流体流动特性对金属表面电化学反应过程的影响

发布时间：2020-10-27 03:30

　　 本文为了探讨流体诱导电化学腐蚀影响因素,根据动量、能量和质量守恒准则,采用欧拉-欧拉计算模型,利用数值计算方法计算得到管壁附近湍流边界层的液体流动参数,以及电化学反应物对流扩散参数。根据介质流动产生的壁面切应力和电化学反应物在边界层内的传质系数,得到表面电化学反应速率与液体流动参数之间的联系。同时,基于流体力学理论及腐蚀电化学理论,以TP140钢和超级13Cr钢两种材料为研究对象,在自行设计的射流式实验装置上,利用电化学方法研究了流体流动特性对金属表面电化学反应过程的影响。本文以氯化钠溶液为腐蚀介质,流速在0~22m/s范围内,采用三电极电化学测试方法研究两种材料在不同Cl~-浓度、液体流速下的自腐蚀电位,腐蚀电流密度,并利用电化学极化法和电化学阻抗谱法对实验结果进行分析。模拟结果表明:在流动环境下,液体运动的速度场、能量场和液体中Cl~-的浓度场在流体边界层中的变化很大。壁面表面切应力随着平均流速的升高呈现指数规律的增大。液体中Cl~-的传质系数随着流速的升高呈线性关系增大。实验结果表明:在静态腐蚀环境下,无论是TP140钢还是超级13Cr钢,其腐蚀速率随Cl~-浓度增加呈现一种先升后降的变化趋势。其中TP140钢最大腐蚀速率位于3wt%NaCl浓度时,腐蚀速率为0.1396mm/a,约为纯水介质的8.21倍。当NaCl浓度接近3.5wt%时,超级13Cr钢的腐蚀速率出现极大值(1.88×10~(-2)mm/a)。在高速液体冲击下,随着流速变化时,两种材料的腐蚀速率同样存在极大值,其中超级13Cr钢的腐蚀在14m/s流速下最大腐蚀速率为0.175mm/a,而TP140钢最大腐蚀速率1.473mm/a的临界流速为16m/s。由于不锈钢表面存在较为致密的氧化膜,因此超级13Cr钢相比于TP140钢更耐耗氧腐蚀。在流动环境下,液体流速增大导致壁面切应力和反应传质速率的增加,是壁面电化学反应速率增大的主要原因。然而这一促进作用在低流速时十分明显,一旦达到临界流速,受传质速率及壁面反应过程的影响,流速的增大对腐蚀反应产生了抑制作用。
【学位单位】：西安石油大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG174.36
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 课题研究背景及意义
    1.2 电化学腐蚀的研究进展
        1.2.1 电化学腐蚀的机理
        1.2.2 电化学腐蚀的影响因素
        1.2.3 电化学腐蚀的测试技术
    1.3 流体性质影响腐蚀电化学的因素
        1.3.1 流体力学因素
        1.3.2 材料因素
        1.3.3 环境因素
    1.4 流体流动特性影响腐蚀电化学的研究现状及发展趋势
    1.5 本论文研究的内容
第二章 流体性质对金属表面电化学反应过程影响的数值分析
    2.1 金属材料表面腐蚀数值计算问题的提出
    2.2 介质流场湍流流动的数值计算
        2.2.1 流场湍流模型的建立及边界条件
        2.2.2 网格无关性的验证
    2.3 结果与讨论
        2.3.1 介质流动引起的场变化
        2.3.2 速度场的改变对近壁面表面切应力和传质系数的影响
    2.4 本章小结
第三章 流体浓度对金属表面电化学反应过程的影响
    3.1 实验准备工作
        3.1.1 实验材料的选用
        3.1.2 实验试样的制备及技术要求
        3.1.3 实验溶液的配置
        3.1.4 腐蚀产物的清除方法
    3.2 实验装置
        3.2.1 流体诱导腐蚀实验装置
        3.2.2 实验仪器
    3.3 实验结果
        3.3.1 流体浓度对TP140钢腐蚀电化学研究
        3.3.2 流体浓度对超级13Cr钢腐蚀电化学研究
    3.4 讨论与分析
        3.4.1 TP140钢的电化学极化分析
        3.4.2 TP140钢的电化学阻抗谱分析
        3.4.3 超级13Cr钢的电化学极化分析
        3.4.4 超级13Cr钢的电化学阻抗谱分析
    3.5 本章小结
第四章 流体流速对金属表面电化学反应过程的影响
    4.1 实验结果
        4.1.1 流体流速对超级13Cr钢腐蚀电化学的影响
        4.1.2 流体流速对TP140钢腐蚀电化学的影响
    4.2 讨论与分析
        4.2.1 超级13Cr钢的电化学极化分析
        4.2.2 超级13Cr钢的电化学阻抗谱分析
        4.2.3 TP140钢的电化学极化分析
        4.2.4 TP140钢的电化学阻抗谱分析
    4.3 本章小结
第五章 结论
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间参加科研情况及获得的学术成果

【参考文献】

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本文编号：2857966