氣流場內(nèi)水平金屬板表面緩蝕劑膜失效規(guī)律

杜 強，譚紅旗

（1.西南石油大學油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點試驗室，四川成都610500；2.中國石油西南油氣田分公司川西北氣礦，四川江油621709；3.中國石油伊拉克公司，北京100120）

氣流場內(nèi)水平金屬板表面緩蝕劑膜失效規(guī)律

杜 強1，2，譚紅旗3

（1.西南石油大學油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點試驗室，四川成都610500；2.中國石油西南油氣田分公司川西北氣礦，四川江油621709；3.中國石油伊拉克公司，北京100120）

根據(jù)油溶性緩蝕劑涂膜作用機制，將緩蝕劑涂膜層近似認為易流動膜層和不易流動膜層，研究緩蝕劑涂膜流動失效規(guī)律。根據(jù)易流動膜層內(nèi)流速分布規(guī)律，分析其厚度隨流動時間的變化規(guī)律；基于分子濃差擴散方程，建立不易流動膜層厚度失效定解方程，并建立描述油膜失效速率的數(shù)學模型。結(jié)果表明：金屬板表面緩蝕劑涂膜的失效是流動與分子擴散共同作用的結(jié)果；緩蝕劑主劑在氣流場內(nèi)流動致使涂膜厚度迅速下降；有效成分吸附在金屬表面，難以發(fā)生流動，因分子擴散而失效，膜層厚度變化緩慢；擬合曲線與試驗數(shù)據(jù)吻合很好。

水平金屬板；油溶性緩蝕劑；涂膜；失效規(guī)律

涂覆緩蝕劑油膜是輸氣管道內(nèi)防腐的重要手段。過于頻繁的涂覆作業(yè)會導(dǎo)致現(xiàn)場工作量增加，且影響管道正常輸氣；而長期不進行涂覆作業(yè)，緩蝕劑失效，造成防腐效果下降。目前對于附壁油膜流動規(guī)律的研究主要集中在內(nèi)燃機燃油附壁規(guī)律與控制方面。國外學者［1-3］率先使用激光誘導(dǎo)熒光法測試燃油膜附壁現(xiàn)象。陸霄露等［4］采用相同試驗手段，測試了油膜的攤開半徑及厚度。程用勝等［5］采用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)研究了空氣流速對燃油碰壁形成的附壁油膜厚度二維分布的影響。楊延平等［6］采用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)研究了不同噴射參數(shù)下平板附壁油膜的發(fā)展過程及附壁油膜厚度的二維分布規(guī)律。劉正白等［7］考慮了傳質(zhì)與傳熱問題，利用數(shù)值計算方法研究了活塞頂上油膜蒸發(fā)過程，研究僅針對于分子擴散問題，未考慮沖刷流動影響；馬宗正等［8-9］采用數(shù)值解析方法，研究了燃油落點位置、燃油噴射距離及燃油噴射量等參數(shù)對摩托車起動過程汽油機附壁油膜揮發(fā)速度的影響；李頂根等［10］利用Fluent軟件研究了附壁油膜形成過程及其形狀、質(zhì)量分布的影響因素，但均未涉及無補充條件下的油膜失效規(guī)律。Steinbrenner等［11］對微通道內(nèi)的氣液分層流動進行了研究。筆者研究穩(wěn)定氣流場內(nèi)金屬表面涂覆的緩蝕劑油膜厚度變化規(guī)律。

1 流動失效數(shù)學模型

輸氣管道口徑通常在幾百毫米，而緩蝕劑涂膜厚度一般在250 μm以下［12-13］，遠小于管道口徑，所以輸氣管道內(nèi)壁緩蝕劑涂膜可近似為平板表面涂膜。緩蝕劑液相與鋼材交界面上吸附了一層或多層緊密有序排列的緩蝕劑分子，外層依靠范德華力緊密排列著緩蝕劑載體分子層［13］?；诰徫g劑油膜作用機制進行分析：載體成分一般為煤油或柴油，所以通常表現(xiàn)出牛頓流體黏性流動特征，為易流動膜層，但膜層與金屬交界部分由于化學鍵吸附作用，很難發(fā)生流動，為不易流動膜層。當涂覆完成后，因氣流攜帶作用，易流動膜層首先發(fā)生失效；不易流動膜層因吸附作用，很難被氣流攜帶，但由于與氣流之間存在的分子擴散的原因，其厚度仍不斷減小。

對平板表面膜層截面進行分析，氣液相介質(zhì)速度分布如圖1所示。由于涂覆緩蝕劑膜通常控制在微米量級，而且油溶性涂膜的黏度較大，認為附壁油膜流動區(qū)域為層流子層區(qū)。由于附壁油膜厚度變化對管路輸氣截面積影響可以忽略，所以對于穩(wěn)定運行的輸氣管道，由威莫斯公式［14］可知其沿線壓力分布不變，管壁剪切應(yīng)力為恒定值。對于圖1（δ′和δ*分別為易流動和不易流動膜層厚度）中的研究對象，可以認為壁面位置處剪切應(yīng)力為恒定值。

1.1 易流動膜層失效規(guī)律

剪切速率為

式中，τw為壁面剪切應(yīng)力，Pa；μ為緩蝕劑載體成分黏度，Pa·s；.γ為易流動層剪切速率，s-1。

圖1 平板表面涂膜介質(zhì)速度分布示意圖Fig.1 Velocity distribution diagram of flat surface coating medium

易流動膜層不同厚度位置處以不同的速度流動：

式中，v為厚度為δ′位置處的流速，m/s。

對于長度為定值L0的平板，流速v>L0/t對應(yīng)的膜層均被攜帶流失。剩余部分滿足：

式中，L0為平板長度，m；t為連續(xù)沖刷時間，s。

聯(lián)立式（2）、（3），剩余膜層厚度約為

1.2 不易流動膜層失效規(guī)律

由于與金屬材質(zhì)之間存在吸附作用，不易流動膜層很難因為上游來流的沖刷發(fā)生流動失效。對于這類較穩(wěn)定的緩蝕劑涂膜，認為它的失效主要源于涂層與主流介質(zhì)間的分子濃差擴散。流體流動的擴散方程［15］：

式中，Dm為分子擴散系數(shù)，m2/s；S為源項，mol/（m3·s）；u、v、w為x、y、z三個方向的速度，m/s；c為組分濃度，mol/m3。

輸氣管道內(nèi)的流動狀態(tài)通常是湍流流動，在湍流條件下，實際特征量等于時均特征量與脈動特征量之和，故

將式（6）代入式（5），取平均值，消去脈動特征量，得出時均值的擴散方程為

式中，Dt為湍流擴散系數(shù)，m2/s。

對于穩(wěn)定運行的輸氣管線，近似認為Dm+Dt為恒定值，故式（8）寫為

初始時刻管壁位置處濃度為c0，其他氣體空間內(nèi)，濃度為0；管壁位置處不存在分子擴散，故濃度梯度為0；由于主流介質(zhì)性質(zhì)不變，故近似認為管道中心位置處不存在緩蝕劑分子，距離管壁R位置處濃度始終為0。相應(yīng)的定解問題如下：

求解得

其中

式中，Cn為系數(shù)；R為輸氣管道半徑，m。對于管壁位置附近，有y/R≈0，cos（βny）≈1。

濃度隨時間的變化規(guī)律為

式中，c0為不容易流動層初始濃度，mol/m3。

緩蝕劑吸附性越強，c0越大；管壁位置剪切應(yīng)力τ越大，對應(yīng)c0越小。

以不易流動膜層中成分濃度近似表征膜層厚度，根據(jù)式（12）可以看出，厚度變化隨時間呈指數(shù)函數(shù)減小。故不易流動膜層厚度隨時間變化關(guān)系近似描述為

式中，a為與緩蝕劑不易流動層初始厚度c0相關(guān)的系數(shù)，a∝c0；b為與分子擴散系數(shù)及湍流擴散系數(shù)有關(guān)的參數(shù)，b∝Dm+Dt。

1.3 涂膜層厚度變化規(guī)律

涂膜層厚度變化為易流動膜層與不易流動膜層共同作用的結(jié)果，故將式（4）與式（13）相加，得

式中，k∝μ/τw。

2 涂膜厚度變化測試

2.1 金屬平板

金屬板材質(zhì)為L360碳鋼，規(guī)格為5 cm×2.3 cm ×0.1 cm，留取5 cm×2.3 cm為測試面。測試面先后用360#、600#、800#、1000#和2000#五種不同型號的砂紙將裸露面進行打磨，并用拋光紙拋光。打磨后的金屬板面粗糙度Ra不大于0.13 μm［16］。之后用無水乙醇清洗除水，再用丙酮清洗除油，冷風吹干，置入干燥釜內(nèi)待用。

2.2 膜厚度測試裝置

采用與文獻［17］一致的膜厚度測量裝置，如圖2所示。其中，螺旋測微儀型號為科恩達KT5-231-61，測量范圍：0～50 mm，精度1 μm；兆歐表型號為AR907+，測量范圍：0～20 GΩ。

圖2 膜厚度測試裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of film thickness test device

利用螺旋測微儀控制探針移動，當探針尖端處于氣體空間時，電路處于斷開狀態(tài)，歐姆表沒有示數(shù)；探針尖端接觸液膜瞬間歐姆表示數(shù)突變；探針尖端接觸金屬板表面瞬間歐姆表所示電阻急劇減小。記錄兩次示數(shù)突變時螺旋測微儀示數(shù)，差值代表了金屬板表面液膜厚度。由于液膜表面張力作用，探針上行測試結(jié)果比實際值偏大［17］，下行測試結(jié)果更能反映實際液膜厚度。試驗中，通過多次測量取平均值的方法提高測試準確性。

2.3 氣流吹掃系統(tǒng)

氣流吹掃系統(tǒng)由壓縮機、緩沖罐、過濾器、孔板流量計組成（圖3），緩沖罐用于平穩(wěn)壓縮機出口氣流，過濾器主要用于除去氣體中的水分、雜質(zhì)，流量計測試氣體流速。

圖3 氣流吹掃裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of gas purging system

利用注射器在金屬板表面滴注0.11～0.12 mL油溶性緩蝕劑，靜置至油膜全部攤開，即油膜初始涂覆厚度為100 μm左右。將涂覆油膜的金屬板置入氣流吹掃系統(tǒng)的測試管段，控制氣流流速為5 m/s，隔段時間取出金屬板，利用圖2所示裝置測試金屬板表面殘余油膜厚度，記錄數(shù)據(jù)。

3 試驗結(jié)果

金屬板表面油膜厚度隨吹掃時間的變化如圖4所示。

圖4 試驗結(jié)果擬合曲線Fig.4 Fitting curve of experimental results

利用式（14）擬合試驗結(jié)果得：a=7.687 7，b= 0.0037，k=63.779?？梢钥闯觯簲M合結(jié)果很好，在恒定的氣流場條件下，金屬平板表面油溶性緩蝕劑涂膜厚度隨時間的變化符合式（14）描述的規(guī)律；氣流吹掃初期，油溶性緩蝕劑涂膜厚度下降迅速，之后涂膜厚度變化不大，這是因為油溶性緩蝕劑涂膜有效作用成分吸附在金屬表面，位于緩蝕劑涂膜底層，不容易被沖刷攜帶失效，因分子擴散而引起的失效速率十分緩慢。

隨著緩蝕劑涂膜厚度的減小，圖2所示裝置的誤差對測試結(jié)果影響越加明顯。由于吸附作用緩蝕劑膜層不同厚度位置處成分存在差異，厚度不能簡單地表征膜層的防腐效果。

4 結(jié) 論

（1）穩(wěn)定氣流場吹掃初始時段，金屬平板表面油溶性緩蝕劑涂膜厚度隨吹掃時間迅速減??；達到一定厚度后，膜層厚度減小緩慢，趨于穩(wěn)定值。

（2）金屬板表面緩蝕劑涂膜的失效可以看作流動與分子擴散共同作用的結(jié)果：緩蝕劑主劑在氣流場內(nèi)流動致使涂膜厚度迅速下降；有效成分吸附在金屬表面，難以發(fā)生流動，因分子擴散而失效，膜層厚度變化緩慢。

（3）由于吸附作用緩蝕劑膜層不同厚度位置處成分存在差異，厚度不能簡單地表征膜層的防腐效果。對于沖刷流動狀態(tài)下緩蝕劑涂膜失效規(guī)律的進一步研究應(yīng)從涂膜金屬表面電化學特性方面開展。

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（編輯 沈玉英）

Failure rules of oil-soluble corrosion inhibitor film on horizontal metal surface placed in gas flow field

DU Qiang1，2，TAN Hongqi3
（1.State Key Laboratory of Oil and Gas Geology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China；2.Northwest Sichuan Gas Field of Southwest Oil&Gasfield Company，PetroChina，Jiangyou 621709，China；3.PetroChina International Iraq FZE，Beijing 100120，China）

The failure rules of inhibitor film caused by gas flow were discussed.According to the mechanism，the oil-soluble corrosion inhibitor film was approximately divided into two types：film layer with good fluidity and film layer with poor fluidity.Based on the velocity distribution in easily flowing film layer，the thickness variation with the flowing time was analyzed. Based on the molecular concentration diffusion equation，the governing algebraic equations of thickness failure of not-easyflow film layer were proposed.Considering the interaction of flow and molecular diffusion，the mathematical model describing the failure rate of the oil film was established.The results show that the failure of inhibitor film is determined by both flow and molecular diffusion.The flow of main solvent in inhibitor makes the film thickness decrease rapidly，but the thickness of not easily flowing film layer formed by molecular adsorption decreases slowly.The fitting curve is in agreement with the experimental data.

horizontal metal plate；oil-soluble corrosion inhibitor；film；failure rule

TE 88

A

1673-5005（2015）04-0154-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2015.04.021

2015-04-12

中國石油科技創(chuàng)新基金（2014D-5006-0604）

杜強（1976-），男，博士研究生，研究方向為天然氣經(jīng)濟技術(shù)和管道輸送技術(shù)。E-mail：duq@petrochina.com.cn。

引用格式：杜強，譚紅旗.氣流場內(nèi)水平金屬板表面緩蝕劑膜失效規(guī)律［J］.中國石油大學學報：自然科學版，2015，39（4）：154-158.

DU Qiang，TAN Hongqi.Failure rules of oil-soluble corrosion inhibitor film on horizontal metal surface placed in gas flow field［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2015，39（4）：154-158.