气液两相流动加速腐蚀的研究与CFD模拟

2022-09-11

一、引言

流动加速腐蚀 (Flow-accelerated Corrosion, 简称FAC) 是指通过增大流过管道壁面流体的湍动能和传质效率使得管道壁面的腐蚀速度明显加快的一种腐蚀现象[1], 是机械性冲刷和化学腐蚀或者电化学腐蚀联合作用的结果。当流体中含有不连续气相时即构成气/液两相的流动加速腐蚀。这种腐蚀现象广泛的存在于动力、石油、化工、核电等行业的冷凝水管中。

流动加速腐蚀过程是一个非常复杂的过程, 影响其腐蚀速度的因素比较的多, 腐蚀机理也随着工况条件的不同而有所差异。在气/液两相流体中, 流体力学因素受到流速、截面含气率、表面粗糙度等因素的影响。由于这些因素在试验过程中重复性比较差, 导致试验研究流体力学因素影响下的电化学腐蚀难度很大。本文考虑了流动状态下, 温度、p H值对电化学腐蚀的影响, 并且对Gopika Vinod、H.S.Kushwaha、D.C.Sliverman等人[2-3]提出的传质模型进行了研究, 通过对传质系数的精确化修正, 得出了流动加速电化学腐蚀的腐蚀模型。将此模型编写成UDF, 借助计算流体力学 (CFD) 仿真软件FLUENT的计算平台对某一泄漏失效的蒸汽凝水弯管的电化学腐蚀速率进行了计算, 得到的结果与实际情况吻合。

二、电化学腐蚀影响机制

温度的升高可以提高所有的化学反应速度, 电化学反应的速度也随着温度的提高而加快。温度升高可以增大溶液的导电率, 而且也促进了阴极的去极化, 同时加速了阴

极和阳极反应。由式 (1) 所示的Netnst方程式[4]可知, 温度的升高可以提高金属在给定溶液中的电极电位。在阳极区, 可使电极电位变得更正, 从而提高了腐蚀的速度。

其中Ee是金属在给定的溶液中的电极电位;Ee0;是金属的标准电极电位;R是气态常数;F是法拉第常数;T是绝对温度;[O2]是溶液中氧的溶解量;[H2O]是电化学腐蚀生成的水[OH-]溶液中氢氧根的浓度。

在流动状态下, 管道壁面的腐蚀产物是通过扩散进入到流体中的, 在此过程中扩散系数的大小受到了温度的影响, 从而影响了电化学腐蚀速率。通过对Bryan Poulson的实验数据的研究, 发现温度与扩散系数之间存在如下关系[2]:

其中D为扩散系数, cm2/s;T是温度, ℃。

2.2 p H值对电化学腐蚀的影响

一般情况下, 铁的最终腐蚀产物是Fe3O4。相应的腐蚀反应是3Fe+4H2O=Fe3O4+4H2↑, Fe3O4会在管道壁面形成一层保护膜。在阴极区发生2H+2e→H2↑的反应, 如果溶液显酸性就加速了阴极的反应, 使得整个腐蚀反应的平衡向右移动, 从而加速了腐蚀。但是也不是溶液显碱性就会阻碍腐蚀的发生。通过用盐酸和氢氧化钠溶液来调节溶液的p H值, 得到了铁在不同的p H值的下与腐蚀量的关系曲线如图1所示[5]。从图中可以看到p H值保持在10~11时腐蚀量比较小, 过高或者过低都会加速腐蚀。

三.流动加速电化学腐蚀的模型探讨

传质的定义带有一定的经验性质。设想一种物质由某一界面迁移进入一个混合均匀的溶液中, 迁移量正比于浓度差及截面面积, 则

其比例系数k被称为传质系数。从定义上可以看出, 传质系数是一个通过试验求得的常数。学者们研究发现传质系数可以用三个无因次准数表示, 即Sh (舍伍德准数) 、Sc (施密特准数) 、Re (雷诺准数) , 其关系为

在试验工艺条件相同的情况下, 几何体形状不同所测得的传质系数就不一样。因此, 将传质系数k分为两部分, 第一部分是独立于几何体形状的边界层传质系数kh;第二部分是与流体在几何体表面形成膜的形状有关的表面膜传质系数kf[6], 其表达式如下:

其中a, b, c, e为常数。式 (4) 、 (5) 、 (6) 考虑了不同几何形状对传质系数的影响, 那么管道传质系数的测量就可用价格低廉、易操作的旋转圆盘试验来代替, 但是上述公式没有考虑到局部流场对传质系数的影响。电化学腐蚀从理论上来说是一个均匀性腐蚀, 即在金属表面的腐蚀程度应该处处相等, 但是在实际工程问题上, 由于局部流场的畸变使得电化学腐蚀变成了非均匀性腐蚀。通过对弱碱性电化学腐蚀的深入分析, 发现管道壁面上的电化学腐蚀产物是Fe (OH) 3, 该物质难溶于水, 因此传质就不是简单的离子扩散过程而是受到局部流速、湍动能、腐蚀产物浓度影响的分散过程。基于因次分析法, 归纳实验值, 可以得到如下表达式[7]:

式 (9) 是湍流条件下的Peclet数, 根据试验取1.98。则用分散系数E代替施密特准数中的扩散系数D, 式 (6) 可修正为

这样传质系数不但考虑了难溶物质的分散过程, 而且也考虑了到流体温度对可溶性铁离子的扩散过程, 根据Bryan Poulson提供的实验数据回归得到受传质系数以及流体p H值控制下电化学腐蚀速率模型可写成

其中:cort为腐蚀速度, mm/year;F为法拉第电子常数; 为不溶物质的浓度梯度;p H表示流体的p H值

四、CFD模拟与结果讨论

FLU ENT是由美国FLU ENT公司于1983年推出的CFD软件, 它是继PHOENICS软件之后的第二个投放市场的基于有限体积法的软件。该软件不但拥有求解一般性问题的超强能力, 而且用户可以通过编写UDF接口命令来解决一些特殊性的问题。

本文首先通过FLUENT自带的一些模型, 模拟出弯管内任意位置流场的基本信息, 然后通过编写UDF接口命令, 将复杂的电化学腐蚀传质过程与基本流场信息相结合, 从而得到弯管内任意位置的电化学腐蚀速率。实际工程问题往往都是高湍流问题, 计算采用可实现k-ε两方程湍流模型与MIXTURE两相流模型;离散时时间项采用隐格式;对流项采用二阶迎风格式;压力项采用PRESTO!算法;压力-速度耦合方程的求解采用PISO方法。k-ε模型是高雷诺数湍流模型, 但是对近壁面流场的模拟效果不理想, 因此在近壁面运用湍流修正, 从而使壁面处受粘性力影响的区域也能用网格划分来解决, 这种方式被称为“近壁面模型”法。计算时进口处采用速度边界条件, 出口处采用压力边界条件。

为了验证上述模型, 以某装置一泄漏失效的蒸汽凝水弯管为例进行分析。该蒸汽凝水管线在扩能改造后的工况参数见表1。90°弯管的三维模型如图2所示, 单元类型采用六面体单元, 单元数371482。经过计算得到该弯管的对称面速度分布如图3所示, 壁面剪切应力如图4所示。

从图4可以看出, 在弯管内弯曲面的某处壁面剪切应力达到最大, 弯管外弯曲面 (背部) 的壁面剪切应力全部低于整个管道壁面剪切应力的平均水平。按照壁面剪切应力指示流动加速腐蚀的理论[3], 则弯管内弯曲面的腐蚀速率应该高于外弯曲面的腐蚀速率, 弯管的内弯曲面应首先出现漏点, 但是此结论与实际情况完全相反 (如图5所示失效弯管) 。分别以逆时针方向对弯管内外弯曲面取观测点如图6所示, 计算得到其速度值、壁面剪切应力值、腐蚀速率 (corrosion rate) 分别见图7和图8。

从图7、图8可以看出, 腐蚀速率与速度成反比。这是因为电化学传质是一个过程, 需要一定的时间, 若流过壁面的流体速度太快, 则壁面还没有来得及发生传质。当然这里没有考虑到粒子撞击壁面的影响。对照图4就可以清楚的看到, 弯管内弯曲面的最大壁面剪切应力处的腐蚀速率只有0.49mm/year, 而弯管外弯曲面的平均腐蚀速率为0.57mm/year, 外弯曲面腐蚀速度最大处达到了0.604mm/year。为了讨论在气液两相流环境中流体流速和截面含气率的影响, 运用此模型对相同雷诺数下不同流速和相同主体流速不同截面含气率的弯管进行了模拟, 得到的结果如图9、图10所示。

从图9可以看出在相同的雷诺数下, 随着流速的增加其腐蚀速率是降低的, 而且随着流速的无限增大腐蚀速率逐渐向某一值靠近。从图10可以看出流速一定的条件下随着截面含气率的升高腐蚀速率是逐渐降低的。当管道中的流体以气相为连续相、液相为离散相时, 腐蚀速率下降的梯度明显增大 (图中截面含气率大于0.7时) 。以上分析说明, 在主流体速度一定的条件下高含气率能有效的减小电化学腐蚀速率。

图11、图12是经计算得到的流动状态下温度、p H值与腐蚀速度关系。从图11可以看出温度在150℃时腐蚀速度最大, 随着温度的逐步升高, 腐蚀速度减小, 而且下降的速度比较快。从图12可以看出, p H值在8以前腐蚀速度最快而且基本相等, 当p H值达到8.5时腐蚀速度急剧下降。

结论

(1) 本文考虑了局部流速对传质过程的影响, 通过对传质系数的修正, 深入研究了流动加速腐蚀的过程, 在主流体速度不变的情况下, 随着局部流速的增加腐蚀速率有所降低;且通过CFD仿真软件FLUENT得到了弯管内任意处的电化学腐蚀速率, 其结果与实际工程基本吻合。

(2) 运用改进的流动加速电化学腐蚀模型, 模拟了管道的电化学腐蚀情况, 证明了壁面剪切应力不具备流动加速腐蚀的指示性;但是, 可以作为测量传质系数的工具。

(3) 在主体流速不变的情况下, 局部流速和截面含气率的增加会降低电化学腐蚀速率。

(4) 在工况条件允许的情况下, 提高温度、增加p H值能有效的减小腐蚀速度。

摘要：利用Peclet准数计算得到了分散系数, 并用分散系数精确修正了D.C.Sliverman等提出的电化学腐蚀传质模型中的传质系数, 该传质系数综合考虑了不溶物质的分散过程以及可溶离子的扩散过程, 提出了受温度、pH值、以及局部流场综合作用下的流动加速电化学腐蚀的计算模型, 并据此模型编写了UDF接口命令, 运用计算流体力学软件FLUENT, 对某一泄漏失效的蒸汽凝水弯管的电化学腐蚀速率进行了计算, 得到的结果与实际情况吻合。

关键词：气液两相流,CFD,温度,pH值,流动加速电化学腐蚀