管道內(nèi)氣液兩相流動腐蝕研究進(jìn)展

韓 霄

（青島市特種設(shè)備檢驗研究院，山東 青島 266100）

0 引言

石油化工過程管道內(nèi)輸送的介質(zhì)組分復(fù)雜，介質(zhì)狀態(tài)以氣相或者液相為主，由于介質(zhì)夾帶、溫度變化、壓力波動等原因，管道內(nèi)的流動經(jīng)常出現(xiàn)氣液兩相狀態(tài)。在流動過程中，流體產(chǎn)生的機(jī)械力會破壞管壁金屬結(jié)構(gòu)以及促進(jìn)傳質(zhì)過程，從而加速腐蝕反應(yīng)；同時，液相的蒸發(fā)、氣相的冷凝，為腐蝕提供新的環(huán)境。這些腐蝕的發(fā)生與介質(zhì)流動有關(guān)，具有一定的隱蔽性。只有深入的認(rèn)識管道內(nèi)氣液兩相流動特點(diǎn)、腐蝕機(jī)理，相關(guān)技術(shù)人員才能準(zhǔn)確的預(yù)判管道內(nèi)流動腐蝕發(fā)生的位置以及評價腐蝕穿孔的風(fēng)險，從而指導(dǎo)管道的長周期使用。

氣液兩相流腐蝕是管壁附近流體流動與腐蝕作用的耦合，所以根據(jù)氣液兩相流與管道壁的接觸狀況對流動形態(tài)進(jìn)行劃分。氣液兩相流可劃分為分散流、間歇流和分離流，如圖1所示[1,2]。

圖1 氣液兩相流型圖

本文將對這三種流型下流動腐蝕的研究情況進(jìn)行總結(jié)和分析，以期找出相關(guān)規(guī)律，為流動腐蝕的防護(hù)提供參考。

1 分散流腐蝕研究進(jìn)展

分散流也稱為泡狀流，根據(jù)Mandhane流型圖[3]，分散流中液相的折算速度大約是氣相折算速度的10倍以上。泡狀流中氣相以氣泡形式存在。氣泡是由液體中的蒸汽或者不溶氣體在局部低壓或者高溫環(huán)境下發(fā)育而成[4]。流動過程中，氣泡會發(fā)生聚并和破碎，甚至在液相的作用下，進(jìn)入壁面附近的高壓區(qū)，發(fā)生潰滅，產(chǎn)生沖擊，破壞管壁表面結(jié)構(gòu)，進(jìn)而促進(jìn)腐蝕。即使不發(fā)生潰滅，氣液兩相流動對管壁也有剪切作用，從而對管壁表面產(chǎn)生一定影響。

1.1 氣泡潰滅作用的研究進(jìn)展

根據(jù)李永健[5]的研究結(jié)果，氣泡與管壁的距離在1倍氣泡直徑以內(nèi)時，氣泡潰滅才可能造成壁面的破壞，對壁面產(chǎn)生的壓力可高達(dá)50MPa；氣泡外部壓強(qiáng)越大，氣泡潰滅的歷時越短，形成的沖擊越大；凹凸壁面的迎流面形成的局部高壓將加速氣泡的潰滅。但是李永健的研究結(jié)果是由單一球型氣泡的計算推演出來的，未模擬真實流動狀態(tài)下的潰滅過程。王海燕[6]通過數(shù)值模擬的方法，驗證了凹凸壁面的迎流面在高雷諾數(shù)（Re=1.95×106）條件下，會產(chǎn)生劇烈的壓力變化，可引發(fā)氣泡潰滅，產(chǎn)生腐蝕。但是王海燕的數(shù)值模擬是單純的液相條件，也未模擬真實流動狀態(tài)下的潰滅過程。汪健生[7]使用修正的Rayleigh方程并對氣泡成長和破碎過程進(jìn)行了簡化后，采用數(shù)值模擬的方法對變徑結(jié)構(gòu)的氣泡含量進(jìn)行了研究，認(rèn)為氣含率突然增加的區(qū)域，就是發(fā)生腐蝕的位置，汪健生的研究通過簡化氣泡動力學(xué)方程的方法，模擬了氣泡的長大和縮小，但也未模擬真實流動狀態(tài)下的潰滅過程。流動中氣泡潰滅是一個迅速的相變過程，大多數(shù)研究者只是通過壓力變化或者氣含率分布特點(diǎn)來間接預(yù)測氣泡是否潰滅，無法精確預(yù)測管壁發(fā)生氣泡潰滅的位置。

Mohammad[8]提出了通過前后時刻氣泡圖形的3D特征對比，從而判斷壁面處氣泡聚并、破裂和潰滅，并且通過能量守恒的方法對氣泡在金屬壁面潰滅所吸收的能量進(jìn)行計算，實現(xiàn)氣泡潰滅促進(jìn)腐蝕的評價。該方法認(rèn)為含有一定液體的氣泡在靠近管壁潰滅的過程中，一部分能量因粘性作用耗散，最多只有65%的能量轉(zhuǎn)為動能。氣泡潰滅的動能一部分以沖擊波或者微射流的形式傳播給周圍，另一部分被管壁吸收。這種從氣泡特征和能量守恒的角度去研究分散流腐蝕的方法，可以不用模擬計算氣泡潰滅的相變過程，實現(xiàn)氣泡潰滅位置的預(yù)判，并且評價不同潰滅位置的腐蝕嚴(yán)重程度。

1.2 管壁剪切作用的研究進(jìn)展

茅俊杰[9]采用拉格朗日方法對彎頭和變徑結(jié)構(gòu)的氣泡流動軌跡、湍動能分布、剪切力分布進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，壁面剪切力分布可以反映腐蝕規(guī)律。茅俊杰的研究把氣泡當(dāng)成固體顆粒進(jìn)行沖刷模擬，認(rèn)為氣泡在壁面發(fā)生彈性反射。這與現(xiàn)實情況還是有很大的差異。Nesic[10]通過研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)eCO3腐蝕產(chǎn)物膜的粘附力數(shù)量級為107Pa，而單液相管壁剪切大約在104Pa[11]，可見，壁面剪切力難以剝離管壁腐蝕產(chǎn)物膜。流體介質(zhì)對管壁腐蝕產(chǎn)物膜的溶解，會影響管壁腐蝕產(chǎn)物膜的結(jié)構(gòu)，從而降低管壁腐蝕產(chǎn)物膜的粘附力。只有在腐蝕產(chǎn)物膜易溶解的條件下，壁面剪切力分布峰值才能反映腐蝕最嚴(yán)重的位置。

2 間歇流腐蝕研究進(jìn)展

據(jù)Mandhane流型圖[3]，間歇流的氣相折算速度與液相折算速度之比約在1～10之間。間歇流源于分層流，當(dāng)氣液界面產(chǎn)生波動時，管道被堵塞，形成這種特殊的流動形態(tài)。目前流動腐蝕的研究集中在段塞流。

2.1 段塞流流動特點(diǎn)

流動過程中，段塞前部以較快的速度向前移動，卷吸其前面以較慢的速度運(yùn)動的液膜，同時將氣泡中大量氣體卷入段塞，在段塞頭部形成渦旋，段塞前部為高含氣混合區(qū)，具有高的湍流強(qiáng)度[12,13]。段塞流前部的卷吸運(yùn)動能對管壁造成很大的沖擊和剪切作用，高的湍流強(qiáng)度還能加快管壁材料和主體溶液之間物質(zhì)的傳遞速度。

2.2 段塞流腐蝕機(jī)理

王永暉[14]將段塞流下的傳質(zhì)過程劃分為三個區(qū)，分別是湍流主體、近壁面擴(kuò)散區(qū)和腐蝕產(chǎn)物膜區(qū)。其中腐蝕產(chǎn)物膜區(qū)傳質(zhì)速率最小。腐蝕產(chǎn)物膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和傳質(zhì)特性，決定了腐蝕反應(yīng)的速率。段塞流對壁面剪切的作用，會對腐蝕產(chǎn)物膜的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響；高的湍流強(qiáng)度能減小近壁面擴(kuò)散區(qū)的厚度。Christian等[15]通過不同流速下緩釋劑的防腐蝕效果研究也證明：管壁腐蝕產(chǎn)物膜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)才是控制腐蝕速率的關(guān)鍵；而且無腐蝕性介質(zhì)環(huán)境下，高壁面剪切作用并不能損壞管壁腐蝕產(chǎn)物膜的結(jié)構(gòu)。

2.3 段塞流腐蝕研究進(jìn)展

段塞流腐蝕研究集中在以CO2為腐蝕性介質(zhì)的領(lǐng)域。DeWaard及其改進(jìn)模型，可以預(yù)測發(fā)生CO2腐蝕的位置，但是這些模型以電荷轉(zhuǎn)移控制腐蝕反應(yīng)為出發(fā)點(diǎn)，對于流動促進(jìn)腐蝕的影響考慮較少[16]。

崔銘偉[17,18]在CO2驅(qū)油技術(shù)領(lǐng)域開展段塞流的腐蝕研究，通過設(shè)計帶有高低起伏的管路實驗，研究了CO2分壓對腐蝕的影響。研究發(fā)現(xiàn)CO2分壓的增加一方面可以增加流體的酸性，加快管壁金屬的腐蝕反應(yīng)；另一方面增加了CO2-3濃度，使得管壁形成了一層腐蝕產(chǎn)物沉淀，不利于腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行。崔銘偉的研究是在低表觀流速下進(jìn)行的（段塞流最大表觀流速為0.4m/s），管壁剪切作用弱，研究內(nèi)容也未涉及管壁腐蝕產(chǎn)物沉淀的化學(xué)平衡條件。在管壁腐蝕產(chǎn)物沉淀達(dá)到化學(xué)平衡條件之前，壁面剪切力越大的位置，管壁腐蝕產(chǎn)物溶解的越快，腐蝕速率也就越大。因此，研究管壁腐蝕產(chǎn)物沉淀的化學(xué)平衡條件具有重要的意義。

3 分離流腐蝕研究進(jìn)展

分層流和波狀流的表觀流速極低，在石油化工過程管道中的應(yīng)用較少。因此，本小節(jié)主要討論環(huán)狀流狀態(tài)下的腐蝕。環(huán)狀流狀態(tài)下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相，液相以霧、小液滴、液膜等形式存在。這種流動下會發(fā)生露點(diǎn)腐蝕、沉積腐蝕等。

3.1 露點(diǎn)腐蝕

高溫氣體在低于露點(diǎn)溫度的換熱面上冷凝成液體，液體溶解腐蝕離子可引起液滴下管壁的腐蝕?？梢姡纬梢耗せ蛘咭旱问锹饵c(diǎn)腐蝕的前提；冷凝速率通過影響溶解過程，從而影響露點(diǎn)腐蝕過程。

當(dāng)輸送氣體介質(zhì)濕度較小時，冷凝過程會形成薄霧，腐蝕管頂；當(dāng)介質(zhì)濕氣較大時，冷凝液集中在管底，產(chǎn)生腐蝕環(huán)境。對于形成的液膜或者液滴的分布特點(diǎn)，研究者[19]發(fā)現(xiàn)液膜厚度在352μm時，腐蝕速率最大。高雪琦[20]通過耦合Eulerian模型和Eulerian wall film模型，研究了近壁面處液膜或者液滴的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過彎頭后在二次流和離心力的作用下，液膜或液滴的分布會發(fā)生較大的變化。工程中常通過模擬計算管道內(nèi)液膜或者液滴分布來實現(xiàn)腐蝕位置的預(yù)測[21]。

Nyborg[22]研究發(fā)現(xiàn)，在水蒸氣凝結(jié)速率較低時，溶解的CO2與金屬壁面發(fā)生反應(yīng)生成碳酸鐵沉淀膜，阻止腐蝕發(fā)生；在水蒸氣凝結(jié)速率較高時，溶解的CO2降低冷凝液的PH值，加速腐蝕。

3.2 沉積腐蝕

沉積腐蝕是氣相組分在氣液兩相流動中發(fā)生反應(yīng)并結(jié)晶，結(jié)晶沉積在管壁上，受潮水解腐蝕金屬壁面。這種腐蝕常見于常減壓裝置的常頂系統(tǒng)[23]、加氫裝置空冷器入口管道系統(tǒng)[24]。研究這種腐蝕的關(guān)鍵是建立沉積物反應(yīng)的平衡常數(shù)隨溫度的變化關(guān)系以及氣相反應(yīng)物組分分壓隨溫度的變化關(guān)系，從而通過判斷結(jié)晶發(fā)生的溫度，從工藝流程來預(yù)測腐蝕發(fā)生的位置[23,25]。這種腐蝕可以通過在結(jié)晶溫度點(diǎn)之前注水的方式來消除。由于常頂系統(tǒng)和空冷器入口管道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，合適的注水量和注水位置才能保證結(jié)晶溶解，且不影響生產(chǎn)工藝。對于這種流動腐蝕，研究的重點(diǎn)是分析注水位置以及不同注水量條件下管壁水相的分布[24]。

3.3 其他

環(huán)狀流除了能夠通過相變產(chǎn)生新的腐蝕環(huán)境外，還可能降低腐蝕速率。呂運(yùn)容[11]通過實驗和數(shù)值模擬的方法發(fā)現(xiàn)，環(huán)狀流下環(huán)烷酸的腐蝕速率小于單液相流動。Srdjan Nesic[26]通過管道環(huán)路實驗方法也發(fā)現(xiàn)了同樣的規(guī)律，并認(rèn)為環(huán)狀流狀態(tài)下金屬壁面的液相更新速率低，是腐蝕減弱的主要原因。

4 結(jié)語

分散流腐蝕中氣泡潰滅會形成局部高壓且難以通過數(shù)值模擬的方法計算。通過管壁附近氣泡3D特征對比識別，判斷管壁處氣泡潰滅的位置，并使用能量守恒評價潰滅處腐蝕的嚴(yán)重程度，可以較為準(zhǔn)確的預(yù)測管道內(nèi)腐蝕最嚴(yán)重的位置。這也是一個很好的研究方向。對于不發(fā)生氣泡潰滅的分散流，只有在腐蝕產(chǎn)物膜易溶解的條件下，壁面剪切力分布峰值才能反映腐蝕最嚴(yán)重的位置。

間歇流腐蝕受腐蝕產(chǎn)物膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和傳質(zhì)特性控制，在管壁腐蝕產(chǎn)物沉淀達(dá)到化學(xué)平衡條件之前，壁面剪切力越大的位置，腐蝕速率越快。研究管壁腐蝕產(chǎn)物沉淀的化學(xué)平衡條件是一個重要的研究方向。

分離流中分層流和波狀流工程應(yīng)用少，環(huán)狀流腐蝕產(chǎn)生的主要原因是相態(tài)變化形成了新的腐蝕環(huán)境。對于露點(diǎn)腐蝕，冷凝速度快且形成液膜或者液滴的管壁位置最容易發(fā)生腐蝕。對于沉積腐蝕，達(dá)到結(jié)晶發(fā)生溫度的位置最容易發(fā)生腐蝕，可通過注水的方法消除。在工程應(yīng)用中，研究上述兩種情況下的液相分布規(guī)律是一個重要的研究方向。另外，如果腐蝕受管壁的液相更新速率控制，那么環(huán)狀流會降低腐蝕速率。