1 多相流腐蝕問題

    多相流的現象普遍存在于能源電力、石油化工、制冷、低溫、介質輸運、環境保護及航天技術等許多工業部門。多相流問題復雜，涉及流體力學、物理化學、傳熱傳質學、燃燒學等多個學科。

    與單相介質腐蝕相比，多相介質腐蝕情況更為復雜，由于多種因素的交互作用，其腐蝕速率通常也比單相流要高很多。例如，油氣井下流體和管道內流體，很多屬于氣（硫化氫、二氧化碳、氧等腐蝕成分）、液（烴類液體和含鹽的水）、固（砂和其他微粒）多相混合流動的復雜狀態，其對管道內壁的腐蝕作用起到很大的影響。

    從近些年有關多相流腐蝕領域的論文發表數量來看，國內在90年代以前還鮮有報告，而在2000年以后，論文發表數量呈明顯上升趨勢，近些年更是達到新高，國內對多相流腐蝕問題的關注呈明顯上升趨勢，成為了一大熱點。

    多相流腐蝕問題的研究主要集中在石油天然氣行業，另外也包括了石化裝置的反應流出物空冷器管束、煤化工的煤液化管道、船用螺旋槳、水力葉片以及風力發電葉片的沖蝕磨損等行業關注的問題。

    多相流腐蝕領域的研究中，數值仿真模擬是多相流領域中最關注的部分，而模擬的主要對象有兩部分，分別是二氧化碳腐蝕以及沖刷腐蝕，另外涉及到的方向還包括緩蝕劑的影響、流型中的段塞流現象。仿真模擬的手段目前主要是采用數學模型的計算方法或借助CFD進行，OLGA軟件作為石油行業領域的一款權威的商業化多相流模擬軟件，也被多篇論文所提及。

    2 多相流腐蝕的模擬仿真研究現狀

    現有的多相流腐蝕仿真研究主要從兩個方面展開，一種是針對流體中的顆粒對設備或管道內壁造成的沖刷腐蝕的模擬仿真，以流體介質中的顆粒沖擊侵蝕機理，更偏向于研究對材料表面產生的物理破壞，得到的數據為材料表面損失率；另一種是針對管道中的腐蝕（特別是二氧化碳腐蝕）模型的仿真，是以電化學腐蝕過程為機理，考慮了流體對腐蝕過程產生的影響，如傳質、傳熱和濃度變化等，從而得到材料表面的腐蝕速率。這兩種方法目前都有成熟的商用仿真軟件，前者以流體仿真軟件Fluent為代表，后者以多相流模擬軟件OLGA為代表。

    在流體仿真軟件Fluent里的DPM離散相模型自帶侵蝕模型（erosion），可以模擬流體介質的侵蝕過程，得到顆粒對管道沖刷減薄的速率。但是由于沒有專門的腐蝕模型，所以這個過程不適合于二氧化碳腐蝕的模擬仿真。

    多相流模擬軟件OLGA里添加了腐蝕模塊，可以模擬出系統內不同部位的管道的二氧化碳、pH值分布等，并根據內置的腐蝕模型計算得到管道腐蝕速率的變化規律。它是一種系統級的仿真軟件，得到的主要是不同部位和時間的腐蝕結果。腐蝕模塊的三種模型都是根據大量的試驗后進行修正，在油氣、石化行業具有較強的適用性，但是用戶無法修改模型參數，限制了它的適用范圍。另外，OLGA的腐蝕模塊并不能針對某個管道局部區域進行仿真，所以不適用于具有局部腐蝕特征的管道分析。

    2.1 二氧化碳腐蝕模型

    由于二氧化碳腐蝕是油氣工業、石化工業中經常遇到的嚴重腐蝕之一。多相流腐蝕模型中最基本的就是二氧化碳腐蝕模擬。國外石油公司以及科研院所已經對二氧化碳腐蝕速率預測問題開展了長期的研究工作。目前，腐蝕速率預測模型主要可以分為三種類型，包括經驗模型、半經驗模型以及機理模型。

    2.1.1 經驗模型

    經驗模型是完全以實驗室數據和現場數據為依據總結出來的預測模型，最為著名的就是挪威的Norsok M506模型。Norsok模型是根據低溫實驗數據和高溫 現場數據而建立的經驗模型。這一模型已經成為挪威石油工業在抗二氧化碳腐蝕選材和確定腐蝕裕量設計的一個重要標準。該模型適用于20~150℃、pH值3.5~6.5、壓力高于1個大氣壓的工況，其他參數的適用范圍在標準中給出，該標準給出了詳細的計算公式，用于計算二氧化碳腐蝕速率。在OLGA軟件中包括了這種模型。

    2.1.2 半經驗模型

    半經驗模型是目前應用較多的一種預測模型，其中以Shell公司的de Waard 模型應用最為廣泛，這個模型的建立也是一個認識逐步提高的過程，其中最初的SHELL75只考慮溫度和二氧化碳分壓的影響；SHELL91考慮了介質中pH值和Fe2+濃度、腐蝕產物膜、原油等因素的影響；SHELL93則對91模型的修正因子做了修改，且初步提出了流速影響論；SHELL95模型進一步考慮了介質傳輸過程和流速的影響。近些年，de Waard根據油-水-管之間的界面張力，研究了原油比重和含水率對腐蝕速率的影響，得出了新的原油影響因子公式。

    de Waard SHELL 95模型表達式：

    在de Waard模型的基礎上，各個大的石油公司以及科研機構都作出了自己的半經驗型預測模型，這其中有名的有BP公司的Cassandra模型，Intertech公司的ECE模型和InterCorr的Predict模型等。OLGA軟件中也加入了de Waard 95模型。

    2.1.3 機理模型

    機理模型主要從二氧化碳腐蝕的微觀機理出發，結合材料表面的化學、電化學反應，離子在材料與溶液界面處的傳質過程，以及離子在腐蝕產物膜中擴散與遷移過程等建立的預測模型。其中比較著名的是俄亥俄州立大學的Nesic教授根據二氧化碳腐蝕過程反應動力學建立的模型。機理模型相對前兩種模型更為復雜，需要考慮的影響因素更多。

    2.2 沖刷腐蝕模型

    沖蝕失效是腐蝕性流體介質與多相流動協同作用引起的材料失效現象。國內外學者通過數值模擬、實驗研究等研究手段也進行了大量的研究。主要集中在特定流體、在特定材質管道中流動產生的沖刷腐蝕破壞研究，流體動力學參數（如流速、壓應力、剪切應力、湍流強度等）分布情況分析，沖蝕失效表征參數研究，腐蝕介質（S2-、Cl-、固體顆粒等雜質元素）和工況參數（溫度、壓力、濃度、pH值）等因素對沖蝕破壞的影響研究。

    這方面的研究進展主要有：Heitz等人把質量傳遞、流型、流態同沖蝕行為相關聯，取得了許多重要的研究成果；API RP-14E對氣液兩相流壓力管道沖蝕提出了設計準則，給出了極限速度Ve的概念。俄亥俄州立大學的Nesic教授對換熱器管箱，通過流體動力學計算分析流體的沖蝕破壞，證實了壁面的湍流強度可預測復雜結構管道的沖蝕現象；Bozzini等人針對彎管四相流體介質（包括兩相不可相溶的液體、氣體和微顆粒的固體）進行了流動數值模擬，并結合實驗研究尋找沖蝕破壞的主要影響因素。

    國內的北京化工大學的林玉珍教授團隊采用數值計算法與實驗研究相結合，設計搭建了旋轉式和管流式兩種流動模擬裝置，對碳鋼在鹽水溶液中層流、湍流狀態下的沖蝕進行了研究。中科院金屬所的鄭玉貴教授團隊研制的激光多普勒測試裝置，通過失重測試、形貌觀察、局部流速流態測試和典型部位的電化學測試，研究突擴管條件下不銹鋼在單相及含砂人工海水介質中的沖刷腐蝕機理，分析流速流態、攻角以及顆粒性質等流體力學因素對沖蝕的影響機制，并進行了相應的沖刷腐蝕過程的數值模擬研究；吳欣強、敬和民等人研究了碳鋼在高溫環烷酸介質中的沖刷腐蝕行為，并考察了碳鋼在工業煉油環境中的抗沖蝕性能，得到了酸值、溫度和流速是影響碳鋼環烷酸沖刷腐蝕行為的主要因素等研究結果。浙江理工大學偶國富教授團隊針對加氫裂化空冷器多相流沖蝕破壞進行了研究，發現各相態相分率和剪切應力對流體管道沖蝕破壞失效位置及沖蝕速率影響很大，水相相分率大、剪切應力大的部位恰好是實際工程中穿孔泄漏的部位。

    3 多相流腐蝕的模擬仿真的主要問題

    國內外的多相流腐蝕的模擬仿真研究中主要有以下幾個問題：

    a） 從概念上區分多相流的腐蝕、物理侵蝕磨損以及兩者的交互作用對腐蝕速率的影響；

    b） 目前的仿真模型主要是基于二氧化碳腐蝕模型上，還需要對其他腐蝕機理進行研究，建立更加準確的腐蝕模型；特別是各種高溫、高壓的多相流環境下的腐蝕壽命預測模型的建立；

    c） 從流體力學角度考慮流固耦合過程、薄膜斷裂力學和電化學動力學的交互作用行為和機理研究；

    d） 把計算流體力學、微區電化學測試和微觀表征測量技術手段相結合，研究多相流腐蝕問題，提高仿真模擬結果的準確性。

    4 多相流腐蝕的模擬仿真研究思路

    多相流腐蝕的模擬仿真研究可分為以下幾個步驟：

    1） 對指定多相流腐蝕案例的描述；

    2） 分析腐蝕機理、選擇相應的模型，如無現有模型，也可選擇相近模型，然后進行參數修正；

    3） 提供部件材質、幾何尺寸、運行工況、流體介質參數等具體信息；

    4） 進行CFD仿真模擬；

    5） CFD仿真結果與實驗數據比較，模型修正；

    6） 軟件封裝和調試、發布；

    7） 根據新的案例在軟件中添加新的腐蝕模型，對仿真軟件進行升級及日常維護。

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責任編輯：王元

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