机坪输油管道冲刷腐蚀研究

康俊鹏

（陕西能源职业技术学院 建筑工程学院，陕西 咸阳 712000）

冲刷腐蚀通常是指由于腐蚀流体和金属表面相对运动而使金属表面发生腐蚀破坏的现象。在机坪输油管道系统运行过程中，一方面航空燃油在一定的压力和流速下沿管网系统流动，此时不可避免地会对管道系统产生磨损，尤其在管道拐弯或燃油流向发生急剧变化处（如90°弯管或T型管），管道磨损更加明显；另一方面由于活性硫和微生物等腐蚀介质的存在[1]，航空燃料具有一定的腐蚀性。因此在伴有磨损的腐蚀条件下，机坪输油管道有可能会发生冲刷腐蚀从而影响整个系统的使用寿命。

1 冲刷腐蚀过程分析

1.1 冲刷腐蚀机理

冲刷腐蚀，又称流动加速腐蚀是一个紊流冲刷和化学腐蚀协同作用的失效过程，该过程与单纯的化学腐蚀或者单纯的磨损有很大的不同，腐蚀行为和冲刷作用相互促进[2]。在腐蚀性环境中管材的金属氧化膜表面容易产生可溶性的亚铁离子，亚铁离子的扩散受到浓度梯度的影响，而冲刷作用的存在加速亚铁离子的扩散作用，从而加快了管道的腐蚀进程。因此该过程下的腐蚀速率绝不是两者的简单相加，而应将紊流冲刷和腐蚀作为一个系统来综合考虑和研究。

1.2 冲刷腐蚀主要影响因素

冲刷腐蚀实际上是材料表面的保护层溶解到流体中的过程，该过程受到多种因素的影响。结合国内外的文献，目前已经确定的影响管道冲刷腐蚀的关键因素有：流体的流速、管道的结构、流体中的第二相、流体的流动状态、金属的表面保护膜以及金属材料的表面硬度等[3]。

流速对冲刷腐蚀的影响最为直接。一般来说，流体的流速越大，管道的冲刷腐蚀速率越大。开始时，在低流速的状态下腐蚀速率随着流速缓慢增加，这是因为该阶段亚铁离子从金属表面迁移到溶液中是主要控制过程，增加液体的流动速度会降低金属膜表面的腐蚀产物浓度，从而加快了亚铁离子的传质速率，进而使得金属的腐蚀速率增加，但该过程主要以金属的均匀腐蚀为主；在高流速的条件下，流体剪切力大到可以破坏金属表面的氧化膜，因此不仅均匀腐蚀严重，而且管材表面的局部腐蚀现象也随之增加，在该流速条件下，腐蚀速率随着流速急速上升。在低流速的状态下，腐蚀主要受传质过程所控制，而在高流速情况下，腐蚀受力学作用与电化学过程控制[4]。

机坪输油管道系统运行过程中发现，管道弯头、变径管、三通等部件的冲蚀磨损最为严重，这是因为这些管道部件的尺寸和形状直接影响着流体的流动和方向，加剧了流体的湍流程度，使流体介质流动出现局部旋涡，从而使管道部件受到更严重的冲刷腐蚀。

通常当管道内存在气泡时，金属管道的腐蚀程度会加剧。一方面在高速流体中，气泡对管道的冲击力不仅会破坏金属表面原有的氧化膜，有时还会使材料的机体受到损伤从而造成金属管材严重的腐蚀破坏；另一方面流体中存在气泡会改变流体的流型，加剧了管道内液体的紊流程度，从而进一步加速了腐蚀进程的进行。此外，管道内流体的流动状态也对管材的冲刷腐蚀速率有很大的影响，与层流相比，湍流增加了流体与材料之间的剪切应力，同时加剧了金属表面周围的液体的搅动程度，腐蚀破坏程度更加严重[5]。

2 冲刷腐蚀模型的建立

机坪输油管道系统中的90°弯管、T形管是最常使用的管道附件。这些管道附件会造成流体流向和速度的变化，造成管道附件局部涡流的产生，因此也是冲刷腐蚀情况最严重的地方。本文就机坪输油管道系统中常见的易腐蚀管件如90°弯管和T形管的冲刷腐蚀问题展开讨论，采用ANSYS 3.0软件中Fluent模块进行数值模拟，计算在不同的入口速度下的冲蚀减薄规律和特点，从而解释腐蚀的破坏程度。

2.1 几何模型的建立

本文所建立的90°弯管的几何模型如图1所示。其中水平管长H=2.5m，垂直管长V=2m，管径D=0.3m，弯径比R/D=1.5。

图1 90°弯管几何模型图

T型管的几何模型如图2所示。其中T型管的水平管长L=5m，垂直段管长H=2m，且主管和分支管的直径相等，D=0.3m。

图2 T型管几何模型图

2.2 参数设置及边界条件

本文采用标准k-ε模型，压力速度耦合采用通用SIMPLE方法，扩散项采用二阶迎风差分格式，其余各项采用默认离散格式求解。其中航空煤油的密度ρ0=790kg/m3，动力黏度μ=0.012kg/m·s，油品中的含水率为η=30mg/kg，油品中水滴粒径d=20μm。入口采用速度边界条件，出口采用压力边界条件，航油的入口流速选取υ=1m/s。

3 模拟结果分析

3.1 90°弯管模拟结果分析

1）腐蚀速率的分布。

流体在管道内的流场非常复杂，尤其在弯管处，流体的速度和压力都发生明显的变化，由图3、图4可知，流体还没有进入弯头时，管道断面上的压力呈均匀分布，流体进入弯头后，在靠近内侧处，压力先减小后增大，在靠近外侧处压力先增大后减小，弯头断面上内外壁压差在弯头弯曲的顶点部位达到最大，最后当流体流出弯头时，管道断面上的压力又重新呈现均匀分布。另外从弯头速度分布图可以看出，速度与压力呈现相反的梯度分布，在靠近内侧处，速度先增大后减小，在靠近外侧处，速度先减小后增大。

图3 油品在弯管中的压力分布图

图4 油品在弯管中的速度分布图

这是因为当流体进入弯头时，流体流向发生改变，沿断面有较大的离心力，在离心力的作用下，对弯头外侧形成挤压作用，对弯头内侧形成牵引作用，压力沿离心力方向逐渐增大。而根据伯努利方程，同一流线上各点的单位质量流体的总比能是唯一的常数，即沿流线某些能量有所增加，必定有其他能量在减少。因此，在比压能增加的地方动能减少，而比压能减少的地方动能增加。

由于在弯头外侧其动能极大程度转化成了比压能，从而导致液体作用于在这一区域压力最大，对弯头壁造成的冲击力也最大，容易造成腐蚀产物膜的破坏，使管壁的金属材质再一次暴露在腐蚀介质中，加快了化学和电化学的速度，使腐蚀进一步恶化，形成冲击腐蚀。腐蚀速率如图5所示。

2）速度变化对冲蚀结果的影响。

图5 壁面受冲蚀速率分布图

当所选取的模型和管段的其他参数不发生变化，流速分别取1.0m/s、2.0m/s，3.0m/s，4.0m/s，5.0m/s时的模拟结果如表1所示。

表1 90°弯管模拟结果表

由表1可知，当管径不变，入口流速从1m/s增大到5m/s时，管路的冲蚀速率逐渐增大。当管路中燃油流速充分大时，即达到5m/s时，管材的冲刷腐蚀量处于mm/a的数量级。

3.2 T型管模拟结果分析

当主管和分支管的直径D=300mm，且主管入口处的流速为1m/s时，T形管的模拟结果如图6、图7、图8所示。

由图6～图8可知，在T型管中，流体流速和压力的最大值出现在分支管和主管的连接处，且此时由于液体对于管材的不断的冲击，使得分支管入口处的冲蚀速率最大，冲刷腐蚀程度严重。当逐渐增大主管入口处燃油的流速，管材的冲刷腐蚀规律如表2所示。

图6 T型管流体速度分布图

图7 T型管流体压力分布图

图8 T型管腐蚀速率分布图

表3 -2 T型管模拟结果图

由表2可知，当T型管的管径不发生变化，主管入口处燃油的流速逐渐增大时，分支管入口处的冲刷腐蚀速率也逐渐增大；且当主管的流速达到5m/s时，管材的冲刷腐蚀量为10～4mm/a数量级。

4 结语

机坪输油管道系统运行过程中，出于管道运行安全的考虑，输油管道系统所采用的L245钢管在整个运行周期内壁厚的磨损量不能大于1mm，由于航油机场供油管线的设计寿命一般为50～60年，且管材最大的冲刷腐蚀量10～4mm/a，因此在整个机场供油管线使用寿命周期内管材的总冲刷腐蚀量为，远小于1mm。因此尽管输油管道中的燃油会对管道产生冲蚀磨损，但其壁厚仍能够满足设计运行需求。