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單相流條件下90°水平彎管沖刷腐蝕行為研究

2020-05-19 15:28:18 作者：胡宗武,劉建國(guó),邢蕊,尹法波來(lái)源：中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào) 分享至：

摘要

通過(guò)自行設(shè)計(jì)的管流式實(shí)驗(yàn)裝置，采用失重測(cè)量、表面分析等方法，研究了單相流條件下90°水平彎管不同部位的沖刷腐蝕行為。結(jié)果表明：?jiǎn)蜗嗔鳁l件下，90°水平彎管不同部位的沖刷腐蝕速率主要集中在2.11~3.29 mm/a，彎管的內(nèi)側(cè)及出口處的外側(cè)沖刷腐蝕比較嚴(yán)重。流動(dòng)條件下的沖刷腐蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于靜止條件下的純腐蝕速率，機(jī)械沖刷對(duì)腐蝕過(guò)程起到促進(jìn)作用，介質(zhì)流動(dòng)是引起沖刷腐蝕速率大大增加的主要原因。試樣表面存在面積較大的沖刷腐蝕坑點(diǎn)和溝槽，溝槽具有明顯的方向性，溝槽的方向與局部流體流動(dòng)的方向一致。

關(guān)鍵詞： 單相流 ; 90°水平彎管 ; 沖刷腐蝕 ; 交互作用 ; 腐蝕形貌

在流動(dòng)條件下，金屬表面與腐蝕介質(zhì)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，引起金屬腐蝕速率加劇，這種腐蝕過(guò)程稱為沖刷腐蝕[1]。在液/固兩相流條件下，沖刷腐蝕更為嚴(yán)重，單相腐蝕介質(zhì)在流動(dòng)條件下，也會(huì)引起腐蝕速率的增大[2,3,4]，特別是暴露在運(yùn)動(dòng)流體中的機(jī)械設(shè)備，如彎管、三通、閥門等都會(huì)遭受嚴(yán)重的沖刷腐蝕，使設(shè)備壁厚迅速減薄[5,6,7]，使用壽命大大縮短，甚至?xí)a(chǎn)生嚴(yán)重的安全事故，造成重大的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失。

沖刷腐蝕是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，受到諸多因素的影響[8,9,10]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)金屬?zèng)_刷腐蝕的研究做了大量工作，大多數(shù)研究者采用數(shù)值模擬的方法研究流動(dòng)介質(zhì)對(duì)金屬的機(jī)械沖刷過(guò)程[11,12,13,14]，以揭示流體流動(dòng)特性對(duì)沖刷腐蝕過(guò)程的影響，但無(wú)法對(duì)沖刷腐蝕過(guò)程建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值模擬研究，無(wú)法揭示機(jī)械沖刷與電化學(xué)腐蝕交互作用的機(jī)理。曾莉[15]采用CFD數(shù)值模擬的方法研究90°彎管段的流動(dòng)特性，結(jié)果表明：彎管內(nèi)側(cè)流速和剪切力較大，彎管外側(cè)流速和剪切力較小。杜強(qiáng)等[16]通過(guò)對(duì)液/固兩相流條件下90°彎管沖蝕進(jìn)行數(shù)值模擬認(rèn)為：彎管外側(cè)沖刷腐蝕最為嚴(yán)重，出口直管段的沖刷腐蝕次之。也有一些研究者通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了沖刷腐蝕過(guò)程[17,18,19,20]，對(duì)電化學(xué)腐蝕與流體動(dòng)力學(xué)之間的交互作用有了一定的認(rèn)識(shí)[21,22]。本課題組[23]量化了液/固兩相流條件下90°水平彎管不同部位的純腐蝕速率、純沖刷速率、沖刷對(duì)腐蝕速率的改變量和腐蝕對(duì)沖刷速率的改變量，結(jié)果表明：機(jī)械沖刷在沖刷腐蝕過(guò)程中起到主導(dǎo)作用，電化學(xué)腐蝕也發(fā)揮著重要作用。Zeng等[24]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法研究了液/固兩相流條件下90°彎管的沖刷腐蝕行為，結(jié)果表明：彎管不同部位的沖刷腐蝕速率不同，沖刷腐蝕速率與介質(zhì)流動(dòng)特性、沙粒的濃度分布相一致。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)沖刷腐蝕過(guò)程的研究取得了一些成果，但對(duì)彎管不同部位的沖刷腐蝕行為認(rèn)識(shí)有限，對(duì)彎管沖刷腐蝕過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究很少，因此，有必要對(duì)單相流條件下彎管處沖刷腐蝕進(jìn)行深入研究。

本文通過(guò)自行設(shè)計(jì)的管流式實(shí)驗(yàn)裝置，采用失重法和表面分析等手段，研究了單相流條件下90°水平彎管不同部位的沖刷腐蝕行為，旨在表征90°水平彎管不同部位的沖刷腐蝕特征，揭示彎管處沖刷腐蝕破壞的機(jī)理。本研究有望為沖刷腐蝕環(huán)境下管道腐蝕防護(hù)工作提供指導(dǎo)，這對(duì)保證油氣管道的安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為自行設(shè)計(jì)的管流式?jīng)_刷腐蝕實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。實(shí)驗(yàn)裝置主要由水箱、離心砂泵、變頻器、電磁流量計(jì)、含砂取樣裝置、冷卻系統(tǒng)、閥門、溫度計(jì)、壓力表和管道等設(shè)備構(gòu)成[23]。水箱的容量為270 L，內(nèi)裝有冷卻盤管，用于控制溶液的溫度；管道直徑為50 mm。

圖1 管流式實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2為一種自行設(shè)計(jì)的可拆卸式90°測(cè)試彎管。測(cè)試彎管的曲率半徑是直徑的1.5倍，包括內(nèi)側(cè)部分和外側(cè)部分兩部分，測(cè)試彎管內(nèi)壁設(shè)有42個(gè)凹槽，凹槽的直徑為11 mm，中心深度為3 mm。凹槽用于安裝腐蝕試樣，實(shí)現(xiàn)對(duì)彎管不同部位沖刷腐蝕的測(cè)試。試樣的規(guī)格尺寸與凹槽的尺寸相匹配，保證涂封試樣后試樣表面與彎管內(nèi)表面平齊，不影響彎管不同部位局部介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)。

圖2 測(cè)試彎管剖視圖

為了方便分析，對(duì)測(cè)試彎管上42個(gè)試樣進(jìn)行編號(hào)，圖3為90°水平彎管上角度及編號(hào)的示意圖。12代表位于軸向角θ=0°、環(huán)向角φ=90°處的試樣。44代表位于軸向角θ=45°、環(huán)向角φ=225°處的試樣。

圖3 彎管角度及試樣編號(hào)示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為3.5% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） NaCl溶液，用去離子水和分析純的NaCl配置而成；溫度為25 ℃；壓力為常壓；介質(zhì)流速為2.5 m/s；沖刷腐蝕時(shí)間為36 h；實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，更換實(shí)驗(yàn)溶液；采用精度為0.1 mg的電子天平測(cè)量試樣在實(shí)驗(yàn)前、后的重量。

試樣材料為20#碳鋼，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為：C 0.19，Si 0.28，Mn 0.52，Cr 0.25，Ni 0.3，Cu 0.25，P 0.035，S 0.035，F(xiàn)e余量。通過(guò)線切割技術(shù)將其加工成尺寸規(guī)格為7 mm×7 mm×3 mm的試樣，工作面的面積約為0.49 cm2，試樣背面有編號(hào)。實(shí)驗(yàn)前先將試樣的工作面依次經(jīng)200#，400#，600#，800#和1000#水砂紙打磨，然后依次用丙酮除油、無(wú)水乙醇脫水，最后放在真空干燥器至少干燥24 h，待用[23]。

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

純腐蝕實(shí)驗(yàn)在靜態(tài)條件下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)前，用快速固化膠將試樣的一個(gè)面粘在燒杯底部，保證其它5個(gè)面浸泡在3.5%NaCl溶液中。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將燒杯放置在恒溫水浴中，保證溶液溫度為25 ℃。根據(jù)腐蝕前、后試樣的質(zhì)量計(jì)算試樣的腐蝕速率，取3個(gè)試樣的平均值作為純腐蝕速率。

沖刷腐蝕實(shí)驗(yàn)前，采用電子天平測(cè)量試樣的重量，用游標(biāo)卡尺測(cè)量試樣的尺寸，做好數(shù)據(jù)記錄。用硅膠將42個(gè)試樣逐一涂封在彎管的凹槽內(nèi) （如圖4所示），保證試樣表面與彎管內(nèi)表面平齊，將彎管的內(nèi)側(cè)部分和外側(cè)部分組裝起來(lái)，最后將彎管放置至少24 h，保證硅膠充分固化。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，清除試樣表面的硅膠及雜物，用清洗液（由500 mL HCl+3.5 g六次甲基四胺+500 mL去離子水配制而成）清除試樣表面的腐蝕產(chǎn)物。同時(shí)，放置3個(gè)空白對(duì)比試樣，清洗時(shí)間約為10 min。用去離子水反復(fù)清洗試樣，保證清洗掉試樣表面的清洗液，然后用定性濾紙吸干，放入無(wú)水乙醇中脫水3~5 min，再用酒精脫水，最后放置于真空干燥器中干燥至少24 h。待試樣干燥后，逐一稱量實(shí)驗(yàn)后試樣的質(zhì)量以及空白對(duì)比試樣的質(zhì)量；選取彎管典型位置的試樣，使用體式顯微鏡觀察試樣在清除腐蝕產(chǎn)物前、后的宏觀形貌；使用Zeiss Axio Imager A2m型3D共聚焦顯微鏡觀察試樣的3D腐蝕形貌，并測(cè)量試樣表面的最大溝槽深度。

圖4 封裝試樣后的測(cè)試彎管實(shí)物圖

2 結(jié)果與討論

2.1 純腐蝕速率

靜止條件下，90°水平彎管不同部位只受到腐蝕介質(zhì)的電化學(xué)腐蝕作用，不受機(jī)械沖刷的作用，因此，90°水平彎管不同部位的腐蝕速率相同。根據(jù)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)的失重量計(jì)算的純腐蝕速率為0.24 mm/a，純腐蝕速率很小。

2.2 沖刷腐蝕速率

圖5為90°水平彎管不同部位的沖刷腐蝕速率。可知，90°水平彎管不同部位的沖刷腐蝕速率不同，主要集中在2.11~3.29 mm/a之間，沖刷腐蝕比較嚴(yán)重的區(qū)域出現(xiàn)在彎管的內(nèi)側(cè)及出口處的外側(cè)。研究人員[15,25]認(rèn)為，90°彎管內(nèi)側(cè)流速和剪切力較大，彎管外側(cè)流速和剪切力較小。Liu等[21]研究認(rèn)為，在彎管出口處，由于彎管幾何形狀的影響，形成了二次流[26]，出口處外側(cè)的流速增大，沖蝕較為嚴(yán)重。因此，90°水平彎管不同部位的流動(dòng)特性不同，介質(zhì)對(duì)不同部位試樣表面的沖刷剪切作用也不同，造成彎管不同部位沖刷腐蝕速率的差異。90°水平彎管內(nèi)側(cè)介質(zhì)流速較大，試樣表面受到介質(zhì)的沖刷剪切作用較強(qiáng)，沖刷腐蝕速率較大。在90°水平彎管的出口處，由于二次流的影響，導(dǎo)致出口處彎管外側(cè)部分的沖刷作用增強(qiáng)，沖刷腐蝕速率增大。

圖5 彎管不同部位的沖刷腐蝕速率

90°水平彎管不同部位的沖刷腐蝕速率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于靜止條件下的純腐蝕速率，這是由于流動(dòng)條件下流體對(duì)試樣表面有一定的機(jī)械沖刷作用，使得金屬表面的腐蝕產(chǎn)物不斷地脫落，新的金屬基體裸露在腐蝕介質(zhì)中，引起金屬不斷地溶解，金屬表面出現(xiàn)許多凹凸不平的腐蝕坑點(diǎn)，增加了金屬與腐蝕介質(zhì)之間的接觸面積，從而促進(jìn)腐蝕過(guò)程的進(jìn)行。同時(shí)，介質(zhì)的流動(dòng)提高了氧擴(kuò)散系數(shù)和電荷轉(zhuǎn)移速度，去極化過(guò)程促進(jìn)了電化學(xué)腐蝕的陰極、陽(yáng)極反應(yīng)，加快了腐蝕過(guò)程[23]，從而導(dǎo)致流動(dòng)條件下的沖刷腐蝕速率大大增加。因此，單相流條件下，介質(zhì)流動(dòng)是引起水平彎管不同部位沖刷腐蝕速率大大增加的主要原因，這為今后進(jìn)一步研究液/固兩相流或多相流環(huán)境下沖刷腐蝕的機(jī)理提供了理論指導(dǎo)。

2.3 表面分析

2.3.1 宏觀腐蝕形貌

圖6為水平彎管外側(cè)中部和內(nèi)側(cè)中部（環(huán)向角φ=90°和270°方向）清除腐蝕產(chǎn)物前試樣表面的沖刷腐蝕形貌。可知，清除腐蝕產(chǎn)物前試樣表面覆蓋著一層黃褐色及黑色的腐蝕產(chǎn)物，試樣表面存在明顯的沖刷腐蝕痕跡，局部基體出現(xiàn)片狀脫落，形成了沖刷腐蝕坑點(diǎn)和溝槽。試樣表面的沖刷腐蝕溝槽具有明顯的方向性，這是由于溶液的流動(dòng)腐蝕造成的，該結(jié)果與曹學(xué)文等[17]的研究結(jié)果一致。

圖6 環(huán)向角φ=90°與φ=270°方向清除腐蝕產(chǎn)物前不同試樣表面的沖刷腐蝕形貌

水平彎管不同部位試樣表面溝槽的大小和深度存在差異，不同部位的沖刷腐蝕程度存在差異。以位于水平彎管內(nèi)側(cè)中部的試樣35和位于水平彎管外側(cè)中部的試樣32為例，試樣35的沖刷腐蝕面積明顯大于試樣32的，試樣35的沖刷腐蝕比試樣32的更為嚴(yán)重，這是由于流體通過(guò)試樣35表面時(shí)的流速大于通過(guò)試樣32表面時(shí)的流速，因此流動(dòng)介質(zhì)對(duì)試樣35表面的機(jī)械沖刷作用大于對(duì)試樣32表面的，導(dǎo)致試樣35的沖刷腐蝕速率大于試樣32的，這與失重測(cè)試的結(jié)果相一致。

圖7為水平彎管外側(cè)中部和內(nèi)側(cè)中部（環(huán)向角φ=90°和270°方向）清除腐蝕產(chǎn)物后試樣表面的沖刷腐蝕形貌。可知，清除腐蝕產(chǎn)物后，試樣表面的沖刷腐蝕非常嚴(yán)重，局部金屬基體出現(xiàn)大面積的片狀腐蝕脫落，形成了面積較大的沖刷腐蝕坑點(diǎn)和溝槽，溝槽具有明顯的方向性，溝槽的方向與彎管局部區(qū)域介質(zhì)的流動(dòng)方向一致。在腐蝕介質(zhì)的作用下，試樣表面出現(xiàn)腐蝕坑點(diǎn)。由于溶液的流動(dòng)，增強(qiáng)了溶液對(duì)水平彎管不同部位的機(jī)械沖刷作用，機(jī)械沖刷與電化學(xué)腐蝕之間產(chǎn)生交互作用，使試樣表面腐蝕坑點(diǎn)的面積不斷增大，深度不斷加深，局部金屬基體脫落，相鄰的腐蝕坑點(diǎn)之間相互連通，沿著流體流動(dòng)的方向形成了溝槽，進(jìn)一步加速了金屬基體的溶解，從而形成了面積較大的沖刷腐蝕坑點(diǎn)和溝槽。水平彎管不同部位試樣的沖刷腐蝕形貌存在差異，這是由于水平彎管不同部位流體的流動(dòng)特征不同造成。

圖7 環(huán)向角φ=90°與φ=270°方向清除腐蝕產(chǎn)物后不同試樣表面的沖刷腐蝕形貌

2.3.2 3D腐蝕形貌

圖8為除去試樣表面的腐蝕產(chǎn)物后，采用共聚焦顯微鏡觀察的典型試樣的2D及3D沖刷腐蝕形貌。可知，試樣21表面的最大溝槽深度為67.0 μm，試樣74表面的最大溝槽深度為98.4 μm。單相流條件下，試樣表面的沖刷腐蝕形貌主要以坑點(diǎn)和溝槽為主，沖刷腐蝕坑點(diǎn)和溝槽的形狀不規(guī)則，深度較小，邊緣呈垂直狀，底部呈凹凸不平狀。取3次實(shí)驗(yàn)試樣表面最大坑深的平均值作為該試樣的最大坑深，得到90°水平彎管不同部位最大坑深的范圍為34.6~109.1 μm，不同部位試樣表面的最大坑深值不同，因?yàn)閺澒懿煌植繀^(qū)域流體的沖刷角度不同，對(duì)彎管不同區(qū)域試樣表面的沖刷與撞擊作用也不同，這與失重測(cè)試的結(jié)果相一致。

圖8 水平彎管上典型試樣的2D及3D沖刷腐蝕形貌

3 結(jié)論

（1）靜止條件下，90°水平彎管不同部位腐蝕速率相同，且純腐蝕速率很小。

（2） 90°水平彎管不同部位的沖刷腐蝕速率不同，主要集中在2.11~3.29 mm/a，90°水平彎管的內(nèi)側(cè)及出口處的外側(cè)沖刷腐蝕比較嚴(yán)重。

（3）沖刷腐蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于靜止條件下的純腐蝕速率，由于流動(dòng)條件下流體對(duì)試樣表面有一定的機(jī)械沖刷作用，對(duì)腐蝕過(guò)程起到促進(jìn)作用。單相流條件下，介質(zhì)流動(dòng)是引起水平彎管不同部位沖刷腐蝕速率大大增加的主要原因。

（4）單相流條件下彎管不同部位的流動(dòng)特性不同，沖刷腐蝕形貌也存在差異。彎管不同部位的沖刷腐蝕形態(tài)主要以坑點(diǎn)和溝槽為主，溝槽具有明顯的方向性。

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