1 多相流腐蝕問題

    多相流的現(xiàn)象普遍存在于能源電力、石油化工、制冷、低溫、介質(zhì)輸運(yùn)、環(huán)境保護(hù)及航天技術(shù)等許多工業(yè)部門。多相流問題復(fù)雜，涉及流體力學(xué)、物理化學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)、燃燒學(xué)等多個(gè)學(xué)科。

    與單相介質(zhì)腐蝕相比，多相介質(zhì)腐蝕情況更為復(fù)雜，由于多種因素的交互作用，其腐蝕速率通常也比單相流要高很多。例如，油氣井下流體和管道內(nèi)流體，很多屬于氣（硫化氫、二氧化碳、氧等腐蝕成分）、液（烴類液體和含鹽的水）、固（砂和其他微粒）多相混合流動的復(fù)雜狀態(tài)，其對管道內(nèi)壁的腐蝕作用起到很大的影響。

    從近些年有關(guān)多相流腐蝕領(lǐng)域的論文發(fā)表數(shù)量來看，國內(nèi)在90年代以前還鮮有報(bào)告，而在2000年以后，論文發(fā)表數(shù)量呈明顯上升趨勢，近些年更是達(dá)到新高，國內(nèi)對多相流腐蝕問題的關(guān)注呈明顯上升趨勢，成為了一大熱點(diǎn)。

    多相流腐蝕問題的研究主要集中在石油天然氣行業(yè)，另外也包括了石化裝置的反應(yīng)流出物空冷器管束、煤化工的煤液化管道、船用螺旋槳、水力葉片以及風(fēng)力發(fā)電葉片的沖蝕磨損等行業(yè)關(guān)注的問題。

    多相流腐蝕領(lǐng)域的研究中，數(shù)值仿真模擬是多相流領(lǐng)域中最關(guān)注的部分，而模擬的主要對象有兩部分，分別是二氧化碳腐蝕以及沖刷腐蝕，另外涉及到的方向還包括緩蝕劑的影響、流型中的段塞流現(xiàn)象。仿真模擬的手段目前主要是采用數(shù)學(xué)模型的計(jì)算方法或借助CFD進(jìn)行，OLGA軟件作為石油行業(yè)領(lǐng)域的一款權(quán)威的商業(yè)化多相流模擬軟件，也被多篇論文所提及。

    2 多相流腐蝕的模擬仿真研究現(xiàn)狀

    現(xiàn)有的多相流腐蝕仿真研究主要從兩個(gè)方面展開，一種是針對流體中的顆粒對設(shè)備或管道內(nèi)壁造成的沖刷腐蝕的模擬仿真，以流體介質(zhì)中的顆粒沖擊侵蝕機(jī)理，更偏向于研究對材料表面產(chǎn)生的物理破壞，得到的數(shù)據(jù)為材料表面損失率；另一種是針對管道中的腐蝕（特別是二氧化碳腐蝕）模型的仿真，是以電化學(xué)腐蝕過程為機(jī)理，考慮了流體對腐蝕過程產(chǎn)生的影響，如傳質(zhì)、傳熱和濃度變化等，從而得到材料表面的腐蝕速率。這兩種方法目前都有成熟的商用仿真軟件，前者以流體仿真軟件Fluent為代表，后者以多相流模擬軟件OLGA為代表。

    在流體仿真軟件Fluent里的DPM離散相模型自帶侵蝕模型（erosion），可以模擬流體介質(zhì)的侵蝕過程，得到顆粒對管道沖刷減薄的速率。但是由于沒有專門的腐蝕模型，所以這個(gè)過程不適合于二氧化碳腐蝕的模擬仿真。

    多相流模擬軟件OLGA里添加了腐蝕模塊，可以模擬出系統(tǒng)內(nèi)不同部位的管道的二氧化碳、pH值分布等，并根據(jù)內(nèi)置的腐蝕模型計(jì)算得到管道腐蝕速率的變化規(guī)律。它是一種系統(tǒng)級的仿真軟件，得到的主要是不同部位和時(shí)間的腐蝕結(jié)果。腐蝕模塊的三種模型都是根據(jù)大量的試驗(yàn)后進(jìn)行修正，在油氣、石化行業(yè)具有較強(qiáng)的適用性，但是用戶無法修改模型參數(shù)，限制了它的適用范圍。另外，OLGA的腐蝕模塊并不能針對某個(gè)管道局部區(qū)域進(jìn)行仿真，所以不適用于具有局部腐蝕特征的管道分析。

    2.1 二氧化碳腐蝕模型

    由于二氧化碳腐蝕是油氣工業(yè)、石化工業(yè)中經(jīng)常遇到的嚴(yán)重腐蝕之一。多相流腐蝕模型中最基本的就是二氧化碳腐蝕模擬。國外石油公司以及科研院所已經(jīng)對二氧化碳腐蝕速率預(yù)測問題開展了長期的研究工作。目前，腐蝕速率預(yù)測模型主要可以分為三種類型，包括經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀虢?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约皺C(jī)理模型。

    2.1.1 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/span>

    經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪峭耆詫?shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)為依據(jù)總結(jié)出來的預(yù)測模型，最為著名的就是挪威的Norsok M506模型。Norsok模型是根據(jù)低溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和高溫 現(xiàn)場數(shù)據(jù)而建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀＿@一模型已經(jīng)成為挪威石油工業(yè)在抗二氧化碳腐蝕選材和確定腐蝕裕量設(shè)計(jì)的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。該模型適用于20~150℃、pH值3.5~6.5、壓力高于1個(gè)大氣壓的工況，其他參數(shù)的適用范圍在標(biāo)準(zhǔn)中給出，該標(biāo)準(zhǔn)給出了詳細(xì)的計(jì)算公式，用于計(jì)算二氧化碳腐蝕速率。在OLGA軟件中包括了這種模型。

    2.1.2 半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/span>

    半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪悄壳皯?yīng)用較多的一種預(yù)測模型，其中以Shell公司的de Waard 模型應(yīng)用最為廣泛，這個(gè)模型的建立也是一個(gè)認(rèn)識逐步提高的過程，其中最初的SHELL75只考慮溫度和二氧化碳分壓的影響；SHELL91考慮了介質(zhì)中pH值和Fe2+濃度、腐蝕產(chǎn)物膜、原油等因素的影響；SHELL93則對91模型的修正因子做了修改，且初步提出了流速影響論；SHELL95模型進(jìn)一步考慮了介質(zhì)傳輸過程和流速的影響。近些年，de Waard根據(jù)油-水-管之間的界面張力，研究了原油比重和含水率對腐蝕速率的影響，得出了新的原油影響因子公式。

    de Waard SHELL 95模型表達(dá)式：

    在de Waard模型的基礎(chǔ)上，各個(gè)大的石油公司以及科研機(jī)構(gòu)都作出了自己的半經(jīng)驗(yàn)型預(yù)測模型，這其中有名的有BP公司的Cassandra模型，Intertech公司的ECE模型和InterCorr的Predict模型等。OLGA軟件中也加入了de Waard 95模型。

    2.1.3 機(jī)理模型

    機(jī)理模型主要從二氧化碳腐蝕的微觀機(jī)理出發(fā)，結(jié)合材料表面的化學(xué)、電化學(xué)反應(yīng)，離子在材料與溶液界面處的傳質(zhì)過程，以及離子在腐蝕產(chǎn)物膜中擴(kuò)散與遷移過程等建立的預(yù)測模型。其中比較著名的是俄亥俄州立大學(xué)的Nesic教授根據(jù)二氧化碳腐蝕過程反應(yīng)動力學(xué)建立的模型。機(jī)理模型相對前兩種模型更為復(fù)雜，需要考慮的影響因素更多。

    2.2 沖刷腐蝕模型

    沖蝕失效是腐蝕性流體介質(zhì)與多相流動協(xié)同作用引起的材料失效現(xiàn)象。國內(nèi)外學(xué)者通過數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)研究等研究手段也進(jìn)行了大量的研究。主要集中在特定流體、在特定材質(zhì)管道中流動產(chǎn)生的沖刷腐蝕破壞研究，流體動力學(xué)參數(shù)（如流速、壓應(yīng)力、剪切應(yīng)力、湍流強(qiáng)度等）分布情況分析，沖蝕失效表征參數(shù)研究，腐蝕介質(zhì)（S2-、Cl-、固體顆粒等雜質(zhì)元素）和工況參數(shù)（溫度、壓力、濃度、pH值）等因素對沖蝕破壞的影響研究。

    這方面的研究進(jìn)展主要有：Heitz等人把質(zhì)量傳遞、流型、流態(tài)同沖蝕行為相關(guān)聯(lián)，取得了許多重要的研究成果；API RP-14E對氣液兩相流壓力管道沖蝕提出了設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，給出了極限速度Ve的概念。俄亥俄州立大學(xué)的Nesic教授對換熱器管箱，通過流體動力學(xué)計(jì)算分析流體的沖蝕破壞，證實(shí)了壁面的湍流強(qiáng)度可預(yù)測復(fù)雜結(jié)構(gòu)管道的沖蝕現(xiàn)象；Bozzini等人針對彎管四相流體介質(zhì)（包括兩相不可相溶的液體、氣體和微顆粒的固體）進(jìn)行了流動數(shù)值模擬，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究尋找沖蝕破壞的主要影響因素。

    國內(nèi)的北京化工大學(xué)的林玉珍教授團(tuán)隊(duì)采用數(shù)值計(jì)算法與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合，設(shè)計(jì)搭建了旋轉(zhuǎn)式和管流式兩種流動模擬裝置，對碳鋼在鹽水溶液中層流、湍流狀態(tài)下的沖蝕進(jìn)行了研究。中科院金屬所的鄭玉貴教授團(tuán)隊(duì)研制的激光多普勒測試裝置，通過失重測試、形貌觀察、局部流速流態(tài)測試和典型部位的電化學(xué)測試，研究突擴(kuò)管條件下不銹鋼在單相及含砂人工海水介質(zhì)中的沖刷腐蝕機(jī)理，分析流速流態(tài)、攻角以及顆粒性質(zhì)等流體力學(xué)因素對沖蝕的影響機(jī)制，并進(jìn)行了相應(yīng)的沖刷腐蝕過程的數(shù)值模擬研究；吳欣強(qiáng)、敬和民等人研究了碳鋼在高溫環(huán)烷酸介質(zhì)中的沖刷腐蝕行為，并考察了碳鋼在工業(yè)煉油環(huán)境中的抗沖蝕性能，得到了酸值、溫度和流速是影響碳鋼環(huán)烷酸沖刷腐蝕行為的主要因素等研究結(jié)果。浙江理工大學(xué)偶國富教授團(tuán)隊(duì)針對加氫裂化空冷器多相流沖蝕破壞進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)各相態(tài)相分率和剪切應(yīng)力對流體管道沖蝕破壞失效位置及沖蝕速率影響很大，水相相分率大、剪切應(yīng)力大的部位恰好是實(shí)際工程中穿孔泄漏的部位。

    3 多相流腐蝕的模擬仿真的主要問題

    國內(nèi)外的多相流腐蝕的模擬仿真研究中主要有以下幾個(gè)問題：

    a） 從概念上區(qū)分多相流的腐蝕、物理侵蝕磨損以及兩者的交互作用對腐蝕速率的影響；

    b） 目前的仿真模型主要是基于二氧化碳腐蝕模型上，還需要對其他腐蝕機(jī)理進(jìn)行研究，建立更加準(zhǔn)確的腐蝕模型；特別是各種高溫、高壓的多相流環(huán)境下的腐蝕壽命預(yù)測模型的建立；

    c） 從流體力學(xué)角度考慮流固耦合過程、薄膜斷裂力學(xué)和電化學(xué)動力學(xué)的交互作用行為和機(jī)理研究；

    d） 把計(jì)算流體力學(xué)、微區(qū)電化學(xué)測試和微觀表征測量技術(shù)手段相結(jié)合，研究多相流腐蝕問題，提高仿真模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

    4 多相流腐蝕的模擬仿真研究思路

    多相流腐蝕的模擬仿真研究可分為以下幾個(gè)步驟：

    1） 對指定多相流腐蝕案例的描述；

    2） 分析腐蝕機(jī)理、選擇相應(yīng)的模型，如無現(xiàn)有模型，也可選擇相近模型，然后進(jìn)行參數(shù)修正；

    3） 提供部件材質(zhì)、幾何尺寸、運(yùn)行工況、流體介質(zhì)參數(shù)等具體信息；

    4） 進(jìn)行CFD仿真模擬；

    5） CFD仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，模型修正；

    6） 軟件封裝和調(diào)試、發(fā)布；

    7） 根據(jù)新的案例在軟件中添加新的腐蝕模型，對仿真軟件進(jìn)行升級及日常維護(hù)。

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責(zé)任編輯：王元

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