油管縮徑管段腐蝕行為與流體動力學參數的相關性

尚 坦,鐘顯康,扈俊穎

(西南石油大學 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，成都 610500)

油管變徑常見于焊接處和接頭處。在變徑段，管內流體的流動速度和壁面剪切力等流體動力學參數會發生很大的變化，從而導致變徑段不同位置的腐蝕行為顯著不同。流體的流動會加速腐蝕，使變徑段質量損失加劇[1]，因此對油管變徑段的腐蝕行為與流體動力學參數進行研究是非常必要的。

針對沖刷腐蝕機理，國內外開展大量研究工作。這些研究通常以流速、雷諾數、壁面剪切應力、傳質系數等流體力學參數來描述沖刷腐蝕過程，并建立相應的模型[2-3]。POSTLETHWAITE等[4-5]提出，在沖刷條件下，材料的總損耗由沖刷和腐蝕兩部分組成，并根據傳質過程對腐蝕的作用，建立了湍流條件下沖刷腐蝕的預測模型[6-8]。NESIC等[9]研究了單相流和兩相流中變徑管的沖刷腐蝕情況，并建立了突然擴徑管道在湍流條件下的單相流和兩相流中的二氧化碳腐蝕預測模型[10-11]。文獻[12-15]報道了沖刷腐蝕的交互作用，及材料性能、流體動力學因素、環境因素對沖刷腐蝕的影響機理。ZHENG等[16-18]對各種涂層的耐沖刷腐蝕性能進行了評價，并對不同體系中的臨界流速進行了測定。張安峰等[19]研究了碳鋼和不銹鋼的沖刷腐蝕性能，認為提高體系溫度，會破壞材料表面保護性膜層，使材料表面的電化學活性增加，從而加劇材料的沖刷腐蝕破壞。雍興躍等[20-25]研究了流動氯化物體系中碳鋼、雙相鋼的電化學阻抗譜特征，及近壁處的流體力學狀況、熱處理與加工成型工藝對材料耐沖刷腐蝕性能的影響，并建立了碳鋼和雙相不銹鋼在氯化鈉溶液中的流動腐蝕動力學模型。

目前，流動加速腐蝕的試驗研究裝置主要有三種，即噴射沖擊裝置[26-29]、旋轉電極裝置[30-34]和環路裝置[35-38]。ZHANG等[35]利用環路裝置研究了油氣輸送管道彎頭的流動加速腐蝕，結果發現，彎頭處腐蝕速率與流體動力學參數的分布情況一致。LOTZ等[36]研究了不同直徑管段在固液兩相流中的沖刷腐蝕，結果發現，不同直徑管段的腐蝕速率不同。目前，使用環路裝置通過流體動力學模擬(CFD)以及電化學測量等手段進行縮徑管段局部的腐蝕速率與流體動力學相關性的研究鮮見報道。本工作將陣列電極布置在管道縮徑段的不同位置，在環路系統中開展流動加速腐蝕試驗，結合CFD模擬，揭示了縮徑段的腐蝕行為與流體動力學參數的相關性。

1 試驗

1.1 試驗材料和裝置

試驗材料為N80油管鋼，其化學成分如表1所示。將試驗材料加工成圓柱狀電極，每支陣列電極的暴露面積為0.159 cm2。在試驗前，用800號碳化硅砂紙打磨電極端面，再依次用去離子水和無水乙醇沖洗，氮氣吹干。

表1 N80油管鋼的化學成分(質量分數)

根據某油田地層水的成分制備測試溶液，其化學成分如表2所示。試驗前，向溶液持續24 h通入CO2(99.95%)以去除溶液中的氧，溶液的pH為6.14，在整個試驗過程中也持續通入CO2氣體以確保溶液中的CO2含量達到飽和。

表2 測試溶液的化學成分

用于流動加速腐蝕試驗的環路測試系統如圖1所示。它由管道，離心泵，蓄水桶，流量計和縮徑管段部分組成。環路測試系統管道由透明PC管制成，內徑為50 mm。預處理后的陣列電極(1～10號)以相同的間隔距離安裝到縮徑管段部分，陣列電極的暴露表面與管線的內表面保持水平，如圖2所示。圖中，11號和12號孔分別用來安裝輔助電極和參比電極。試驗溶液由25 L儲液罐供應并通過離心泵循環。在流動加速腐蝕試驗中，流速為4 m/s，采用流量計測量，并通過變頻器調節泵轉速來控制流速。同時，以相同條件下的靜態腐蝕試驗作對比分析。

圖1 流動加速腐蝕試驗環路測試系統

(a) 縮徑管段尺寸

1.2 試驗方法

1.2.1 電化學測量

在流動加速腐蝕試驗期間，使用CS350電化學工作站進行原位電化學測量。以制備的1～10號電極為工作電極，石墨棒為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，構建三電極電化學電池。為了確定每個陣列電極的腐蝕速率，電化學阻抗譜(EIS)測量在開路情況下進行，激勵信號為幅值10 mV的正弦波，頻率從0.1 Hz到10 000 Hz。所有的EIS測量均在流動加速腐蝕試驗開始6 h后進行。對典型位置的陣列電極進行極化曲線測量時，以1 mV/s的掃描速率從-250 mV(相對與開路電位)向陽極方向掃描至250 mV(相對與開路電位)，擬合極化曲線得到腐蝕速率。所有測試均在室溫和大氣壓下進行。

1.2.2 流體動力學模擬

使用專業流體模擬軟件Fluent進行流體動力學模擬。使用預處理軟件ICEM建立幾何模型并進行網格劃分。根據管道的幾何尺寸和流速計算得到，流速為4 m/s時流體雷諾數為199 043(遠遠高于4 000)，表明流速為4m/s時流體為湍流流動。因此，使用k-e湍流模型對縮徑管段進行流體動力學模擬，入口處邊界條件類型設定為velocity-inlet，縮徑管段入口流速為4 m/s，出口處邊界條件類型設定為pressure-outlet，出口壓力為101.325 kPa。流體設定為是不可壓縮流體。

1.2.3 表面形貌檢測

使用ZEISS EV0 MA15型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察流動加速腐蝕試驗后陣列電極的表面形貌。

2 結果與討論

2.1 電化學阻抗譜

圖3為流動加速腐蝕與靜態腐蝕體系中1～10號電極的電化學阻抗譜。由圖3(a)可以看出，在流動加速腐蝕條件下，所有電化學阻抗譜在高頻范圍內出現容抗弧，在低頻范圍內出現感抗弧。容抗弧是界面電荷轉移反應引起的，而感抗弧是碳鋼在溶解過程中中間產物的吸附引起的[35,39-40]。1、2、9 號和10號電極的容抗弧半徑大小非常接近，這表明這些電極的腐蝕速率相近。而3號和8號電極的容抗弧半徑大于其他電極的，表明這兩個電極的腐蝕速率要低于其他電極的。與1、2、3、8、9號和10號電極相比，位于縮徑部分斜坡上的4號和7電極的容抗弧半徑較小，表明該處腐蝕速率較高；5號和6電極的容抗弧半徑最小，表明該處腐蝕率最大。

由圖3(b)可以看到，在靜態腐蝕條件下，電化學阻抗譜的特征與流動加速腐蝕條件下測得的明顯不同，在整個頻率范圍內只有一個容抗弧，并且所有電極的容抗弧幾乎重疊在一起，表明它們的腐蝕速率十分相近。

(a) 流動加速腐蝕 (b) 靜態腐蝕

為了獲得和分析阻抗參數，使用圖4所示的等效電路來擬合EIS數據。圖4中，Rs為溶液電阻，CPE為常相位角元件，Rct為電荷轉移電阻，RL為電感電阻，L為電感。擬合所得的電化學參數如表3和表4所示。

(a) 流動加速腐蝕

對表3和表4中的電荷轉移電阻進行比較，可以看出，在流動加速腐蝕體系中，所有電極的電荷轉移電阻小于靜態腐蝕體系中相應電極的電荷轉移電阻，即流動加速腐蝕體系中材料的腐蝕速率大于靜態腐蝕體系中的。并且在流動加速腐蝕體系中，位于縮徑管段的5號電極的電荷轉移電阻最小，腐蝕速率最大，3號電極的電荷轉移電阻最大，腐蝕速率最小；但在靜態腐蝕體系中，所有電極的電荷轉移電阻幾乎相同。

表3 流動加速腐蝕體系中1～10號電極電化學阻抗譜的擬合電化學參數

表4 靜態腐蝕體系中1～10號電極電化學阻抗譜的擬合電化學參數

2.2 極化曲線

圖5為流動加速腐蝕與靜態腐蝕體系中2～5號電極的極化曲線，采用Tafel外推法對圖中的極化曲線進行擬合，結果列于表5中。由圖5可以看出，在流動加速腐蝕體系中，5號電極的極化曲線位于圖中最右側，3號電極的極化曲線位于最左側；但在靜態腐蝕體系中，各電極的極化曲線幾乎重合。由表5可以看到，在流動加速腐蝕體系中，5號電極的腐蝕速率最大，4號電極的腐蝕速率略小于5號電極的，且大于2號電極的，3號電極的腐蝕速率最小；在靜態腐蝕體系中，4個電極的腐蝕速率幾乎相同。這與通過電化學阻抗譜得到的電荷轉移電阻變化趨勢一致。

表5 兩種腐蝕體系中2～5號電極極化曲線的擬合電化學參數

(a) 流動加速腐蝕

2.3 流體動力學模擬

圖6為縮徑管段的幾何模型及采用Fluent軟件擬合得到的縮徑管段中流體動力學參數分布。為闡明縮徑管段腐蝕行為與流體動力學參數之間的相關性，對照縮徑管段電極的位置，從流體動力學擬合結果中選取相應的流速和壁面剪切應力進行比較，結果如圖7所示。由圖7(a)可見，當入口流速為4 m/s時，1、2、9號和10號電極處流體流速為4 m/s；3號和8號電極處流速略低于入口流速；由于內徑減小，斜坡處(4號和7號電極)流速急劇上升；最大流速出現在5號和6號電極處，為6.34 m/s。由圖7(b)可見，模擬得到1～10號電極處壁面剪切應力的分布與流速分布相同，即1、2、9號和10號電極處壁面剪切應力相同，3號和8號電極處壁面剪切應力略低，在5號和6號電極處壁面剪切最大。

(a) 幾何模型

(a) 流速

由于電荷轉移電阻與腐蝕速率成反比關系，因此可以用1/Rct表示腐蝕速率。圖8為縮徑管段不同位置電極的腐蝕速率。將腐蝕速率的變化趨勢與流速、壁面剪應力的變化趨勢做比較，可以看出，腐蝕速率與流速、壁面剪應力具有相同的變化趨勢，這證明了腐蝕速率與流體動力學參數具有明顯的相關性。

圖8 縮徑管段各電極的腐蝕速率

綜上所述，縮徑段的存在會導致管內流體流速和壁面剪切應力發生明顯的變化，并且會導致流動加速腐蝕的不同，該模擬結果很好地解釋了縮徑管段不同位置腐蝕行為與流體動力學參數的相關性，即流速和壁面剪切應力增大，會促進縮徑管段局部的流動加速腐蝕，從而導致局部腐蝕速率增大。

2.4 腐蝕產物形貌

圖9為流動加速腐蝕試驗后6～8號電極的表面SEM圖。從圖9中可看出，流動加速腐蝕后，只有在流速與壁面剪切應力比較低的8號和9號電極表面有少許顆粒狀的腐蝕產物，流速較高的6號和7號電極表面未觀察到明顯的腐蝕產物。總體來說，各電極表面都比較光滑，幾乎沒有腐蝕產物堆積。相比之下，靜態腐蝕后，電極表面(只選取兩個電極)有比較密集的腐蝕產物，如圖10所示。

(a) 6號電極 (b) 7號電極 (c) 8號電極 (d) 9號電極

(a) 6號電極

由腐蝕產物形貌可知，流速和壁面剪切應力對電極表面的腐蝕產物形成有很大的影響。流速和壁面剪切應力會影響電極表面的傳質過程，流速和壁面剪切應力越高，電極表面腐蝕產物越容易被去除，導致電極裸露,與溶液接觸的時間越長，從而加速電極的腐蝕。

3 結論

(1)流動加速腐蝕過程中，縮徑管段的存在會導致特殊位置的腐蝕速率加快，具有破壞性，會導致管道壽命減短。

(2)由流體動力學模擬結果可知，縮徑部分流速與壁面剪切應力變化會導致局部腐蝕的變化，縮徑管段的腐蝕速率分布與流體力學參數特征分布存在顯著相關性，即腐蝕速率低的位置，流速和壁面剪切應力小，反之，流速和壁面剪切應力大。

(3)流速和壁面剪切應力會影響金屬表面的傳質過程，流速和壁面剪切應力越高，電極表面的腐蝕產物越容易被，導致電極裸露，與溶液接觸時間越長，從而加速電極腐蝕。