在表面的凹坑或麻点中。有些凹坑及凹坑边缘可见材料疲劳或塑性流动特征。

02 冲刷腐蚀

常发生在容器进出口接管的弯管外弯处，设备正对气体介质入口的筒壁，换热器管板、折流板、U形弯、筒体接管入口处的管束，折流板及入口防冲板附近壳体器壁等部位。宏观形貌有方向性沟槽。

湍流腐蚀和冲击腐蚀是冲刷腐蚀的两种重要形式，高速流体或流动截面突然变化形成了湍流或冲击，湍流形成的切应力使表面膜破坏，不规则的表面使流动方向更为紊乱，产生更强的切应力，在磨损和腐蚀的协同作用下形成腐蚀坑。湍流常发生在管道截面或流向突变部位，在介质的入口端，金属表面凸出、凹陷、缝隙、沉积物等处都易形成湍流。受到湍流腐蚀的金属表面往往呈现沟槽、波纹、凹谷和马蹄形外观，且与流向有明显关系。

03 气蚀磨损

材料表面局部出现圆形或椭圆形的深浅不同的凹穴和麻点，有的甚至呈蜂窝状，并产生裂纹和剥落。

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