海水管路沖刷腐蝕數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

陳艷，黃威,，董彩常

（1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590；2.鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所，山東 青島 266071）

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海水管路沖刷腐蝕數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

陳艷1，黃威1,2，董彩常2

（1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590；2.鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所，山東 青島 266071）

分析了海水管路沖刷腐蝕主要影響因素，總結(jié)了國內(nèi)外學(xué)者在海水管路沖刷腐蝕數(shù)值模擬方面的研究成果，并在此基礎(chǔ)上對(duì)海水管路沖刷腐蝕數(shù)值模擬研究方向作出了展望。隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，有效地結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對(duì)海水管路沖刷腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行研究，可以更好地預(yù)測海水管路沖刷腐蝕發(fā)生的部位及腐蝕速度。

海水管路；沖刷腐蝕；數(shù)值模擬

近年來，隨著海洋資源的大力開發(fā)，“海洋強(qiáng)國”戰(zhàn)略逐步實(shí)施[1]，海水的利用越來越受到人們的重視。隨之而來的是一系列的腐蝕問題，如船舶、電廠、石油化工等領(lǐng)域的海水管路在運(yùn)行過程中受到海水嚴(yán)重的腐蝕[2]，大大降低了相關(guān)設(shè)備的工作壽命，甚至導(dǎo)致其無法正常工作[3]。2015年12月23日，湖濱北路金橋路地下排氣閥井的部分海水管路由于長時(shí)間與海水接觸，鋼管材質(zhì)的海水管路遭到腐蝕穿孔，在海水巨大的壓力下管路破裂，地面冒水，給人們的正常生活造成了比較嚴(yán)重的影響。

海水管路沖刷腐蝕大多發(fā)生在三通、法蘭接頭以及管道彎頭處[4]，由于流體形態(tài)的急劇變化使得這些部位比較容易遭到嚴(yán)重的沖刷腐蝕，而目前對(duì)于解決海水管路沖刷腐蝕的技術(shù)措施較少。因此，開展海水管路沖刷腐蝕數(shù)值模擬的研究，進(jìn)而提出相關(guān)的技術(shù)解決措施，對(duì)于保證海水管路的安全正常使用具有比較重要的意義[5—6]。

1　影響海水管路沖刷腐蝕的主要因素

1.1流體流速、流態(tài)的影響

流體的流速對(duì)海水管路的沖刷腐蝕起著重要作用，流體的流速大小可以決定海水管路的沖刷腐蝕程度：低流速時(shí)，流體對(duì)管路的沖刷腐蝕程度較低；高流速時(shí)，流體對(duì)管路的沖刷腐蝕程度較大[7—10]。反過來，由于海水管路沖刷腐蝕情況的改變，導(dǎo)致海水管路內(nèi)部形狀發(fā)生改變，進(jìn)而影響流體的流速和流態(tài)，沖刷腐蝕較嚴(yán)重的地方會(huì)形成凹陷等局部特征，此處的流體流速、流態(tài)會(huì)發(fā)生變化[11—12]。揚(yáng)帆針對(duì)不同流速下的銅鎳合金保護(hù)膜進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示：低流速（2 m/s以下）情況下，銅鎳合金表面的保護(hù)膜比較完整；高流速下，銅鎳合金表面的保護(hù)膜被破壞[13]。特別是在海上使用的設(shè)備，流速大小對(duì)設(shè)備中管路的沖刷腐蝕影響更加明顯[14]。美國沖刷腐蝕研究中心(Erosion/Corrosion Research Center)針對(duì)不同情況下油氣的開采進(jìn)行了研究，點(diǎn)蝕形成時(shí)會(huì)有一個(gè)最低的臨界速度，強(qiáng)烈的沖刷腐蝕產(chǎn)生時(shí)會(huì)有一個(gè)最高的臨界速度，流體流速在兩個(gè)臨界流速之間時(shí)設(shè)備才能更好地工作[15]。

1.2流體攻角的影響

顆粒速度方向與試樣表面形成的夾角就是攻角，而不同材料的沖刷腐蝕程度會(huì)在不同的攻角處出現(xiàn)極大值[16]。Heitz通過對(duì)列管式換熱器的研究表明，當(dāng)管道直徑是彎管半徑的1/2～1/4時(shí)管道受到的沖刷腐蝕率最小，流速的方向與設(shè)備壁面的夾角最好小于10°。1983年，Benchaita通過對(duì)顆粒撞擊材料的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，材料會(huì)產(chǎn)生變形并形成沖蝕坑，顆粒的入射角度和速度對(duì)材料的變形及沖蝕坑大小影響巨大[17]。罔良等人針對(duì)工業(yè)純鐵在不同pH值砂漿中沖刷腐蝕速率隨沖擊角變化的情況的研究結(jié)果表明：工業(yè)純鐵沖刷腐蝕質(zhì)量損失率最大時(shí)的沖擊角為40°，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合[18]。

1.3顆粒性質(zhì)的影響

顆粒的硬度對(duì)于海水管路的沖刷腐蝕影響巨大，顆粒的硬度越大，海水管路受到的沖刷腐蝕就越嚴(yán)重[19]。多角粒子的切削作用比圓形粒子的切削作用大，因此，多角顆粒比圓形顆粒對(duì)管路的沖刷腐蝕影響更加嚴(yán)重[20]。John.Postlethwaite的研究表明，當(dāng)管道發(fā)生沖刷腐蝕后，管流中不含懸浮顆粒時(shí)金屬的沖刷腐蝕率為3～15 mm/a；當(dāng)管流中含有懸浮顆粒時(shí)，管流中的沖刷腐蝕率提高300 mm/a左右[21]。Tanable亦表明，管流中的沖刷腐蝕率隨著含砂粒徑和含砂量的增大而增大[22]。Postlethwaite及Nesic的研究表明，顆粒的表面粗糙度對(duì)沖刷腐蝕也有重要的影響。Clark對(duì)相同粒徑和濃度的石英砂及玻璃珠進(jìn)行研究，結(jié)果表明：球形顆粒和非球形顆粒在對(duì)試樣的沖刷腐蝕程度上有明顯差異，石英砂對(duì)試樣造成的沖刷腐蝕率是玻璃珠的2倍多。Hector Mcl·Clark針對(duì)實(shí)際情況，研究了顆粒尺寸、顆粒密度等對(duì)沖刷腐蝕速率的影響[23]。Zheng的研究表明，流體中的含沙量低于臨界值時(shí)，試樣的沖刷腐蝕率隨含沙量的增加而增大，流體中的含沙量高于臨界值時(shí)，試樣的沖刷腐蝕率達(dá)到穩(wěn)定后不再隨含沙量的變化而變化[24]。

1.4外部環(huán)境因素的影響

外部環(huán)境因素主要包括海水的pH值、溶解氧、含鹽量、溫度和管路的材料性質(zhì)等。pH值不同，海水對(duì)金屬管路的腐蝕率不同。海水pH較小時(shí)，金屬的腐蝕以氫離子去極化為主；海水pH較大時(shí)，金屬的腐蝕以氧去極化為主。

海水中含有大量的溶解氧和氯鹽，會(huì)破壞海水管路中金屬的氧化膜，加速海水管路的腐蝕。海水中的溶解氧隨海水溫度升高而降低[25]，海水溫度的變化關(guān)系到溶解氧含量的多少，進(jìn)而影響金屬表面氧化膜的形成和金屬的鈍化能力，從而使海水管路的腐蝕率發(fā)生變化。溶解氧的存在加速了金屬的腐蝕，除去水中的溶解氧，金屬的腐蝕率會(huì)大大降低。海水中的含鹽量越多，海水導(dǎo)電率越大。海水的氯鹽會(huì)增加海水的導(dǎo)電率，從而加速了海水管路的腐蝕進(jìn)度。

海水管路的抗沖刷腐蝕能力與金屬的材料有極大的關(guān)系[26—27]，海水管路一般為金屬性材料，含有多種金屬，而這些金屬的電極電位又各不相同，具有不同電極電位的兩種（或兩種以上）金屬接觸時(shí)容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕[28—30]。

2　海水管路沖刷腐蝕數(shù)值模擬現(xiàn)狀及意義

2.1國外的研究情況

國外對(duì)海水管路沖刷腐蝕數(shù)值模擬研究比較早。星野明彥、松村昌信、岡良則、Y.M.Chabg、C.H.Pitt、及B.W.Madsen研究了各項(xiàng)流體參數(shù)對(duì)試樣沖刷腐蝕的影響，同時(shí)進(jìn)一步研究了沖刷和腐蝕交互作用對(duì)試樣的影響[31]。Mastsumura進(jìn)一步研究了流體動(dòng)態(tài)情況下沖刷和腐蝕的協(xié)同效應(yīng)，流動(dòng)沖刷腐蝕總的質(zhì)量損失為：W=WE+WC+WEC+WCE，在含有固體顆粒的流動(dòng)體系中，沖刷腐蝕的協(xié)同效應(yīng)對(duì)試樣的影響最大[31]。Stack M M 和Abdelrahman S M通過有限元思想結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)方法，在水環(huán)境中針對(duì)不同顆粒濃度對(duì)Fe的沖刷腐蝕影響，進(jìn)行了模擬研究。研究表明：隨著顆粒物濃度的增加，試樣表面的沖刷腐蝕速度逐漸增大，并且試樣表面逐漸由以腐蝕為主向以沖刷為主轉(zhuǎn)換。在質(zhì)量流速度較高的情況下，試樣受到的沖刷腐蝕較嚴(yán)重[32]。Stack M M和Abdulrahman G H.針對(duì)原油生產(chǎn)過程中低碳鋼管路的腐蝕性能進(jìn)行研究，隨著低碳鋼管路在油和水的環(huán)境中暴露，管路的沖刷腐蝕要比水溶液中的沖刷腐蝕嚴(yán)重。不同沖擊角下的沖擊速度和應(yīng)用潛能會(huì)決定沖刷腐蝕圖的變化， 沖刷腐蝕圖顯示出了油水環(huán)境中沖刷腐蝕間的重要轉(zhuǎn)換[33]。Telfer C G，Stack M M和Jana B D通過研究水環(huán)境中Fe，Al，Ni，Cu等多種金屬因顆粒濃度和粒徑的改變而表現(xiàn)出不同的沖刷腐蝕現(xiàn)象[34]。針對(duì)水平管路的沖刷腐蝕作用，Ehme用兩相流模型建立數(shù)學(xué)模型，得出以下結(jié)果：當(dāng)流體處于層流狀態(tài)時(shí)，管壁受到的沖刷腐蝕較輕，當(dāng)流體處于湍流狀態(tài)時(shí)，管壁受到的沖刷腐蝕較嚴(yán)重[35]。Zeisel和Durst及Nesic和Postlethwaite用計(jì)算流體力學(xué)的方法來研究流體的沖刷腐蝕現(xiàn)象，采用數(shù)值計(jì)算方法，利用計(jì)算機(jī)建立與之相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，模擬電極表面近壁處的流體力學(xué)行為，運(yùn)用固液兩相流模型進(jìn)行數(shù)值模擬，利用k-ε模型計(jì)算流體在突然收縮和突然擴(kuò)張條件下的流場對(duì)試樣的沖刷腐蝕量[35]。

國外的學(xué)者們針對(duì)單個(gè)因素（顆粒性質(zhì)、流體參數(shù)和環(huán)境因素），運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)的方法，可以很好地對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行模型簡化，進(jìn)行數(shù)值模擬研究。目前針對(duì)具體問題，還不能整體考量這些影響因素，從而無法對(duì)沖刷腐蝕結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷和預(yù)測，這是下一步應(yīng)該解決的問題。

2.2國內(nèi)的研究情況

國內(nèi)對(duì)海水管路沖刷腐蝕的研究還不全面，對(duì)管道內(nèi)的沖刷腐蝕研究建立的數(shù)學(xué)模型，大多局限于兩相流。郭烈錦、李廣軍等針對(duì)水平管、垂直管、螺旋管的流體特性的狀況，分別建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，并給出層流和湍流相互轉(zhuǎn)化的特征與條件[36—37]。趙會(huì)有針對(duì)不同鋼材在漿體中沖刷腐蝕的影響因素（pH值、流速）作了深入研究，通過分析研究不同pH值、流速下鋼材的沖刷腐蝕程度，得出pH值、流速和鋼材的沖刷腐蝕程度之間的三維關(guān)系[35]。北京化工大學(xué)通過數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，根據(jù)流體的不同狀態(tài)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性[35]。林玉珍通過碳鋼在3.5%NaCl溶液中層流狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)研究，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法對(duì)碳鋼表面的沖刷腐蝕狀況進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，由于電化學(xué)因素與流體力學(xué)因素的協(xié)同作用導(dǎo)致了碳鋼在3.5%NaCl溶液中腐蝕程度加大[38]。雍興躍用k-ε湍流模型并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)在一定流速下的3.5%NaCl溶液中碳鋼的沖刷腐蝕進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，研究表明，電化學(xué)因素與流體力學(xué)因素的協(xié)同作用對(duì)碳鋼的沖刷腐蝕起到?jīng)Q定性作用，計(jì)算出碳鋼的沖刷腐蝕程度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符[39]。權(quán)曉波結(jié)合流體力學(xué)參數(shù)，運(yùn)用湍流模型、N-S動(dòng)量方程，對(duì)不同狀態(tài)下的突擴(kuò)管進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)吻合[40]。胡志偉用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)Tayler實(shí)驗(yàn)彎管內(nèi)的三維流場進(jìn)行了研究，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符：針對(duì)彎管而言，在彎管前段，管道內(nèi)的流速是對(duì)稱分布的，在彎管處，流體截面處最大流速位置在彎管內(nèi)側(cè)；二次流速度的大小及分布與試驗(yàn)結(jié)果吻合[41]。

學(xué)者們通過多次實(shí)驗(yàn)與模擬研究分析，更加深刻了解了各個(gè)因素對(duì)海水管路的沖刷腐蝕影響，但沖刷腐蝕模型比較粗陋，數(shù)值模擬不能模擬主要因素同時(shí)作用下海水管路的腐蝕情況。

2.3數(shù)值模擬的意義

隨著計(jì)算機(jī)相關(guān)計(jì)算軟件的廣泛使用，計(jì)算流體力學(xué)可廣泛用于各種流體的繞流分析，在航天、橋梁及土木工程領(lǐng)域已有很大的發(fā)展。運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，設(shè)置Fluent參數(shù)，得出計(jì)算結(jié)果，與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合[42]，同時(shí)計(jì)算流體力學(xué)正逐步被用來對(duì)沖刷腐蝕問題進(jìn)行數(shù)值模擬。對(duì)于液固兩相流算例，用Fluent軟件中的離散模型對(duì)彎管、三通等處的流體進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬出該處的流場，得到速度云圖和腐蝕情況[43]。對(duì)于海水管路的沖刷腐蝕問題，利用Fluent等計(jì)算流體力學(xué)軟件，通過輸入流體力學(xué)參數(shù)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行數(shù)值模擬。掌握實(shí)際情況下的沖刷腐蝕情況，進(jìn)而可以對(duì)海水管路沖刷腐蝕較嚴(yán)重的區(qū)域作出預(yù)測。綜上所述，運(yùn)用CFD等計(jì)算流體力學(xué)，以數(shù)值模擬軟件為工具對(duì)管道流場進(jìn)行計(jì)算，得出管道腐蝕程度最大位置，與實(shí)際情況相比較，從而對(duì)管道的沖刷腐蝕起到預(yù)測作用，有利于對(duì)管道防腐防工作的開展[44]。

3　結(jié)語

大多數(shù)數(shù)值模擬研究都側(cè)重于研究單方面因素（如流速、攻角、顆粒性質(zhì)、溫度或pH值等）對(duì)海水管路沖刷腐蝕的影響，實(shí)際情況下，海水管路的沖刷腐蝕是多方面因素導(dǎo)致的。目前所進(jìn)行的試驗(yàn)研究或數(shù)值模擬還不能考慮所有因素。就目前情況來說，對(duì)海水管路沖刷腐蝕的研究主要包括以下三種情況：試驗(yàn)?zāi)M研究、數(shù)值模擬研究及兩者相結(jié)合的研究，而將數(shù)值模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的方法能更準(zhǔn)確、快捷地預(yù)測出腐蝕部位及腐蝕程度。因此，后續(xù)的沖刷腐蝕數(shù)值模擬研究方向還需要充分考慮多方面因素的共同影響，并充分結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，從而使模擬結(jié)果與實(shí)際情況更加接近。

針對(duì)文中所述情況，對(duì)于海水管路沖刷腐蝕數(shù)值模擬的研究可以從下面兩個(gè)方面入手。

1）CFD建模。用試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)建立系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，通過CFD軟件建模對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行數(shù)值模擬，其結(jié)果與數(shù)據(jù)庫對(duì)照，可以通過改變模型參數(shù)使數(shù)值模擬更加符合試驗(yàn)情況。

2）完善模型。現(xiàn)在的數(shù)值模擬所用模型比較粗陋，對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行簡化、建立模型時(shí)只能考慮主要因素，不能綜合考慮沖刷腐蝕因素對(duì)海水管路的影響。

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Research Status of Numerical Simulation of Erosion Corrosion in Seawater Pipeline

CHEN Yan1,HUANG Wei1,2,DONG Cai-chang2
(1.Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China;
2.Qingdao Marine Corrosion Research Institute,Qingdao 266071,China)

This paper analyzed the main influencing factors of erosion corrosion in seawater pipeline,and summarized the results of studies on numerical simulation of erosion corrosion of seawater pipeline from scholars at home and abroad,and prospected the direction of research on numerical simulation of erosion corrosion,by referring to the seawater pipeline erosion corrosion research data about the ship,electric power and other industrial fields in recent years.With the development of computational fluid dynamics,the experimental data and numerical simulation were effectively combined to study the erosion corrosion in seawater pipeline,which can better predict the corrosion site and the corrosion rate of seawater pipeline.

seawater pipeline;erosion corrosion;numerical simulation

2016-05-09；Revised：2016-06-28

10.7643/issn.1672-9242.2016.04.008

TJ07；TG172.5

A

1672-9242(2016)04-0048-06

2016-05-09；

2016-06-28

陳艷（1976—），女，博士，主要從事結(jié)構(gòu)可靠度及風(fēng)險(xiǎn)分析。

Biography：CHEN Yan(1976—),Female,Ph.D.,Research focus:structural reliability and risk analysis.