流速和彎曲角度對彎頭腐蝕行為影響仿真研究

鄭斐，邢少華，何華，高榮杰，許立坤

（1.中國海洋大學，山東 青島 266100；2.中國船舶重工集團公司第七二五研究所 海洋腐蝕與防護重點實驗室，山東 青島 266237；3.大連船舶重工集團設計研究院有限公司，遼寧 大連 116000）

與鋼質(zhì)管路相比，銅鎳合金管路具備更好的耐蝕和防生物污損特性，被廣泛用于海水發(fā)電廠冷卻管路、船舶海水管路、海水淡化處理裝置等[1-5]。由于流動海水的強腐蝕性以及管路自身結(jié)構(gòu)的原因，會影響管路的使用壽命，局部腐蝕穿孔時有發(fā)生，嚴重威脅著裝置的安全可靠運行[6-7]。

彎頭處容易形成湍流，特別是高流速狀態(tài)，局部流速顯著增加，導致局部腐蝕速率增加，是海水管路系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生腐蝕泄漏的薄弱環(huán)節(jié)[8-11]。由于二次流的存在，使彎頭不同部位的局部腐蝕速率存在顯著差異，常規(guī)電化學測試僅能獲得彎頭平均腐蝕速率，難以測得局部腐蝕速率的變化。國內(nèi)外研究者利用試驗或者數(shù)值模擬的方法得到彎頭內(nèi)部流速場和壓力場的分布，分析彎曲角度、彎徑比和入口流速對管道內(nèi)表面的影響[12-18]。Ikarashi Yuya 等人[12]采用平面和立體粒子圖像測速技術(shù)研究了不同彎徑比對90°彎管內(nèi)的流速和湍流強度的影響，結(jié)果表明，流速和湍流強度隨著彎徑比的增加而增加。Liang Guang-chuan 等人[13]通過試驗和仿真模擬研究了油砂漿液在X65 管道中的流動過程，獲得了不同沖擊角度下的流速和剪切力分布，得出沖擊角大約為45°時沖刷腐蝕最嚴重的結(jié)論。邱立杰等人[14]利用FLUENT 軟件模擬不同入口流速下彎管的內(nèi)部流場和壓力場的分布，指出速度的最大值都出現(xiàn)在彎管的內(nèi)壁面，壓力的最大值出現(xiàn)在彎管的外壁面。

目前彎頭內(nèi)部局部腐蝕以流速場或者壓力場仿真分析為主，流速、彎曲角度對彎頭腐蝕影響鮮見報道，導致對彎頭腐蝕規(guī)律認識不清，特別是局部部位的沖刷腐蝕行為，制約了管路彎頭腐蝕控制，影響管路系統(tǒng)的可靠性。文中采用試驗與仿真相結(jié)合的研究手段，建立了彎頭流動海水腐蝕仿真模型，仿真計算了不同彎曲角度和不同流速下彎頭內(nèi)部腐蝕速率的分布云圖，分析了彎曲角度、流速和空間位置對彎頭腐蝕速率影響，對控制彎頭流動海水腐蝕具有重要的指導意義。

1 材料與試驗方法

試驗所用的銅鎳合金材料為B10，材料的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）為：Ni 10%，F(xiàn)e 1.16%，Mn 0.63%，Si 0.075%，Sn 0.05%，Zn 0.05%，S 0.01%，Cu 余量。將B10 材料加工成直徑為10 mm 的試樣，經(jīng)環(huán)氧樹脂封裝后，用400、800、1000、1500 目的砂紙逐步打磨至表面光滑，安裝在試樣夾持裝置上。動態(tài)海水腐蝕測試裝置如圖1 所示，旋轉(zhuǎn)閥門通過觀察流量計來控制管道內(nèi)的流速變化，用導線將試樣、參比電極和輔助電極與Ivium-N-Sart 型電化學工作站相連接，測試流動環(huán)境下金屬材料的腐蝕曲線。

圖1 動態(tài)海水腐蝕測試裝置Fig.1 Dynamic seawater corrosion test device

試驗所用介質(zhì)為天然海水，工作環(huán)境溫度為25 ℃，溶解氧含量為4.2 mg/L，pH 值為8.0。測試B10 試樣在1、3、5 m/s 流速下的開路電位和動電位極化曲線。開路電位（open circuit potential，OCP）測試時間為7200 s，每隔2 s 取一個點。極化曲線測試掃描速率為0.333 mV/s，掃描范圍為-0.5～0.5 V（vs.OCP），所用參比電極為氯化銀電極，輔助電極為碳棒，工作電極為0.785 cm2的B10 試樣。

2 多物理方程和邊界條件

2.1 模型建立

通過Comsol 軟件建立的彎管仿真模型如圖2 所示，彎管彎度分別設置為30°、45°、90°，為了更好地表述，將管道劃分為上游直管段、彎曲段和下游直管段三個部分[19]。管道直徑（D）設置為54 mm，上下游管長均為15D，保證海水在進入彎頭前，管道內(nèi)流體達到穩(wěn)定。為了提高計算的收斂性，在網(wǎng)格劃分時，選用更利于收斂的四邊形和六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格剖分如圖3 所示。

2.2 控制方程及邊界條件

圖2 彎管仿真模型Fig.2 Bend simulation model

圖3 網(wǎng)格劃分Fig.3 Grid generation: a) face mesh; b) volume grid

由于文中研究流速和彎曲角度對腐蝕影響，仿真模擬過程中忽略重力的影響。入口邊界的流速分別為1、3、5 m/s，出口壓力為0，管道壁面采用無滑移邊界，近壁區(qū)使用標準壁面函數(shù)[20-21]。海水為不可壓縮流體，采用“RANS k-ε”湍流模型計算彎頭內(nèi)部流速分布。模型控制方程包括Navier-Stokes 方程(1)，連續(xù)方程(2)和k-ε 湍流模型方程。

式中：ρ 為海水密度，kg/m3；p 為流體的時均壓力，N/m2；F 為應力，N；u 為管道內(nèi)的流速，m/s；μ 為動力黏度, N·s/m2。

k-ε 湍流模型中的湍流動能k 和湍流耗散率ε 由方程(3)和(4)確定。

動能生成項Pk為：

k-ε 雙方程模型的常數(shù)分別為：Cμ=0.09，Cε1=1.44，Cε2=1.92，σk=1.0，σε=1.3。其中，σk和 σε是k方程和ε 方程的湍流prandtl 數(shù)。

對不同流速下B10 極化曲線進行Tafel 分析，得到不同流速下B10 材料腐蝕電流密度。根據(jù)式(6)計算腐蝕速率vcorr，利用 Comsol Multiphysics 軟件中“插值”將腐蝕速率與流速擬合成曲線（見式(7)），作為整個管道腐蝕分布的邊界條件。

3 結(jié)果和討論

3.1 試驗結(jié)果

B10 合金在潔凈海水中不同流速下的動電位極化曲線如圖4 所示?？梢钥闯?，在不同的流速下，B10在海水中的腐蝕電位逐漸負移，電流密度逐漸增加。這說明流速越高，B10 腐蝕速率越快。流速為1 m/s時，B10 材料表面形成較為致密的氧化層薄膜，阻礙氯離子向電極表面擴散，因此具有較小的腐蝕速率。隨著流速的增加，傳質(zhì)擴散速度增加，B10 溶解速率大于表面成膜速度，導致B10 材料表面難以形成致密的氧化物保護膜，腐蝕速率顯著增加。在數(shù)值模擬中，將測量得到的極化電流密度利用式(6)換算成等效的腐蝕速率，作為管道腐蝕變化的邊界條件。

圖4 不同流速下的極化曲線Fig.4 polarization curve at different flow rates

3.2 流速對彎頭腐蝕影響

不同流速下，30°、45°和90°彎頭腐蝕情況的分布如圖5 所示。仿真結(jié)果表明，隨著流速的增加，彎頭腐蝕速率增加，內(nèi)部腐蝕速率分布越不均勻。海水入口直管段，海水未受到彎曲段的影響，但由于邊界層作用，橫截面上中間流速較大，管壁流速較小。彎頭入口處，腐蝕速率由內(nèi)彎向外彎逐漸減小，內(nèi)側(cè)腐蝕速率大，外側(cè)腐蝕速率較小。彎頭出口處，恰好相反，外側(cè)腐蝕速率大于內(nèi)側(cè)腐蝕速率。

圖5 管道的腐蝕分布云圖Fig.5 Corrosion distribution cloud chart of pipeline

彎頭內(nèi)、外側(cè)的腐蝕速率沿彎曲角度θ 的分布如圖6 所示。由圖6 可知，流速越高，彎頭的腐蝕變化越劇烈，且內(nèi)外側(cè)呈現(xiàn)不同的變化趨勢。內(nèi)側(cè)的腐蝕速率比外側(cè)變化明顯，且局部腐蝕速率更大。在0°～5°彎頭處，內(nèi)側(cè)腐蝕急劇增加，外側(cè)腐蝕較小，是因為海水流動方向急劇轉(zhuǎn)變，彎頭內(nèi)側(cè)海水能量幾乎為0，又受到相近海水的帶動作用，使得流速急劇增加，腐蝕也隨之增加。10°～15°彎頭處，腐蝕速率已經(jīng)增長到最大值，外側(cè)基本保持不變，隨后不同的彎頭表現(xiàn)出不同的變化趨勢。

低流速和高流速條件下，30°和45°彎頭內(nèi)側(cè)腐蝕速率基本保持平穩(wěn)。在3 m/s 流速下，流速隨角度發(fā)生較大變化，腐蝕嚴重部位（超過0.1 mm/a）位于彎頭內(nèi)側(cè)的入口部分，分別占整個彎頭內(nèi)側(cè)的43%和57%。流速對90°彎頭內(nèi)側(cè)腐蝕速率的影響比30°和45°彎頭顯著，在3、5 m/s 流速下，0°～5°部位腐蝕速率急劇增加，10°左右達到平穩(wěn)后，持續(xù)到35°。這是因為海水在通過90°彎頭時，由于受到外側(cè)海水的橫向壓力，使得海水在管道中沿著管壁軸向流動的同時，還向彎管徑方向流動，形成二次流。二次流加強了海水擾動，使得流動速度增加，腐蝕速率增加。35°～90°內(nèi)側(cè)流速逐漸降低，腐蝕速率逐漸減小。

外側(cè)的腐蝕速率先減小后增大，1、3 m/s 條件下，彎頭外側(cè)腐蝕速率變化不大，最大值和最小值的差值在0.01 mm/a 左右。當海水流速達到5 m/s 時，沿彎頭外側(cè)管壁的流速增加，腐蝕速率變大，且隨著彎曲角度的增大，出口腐蝕速率也逐漸提高。

3.3 彎曲角度對腐蝕影響

由圖5 和圖6 可知，彎曲角度對彎頭腐蝕速率有

較大影響，主要腐蝕區(qū)域發(fā)生在彎頭內(nèi)側(cè)入口和外側(cè)出口處，但內(nèi)側(cè)的腐蝕更嚴重。內(nèi)側(cè)的局部腐蝕速率受流速和彎度的共同影響，5 m/s 時，30°、45°、90°彎頭最大腐蝕速率分別為0.1295、0.1324、0.1325 mm/a，相對于直管段入口管壁的腐蝕速率分別增加了43.9%、47.1%、47.2%。同時，30°、45°、90°管道的最大腐蝕速率值分別出現(xiàn)在9°、12°、15°，表明彎度越大，峰值越大，且越往后移，但流速對最大腐蝕速率位置無影響。圖7 表明，在同一流速下，小彎度的管道具有較小的腐蝕峰值，而45°和90°彎管具有較大的腐蝕峰值。

圖7 不同彎度下的最大腐蝕速率Fig.7 Maximum corrosion rate at different bending degrees

海水流進彎頭后，由于管道內(nèi)壓力的影響，使得外側(cè)的流速降低，腐蝕速率減小。從圖6 中可以看出，內(nèi)側(cè)出口和外側(cè)入口的腐蝕速率較低，30°和45°彎頭的最小值均出現(xiàn)在外側(cè)9°附近，而90°彎頭內(nèi)側(cè)出口的腐蝕遠低于外側(cè)入口的腐蝕速率，所以90°彎頭的最小值出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)出口處。

不同彎度下的最小腐蝕速率如圖8 所示，可以看出，彎曲角度對于最小腐蝕值有顯著的影響。隨著彎曲角度的增加，最小腐蝕速率減小。流速越低，彎曲角度對最小腐蝕速率影響越大。由圖8 可以看出，1 m/s流速下，90°彎管的腐蝕速率最小值為7.05×10-3mm/a。

圖8 不同彎度下的最小腐蝕速率Fig.8 Minimum corrosion rate at different bending degrees

4 結(jié)論

1）彎頭內(nèi)腐蝕最嚴重部位與流速無關(guān)，主要與彎頭類型有關(guān)，30°、45°和90°彎頭的最大腐蝕速率值分別位于內(nèi)側(cè)9°、12°和15°處，最小腐蝕速率值則分別出現(xiàn)在外側(cè)9°附近和內(nèi)側(cè)出口處。

2）彎頭最大腐蝕速率隨著彎曲角度的增加而增加，管道入口流速為5 m/s 時，30°、45°、90°彎頭最大腐蝕速率分別為0.1295、0.1324、0.1325 mm/a，相對入口管壁的腐蝕速率分別增加了43.9%、47.1%、47.2%。

3）30°、45°、90°彎頭腐蝕速率均隨著流速的增加而增加，且流速會對彎頭內(nèi)部腐蝕速率分布造成明顯影響，流速越高，腐蝕速率分布越不均勻。