流速和彎曲角度對彎頭腐蝕行為影響仿真研究

鄭斐，邢少華，何華，高榮杰，許立坤

（1.中國海洋大學，山東 青島 266100；2.中國船舶重工集團公司第七二五研究所 海洋腐蝕與防護重點實驗室，山東 青島 266237；3.大連船舶重工集團設計研究院有限公司，遼寧 大連 116000）

與鋼質管路相比，銅鎳合金管路具備更好的耐蝕和防生物污損特性，被廣泛用于海水發電廠冷卻管路、船舶海水管路、海水淡化處理裝置等[1-5]。由于流動海水的強腐蝕性以及管路自身結構的原因，會影響管路的使用壽命，局部腐蝕穿孔時有發生，嚴重威脅著裝置的安全可靠運行[6-7]。

彎頭處容易形成湍流，特別是高流速狀態，局部流速顯著增加，導致局部腐蝕速率增加，是海水管路系統經常發生腐蝕泄漏的薄弱環節[8-11]。由于二次流的存在，使彎頭不同部位的局部腐蝕速率存在顯著差異，常規電化學測試僅能獲得彎頭平均腐蝕速率，難以測得局部腐蝕速率的變化。國內外研究者利用試驗或者數值模擬的方法得到彎頭內部流速場和壓力場的分布，分析彎曲角度、彎徑比和入口流速對管道內表面的影響[12-18]。Ikarashi Yuya 等人[12]采用平面和立體粒子圖像測速技術研究了不同彎徑比對90°彎管內的流速和湍流強度的影響，結果表明，流速和湍流強度隨著彎徑比的增加而增加。Liang Guang-chuan 等人[13]通過試驗和仿真模擬研究了油砂漿液在X65 管道中的流動過程，獲得了不同沖擊角度下的流速和剪切力分布，得出沖擊角大約為45°時沖刷腐蝕最嚴重的結論。邱立杰等人[14]利用FLUENT 軟件模擬不同入口流速下彎管的內部流場和壓力場的分布，指出速度的最大值都出現在彎管的內壁面，壓力的最大值出現在彎管的外壁面。

目前彎頭內部局部腐蝕以流速場或者壓力場仿真分析為主，流速、彎曲角度對彎頭腐蝕影響鮮見報道，導致對彎頭腐蝕規律認識不清，特別是局部部位的沖刷腐蝕行為，制約了管路彎頭腐蝕控制，影響管路系統的可靠性。文中采用試驗與仿真相結合的研究手段，建立了彎頭流動海水腐蝕仿真模型，仿真計算了不同彎曲角度和不同流速下彎頭內部腐蝕速率的分布云圖，分析了彎曲角度、流速和空間位置對彎頭腐蝕速率影響，對控制彎頭流動海水腐蝕具有重要的指導意義。

1 材料與試驗方法

試驗所用的銅鎳合金材料為B10，材料的化學成分（質量分數）為：Ni 10%，Fe 1.16%，Mn 0.63%，Si 0.075%，Sn 0.05%，Zn 0.05%，S 0.01%，Cu 余量。將B10 材料加工成直徑為10 mm 的試樣，經環氧樹脂封裝后，用400、800、1000、1500 目的砂紙逐步打磨至表面光滑，安裝在試樣夾持裝置上。動態海水腐蝕測試裝置如圖1 所示，旋轉閥門通過觀察流量計來控制管道內的流速變化，用導線將試樣、參比電極和輔助電極與Ivium-N-Sart 型電化學工作站相連接，測試流動環境下金屬材料的腐蝕曲線。

圖1 動態海水腐蝕測試裝置Fig.1 Dynamic seawater corrosion test device

試驗所用介質為天然海水，工作環境溫度為25 ℃，溶解氧含量為4.2 mg/L，pH 值為8.0。測試B10 試樣在1、3、5 m/s 流速下的開路電位和動電位極化曲線。開路電位（open circuit potential，OCP）測試時間為7200 s，每隔2 s 取一個點。極化曲線測試掃描速率為0.333 mV/s，掃描范圍為-0.5～0.5 V（vs.OCP），所用參比電極為氯化銀電極，輔助電極為碳棒，工作電極為0.785 cm2的B10 試樣。

2 多物理方程和邊界條件

2.1 模型建立

通過Comsol 軟件建立的彎管仿真模型如圖2 所示，彎管彎度分別設置為30°、45°、90°，為了更好地表述，將管道劃分為上游直管段、彎曲段和下游直管段三個部分[19]。管道直徑（D）設置為54 mm，上下游管長均為15D，保證海水在進入彎頭前，管道內流體達到穩定。為了提高計算的收斂性，在網格劃分時，選用更利于收斂的四邊形和六面體網格，網格剖分如圖3 所示。

2.2 控制方程及邊界條件

圖2 彎管仿真模型Fig.2 Bend simulation model

圖3 網格劃分Fig.3 Grid generation: a) face mesh; b) volume grid

由于文中研究流速和彎曲角度對腐蝕影響，仿真模擬過程中忽略重力的影響。入口邊界的流速分別為1、3、5 m/s，出口壓力為0，管道壁面采用無滑移邊界，近壁區使用標準壁面函數[20-21]。海水為不可壓縮流體，采用“RANS k-ε”湍流模型計算彎頭內部流速分布。模型控制方程包括Navier-Stokes 方程(1)，連續方程(2)和k-ε 湍流模型方程。

式中：ρ 為海水密度，kg/m3；p 為流體的時均壓力，N/m2；F 為應力，N；u 為管道內的流速，m/s；μ 為動力黏度, N·s/m2。

k-ε 湍流模型中的湍流動能k 和湍流耗散率ε 由方程(3)和(4)確定。

動能生成項Pk為：

k-ε 雙方程模型的常數分別為：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 數。

對不同流速下B10 極化曲線進行Tafel 分析，得到不同流速下B10 材料腐蝕電流密度。根據式(6)計算腐蝕速率vcorr，利用 Comsol Multiphysics 軟件中“插值”將腐蝕速率與流速擬合成曲線（見式(7)），作為整個管道腐蝕分布的邊界條件。

3 結果和討論

3.1 試驗結果

B10 合金在潔凈海水中不同流速下的動電位極化曲線如圖4 所示。可以看出，在不同的流速下，B10在海水中的腐蝕電位逐漸負移，電流密度逐漸增加。這說明流速越高，B10 腐蝕速率越快。流速為1 m/s時，B10 材料表面形成較為致密的氧化層薄膜，阻礙氯離子向電極表面擴散，因此具有較小的腐蝕速率。隨著流速的增加，傳質擴散速度增加，B10 溶解速率大于表面成膜速度，導致B10 材料表面難以形成致密的氧化物保護膜，腐蝕速率顯著增加。在數值模擬中，將測量得到的極化電流密度利用式(6)換算成等效的腐蝕速率，作為管道腐蝕變化的邊界條件。

圖4 不同流速下的極化曲線Fig.4 polarization curve at different flow rates

3.2 流速對彎頭腐蝕影響

不同流速下，30°、45°和90°彎頭腐蝕情況的分布如圖5 所示。仿真結果表明，隨著流速的增加，彎頭腐蝕速率增加，內部腐蝕速率分布越不均勻。海水入口直管段，海水未受到彎曲段的影響，但由于邊界層作用，橫截面上中間流速較大，管壁流速較小。彎頭入口處，腐蝕速率由內彎向外彎逐漸減小，內側腐蝕速率大，外側腐蝕速率較小。彎頭出口處，恰好相反，外側腐蝕速率大于內側腐蝕速率。

圖5 管道的腐蝕分布云圖Fig.5 Corrosion distribution cloud chart of pipeline

彎頭內、外側的腐蝕速率沿彎曲角度θ 的分布如圖6 所示。由圖6 可知，流速越高，彎頭的腐蝕變化越劇烈，且內外側呈現不同的變化趨勢。內側的腐蝕速率比外側變化明顯，且局部腐蝕速率更大。在0°～5°彎頭處，內側腐蝕急劇增加，外側腐蝕較小，是因為海水流動方向急劇轉變，彎頭內側海水能量幾乎為0，又受到相近海水的帶動作用，使得流速急劇增加，腐蝕也隨之增加。10°～15°彎頭處，腐蝕速率已經增長到最大值，外側基本保持不變，隨后不同的彎頭表現出不同的變化趨勢。

低流速和高流速條件下，30°和45°彎頭內側腐蝕速率基本保持平穩。在3 m/s 流速下，流速隨角度發生較大變化，腐蝕嚴重部位（超過0.1 mm/a）位于彎頭內側的入口部分，分別占整個彎頭內側的43%和57%。流速對90°彎頭內側腐蝕速率的影響比30°和45°彎頭顯著，在3、5 m/s 流速下，0°～5°部位腐蝕速率急劇增加，10°左右達到平穩后，持續到35°。這是因為海水在通過90°彎頭時，由于受到外側海水的橫向壓力，使得海水在管道中沿著管壁軸向流動的同時，還向彎管徑方向流動，形成二次流。二次流加強了海水擾動，使得流動速度增加，腐蝕速率增加。35°～90°內側流速逐漸降低，腐蝕速率逐漸減小。

外側的腐蝕速率先減小后增大，1、3 m/s 條件下，彎頭外側腐蝕速率變化不大，最大值和最小值的差值在0.01 mm/a 左右。當海水流速達到5 m/s 時，沿彎頭外側管壁的流速增加，腐蝕速率變大，且隨著彎曲角度的增大，出口腐蝕速率也逐漸提高。

3.3 彎曲角度對腐蝕影響

由圖5 和圖6 可知，彎曲角度對彎頭腐蝕速率有

較大影響，主要腐蝕區域發生在彎頭內側入口和外側出口處，但內側的腐蝕更嚴重。內側的局部腐蝕速率受流速和彎度的共同影響，5 m/s 時，30°、45°、90°彎頭最大腐蝕速率分別為0.1295、0.1324、0.1325 mm/a，相對于直管段入口管壁的腐蝕速率分別增加了43.9%、47.1%、47.2%。同時，30°、45°、90°管道的最大腐蝕速率值分別出現在9°、12°、15°，表明彎度越大，峰值越大，且越往后移，但流速對最大腐蝕速率位置無影響。圖7 表明，在同一流速下，小彎度的管道具有較小的腐蝕峰值，而45°和90°彎管具有較大的腐蝕峰值。

圖7 不同彎度下的最大腐蝕速率Fig.7 Maximum corrosion rate at different bending degrees

海水流進彎頭后，由于管道內壓力的影響，使得外側的流速降低，腐蝕速率減小。從圖6 中可以看出，內側出口和外側入口的腐蝕速率較低，30°和45°彎頭的最小值均出現在外側9°附近，而90°彎頭內側出口的腐蝕遠低于外側入口的腐蝕速率，所以90°彎頭的最小值出現在內側出口處。

不同彎度下的最小腐蝕速率如圖8 所示，可以看出，彎曲角度對于最小腐蝕值有顯著的影響。隨著彎曲角度的增加，最小腐蝕速率減小。流速越低，彎曲角度對最小腐蝕速率影響越大。由圖8 可以看出，1 m/s流速下，90°彎管的腐蝕速率最小值為7.05×10-3mm/a。

圖8 不同彎度下的最小腐蝕速率Fig.8 Minimum corrosion rate at different bending degrees

4 結論

1）彎頭內腐蝕最嚴重部位與流速無關，主要與彎頭類型有關，30°、45°和90°彎頭的最大腐蝕速率值分別位于內側9°、12°和15°處，最小腐蝕速率值則分別出現在外側9°附近和內側出口處。

2）彎頭最大腐蝕速率隨著彎曲角度的增加而增加，管道入口流速為5 m/s 時，30°、45°、90°彎頭最大腐蝕速率分別為0.1295、0.1324、0.1325 mm/a，相對入口管壁的腐蝕速率分別增加了43.9%、47.1%、47.2%。

3）30°、45°、90°彎頭腐蝕速率均隨著流速的增加而增加，且流速會對彎頭內部腐蝕速率分布造成明顯影響，流速越高，腐蝕速率分布越不均勻。