2Cr13不锈钢在机械冲刷过程中的图像分析

崔澎涛+赵杰+杜丹阳

摘 要：该文以2Cr13不锈钢为研究对象，在不同的流速冲刷条件下，获得2Cr13不锈钢的失重数据，并通过三维图像采集系统采集冲刷后表面形貌图像，然后采用小波包变换程序进行图像分解，将所提取的能量值与失重数据进行比较。结果表明，冲刷后2Cr13不锈钢表面图像能量值的变化与失重变化呈现出相同的趋势，因此可以通过图像特征值对腐蚀试样进行定性的判断，从而进一步推算出早期冲刷过程中的腐蚀程度。

关键词：机械冲刷 流速 失重 图像分析 腐蚀预测

中图分类号：TK265 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）02（c）-0109-02

2Cr13不锈钢是典型的电泵吸入口材料，潜油电泵的失效存在着各种各样的原因。在实验室的模拟冲刷条件下，因为模拟条件和时间的局限性，并不能进行长时间的模拟。而且，2Cr13不锈钢并不像碳钢一样，在模拟早期失重速率以及表面形貌就呈现出较大的变化，因而可以引进图像分析技术研究不锈钢在机械冲刷条件下腐蚀行为。

1 实验

1.1 实验材料及介质

实验材料为2Cr13不锈钢，其成分见表1。实验介质为液固两相含砂水流。

1.2 实验方法

实验时间为24 h，冲刷速度为4 m/s、8 m/s、12 m/s，冲击角度为0°。试样冲刷前后的重量采用电子天平（精度为0.000 1 g）称量，试样冲刷后采用VHX-2000型三维视频显微镜采集图像。根据文献中的方法对图像进行分析[1]。将采集到的图像进行预处理，按照固定分辨率为300 dpi，像素为1 400×1 000进行统一裁剪后转化为灰度图，然后中值滤波以滤除表面形貌图像的噪声，最后利用小波包分解程序对表面形貌图像进行分析。

2 实验结果与分析

2.1 机失重速率与流速的关系

表2给出了机械冲刷失重速率随流速变化的数据，其趋势图见图1。从图中可以看出，随着流速的增加，2Cr13不锈钢的失重速率呈现出下降的趋势。这与文献中所给出的粒子的冲击速度与材料失重之间的规律[2，3]相反。究其原因，可能是因为在冲刷过程中，随着流速的增大，氧含量增加，这使得2Cr13不锈钢的表面产生了钝化膜，减缓了材料的冲蚀失重。

2.2 图像特征值与流速的关系

图1中a、b、c分别为2Cr13不锈钢在流速4 m/s、8 m/s、12 m/s下冲刷后的表面形貌图像。图2为经过小波包分解后的不同流速下的2Cr13不锈钢表面形貌能量值的分布图，其具体数值见表3。从图2可以看出，同失重速率一样，能量值与流速呈现出相反的变化趋势。流速越大，表面形貌子图像的能量值越低；流速越小，表面形貌子图像的能量值越高。因此，可以根据能量值的变化来预测2Cr13不锈钢的冲蚀程度。

此外，以HA2、VA2和AH2三个方向的子圖像的能量值和S值作特征值，计算结果见表4。将特征值S与失重速率V进行拟合得到图3。拟合关系式为：V=-0.130 46S2+0.155 64S

-0.040 2 R2=1

从图3中可以看出，特征值S与失重速率V具有较高的相关性，相关系数为1。

3 结论

（1）在冲刷过程中，随着流速的增大，氧含量增加使得2Cr13不锈钢的表面产生了钝化膜，减缓了材料的冲蚀失重。

（2）流速与能量值负相关，流速越大，表面形貌子图像的能量值越低；流速越小，表面形貌子图像的能量值越高。

（3）经拟合计算，特征值S与失重速率V具有较高的相关性。

参考文献

[1] 韩夏冰，高志明，党丽华等.Q235钢在模拟大气环境中早期腐蚀图像小波包分析[J].中国腐蚀与防护学报，2013，33（3）：211-215.

[2] 王凯.油井管材料液固两相流体冲刷腐蚀研究[D].西安石油大学，2013.

[3] Bjordal M，Bardal E，Rogne T，et al.Erosion and corrosion properties of MC coatings and duplex stainless steel in sand-containing synthetic sea water[J].Wear，1995，186/187（8）：508-514.