管道內氣液兩相流動腐蝕研究進展

韓 霄

（青島市特種設備檢驗研究院，山東 青島 266100）

0 引言

石油化工過程管道內輸送的介質組分復雜，介質狀態以氣相或者液相為主，由于介質夾帶、溫度變化、壓力波動等原因，管道內的流動經常出現氣液兩相狀態。在流動過程中，流體產生的機械力會破壞管壁金屬結構以及促進傳質過程，從而加速腐蝕反應；同時，液相的蒸發、氣相的冷凝，為腐蝕提供新的環境。這些腐蝕的發生與介質流動有關，具有一定的隱蔽性。只有深入的認識管道內氣液兩相流動特點、腐蝕機理，相關技術人員才能準確的預判管道內流動腐蝕發生的位置以及評價腐蝕穿孔的風險，從而指導管道的長周期使用。

氣液兩相流腐蝕是管壁附近流體流動與腐蝕作用的耦合，所以根據氣液兩相流與管道壁的接觸狀況對流動形態進行劃分。氣液兩相流可劃分為分散流、間歇流和分離流，如圖1所示[1,2]。

圖1 氣液兩相流型圖

本文將對這三種流型下流動腐蝕的研究情況進行總結和分析，以期找出相關規律，為流動腐蝕的防護提供參考。

1 分散流腐蝕研究進展

分散流也稱為泡狀流，根據Mandhane流型圖[3]，分散流中液相的折算速度大約是氣相折算速度的10倍以上。泡狀流中氣相以氣泡形式存在。氣泡是由液體中的蒸汽或者不溶氣體在局部低壓或者高溫環境下發育而成[4]。流動過程中，氣泡會發生聚并和破碎，甚至在液相的作用下，進入壁面附近的高壓區，發生潰滅，產生沖擊，破壞管壁表面結構，進而促進腐蝕。即使不發生潰滅，氣液兩相流動對管壁也有剪切作用，從而對管壁表面產生一定影響。

1.1 氣泡潰滅作用的研究進展

根據李永健[5]的研究結果，氣泡與管壁的距離在1倍氣泡直徑以內時，氣泡潰滅才可能造成壁面的破壞，對壁面產生的壓力可高達50MPa；氣泡外部壓強越大，氣泡潰滅的歷時越短，形成的沖擊越大；凹凸壁面的迎流面形成的局部高壓將加速氣泡的潰滅。但是李永健的研究結果是由單一球型氣泡的計算推演出來的，未模擬真實流動狀態下的潰滅過程。王海燕[6]通過數值模擬的方法，驗證了凹凸壁面的迎流面在高雷諾數（Re=1.95×106）條件下，會產生劇烈的壓力變化，可引發氣泡潰滅，產生腐蝕。但是王海燕的數值模擬是單純的液相條件，也未模擬真實流動狀態下的潰滅過程。汪健生[7]使用修正的Rayleigh方程并對氣泡成長和破碎過程進行了簡化后，采用數值模擬的方法對變徑結構的氣泡含量進行了研究，認為氣含率突然增加的區域，就是發生腐蝕的位置，汪健生的研究通過簡化氣泡動力學方程的方法，模擬了氣泡的長大和縮小，但也未模擬真實流動狀態下的潰滅過程。流動中氣泡潰滅是一個迅速的相變過程，大多數研究者只是通過壓力變化或者氣含率分布特點來間接預測氣泡是否潰滅，無法精確預測管壁發生氣泡潰滅的位置。

Mohammad[8]提出了通過前后時刻氣泡圖形的3D特征對比，從而判斷壁面處氣泡聚并、破裂和潰滅，并且通過能量守恒的方法對氣泡在金屬壁面潰滅所吸收的能量進行計算，實現氣泡潰滅促進腐蝕的評價。該方法認為含有一定液體的氣泡在靠近管壁潰滅的過程中，一部分能量因粘性作用耗散，最多只有65%的能量轉為動能。氣泡潰滅的動能一部分以沖擊波或者微射流的形式傳播給周圍，另一部分被管壁吸收。這種從氣泡特征和能量守恒的角度去研究分散流腐蝕的方法，可以不用模擬計算氣泡潰滅的相變過程，實現氣泡潰滅位置的預判，并且評價不同潰滅位置的腐蝕嚴重程度。

1.2 管壁剪切作用的研究進展

茅俊杰[9]采用拉格朗日方法對彎頭和變徑結構的氣泡流動軌跡、湍動能分布、剪切力分布進行研究發現，壁面剪切力分布可以反映腐蝕規律。茅俊杰的研究把氣泡當成固體顆粒進行沖刷模擬，認為氣泡在壁面發生彈性反射。這與現實情況還是有很大的差異。Nesic[10]通過研究發現，FeCO3腐蝕產物膜的粘附力數量級為107Pa，而單液相管壁剪切大約在104Pa[11]，可見，壁面剪切力難以剝離管壁腐蝕產物膜。流體介質對管壁腐蝕產物膜的溶解，會影響管壁腐蝕產物膜的結構，從而降低管壁腐蝕產物膜的粘附力。只有在腐蝕產物膜易溶解的條件下，壁面剪切力分布峰值才能反映腐蝕最嚴重的位置。

2 間歇流腐蝕研究進展

據Mandhane流型圖[3]，間歇流的氣相折算速度與液相折算速度之比約在1～10之間。間歇流源于分層流，當氣液界面產生波動時，管道被堵塞，形成這種特殊的流動形態。目前流動腐蝕的研究集中在段塞流。

2.1 段塞流流動特點

流動過程中，段塞前部以較快的速度向前移動，卷吸其前面以較慢的速度運動的液膜，同時將氣泡中大量氣體卷入段塞，在段塞頭部形成渦旋，段塞前部為高含氣混合區，具有高的湍流強度[12,13]。段塞流前部的卷吸運動能對管壁造成很大的沖擊和剪切作用，高的湍流強度還能加快管壁材料和主體溶液之間物質的傳遞速度。

2.2 段塞流腐蝕機理

王永暉[14]將段塞流下的傳質過程劃分為三個區，分別是湍流主體、近壁面擴散區和腐蝕產物膜區。其中腐蝕產物膜區傳質速率最小。腐蝕產物膜的結構特點和傳質特性，決定了腐蝕反應的速率。段塞流對壁面剪切的作用，會對腐蝕產物膜的結構產生影響；高的湍流強度能減小近壁面擴散區的厚度。Christian等[15]通過不同流速下緩釋劑的防腐蝕效果研究也證明：管壁腐蝕產物膜結構特點才是控制腐蝕速率的關鍵；而且無腐蝕性介質環境下，高壁面剪切作用并不能損壞管壁腐蝕產物膜的結構。

2.3 段塞流腐蝕研究進展

段塞流腐蝕研究集中在以CO2為腐蝕性介質的領域。DeWaard及其改進模型，可以預測發生CO2腐蝕的位置，但是這些模型以電荷轉移控制腐蝕反應為出發點，對于流動促進腐蝕的影響考慮較少[16]。

崔銘偉[17,18]在CO2驅油技術領域開展段塞流的腐蝕研究，通過設計帶有高低起伏的管路實驗，研究了CO2分壓對腐蝕的影響。研究發現CO2分壓的增加一方面可以增加流體的酸性，加快管壁金屬的腐蝕反應；另一方面增加了CO2-3濃度，使得管壁形成了一層腐蝕產物沉淀，不利于腐蝕反應的進行。崔銘偉的研究是在低表觀流速下進行的（段塞流最大表觀流速為0.4m/s），管壁剪切作用弱，研究內容也未涉及管壁腐蝕產物沉淀的化學平衡條件。在管壁腐蝕產物沉淀達到化學平衡條件之前，壁面剪切力越大的位置，管壁腐蝕產物溶解的越快，腐蝕速率也就越大。因此，研究管壁腐蝕產物沉淀的化學平衡條件具有重要的意義。

3 分離流腐蝕研究進展

分層流和波狀流的表觀流速極低，在石油化工過程管道中的應用較少。因此，本小節主要討論環狀流狀態下的腐蝕。環狀流狀態下，氣相為連續相，液相為分散相，液相以霧、小液滴、液膜等形式存在。這種流動下會發生露點腐蝕、沉積腐蝕等。

3.1 露點腐蝕

高溫氣體在低于露點溫度的換熱面上冷凝成液體，液體溶解腐蝕離子可引起液滴下管壁的腐蝕。可見，形成液膜或者液滴是露點腐蝕的前提；冷凝速率通過影響溶解過程，從而影響露點腐蝕過程。

當輸送氣體介質濕度較小時，冷凝過程會形成薄霧，腐蝕管頂；當介質濕氣較大時，冷凝液集中在管底，產生腐蝕環境。對于形成的液膜或者液滴的分布特點，研究者[19]發現液膜厚度在352μm時，腐蝕速率最大。高雪琦[20]通過耦合Eulerian模型和Eulerian wall film模型，研究了近壁面處液膜或者液滴的分布規律，發現經過彎頭后在二次流和離心力的作用下，液膜或液滴的分布會發生較大的變化。工程中常通過模擬計算管道內液膜或者液滴分布來實現腐蝕位置的預測[21]。

Nyborg[22]研究發現，在水蒸氣凝結速率較低時，溶解的CO2與金屬壁面發生反應生成碳酸鐵沉淀膜，阻止腐蝕發生；在水蒸氣凝結速率較高時，溶解的CO2降低冷凝液的PH值，加速腐蝕。

3.2 沉積腐蝕

沉積腐蝕是氣相組分在氣液兩相流動中發生反應并結晶，結晶沉積在管壁上，受潮水解腐蝕金屬壁面。這種腐蝕常見于常減壓裝置的常頂系統[23]、加氫裝置空冷器入口管道系統[24]。研究這種腐蝕的關鍵是建立沉積物反應的平衡常數隨溫度的變化關系以及氣相反應物組分分壓隨溫度的變化關系，從而通過判斷結晶發生的溫度，從工藝流程來預測腐蝕發生的位置[23,25]。這種腐蝕可以通過在結晶溫度點之前注水的方式來消除。由于常頂系統和空冷器入口管道結構復雜，合適的注水量和注水位置才能保證結晶溶解，且不影響生產工藝。對于這種流動腐蝕，研究的重點是分析注水位置以及不同注水量條件下管壁水相的分布[24]。

3.3 其他

環狀流除了能夠通過相變產生新的腐蝕環境外，還可能降低腐蝕速率。呂運容[11]通過實驗和數值模擬的方法發現，環狀流下環烷酸的腐蝕速率小于單液相流動。Srdjan Nesic[26]通過管道環路實驗方法也發現了同樣的規律，并認為環狀流狀態下金屬壁面的液相更新速率低，是腐蝕減弱的主要原因。

4 結語

分散流腐蝕中氣泡潰滅會形成局部高壓且難以通過數值模擬的方法計算。通過管壁附近氣泡3D特征對比識別，判斷管壁處氣泡潰滅的位置，并使用能量守恒評價潰滅處腐蝕的嚴重程度，可以較為準確的預測管道內腐蝕最嚴重的位置。這也是一個很好的研究方向。對于不發生氣泡潰滅的分散流，只有在腐蝕產物膜易溶解的條件下，壁面剪切力分布峰值才能反映腐蝕最嚴重的位置。

間歇流腐蝕受腐蝕產物膜的結構特點和傳質特性控制，在管壁腐蝕產物沉淀達到化學平衡條件之前，壁面剪切力越大的位置，腐蝕速率越快。研究管壁腐蝕產物沉淀的化學平衡條件是一個重要的研究方向。

分離流中分層流和波狀流工程應用少，環狀流腐蝕產生的主要原因是相態變化形成了新的腐蝕環境。對于露點腐蝕，冷凝速度快且形成液膜或者液滴的管壁位置最容易發生腐蝕。對于沉積腐蝕，達到結晶發生溫度的位置最容易發生腐蝕，可通過注水的方法消除。在工程應用中，研究上述兩種情況下的液相分布規律是一個重要的研究方向。另外，如果腐蝕受管壁的液相更新速率控制，那么環狀流會降低腐蝕速率。