油氣管道兩相流體沖刷腐蝕研究現狀及展望

劉莉樺，才政(.中國石油化工股份有限公司天津分公司原油儲運部，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生高速相對運動而引起的金屬損壞現象，是機械磨損與電化學腐蝕交互作用的結果[1-3]。這種交互作用表現在：首先，沖刷加速傳質的過程，縮短去極化劑到達材料表面的時間，并促進腐蝕產物的脫離，使材料暴露出來加速腐蝕。其次，腐蝕會粗化材料表面，弱化材料的相界，使得耐磨的硬化相暴露，從而又促進沖刷[4]。通過近年的研究，發現沖刷與腐蝕之間的協同作用所產生的損失往往要大于兩者單獨作用之和，造成“1+1＞2”的后果。

影響沖蝕的因素錯綜復雜，本文通過對沖蝕的起因、經過、結果進行分析，發現影響沖刷腐蝕的因素大致分為三個方面，包括流體的流動、第二相的存在以及流體介質本身的特性。流體的流動引起沖刷，第二相的存在加速了沖蝕的進程，流體中存在的腐蝕性介質是導致管材產生內腐蝕的直接因素。

1 流動對沖刷腐蝕的影響

在流動的體系中，介質與金屬表面的相對運動會加劇或抑制腐蝕，這種由于介質的流動引起的腐蝕稱為流動腐蝕[5]。其中，由于受到流體力學因素與電化學腐蝕因素之間的協同交互作用，使得管道內部的流動腐蝕更為嚴重。介質的流動不僅促進腐蝕的加劇，而且還影響著流動腐蝕的機理[6]。下面從流速、管道結構兩個方面綜述流體流動對沖蝕的影響。

1.1 流速對沖刷腐蝕的影響

當流速增加時，一方面流體對管道的剪切力會變大，另一方面會促進去極化劑到達內壁表層，并加快腐蝕產物脫離，從而加速管道的內腐蝕。孫麗麗等[7]以油田常用套管鋼為研究對象，借助自制管道沖刷腐蝕模擬實驗臺分析了流速對沖蝕的影響。實驗結果表明：流速越高，這種套管剛的機械沖刷損傷越明顯。陳虎等[8]采用旋轉圓柱電極裝置結合失重法、腐蝕形貌觀測法等，證明了N80鋼在含砂粒的NaCl水溶液中隨著流速的增大，沖刷腐蝕速率呈現先小幅增大后大幅增大的現象。樊學華等[9]通過流體動力學模擬的方法和采用噴射沖擊試驗裝置結合論證了X70管線鋼的CO2沖蝕速率與流速呈現線性關系。

1.2 管道結構對沖刷腐蝕的影響

流體動力學因素與電化學因素的相互作用的情況下，管道的結構不同，沖蝕的程度也不一樣。以彎管為例，管道外側的流速較大，流體對壁面的切應力較大，腐蝕性離子易被沖刷；而內側由于流速較小，切應力不大，所以離子易沉積。所以當流速較大時外側容易被沖刷，而流速較小時由于內側腐蝕性離子增多，內側易被腐蝕。

胡宗武等[10]運用自行設計的管流式實驗裝置，研究了在單相流條件下，彎管的內側及出口處的外側沖刷腐蝕比較嚴重。陳艷等[11]利用FLUENT流體仿真軟件并結合試驗研究得出，海水彎管沖刷腐蝕最嚴重部位在截面角度30°進口附近；杜強等[12]定量描述輸油管線彎管處流場特性變化和管道內部沖蝕損傷的過程。

2 第二相對沖刷腐蝕的影響

流體通常會存在第二相：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加速腐蝕進程，它們的速度大約是流體介質的70%，對管壁所產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均會破壞管道內壁的保護膜，也會使在介質中生成的保護膜被破壞，更嚴重的話會使材料受到磨損。而且第二相的存在也可能會改變流型，從而加速腐蝕。

2.1 固體顆粒對沖刷腐蝕的影響

由于流體介質與實際運行環境的不同，管道中會存在一些固體顆粒，而顆粒的粗糙度、濃度、直徑以及沖刷角度都會影響到材料表面的磨損程度。王彥驊等[13]運用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，從而在管壁上形成更加嚴重的沖刷腐蝕。

2.2 氣泡對沖刷腐蝕的影響

管道中的壓力不可能保持處處不變，當管道內的壓力小于流體介質的飽和蒸汽壓時會產生氣泡，在高溫的情況下也會有氣泡產生。氣泡對壁面的腐蝕主要是由于不斷生成與爆裂時產生的沖擊力破壞壁面，從而導致壁面的損壞。氣泡在管道內是不斷潰滅與形成的，當氣泡破裂時，會破壞金屬表面的保護層，并引起塑性形變，甚至撕裂金屬粒子。保護膜破壞后，裸露的金屬受到腐蝕，隨即又生成新的保護膜。但在同一點也可能產生新的氣泡，隨即破裂，這個過程會反復進行，結果會使金屬表面生成致密而深的孔。孫軍[14]利用Fluent模擬管道具有點蝕坑存在的條件下，點蝕坑附近的壓力和切應力最大，且離散相氣泡對點蝕坑附近的沖刷也最大。

3 流體介質對沖刷腐蝕的影響

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

3.1 溫度對沖刷腐蝕的影響

通過理想氣體狀態方程可知溫度與壓力有著密切的關系。當溫度高于一定值時或壓力低于液體的飽和蒸汽壓時，流體中會產生氣泡，對管壁產生磨損，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生，同時氧化膜又容易被腐蝕性介質去除，形成電化學腐蝕。

3.2 pH值對沖刷腐蝕的影響

流體的pH值與含氧量對金屬的腐蝕也有著不可忽略的影響。黃雪松等[15]通過建立油田集輸管道介質腐蝕因素研究的數學模型，提出pH值在一定范圍內對腐蝕速率影響較大，當超過一定值時，流速、溫度對腐蝕的影響程度將大于pH值，此時pH值對腐蝕速率的影響趨向平緩。黃雪松還發現當流體中含氧量在一定范圍內時對腐蝕程度影響較大，但高于一定值時會產生鈍化作用。

4 結語

綜上，近年對沖蝕的研究結果大致分為三個方向：首先是流動方面，沖蝕過程中存在臨界流速，在保持一定流速的前提下，可以降低沖蝕的程度；流體流動時，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；管道內存在腐蝕性氣體的濃度會影響腐蝕的程度。最后是介質方面，管道內介質的溫度、pH值存在臨界值，把變量控制在一定范圍內會使沖蝕的程度降到最低。

目前關于沖刷腐蝕的研究仍存在一些不足之處，一些方向還需要進一步深入研究探討。沖刷與腐蝕之間的協同效應被廣大學者提出，但現今只是通過減少兩者之間的交互作用來降低沖蝕帶來的危害，而兩者之間是否存在臨界狀態，使得這種協同效應最小化還需進一步研究；關于管道結構對沖蝕影響的方面，缺少關于改造傳統管道結構的研究；另外，數值模擬的應用成為現今一大主流，該方法雖然對沖蝕的預測工作具有重要作用，但由于受到基于假設的合理性等方面的問題，得出結果的準確性還需經過實驗的檢驗。