螺旋流和緩蝕劑協同作用抑制管道沖刷腐蝕

周昊，吉慶豐，馬鴻雁，劉雯，雷云，楊足膺，朱科鈐

（1.揚州大學 水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009；2.常州大學a.江蘇省油氣儲運重點實驗室 b.機械與軌道交通學院，江蘇 常州 213164；3.建東職業技術學院，江蘇 常州 213032；4.常州大學 商學院，江蘇 常州213159）

沖刷–腐蝕是金屬材料破壞的一種形式，涉及機械磨損和電化學腐蝕及其協同作用[1]。暴露于流動流體尤其是含有固體顆粒的多相流中的各種設備，包括管道、泵、閥門和葉輪，都會受到不同程度的沖刷腐蝕[2]。由于沖刷腐蝕造成的管道和設備失效將導致巨大的經濟損失和嚴重的后果[3]。因此，在眾多工業過程中，沖刷腐蝕的緩解和預防對于管道運行的安全性和經濟性至關重要。緩蝕劑作為一種經濟有效的方法，可以有效防止工業領域鋼管的內部腐蝕[4]。眾所周知，咪唑啉類緩蝕劑是一種有效的鋼管腐蝕緩蝕劑，但是在較高流速和含砂的流動流體中由于緩蝕劑吸附困難或吸附緩蝕劑膜損壞，緩蝕效果可能會降低[5]。因此，流動條件下的腐蝕抑制所需要的緩蝕劑濃度要明顯高于靜態條件下的緩蝕劑濃度[6]。

管道螺旋流動由于潛在的流體動力學優勢，在石油天然氣開采及輸送、固液分離、氣力輸送等工業領域得到了極大的應用[7-9]。螺旋流理論模型研究及部分數值模擬試驗研究表明，在湍流運動中，大部分液滴及固體顆粒能保持懸浮狀態向前輸送，能減少管道積液和積砂，一定程度減緩沖刷腐蝕速度。Mills[10]提出在氣力輸送管道系統中的彎管上游管道內插入扭帶或螺旋線，通過扭帶或螺旋線賦予顆粒螺旋流運動來減少彎頭侵蝕。Wood 等[11]研究了外加螺旋流對漿液管道彎管處顆粒沖擊角和沖擊速度的影響。研究結果顯示，采用螺旋流的方法改變了彎管處固體顆粒的分布、沖擊角和沖擊速度，減少了沖蝕。為了在管道中產生螺旋流并重新分散輸送的顆粒，相關研究人員致力于通過多種方法改變管道系統內的流場結構，例如扭帶插入法、渦流室法和螺旋管法[12-14]。上述研究表明，通過誘導螺旋流減緩管道內固體顆粒的沖刷作用由于其潛在的高效率和低維護成本，越來越獲得相關學者的重視。在具有高流速和強烈固體顆粒沖擊的多相流系統中，緩蝕劑要充分發揮緩蝕效果，需要抵抗壁面剪切應力和固體顆粒的沖擊[15]。因此，在含固體顆粒多相流體中，將螺旋流和緩蝕劑協同使用，充分利用螺旋流減小固體顆粒沖刷作用的優勢，最大化的發揮緩蝕劑的緩蝕功能是一個值得探討的新課題。而且，在含固體顆粒多相流系統中，螺旋流和緩蝕劑協同作用對沖刷腐蝕4 個分量（純沖刷、純腐蝕、腐蝕促進沖刷和沖刷促進腐蝕）的影響也值得深入研究。本文利用循環式管流沖刷腐蝕試驗裝置，結合失重測試法、電化學測試法、形貌分析、高速攝像和XPS腐蝕產物分析，開展非螺旋流和螺旋流條件下加入水溶性咪唑啉緩蝕劑的管道沖刷腐蝕對比試驗研究，量化螺旋流條件下緩蝕劑對沖刷腐蝕4 個分量的抑制作用，探討螺旋流和緩蝕劑協同作用下的減蝕機理，為開發基于螺旋流的新型沖刷腐蝕控制方法提供理論支撐。

1 試驗

1.1 裝置及材料

試驗采用循環式管流沖刷腐蝕試驗裝置，如圖1所示，主要由渣漿泵、不銹鋼儲罐、壓力表、電磁流量計、螺旋流發生器、沖刷腐蝕試驗段和溫度控制系統組成。為防止砂粒沉積，容量為80 L 的不銹鋼儲罐設計為錐形底儲罐。溶液的溫度由安裝在不銹鋼儲罐中的熱電偶進行檢測并通過溫度控制系統進行控制。渣漿泵進出口分別設置泵入口閥和泵出口閥，并在出口管道上設置回流閥，用于流量控制。為了消除流動干擾，在起旋器上游和沖刷腐蝕試驗段下游分別設置了1 m 長的直管段。螺旋流發生器為放置在管道中的聚合物扭帶，寬度W為20 mm，厚度δ為0.8 mm，長度L為0.4 m，扭率為7.4，如圖2 所示。扭率定義為全螺距P（扭帶扭轉360°的長度）與扭帶的寬度W之比[16]。扭帶與管壁緊密接觸。

圖1 循環式管流沖刷腐蝕試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the circulating loop system

圖2 扭帶螺旋流發生器示意圖Fig.2 Schematic diagram of twist tape

沖刷腐蝕試驗段采用類似于李強設計的三電極系統，以20 號鋼電極為工作電極（WE），鉑電極為對電極（CE），Ag/AgCl 電極為參比電極（RE），如圖3 所示[17]。插入電極安裝管的工作電極的周向部分涂有硅膠并用聚四氟乙烯膠帶纏繞，以確保只有弧面接觸管道中的流體。將3 種類型的電極插入各自的安裝管中，并用螺帽密封。在試驗過程中，將工作電極安裝在管道底部，距扭帶出口的軸向距離為0.3 m，沖刷腐蝕試驗段通過法蘭連入循環式管流沖刷腐蝕試驗裝置。

圖3 沖刷-腐蝕試驗管段的示意圖Fig.3 Schematic diagram of the erosion–corrosion test section

工作電極如圖4 所示，其化學成分見表1。電極上端的弧面為工作面，面積為1.403 cm2，其曲率半徑R與沖刷腐蝕試驗段有機玻璃管的內徑相同。每個電極的工作面均用320#—2000#的碳化硅紙拋光，以提供均勻的表面，并用丙酮和去離子水清洗。

表1 試驗中使用的20 號鋼的化學成分Tab.1 Chemical composition of No. 20 steel used in the experiment wt.%

圖4 工作電極結構示意圖Fig.4 Structure diagram of the working electrode

使用分析純試劑和去離子水配制試驗溶液模擬油田采出水，其組成如表2 所示。試驗采用粒徑為120～212 μm 的石英砂，砂粒質量分數為2.5%。試驗前，將石英砂顆粒用鹽酸、丙酮和去離子水沖洗，以去除雜質并干燥。根據試驗溶液的性質，選用青島孚邁斯高新材料有限公司生產的水溶性咪唑啉緩蝕劑作為本次試驗所添加的緩蝕劑，主要成分為咪唑啉季銨鹽化合物，其分子結構如圖5 所示，添加質量濃度為100 mg/L。

表2 試驗溶液化學成分Tab.2 Chemical composition of experimental solution g/L

圖5 水溶性咪唑啉緩蝕劑的分子結構Fig.5 Molecular structure of water soluble imidazoline inhibitor

1.2 方法

考慮到緩蝕劑的作用時效，沖刷腐蝕試驗持續時間設置為8 h。試驗溫度設置為（25±0.50） ℃，流速為1.5 m/s。純沖刷試驗對試樣采用外加電流陰極保護的方法，為了使陰極保護度達到最優程度（98%以上），試驗時可將其電位控制在自腐蝕電位負250 mV以上，負300 mV 為最優[18]。純腐蝕試驗的溶液與沖刷腐蝕試驗所用溶液相同，但不加入砂粒。在進行沖刷腐蝕、純腐蝕和純沖刷試驗后，通過各工作電極的失重得到總沖刷腐蝕速率（vt）、純腐蝕速率（vc）和純沖刷速率（ve）。

1.3 表面分析和高速攝像分析

采用ZEISS MERLIN Compact 掃描電子顯微鏡對工作電極在不同試驗條件下沖刷腐蝕后的表面腐蝕產物層進行觀察，并利用Smart zoom 5 超景深三維數碼顯微鏡觀察工作電極在清除腐蝕產物層后表面形貌的差別。腐蝕產物層化學成分采用Thermo Scientific Nexsa X 射線光電子能譜儀（XPS）進行分析。

在沖刷腐蝕試驗中，利用高速攝影機拍攝試驗段含顆粒流體的流動狀態，以確定不同試驗條件下砂粒分布位置和砂粒與管壁的碰撞狀態。

2 結果與討論

2.1 總沖刷腐蝕速率（vt）及其4 個組成部分

在液固兩相非螺旋流和螺旋流中，工作電極在空白溶液和緩蝕劑溶液中的總沖刷腐蝕速率、總沖刷速率及總腐蝕速率的分布規律如圖6 所示。可見無論是在非螺旋流還是螺旋流中，緩蝕劑的加入都降低了工作電極的總沖刷腐蝕速率、總沖刷速率及總腐蝕速率，說明緩蝕劑對工作電極產生了較明顯的緩蝕效果。另外，螺旋流空白溶液和螺旋流緩蝕劑溶液中的總沖刷腐蝕速率和總沖刷速率均小于非螺旋流空白溶液中的總沖刷腐蝕速率和總沖刷速率，表明螺旋流能夠有效抑制沖刷腐蝕中的沖刷部分并協助緩蝕劑抑制材料的總沖刷腐蝕。此外，相較于空白溶液中的腐蝕速率分布，緩蝕劑對工作電極的總腐蝕速率影響程度明顯大于對總沖刷速率的影響。

圖6 工作電極在不同試驗條件下的沖刷腐蝕速率、總沖刷速率和總腐蝕速率Fig.6 vt , ve′and vc′of working electrode under different experimental conditions

圖7 為非螺旋流和螺旋流條件下工作電極在空白溶液和緩蝕劑溶液中的腐蝕促進沖刷速率Δev、沖刷促進腐蝕速率Δcv、純沖刷速率ev和純腐蝕速率vc的分布規律。從圖中可以看出，螺旋流條件下空白溶液和緩蝕劑溶液中4 個分量速率均小于非螺旋流空白溶液中4 個分量速率，可見螺旋流單獨作用和螺旋流緩蝕劑協同作用對材料的沖刷和腐蝕都有一定的抑制作用。對比空白和加入緩蝕劑溶液的4 個分量的速率分布可見，緩蝕劑對純沖刷速率ve的抑制作用最小，對純腐蝕速率vc、腐蝕促進沖刷速率Δev和沖刷促進腐蝕速率Δcv抑制作用較大，尤其對純腐蝕速率cv和沖刷促進腐蝕速率Δvc的影響最大，說明加入緩蝕劑后腐蝕分量受到了明顯抑制，對沖刷腐蝕的貢獻作用變小。

圖7 工作電極在不同試驗條件下沖刷腐蝕速率4 個分量的分布Fig.7 Distribution of four components of erosioncorrosion rate of working electrode under different experimental conditions

咪唑啉緩蝕劑對工作電極在液固兩相非螺旋流和螺旋流中總沖刷腐蝕、總沖刷和總腐蝕的緩蝕率以及對三者的協同緩蝕率，如圖8 所示。從圖8 中可以看出，在非螺旋流加緩蝕劑相對于非螺旋流空白溶液、螺旋流加緩蝕劑相對于螺旋流空白溶液和螺旋流加緩蝕劑相對于非螺旋流空白溶液3 種情況下，緩蝕劑對總沖刷腐蝕、總沖刷及總腐蝕的緩蝕效率有相似的規律。對總腐蝕的緩蝕率最高，對總沖刷的緩蝕率最低。表明咪唑啉緩蝕劑主要保護材料免于發生腐蝕破壞。另外，螺旋流和咪唑啉緩蝕劑的協同作用對總沖刷腐蝕、總沖刷和總腐蝕的協同緩蝕率均高于緩蝕劑單獨作用的緩蝕率，可見在螺旋流與緩蝕劑的協同作用下，工作電極在液固兩相流中的沖刷腐蝕得到了更有效的抑制。

圖8 工作電極在不同條件下總沖刷腐蝕、總沖刷和總腐蝕的緩蝕率Fig.8 Inhibition efficiency of inhibitor on vt , ve′ and vc′ of working electrode under different conditions

圖9 為緩蝕劑對工作電極在不同試驗條件下沖刷腐蝕4 個分量的緩蝕率。緩蝕劑對純沖刷的緩蝕率均小于對其他三者的緩蝕率，且遠小于對純腐蝕和沖刷促進腐蝕的緩蝕率。此外，螺旋流和緩蝕劑協同作用對沖刷腐蝕4 個分量的協同緩蝕率高于非螺旋流加緩蝕劑相對于非螺旋流空白溶液和螺旋流加緩蝕劑相對于螺旋流空白溶液對4 個分量的緩蝕率，表明緩蝕劑和螺旋流的協同作用對20 號鋼在液固兩相流中的沖刷腐蝕4 個分量均起到了更顯著的緩蝕效果。螺旋流和緩蝕劑協同作用對沖刷促進腐蝕分量的緩蝕率最高，達到93.75%。

圖9 工作電極在不同條件下沖刷腐蝕4 個分量的緩蝕率Fig.9 Inhibition efficiency of inhibitor on four components of tv for working electrode under different conditions

2.2 電化學阻抗譜測量

圖10 為工作電極在不同試驗條件下沖刷腐蝕的電化學阻抗譜。如圖10 所示，在不同試驗條件下電化學阻抗譜均呈現單容抗弧特征。非螺旋流和螺旋流條件下，緩蝕劑存在時的容抗弧半徑均比空白溶液中的大，說明緩蝕劑在沖刷腐蝕過程中具有緩蝕效果。同時，螺旋流和緩蝕劑協同作用下的容抗弧半徑大于非螺旋流緩蝕劑條件下的容抗弧半徑，說明螺旋流和緩蝕劑協同作用的緩蝕效果更為明顯。螺旋流空白溶液的容抗弧半徑也大于非螺旋流空白溶液的容抗弧半徑，表面螺旋流單獨作用也具有一定的減蝕效果。表3 為根據圖11 所示的等效電路對沖刷腐蝕電化學阻抗譜進行擬合而得到的結果。表中“*”代表螺旋流和緩蝕劑相對于螺旋流空白的緩蝕率，此緩蝕率較低主要是由于螺旋流自身的減蝕作用使得螺旋流空白條件下的沖刷腐蝕速率相對較低。

圖11 電化學阻抗譜擬合等效電路圖Fig.11 Fitting equivalent circuit diagram of electrochemical impedance spectroscopy

表3 工作電極在不同試驗條件下沖刷腐蝕的電化學阻抗譜擬合數據Tab.3 Fitting data of electrochemical impedance spectroscopy for erosion-corrosion of working electrode under different experimental conditions

緩蝕劑溶液中的電荷傳遞電阻Rct均比空白溶液中的大，螺旋流和緩蝕劑協同作用下的Rct大于非螺旋流緩蝕劑溶液的Rct，表明協同緩蝕效率更高，同失重法得到的緩蝕率一致。

2.3 極化曲線測量

圖12 為工作電極在不同試驗條件下沖刷腐蝕的極化曲線。如圖12 所示，在各試驗條件下下工作電極均表現出活性溶解狀態。空白溶液下的陰極和陽極電流密度均高于加入緩蝕劑溶液的陰極和陽極電流密度，陽極電流密度的變化尤為明顯。在非螺旋和螺旋流條件下緩蝕劑的加入使得工作電極的腐蝕電位正移，表明水溶性咪唑啉緩蝕劑為一種陽極型緩蝕劑，主要抑制陽極反應過程[20]。不同試驗條件下工作電極沖刷腐蝕極化曲線擬合數據如表4 所示，表中“*”代表螺旋流和緩蝕劑相對于螺旋流空白的緩蝕率。

圖12 工作電極在不同試驗條件下沖刷腐蝕的極化曲線Fig.12 Polarization curves of erosion-corrosion for working electrode under different experimental conditions

表4 工作電極在不同試驗條件下沖刷腐蝕的極化曲線擬合數據Tab.4 Fitting data of polarization curve for erosion-corrosion of working electrode under different experimental conditions

緩蝕劑的存在導致腐蝕電流密度顯著降低，其中螺旋流和緩蝕劑協同作用下的腐蝕電流密度小于非螺旋流緩蝕劑溶液的腐蝕電流密度，緩蝕效率較高，同阻抗譜及失重法測量的結果一致。

2.4 形貌分析

圖13 為不同試驗條件下工作電極沖刷腐蝕后的SEM 表面形貌。如圖13a 和圖13b 所示，非螺旋流空白條件下電極表面的腐蝕產物層相對較疏松，帶有一些腐蝕坑（Pit）和少量的漏斗狀（Funnel）腐蝕產物。Sapre 和Sedano-de la Rosa 在他們的研究報告中指出，在高湍流或固體顆粒撞擊條件下，腐蝕產物層不太可能粘附在表面上，顯示出間歇的漏斗狀生長，腐蝕介質更容易通過這些漏斗到達金屬表面，從而促進局部腐蝕[21-22]。非螺旋流加入緩釋劑后試樣表面的腐蝕產物層變得比較薄和致密，但由于顆粒的沖擊作用，仍然存在少量分散的漏斗狀腐蝕產物。螺旋流空白和加入緩蝕劑條件下工作電極表面的腐蝕產物層總體來看變化不是很明顯，螺旋流和緩蝕劑協同作用下腐蝕層稍顯致密一下，說明在螺旋流的作用下，更易形成致密完整的氧化膜。圖14 為螺旋流空白和螺旋流與緩蝕劑協同作用下腐蝕產物層的高倍SEM 圖像。緩蝕劑加入后，金屬表面附著大量微小晶粒的腐蝕產物。可能是緩蝕劑吸附在腐蝕產物膜的孔隙中，形成更多的活性晶核，從而使繼續生長的晶粒細化，腐蝕產物由片狀多孔變得完整、細密[23]。可見螺旋流條件下加入緩蝕劑后，由于固體顆粒的沖刷磨損作用減弱，緩蝕劑也更易吸附在工作電極表面同氧化膜協同作用促進更為完整致密的腐蝕產物層形成，從而更有效的抑制沖刷腐蝕。圖15 為不同試驗條件下工作電極在清除腐蝕產物層后的表面形貌。如圖所示，非螺旋流和螺旋流條件下，緩蝕劑的加入均使得工作電極表面的蝕坑數量明顯減少。而螺旋流條件，工作電極表面逐漸呈現均勻腐蝕的形態，局部腐蝕減弱，尤其是螺旋流和緩蝕劑協同作用，腐蝕痕跡最為均勻，蝕坑數量最少。應該注意的是，蝕坑周圍湍流的增加導致點蝕狀局部腐蝕比均勻腐蝕對總腐蝕腐蝕速率的貢獻更大。清除腐蝕產物層后的表面形貌觀測結果同腐蝕產物層的SEM 觀測結果一致。

圖13 不同試驗條件下工作電極沖刷腐蝕后的SEM 表面形貌Fig.13 SEM images of working electrode after erosion-corrosion test under different experimental conditions: a) non-swirling flow, blank; b) non-swirling flow, inhibitor;c) swirling flow, blank; d) swirling flow, inhibitor

圖15 不同試驗條件下工作電極除腐蝕產物層后的表面形貌Fig.15 Surface morphology of working electrode after removing corrosion product layer under different experimental conditions: a) non-swirling flow, blank; b) non-swirling flow, inhibitor;c) swirling flow, blank; d) swirling flow, inhibitor

2.5 XPS 分析

進行XPS 測量以分析在螺旋流和非旋流條件下加入緩蝕劑后沖刷腐蝕產物的化學成分。螺旋流和非螺旋流條件下加入緩蝕劑后工作電極表面的XPS 掃描全譜（圖16）顯示N 元素的存在，表明緩蝕劑在樣品表面上的吸附。螺旋流和非螺旋流條件下C、O、Fe 和N 的高分辨率XPS 光譜分別如圖17 和圖18 所示。C 1s 位于284.8、286.2、288.7 eV 的峰，分別代表吸附在鋼樣品表面的碳氫化合物污染物，C—O/C—N 基團中的碳原子和O=C—O 基團中的碳原子[24]。圖17b 和圖18b 中的O 1s 高分辨率譜圖可分解為4個峰。529.9 eV 或530.1 eV 處的峰對應為Fe 的氧化物，例如Fe2O3[25]；531.4 eV 或531.7 eV 處的峰為C=O 基團或碳酸根離子；在533.0 eV 或533.2 eV 處的第3 個峰對應于C—O 基團；533.5 eV 處的最后一個峰為俄歇鈉峰。Fe 2p 的高分辨率XPS 光譜（圖17d和圖18d）顯示存在8 個峰。雙峰結構是由于Fe 2p光譜多重分裂成Fe 2p3/2和Fe 2p1/2。大約710.2 eV 或710.3 eV 處的Fe 2p3/2峰和大約723.4 eV 或723.6 eV處的Fe 2p1/2峰表示FeO，而在714.5 eV 和727.9 eV或728.3 eV 處的2 個衛星峰也歸因于FeO 中的Fe2+。大約711.5 eV 處的Fe 2p3/2峰和725.2 eV 或725.3 eV處的Fe 2p1/2峰表示Fe2O3，而在719.1 eV 或719.4 eV和732.6 eV 或733.2 eV 處的2 個衛星峰也歸因于Fe2O3中的Fe3+[26]。一般來說，FeO、Fe2O3或Fe3O4等化合物對應結合能峰的存在，表明工作電極氧化導致電極表面形成腐蝕產物。在398.7 eV 或399.3 eV的N 1s 峰歸屬于咪唑啉環，即含氮五元雜環化合物，是水溶性咪唑啉緩蝕劑的特征峰，400.1 eV 處的峰源于緩蝕劑中的氨基（—NH2）[20]。表5 為XPS 測試分析得到的工作電極表面的元素原子百分含量。XPS 分析證明螺旋流和非螺旋流沖刷腐蝕條件下咪唑啉緩蝕劑在電極表面的吸附。螺旋流條件下電極表面O和N 元素的原子含量百分比比非螺旋流條件下電極表面的高，表明螺旋流促進了溶解的O2向鋼電極表面的質量轉移和緩蝕劑在電極表面的吸附。

圖16 螺旋流和非螺旋流條件下加入緩蝕劑工作電極表面的XPS 全譜Fig.16 XPS spectra of working electrode surfaces with inhibitor under swirling flow and non-swirling flow conditions

圖17 螺旋流和緩蝕劑協同作用下工作電極表面的高分辨率XPS 光譜Fig.17 High-resolution XPS spectra of working electrode surface under the synergistic effect of swirling flow and inhibitor

圖18 非螺旋流緩蝕劑條件下工作電極表面的高分辨率XPS 光譜Fig.18 High-resolution XPS spectra of working electrode surface under the condition of non-swirling flow and inhibitor

表5 螺旋流和非螺旋流條件下工作電極表面的高分辨率XPS 光譜分析列表Tab.5 High-resolution XPS spectrum analysis list of working electrode surfaces under swirling flow and non-swirling flow conditions

2.6 螺旋流和緩蝕劑協同作用抑制沖刷腐蝕機理分析

2.6.1 緩蝕劑對工作電極沖刷腐蝕的抑制作用

沖刷腐蝕測試結果表明非螺旋流和螺旋流條件下加入緩蝕劑后對沖刷腐蝕4 個分量均有所抑制，且緩蝕劑對腐蝕的抑制作用遠遠大于對沖刷的抑制作用。咪唑啉緩蝕劑可通過氮原子為鐵原子提供電子形成配位鍵從而在電極表面產生化學吸附，帶正電的咪唑啉季銨鹽陽離子也可通過與金屬表面的庫侖力發生物理吸附，在腐蝕性介質和金屬基體之間起到屏蔽效應，從而抑制純腐蝕作用[27]。另一方面，緩蝕劑在工作電極和砂粒上的吸附可以降低砂粒的沖擊動能，減弱砂粒對緩蝕劑膜、氧化膜及金屬的破壞作用，從而抑制純沖刷作用。同時緩蝕劑還可通過吸附替代水分子來降低電極表面的界面張力，改變電極表面的潤濕性，抑制腐蝕過程并使得金屬表面粗糙化程度降低，降低金屬表面湍流度，從而一定程度上抑制了腐蝕促進沖刷作用[28]。另外，吸附在電極表面的緩蝕劑能抑制由于砂粒頻繁沖擊而形成電化學活性高的加工硬化層及金屬表面粗糙化、材料比表面積增加的過程，降低電極表面的腐蝕，進而減弱沖刷促進腐蝕作用[29]。SEM 表面形貌（如圖13b 所示）表明緩蝕劑加入后沖刷腐蝕被有效抑制。

2.6.2 螺旋流和緩蝕劑協同作用抑制沖刷腐蝕機理

在非螺旋流條件下，緩蝕劑加入雖然能在金屬表面總體形成一層緩蝕劑膜，但由于砂粒在電極表面的高頻率沖擊，破壞金屬表面某些部位己經形成的緩蝕劑膜，使金屬基體重新與腐蝕介質接觸，從而形成局部腐蝕，降低緩蝕效果。

而在螺旋流條件下，扭帶誘導產生的螺旋流使砂粒的切向速度增加，產生環向渦流及“漂浮”的效果，切線速度和軸向速度的組合作用提高了流體的承載能力，并使砂粒懸浮在流體中，從而改善了砂粒在管道橫截面上的分布（如圖19 所示）。螺旋流的懸浮效應減少了砂粒重復沖擊工作電極的頻率，從而抑制了沖刷腐蝕中的沖刷部分，同時降低了對緩蝕劑的吸附過程的影響，電極表面能夠形成較為完整的緩蝕劑膜，可對基體提供良好的保護性。在沖刷腐蝕過程中，腐蝕介質及緩蝕劑到達電極表面和反應產物從電極表面離開以及界面上所有電化學反應的發生均在速度邊界層和濃度邊界層的粘性區域內[30]。濃度邊界層厚度通常小于對應的速度邊界層厚度，因此緩蝕劑和腐蝕性介質在濃度邊界層內的傳質是腐蝕過程的主要控制步驟[31]。管道內螺旋流產生的強制渦大大增強了管壁附近的速度脈動，擾動了濃度邊界層中的流體，促進了緩蝕劑和氧的傳質過程。XPS 分析（圖17 和圖18）證明了螺旋流促進了O2向工作電極表面的傳質和緩蝕劑在電極表面的擴散吸附。氧傳質的增強有助于形成保護性氧化膜，隔離腐蝕介質，減緩腐蝕速度。緩蝕劑擴散和吸附的增強也可進一步修復氧化膜破損處或改善氧化膜的多孔性（如圖14 所示），降低氧化膜/流體界面的剪切應力，提高抵抗流動誘導局部腐蝕的能力。螺旋流產生的砂粒懸浮效應和傳質增強效應促使螺旋流和緩蝕劑協同作用下工作電極表面更為致密均勻和完整的保護性腐蝕產物層的形成（如圖13d 所示），進一步促進緩蝕劑對沖刷腐蝕4 個分量的抑制作用。螺旋流和緩蝕劑協同作用對沖刷腐蝕的抑制作用機理如圖20 所示。

圖19 試驗管段內螺旋流（底部）與非螺旋流條件下的砂粒分布比較Fig.19 The comparison of sand distribution with (bottom)or without swirling flow in the test pipe

圖20 非螺旋流和螺旋流條件下加入緩蝕劑工作電極沖刷腐蝕示意圖Fig.20 Schematic diagram of erosion-corrosion of working electrode with inhibitor under non-swirling flow (a)and swirling flow conditions (b)

3 結論

1）在非螺旋流和螺旋流條件下咪唑啉緩蝕劑對20 號鋼工作電極的純沖刷速率、純腐蝕速率、腐蝕促進沖刷速率和沖刷促進腐蝕速率4 個分量均具有有效的抑制作用，但對純沖刷的緩蝕率較小，對純腐蝕和沖刷促進腐蝕的緩蝕率較高。螺旋流和緩蝕劑協同作用對純沖刷速率、純腐蝕速率、腐蝕促進沖刷速率和沖刷促進腐蝕速率4 個分量的協同緩蝕率均高于緩蝕劑單獨作用對4 個分量的緩蝕率，在螺旋流與緩蝕劑的協同作用下，液固兩相流管道沖刷腐蝕得到了更有效的抑制。

2）螺旋流產生的砂粒懸浮效應和傳質增強效應進一步促進緩蝕劑對純沖刷速率、純腐蝕速率、腐蝕促進沖刷速率和沖刷促進腐蝕速率4 個分量的抑制，更充分地發揮了緩蝕劑的緩蝕效果。

3）在液固兩相流中，流體動力學和砂粒分布對緩蝕劑的緩蝕效率有重要影響。螺旋流潛在的流體動力學優勢產生砂粒懸浮效應和傳質增強效應，有利于緩蝕劑在工作電極表面的吸附，形成更致密和完整的保護性腐蝕產物層。本文的研究結論基于較高流速下螺旋流產生較強的旋流強度，而在螺旋流發生器結構一定的條件，流速的變化將直接影響螺旋流旋流強度的大小，進而影響砂粒懸浮效應和傳質增強效應的效果。因此，流速對螺旋流和緩蝕劑協同作用下緩蝕作用的影響值得進一步研究。