管道两相流冲刷腐蚀的CFD研究进展

赵 状，吴玉国，田 壘，吴 栋

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

冲刷腐蚀又称为磨损腐蚀，是金属表面与腐蚀流体之间由于相对高速运动而引起的金属损坏现象，是材料受冲刷和腐蚀交互作用的结果，是一种危害性较大的局部腐蚀。冲刷腐蚀在石油、化工、水电等工业过程中广泛存在[1]，国外调查统计显示，冲刷腐蚀已成为油气田管道腐蚀防护的首要问题[2]。据报道，原油处理站的集输管道穿孔约有 80%是由于磨损及冲刷腐蚀造成的[3]。暴露在运动流体中的所有类型的设备如集输管道的过流部件、弯头、三通和热交换器，海洋平台井口，都会遭受到冲刷腐蚀的破坏，破坏形式出现沟槽、豁口和减薄，甚至断裂。含固体颗粒的两相流中，破坏更为严重，它将大幅缩短设备的寿命。加拿大北部阿尔伯特省的油砂处理过程中，沥青砂导致其管道受到了严重的冲刷腐蚀[4]。

随着CFD（计算流体力学）技术的发展及相关软件的开发，通过数值模拟方法获得流体内部的速度场、温度场、压力场等信息成为可能[5]。对管道内流体流动状况进行数值模拟，可预测出不同条件下管道内流体流动特性和流动细节。根据流体流动细节进行腐蚀分析，预测出管道内易腐蚀的位置和腐蚀面积最大部位。为管道的防冲刷腐蚀研究提供了一种新的有效研究方法。

1 影响冲刷腐蚀的因素和实验研究

1949年Zelder[6]首次提出材料腐蚀与磨损之间存在交互作用，从而，冲刷与腐蚀之间交互作用的研究成为冲刷腐蚀研究的核心内容，引起人们的关注。国内外许多学者采用不同方式、从不同侧面进行了研究[7-16]概括起来，主要影响因素可分为流体力学因素、材料因素、两相流中的固相颗粒因素、液相本身性质和其中存在的介质等几个方面因素，这些因素交织在一起，影响材料冲刷腐蚀性能。

目前针对冲刷腐蚀的实验研究装置有很多如：喷射装置、泥浆容器、旋转笼、管道环路、旋转圆柱电极等[17]。Poulson等通过失重实验以及后来引入的各种流动条件下的电化学测量技术[18]，对前面所提到的固相颗粒因素和流体流动因素进行了详尽讨论。实验装置虽然可以模拟多种流态，且有可靠的流体力学模型支持，但也有不足如：造价、运行和维修费用高；消耗的流体溶液多；实验的周期较长等。

吴欣强等[19]对高温环烷酸冲刷腐蚀进行了大量实验研究，通过数值模拟方法考察流体喷射参数对壁面剪切应力的影响，用来衡量流体冲刷的作用强弱，并根据模拟结果指导喷射实验参数的选择。刘兴玉[20]运用CFD软件对装置流场进行了数值模拟研究。结果表明转子侵入深度对流场产生影响，转子在实验装置中存在一个最佳侵入深度。可见，CFD方法的引入在一定程度上弥补了实际实验工作中的不足，可指导实验装置的开发及应用。

2 CFD方法在管道冲刷腐蚀研究中的应用

CFD作为一种实用的新型技术在许多行业都得到了广泛的应用，在冲刷腐蚀的预测分析方面有许多成功的例子。

J.Postlethwaite等[21]通过CFD方法评价了几种湍流模型在数值计算中的优缺点，但没有对冲刷腐蚀进行进一步模拟。Anthony等[22]应用 PHOENICS软件对U型管内两相流冲蚀进行数值模拟，考虑到湍流对固体粒子的影响，模拟中采用了涡流模型。预测出腐蚀最严重处位于 U形管内壁面流动正方向50°处。

张政等[23]应用CFD对固液（富氧）两相流冲刷腐蚀进行了研究，通过加入磨损模型、腐蚀模型、欧拉模型、拉格朗日颗粒随机轨道模型，建立了全面的固液两相流冲蚀模型。在考虑壁面氧化膜完全失去后得出结论，在材料失重的过程中腐蚀的作用远大于磨蚀作用。结果和文献中数据对比表明，构建的模型基本正确可行。说明CFD方法中建立的模型，得到了实际实验数据很好的验证。

阿拉伯石油公司天然气管道中广泛存在 Black Powder（FeS、Fe3O4， FeOOH、FeCO3等固体颗粒）。Ehab Elsaadawy等[24]应用Fluent6.3对弯管处的冲刷腐蚀进行了数值模拟研究，得出弯管的曲率越大，固体颗粒对腐蚀的影响越小；固体颗粒的几何尺寸越大形状越不规则，腐蚀越严重。

E. Mahdi等[25]对管道三通应用CFD软件进行了数值模拟得出：严重的腐蚀发生在高速流体流经管道入口时，产生的高强度湍流区。管道疲劳断裂的产生及发展和湍流的强度、压力的波动联系紧密。

刘勇峰等[26]应用CFD对管道弯管处进行了实验模拟。给出了最大剪切应力和最大含液率区域，说明气相介质速度越大，腐蚀越严重。对气井井下节流喷嘴建立了冲刷腐蚀的数学模型[27]，运用了SIMPLE算法求解方程，结果得出：喷嘴入口和后端处剪切应力较大，腐蚀比较严重。陈佳等[28]对管道三通处进行模拟，结果显示入口流体流速及粘度越大，腐蚀越严重；出口段的管径越大腐蚀越轻。可见 CFD方法可以指导实际管道的检测和结构的优化，从而减少事故的发生。

茅俊杰[29]通过对弯管和变径管进行数值模拟，结果揭示了气液两相流受冲刷腐蚀的规律：离散相（气泡）的体积分率分布是产生冲刷腐蚀的首要条件，壁面受剪应力大小与流速有关，流体流动速率的大小反映了腐蚀破坏规律。

丁矿等[30]基于CFD方法，分析了直角弯管的内部流动规律，利用UDF（用户宏定义功能）将冲蚀模型写成相应程序模块和CFD相结合。模拟结果显示流速、颗粒浓度和颗粒直径对最大冲蚀率有明显影响，其中，流速与最大冲蚀率呈指数增长关系。模拟结果导出图可以显示固体颗粒在直角弯管内的空间分布情况，可以预测出腐蚀较为严重区域。

3 总结和展望

将 CFD方法应用到管道的冲刷腐蚀研究和预测中是未来发展趋势，应用CFD方法对管道内的流体流动进行数值模拟研究，模拟实际中难以控制的腐蚀过程，经过计算得出速度场、温度场、压力场等变量的具体分布，在直观上有助于我们理解管道内冲刷腐蚀原因和机理。同时由计算结果得出腐蚀区域的分布规律，预测腐蚀严重部位，为管道内的防腐蚀工艺提供依据和指导。由于CFD方法依赖于计算机进行实验研究，具有成本低、省时、高效、模拟真实等优点，CFD必将在防腐蚀领域发挥更大的作用。

目前CFD技术及相关软件的发展还不够成熟，对于流体复杂的湍流作用，难以有很准确的物理模型相支持，因此对于研究者选择合适的模型很重要；应用软件的 UDF功能对固体颗粒的相关参数进行具体描述，如管壁内各区域的速度分布，可以提高模拟准确度；考虑近壁处流-固的耦合作用，要求研究更适应近壁效应的物理模型；CFD方法中只是考虑了物理因素作用对于腐蚀的影响，而流体中侵蚀性离子的存在如O、Cl等，其电化学因素对于腐蚀的影响也不容忽视。

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