機坪輸油管道沖刷腐蝕研究

康俊鵬

（陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

沖刷腐蝕通常是指由于腐蝕流體和金屬表面相對運動而使金屬表面發(fā)生腐蝕破壞的現(xiàn)象。在機坪輸油管道系統(tǒng)運行過程中，一方面航空燃油在一定的壓力和流速下沿管網(wǎng)系統(tǒng)流動，此時不可避免地會對管道系統(tǒng)產(chǎn)生磨損，尤其在管道拐彎或燃油流向發(fā)生急劇變化處（如90°彎管或T型管），管道磨損更加明顯；另一方面由于活性硫和微生物等腐蝕介質(zhì)的存在[1]，航空燃料具有一定的腐蝕性。因此在伴有磨損的腐蝕條件下，機坪輸油管道有可能會發(fā)生沖刷腐蝕從而影響整個系統(tǒng)的使用壽命。

1 沖刷腐蝕過程分析

1.1 沖刷腐蝕機理

沖刷腐蝕，又稱流動加速腐蝕是一個紊流沖刷和化學(xué)腐蝕協(xié)同作用的失效過程，該過程與單純的化學(xué)腐蝕或者單純的磨損有很大的不同，腐蝕行為和沖刷作用相互促進[2]。在腐蝕性環(huán)境中管材的金屬氧化膜表面容易產(chǎn)生可溶性的亞鐵離子，亞鐵離子的擴散受到濃度梯度的影響，而沖刷作用的存在加速亞鐵離子的擴散作用，從而加快了管道的腐蝕進程。因此該過程下的腐蝕速率絕不是兩者的簡單相加，而應(yīng)將紊流沖刷和腐蝕作為一個系統(tǒng)來綜合考慮和研究。

1.2 沖刷腐蝕主要影響因素

沖刷腐蝕實際上是材料表面的保護層溶解到流體中的過程，該過程受到多種因素的影響。結(jié)合國內(nèi)外的文獻，目前已經(jīng)確定的影響管道沖刷腐蝕的關(guān)鍵因素有：流體的流速、管道的結(jié)構(gòu)、流體中的第二相、流體的流動狀態(tài)、金屬的表面保護膜以及金屬材料的表面硬度等[3]。

流速對沖刷腐蝕的影響最為直接。一般來說，流體的流速越大，管道的沖刷腐蝕速率越大。開始時，在低流速的狀態(tài)下腐蝕速率隨著流速緩慢增加，這是因為該階段亞鐵離子從金屬表面遷移到溶液中是主要控制過程，增加液體的流動速度會降低金屬膜表面的腐蝕產(chǎn)物濃度，從而加快了亞鐵離子的傳質(zhì)速率，進而使得金屬的腐蝕速率增加，但該過程主要以金屬的均勻腐蝕為主；在高流速的條件下，流體剪切力大到可以破壞金屬表面的氧化膜，因此不僅均勻腐蝕嚴重，而且管材表面的局部腐蝕現(xiàn)象也隨之增加，在該流速條件下，腐蝕速率隨著流速急速上升。在低流速的狀態(tài)下，腐蝕主要受傳質(zhì)過程所控制，而在高流速情況下，腐蝕受力學(xué)作用與電化學(xué)過程控制[4]。

機坪輸油管道系統(tǒng)運行過程中發(fā)現(xiàn)，管道彎頭、變徑管、三通等部件的沖蝕磨損最為嚴重，這是因為這些管道部件的尺寸和形狀直接影響著流體的流動和方向，加劇了流體的湍流程度，使流體介質(zhì)流動出現(xiàn)局部旋渦，從而使管道部件受到更嚴重的沖刷腐蝕。

通常當(dāng)管道內(nèi)存在氣泡時，金屬管道的腐蝕程度會加劇。一方面在高速流體中，氣泡對管道的沖擊力不僅會破壞金屬表面原有的氧化膜，有時還會使材料的機體受到損傷從而造成金屬管材嚴重的腐蝕破壞；另一方面流體中存在氣泡會改變流體的流型，加劇了管道內(nèi)液體的紊流程度，從而進一步加速了腐蝕進程的進行。此外，管道內(nèi)流體的流動狀態(tài)也對管材的沖刷腐蝕速率有很大的影響，與層流相比，湍流增加了流體與材料之間的剪切應(yīng)力，同時加劇了金屬表面周圍的液體的攪動程度，腐蝕破壞程度更加嚴重[5]。

2 沖刷腐蝕模型的建立

機坪輸油管道系統(tǒng)中的90°彎管、T形管是最常使用的管道附件。這些管道附件會造成流體流向和速度的變化，造成管道附件局部渦流的產(chǎn)生，因此也是沖刷腐蝕情況最嚴重的地方。本文就機坪輸油管道系統(tǒng)中常見的易腐蝕管件如90°彎管和T形管的沖刷腐蝕問題展開討論，采用ANSYS 3.0軟件中Fluent模塊進行數(shù)值模擬，計算在不同的入口速度下的沖蝕減薄規(guī)律和特點，從而解釋腐蝕的破壞程度。

2.1 幾何模型的建立

本文所建立的90°彎管的幾何模型如圖1所示。其中水平管長H=2.5m，垂直管長V=2m，管徑D=0.3m，彎徑比R/D=1.5。

圖1 90°彎管幾何模型圖

T型管的幾何模型如圖2所示。其中T型管的水平管長L=5m，垂直段管長H=2m，且主管和分支管的直徑相等，D=0.3m。

圖2 T型管幾何模型圖

2.2 參數(shù)設(shè)置及邊界條件

本文采用標準k-ε模型，壓力速度耦合采用通用SIMPLE方法，擴散項采用二階迎風(fēng)差分格式，其余各項采用默認離散格式求解。其中航空煤油的密度ρ0=790kg/m3，動力黏度μ=0.012kg/m·s，油品中的含水率為η=30mg/kg，油品中水滴粒徑d=20μm。入口采用速度邊界條件，出口采用壓力邊界條件，航油的入口流速選取υ=1m/s。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 90°彎管模擬結(jié)果分析

1）腐蝕速率的分布。

流體在管道內(nèi)的流場非常復(fù)雜，尤其在彎管處，流體的速度和壓力都發(fā)生明顯的變化，由圖3、圖4可知，流體還沒有進入彎頭時，管道斷面上的壓力呈均勻分布，流體進入彎頭后，在靠近內(nèi)側(cè)處，壓力先減小后增大，在靠近外側(cè)處壓力先增大后減小，彎頭斷面上內(nèi)外壁壓差在彎頭彎曲的頂點部位達到最大，最后當(dāng)流體流出彎頭時，管道斷面上的壓力又重新呈現(xiàn)均勻分布。另外從彎頭速度分布圖可以看出，速度與壓力呈現(xiàn)相反的梯度分布，在靠近內(nèi)側(cè)處，速度先增大后減小，在靠近外側(cè)處，速度先減小后增大。

圖3 油品在彎管中的壓力分布圖

圖4 油品在彎管中的速度分布圖

這是因為當(dāng)流體進入彎頭時，流體流向發(fā)生改變，沿斷面有較大的離心力，在離心力的作用下，對彎頭外側(cè)形成擠壓作用，對彎頭內(nèi)側(cè)形成牽引作用，壓力沿離心力方向逐漸增大。而根據(jù)伯努利方程，同一流線上各點的單位質(zhì)量流體的總比能是唯一的常數(shù)，即沿流線某些能量有所增加，必定有其他能量在減少。因此，在比壓能增加的地方動能減少，而比壓能減少的地方動能增加。

由于在彎頭外側(cè)其動能極大程度轉(zhuǎn)化成了比壓能，從而導(dǎo)致液體作用于在這一區(qū)域壓力最大，對彎頭壁造成的沖擊力也最大，容易造成腐蝕產(chǎn)物膜的破壞，使管壁的金屬材質(zhì)再一次暴露在腐蝕介質(zhì)中，加快了化學(xué)和電化學(xué)的速度，使腐蝕進一步惡化，形成沖擊腐蝕。腐蝕速率如圖5所示。

2）速度變化對沖蝕結(jié)果的影響。

圖5 壁面受沖蝕速率分布圖

當(dāng)所選取的模型和管段的其他參數(shù)不發(fā)生變化，流速分別取1.0m/s、2.0m/s，3.0m/s，4.0m/s，5.0m/s時的模擬結(jié)果如表1所示。

表1 90°彎管模擬結(jié)果表

由表1可知，當(dāng)管徑不變，入口流速從1m/s增大到5m/s時，管路的沖蝕速率逐漸增大。當(dāng)管路中燃油流速充分大時，即達到5m/s時，管材的沖刷腐蝕量處于mm/a的數(shù)量級。

3.2 T型管模擬結(jié)果分析

當(dāng)主管和分支管的直徑D=300mm，且主管入口處的流速為1m/s時，T形管的模擬結(jié)果如圖6、圖7、圖8所示。

由圖6～圖8可知，在T型管中，流體流速和壓力的最大值出現(xiàn)在分支管和主管的連接處，且此時由于液體對于管材的不斷的沖擊，使得分支管入口處的沖蝕速率最大，沖刷腐蝕程度嚴重。當(dāng)逐漸增大主管入口處燃油的流速，管材的沖刷腐蝕規(guī)律如表2所示。

圖6 T型管流體速度分布圖

圖7 T型管流體壓力分布圖

圖8 T型管腐蝕速率分布圖

表3 -2 T型管模擬結(jié)果圖

由表2可知，當(dāng)T型管的管徑不發(fā)生變化，主管入口處燃油的流速逐漸增大時，分支管入口處的沖刷腐蝕速率也逐漸增大；且當(dāng)主管的流速達到5m/s時，管材的沖刷腐蝕量為10～4mm/a數(shù)量級。

4 結(jié)語

機坪輸油管道系統(tǒng)運行過程中，出于管道運行安全的考慮，輸油管道系統(tǒng)所采用的L245鋼管在整個運行周期內(nèi)壁厚的磨損量不能大于1mm，由于航油機場供油管線的設(shè)計壽命一般為50～60年，且管材最大的沖刷腐蝕量10～4mm/a，因此在整個機場供油管線使用壽命周期內(nèi)管材的總沖刷腐蝕量為，遠小于1mm。因此盡管輸油管道中的燃油會對管道產(chǎn)生沖蝕磨損，但其壁厚仍能夠滿足設(shè)計運行需求。