高温高压喷射条件下X70管线钢的CO2腐蚀形貌

第36卷第3期 北京科技大学学报 Vol.36 No.3 2014年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.2014 高温高压喷射条件下X70管线钢的CO2腐蚀形貌 蔡峰)，柳伟区，樊学华，张晶》，路民旭 1)北京科技大学新材料技术研究院，北京1000832)中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司，北京100085 ☒通信作者，E-mail:weiliu@usth.cdu.cn 摘要利用自主研发的高温高压环路喷射装置并结合流体动力学模拟计算，研究了高温高压C0,环境流体喷射条件下X70 钢的腐蚀产物微观形貌、基体表面三维形貌、腐蚀减薄量及其统计规律，并探讨了与流体状态之间的关系.结果表明，高温高 压流体喷射条件下，不同流态区域内流体传质速率和壁面切应力的差异是造成X70钢腐蚀产物、基体表面三维形貌及腐蚀减 薄量差异的主要原因.按照层流区→壁面喷射区→过渡区的顺序，流体壁面切应力逐渐增加，不断减薄腐蚀产物膜直至其脱 落，造成传质过程阻力减小，传质速率增大，腐蚀过程不断加剧.因此，按照层流区→壁面喷射区→过渡区的顺序，X70钢表面 腐蚀产物膜由完整致密向疏松多孔变化，基体表面三维形貌呈现平坦→陡峭→非常陡峭的特征，三维表面高度偏差和均方根 偏差、腐蚀减薄量平均值和标准差均呈现逐渐增大的趋势.在高温高压流体喷射条件下，X70钢的C02腐蚀速率与壁面切应 力之间较好地满足指数关系 关键词管线钢：二氧化碳：腐蚀：形貌 分类号TG142.71:TG172.3 CO,corrosion morphology of X70 pipeline steel under jet impingement at high temperature and high pressure environment CAl Feng",LIU Wei,FAN Xue-hua2,ZHANG Jing",LU Min-xu) 1)Institute for Advanced Materials and Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Branch of China Petroleum Engineering Co.Ltd.,Beijing 100085,China Corresponding author,E-mail:weiliu@ustb.edu.cn ABSTRACT The CO2 corrosion behavior of X70 pipeline steel,including the corrosion product's morphology,three-dimensional sur- face topography,and corrosion thickness reduction as well as its statistical analysis,was investigated in high temperature and high pres- sure CO2 environment using self-developed loop jet impingement apparatus and computation fluid dynamic(CFD)technique.The rela- tionship between the obtained results and flow regimes under jet impingement was also discussed.It is found that the differences of fluid mass transfer and wall shear stress distributed on the steel surface located at different flow regimes are the main reason for the differ- ences of the corrosion product's morphology,three-dimensional surface topography and corrosion thickness reduction.According to the order of the laminar zone,the wall jet zone and the transition zone,the corrosion product is thinned,degraded and even removed from the steel surface because of the continuous increasing of wall shear stress,which will decrease the mass transfer resistance,accelerate the mass transfer rate,and continuously enhance the corrosion process of the steel.Therefore,in the order of the laminar zone,the wall jet zone and the transition zone,the structure of the corrosion product changes from complete and compact to loose and porous,the three-dimensional morphology of the substrate surface changes from flat to steep,the average roughness and the root mean square as well as the average corrosion thickness reduction and the standard deviation gradually increase.The corrosion rate and the wall shear stress can be correlated properly with the exponential relationship. KEY WORDS pipeline steel:carbon dioxide:corrosion:morphology 收稿日期：2012一1105 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.03.003:http://jourals.ustb.edu.en

第 36 卷 第 3 期 2014 年 3 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 3 Mar． 2014 高温高压喷射条件下 X70 管线钢的 CO2 腐蚀形貌 蔡 峰1) ，柳 伟1) ，樊学华2) ，张 晶1) ，路民旭1) 1) 北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083 2) 中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司，北京 100085  通信作者，E-mail: weiliu@ ustb． edu． cn 摘 要 利用自主研发的高温高压环路喷射装置并结合流体动力学模拟计算，研究了高温高压 CO2 环境流体喷射条件下 X70 钢的腐蚀产物微观形貌、基体表面三维形貌、腐蚀减薄量及其统计规律，并探讨了与流体状态之间的关系． 结果表明，高温高 压流体喷射条件下，不同流态区域内流体传质速率和壁面切应力的差异是造成 X70 钢腐蚀产物、基体表面三维形貌及腐蚀减 薄量差异的主要原因． 按照层流区→壁面喷射区→过渡区的顺序，流体壁面切应力逐渐增加，不断减薄腐蚀产物膜直至其脱 落，造成传质过程阻力减小，传质速率增大，腐蚀过程不断加剧． 因此，按照层流区→壁面喷射区→过渡区的顺序，X70 钢表面 腐蚀产物膜由完整致密向疏松多孔变化，基体表面三维形貌呈现平坦→陡峭→非常陡峭的特征，三维表面高度偏差和均方根 偏差、腐蚀减薄量平均值和标准差均呈现逐渐增大的趋势． 在高温高压流体喷射条件下，X70 钢的 CO2 腐蚀速率与壁面切应 力之间较好地满足指数关系． 关键词 管线钢; 二氧化碳; 腐蚀; 形貌 分类号 TG 142. 71; TG 172. 3 CO2 corrosion morphology of X70 pipeline steel under jet impingement at high temperature and high pressure environment CAI Feng1) ，LIU Wei1)  ，FAN Xue-hua2) ，ZHANG Jing1) ，LU Min-xu1) 1) Institute for Advanced Materials and Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Beijing Branch of China Petroleum Engineering Co． Ltd． ，Beijing 100085，China  Corresponding author，E-mail: weiliu@ ustb． edu． cn ABSTＲACT The CO2 corrosion behavior of X70 pipeline steel，including the corrosion product's morphology，three-dimensional sur￾face topography，and corrosion thickness reduction as well as its statistical analysis，was investigated in high temperature and high pres￾sure CO2 environment using self-developed loop jet impingement apparatus and computation fluid dynamic ( CFD) technique． The rela￾tionship between the obtained results and flow regimes under jet impingement was also discussed． It is found that the differences of fluid mass transfer and wall shear stress distributed on the steel surface located at different flow regimes are the main reason for the differ￾ences of the corrosion product's morphology，three-dimensional surface topography and corrosion thickness reduction． According to the order of the laminar zone，the wall jet zone and the transition zone，the corrosion product is thinned，degraded and even removed from the steel surface because of the continuous increasing of wall shear stress，which will decrease the mass transfer resistance，accelerate the mass transfer rate，and continuously enhance the corrosion process of the steel． Therefore，in the order of the laminar zone，the wall jet zone and the transition zone，the structure of the corrosion product changes from complete and compact to loose and porous，the three-dimensional morphology of the substrate surface changes from flat to steep，the average roughness and the root mean square as well as the average corrosion thickness reduction and the standard deviation gradually increase． The corrosion rate and the wall shear stress can be correlated properly with the exponential relationship． KEY WOＲDS pipeline steel; carbon dioxide; corrosion; morphology 收稿日期: 2012--11--05 DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 03． 003; http: / /journals． ustb． edu． cn

·290· 北京科技大学学报 第36卷 高温高压条件下金属材料的C02腐蚀是石油 的传质速率与C0,腐蚀速率之间的关系.然而，目 天然气工业中普遍面临的问题，会引起油气开采设 前利用喷射装置所开展的研究大多基于常温常压环 备、输送管道和加工设施失效，导致严重的安全事故 境，这与油气田高温高压实际工况存在一定差距，所 和重大经济损失口.流体流态是CO,腐蚀的重要影 获研究成果的工业化应用存在一定局限性.因此， 响因素之一，它主要通过腐蚀介质传递和力学作用 利用喷射装置开展高温高压不同流态下CO2腐蚀 影响腐蚀过程.在实际生产中，当含有CO2的腐蚀 研究，是对现有研究成果的进一步补充和完善，满足 介质通过阀门、弯头和三通等复杂过流部件时，由于 工业化发展的新要求. 其几何形状的不规则会引起局部流体流态的急剧变 本文利用自主研发的高温高压环路喷射装置并 化，导致过流部件遭受电化学腐蚀和流体冲刷的协 结合流体动力学模拟计算，研究了高温高压C02环 同作用，存在极大的腐蚀失效风险-) 境流体喷射条件下X70钢的腐蚀行为，比较并分析 目前，研究者主要利用泥浆容器、旋转笼囿、 了X70钢在喷射不同位置处三维形貌的统计数据， 管道环路)、旋转圆盘电极网、喷射装置)等来模 明确流体喷射条件下不同流态腐蚀形貌差异的 拟研究流体流态对腐蚀的影响.其中，喷射装置被 原因. 认为是最有效的模拟研究手段，它不仅能实现在同 1 实验材料及方法 种环境条件下不同流体流态的模拟，而且结合流体 动力学模拟计算（computational fluid dynamics, 1.1实验材料 CFD),可深入了解分析流体流态对材料损伤过程及 实验材料为X70管线钢，其组织主要为铁素 影响机理o.Zhang和Cheng利用喷射装置及原 体(a-Fe)和渗碳体(FeC),化学成分见表1. 位电化学测试研究了常温常压条件下X65管线钢 图1所示为实验用高温高压环路喷射装置，流体 的C02腐蚀行为，发现不同流态下X65钢C02腐蚀 通过驱动泵在管路内循环流动，经喷嘴时以一定 过程的差异取决于流体对材料表面腐蚀产物作用的 速度持续喷射冲击试样表面，研究所采用实验参 差异.John等采用喷射装置研究得到了1020钢 数见表2. 表1实验用X70管线钢的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of the tested X70 pipeline steel % C Si Mn P Mo Ni Cu Nb Fe 0.055 0.20 1.52 0.008 0.004 0.21 0.22 0.280 0.057 Bal. 进气口 出气口 在环氧树脂中的X70钢试样用SiC砂纸逐级打磨至 1200",并用2000水磨砂纸抛光处理至镜面，丙酮除 喷嘴 油和去离子水清洗。 表2高温高压流体喷射实验参数表 Table 2 Parameters for jet impingement experiments under high temper ature and high pressure environment 实验参数 数值 总压力，Pa/MPa 0.8 流量计萄 旁路阀门 C02分压，Pco2MPa 0.8 实验温度，T/℃ 90 驱动泵 喷射速度，V/(ms1) 3 喷射角度，1() 90 图1高温高压环路喷射装置示意图 喷嘴直径，d/mm 2.5 Fig.I Schematic diagram of loop jet impingement apparatus under 喷嘴到试样垂直距离，H/mm 4 high temperature and high pressure environment 实验周期，t/h 24 喷射试样尺寸为0.8mm×0.8mm×8mm,工作 面积为0.64mm2,采用环氧树脂对试样进行封装， 实验介质为模拟某油气田采出液，用高纯去离 试样A、B、C和D分布如图2所示.实验前，对镶嵌 子水和分析纯化学试剂配制而成，其组分如表3所

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 高温高压条件下金属材料的 CO2 腐蚀是石油 天然气工业中普遍面临的问题，会引起油气开采设 备、输送管道和加工设施失效，导致严重的安全事故 和重大经济损失［1］． 流体流态是 CO2 腐蚀的重要影 响因素之一，它主要通过腐蚀介质传递和力学作用 影响腐蚀过程． 在实际生产中，当含有 CO2 的腐蚀 介质通过阀门、弯头和三通等复杂过流部件时，由于 其几何形状的不规则会引起局部流体流态的急剧变 化，导致过流部件遭受电化学腐蚀和流体冲刷的协 同作用，存在极大的腐蚀失效风险［2--4］． 目前，研究者主要利用泥浆容器［5］、旋转笼［6］、 管道环路［7］、旋转圆盘电极［8］、喷射装置［9］等来模 拟研究流体流态对腐蚀的影响． 其中，喷射装置被 认为是最有效的模拟研究手段，它不仅能实现在同 种环境条件下不同流体流态的模拟，而且结合流体 动 力 学 模 拟 计 算 ( computational fluid dynamics， CFD) ，可深入了解分析流体流态对材料损伤过程及 影响机理［10］． Zhang 和 Cheng［11］利用喷射装置及原 位电化学测试研究了常温常压条件下 X65 管线钢 的 CO2 腐蚀行为，发现不同流态下 X65 钢 CO2 腐蚀 过程的差异取决于流体对材料表面腐蚀产物作用的 差异． John 等［12］采用喷射装置研究得到了 1020 钢 的传质速率与 CO2 腐蚀速率之间的关系． 然而，目 前利用喷射装置所开展的研究大多基于常温常压环 境，这与油气田高温高压实际工况存在一定差距，所 获研究成果的工业化应用存在一定局限性． 因此， 利用喷射装置开展高温高压不同流态下 CO2 腐蚀 研究，是对现有研究成果的进一步补充和完善，满足 工业化发展的新要求． 本文利用自主研发的高温高压环路喷射装置并 结合流体动力学模拟计算，研究了高温高压 CO2 环 境流体喷射条件下 X70 钢的腐蚀行为，比较并分析 了 X70 钢在喷射不同位置处三维形貌的统计数据， 明确流体喷射条件下不同流态腐蚀形貌差异的 原因． 1 实验材料及方法 1. 1 实验材料 实验材料为 X70 管线钢，其组织主要为铁素 体( α － Fe) 和 渗 碳 体( Fe3 C) ，化学 成 分 见 表 1． 图 1 所示为实验用高温高压环路喷射装置，流体 通过驱动泵在管路内循环流动，经喷嘴时以一定 速度持续喷射冲击试样表面，研究所采用实验参 数见表 2． 表 1 实验用 X70 管线钢的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of the tested X70 pipeline steel % C Si Mn P S Mo Ni Cu Nb Fe 0. 055 0. 20 1. 52 0. 008 0. 004 0. 21 0. 22 0. 280 0. 057 Bal． 图 1 高温高压环路喷射装置示意图 Fig． 1 Schematic diagram of loop jet impingement apparatus under high temperature and high pressure environment 喷射试样尺寸为 0. 8 mm × 0. 8 mm × 8 mm，工作 面积为 0. 64 mm2 ，采用环氧树脂对试样进行封装， 试样 A、B、C 和 D 分布如图 2 所示． 实验前，对镶嵌 在环氧树脂中的 X70 钢试样用 SiC 砂纸逐级打磨至 1200# ，并用 2000# 水磨砂纸抛光处理至镜面，丙酮除 油和去离子水清洗． 表 2 高温高压流体喷射实验参数表 Table 2 Parameters for jet impingement experiments under high temper￾ature and high pressure environment 实验参数 数值 总压力，Ptotal / MPa 0. 8 CO2 分压，PCO2 /MPa 0. 8 实验温度，T /℃ 90 喷射速度，V /( m·s － 1 ) 3 喷射角度，θ /( °) 90 喷嘴直径，d /mm 2. 5 喷嘴到试样垂直距离，H/mm 4 实验周期，t / h 24 实验介质为模拟某油气田采出液，用高纯去离 子水和分析纯化学试剂配制而成，其组分如表 3 所 · 092 ·

第3期 蔡峰等：高温高压喷射条件下X70管线钢的C0,腐蚀形貌 ·291· OS4B作为研究区域以简化计算，其中SA长度为 2.5 mm 12.5mm.研究区域采用结构网格划分，其中x方向 采用等间距网格，y方向上采用两边收缩网格，以保 喷嘴 证壁面和喷嘴出口处的网格密集，分析准确.有限 试样 元网格划分如图4所示.同时，假定流体为均质黏 性且不可压缩性流体，流体黏度仅随温度变化：喷射 环氧树脂 流体流态为湍流，采用k一ε湍流模型进行数值模 拟；试样表面满足黏性无滑移边界条件 图2流体喷射条件下X70钢试样分布示意图 Fig.2 Schematic diagram of X70 steel sampling under fluid jet im- P-P B pingement 示.实验前向溶液中通入高纯C02(（体积分数大于 P=Po 99.99%)气体12h,以除去实验介质中溶解的氧. 在实验过程中，持续向实验介质中通入C02,保证其 为C02饱和溶液. V=,-0 图4流体喷射模型的有限元结构网格划分及边界条件 表3实验用溶液的化学成分 Fig.4 Finite element mesh and corresponding boundary conditions of Table 3 Chemical composition of the experimental solution the impingement jet mgL-1 K*NaCa2+Mg2+CISOHCON0gpH值 CFD模拟的边界条件包括： 1963105125015931154717 6.7 (1)冲刷试样表面SA为静止固壁，满足无滑动 黏附条件，即V.=V,=0; 1.2流体力学模拟计算 (2)在流体喷射轴线OS上，x方向的流体流速 流体力学模拟计算采用吴欣强等提出的流体喷 为零，即V.=0; 射冲击C℉D模型，如图3所示3.利用有限元分 (3)在喷嘴出口ON处，流体的速度保持恒定 析软件ANSYS11.0进行模拟计算.在冲刷角度为 并且单向流动，即V=0,V,=U=3ms1; 90°条件下，流体喷射模型呈轴对称性，因此选用 (4)流体出口表面NB和AB的压力保持恒定， 即P=Po 1.3表面形貌观察 腐蚀实验结束后，对X70钢试样表面用去离子 「喷嘴半径 :距喷射中心的径向距离 水和乙醇清洗并干燥.利用扫描电镜(SEM)观察表 :喷嘴与夹具间距离 U喷射速度 面腐蚀产物微观形态.然后清洗试样表面腐蚀产 物，采用非接触式表面形貌仪(Micro-XAM3D)测量 喷嘴 X70钢基体三维形貌（试样腐蚀后，在其边缘处与环 氧树脂可能出现涡旋作用，本研究选用试样x、y方 向的测试长度均为640um).通过分析基体三难形 貌统计数据，获得表面高度概率分布及三维形貌幅 试样圆盘夹具 试样 度参数S。、S,、S和S,各个参数定义如下s- 表面高度概率分布用于描述反应表面不同高度 所占概率，反应了粗糙表面在高度方向上的整体分 布规律.表面高度概率密度函数定义为 图3流体喷射冲击C℉D模拟模型示意图 ∑(S,-Sg) f(2)=lim (1) Fig.3 Schematic diagram of liquid jet impingement for CFD simula- △zA tion 式中：z为粗糙表面高度坐标，为测试表面随机分

第 3 期 蔡 峰等: 高温高压喷射条件下 X70 管线钢的 CO2 腐蚀形貌 图 2 流体喷射条件下 X70 钢试样分布示意图 Fig． 2 Schematic diagram of X70 steel sampling under fluid jet im￾pingement 示． 实验前向溶液中通入高纯 CO2 ( 体积分数大于 99. 99% ) 气体 12 h，以除去实验介质中溶解的氧． 在实验过程中，持续向实验介质中通入 CO2，保证其 为 CO2 饱和溶液． 表 3 实验用溶液的化学成分 Table 3 Chemical composition of the experimental solution mg·L － 1 K + Na + Ca2 + Mg2 + Cl － SO2 － 4 HCO － 3 NO － 3 pH 值 196 310 512 50 1593 115 47 17 6. 7 图 3 流体喷射冲击 CFD 模拟模型示意图 Fig． 3 Schematic diagram of liquid jet impingement for CFD simula￾tion 1. 2 流体力学模拟计算 流体力学模拟计算采用吴欣强等提出的流体喷 射冲击 CFD 模型，如图 3 所示［13--14］． 利用有限元分 析软件 ANSYS 11. 0 进行模拟计算． 在冲刷角度为 90°条件下，流体喷射模型呈轴对称性，因此选用 OSAB 作为研究区域以简化计算，其中 SA 长度为 12. 5 mm． 研究区域采用结构网格划分，其中 x 方向 采用等间距网格，y 方向上采用两边收缩网格，以保 证壁面和喷嘴出口处的网格密集，分析准确． 有限 元网格划分如图 4 所示． 同时，假定流体为均质黏 性且不可压缩性流体，流体黏度仅随温度变化; 喷射 流体流态为湍流，采用 κ--ε 湍流模型进行数值模 拟; 试样表面满足黏性无滑移边界条件． 图 4 流体喷射模型的有限元结构网格划分及边界条件 Fig． 4 Finite element mesh and corresponding boundary conditions of the impingement jet CFD 模拟的边界条件包括: ( 1) 冲刷试样表面 SA 为静止固壁，满足无滑动 黏附条件，即 Vx = Vy = 0; ( 2) 在流体喷射轴线 OS 上，x 方向的流体流速 为零，即 Vx = 0; ( 3) 在喷嘴出口 ON 处，流体的速度保持恒定 并且单向流动，即 Vx = 0，Vy = Uexit = 3 m·s － 1 ; ( 4) 流体出口表面 NB 和 AB 的压力保持恒定， 即 P = P0 ． 1. 3 表面形貌观察 腐蚀实验结束后，对 X70 钢试样表面用去离子 水和乙醇清洗并干燥． 利用扫描电镜( SEM) 观察表 面腐蚀产物微观形态． 然后清洗试样表面腐蚀产 物，采用非接触式表面形貌仪( Micro-XAM 3D) 测量 X70 钢基体三维形貌( 试样腐蚀后，在其边缘处与环 氧树脂可能出现涡旋作用，本研究选用试样 x、y 方 向的测试长度均为 640 μm) ． 通过分析基体三维形 貌统计数据，获得表面高度概率分布及三维形貌幅 度参数 Sa、Sq、Ssk和 Sku，各个参数定义如下［15--16］． 表面高度概率分布用于描述反应表面不同高度 所占概率，反应了粗糙表面在高度方向上的整体分 布规律． 表面高度概率密度函数定义为 f( z) = lim ∑i ( Sij － Sij +1 ) ΔzAn ． ( 1) 式中: z 为粗糙表面高度坐标，zj为测试表面随机分 · 192 ·

·292· 北京科技大学学报 第36卷 布中选取的高度为jμm;S,为表面高度为z时第i个 的高度分布.测量过程均选取测试平台为基准面， 粗糙峰截面的面积；△z为+1与的差；A.为粗糙表 方法如图5所示.通过计算腐蚀前后不同位置处 面名义接触面积 X70钢试样的三维高度差值获得其对应三维减薄量 三维表面高度偏差S,表示被测表面上各点到 H,并利用三维减薄量H的频率分布直方图来直观 基准平面偏距的平均值，其定义为 地反映其分布特征，验证其正态分布性m.同时选 5)ddr. (2) 用腐蚀减薄量平均值μH及标准差σH定量分析腐蚀 减薄量H的正态分布差异。其中，平均值以：用来描 式中，l,和，分别为采样区域x和y方向的长度，7 述服从腐蚀减薄量正态分布的随机变量的均值，标 为测试点到基准面的距离 准差σH描述正态分布的离散程度，σH越小，分布越 三维表面高度均方根偏差S。表示轮廓偏离平 集中，说明各个数值与平均值的差别越小，离集中趋 均平面的程度，其定义为 势位置越近，反之亦然 s- (x,)]'dxdy (3) 光学探头 表面高度分布的偏斜度S,表示表面偏差相对 于基准面的对称性程度，定义为 s=发广广.门 试样 (4) 若表面高度对称分布，则偏斜度为零.否则，如 果表面的分布在低于基准面的一边有大的尖峰， S4<0:相反，表面的分布在基准面之上有大的尖 测试基准面 峰，S>0. 表面高度分度的峭度S.表示形貌高度分布的 峰度和峭度，定义为 图5X70钢表面三维高度测试方法示意图 8-.广，]hd: Fig.5 Schematic representation of three-dimensional height measure- (5) ment for X70 steel 若测试面为高斯表面时，其峭度S.=3;形貌高 2 实验结果 度分布集中在中心的表面，S>3;而一个分散的高 度分布表面，Sm<3. 2.1流体力学模拟计算 1.4腐蚀减薄量测量及统计分析 图6所示为沿喷射中心径向距离及不同位置处 腐蚀实验前，利用非接触式表面形貌仪测量不 X70钢试样表面的壁面切应力T.计算结果.由 同位置处X70钢试样高度分布.实验结束去除试样 图6(a)可见，随着距喷射中心径向距离r的增大， 表面腐蚀产物后，再次测试不同位置处X70钢试样 壁面切应力T.呈现先增加后减小，而后逐渐稳定的 80 80 (a) 60 N)A 区域I 区域Ⅲ N/2 40 20 10 12 试样A 试样B 试样C 试样D 距喷射中心径向距离，mm 图6喷射条件下沿喷射中心径向距离壁面切应力()及不同位置处X70钢试样表面壁面切应力() Fig.6 Wall shear stresses along the radial distance from the jet center (a)and on the surface of samples at different locations (b)

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 布中选取的高度为 jμm; Sij为表面高度为 zj时第 i 个 粗糙峰截面的面积; Δz 为 zj + 1与 zj的差; An为粗糙表 面名义接触面积． 三维表面高度偏差 Sa表示被测表面上各点到 基准平面偏距的平均值，其定义为 Sa = 1 lx ly ∫ lx 0 ∫ ly 0 | η( x，y) | dxdy． ( 2) 式中，lx和 lx分别为采样区域 x 和 y 方向的长度，η 为测试点到基准面的距离． 三维表面高度均方根偏差 Sq表示轮廓偏离平 均平面的程度，其定义为 Sq = 1 lx ly ∫ lx 0 ∫ ly 0 ［η( x，y) ］2 dxd 槡 y ． ( 3) 表面高度分布的偏斜度 Ssk表示表面偏差相对 于基准面的对称性程度，定义为 Ssk = 1 S3 q ∫ ∞ －∞ ∫ ∞ －∞ ［η( x，y) ］3 dxdy． ( 4) 若表面高度对称分布，则偏斜度为零． 否则，如 果表面的分布在低于基准面的一边有大的尖峰， Ssk ＜ 0; 相反，表面的分布在基准面之上有大的尖 峰，Ssk ＞ 0． 表面高度分度的峭度 Sku表示形貌高度分布的 峰度和峭度，定义为 Sku = 1 S4 q ∫ ∞ －∞ ∫ ∞ －∞ ［η( x，y) ］4 dxdy． ( 5) 若测试面为高斯表面时，其峭度 Sku = 3; 形貌高 度分布集中在中心的表面，Sku ＞ 3; 而一个分散的高 度分布表面，Sku ＜ 3． 图 6 喷射条件下沿喷射中心径向距离壁面切应力( a) 及不同位置处 X70 钢试样表面壁面切应力( b) Fig． 6 Wall shear stresses along the radial distance from the jet center ( a) and on the surface of samples at different locations ( b) 1. 4 腐蚀减薄量测量及统计分析 腐蚀实验前，利用非接触式表面形貌仪测量不 同位置处 X70 钢试样高度分布． 实验结束去除试样 表面腐蚀产物后，再次测试不同位置处 X70 钢试样 的高度分布． 测量过程均选取测试平台为基准面， 方法如图 5 所示． 通过计算腐蚀前后不同位置处 X70 钢试样的三维高度差值获得其对应三维减薄量 H，并利用三维减薄量 H 的频率分布直方图来直观 地反映其分布特征，验证其正态分布性［17］． 同时选 用腐蚀减薄量平均值 μH及标准差 σH定量分析腐蚀 减薄量 H 的正态分布差异． 其中，平均值 μH用来描 述服从腐蚀减薄量正态分布的随机变量的均值，标 准差 σH描述正态分布的离散程度，σH越小，分布越 集中，说明各个数值与平均值的差别越小，离集中趋 势位置越近，反之亦然［18］． 图 5 X70 钢表面三维高度测试方法示意图 Fig． 5 Schematic representation of three-dimensional height measure￾ment for X70 steel 2 实验结果 2. 1 流体力学模拟计算 图 6 所示为沿喷射中心径向距离及不同位置处 X70 钢试样表面的壁面切应力 τw 计算 结 果． 由 图 6( a) 可见，随着距喷射中心径向距离 r 的增大， 壁面切应力 τw呈现先增加后减小，而后逐渐稳定的 · 292 ·

第3期 蔡峰等：高温高压喷射条件下X70管线钢的CO,腐蚀形貌 ·293· 变化规律.其中，在喷射正中心点r=0mm处，壁面 基体表面粗糙程度最大，形貌分布严重偏离基准面， 切应力T.=0Nm2;r=3.5mm处，壁面切应力T. 这与图8中试样B三维形貌中连续的凸峰结构和 出现最大值；r>9mm,壁面切应力T,基本保持不 较深的凹坑结果一致：试样C和D的，和S值介于 变.图6(b)结果显示，按照试样A→D→C→B的顺 试样A和B之间，且试样C的S,和S,值均大于试样 序，试样表面壁面切应力T的平均值依次增大.同 D,这与图8中试样C和D凸峰和凹坑数量的减少 时注意到，试样A表面的壁面切应力T,分布偏差最 相一致，表明相对于试样B而言，试样C和D基体 大，试样B和C表面r.分布偏差相对较小，而试样 表面受到的腐蚀破坏程度逐渐降低.同时，试样B D表面T.分布基本保持不变 表面高度分布的偏斜度S:值最小且为负值，其余试 2.2腐蚀产物微观形貌 样的S4值均为正并按照A、D和C的顺序依次递 图7所示为喷射后不同位置处X70钢试样表 增，说明试样B和C表面分别以“凹坑”和“凸峰” 面腐蚀产物微观形貌。图7结果显示，不同位置处 为其主要形貌特征.同时，试样B和C的表面高度 X70钢表面腐蚀产物的致密度和覆盖率存在显著差 分度峭度S.值大于3，试样A和D的S值均小于 异.试样A表面腐蚀产物分布平坦，仅沿流体运动 3,表明试样B、C分布集中在中心，而试样A和D表 方向存在一定冲刷痕迹，其截面形貌显示腐蚀产物 面高度分布更为分散，峰和谷分布数量相当网 致密完整，厚度达到50μm.试样B表面腐蚀产物 综上结果可见，高温高压C0,环境流体喷射条 呈块状结构，分布疏松且有裂纹出现，在沿流体冲刷 件下，按照试样A→DC→B的顺序，X70钢基体表 方向腐蚀产物膜呈现内外双层结构，膜层厚度不足 面三维形貌呈现平坦→陡峭→非常陡峭的特征，表 10μm.试样C和D表面腐蚀产物呈网状化结构，其 面平均偏差S,和均方根偏差S。逐渐增大，这与图6 致密度、覆盖率和膜层厚度介于试样A和B之间. 中喷射条件下不同试样表面壁面切应力？.的分布 特别地，与试样C相比，试样D表面腐蚀产物分布 规律一致，说明试样表面切应力分布的差异会影响 更加趋于平整，裂纹明显降低，致密度进一步提高. 到腐蚀后基体表面三维形貌的差别 上述结果表明，高温高压CO2环境流体喷射条件 2.4腐蚀减薄量及统计分析 下，按照试样AD→C→B的顺序，X70钢表面腐蚀 图9所示为不同位置处X70钢试样三维腐蚀 产物的致密度和完整性逐渐降低，腐蚀产物对基体 减薄量H及其频率分布直方图.对三维腐蚀减薄量 材料的保护性也将相应减弱. H进行统计结果表明，不同位置处X70钢试样的腐 2.3表面三维形貌及统计分析 蚀减薄量均符合正态分布，即腐蚀减薄量以其平均 图8所示为不同位置处X70钢试样去除腐蚀 值为中心，两端逐渐对称地减少.不同位置处X70 产物后基体三维形貌及高度概率分布曲线.如图8 钢腐蚀减薄量平均值4H及标准差σ结果如表5所 所示，试样A基体表面均匀平整，未见明显的凸峰 示.由结果可见：试样A的减薄量平均值μ和标准 和凹坑特征.试样A表面高度分布范围为-7~ 差σ最小，腐蚀减薄量分布范围及正态分布离散度 5um,并呈现典型的正态分布特征.试样B三维形 最小；试样B的uH和σH最大，分别为试样A对应参 貌呈现连续的凸峰和凹坑特征，表面高度的分布范 数的3.85倍和4.28倍，腐蚀减薄量分布范围在0~ 围最大，在-25~24m之间.与试样B相比，试样 80um之间，正态分布离散度最大；试样C和D的 C基体表面仅在局部区域有连续凸峰结构和腐蚀凹 uH和σa介于试样A和B之间，且试样C的ug和σH 坑存在，且表面陡峭度和腐蚀坑深度均呈现减低趋 值均大于试样D.上述结果表明，高温高压CO,环 势：此外，试样C表面高度分布范围小于试样B.与 境流体喷射条件下，按照试样A→D→C→B的顺 试样C相比，试样D基体表面凸峰、腐蚀坑数量以 序，X70钢的腐蚀减薄量平均值4a及标准差σH呈逐 及表面高度分布范围进一步减小，基体表面趋于平 渐增大的趋势，这与图6中喷射条件下不同试样表 整化. 面壁面切应力T.分布及图8表面三维形貌特征的 表4对比了不同位置处X70钢试样基体表面 变化规律相一致. 三维形貌的幅度参数.由结果可见：试样A表面平 3讨论 均偏差S,和均方根偏差S,最小，说明试样A基体表 面均匀平整，偏离基准面程度很小，腐蚀破坏程度最 依据喷射条件下材料表面的流体动力学特征， 弱：试样B表面平均偏差S,和均方根偏差S,值最 可划分为以下几个区域0，如图10所示：层流滞留 大，约为试样A对应参数值的4.5倍，表面试样B 区(I区)、高湍流过渡区（Ⅱ区）、低湍流壁面喷射

第 3 期 蔡 峰等: 高温高压喷射条件下 X70 管线钢的 CO2 腐蚀形貌 变化规律． 其中，在喷射正中心点 r = 0 mm 处，壁面 切应力 τw = 0 N·m － 2 ; r = 3. 5 mm 处，壁面切应力 τw 出现最大值; r ＞ 9 mm，壁面切应力 τw 基本保持不 变． 图 6( b) 结果显示，按照试样 A→D→C→B 的顺 序，试样表面壁面切应力 τw的平均值依次增大． 同 时注意到，试样 A 表面的壁面切应力 τw分布偏差最 大，试样 B 和 C 表面 τw分布偏差相对较小，而试样 D 表面 τw分布基本保持不变． 2. 2 腐蚀产物微观形貌 图 7 所示为喷射后不同位置处 X70 钢试样表 面腐蚀产物微观形貌． 图 7 结果显示，不同位置处 X70 钢表面腐蚀产物的致密度和覆盖率存在显著差 异． 试样 A 表面腐蚀产物分布平坦，仅沿流体运动 方向存在一定冲刷痕迹，其截面形貌显示腐蚀产物 致密完整，厚度达到 50 μm． 试样 B 表面腐蚀产物 呈块状结构，分布疏松且有裂纹出现，在沿流体冲刷 方向腐蚀产物膜呈现内外双层结构，膜层厚度不足 10 μm． 试样 C 和 D 表面腐蚀产物呈网状化结构，其 致密度、覆盖率和膜层厚度介于试样 A 和 B 之间． 特别地，与试样 C 相比，试样 D 表面腐蚀产物分布 更加趋于平整，裂纹明显降低，致密度进一步提高． 上述结果表明，高温高压 CO2 环境流体喷射条件 下，按照试样 A→D→C→B 的顺序，X70 钢表面腐蚀 产物的致密度和完整性逐渐降低，腐蚀产物对基体 材料的保护性也将相应减弱． 2. 3 表面三维形貌及统计分析 图 8 所示为不同位置处 X70 钢试样去除腐蚀 产物后基体三维形貌及高度概率分布曲线． 如图 8 所示，试样 A 基体表面均匀平整，未见明显的凸峰 和凹坑特征． 试样 A 表面高度分布范围为 － 7 ～ 5 μm，并呈现典型的正态分布特征． 试样 B 三维形 貌呈现连续的凸峰和凹坑特征，表面高度的分布范 围最大，在 － 25 ～ 24 μm 之间． 与试样 B 相比，试样 C 基体表面仅在局部区域有连续凸峰结构和腐蚀凹 坑存在，且表面陡峭度和腐蚀坑深度均呈现减低趋 势; 此外，试样 C 表面高度分布范围小于试样 B． 与 试样 C 相比，试样 D 基体表面凸峰、腐蚀坑数量以 及表面高度分布范围进一步减小，基体表面趋于平 整化． 表 4 对比了不同位置处 X70 钢试样基体表面 三维形貌的幅度参数． 由结果可见: 试样 A 表面平 均偏差 Sa和均方根偏差 Sq最小，说明试样 A 基体表 面均匀平整，偏离基准面程度很小，腐蚀破坏程度最 弱; 试样 B 表面平均偏差 Sa 和均方根偏差 Sq 值最 大，约为试样 A 对应参数值的 4. 5 倍，表面试样 B 基体表面粗糙程度最大，形貌分布严重偏离基准面， 这与图 8 中试样 B 三维形貌中连续的凸峰结构和 较深的凹坑结果一致; 试样 C 和 D 的 Sa和 Sq值介于 试样 A 和 B 之间，且试样 C 的 Sa和 Sq值均大于试样 D，这与图 8 中试样 C 和 D 凸峰和凹坑数量的减少 相一致，表明相对于试样 B 而言，试样 C 和 D 基体 表面受到的腐蚀破坏程度逐渐降低． 同时，试样 B 表面高度分布的偏斜度 Ssk值最小且为负值，其余试 样的 Ssk值均为正并按照 A、D 和 C 的顺序依次递 增，说明试样 B 和 C 表面分别以“凹坑”和“凸峰” 为其主要形貌特征． 同时，试样 B 和 C 的表面高度 分度峭度 Sku值大于 3，试样 A 和 D 的 Sku值均小于 3，表明试样 B、C 分布集中在中心，而试样 A 和 D 表 面高度分布更为分散，峰和谷分布数量相当［19］． 综上结果可见，高温高压 CO2 环境流体喷射条 件下，按照试样 A→D→C→B 的顺序，X70 钢基体表 面三维形貌呈现平坦→陡峭→非常陡峭的特征，表 面平均偏差 Sa和均方根偏差 Sq逐渐增大，这与图 6 中喷射条件下不同试样表面壁面切应力 τw的分布 规律一致，说明试样表面切应力分布的差异会影响 到腐蚀后基体表面三维形貌的差别． 2. 4 腐蚀减薄量及统计分析 图 9 所示为不同位置处 X70 钢试样三维腐蚀 减薄量 H 及其频率分布直方图． 对三维腐蚀减薄量 H 进行统计结果表明，不同位置处 X70 钢试样的腐 蚀减薄量均符合正态分布，即腐蚀减薄量以其平均 值为中心，两端逐渐对称地减少． 不同位置处 X70 钢腐蚀减薄量平均值 μH及标准差 σH结果如表 5 所 示． 由结果可见: 试样 A 的减薄量平均值 μH和标准 差 σH最小，腐蚀减薄量分布范围及正态分布离散度 最小; 试样 B 的 μH和 σH最大，分别为试样 A 对应参 数的3. 85 倍和4. 28 倍，腐蚀减薄量分布范围在 0 ～ 80 μm 之间，正态分布离散度最大; 试样 C 和 D 的 μH和 σH介于试样 A 和 B 之间，且试样 C 的 μH和 σH 值均大于试样 D． 上述结果表明，高温高压 CO2 环 境流体喷射条件下，按照试样 A→D→C→B 的顺 序，X70 钢的腐蚀减薄量平均值 μH及标准差 σH呈逐 渐增大的趋势，这与图 6 中喷射条件下不同试样表 面壁面切应力 τw分布及图 8 表面三维形貌特征的 变化规律相一致． 3 讨论 依据喷射条件下材料表面的流体动力学特征， 可划分为以下几个区域［20］，如图 10 所示: 层流滞留 区( Ⅰ区) 、高湍流过渡区( Ⅱ区) 、低湍流壁面喷射 · 392 ·