油氣管道兩相流體沖刷腐蝕研究現(xiàn)狀及展望

劉莉樺，才政(.中國(guó)石油化工股份有限公司天津分公司原油儲(chǔ)運(yùn)部，天津 300450； .曹妃甸新天液化天然氣有限公司，河北 唐山 06300)

0 引言

沖刷腐蝕是腐蝕性流體與金屬表面發(fā)生高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的金屬損壞現(xiàn)象，是機(jī)械磨損與電化學(xué)腐蝕交互作用的結(jié)果[1-3]。這種交互作用表現(xiàn)在：首先，沖刷加速傳質(zhì)的過(guò)程，縮短去極化劑到達(dá)材料表面的時(shí)間，并促進(jìn)腐蝕產(chǎn)物的脫離，使材料暴露出來(lái)加速腐蝕。其次，腐蝕會(huì)粗化材料表面，弱化材料的相界，使得耐磨的硬化相暴露，從而又促進(jìn)沖刷[4]。通過(guò)近年的研究，發(fā)現(xiàn)沖刷與腐蝕之間的協(xié)同作用所產(chǎn)生的損失往往要大于兩者單獨(dú)作用之和，造成“1+1＞2”的后果。

影響沖蝕的因素錯(cuò)綜復(fù)雜，本文通過(guò)對(duì)沖蝕的起因、經(jīng)過(guò)、結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)影響沖刷腐蝕的因素大致分為三個(gè)方面，包括流體的流動(dòng)、第二相的存在以及流體介質(zhì)本身的特性。流體的流動(dòng)引起沖刷，第二相的存在加速了沖蝕的進(jìn)程，流體中存在的腐蝕性介質(zhì)是導(dǎo)致管材產(chǎn)生內(nèi)腐蝕的直接因素。

1 流動(dòng)對(duì)沖刷腐蝕的影響

在流動(dòng)的體系中，介質(zhì)與金屬表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)加劇或抑制腐蝕，這種由于介質(zhì)的流動(dòng)引起的腐蝕稱為流動(dòng)腐蝕[5]。其中，由于受到流體力學(xué)因素與電化學(xué)腐蝕因素之間的協(xié)同交互作用，使得管道內(nèi)部的流動(dòng)腐蝕更為嚴(yán)重。介質(zhì)的流動(dòng)不僅促進(jìn)腐蝕的加劇，而且還影響著流動(dòng)腐蝕的機(jī)理[6]。下面從流速、管道結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面綜述流體流動(dòng)對(duì)沖蝕的影響。

1.1 流速對(duì)沖刷腐蝕的影響

當(dāng)流速增加時(shí)，一方面流體對(duì)管道的剪切力會(huì)變大，另一方面會(huì)促進(jìn)去極化劑到達(dá)內(nèi)壁表層，并加快腐蝕產(chǎn)物脫離，從而加速管道的內(nèi)腐蝕。孫麗麗等[7]以油田常用套管鋼為研究對(duì)象，借助自制管道沖刷腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)分析了流速對(duì)沖蝕的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：流速越高，這種套管剛的機(jī)械沖刷損傷越明顯。陳虎等[8]采用旋轉(zhuǎn)圓柱電極裝置結(jié)合失重法、腐蝕形貌觀測(cè)法等，證明了N80鋼在含砂粒的NaCl水溶液中隨著流速的增大，沖刷腐蝕速率呈現(xiàn)先小幅增大后大幅增大的現(xiàn)象。樊學(xué)華等[9]通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)模擬的方法和采用噴射沖擊試驗(yàn)裝置結(jié)合論證了X70管線鋼的CO2沖蝕速率與流速呈現(xiàn)線性關(guān)系。

1.2 管道結(jié)構(gòu)對(duì)沖刷腐蝕的影響

流體動(dòng)力學(xué)因素與電化學(xué)因素的相互作用的情況下，管道的結(jié)構(gòu)不同，沖蝕的程度也不一樣。以彎管為例，管道外側(cè)的流速較大，流體對(duì)壁面的切應(yīng)力較大，腐蝕性離子易被沖刷；而內(nèi)側(cè)由于流速較小，切應(yīng)力不大，所以離子易沉積。所以當(dāng)流速較大時(shí)外側(cè)容易被沖刷，而流速較小時(shí)由于內(nèi)側(cè)腐蝕性離子增多，內(nèi)側(cè)易被腐蝕。

胡宗武等[10]運(yùn)用自行設(shè)計(jì)的管流式實(shí)驗(yàn)裝置，研究了在單相流條件下，彎管的內(nèi)側(cè)及出口處的外側(cè)沖刷腐蝕比較嚴(yán)重。陳艷等[11]利用FLUENT流體仿真軟件并結(jié)合試驗(yàn)研究得出，海水彎管沖刷腐蝕最嚴(yán)重部位在截面角度30°進(jìn)口附近；杜強(qiáng)等[12]定量描述輸油管線彎管處流場(chǎng)特性變化和管道內(nèi)部沖蝕損傷的過(guò)程。

2 第二相對(duì)沖刷腐蝕的影響

流體通常會(huì)存在第二相：氣泡或固體顆粒。特別是在高流速的情況下第二相的存在會(huì)加速腐蝕進(jìn)程，它們的速度大約是流體介質(zhì)的70%，對(duì)管壁所產(chǎn)生的沖刷不能被忽略。固體顆粒在撞擊壁面和氣泡沖擊壁面并爆裂時(shí)均會(huì)破壞管道內(nèi)壁的保護(hù)膜，也會(huì)使在介質(zhì)中生成的保護(hù)膜被破壞，更嚴(yán)重的話會(huì)使材料受到磨損。而且第二相的存在也可能會(huì)改變流型，從而加速腐蝕。

2.1 固體顆粒對(duì)沖刷腐蝕的影響

由于流體介質(zhì)與實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的不同，管道中會(huì)存在一些固體顆粒，而顆粒的粗糙度、濃度、直徑以及沖刷角度都會(huì)影響到材料表面的磨損程度。王彥驊等[13]運(yùn)用Ansys fluent軟件研究π型管中氣液兩相流的沖刷腐蝕，π型管整體的最大沖蝕率隨著顆粒直徑的減少而逐漸減弱。杜強(qiáng)等[12]利用Fluent軟件研究90°彎管中含砂流體砂粒直徑越大，攜帶功能和沖擊力越強(qiáng)，從而在管壁上形成更加嚴(yán)重的沖刷腐蝕。

2.2 氣泡對(duì)沖刷腐蝕的影響

管道中的壓力不可能保持處處不變，當(dāng)管道內(nèi)的壓力小于流體介質(zhì)的飽和蒸汽壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣泡，在高溫的情況下也會(huì)有氣泡產(chǎn)生。氣泡對(duì)壁面的腐蝕主要是由于不斷生成與爆裂時(shí)產(chǎn)生的沖擊力破壞壁面，從而導(dǎo)致壁面的損壞。氣泡在管道內(nèi)是不斷潰滅與形成的，當(dāng)氣泡破裂時(shí)，會(huì)破壞金屬表面的保護(hù)層，并引起塑性形變，甚至撕裂金屬粒子。保護(hù)膜破壞后，裸露的金屬受到腐蝕，隨即又生成新的保護(hù)膜。但在同一點(diǎn)也可能產(chǎn)生新的氣泡，隨即破裂，這個(gè)過(guò)程會(huì)反復(fù)進(jìn)行，結(jié)果會(huì)使金屬表面生成致密而深的孔。孫軍[14]利用Fluent模擬管道具有點(diǎn)蝕坑存在的條件下，點(diǎn)蝕坑附近的壓力和切應(yīng)力最大，且離散相氣泡對(duì)點(diǎn)蝕坑附近的沖刷也最大。

3 流體介質(zhì)對(duì)沖刷腐蝕的影響

流體介質(zhì)對(duì)管道的影響往往伴隨著沖刷磨損和電化學(xué)腐蝕之間的相互作用。造成的因素主要包括：介質(zhì)的溫度、濃度、pH值等。

3.1 溫度對(duì)沖刷腐蝕的影響

通過(guò)理想氣體狀態(tài)方程可知溫度與壓力有著密切的關(guān)系。當(dāng)溫度高于一定值時(shí)或壓力低于液體的飽和蒸汽壓時(shí)，流體中會(huì)產(chǎn)生氣泡，對(duì)管壁產(chǎn)生磨損，從而破壞掉材料表面的氧化膜。隨著溫度的上升，金屬表面的氧化膜加快產(chǎn)生，同時(shí)氧化膜又容易被腐蝕性介質(zhì)去除，形成電化學(xué)腐蝕。

3.2 pH值對(duì)沖刷腐蝕的影響

流體的pH值與含氧量對(duì)金屬的腐蝕也有著不可忽略的影響。黃雪松等[15]通過(guò)建立油田集輸管道介質(zhì)腐蝕因素研究的數(shù)學(xué)模型，提出pH值在一定范圍內(nèi)對(duì)腐蝕速率影響較大，當(dāng)超過(guò)一定值時(shí)，流速、溫度對(duì)腐蝕的影響程度將大于pH值，此時(shí)pH值對(duì)腐蝕速率的影響趨向平緩。黃雪松還發(fā)現(xiàn)當(dāng)流體中含氧量在一定范圍內(nèi)時(shí)對(duì)腐蝕程度影響較大，但高于一定值時(shí)會(huì)產(chǎn)生鈍化作用。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上，近年對(duì)沖蝕的研究結(jié)果大致分為三個(gè)方向：首先是流動(dòng)方面，沖蝕過(guò)程中存在臨界流速，在保持一定流速的前提下，可以降低沖蝕的程度；流體流動(dòng)時(shí)，湍流比層流更容易加劇腐蝕程度；彎管、三通等特殊管道的腐蝕程度較高；提高管材的耐蝕性與耐磨性可以有效的降低沖蝕的危害。其次是第二相方面，沖蝕會(huì)隨著固體顆粒的濃度、直徑的增大而增大；管道的彎曲程度越大，氣泡的潰滅速率越大，沖蝕的程度也越大；管道內(nèi)存在腐蝕性氣體的濃度會(huì)影響腐蝕的程度。最后是介質(zhì)方面，管道內(nèi)介質(zhì)的溫度、pH值存在臨界值，把變量控制在一定范圍內(nèi)會(huì)使沖蝕的程度降到最低。

目前關(guān)于沖刷腐蝕的研究仍存在一些不足之處，一些方向還需要進(jìn)一步深入研究探討。沖刷與腐蝕之間的協(xié)同效應(yīng)被廣大學(xué)者提出，但現(xiàn)今只是通過(guò)減少兩者之間的交互作用來(lái)降低沖蝕帶來(lái)的危害，而兩者之間是否存在臨界狀態(tài)，使得這種協(xié)同效應(yīng)最小化還需進(jìn)一步研究；關(guān)于管道結(jié)構(gòu)對(duì)沖蝕影響的方面，缺少關(guān)于改造傳統(tǒng)管道結(jié)構(gòu)的研究；另外，數(shù)值模擬的應(yīng)用成為現(xiàn)今一大主流，該方法雖然對(duì)沖蝕的預(yù)測(cè)工作具有重要作用，但由于受到基于假設(shè)的合理性等方面的問(wèn)題，得出結(jié)果的準(zhǔn)確性還需經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。