油氣輸送管道多相流磨損腐蝕的研究現狀與進展

吾蘭·巴克達什，劉建國，李自力，胡宗武，祁明華，張超

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油氣輸送管道多相流磨損腐蝕的研究現狀與進展

吾蘭·巴克達什1,2，劉建國1,2，李自力1,2，胡宗武1,2，祁明華1,2，張超1,2

（1.山東省油氣儲運安全省級重點實驗室，青島市環海油氣儲運技術重點實驗室，山東 青島 266580；2.中國石油大學 儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580）

介紹了金屬管道在多相流環境中磨損腐蝕的研究近況，并從材料因素、流體力學因素、多相流因素分析了多相流金屬管道磨損腐蝕的影響機制。從實驗研究和數值模擬研究兩方面介紹了目前多相流金屬管道磨損腐蝕的研究方法，對目前油氣輸送中多相流磨損腐蝕的防護措施進行了總結，并對多相流金屬管道磨損腐蝕的研究進行了展望。

多相流；磨損腐蝕；計算流體動力學

多相物體在體系中的流動稱為多相流。多相流通常分為兩相流、三相流、四相流等，如氣液兩相流、油氣水三相流、油氣水砂四相流。多相流混輸是一種經濟的油氣輸送方式[1]，但在油氣儲運過程常常會出現多相流介質對金屬管道造成嚴重磨損腐蝕的現象，因為由油氣水等多種介質組成的多相流流動狀態不穩定，極易對金屬管道造成磨損腐蝕，從而影響管道的使用壽命[2]。磨損腐蝕是指磨損與腐蝕的重復過程[3]，微觀上磨損腐蝕具體可以分為磨損和腐蝕，磨損指的就是金屬管道的力學損傷，而腐蝕指的是金屬管道的電化學損傷。按照介質的不同[4]，磨損腐蝕分為單相流磨損腐蝕、雙相流磨損腐蝕、多相流磨損腐蝕等。近年來，由于金屬磨損腐蝕而造成的管線破壞事故頻頻發生，磨損腐蝕逐漸成為油氣儲運系統發生穿孔泄露的的主要原因之一[5]。文中從研究方法、影響機制、防護措施等方面分析了多相流磨損腐蝕的研究進展，并提出了展望。

1 研究方法的現狀與進展

隨著石油與天然氣工業的飛速發展，油氣輸送管道多相流磨損腐蝕的研究方法越來越多，目前國內外多相流磨損腐蝕的研究方法主要有兩種：實驗研究和數值模擬研究[6]。

1.1 實驗研究

油氣輸送管道工程中，由于多相流磨損腐蝕等關鍵問題很難得到理論解析結果，因此需要借助于實驗研究方法[7]。目前國內多相流金屬管道磨損腐蝕的研究在實驗研究方面取得了一定成果。多相流磨損腐蝕的實驗研究方法主要包括失重法、電化學測量法、絲束電極法和形貌觀察法等。

失重法操作簡單、直接，容易實現，因此在磨損腐蝕研究中應用最為廣泛，但其實驗周期較長。

電化學測量法[8—9]主要包括電化學噪聲譜測量、極化曲線測量、阻抗譜測量等。通過電化學方法既可以測定磨損腐蝕速率的大小，又可以深入地研究磨損腐蝕的機制。電化學測量的測量周期短。由于電化學特征在管道內壁是不均一的，因此通常采用絲束電極[10]，其主要是由有一系列規則排列的金屬絲束截面組成的復合電極。現階段，絲束電極法已廣泛用于多相流磨損腐蝕的研究領域[11]。使用該方法比傳統的電化學測試更適合表征局部腐蝕的分布。

腐蝕形貌觀察[12]是利用掃描電鏡（SEM）、表面光度儀、透射電鏡（TEM）、光學顯微鏡、X射線光電子能譜（XPS）等技術對磨損腐蝕后的金屬試片、微觀組織結構和腐蝕產物等進行形貌觀察，用來確定金屬磨損腐蝕的損傷特征現象。

最新出現的實驗研究方法有激光測速法，適合于擾流條件下的磨損腐蝕實驗。還有Mclaury，Santos等學者[13—14]針對多相流彎曲管道的磨損腐蝕行為展開實驗研究，利用厚度測量等方法測得了沖刷速率。

實驗過程中采用的研究裝置主要有旋轉式裝置、噴射式裝置和管流式裝置等[15]。

1.2 數值模擬研究

數值模擬是研究多相流金屬管道磨損腐蝕的主要研究方法之一。數值模擬計算的整個過程主要包括建立模型、網格劃分、數值計算等三大步驟，通過數值模擬計算，可得管道中流體速度場、溫度場、固體顆粒和磨損腐蝕區域的分布[16]，預測磨損腐蝕。數值模擬工作的優點是耗費較少，花費時間短[17]，缺點是對其結果的準確性還需要經過實驗驗證。多相流的數值模擬通常使用FLUENT等成熟的CFD軟件[18]。現在有兩種典型的處理多相流的數值計算研究方法[19]：歐拉（Euler）-拉格朗日（Lagrange）方法和歐拉（Euler）-歐拉（Euler）方法。離散相（DPM）模型是在單相流的基礎上發展起來的，適合做多相流金屬管道磨損腐蝕模擬的數值模擬計算方法，通過DPM模型，可以對金屬管道的侵蝕率進行數值計算。

2 磨損腐蝕的影響機制

多相流金屬管道磨損腐蝕的過程復雜[20]，其影響機制[21]主要包括材料因素、流體力學因素、多相流因素和腐蝕因素等。

2.1 材料因素

材料因素包括材料的力學性能，材料的組織結構和合金元素的影響。材料的力學性能影響還包括機械強度、硬度、殘余應力、彈性模量等。金屬材料硬度對沖蝕率的影響也不容小覷，但是材料硬度與抗腐蝕能力并不呈正相關關系，材料的抗腐蝕性通常在合適的強度范圍內才能發揮作用[22]。材料的組織結構[23]對磨損腐蝕的影響不可忽視。在強磨損-弱腐蝕工況條件下，馬氏體具有較高的硬度，因而具有良好的耐磨蝕性；而在強腐蝕-弱磨損工況條件下，奧氏體則具有較高的耐蝕性，因而具有良好的耐磨蝕性[24]。材料中合金元素、雜質元素會影響材料的磨損腐蝕特征。材料中加入鉻，有利于耐磨性的提高，并易于形成鈍化膜[24]。材料中加入鎳會提高材料耐蝕性，但在強磨損-弱腐蝕的工況下，過量鎳的加入會使基體硬度下降，反而導致耐磨蝕性下降[24]。在強磨損-弱腐蝕條件下，含碳量的增加有利于材質耐磨蝕性的提高，但在弱磨損-強腐蝕條件下，含碳量的增加則不利于材質耐磨蝕性的提高[24]。硅的加入可使材質表面形成致密的鈍化膜，提高材質耐磨蝕性，但同時會導致材料的脆性增加[24]。

2.2 流體力學因素

大量實證研究表明，流速與多相流金屬管道磨損腐蝕情況呈正相關關系[25—26]。研究學者們以為：無論是垂直放置還是水平放置，沖刷角度的不同，對多相流管道腐蝕的影響也不同[27]。根據鄭玉貴[28]等研究的磨損腐蝕的影響機制，可知金屬管道的磨損腐蝕隨沖刷角度的變化較為復雜，在液/固雙相流沖刷腐蝕條件下，延性材料在低速條件下最大沖蝕率發生在90°處，在高速條件下沖蝕率出現兩個極大值（30°~60°和90°）。

影響金屬管道磨損腐蝕的固相顆粒的主要參數[29]包括溶液中顆粒的濃度、形狀大小、硬度和鋒利度等。隨著顆粒濃度的增大，磨損腐蝕速率也會變大，但是在高濃度溶液條件下，因為顆粒之間的屏蔽效應[30]，金屬的磨損腐蝕速率會有所減小。顆粒粒徑、顆粒硬度與磨損腐蝕速率呈正相關關系。多角顆粒往往比圓形顆粒造成更大的沖刷腐蝕[28]。

2.3 多相流因素

流動狀態對多相流金屬管道磨損腐蝕也有較大的影響[31]，而流態本身與流速、介質、管道的幾何形狀等等因素有關。多相流體的流動狀態主要有分層流、湍流、段塞流等[32]，不同的流動狀態有不同的磨損腐蝕規律[33]：在層流狀態下，流體對金屬管道的剪切應力較小，因而磨損腐蝕效率較低；在湍流狀態下，隨著流體對金屬管道的剪切應力不斷增大，磨損腐蝕效率不斷增強，從而促進磨損腐蝕；高速紊流狀態的段塞流，會對管壁產生強烈的磨損腐蝕。氣相對金屬管道多相流的影響取決于溫度、壓力等因素[34]，溫度升高促進磨損腐蝕[35]，而磨損速率與氣體壓力呈負相關關系[36]。

2.4 腐蝕因素

腐蝕因素[37]是在基于多相流因素的基礎上發展的關鍵因素。之所以磨損腐蝕速率大于純腐蝕速率和純磨損速率之和，是因為磨損和腐蝕之間存在著交互作用[38]。流體力學因素與電化學腐蝕的交互作用在金屬管道磨損腐蝕的整個過程當中起到重要的作用。流體中O2，CO2和H2S組分會造成腐蝕速率的增加，從而導致磨損腐蝕速率的增加，但目前還沒有可以描述O2，CO2，H2S與含砂量的磨損腐蝕模型。

3 油氣輸送中多相流磨損腐蝕的防護措施

研究多相流金屬管道磨損腐蝕的最終目的就是對油氣工業生產提供指導性的研究經驗[39]。目前應用在油氣輸送中多相流磨損腐蝕的防護措施主要有：

1）耐多相流腐蝕材料[40]。耐磨及耐蝕材料的研發和選擇可以有效地減小磨損腐蝕速率，但在油氣輸送中還需要兼顧材料強度及經濟成本。日本鋼鐵公司根據法國ELF公司提出的預測多相流磨損腐蝕的數學模型，研發了預防CO2多相流腐蝕的特種鋼材[41]。鄭玉貴等通過旋轉失重實驗表明高含量、大尺寸的相能顯著提高Cr30-N22-Mo3鋼在各種條件下的抗磨損腐蝕性能，從而導致其交互作用和總質量損失率的顯著降低，尋求耐蝕性與耐磨損性能間的最佳平衡以使交互作用量最小，是發展抗磨損腐蝕材料的最佳途徑[42]。

2）多相分離分輸[43]。對多相流體進行分離分輸，尤其是對多相流體中固體顆粒的分離可以有效地改善多相流磨損腐蝕問題。但考慮到成本問題時，從井口到聯合站往往采用油氣水多相混輸。

3）覆蓋層保護[44]。為了提高金屬管道的耐磨損腐蝕性能，可在其表面涂/鍍/沉積Co基合金層、硅化物合金層等。其他的內防腐技術有聚乙烯粉末涂層、環氧樹脂粉末涂層、熱噴涂塑料、聚苯硫醚( PPS)粉末涂層等[45]。

4）材料表面改性。通過滲氮、氮碳共滲和滲碳等表面改性工藝能夠明顯提高材料耐磨性和抗蝕性能[46]。

5）緩蝕劑保護[47]。在多相流體中添加緩蝕劑是目前油氣集輸過程中常采用的有效防蝕方法，常用的緩蝕劑有咪唑啉衍生物等。在多相流環境中，緩蝕劑的緩蝕作用會受緩蝕劑種類、緩蝕劑濃度、溫度、流速、含砂量等多種因素的影響[48—49]。大量緩蝕劑會吸附在砂粒表面、氣/液界面以及液/液界面，導致緩蝕劑有效濃度降低，因此若要達到最佳保護效果，需要提高緩蝕劑的濃度[50—51]。彎管內側流速高、剪切應力大、湍流能量大，容易破壞試片表面形成的保護膜，但流體流動會加速緩蝕劑分子的質量傳輸速率，使分子更易到達試片表面。多方面因素共同作用使彎管各個部位的緩蝕效率有所不同，但彎管內側的緩蝕效率要低于外側[52]。在嚴重沖蝕（20 m/s）條件下，緩蝕劑對碳鋼的緩蝕效率為50%左右，對13Cr馬氏體不銹鋼為30%~45%，而對于超級雙相不銹鋼幾乎沒有效果[53]。

4 結語

多相流磨損腐蝕是影響油氣儲運系統安全工程的重要因素，因此國內外的研究學者們仍在不斷地探索多相流磨損腐蝕的規律。多相流金屬管道磨損腐蝕的研究方法還存在不足，因此需要采用現代科技，創新發展試驗研究方法，將聲發射技術、原位觀測技術等引入到多相流金屬管道磨損腐蝕的研究，實現對磨損腐蝕過程的在線測量和動態觀測，將有助于揭示磨損腐蝕機制并提高磨損腐蝕速率的預測精度。采用數值模擬研究金屬的磨損腐蝕仍是未來發展趨勢。需要考慮由于磨損腐蝕引起流道變化，尋找準確的模型，預測磨損腐蝕分布區域，確定多相流磨損腐蝕的薄弱環節及作用機制，從而指導多相流環境下管道防蝕結構設計，為油氣安全運行提供保障。

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Research Status and Progress in Erosion-Corrosion of Oil and Gas Transmission Pipelines in Multiphase Flow

WULAN Ba-ke-da-shi1,2, LIU Jian-guo1,2, LI Zi-li1,2, HU Zong-wu1,2, QI Ming-hua1,2, ZHANG Chao1,2

(1.Shandong Provincial key laboratory of Oil & Gas Storage and Transportation Safety, Qingdao Key Laboratory of Circle Sea Oil & Gas Storage and Transportation Technology, Qingdao 266580, China; 2.College of pipeline and civil Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China）

Recent researches on erosion-corrosion of metal pipelines in multiphase flow were introduced. The erosion-corrosion mechanism of pipelines in multiphase flow was analyzed from factors on material, fluid mechanics and multiphase flow. Current research methods on erosion-corrosion of metal pipelines in multiphase flow were introduced from experimental study and numerical simulation study. Safeguard procedures for erosion-corrosion of oil and gas transmission pipelines in multiphase flow were summarized. The developed trend of erosion-corrosion research on erosion-corrosion of metal pipelines in multiphase flow was also predicted.

multiphase flow; erosion-corrosion; CFD

10.7643/ issn.1672-9242.2017.03.022

TG174

A

1672-9242(2017)03-0112-05

2016-10-31；

2016-11-15

國家自然科學基金(51301201) ; 山東省自然科學基金(ZR2013EMQ014) ; 青島市自主創新計劃(15-9-1-70-jch); 黃島區重點科技計劃(2014-1-52); 中央高校基本科研業務費專項資金(14CX02209A, 16CX02037A )

吾蘭?巴克達什（1989—），男，新疆阿勒泰人，碩士研究生，主要研究方向為油氣儲運系統安全工程。

劉建國，男，內蒙古烏蘭察布人，博士，副教授，主要研究方向為腐蝕與防護。