管道兩相流沖刷腐蝕的CFD研究進展

趙 狀，吳玉國，田 壘，吳 棟

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001）

沖刷腐蝕又稱為磨損腐蝕，是金屬表面與腐蝕流體之間由于相對高速運動而引起的金屬損壞現象，是材料受沖刷和腐蝕交互作用的結果，是一種危害性較大的局部腐蝕。沖刷腐蝕在石油、化工、水電等工業過程中廣泛存在[1]，國外調查統計顯示，沖刷腐蝕已成為油氣田管道腐蝕防護的首要問題[2]。據報道，原油處理站的集輸管道穿孔約有 80%是由于磨損及沖刷腐蝕造成的[3]。暴露在運動流體中的所有類型的設備如集輸管道的過流部件、彎頭、三通和熱交換器，海洋平臺井口，都會遭受到沖刷腐蝕的破壞，破壞形式出現溝槽、豁口和減薄，甚至斷裂。含固體顆粒的兩相流中，破壞更為嚴重，它將大幅縮短設備的壽命。加拿大北部阿爾伯特省的油砂處理過程中，瀝青砂導致其管道受到了嚴重的沖刷腐蝕[4]。

隨著CFD（計算流體力學）技術的發展及相關軟件的開發，通過數值模擬方法獲得流體內部的速度場、溫度場、壓力場等信息成為可能[5]。對管道內流體流動狀況進行數值模擬，可預測出不同條件下管道內流體流動特性和流動細節。根據流體流動細節進行腐蝕分析，預測出管道內易腐蝕的位置和腐蝕面積最大部位。為管道的防沖刷腐蝕研究提供了一種新的有效研究方法。

1 影響沖刷腐蝕的因素和實驗研究

1949年Zelder[6]首次提出材料腐蝕與磨損之間存在交互作用，從而，沖刷與腐蝕之間交互作用的研究成為沖刷腐蝕研究的核心內容，引起人們的關注。國內外許多學者采用不同方式、從不同側面進行了研究[7-16]概括起來，主要影響因素可分為流體力學因素、材料因素、兩相流中的固相顆粒因素、液相本身性質和其中存在的介質等幾個方面因素，這些因素交織在一起，影響材料沖刷腐蝕性能。

目前針對沖刷腐蝕的實驗研究裝置有很多如：噴射裝置、泥漿容器、旋轉籠、管道環路、旋轉圓柱電極等[17]。Poulson等通過失重實驗以及后來引入的各種流動條件下的電化學測量技術[18]，對前面所提到的固相顆粒因素和流體流動因素進行了詳盡討論。實驗裝置雖然可以模擬多種流態，且有可靠的流體力學模型支持，但也有不足如：造價、運行和維修費用高；消耗的流體溶液多；實驗的周期較長等。

吳欣強等[19]對高溫環烷酸沖刷腐蝕進行了大量實驗研究，通過數值模擬方法考察流體噴射參數對壁面剪切應力的影響，用來衡量流體沖刷的作用強弱，并根據模擬結果指導噴射實驗參數的選擇。劉興玉[20]運用CFD軟件對裝置流場進行了數值模擬研究。結果表明轉子侵入深度對流場產生影響，轉子在實驗裝置中存在一個最佳侵入深度。可見，CFD方法的引入在一定程度上彌補了實際實驗工作中的不足，可指導實驗裝置的開發及應用。

2 CFD方法在管道沖刷腐蝕研究中的應用

CFD作為一種實用的新型技術在許多行業都得到了廣泛的應用，在沖刷腐蝕的預測分析方面有許多成功的例子。

J.Postlethwaite等[21]通過CFD方法評價了幾種湍流模型在數值計算中的優缺點，但沒有對沖刷腐蝕進行進一步模擬。Anthony等[22]應用 PHOENICS軟件對U型管內兩相流沖蝕進行數值模擬，考慮到湍流對固體粒子的影響，模擬中采用了渦流模型。預測出腐蝕最嚴重處位于 U形管內壁面流動正方向50°處。

張政等[23]應用CFD對固液（富氧）兩相流沖刷腐蝕進行了研究，通過加入磨損模型、腐蝕模型、歐拉模型、拉格朗日顆粒隨機軌道模型，建立了全面的固液兩相流沖蝕模型。在考慮壁面氧化膜完全失去后得出結論，在材料失重的過程中腐蝕的作用遠大于磨蝕作用。結果和文獻中數據對比表明，構建的模型基本正確可行。說明CFD方法中建立的模型，得到了實際實驗數據很好的驗證。

阿拉伯石油公司天然氣管道中廣泛存在 Black Powder（FeS、Fe3O4， FeOOH、FeCO3等固體顆粒）。Ehab Elsaadawy等[24]應用Fluent6.3對彎管處的沖刷腐蝕進行了數值模擬研究，得出彎管的曲率越大，固體顆粒對腐蝕的影響越小；固體顆粒的幾何尺寸越大形狀越不規則，腐蝕越嚴重。

E. Mahdi等[25]對管道三通應用CFD軟件進行了數值模擬得出：嚴重的腐蝕發生在高速流體流經管道入口時，產生的高強度湍流區。管道疲勞斷裂的產生及發展和湍流的強度、壓力的波動聯系緊密。

劉勇峰等[26]應用CFD對管道彎管處進行了實驗模擬。給出了最大剪切應力和最大含液率區域，說明氣相介質速度越大，腐蝕越嚴重。對氣井井下節流噴嘴建立了沖刷腐蝕的數學模型[27]，運用了SIMPLE算法求解方程，結果得出：噴嘴入口和后端處剪切應力較大，腐蝕比較嚴重。陳佳等[28]對管道三通處進行模擬，結果顯示入口流體流速及粘度越大，腐蝕越嚴重；出口段的管徑越大腐蝕越輕。可見 CFD方法可以指導實際管道的檢測和結構的優化，從而減少事故的發生。

茅俊杰[29]通過對彎管和變徑管進行數值模擬，結果揭示了氣液兩相流受沖刷腐蝕的規律：離散相（氣泡）的體積分率分布是產生沖刷腐蝕的首要條件，壁面受剪應力大小與流速有關，流體流動速率的大小反映了腐蝕破壞規律。

丁礦等[30]基于CFD方法，分析了直角彎管的內部流動規律，利用UDF（用戶宏定義功能）將沖蝕模型寫成相應程序模塊和CFD相結合。模擬結果顯示流速、顆粒濃度和顆粒直徑對最大沖蝕率有明顯影響，其中，流速與最大沖蝕率呈指數增長關系。模擬結果導出圖可以顯示固體顆粒在直角彎管內的空間分布情況，可以預測出腐蝕較為嚴重區域。

3 總結和展望

將 CFD方法應用到管道的沖刷腐蝕研究和預測中是未來發展趨勢，應用CFD方法對管道內的流體流動進行數值模擬研究，模擬實際中難以控制的腐蝕過程，經過計算得出速度場、溫度場、壓力場等變量的具體分布，在直觀上有助于我們理解管道內沖刷腐蝕原因和機理。同時由計算結果得出腐蝕區域的分布規律，預測腐蝕嚴重部位，為管道內的防腐蝕工藝提供依據和指導。由于CFD方法依賴于計算機進行實驗研究，具有成本低、省時、高效、模擬真實等優點，CFD必將在防腐蝕領域發揮更大的作用。

目前CFD技術及相關軟件的發展還不夠成熟，對于流體復雜的湍流作用，難以有很準確的物理模型相支持，因此對于研究者選擇合適的模型很重要；應用軟件的 UDF功能對固體顆粒的相關參數進行具體描述，如管壁內各區域的速度分布，可以提高模擬準確度；考慮近壁處流-固的耦合作用，要求研究更適應近壁效應的物理模型；CFD方法中只是考慮了物理因素作用對于腐蝕的影響，而流體中侵蝕性離子的存在如O、Cl等，其電化學因素對于腐蝕的影響也不容忽視。

［1］邢建東，高義民，張國賞.不銹鋼與碳鋼的液固兩相流沖刷腐蝕磨損研究[J]. 西安交通大學學報，2004，38（5）：469-473.

［2］Wood R J K． Erosion-corrosion interactions and their effect on marine and offshore materials[J]．Wear，2006，261（9）：1012-1023.

［3］王世溪. 淺析集輸泵站工藝管道局部腐蝕原因及對策[J]. 油氣田地面工程，2003，22（4）：70-72.

［4］Baotong Lu. Erosion-corrosion in oil and gas production[J].Research and Reviews in Materials Science and Chemistry, 2013，1（2）：19-60.

［5］王福軍. 計算流體動力學分析—CFD軟件原理與應用[M]. 北京：清華大學出版社，2004.

［6］Postlethwaite J，Tinker E B，Hawrylak M W .Erosion-corrosion in slurry pipelines.Corrosion[J].1974，30（8）：285-290.

［7］劉新寬.方其先.兩種不銹鋼沖刷腐蝕的研究[J].化工機械,1998,25（1）：12-15.

［8］王健云,周育英,周清術,等.工業純欽和 OOCr25Ni22Mo2不銹鋼的沖刷腐蝕[J].中國腐蝕與防護學報,2000，20（2）：123-127.

［9］Heitz E. Mechanistically based prevention strategies of flow-induced corrosion[J].L，Electrochemical Acka，1996，41（4）：503-509.

［10］毛旭輝,吳成紅,甘復興.等多相流動淡水體系中碳鋼的沖刷腐蝕行為[J].腐蝕科學與防護技術,2001，13（11）：391-394.

［11］Heitz E. Chemo-mechanical effects of flow on Corrosion[J].Corrosion，1991，47（2）：135-145.

［12］丁一剛,王慧龍,郭興蓬.金屬在液固兩相流中的沖刷腐蝕[J].Materials Protection，2001，34（11）：16-18.

［13］李全民.海上采油平臺井口管道腐蝕失效分析[J].石油化工腐蝕與防護[J]，2009，26（5）：57-61.

［14］魏翔云，鄭玉貴，張玉生,等.顯微組織和元素分布對鐵基鑄造合金耐沖刷腐蝕性能的影響[J].金屬學報，1994，30(2）： 91-96.

［15］鄭玉貴，姚治銘，張玉生,等.沖刷與腐蝕的交互作用與耐沖刷腐蝕合金設計[J].金屬學報，2000，36（1）：51-54.

［16］饒啟昌，高義民，劉福玲.24Cr高鉻鑄鐵三體腐蝕磨損過程中腐蝕與磨損的交互作用[J].機械工程學報，1991，27（6）：1-6.

［17］蔡峰，柳偉，樊學華,等.流體噴射條件下金屬材料沖刷腐蝕的研究進展[J].摩擦學學報,2011，31（5）：521-527.

［18］Poulson，Bryan.Electrochemieal measuements in flowing solutions[J].CorrosionScience,1983，23（4）：391-430.

［19］吳欣強，敬和民，鄭玉貴,等.模擬工業煉油環境高溫高流速狀態的循環測試裝置及其實驗參數選擇[J].中國腐蝕與防護學報,2002，22（1）：1-7.

［20］劉興玉，段明德，李倫. 旋轉式沖刷腐蝕試驗裝置流場數值研究[J].機床與液壓,2010，38（23）：122-124.

［21］J.Postlethwaite，S.Nesic，G.Adamopoulos，et al. Predictive Models For Erosion-Corrosion Under diturbed Flow Conditions[J]. Corrosion Science，1993，35(1-4）：627-633.

［22］Anthony KEATING , Srdjan NESIC. Secong International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries[C]. Csiro，Melbourne，Austalia 6-8 December，1999:229-236.

［23］ZHANG zheng，CHENG Xuewen，ZHENG Yugui，et al. Numerical Simulation of Erosion-Corrosion in the Liquid-Solid Two-Phase Flow[J]. Chinese J. of Chem. Eng.，2000，8 (4) ：347-355.

［24］Ehab Elsaadawy and Abdelmounam M. Sherik. Black Powder Erosion in Sales Gas Pipeline Bends[J].Saudi Aramco Journal of Technology, Fall 2010.

［25］E. Mahdi，A. Rauf，S. Ghani，et al. Erosion-Corrosion Behavior and Failure Analysis of Offshore Steel Tubular Joint[J].Int. J. Electrochem.Sci., 2013(8）:7187 - 7210.

［26］劉勇峰，吳明，趙玲,等.凝析氣田集輸管道彎管沖刷腐蝕數值計算[J].腐蝕與防護,2012，33（2）：132-135.

［27］劉勇峰，劉俊，李瑜,等.氣井井下節流器沖刷腐蝕數值計算[J].當代化工,2013，42（4）：510-512.

［28］陳佳，劉勇峰. 三通管沖刷腐蝕數值計算[J].當代化工,2013，42（1）：76-78.

［29］茅俊杰.氣液兩相流管道沖刷腐蝕的研究[D].山東大學(碩士學位論文),2012-04.

［30］丁礦，朱宏武，張建華,等.直角彎管內液固兩相流固體顆粒沖蝕磨損分析[J].油氣儲運,2013，32（3）：241-246.