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流体力学因素对液固两相流冲刷腐蚀的影响


第 35 卷 第 6 期 2006 年 11 月 文章编号 : 1000 - 7466( 2006) 06 - 0020 - 04

石 油 化 工 设 备 PET RO - CH EM ICA L EQ U IP M ENT

V ol 35 N o 6 N ov. 2006

流体力学因素对液固两相流冲刷腐蚀的影响<

br />代 真, 段志祥, 沈士明
210009) ( 南京工业大学 机械与动力工程学院 , 江苏 南京

摘要 : 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 ( CF D) 软件对流速、 流动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 。 关键词: 两相 流体; 冲 刷腐蚀; 流体力学; CF D; 模拟 中图分类号 : T Q 050. 9 文献标志码 : A

Factors on Erosion -Corrosion in Liquid -Solid Two -Phase Flow System
DAI Zhen, DUAN Zhi x iang, SH EN Shi ming ( College of M echanical and Pow er Engineering, Nanjing U niv ersity of T echnolog y, Nanjing 210009, China)

Abstract: Ero sion - corrosion in liquid - solid t w o - phase f low syst em is very co mplicated and inf lu enced by many facto rs. T he eff ect s of hydrody namic fact o rs on erosion - co rrosio n have been ana ly zed in det ail. A nd co mput ational f luid dy namics sof tw are is used t o sim ulat e act ual condit ions in the process of erosio n - cor rosio n by key hydro dynamic parameters such as f low rat e, shear st ress and t ur bulence int ensity near w all.

Key words : t w o - phase f low ; er osion - corro sion; hydrodynam ics; CFD; sim ulat ion
冲刷腐蚀又称为磨损腐蚀 , 是金属表面与腐蚀 流体之间由于高速相对运动而 引起的金属损 坏现 象, 是材料受冲刷和腐蚀交互作用的结果, 是一种危 害性较大的局部腐蚀 , 在石油、 化工等生产领域广泛 存在。暴露在运动流体中的所有设备, 如料浆输送 管道、 泵的过流部件和阀门等 , 都会遭受到冲刷腐蚀 的破坏, 尤其是在含固相颗粒的双相流中, 破坏更为 严重。 冲刷腐蚀是一个很复杂的过程, 影响因素众多, 主要包括材料 ( 冶金 ) 、 环境和 流体力学 3 个方面。 过去人们通过失重实验以及各种流动条件下的电化 学测量技术 , 对前两方面因素的影响做了较为深入 的研究 , 并开展了冲刷和腐蚀交互作用的研究, 以期 揭示冲刷腐蚀的本质
[ 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

气和溶液温度对除湿量的影响不明显。④得到的关 联式与实验吻合较好, 可以用来分析溶液与空气进 口参数对除湿效果的影响。
参考文献 :
[ 1] [ 2] 张 村 , 施明恒 . 3 种 太阳能液 体除湿空 调系统除 湿器的 比较 [ J ] . 节能技术与产品 , 2002, 23( 6) : 29 - 32. 徐学利 , 张立志 , 朱冬生 . 液体除湿研究与进展 [ J] . 暖通空调

H v& A C, 2004, 34( 7) : 22 -26. [ 3] Sanman W Y , A l izad eh S . An Experiment al St udy of a Cross Flow T ype Plat e H eat Ex changer for D ehu midif icat ion/ Coolin g [ J] . Solar Energy, 2002, 73( 1) : 59 -71. [ 4] A rsh ad K han Y . Cooling and Dehumidif icat ion Performance A nal ysis of Int ern all y -Cooled Liquid D esiccan t A bs or bers [ J ] . A pplied Thermal Engineering, 1998, 18( 5) : 265 - 281. ( 张编 )

收稿日期 : 2006 -05 - 26 作者简介 : 代 真 ( 1982 - ) , 男 , 山 东滨州人 , 在读硕士研究生 , 主要从事化工设备与管道的可靠性研究。

第6期



真 , 等 : 流体力学因素对液固两相流冲刷腐蚀的影响

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述都受到限制。 1 流体力学因素影响机制 1. 1
流体流速

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 对冲刷面产生撞 击作用。 随着冲刷角度变化 , 这两种损伤交织作用。 小角度冲刷时 , 水平分量作用较强, 因而切削是 材料损失的主要原因。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 , 此 时微切削和冲刷撞击共同作用产生的损伤最大, 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、 粒径大小及质量浓度。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 。颗粒质量浓度越大 , 冲 刷腐蚀速率的绝对值越大 , 但高质量浓度条件下颗 粒间的相互影响所引起的屏蔽效应使得其冲蚀效率 降低 。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。 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 m t = m e + m c + m ec , 其中, m e 、 m c 和 m ec 分 别为电化学腐蚀失重量、 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] 。 2 CFD 数值模拟 运用计算流体动力学 CFD 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[ 8] 。 石化行业中, 工业管道运行工况较为苛刻, 极易 产生局部冲刷腐蚀。受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 对某企业 1 台服役 10 a 的高压空冷器管束进行检 测时, 发现进口端腐蚀异常严 重, 而出 口端几乎完 好。文中采 用 FL U EN T 软件 对此 进行 了模 拟计
[ 6] [ 5]

介质的流动会产生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 着流速的提高, 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 着流速的提高, 在悬浮固相颗粒作用下 , 切力矩作用 增强 , 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, 不具有钝化特 性的金属冲刷腐蚀失重率随着 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

足够的氧化剂时才能产生钝态。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: ①在低流 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, 冲刷作用 相对较弱。②在高流速下, 流体对金属表面产生的 附加剪切力增大 , 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 , 随着流速 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, 金属重新裸露出来, 从而加剧了金属的 冲刷腐蚀[ 4] 。 1. 2
流体流动状态

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 ( 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 , 其对冲刷腐蚀的影响也不一样。 层流时, 供氧量比较少 , 但能形成保护膜 , 水体 对金属的切应力小, 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切应力。这种应力会将金属腐 蚀产物( 包括保护膜 ) 从基体上撕开并冲走, 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. 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

22













2006 年

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算, 并将计算结果与实际工况进行比较。 2. 1
数值模拟方程

x j v sj 2. 2 数值模拟方法

vs
s

ns vs + v si s xi

ns xj

( 6)

2. 1. 1 连续相基本方程 连续相时均连续方程 : t 动量方程 : t ( vi ) + vj xi 其中 xj ( vj v i ) = + ns m s
rs e

所模拟的流道为长 4 000 m m 、 半径 15 mm 的 ns m s ( 1) 圆管 ( x 方向定为长度方向 ) 。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。 整个模拟对象总共划分 网格约 12 240 个, 见图 1。 p+ xi xj
e

+

xj

( vj ) = S= -

vi + xj ( 2)

对液固两相间的湍流计算时采用 Standard k - 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 SIMP LE 方法 , 同时考 虑重力 影响。 文中计算所采用的液体为水 , 颗粒采用的是平 均直径 0. 01 m m, 质量分数 为 2% 的砂。液相在进 口为恒定速度边界条件 , 初始值按照实际工况直接 给定为3 m / s。 出口为自由出流边界条件 , 壁面为无 滑移壁面, 进口和出口的紊流强度均取为 10% 。颗 粒相在壁面上取为弹性反射条件, 出口则取为逃逸 ( 3) 边界条件。

( v si - v i ) + v sS
T 2

= + =

T

C k

标准 k - 双方程模型 : t xj t ( )+ k 其中 Gs= ( k) +
e k

xj

( vj k ) =

k + Gk + Gsxj
e

xj

( vj ) =

xj

xj

+ ( 4)

( G 1 G k - G 2 + G 3 Gs)
T

G k=
s k i rs

vi + xj

vj xi

vi xj vs s ns ns xi j)为 j ) 为速
图1 流道网格划分

2( k - C k
s

kk s ) + v i

式中 , 为连续相的密度 ,

= n s m s , 为离散相 的密

2. 3 数值模拟结果与分 析 连续方程、 动量方程和 k - 方程构成了封闭的 非线性偏微分方程组, 由于计算机容量有限, 在不影 响数值精度的前提下 , 对以上方程均采用了一阶上 风格式。经过 500 次的迭代计算之后, 收敛效果非 常好。 在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 0, 因此 , 可以不考速度 梯度影响。流形对腐蚀的作用也是通过切应力表现 为间接影响。在切应力的作用下, 腐蚀产生的保护 膜不断撕裂、 剥落 , 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腐蚀 [ 5] 。因此 , 本文的研究认

度, kg/ m 3 ; t 为时间, s; x i 、 x j ( i , j = 1, 2, 3, i 直角坐标轴 x 、 y 和z ; v i、 v j ( i , j = 1 , 2, 3, i v sj ( i , j = 1 , 2, 3 , i

度在 x 、 y、 z 方向上的分量 , v s 为颗粒 相速度, v si 、 j ) 为颗粒相速度在 x 、 y、 z 方向
3

上的分量, m/ s; p 为压力, Pa; m s 为颗粒质量, kg ; n s 为单位体积的颗粒数 , 个/ m ; k 为湍流动能; k s 为 颗粒相的湍流动能; 为湍流耗散率 ; 响应时间 ; 为粘性系数, 1 0,
e rs

为颗粒动力
T k

为有效粘性系数,

为 =

涡粘性系数; C 1 = 1 44, C 2 = 1 92, C 3 = 0 09,
s

= 1 3, 为湍流模型常数。

2. 1. 2 离散相基本方程 离散相的时均方程及动量方程 : ns + t t ( ns v si ) + xj xj ( n s v sj ) = xj vs xj
s

ns xj v si + xj v sj xi

定管道冲刷腐蚀主要是壁面切应力的作用 , 同时考 ( 5) + 虑其他因素的影响。液相切应力随管道内位置的变 化曲线及颗粒相切应力云图分别见图 2 和图 3 。由 图可见 , 液相与固相颗粒对管道的切应力在管道的 进口端均达到最大值 , 液相对管道的动压力也在管 道进口处出现了最大值 , 见图 4 。另外 , 颗粒的冲击

( ns v s j v si ) = ms + ms ms r s
rs

ns v s

ns ( v i - v si ) +

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真 , 等 : 流体力学因素对液固两相流冲刷腐蚀的影响

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也会使新裸露的金属表面发生塑性变形、 位错聚集 或者诱发微裂纹 , 使之处于高能区 , 在腐蚀原电池中 成为阳极区, 从而加速材料的腐蚀 。固相颗粒对 管道的冲刷量随管道内位置的变化曲线见图 5。由 图可见, 在进口端附近冲刷量最大 , 而在管道的中部 和出口端冲刷量几乎为 0。
[ 6]

速湍流对金属表面产生的切应力作用下 , 金属表面 的腐蚀产物不断剥离 , 使金属不断以金属离子的形 式溶入溶液 , 从而产生冲刷腐蚀。

图 5 颗粒的冲刷曲线

( 2) 采用流体动力学理论和 k - 双方程模型 , 较
图2 液相切应力随管道内位置变化的曲线

为成功地计算了管道流的 流动。数值 模拟结果表 明 , 管道进口端的动压力以及切应力最大 , 会对保护 膜和金属基体产生撕、 拉破坏, 颗粒对管道进口附近 的冲刷也最大。因此, 在管道进口端 , 流体力学因素 与电化学腐蚀相 互促进, 冲刷腐蚀行为比 较严重。 而沿管道轴向, 冲刷腐蚀作用逐渐减小, 管道出口端 几乎没有冲刷腐蚀破坏。模拟结果与实际情况符合 较好, 表明了模拟计算的可靠性 , 对于空冷器管束的 改造具有重要意义。
参考文献 :

图 3 颗粒相切应力云图

[ 1]

郑玉贵 , 姚治铭 , 柯

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图4

液相动压力云图
[ 6]

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3 结论 ( 1) 因为冲刷和腐蚀联合作用 , 冲刷腐蚀机理比 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, 在高

化工机械 , 2001, 28( 5) : 274 -276. ( 张编 )


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