流速和弯曲角度对弯头腐蚀行为影响仿真研究

2020-07-11郑斐邢少华何华高荣杰许立坤

装备环境工程 2020年6期

郑斐，邢少华，何华，高荣杰，许立坤

（1.中国海洋大学，山东青岛 266100；2.中国船舶重工集团公司第七二五研究所海洋腐蚀与防护重点实验室，山东青岛 266237；3.大连船舶重工集团设计研究院有限公司，辽宁大连 116000）

与钢质管路相比，铜镍合金管路具备更好的耐蚀和防生物污损特性，被广泛用于海水发电厂冷却管路、船舶海水管路、海水淡化处理装置等[1-5]。由于流动海水的强腐蚀性以及管路自身结构的原因，会影响管路的使用寿命，局部腐蚀穿孔时有发生，严重威胁着装置的安全可靠运行[6-7]。

弯头处容易形成湍流，特别是高流速状态，局部流速显著增加，导致局部腐蚀速率增加，是海水管路系统经常发生腐蚀泄漏的薄弱环节[8-11]。由于二次流的存在，使弯头不同部位的局部腐蚀速率存在显著差异，常规电化学测试仅能获得弯头平均腐蚀速率，难以测得局部腐蚀速率的变化。国内外研究者利用试验或者数值模拟的方法得到弯头内部流速场和压力场的分布，分析弯曲角度、弯径比和入口流速对管道内表面的影响[12-18]。Ikarashi Yuya 等人[12]采用平面和立体粒子图像测速技术研究了不同弯径比对90°弯管内的流速和湍流强度的影响，结果表明，流速和湍流强度随着弯径比的增加而增加。Liang Guang-chuan 等人[13]通过试验和仿真模拟研究了油砂浆液在X65 管道中的流动过程，获得了不同冲击角度下的流速和剪切力分布，得出冲击角大约为45°时冲刷腐蚀最严重的结论。邱立杰等人[14]利用FLUENT 软件模拟不同入口流速下弯管的内部流场和压力场的分布，指出速度的最大值都出现在弯管的内壁面，压力的最大值出现在弯管的外壁面。

目前弯头内部局部腐蚀以流速场或者压力场仿真分析为主，流速、弯曲角度对弯头腐蚀影响鲜见报道，导致对弯头腐蚀规律认识不清，特别是局部部位的冲刷腐蚀行为，制约了管路弯头腐蚀控制，影响管路系统的可靠性。文中采用试验与仿真相结合的研究手段，建立了弯头流动海水腐蚀仿真模型，仿真计算了不同弯曲角度和不同流速下弯头内部腐蚀速率的分布云图，分析了弯曲角度、流速和空间位置对弯头腐蚀速率影响，对控制弯头流动海水腐蚀具有重要的指导意义。

1 材料与试验方法

试验所用的铜镍合金材料为B10，材料的化学成分（质量分数）为：Ni 10%，Fe 1.16%，Mn 0.63%，Si 0.075%，Sn 0.05%，Zn 0.05%，S 0.01%，Cu 余量。将B10 材料加工成直径为10 mm 的试样，经环氧树脂封装后，用400、800、1000、1500 目的砂纸逐步打磨至表面光滑，安装在试样夹持装置上。动态海水腐蚀测试装置如图1 所示，旋转阀门通过观察流量计来控制管道内的流速变化，用导线将试样、参比电极和辅助电极与Ivium-N-Sart 型电化学工作站相连接，测试流动环境下金属材料的腐蚀曲线。

图1 动态海水腐蚀测试装置Fig.1 Dynamic seawater corrosion test device

试验所用介质为天然海水，工作环境温度为25 ℃，溶解氧含量为4.2 mg/L，pH 值为8.0。测试B10 试样在1、3、5 m/s 流速下的开路电位和动电位极化曲线。开路电位（open circuit potential，OCP）测试时间为7200 s，每隔2 s 取一个点。极化曲线测试扫描速率为0.333 mV/s，扫描范围为-0.5～0.5 V（vs.OCP），所用参比电极为氯化银电极，辅助电极为碳棒，工作电极为0.785 cm2的B10 试样。

2 多物理方程和边界条件

2.1 模型建立

通过Comsol 软件建立的弯管仿真模型如图2 所示，弯管弯度分别设置为30°、45°、90°，为了更好地表述，将管道划分为上游直管段、弯曲段和下游直管段三个部分[19]。管道直径（D）设置为54 mm，上下游管长均为15D，保证海水在进入弯头前，管道内流体达到稳定。为了提高计算的收敛性，在网格划分时，选用更利于收敛的四边形和六面体网格，网格剖分如图3 所示。

2.2 控制方程及边界条件

图2 弯管仿真模型Fig.2 Bend simulation model

图3 网格划分Fig.3 Grid generation: a) face mesh; b) volume grid

由于文中研究流速和弯曲角度对腐蚀影响，仿真模拟过程中忽略重力的影响。入口边界的流速分别为1、3、5 m/s，出口压力为0，管道壁面采用无滑移边界，近壁区使用标准壁面函数[20-21]。海水为不可压缩流体，采用“RANS k-ε”湍流模型计算弯头内部流速分布。模型控制方程包括Navier-Stokes 方程(1)，连续方程(2)和k-ε 湍流模型方程。

式中：ρ 为海水密度，kg/m3；p 为流体的时均压力，N/m2；F 为应力，N；u 为管道内的流速，m/s；μ 为动力黏度, N·s/m2。

k-ε 湍流模型中的湍流动能k 和湍流耗散率ε 由方程(3)和(4)确定。

动能生成项Pk为：

k-ε 双方程模型的常数分别为：Cμ=0.09，Cε1=1.44，Cε2=1.92，σk=1.0，σε=1.3。其中，σk和 σε是k方程和ε 方程的湍流prandtl 数。

对不同流速下B10 极化曲线进行Tafel 分析，得到不同流速下B10 材料腐蚀电流密度。根据式(6)计算腐蚀速率vcorr，利用 Comsol Multiphysics 软件中“插值”将腐蚀速率与流速拟合成曲线（见式(7)），作为整个管道腐蚀分布的边界条件。

3 结果和讨论

3.1 试验结果

B10 合金在洁净海水中不同流速下的动电位极化曲线如图4 所示。可以看出，在不同的流速下，B10在海水中的腐蚀电位逐渐负移，电流密度逐渐增加。这说明流速越高，B10 腐蚀速率越快。流速为1 m/s时，B10 材料表面形成较为致密的氧化层薄膜，阻碍氯离子向电极表面扩散，因此具有较小的腐蚀速率。随着流速的增加，传质扩散速度增加，B10 溶解速率大于表面成膜速度，导致B10 材料表面难以形成致密的氧化物保护膜，腐蚀速率显著增加。在数值模拟中，将测量得到的极化电流密度利用式(6)换算成等效的腐蚀速率，作为管道腐蚀变化的边界条件。

图4 不同流速下的极化曲线Fig.4 polarization curve at different flow rates

3.2 流速对弯头腐蚀影响

不同流速下，30°、45°和90°弯头腐蚀情况的分布如图5 所示。仿真结果表明，随着流速的增加，弯头腐蚀速率增加，内部腐蚀速率分布越不均匀。海水入口直管段，海水未受到弯曲段的影响，但由于边界层作用，横截面上中间流速较大，管壁流速较小。弯头入口处，腐蚀速率由内弯向外弯逐渐减小，内侧腐蚀速率大，外侧腐蚀速率较小。弯头出口处，恰好相反，外侧腐蚀速率大于内侧腐蚀速率。

图5 管道的腐蚀分布云图Fig.5 Corrosion distribution cloud chart of pipeline

弯头内、外侧的腐蚀速率沿弯曲角度θ 的分布如图6 所示。由图6 可知，流速越高，弯头的腐蚀变化越剧烈，且内外侧呈现不同的变化趋势。内侧的腐蚀速率比外侧变化明显，且局部腐蚀速率更大。在0°～5°弯头处，内侧腐蚀急剧增加，外侧腐蚀较小，是因为海水流动方向急剧转变，弯头内侧海水能量几乎为0，又受到相近海水的带动作用，使得流速急剧增加，腐蚀也随之增加。10°～15°弯头处，腐蚀速率已经增长到最大值，外侧基本保持不变，随后不同的弯头表现出不同的变化趋势。

低流速和高流速条件下，30°和45°弯头内侧腐蚀速率基本保持平稳。在3 m/s 流速下，流速随角度发生较大变化，腐蚀严重部位（超过0.1 mm/a）位于弯头内侧的入口部分，分别占整个弯头内侧的43%和57%。流速对90°弯头内侧腐蚀速率的影响比30°和45°弯头显著，在3、5 m/s 流速下，0°～5°部位腐蚀速率急剧增加，10°左右达到平稳后，持续到35°。这是因为海水在通过90°弯头时，由于受到外侧海水的横向压力，使得海水在管道中沿着管壁轴向流动的同时，还向弯管径方向流动，形成二次流。二次流加强了海水扰动，使得流动速度增加，腐蚀速率增加。35°～90°内侧流速逐渐降低，腐蚀速率逐渐减小。

外侧的腐蚀速率先减小后增大，1、3 m/s 条件下，弯头外侧腐蚀速率变化不大，最大值和最小值的差值在0.01 mm/a 左右。当海水流速达到5 m/s 时，沿弯头外侧管壁的流速增加，腐蚀速率变大，且随着弯曲角度的增大，出口腐蚀速率也逐渐提高。

3.3 弯曲角度对腐蚀影响

由图5 和图6 可知，弯曲角度对弯头腐蚀速率有

较大影响，主要腐蚀区域发生在弯头内侧入口和外侧出口处，但内侧的腐蚀更严重。内侧的局部腐蚀速率受流速和弯度的共同影响，5 m/s 时，30°、45°、90°弯头最大腐蚀速率分别为0.1295、0.1324、0.1325 mm/a，相对于直管段入口管壁的腐蚀速率分别增加了43.9%、47.1%、47.2%。同时，30°、45°、90°管道的最大腐蚀速率值分别出现在9°、12°、15°，表明弯度越大，峰值越大，且越往后移，但流速对最大腐蚀速率位置无影响。图7 表明，在同一流速下，小弯度的管道具有较小的腐蚀峰值，而45°和90°弯管具有较大的腐蚀峰值。