彎管處兩相流含汽率對(duì)流動(dòng)加速腐蝕的影響

王嘯鵬 肖卓楠 吳佳森 陳偉鵬

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010)

流動(dòng)加速腐蝕(FAC),是流經(jīng)管道碳鋼表面的單相流或雙相流,對(duì)管道表面起重要保護(hù)作用的氧化膜造成溶解,致使保護(hù)性氧化膜變薄,碳鋼合金的腐蝕速率加劇的一種現(xiàn)象。二十世紀(jì)后期,隨著核電站在世界各地的普及,流動(dòng)加速腐蝕(FAC)現(xiàn)象開始在大部分核電站發(fā)生,致使核電站管道泄露,泄露會(huì)造成嚴(yán)重的事故,產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失甚至工作人員的傷亡[1-4]。隨著時(shí)間的推移我國也廣泛推廣了超超臨界機(jī)組的應(yīng)用,但因?yàn)榱鲃?dòng)加速腐蝕現(xiàn)在在機(jī)組內(nèi)的大范圍發(fā)生,會(huì)產(chǎn)生很多安全隱患管道內(nèi)結(jié)垢幾率變大,鍋爐內(nèi)壓差增大、汽輪機(jī)內(nèi)高壓缸部位沉積嚴(yán)重等一系列安全問題[5]。從上述FAC 的種種危害可以看出,在整個(gè)給水、輸水系統(tǒng)中FAC現(xiàn)象普遍存在,不僅會(huì)造成人員、機(jī)組設(shè)備的安全隱患,甚至對(duì)世界的核電發(fā)展造成不可估量的負(fù)面影響。因此建立FAC模型研究其作用機(jī)理,根據(jù)其機(jī)理制定相對(duì)應(yīng)的預(yù)防手段,以便機(jī)組可以安全平穩(wěn)的運(yùn)行對(duì)核電站的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和安全發(fā)展具有重大意義。

1 流動(dòng)加速腐蝕影響因素

流動(dòng)加速腐蝕(FAC)主要受流體動(dòng)力學(xué)、環(huán)境和材料三大因素影響。介質(zhì)在管道中的流動(dòng)狀態(tài),主要受介質(zhì)流速、蒸汽質(zhì)量、管道內(nèi)壁面的粗糙度、管道幾何形狀、兩相流中水蒸汽的百分比含量等,都會(huì)對(duì)管道壁面的FAC 速率造成影響。流動(dòng)加速腐蝕受流體動(dòng)力學(xué)的影響是多方面相互作用的,其中主要方面是通過影響壁面腐蝕產(chǎn)物向主流區(qū)擴(kuò)散的傳質(zhì)速率,其中最明顯的是管壁附近流體邊界層中的擴(kuò)散作用。流動(dòng)加速腐蝕同時(shí)也受管道內(nèi)環(huán)境的影響,如介質(zhì)溫度、電位、pH 值、溶解氧、pH 減化劑等。這些因素通過對(duì)化學(xué)平衡的影響,例如金屬的離子化傾向和保護(hù)性氧化膜的生成等。

在電廠工況中,彎管、孔板、變徑管等部位,因該類部位管道結(jié)構(gòu)的變化明顯,管型的變化會(huì)急劇改變流體的速度和其湍流程度,而這兩者的改變最終會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)加速腐蝕速率的增大。實(shí)際情況中,若流體介質(zhì)為兩相流時(shí),如水中含有水蒸汽,液相中存在的氣相氣泡會(huì)對(duì)管道壁面產(chǎn)生沖擊作用,會(huì)對(duì)管道壁面的保護(hù)性氧化膜造成破壞,使得流動(dòng)加速腐蝕現(xiàn)象加劇,當(dāng)介質(zhì)流速變高時(shí),這種加劇作用更為明顯。另外,氣泡的尺寸、富集程度等也會(huì)對(duì)加劇作用有顯著影響。[6]。

對(duì)管型變化明顯的管道彎管處進(jìn)行數(shù)值模型建立,因?yàn)閺澒艿拇嬖趯?dǎo)致介質(zhì)的流速和流動(dòng)方向都產(chǎn)生了極大變化,介質(zhì)壓力、湍流強(qiáng)度、剪切力等參數(shù)的大小分布也較直管段,有很大的不同,甚至使得介質(zhì)形成渦流。這些由彎管的存在而導(dǎo)致的不同,會(huì)使得介質(zhì)對(duì)壁面的沖擊增大,加速管道壁面的流動(dòng)加速腐蝕現(xiàn)象。若在介質(zhì)中還存在第二相時(shí),使得管道內(nèi)部流動(dòng)更加復(fù)雜,流動(dòng)加速腐蝕加劇的效果會(huì)被放大[7]。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

流動(dòng)加速腐蝕還屬于一個(gè)較新興的研究流域,各國專家對(duì)其的研究理論還沒有成一個(gè)完成的理論體系,且主要集中在湍流條件下,而對(duì)兩相流的關(guān)注較少。國外對(duì)流動(dòng)加速腐蝕兩相流的研究主要有,加拿大的U.Lotz 和J.Postlethwatie[8]教授在1990 年對(duì)化工流程中管道內(nèi)流動(dòng)加速腐蝕的研究重點(diǎn)在,當(dāng)金屬材料分別被雙相流和多相流分別腐蝕時(shí),兩種介質(zhì)條件下的區(qū)別。1998 年,Ma,K.T.,Ferng,Y.M.和Ma,Y.P.[9]在不用的管型中都通入汽液兩相流,發(fā)現(xiàn)當(dāng)介質(zhì)條件為兩相流一定時(shí),管型的彎曲程度會(huì)對(duì)其腐蝕效果有顯著影響。

此外,國內(nèi)的一些研究學(xué)者也對(duì)此領(lǐng)域展開了一定的研究。劉忠等人[10]在2009 年進(jìn)行了流動(dòng)加速腐蝕單相流的模擬研究,研究重點(diǎn)在于發(fā)現(xiàn)了,其腐蝕速率會(huì)受到介質(zhì)流速、溫度不同的影響。2011 年,陳頌英等人[11]模擬了廢熱鍋爐實(shí)際的管路運(yùn)行情況,在介質(zhì)為含有汽泡的兩相流時(shí),隨著流速的增大,會(huì)加劇汽泡對(duì)壁面的破壞,對(duì)壁面的保護(hù)性氧化膜破壞更重,最終加速流動(dòng)加速腐蝕的腐蝕速率。

根據(jù)前文大量的文獻(xiàn)調(diào)研和實(shí)際情況了解,流動(dòng)加速腐蝕(FAC)的作用機(jī)理非常復(fù)雜,是多種因素相互促進(jìn)影響的結(jié)果。單獨(dú)的沖刷腐蝕或化學(xué)腐蝕都不足以解釋,也不是兩種腐蝕的簡單疊加,而是兩種腐蝕互相促進(jìn)相互影響造成的現(xiàn)象。例如,當(dāng)流體流經(jīng)壁面對(duì)壁面產(chǎn)生沖刷作用時(shí),會(huì)對(duì)壁面正在發(fā)生的電化學(xué)腐蝕起到一定的促進(jìn)作用。并且電化學(xué)又會(huì)反過來,對(duì)沖刷腐蝕起到加速作用。FAC 多發(fā)生于高流速、高壓和高溫這種要求很高的環(huán)境下,因此有關(guān)FAC 的實(shí)驗(yàn)很難展開,實(shí)驗(yàn)環(huán)境難搭建,成本也過高。但采用電腦模擬實(shí)驗(yàn),可以很好的解決這些問題,實(shí)驗(yàn)時(shí)間和人力需要都會(huì)大大減少。同時(shí)模擬實(shí)驗(yàn),能很及時(shí)的根據(jù)模擬情況和需求,及時(shí)方便的優(yōu)化模型,相對(duì)于實(shí)驗(yàn)更便于操作,也有利于多次出結(jié)果,使研究結(jié)論更精準(zhǔn)。本文采用fluent 軟件和K-ε模型進(jìn)行模擬,兩相流中彎管內(nèi)彎處含汽率的改變對(duì)FAC速率的影響。

3 FAC 預(yù)測模型

3.1 模型建立

流動(dòng)加速腐蝕大致可分為三個(gè)過程:(1)首先單質(zhì)鐵在基體編碼失去電子轉(zhuǎn)為離子；(2)鐵離子發(fā)生水合作用生成氧化膜,或通過氧化膜擴(kuò)散到溶液中；(3)氧化物再溶解最終擴(kuò)散的溶液中。根據(jù)Sanchez-Caldera 模型可獲得流動(dòng)加速腐蝕速率的表達(dá)式如式(1)為:

式中,Ceq為可溶性含鐵組分的的物質(zhì)的量濃度,mol/L；C∞為流動(dòng)主體區(qū)域中的Fe2+物質(zhì)的量濃度,mol/L；K*是反應(yīng)生成Fe2+反應(yīng)速率常數(shù)；f 是在基體和氧化膜界面Fe2+轉(zhuǎn)化為氧化物的比例；k 為傳質(zhì)系數(shù)；δ 為氧化膜的厚度,m；D為擴(kuò)散系數(shù),D=2.5×10-15T/μ。

Berge 關(guān)于流動(dòng)加速腐蝕的理論表述,單質(zhì)鐵有一半左右會(huì)生成四氧化三鐵,剩下的單質(zhì)鐵會(huì)直接通過擴(kuò)散的形式到溶液中,即f＝0.5。反應(yīng)溫度在100～150℃之間時(shí),此時(shí)的氧化膜厚度會(huì)變厚,但氧化膜仍然是疏松的,流動(dòng)加速腐蝕的速率主要還是受到邊界層傳質(zhì)速率和活化過程的強(qiáng)弱影響,對(duì)總體組分的傳輸影響不大。而化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)又遠(yuǎn)大于邊界層向主體流動(dòng)的傳質(zhì)系數(shù),此時(shí)K*比較大,1/K*數(shù)值很小幾乎可以省略,假設(shè)主流區(qū)鐵離子含量C∞=0。因此,此時(shí)模型的FAC 速率表達(dá)式為。

3.2 傳質(zhì)系數(shù)的計(jì)算

傳質(zhì)系數(shù)K 及計(jì)算公式如式(3)。

式中,Sh 為舍伍德數(shù),Sh=Kd/D；Sc 為施密特?cái)?shù),Sc=μ/ρD；Re 為雷諾數(shù),Re=ρdv/μ 相關(guān)；常數(shù)a 是幾何相關(guān)的,a=(Uτ/Um)2；b 為0.3～1,本文取b=1；c 為0.33～0.4[12],本文取c=1/3。Uτ為摩擦速度,m/s；Um為平均速度,m/s；Uτ由式(4)計(jì)算得到。

式 中,v 為 運(yùn) 動(dòng) 黏 性 系 數(shù),m2/s；U 為 運(yùn) 動(dòng) 速 度,m/s；d U/dy 代表流動(dòng)垂直方向上的速度分布。壁面剪切力可由Fluent 軟件得到,其表達(dá)式為式(5)。

根據(jù)上述關(guān)系式可得到傳質(zhì)系數(shù)K 的表達(dá)式為式(6)。

式中,D 為分子擴(kuò)散系數(shù),D=2.5×10-15T/μ,T 為開爾文溫度,K。

4 CFD 模擬與結(jié)果討論

美國FLUENT 公司在1983 年推出了CFD 軟件FLUENT,FLUENT 是一個(gè)基于有限體積法的軟件。該軟件不但擁有求解一般性問題的超強(qiáng)能力,而且用戶可以通過編寫UDF 接口命令來解決一些特殊性的問題。

本文首先通過FLUENT 自帶的一些模型,模擬出彎管內(nèi)任意位置流場的基本信息,然后得到彎管內(nèi)任意位置的剪切力大小。實(shí)際工程問題往往都是高湍流問題,所以一般使用可實(shí)現(xiàn)K-ε 湍流模型；對(duì)流項(xiàng)使用二階格式；離散時(shí)時(shí)間項(xiàng)使用隱格式；計(jì)算時(shí)進(jìn)口處采用速度邊界條件,出口處采用壓力邊界條件。

5 彎管流場的數(shù)值模擬

用FLUENT 進(jìn)行腐蝕模擬過程中,實(shí)驗(yàn)參數(shù)會(huì)對(duì)腐蝕過程和結(jié)果有重大影響。因此設(shè)計(jì)管道內(nèi)凝結(jié)水壓力大小范圍是常壓0.1013～2.75Mpa,溫度是27～156℃,流速是1.7～3.4m/s；主給水管道壓力是3～9Mpa,溫度為180～230℃,流速5～8m/s。

有資料表明,在電廠工況中,彎管、孔板。變徑管等部位,因該類部位管道結(jié)構(gòu)的明顯變化,此部位流過的流體速度和湍流程度會(huì)被極大改變會(huì),使流動(dòng)加速腐蝕在此處明顯加劇。若介質(zhì)為含有氣泡的兩相流時(shí),例如含有水蒸汽,流動(dòng)加速腐蝕會(huì)更加嚴(yán)重,氣泡隨著介質(zhì)在管道內(nèi)流動(dòng),氣泡會(huì)在金屬表面潰滅,產(chǎn)生不可忽視的沖擊,此情況在高速狀態(tài)下更為明顯。溫度也會(huì)影響流動(dòng)加速腐蝕的腐蝕速率,當(dāng)溫度為150℃時(shí),加劇效果最為明顯。因此設(shè)計(jì)試驗(yàn)溫度為150℃,壓力為3Mpa,介質(zhì)pH 為9.5,在不同的含汽率條件下,逐漸提高流速,看介質(zhì)對(duì)壁面剪切力的變化情況。本文模擬90°彎管的二維數(shù)值計(jì)算模型,實(shí)驗(yàn)段入口長度設(shè)置為2000mm,出口長度設(shè)置為900mm,為這樣可以保證實(shí)驗(yàn)段流體流動(dòng)達(dá)到充分發(fā)展的狀態(tài),同時(shí)實(shí)驗(yàn)段出口流體流動(dòng)不對(duì)實(shí)驗(yàn)段造成影響,如圖1。

圖1 彎管模型

5.1 邊界定解條件

設(shè)計(jì)的模型邊界條件根據(jù)實(shí)際工況的數(shù)值設(shè)置,這樣可以確保軟件求解處準(zhǔn)確可靠的結(jié)果。

5.2 入出口邊界條件

應(yīng)用FLUENT 軟件,選擇Realizable k-ε 模型,設(shè)置模型為加強(qiáng)壁面處理函數(shù)并設(shè)置能量方程。入口設(shè)置溫度為150℃,流速分別為3.0m/s,4.0m/s,5.0m/s,6.0m/s,7.0m/s,8.0m/s,對(duì)應(yīng)含汽率逐漸上升為0.3%,05%,0.8%,1.0%時(shí)出口設(shè)置為壓力出口,壓力為3Mpa,考慮重力作用。

5.3 壁面邊界條件

設(shè)置模型壁面為標(biāo)準(zhǔn)壁面無滑移,流體與壁面接觸過程無動(dòng)量和能量損失。

5.4 材料選擇

課題管道中的為汽液兩相混合流體。

5.5 網(wǎng)格劃分

模型使用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格劃分的精細(xì)程度對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確有直接影響,并在彎管內(nèi)彎處等重點(diǎn)研究位置,對(duì)網(wǎng)格劃分程度進(jìn)行加密,如圖2 所示。

圖2 彎管fluent 模型

5.6 模擬操作

用fluent 進(jìn)行1111 步的計(jì)算,得到如圖3 所示彎管內(nèi)、外壁面的各個(gè)點(diǎn)的剪切力數(shù)值,由剪切力得到傳質(zhì)系數(shù),再由傳質(zhì)系數(shù)得到FAC 的速率變化傳質(zhì)系數(shù)的計(jì)算入口含氣率一定、流速一定時(shí)彎管FAC 情況分析入口含汽率0.5%,速度3m/s 時(shí)90°彎管FAC 進(jìn)行分析。在彎管內(nèi)彎處有以下模擬結(jié)果。

圖3 彎管管壁剪切力分布

以流速3m/s,含汽率0.5%進(jìn)行fluent 模擬,根據(jù)各點(diǎn)位剪切力大小作出,如圖4 所示剪切力曲線圖。由圖4 中曲線走勢可知,當(dāng)兩相流進(jìn)入彎管后,內(nèi)彎壁面的剪切力在內(nèi)彎入口處迅速增大,達(dá)到最大值后開始逐漸下降,但在出彎處仍遠(yuǎn)大于進(jìn)彎處。這是因?yàn)楣苄偷耐蝗桓淖?使流體的湍流程度加劇,壁面由層流邊界層變成湍流邊界層,導(dǎo)致流體對(duì)壁面的影響加劇,剪切力隨之增大。當(dāng)流體逐漸離開彎管時(shí),湍流程度逐漸下降,剪切力也隨之變小。但仍因?yàn)橹皬澒艿淖饔?使得剪切力在出彎處大于進(jìn)彎處。

圖4 彎管內(nèi)彎處剪切力

含氣率一定,以流速作為變量進(jìn)行fluent 模擬,得到如圖5 所示的曲線圖。由圖可知每條曲線都符合,剪切力隨著進(jìn)彎的深度,先明顯增加,然后逐漸達(dá)到最大值后慢慢下降,仍明顯大于入彎處,這個(gè)規(guī)律。同時(shí)可以看到當(dāng)流速改變時(shí),剪切力的大小和變化率都隨流速的增加而變大,而剪切力和傳質(zhì)系數(shù)正相關(guān),使得FAC 速率也變大。

圖5 含汽率0.5%時(shí)對(duì)應(yīng)的速度- 剪切力圖

由上圖6 可知,當(dāng)速度恒定為3m/s 時(shí),分別以含汽率為0.3%、0.5%、0.8%、1.0%、1.5%進(jìn)行FLUENT 彎管模擬,得到各個(gè)情況下的剪切力大小曲線圖。每個(gè)速度下,都符合剪切力隨著進(jìn)彎的深度,先明顯增加,然后逐漸達(dá)到最大值后慢慢下降,但仍明顯大于入彎處,這個(gè)規(guī)律。但含汽率的改變,影響剪切力的大小,這個(gè)影響同時(shí)存在極值點(diǎn),極值點(diǎn)為含汽率為0.5%,當(dāng)含汽率小于0.5%時(shí),剪切力隨含汽率的增大而增大。當(dāng)含汽率大于0.5%時(shí),剪切力隨含汽率的增大反而開始減小。且含汽率對(duì)剪切力的減小作用,在0.8%到1.0%之間最為明顯。另外,氣泡的尺寸、密度、密集程度等也有顯著影響。

圖6 速度3m/s 時(shí),含汽率- 剪切力

表1 中的數(shù)據(jù)表示,兩相流中含汽率一定時(shí),流速每增加1m/s,壁面剪切力的平均變化率。由表中數(shù)據(jù)可以看出,當(dāng)含汽率不同時(shí),對(duì)應(yīng)的壁面剪切力變化率都不相同。雖然隨流速的增加,變化率都會(huì)逐漸降低,但這個(gè)變化率的是不同的,存在一個(gè)由小變大再變小的過程。結(jié)合圖7～9 可得存在一個(gè)含汽率使得,隨流速的增加,剪切力變大的最劇烈。由模擬可得這個(gè)極值點(diǎn)在含汽率大小為0.5%時(shí)。

表1 剪切力隨流速增加的變化率

圖7 3→4m/s 時(shí)變換率曲線圖

圖8 5→6m/s 時(shí)變換率曲線圖

圖9 7→8m/s 時(shí)變換率曲線圖

同時(shí),由表2 岱海電廠汽水品質(zhì)數(shù)據(jù)分析得知,隨著管路內(nèi)蒸汽的含量逐漸增加,管內(nèi)鐵離子含量存在一個(gè)峰值。表明蒸汽對(duì)流動(dòng)加速腐蝕的促進(jìn)作用存在一個(gè)極值,小于極值時(shí),隨蒸汽含量增大而加速；大于極值后,隨蒸汽含量的增大而減小,本文模擬結(jié)果與其相符合。

表2 岱海電廠汽水品質(zhì)數(shù)據(jù)

在含汽率對(duì)長圓管內(nèi)氣液兩相流流場特性的影響一文中指出,當(dāng)介質(zhì)中伴隨第二相汽泡的參與,汽泡在介質(zhì)中的含量不同,會(huì)出現(xiàn)相對(duì)應(yīng)不同的流動(dòng)形態(tài)。當(dāng)含汽率小于0.5時(shí),氣液兩相界面效應(yīng)的存在使得兩相分界面出現(xiàn)波浪狀,當(dāng)含汽率大于0.5 時(shí),液相流體流動(dòng)效應(yīng)減弱,兩相分界面呈分層狀。本文中,剪切力的平均值變化率在0.5%時(shí)為最大值,與其相符。模擬結(jié)果同時(shí)也符合另一規(guī)律,分析其原因當(dāng)流體中蒸汽的百分?jǐn)?shù)較小時(shí),介質(zhì)在管道內(nèi)不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都會(huì)改變管壁處的邊界層,致使邊界層越來越不穩(wěn)定,越來越薄。而流動(dòng)加速腐蝕過程中的傳質(zhì)過程主要受到邊界層影響,邊界層的變薄會(huì)使得腐蝕速率加快。當(dāng)含氣率高到一定程度時(shí),流動(dòng)加速腐蝕的速率會(huì)越來越小,如圖10 所示[13]。

圖10 含汽率與FAC 速率關(guān)系圖

6 結(jié)論

本文利用FLUENT 數(shù)值模擬得到90°彎管的FAC 腐蝕速率,基于Sanchez-Caldera 模型可獲得流動(dòng)加速腐蝕速率的表達(dá)式,并用該模型分析了彎管處FAC 機(jī)理,主要有以下結(jié)論:

6.1 兩相流進(jìn)入彎管后,在彎管內(nèi)彎處FAC 速率迅速增大,達(dá)到極值點(diǎn)后開始下降,但出彎處FAC 速率仍遠(yuǎn)大于進(jìn)口處。

6.2 兩相流在彎管內(nèi)彎處的FAC 速率,隨流速的增大而增大,隨含汽率的增大先增大,隨后在含汽率0.5%時(shí)達(dá)到極值,之后隨含汽率的繼續(xù)增大而減小。

6.3 含汽率和流速不是單一作用于FAC 速率,兩者相互促進(jìn),且在含汽率為0.5%時(shí),流速增大對(duì)FAC 速率的影響最為明顯。