金属材料的冲刷腐蚀是一个复杂的问题，广泛存在于油气集输管道、海洋生产等工业生产过程中^[1~3]。该腐蚀现象是导致金属材料设备损坏的关键因素之一，它不仅涉及机械冲刷和电化学腐蚀的独立作用，还包括这两种过程的协同效应^[4,5]。特别地，当设备如弯管、泵叶轮和阀门等暴露于含有固体颗粒的流动介质中时，冲刷腐蚀尤为严重^[6~8]。

油气集输系统中的输水管线普遍采用造价低廉、焊接性能良好的碳钢材质，但管线输送的采出水中往往含有卤素离子等腐蚀性成分，对碳钢管道具有很强的腐蚀性^[9~11]，同时，在油气开采过程中，往往携带一定量的砂颗粒，因而，含砂采出水管线也往往受到固体颗粒的冲刷磨损作用。油气田输水管线在电化学腐蚀和机械磨损的双重作用下，由于腐蚀穿孔造成的泄漏事故经常发生，严重影响企业的正常生产，甚至造成巨大的经济损失及严重的环境污染^[12~14]。油气集输系统中的输水管线腐蚀穿孔问题通常是由冲刷腐蚀引起的。据统计，油气集输管线中发生损伤的位置主要集中在弯管处，这是由于弯管处流道突然变化，导致介质流动状态更加复杂，因此弯管冲刷腐蚀相较直管道更为严重^[15,16]。

冲刷腐蚀已经成为学者们研究的热点问题，研究者采用不同的实验装置对不同材料的冲刷腐蚀特性进行了深入研究，对冲刷腐蚀取得了深入的认识。Yan等^[17]定量和定性研究了废水管道钢弯头泄漏的原因，结果表明，废水中的腐蚀性元素是弯管失效和泄漏的主要原因。Zhao等^[18]利用喷射式实验装置研究了Q235B钢材在冲刷腐蚀条件下的行为，并量化分析了纯腐蚀、纯冲刷以及冲刷-腐蚀的交互作用速率。结果表明，冲刷和腐蚀的相互作用是导致材料损失的关键因素。普遍认同的观点是，冲刷腐蚀包含纯腐蚀、纯冲刷以及它们之间的交互作用3个主要部分^[18~20]。冲刷腐蚀的影响下，材料的总损失通常大于单独腐蚀或单独冲刷条件下的材料损失^[3,21,22]。Islam和Farhat^[23]采用喷射式实验装置研究了液固两相流对API X-70钢的冲刷-腐蚀交互作用，量化了冲刷腐蚀中纯腐蚀、纯冲刷、交互作用速率，研究表明冲刷腐蚀过程中材料损伤的主要表现形式为塑性变形和断裂，并指出冲刷与腐蚀的协同作用显著加剧了材料损失。

尽管冲刷腐蚀现象已引起研究者的广泛关注，但现有研究多采用旋转圆盘装置或喷射装置，主要集中在研究冲刷腐蚀的速率、形态及环境因素对冲刷腐蚀的影响等特征。然而，这些传统实验设备在模拟实际工况方面存在明显的局限性^[2,24,25]，难以真实反映复杂工况下的冲刷腐蚀行为。近年来，也有研究者采用管流式实验装置研究冲刷腐蚀，但多聚焦于液体的流动腐蚀或直管段的冲刷腐蚀，对油气田输水管管线的研究未见报道。在油气田输水管线系统中，弯管构件的冲刷腐蚀损伤问题一直是研究中的薄弱环节，其多相流与电化学耦合作用机制至今仍是亟待解决的关键科学难题。为此，本文采用环流实验装置模拟油气田输水管线的实际工况，管材、液固流速、含砂量和温度等实验条件均尽可能贴近油气田输水管线的实际运行条件。利用失重法对90°水平弯管在冲刷腐蚀、纯腐蚀和纯冲刷条件下的损伤速率进行了量化分析，并结合表面分析技术详细表征了弯管不同部位的冲刷腐蚀形貌，进一步探讨了油气田输水管线弯头的冲刷腐蚀损伤机制。

为了模拟油气田输水管线，自主设计了一套管流式冲刷腐蚀测试装置，如图1所示。实验装置能够模拟包括不同温度、流速、颗粒粒径和含砂量在内的多种工况条件。实验装置的详细设计和构造已经在本研究组之前发表的论文^[26]中进行了全面介绍。

测试弯管是该实验装置的核心组成部分，测试弯管的示意图如图2所示。测试弯管的内径D为50 mm，其曲率半径是弯管直径的1.5倍，测试弯管水平安装。测试弯管内表面有42个凹槽用于安装测试试样，可以实现对弯管不同位置的冲刷腐蚀特性的研究。为了方便，对弯管不同位置的试样按照轴向角和环向角进行定位，每个试样的横坐标代表轴向角度，纵坐标代表环向角度。定义水平弯管入口处轴向角为0°，出口处轴向角为90°，沿轴向方向分别在0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°等7个横截面上安装测试试样，如图2a所示。在每个横截面上，规定弯管最上部位置环向角为0°，按照逆时针方向为正，分别在45°、90°、135°、225°、270°、315°等6个环向位置安装测试试样，如图2b所示。例如(30°、90°)表示轴向角为30°处横截面上，环向角为90°处的试样。

为了模拟油气田输水管线的实际工况，得到精确可靠的实验结果，实验条件尽量接近实际工况。实验介质采用含砂3.5% (质量分数) NaCl溶液，温度为35 ℃，压力为常压，流速为2.5 m/s，石英砂的质量浓度为2.5%，石英砂的粒径分布如图3所示。试样材质选用油田常用的碳钢制作而成，其化学成分(质量分数，%)为：C 0.19，Mn 0.52，Si 0.28，Ni 0.3，Cu 0.25，Cr 0.25，S 0.035，P 0.035，Fe余量。试样尺寸为7 mm × 7 mm × 3 mm，工作面积约49 mm²，试样表面采用水砂纸逐级打磨至1000#。

纯腐蚀实验采用静态浸泡法，具体步骤为：将5组试样浸没在3.5%NaCl溶液中，持续浸泡36 h。实验完成后，通过物理手段清除试样表面的腐蚀产物，并依据实验前后试样的失重计算5组试样的纯腐蚀速率，然后取其平均值作为纯腐蚀速率。

纯冲刷磨损实验在阴极保护条件下进行。实验前，采用胶水将试样固定于测试弯头的沟槽内，以确保试样与测试弯管内表面平齐，避免对局部流场造成扰动。实验时对弯管不同部位试样施加-850 mV(相对于饱和甘汞电极)的阴极保护电位，以完全抑制腐蚀过程。每次实验时间为36 h，每个实验重复3次。每次实验后，及时更换液固介质。根据失重法计算冲刷磨损速率，取3次实验的平均值作为纯冲刷磨损速率。

冲刷腐蚀实验的条件与纯冲刷磨损实验相似，主要区别在于冲刷腐蚀实验过程中不施加阴极保护电位。实验结束后，首先使用软毛刷清除试样表面的固化胶，随后用腐蚀产物清洗液去除试样表面的腐蚀产物。然后，利用电子天平称量试样冲刷腐蚀后的重量。最终，采用光学显微镜观察试样表面的宏观腐蚀形貌及局部的三维冲刷腐蚀形貌。根据失重法计算冲刷腐蚀速率，取3次测试的平均值作为冲刷腐蚀速率。

冲刷腐蚀速率包括纯腐蚀速率、纯冲刷速率和交互作用速率3部分，冲刷腐蚀交互作用速率等于冲刷腐蚀速率减去纯腐蚀速率和纯冲刷速率。为了深入探究液固两相流中碳钢弯管冲刷腐蚀损伤机制，将交互作用速率分成冲刷引起腐蚀速率的变化量和腐蚀引起冲刷速率的变化量两部分，冲刷引起腐蚀速率的变化量由总腐蚀速率减去纯腐蚀速率得到，总的腐蚀速率根据电化学测试数据计算得到，腐蚀引起冲刷速率的变化量由交互作用速率减去冲刷引起腐蚀速率的变化量得到。

基于Fluent软件对液-固两相弯管流动进行数值模拟，几何模型按实际尺寸构建，弯管前后分别设20D、10D直管段(D = 51 mm)以保证流态充分发展；网格在Gambit软件中以3.2 mm基础尺寸划分结构化网格，共262269个单元。采用欧拉双流体模型，水为主相，砂为次相；入口为速度入口，出口为压力出口，湍流封闭采用标准k-ε模型(其中k为湍流动能，ε为湍流耗散率)，入口雷诺数Re = 127500，湍流强度3.6%。在弯管轴向角度θ = 0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°处设置7个径向截面，提取砂相体积分数与弯管近壁剪切应力。

根据静态实验的失重量计算的纯腐蚀速率为0.301 mm/a，说明在静止条件下，在3.5%NaCl溶液中，碳钢的腐蚀速率较低，表现出其良好的耐腐蚀性能。

为了直观地对比弯管不同部位的冲刷磨损速率，将实验获得的冲刷腐蚀速率以云图的形式表示，如图4所示。由图可知，阴极保护条件下，碳钢弯管的纯冲刷磨损速率较小，主要集中在0.062~0.353 mm/a范围内。这表明在含砂3.5%NaCl溶液中，碳钢材质在阴极保护条件下表现出良好的耐磨损性能。冲刷磨损严重的位置主要是水平弯管轴向角为15°~30°外侧以及出口的底部及外侧。这是因为在液固两相流中，固体颗粒在流体携带下通过弯管时，由于惯性作用，更倾向于沿原始方向运动。在弯管外侧，离心力使得颗粒以更高的速度和更大的冲击角撞击管壁，导致轴向角15°~30°区域的冲刷磨损加剧。液固介质在弯管内流动时，因惯性力沿直线运动，但受弯管几何约束被迫改变方向，从而产生离心力。离心力将流体和固体颗粒推向弯管外侧，使得固体颗粒更倾向于集中在流速较高的区域。同时，离心力与惯性力的不平衡导致二次流^[27,28]的形成，尤其是在弯管出口区域，二次流更为强烈，进一步加剧了主流流速分布的不均匀性。因此，在惯性力、离心力和二次流的影响下，管道出口的底部及外侧受到更频繁且更强烈的固体颗粒冲击，成为弯管中冲刷磨损最为严重的区域。Peng等^[29]通过数值模拟的方法证实冲刷磨损最严重的区域在水平弯管出口外侧底部，本文的实验结果与其数值模拟结果在弯管出口处呈现出一致性，但本文研究还表明，在轴向角15°~30°处冲刷磨损也比较严重。这种差异可能源于实验条件不同，Peng等^[29]的研究基于气液固多相流条件，含砂量为2%，而本文的实验条件为液固两相流，含砂量为2.5%。

图5为水平弯管冲刷腐蚀速率、砂浓度和剪切应力分布。由图5a可知，在含砂3.5%NaCl溶液下，弯管冲刷腐蚀损伤严重，冲刷腐蚀速率主要集中在8.432~17.231 mm/a范围内，表现出明显的局部特征。冲刷腐蚀严重的区域分布在弯管的外侧、底部和出口，而轴向角为30°~60°的弯管底部外侧冲刷腐蚀相对较轻。Khan等^[13]在实际生产中通过对失效的90°弯头进行统计分析，弯头发生穿孔泄露的位置主要集中在弯管出口的外侧区域。在本研究中，由于固体颗粒粒径较大且受重力影响，其在管道下部浓度较高(图5b)，导致弯管底部冲刷腐蚀更为显著。在弯管外侧和出口处，液固介质在惯性力、离心力和二次流的共同作用下，导致该区域受到液固介质的冲击和剪切作用显著增强，弯管表面的剪切应力分布如图5c所示。同时，这种增强的机械冲刷作用与电化学腐蚀之间产生强烈的协同效应，进一步加剧了弯管外侧和出口处的冲刷腐蚀^[30]。在轴向角30°~60°的弯管底部外侧，液固两相介质受惯性力和离心力作用，使外侧流速增加、压力降低，颗粒浓度升高。颗粒先以大角度撞击轴向角小于30°的外侧壁面，释放大部分动能并改变方向。由于弯管结构，30°~60°区域主要受小角度冲击，频率低，冲刷作用减弱，冲刷腐蚀较轻。在液固两相流条件下，颗粒撞击弯管表面，弯管内表面的保护膜及腐蚀产物膜就会被冲刷掉，使得金属暴露于冲刷腐蚀环境中，金属表面的加工硬化层会加速溶解，使得新鲜的金属基体裸露于冲刷腐蚀环境，加速了金属材料的损伤。

图6为弯管冲刷腐蚀交互作用速率分布。由图可知，水平弯管上冲刷腐蚀交互作用速率均很大，主要集中在7.985~16.721 mm/a范围内，与冲刷腐蚀速率的大小非常接近、分布规律完全一致。说明液固两相流条件下，冲刷与腐蚀之间的交互作用是导致弯管冲刷腐蚀急剧增大的主要原因。

图7为环向角90°位置试样的冲刷腐蚀速率中各部分对比。由7a图可知，在含砂3.5%NaCl溶液下，碳钢弯管的冲刷腐蚀速率远远高于纯腐蚀或纯冲刷的速率。这一现象表明，单纯的液固冲刷磨损或电化学腐蚀对碳钢弯管的破坏作用相对有限。然而，当这两种作用叠加时，它们之间的相互作用对弯管的破坏性产生了显著的耦合效应，极大地提高了冲刷腐蚀速率，显著增强了对碳钢弯管的破坏能力。碳钢弯管的纯冲刷磨损速率和纯腐蚀速率相对较低，而冲刷-腐蚀交互作用速率却非常高，与冲刷腐蚀速率接近。这一结论与在常温、低含砂量条件下的研究结果一致^[31]。由图7b可知，在含砂3.5%NaCl溶液中环向角90°位置试样的冲刷腐蚀速率是试样在静止3.5%NaCl溶液中纯腐蚀速率的41~56倍，表明液固介质的机械作用极大地促进了材料的材料损伤过程。在含砂3.5%NaCl溶液中环向角90°位置试样的冲刷腐蚀速率是在含砂3.5%NaCl溶液中试样的纯冲刷磨损速率的45~112倍，进一步证实腐蚀与冲刷之间存在强烈的协同效应。这种协同作用可能源于腐蚀弱化表面，使其抗冲刷能力下降，从而强化了冲刷磨损过程，而机械冲刷又通过增强传质和活化表面进一步加速腐蚀，二者形成正反馈循环。因此，油气田输水管线中碳钢弯头的腐蚀穿孔，主要源于液固介质的机械冲刷与腐蚀性介质的电化学腐蚀之间的强烈交互作用，这种交互作用加速了冲刷腐蚀过程，导致弯管壁厚迅速减薄并最终穿孔。

为了进一步探究冲刷磨损与电化学腐蚀在冲刷腐蚀交互作用速率中的贡献，量化了交互作用速率中两部分大小及其所占百分数，图8为环向角90°位置试样的交互作用速率中两部分所占百分数。由图可知，在冲刷腐蚀交互作用速率中，冲刷引起腐蚀速率的变化量和腐蚀引起冲刷速率的变化量均为正值，进一步证明二者呈相互促进的作用。冲刷引起腐蚀速率的变化量均显著大于腐蚀引起冲刷速率的变化量，前者所占的百分数达70%~80%。表明在含砂3.5%NaCl溶液中，冲刷对腐蚀速率的影响远大于腐蚀对冲刷速率的影响，冲刷是导致碳钢弯管冲刷腐蚀损伤的主要因素。因此，在实际生产中，应尽量避免机械冲刷与电化学腐蚀同时存在的环境。消除其中任何一个因素，都能显著降低冲刷腐蚀速率，尤其是控制冲刷作用的影响更为关键。例如，通过控制液固介质的流速、降低介质中的固体颗粒含量和增加耐磨涂层等措施，可以有效降低冲刷腐蚀损伤风险。

图9为弯管上典型位置试样清除腐蚀产物后的冲刷腐蚀宏观形貌。由图9可知，弯管上试样的冲刷腐蚀形貌主要表现为高密度分布的冲刷腐蚀坑点与方向性沟槽。值得注意的是，腐蚀坑点之间存在明显的连通趋势，形成更大的坑点或连续的沟槽结构。此外，沟槽的延伸方向表现出高度的一致性，这与流体在弯管内的流动特性密切相关。试样机械冲击和电化学腐蚀的双重作用下，原本光滑的表面迅速形成冲刷腐蚀小坑点，在持续冲刷和剪切作用下，腐蚀产物剥离，暴露新鲜金属基底，加剧了其在冲刷腐蚀环境中的暴露程度。进一步促进了冲刷与腐蚀的相互作用，导致坑点不断扩张并加深，最终形成了明显的冲刷腐蚀形貌。冲刷腐蚀的形貌在弯管的不同位置表现出显著的差异性。弯管外侧及底部以密集坑点为主，内侧上部则多见长条状沟槽，这种差异源于固体颗粒撞击频率和流体湍流强度的共同作用。外侧及底部因高频率撞击，冲刷腐蚀坑点向深度发展；而内侧上部虽撞击频率低，但湍流强度高。高强度湍流使该区域冲刷显著，且冲刷方向与主流动方向一致，形成与流动方向高度一致的冲刷腐蚀沟槽，凸显流动特性对弯管冲刷腐蚀行为的重要影响。

水平弯管内表面坑点和沟槽的三维形貌图(图10)显示，弯管内表面试样的最大坑深主要集中在155.486~216.081 μm之间，表明弯管内表面的冲刷腐蚀坑点和沟槽深度普遍较大。但弯管不同位置的冲刷腐蚀坑点和沟槽的最大深度存在显著差异，这种差异性主要是由弯管不同部位的流动特性不同所致。弯管的几何形状导致流体流动时产生变化，如流速增加、湍流增强、颗粒浓度等，这些因素在不同位置的影响程度不同，从而形成了各具特征的冲刷腐蚀形貌，其最大深度也因此而异。冲刷腐蚀坑点和沟槽的边缘呈现出近乎垂直的形态，而底部则呈现出V型特征。本研究组前期的研究^[26] (25 ℃，其余工况完全相同)表明，碳钢弯管在3.5%NaCl单相流中的流动腐蚀以片状坑和沟槽为主，最大坑深仅34.6~109.1 µm。本文引入砂粒后，碳钢弯管局部坑点和沟槽不断向深度方向扩展，坑深显著增加，破坏程度大幅加剧，这种冲刷腐蚀作用持续深入管壁的内部，最终可能导致管道穿孔。

(1) 单独的3.5%NaCl溶液腐蚀条件和单独的含砂3.5%NaCl冲刷磨损条件下，碳钢表现出良好的耐腐蚀和耐磨损性能。冲刷磨损严重的位置主要是水平弯管轴向角为15°~30°弯管外侧以及出口的底部及外侧。

(2) 含砂3.5%NaCl两相流条件下，弯管内表面的冲刷腐蚀速率及其宏观形貌表现出明显的局部特征。冲刷腐蚀严重的区域主要分布在弯管的外侧、底部和出口，而轴向角为30°~60°的弯管底部外侧冲刷腐蚀较轻。弯管上的冲刷腐蚀形貌以坑点和沟槽为主。水平弯管的外侧及底部的冲刷腐蚀形貌主要以坑点为主，内侧上部主要以沟槽为主，坑点和沟槽的边缘垂直，底部呈V型。

(3) 在冲刷腐蚀速率中，弯管的纯冲刷磨损速率和纯腐蚀速率相对较低，而冲刷-腐蚀交互作用速率却非常高，接近冲刷腐蚀速率，冲刷腐蚀速率达到纯腐蚀速率的41~56倍和纯冲刷磨损速率的45~112倍，说明冲刷与腐蚀交互作用是弯管冲刷腐蚀急剧增大的主要原因。在交互作用速率中，冲刷引起的腐蚀速率变化量显著大于腐蚀引起的冲刷速率变化量，前者占比达70%~80%，且二者均为正值。表明液固介质的冲刷与腐蚀相互促进，其中冲刷是碳钢弯管失效的主要因素。

(4) 在实际生产中，应尽量避免同时存在机械冲刷和电化学腐蚀的条件，消除其中任何一个因素均可显著降低冲刷腐蚀速率，特别是要关注冲刷作用的影响，从而有效降低弯管冲刷腐蚀损伤风险。