流体力学因素对液固两相流冲刷腐蚀的影响

石化行业中， 工业管道运行 工况苛刻， 极易产生局部冲蚀。 由于常规检验技术及操作水平等 限制， 往往不能准确定位而易使 危险部位漏检。如某企业的一台 服役十年的高压空冷器， 对其管束 进行了检测， 发现进口端腐蚀异常 严重， 而出口端几乎完好， 如图 １ 所示。本文采用 ＦＬＵＥＮＴ 软件进行 模拟计算， 将计算结果与实际工况 进行 σｓ ｎｓ
"ｎｓ "ｘｉ
。
式 中 ｘｊ 为 直 角 坐 标 分 量 ｘ，
ｙ， ｚ； ｖｊ 为速度在 ｘ， ｙ， ｚ 方向上
的分量； ｐ 为压力； ρ为连续相密
度 ； ρｓ 为 离 散 相 密 度 ； ｍｓ 为 颗 粒 质量； ｎｓ 为颗粒密度， ρｓ＝ｎｓｍｓ； τｒｓ 为 颗 粒 动 力 响 应 时 间 ， 按 Ｓｔｏｋｅｓ 阻力公式： τｒｓ＝ ρｓｄｓ２／１８μ。 ２．１．２ 离散相基本方程
层流时， 供氧量比较少， 但 能形成保护膜， 水体对金属的剪 切应力小， 不能破坏保护膜。此 时阴极反应呈现出氧扩散控制特 征。冲刷腐蚀受氧的扩散控制， 比较缓慢。
湍流使金属与流体介质的接 触更加频繁， 不仅加速了腐蚀剂 的供应和腐蚀产物的转移， 而且 增加了流体与金属之间的剪切应 力。这种应力会将金属腐蚀产物 （ 包括保护膜） 从基体上拉、撕开 并冲走， 同时流体中固相颗粒物 无规则地剧烈冲击金属表面， 促 进冲刷腐蚀 ［２］。
１．１ 流体流速
介质的流动对冲刷腐蚀有两 种作用： 质量传递效应和表面切 应力效应。因此流体流速在冲刷 腐蚀过程中起着重要作用， 并直 接影响冲刷腐蚀的机理。
对于不具有钝化特性的金属， 特别是在中性条件下， 氧的存在， 将会加速阳极金属的溶解。因此 随流速的提高， 氧、二氧化碳等 腐蚀剂与金属表面充分地接触， 促进腐蚀； 另外， 液流冲击金属表 面， 随流速的提高， 在悬浮固相 颗粒作用下， 切力矩作用增强，
图 ２ 流道网格
采 用 Ｓｔａｎｄａｒｄ ｋ－ ε湍 流 模 型 ， 固 体颗粒运动采用拉格朗日随机轨 道模型， 压力－ 速度的耦合采用 ＳＩＭＰＬＥ 方法， 考虑重力影响。
式 。 经 过 ５００ 次 迭 代 计 算 后 ， 收 敛效果非常好， 残差变化曲线如 图 ３ 所示。
流动对腐蚀的影响中， 各因 素作用的差别很大。直管内速度 梯度近乎为零， 因此可以不考虑 速度梯度影响； 流形对腐蚀的作 用也是通过剪切应力表现为间接 影响。剪切应力不断撕裂、剥落 腐蚀产生的保护膜， 产生裂痕 （或冲蚀坑）， 若来不及修复则露出 新鲜的活性金属表面， 使痕内外 构成 腐 蚀 原 电 池 而 进 一 步 加 速
技术产品版 Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＆ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ
流体力学因素对液固两相流冲刷 腐蚀的影响
代 真 段志祥 沈士明 （ 南京工业大学 机械与动力工程学院， 江苏 南京 ２１０００９）
【摘 要】液固两相流体的冲刷腐蚀行为比较复杂，影响因素也较多。本文分析了流体力学因素对冲刷腐蚀的影响机制。 并应用计算流体动力学（ ＣＦＤ） 软件对流速、流动剪切应力以及近壁处的湍流强度等流体力学参数在冲蚀过程中的实际情况进 行了数值模拟。
从而使材料的冲刷腐蚀失重率达 到最大。
１．４ 两相流体中的固相颗粒因素
悬浮颗粒物对冲刷行为的影 响参数主要在于其硬度、锋利性、 粒径大小及浓度。一般条件下， 颗粒硬度越高， 冲刷越严重； 多 角粒子的切削作用要比圆形粒子 的犁削作用产生更大的力学损伤； 粒 径 越 大 ， 冲 刷 速 率 也 越 大 ［５］； 颗粒浓度越大， 冲刷腐蚀速率的 绝对值越大， 但高浓度条件下颗 粒间的相互影响所引起的“屏蔽 效 应 ” 使 得 其 冲 蚀 效 率 降 低 ［６］。 同时， 流体中颗粒物也影响电极 反应的传质过程。颗粒物通过扩 散层时加剧局部水体的搅动， 破 坏扩散层状态， 使得金属与介质 中氧化剂的接触更为频繁， 从而 促进腐蚀过程。
）
＋" "ｘｊ
（ ｖｓｊ
ｖｓ ·"ｎｓ "ｓ "ｘｉ
＋ｖｓｊ
ｖｓ ·"ｎｓ "ｓ "ｘｊ
）
（ ６）
２．２ 数值模拟方法
所模拟的流道为长 ４０００ ｍｍ ， 半 径 为 １５ ｍｍ 的 圆 管 （ ｘ 方 向 为 长度方向） 。对进口划分边界层网 格 （ 原点处横截面为进口） ， 全流 道采用六面体网格。整个模拟对 象 共 划 分 网 格 约 １２２４０ 个 ， 如 图 ２ 所示。液固两相间的湍流计算
１．２ 流体流态
流体的流动状态有层流与湍 流两种。它不仅取决于流体的流 速， 而且还取决于流体的性质
４ ２００６．３
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＆ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ 技术产品版
（ 如粘度、密度等） 和设备的几何 形状 （ 如凸出物、缝隙以及突然 改变流向的截面） 。不同的流动状 态有不同的运动规律， 故对冲刷 腐蚀的影响也不一样。
＋ !ｖｊ !ｘｉ
）
＋∑ ｎｓ ｍｓ τｒｓ
（ ｖｓｉ －
ｖｉ ） ＋ｖｓ Ｓ
（ ２）
２００６．３ ５
技术产品版 Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＆ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ
标准 ｋ—ε双方程模型为：
" "ｔ
（ ρｋ） ＋ " "ｘｊ
（
ρｖｊ
ｋ）
＝
" "ｘｊ
（
μｅ · σｋ
"ｋ "ｘｊ
） ＋Ｇｋ ＋Ｇｓ －
ρε
（ ３）
１．３ 冲刷角度
液固两相流作用在冲刷面上 的力可分为水平和垂直分量， 它 们的损伤作用不同： 水平分量对 冲刷面产生切削作用； 垂直分量产 生撞击。随着冲刷角度变化， 这两 种损伤机制此消彼长， 交织作用。
在小角度冲刷时， 水平分量 作用较强， 因而切削机制是材料 损失的主要原因； 在大角度冲刷 时， 垂直分量作用较强， 固相粒 子撞击材料表面， 这种损伤机制 主要由两部分组成： 一部分是由 粒子冲击形成冲击坑及周围的突 出唇， 突出唇在随后的颗粒冲击 下被冲掉。另一部分是粒子冲击 金属表面， 形成微裂纹， 裂纹扩 展使材料呈片状脱落。因此， 会 存在某一冲刷角度， 微切削和冲 刷撞击共同作用产生的损伤最大，
质 ［１］。 相 对 而 言 ， 流 体 力 学 因 素 影响规律的研究尚未成熟。因此， 无论是对冲刷腐蚀实验结果的预 测， 还是对冲刷腐蚀机理的深入 阐述， 都受到限制。
１ 流体力学因素的影响机制
流体力学因素一般通过改变 冲刷强度或传质过程来影响冲刷 腐蚀作用。其主要条件包括： 流 速、流态、冲刷角度、颗粒性质 等 ［１］。
２ ＣＦＤ 数值模拟
运 用 计 算 流 体 动 力 学 ＣＦＤ （ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ） ， 对流态进行数值仿真模拟计算。 尽管这种新的数值计算方法不能 完全取代传统的实验测试， 但是 却可以减少实验和设计工作的盲 目性和工作量， 降低消耗并增加
可靠度。使传统的实验方法逐步 退化为验证计算流体力学程序准 确性与可靠性的一种手段 ［１２］。
将腐蚀产物不断从金属表面剥离， 并且在金属基体上产生划痕， 使 腐蚀加剧。所以， 不具钝化特性 的金属冲刷腐蚀失重率随冲刷速 度的增加而增大［２， ３］。
对于有钝化特性的金属只有 当介质中加入了足够的氧化剂， 才能产生钝态。流速对钝化金属 材料抗冲刷腐蚀性能的影响分为 两种情况： 低速条件下， 流速的 提高增加了氧的传质过程， 使钝 化和再钝化能力提高， 金属钝化 占主导地位， 而冲刷作用相对较 弱； 而在高流速下， 流体对金属 表面产生的附加剪切力增大， 同 时固相颗粒碰撞金属表面的速度 和频率也增大， 冲刷作用占主导 地位， 随流速的提高， 液固双相 流冲刷对表面膜的破坏作用加剧， 导致钝化膜剥落， 裸金属重新暴 露出来， 从而加剧金属的冲刷腐 蚀 ［４］。
" "ｔ
（ ρε） ＋ " "ｘｊ
（
ρｖｊ
ε） ＝
" "ｘｊ
（ μｅ· σε
"ε） "ｘｊ
＋
ε（ ｋ
Ｃε１
Ｇｋ
－
Ｃε２
ρε＋Ｃε３
ρＧｓ
）
（ ４）
μｅ ＝ μ＋ μＴ， μＴ＝Ｃμρｋ２／ε， Ｇｋ ＝μＴ
!! （ "ｖｉ ＋ "ｖｊ ）
"ｘｊ "ｘｉ
"ｖｉ ， "ｘｊ
Ｇｓ ＝－
ｋ
ρｓ ｉ τｒｓ
# $ ２（ ｋ－ Ｃｋ "ｋｋｓ
可见， 液固两相流体系中流 体对材料的冲刷和剪切作用， 再 加上固体颗粒的碰撞， 促进了腐 蚀过程。流体力学因素与电化学 腐蚀的交互作用不是简单的叠加 而是相互作用、彼此不可分割的。 冲刷腐蚀失重量可表示为 Ｗｔ ＝ Ｗｅ ＋ Ｗｃ ＋ Ｗｅｃ ， 其 中 Ｗｅ 、Ｗｃ 、Ｗｅｃ 分 别表示电化学腐蚀失重量、流体 力学冲刷失重量以及两者的交互 作用所产生的质量损失 ［７］。
ａ 进口端
ｂ 出口端 图 １ 管道进口与出口形貌
２．１ 数值模拟方程
２．１．１ 连续相基本方程
连续相时均连续方程为：
!ρ＋ ! !ｔ !ｘｊ
（ ρｖｊ ） ＝Ｓ＝－ ∑ｎｓ ｍｓ
（ １）
动量方程为：
! !ｔ
（
ρｖｉ
）
＋
! !ｘｊ
（ ρｖｊ ｖｉ ） ＝－
!Ｐ !ｘｉ
" # ＋ ! !ｘｊ
μｅ （
!ｖｉ !ｘｊ
６ ２００６．３
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＆ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ 技术产品版
图 ４ 液相剪切应力曲线
图 ５ 颗粒相剪切应力云
图 ６ 液相动压力云图
图 ７ 颗粒的冲刷曲线
３ 结论
（ １） 因为冲刷和腐蚀的联合 作用， 冲蚀机理比其他类型腐蚀 更复杂。液固两相流中， 固体颗 粒不是移去金属基材， 就是移去 腐蚀产物； 而液相中腐蚀介质的 作用下， 导致腐蚀发生。高速流 体击穿了紧贴金属表面几乎静止 的边界膜， 一方面加速了氧化剂 的供应和阴、阳极腐蚀产物的迁 移； 另一方面高速湍流对金属表