管道兩相流沖刷腐蝕的CFD研究進(jìn)展

趙 狀，吳玉國，田 壘，吳 棟

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

沖刷腐蝕又稱為磨損腐蝕，是金屬表面與腐蝕流體之間由于相對高速運動而引起的金屬損壞現(xiàn)象，是材料受沖刷和腐蝕交互作用的結(jié)果，是一種危害性較大的局部腐蝕。沖刷腐蝕在石油、化工、水電等工業(yè)過程中廣泛存在[1]，國外調(diào)查統(tǒng)計顯示，沖刷腐蝕已成為油氣田管道腐蝕防護(hù)的首要問題[2]。據(jù)報道，原油處理站的集輸管道穿孔約有 80%是由于磨損及沖刷腐蝕造成的[3]。暴露在運動流體中的所有類型的設(shè)備如集輸管道的過流部件、彎頭、三通和熱交換器，海洋平臺井口，都會遭受到?jīng)_刷腐蝕的破壞，破壞形式出現(xiàn)溝槽、豁口和減薄，甚至斷裂。含固體顆粒的兩相流中，破壞更為嚴(yán)重，它將大幅縮短設(shè)備的壽命。加拿大北部阿爾伯特省的油砂處理過程中，瀝青砂導(dǎo)致其管道受到了嚴(yán)重的沖刷腐蝕[4]。

隨著CFD（計算流體力學(xué)）技術(shù)的發(fā)展及相關(guān)軟件的開發(fā)，通過數(shù)值模擬方法獲得流體內(nèi)部的速度場、溫度場、壓力場等信息成為可能[5]。對管道內(nèi)流體流動狀況進(jìn)行數(shù)值模擬，可預(yù)測出不同條件下管道內(nèi)流體流動特性和流動細(xì)節(jié)。根據(jù)流體流動細(xì)節(jié)進(jìn)行腐蝕分析，預(yù)測出管道內(nèi)易腐蝕的位置和腐蝕面積最大部位。為管道的防沖刷腐蝕研究提供了一種新的有效研究方法。

1 影響沖刷腐蝕的因素和實驗研究

1949年Zelder[6]首次提出材料腐蝕與磨損之間存在交互作用，從而，沖刷與腐蝕之間交互作用的研究成為沖刷腐蝕研究的核心內(nèi)容，引起人們的關(guān)注。國內(nèi)外許多學(xué)者采用不同方式、從不同側(cè)面進(jìn)行了研究[7-16]概括起來，主要影響因素可分為流體力學(xué)因素、材料因素、兩相流中的固相顆粒因素、液相本身性質(zhì)和其中存在的介質(zhì)等幾個方面因素，這些因素交織在一起，影響材料沖刷腐蝕性能。

目前針對沖刷腐蝕的實驗研究裝置有很多如：噴射裝置、泥漿容器、旋轉(zhuǎn)籠、管道環(huán)路、旋轉(zhuǎn)圓柱電極等[17]。Poulson等通過失重實驗以及后來引入的各種流動條件下的電化學(xué)測量技術(shù)[18]，對前面所提到的固相顆粒因素和流體流動因素進(jìn)行了詳盡討論。實驗裝置雖然可以模擬多種流態(tài)，且有可靠的流體力學(xué)模型支持，但也有不足如：造價、運行和維修費用高；消耗的流體溶液多；實驗的周期較長等。

吳欣強(qiáng)等[19]對高溫環(huán)烷酸沖刷腐蝕進(jìn)行了大量實驗研究，通過數(shù)值模擬方法考察流體噴射參數(shù)對壁面剪切應(yīng)力的影響，用來衡量流體沖刷的作用強(qiáng)弱，并根據(jù)模擬結(jié)果指導(dǎo)噴射實驗參數(shù)的選擇。劉興玉[20]運用CFD軟件對裝置流場進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明轉(zhuǎn)子侵入深度對流場產(chǎn)生影響，轉(zhuǎn)子在實驗裝置中存在一個最佳侵入深度?？梢?，CFD方法的引入在一定程度上彌補了實際實驗工作中的不足，可指導(dǎo)實驗裝置的開發(fā)及應(yīng)用。

2 CFD方法在管道沖刷腐蝕研究中的應(yīng)用

CFD作為一種實用的新型技術(shù)在許多行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用，在沖刷腐蝕的預(yù)測分析方面有許多成功的例子。

J.Postlethwaite等[21]通過CFD方法評價了幾種湍流模型在數(shù)值計算中的優(yōu)缺點，但沒有對沖刷腐蝕進(jìn)行進(jìn)一步模擬。Anthony等[22]應(yīng)用 PHOENICS軟件對U型管內(nèi)兩相流沖蝕進(jìn)行數(shù)值模擬，考慮到湍流對固體粒子的影響，模擬中采用了渦流模型。預(yù)測出腐蝕最嚴(yán)重處位于 U形管內(nèi)壁面流動正方向50°處。

張政等[23]應(yīng)用CFD對固液（富氧）兩相流沖刷腐蝕進(jìn)行了研究，通過加入磨損模型、腐蝕模型、歐拉模型、拉格朗日顆粒隨機(jī)軌道模型，建立了全面的固液兩相流沖蝕模型。在考慮壁面氧化膜完全失去后得出結(jié)論，在材料失重的過程中腐蝕的作用遠(yuǎn)大于磨蝕作用。結(jié)果和文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)對比表明，構(gòu)建的模型基本正確可行。說明CFD方法中建立的模型，得到了實際實驗數(shù)據(jù)很好的驗證。

阿拉伯石油公司天然氣管道中廣泛存在 Black Powder（FeS、Fe3O4， FeOOH、FeCO3等固體顆粒）。Ehab Elsaadawy等[24]應(yīng)用Fluent6.3對彎管處的沖刷腐蝕進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得出彎管的曲率越大，固體顆粒對腐蝕的影響越小；固體顆粒的幾何尺寸越大形狀越不規(guī)則，腐蝕越嚴(yán)重。

E. Mahdi等[25]對管道三通應(yīng)用CFD軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬得出：嚴(yán)重的腐蝕發(fā)生在高速流體流經(jīng)管道入口時，產(chǎn)生的高強(qiáng)度湍流區(qū)。管道疲勞斷裂的產(chǎn)生及發(fā)展和湍流的強(qiáng)度、壓力的波動聯(lián)系緊密。

劉勇峰等[26]應(yīng)用CFD對管道彎管處進(jìn)行了實驗?zāi)M。給出了最大剪切應(yīng)力和最大含液率區(qū)域，說明氣相介質(zhì)速度越大，腐蝕越嚴(yán)重。對氣井井下節(jié)流噴嘴建立了沖刷腐蝕的數(shù)學(xué)模型[27]，運用了SIMPLE算法求解方程，結(jié)果得出：噴嘴入口和后端處剪切應(yīng)力較大，腐蝕比較嚴(yán)重。陳佳等[28]對管道三通處進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示入口流體流速及粘度越大，腐蝕越嚴(yán)重；出口段的管徑越大腐蝕越輕?？梢?CFD方法可以指導(dǎo)實際管道的檢測和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，從而減少事故的發(fā)生。

茅俊杰[29]通過對彎管和變徑管進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果揭示了氣液兩相流受沖刷腐蝕的規(guī)律：離散相（氣泡）的體積分率分布是產(chǎn)生沖刷腐蝕的首要條件，壁面受剪應(yīng)力大小與流速有關(guān)，流體流動速率的大小反映了腐蝕破壞規(guī)律。

丁礦等[30]基于CFD方法，分析了直角彎管的內(nèi)部流動規(guī)律，利用UDF（用戶宏定義功能）將沖蝕模型寫成相應(yīng)程序模塊和CFD相結(jié)合。模擬結(jié)果顯示流速、顆粒濃度和顆粒直徑對最大沖蝕率有明顯影響，其中，流速與最大沖蝕率呈指數(shù)增長關(guān)系。模擬結(jié)果導(dǎo)出圖可以顯示固體顆粒在直角彎管內(nèi)的空間分布情況，可以預(yù)測出腐蝕較為嚴(yán)重區(qū)域。

3 總結(jié)和展望

將 CFD方法應(yīng)用到管道的沖刷腐蝕研究和預(yù)測中是未來發(fā)展趨勢，應(yīng)用CFD方法對管道內(nèi)的流體流動進(jìn)行數(shù)值模擬研究，模擬實際中難以控制的腐蝕過程，經(jīng)過計算得出速度場、溫度場、壓力場等變量的具體分布，在直觀上有助于我們理解管道內(nèi)沖刷腐蝕原因和機(jī)理。同時由計算結(jié)果得出腐蝕區(qū)域的分布規(guī)律，預(yù)測腐蝕嚴(yán)重部位，為管道內(nèi)的防腐蝕工藝提供依據(jù)和指導(dǎo)。由于CFD方法依賴于計算機(jī)進(jìn)行實驗研究，具有成本低、省時、高效、模擬真實等優(yōu)點，CFD必將在防腐蝕領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

目前CFD技術(shù)及相關(guān)軟件的發(fā)展還不夠成熟，對于流體復(fù)雜的湍流作用，難以有很準(zhǔn)確的物理模型相支持，因此對于研究者選擇合適的模型很重要；應(yīng)用軟件的 UDF功能對固體顆粒的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行具體描述，如管壁內(nèi)各區(qū)域的速度分布，可以提高模擬準(zhǔn)確度；考慮近壁處流-固的耦合作用，要求研究更適應(yīng)近壁效應(yīng)的物理模型；CFD方法中只是考慮了物理因素作用對于腐蝕的影響，而流體中侵蝕性離子的存在如O、Cl等，其電化學(xué)因素對于腐蝕的影響也不容忽視。

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