油管縮徑管段腐蝕行為與流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)的相關(guān)性

尚 坦,鐘顯康,扈俊穎

(西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610500)

油管變徑常見于焊接處和接頭處。在變徑段，管內(nèi)流體的流動(dòng)速度和壁面剪切力等流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)會(huì)發(fā)生很大的變化，從而導(dǎo)致變徑段不同位置的腐蝕行為顯著不同。流體的流動(dòng)會(huì)加速腐蝕，使變徑段質(zhì)量損失加劇[1]，因此對(duì)油管變徑段的腐蝕行為與流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行研究是非常必要的。

針對(duì)沖刷腐蝕機(jī)理，國內(nèi)外開展大量研究工作。這些研究通常以流速、雷諾數(shù)、壁面剪切應(yīng)力、傳質(zhì)系數(shù)等流體力學(xué)參數(shù)來描述沖刷腐蝕過程，并建立相應(yīng)的模型[2-3]。POSTLETHWAITE等[4-5]提出，在沖刷條件下，材料的總損耗由沖刷和腐蝕兩部分組成，并根據(jù)傳質(zhì)過程對(duì)腐蝕的作用，建立了湍流條件下沖刷腐蝕的預(yù)測模型[6-8]。NESIC等[9]研究了單相流和兩相流中變徑管的沖刷腐蝕情況，并建立了突然擴(kuò)徑管道在湍流條件下的單相流和兩相流中的二氧化碳腐蝕預(yù)測模型[10-11]。文獻(xiàn)[12-15]報(bào)道了沖刷腐蝕的交互作用，及材料性能、流體動(dòng)力學(xué)因素、環(huán)境因素對(duì)沖刷腐蝕的影響機(jī)理。ZHENG等[16-18]對(duì)各種涂層的耐沖刷腐蝕性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并對(duì)不同體系中的臨界流速進(jìn)行了測定。張安峰等[19]研究了碳鋼和不銹鋼的沖刷腐蝕性能，認(rèn)為提高體系溫度，會(huì)破壞材料表面保護(hù)性膜層，使材料表面的電化學(xué)活性增加，從而加劇材料的沖刷腐蝕破壞。雍興躍等[20-25]研究了流動(dòng)氯化物體系中碳鋼、雙相鋼的電化學(xué)阻抗譜特征，及近壁處的流體力學(xué)狀況、熱處理與加工成型工藝對(duì)材料耐沖刷腐蝕性能的影響，并建立了碳鋼和雙相不銹鋼在氯化鈉溶液中的流動(dòng)腐蝕動(dòng)力學(xué)模型。

目前，流動(dòng)加速腐蝕的試驗(yàn)研究裝置主要有三種，即噴射沖擊裝置[26-29]、旋轉(zhuǎn)電極裝置[30-34]和環(huán)路裝置[35-38]。ZHANG等[35]利用環(huán)路裝置研究了油氣輸送管道彎頭的流動(dòng)加速腐蝕，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，彎頭處腐蝕速率與流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)的分布情況一致。LOTZ等[36]研究了不同直徑管段在固液兩相流中的沖刷腐蝕，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同直徑管段的腐蝕速率不同。目前，使用環(huán)路裝置通過流體動(dòng)力學(xué)模擬(CFD)以及電化學(xué)測量等手段進(jìn)行縮徑管段局部的腐蝕速率與流體動(dòng)力學(xué)相關(guān)性的研究鮮見報(bào)道。本工作將陣列電極布置在管道縮徑段的不同位置，在環(huán)路系統(tǒng)中開展流動(dòng)加速腐蝕試驗(yàn)，結(jié)合CFD模擬，揭示了縮徑段的腐蝕行為與流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)的相關(guān)性。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料和裝置

試驗(yàn)材料為N80油管鋼，其化學(xué)成分如表1所示。將試驗(yàn)材料加工成圓柱狀電極，每支陣列電極的暴露面積為0.159 cm2。在試驗(yàn)前，用800號(hào)碳化硅砂紙打磨電極端面，再依次用去離子水和無水乙醇沖洗，氮?dú)獯蹈伞?/p>

表1 N80油管鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

根據(jù)某油田地層水的成分制備測試溶液，其化學(xué)成分如表2所示。試驗(yàn)前，向溶液持續(xù)24 h通入CO2(99.95%)以去除溶液中的氧，溶液的pH為6.14，在整個(gè)試驗(yàn)過程中也持續(xù)通入CO2氣體以確保溶液中的CO2含量達(dá)到飽和。

表2 測試溶液的化學(xué)成分

用于流動(dòng)加速腐蝕試驗(yàn)的環(huán)路測試系統(tǒng)如圖1所示。它由管道，離心泵，蓄水桶，流量計(jì)和縮徑管段部分組成。環(huán)路測試系統(tǒng)管道由透明PC管制成，內(nèi)徑為50 mm。預(yù)處理后的陣列電極(1～10號(hào))以相同的間隔距離安裝到縮徑管段部分，陣列電極的暴露表面與管線的內(nèi)表面保持水平，如圖2所示。圖中，11號(hào)和12號(hào)孔分別用來安裝輔助電極和參比電極。試驗(yàn)溶液由25 L儲(chǔ)液罐供應(yīng)并通過離心泵循環(huán)。在流動(dòng)加速腐蝕試驗(yàn)中，流速為4 m/s，采用流量計(jì)測量，并通過變頻器調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速來控制流速。同時(shí)，以相同條件下的靜態(tài)腐蝕試驗(yàn)作對(duì)比分析。

圖1 流動(dòng)加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)路測試系統(tǒng)

(a) 縮徑管段尺寸

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 電化學(xué)測量

在流動(dòng)加速腐蝕試驗(yàn)期間，使用CS350電化學(xué)工作站進(jìn)行原位電化學(xué)測量。以制備的1～10號(hào)電極為工作電極，石墨棒為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，構(gòu)建三電極電化學(xué)電池。為了確定每個(gè)陣列電極的腐蝕速率，電化學(xué)阻抗譜(EIS)測量在開路情況下進(jìn)行，激勵(lì)信號(hào)為幅值10 mV的正弦波，頻率從0.1 Hz到10 000 Hz。所有的EIS測量均在流動(dòng)加速腐蝕試驗(yàn)開始6 h后進(jìn)行。對(duì)典型位置的陣列電極進(jìn)行極化曲線測量時(shí)，以1 mV/s的掃描速率從-250 mV(相對(duì)與開路電位)向陽極方向掃描至250 mV(相對(duì)與開路電位)，擬合極化曲線得到腐蝕速率。所有測試均在室溫和大氣壓下進(jìn)行。

1.2.2 流體動(dòng)力學(xué)模擬

使用專業(yè)流體模擬軟件Fluent進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)模擬。使用預(yù)處理軟件ICEM建立幾何模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。根據(jù)管道的幾何尺寸和流速計(jì)算得到，流速為4 m/s時(shí)流體雷諾數(shù)為199 043(遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于4 000)，表明流速為4m/s時(shí)流體為湍流流動(dòng)。因此，使用k-e湍流模型對(duì)縮徑管段進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)模擬，入口處邊界條件類型設(shè)定為velocity-inlet，縮徑管段入口流速為4 m/s，出口處邊界條件類型設(shè)定為pressure-outlet，出口壓力為101.325 kPa。流體設(shè)定為是不可壓縮流體。

1.2.3 表面形貌檢測

使用ZEISS EV0 MA15型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察流動(dòng)加速腐蝕試驗(yàn)后陣列電極的表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 電化學(xué)阻抗譜

圖3為流動(dòng)加速腐蝕與靜態(tài)腐蝕體系中1～10號(hào)電極的電化學(xué)阻抗譜。由圖3(a)可以看出，在流動(dòng)加速腐蝕條件下，所有電化學(xué)阻抗譜在高頻范圍內(nèi)出現(xiàn)容抗弧，在低頻范圍內(nèi)出現(xiàn)感抗弧。容抗弧是界面電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)引起的，而感抗弧是碳鋼在溶解過程中中間產(chǎn)物的吸附引起的[35,39-40]。1、2、9 號(hào)和10號(hào)電極的容抗弧半徑大小非常接近，這表明這些電極的腐蝕速率相近。而3號(hào)和8號(hào)電極的容抗弧半徑大于其他電極的，表明這兩個(gè)電極的腐蝕速率要低于其他電極的。與1、2、3、8、9號(hào)和10號(hào)電極相比，位于縮徑部分斜坡上的4號(hào)和7電極的容抗弧半徑較小，表明該處腐蝕速率較高；5號(hào)和6電極的容抗弧半徑最小，表明該處腐蝕率最大。

由圖3(b)可以看到，在靜態(tài)腐蝕條件下，電化學(xué)阻抗譜的特征與流動(dòng)加速腐蝕條件下測得的明顯不同，在整個(gè)頻率范圍內(nèi)只有一個(gè)容抗弧，并且所有電極的容抗弧幾乎重疊在一起，表明它們的腐蝕速率十分相近。

(a) 流動(dòng)加速腐蝕 (b) 靜態(tài)腐蝕

為了獲得和分析阻抗參數(shù)，使用圖4所示的等效電路來擬合EIS數(shù)據(jù)。圖4中，Rs為溶液電阻，CPE為常相位角元件，Rct為電荷轉(zhuǎn)移電阻，RL為電感電阻，L為電感。擬合所得的電化學(xué)參數(shù)如表3和表4所示。

(a) 流動(dòng)加速腐蝕

對(duì)表3和表4中的電荷轉(zhuǎn)移電阻進(jìn)行比較，可以看出，在流動(dòng)加速腐蝕體系中，所有電極的電荷轉(zhuǎn)移電阻小于靜態(tài)腐蝕體系中相應(yīng)電極的電荷轉(zhuǎn)移電阻，即流動(dòng)加速腐蝕體系中材料的腐蝕速率大于靜態(tài)腐蝕體系中的。并且在流動(dòng)加速腐蝕體系中，位于縮徑管段的5號(hào)電極的電荷轉(zhuǎn)移電阻最小，腐蝕速率最大，3號(hào)電極的電荷轉(zhuǎn)移電阻最大，腐蝕速率最小；但在靜態(tài)腐蝕體系中，所有電極的電荷轉(zhuǎn)移電阻幾乎相同。

表3 流動(dòng)加速腐蝕體系中1～10號(hào)電極電化學(xué)阻抗譜的擬合電化學(xué)參數(shù)

表4 靜態(tài)腐蝕體系中1～10號(hào)電極電化學(xué)阻抗譜的擬合電化學(xué)參數(shù)

2.2 極化曲線

圖5為流動(dòng)加速腐蝕與靜態(tài)腐蝕體系中2～5號(hào)電極的極化曲線，采用Tafel外推法對(duì)圖中的極化曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果列于表5中。由圖5可以看出，在流動(dòng)加速腐蝕體系中，5號(hào)電極的極化曲線位于圖中最右側(cè)，3號(hào)電極的極化曲線位于最左側(cè)；但在靜態(tài)腐蝕體系中，各電極的極化曲線幾乎重合。由表5可以看到，在流動(dòng)加速腐蝕體系中，5號(hào)電極的腐蝕速率最大，4號(hào)電極的腐蝕速率略小于5號(hào)電極的，且大于2號(hào)電極的，3號(hào)電極的腐蝕速率最??；在靜態(tài)腐蝕體系中，4個(gè)電極的腐蝕速率幾乎相同。這與通過電化學(xué)阻抗譜得到的電荷轉(zhuǎn)移電阻變化趨勢一致。

表5 兩種腐蝕體系中2～5號(hào)電極極化曲線的擬合電化學(xué)參數(shù)

(a) 流動(dòng)加速腐蝕

2.3 流體動(dòng)力學(xué)模擬

圖6為縮徑管段的幾何模型及采用Fluent軟件擬合得到的縮徑管段中流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)分布。為闡明縮徑管段腐蝕行為與流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)之間的相關(guān)性，對(duì)照縮徑管段電極的位置，從流體動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果中選取相應(yīng)的流速和壁面剪切應(yīng)力進(jìn)行比較，結(jié)果如圖7所示。由圖7(a)可見，當(dāng)入口流速為4 m/s時(shí)，1、2、9號(hào)和10號(hào)電極處流體流速為4 m/s；3號(hào)和8號(hào)電極處流速略低于入口流速；由于內(nèi)徑減小，斜坡處(4號(hào)和7號(hào)電極)流速急劇上升；最大流速出現(xiàn)在5號(hào)和6號(hào)電極處，為6.34 m/s。由圖7(b)可見，模擬得到1～10號(hào)電極處壁面剪切應(yīng)力的分布與流速分布相同，即1、2、9號(hào)和10號(hào)電極處壁面剪切應(yīng)力相同，3號(hào)和8號(hào)電極處壁面剪切應(yīng)力略低，在5號(hào)和6號(hào)電極處壁面剪切最大。

(a) 幾何模型

(a) 流速

由于電荷轉(zhuǎn)移電阻與腐蝕速率成反比關(guān)系，因此可以用1/Rct表示腐蝕速率。圖8為縮徑管段不同位置電極的腐蝕速率。將腐蝕速率的變化趨勢與流速、壁面剪應(yīng)力的變化趨勢做比較，可以看出，腐蝕速率與流速、壁面剪應(yīng)力具有相同的變化趨勢，這證明了腐蝕速率與流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)具有明顯的相關(guān)性。

圖8 縮徑管段各電極的腐蝕速率

綜上所述，縮徑段的存在會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)流體流速和壁面剪切應(yīng)力發(fā)生明顯的變化，并且會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)加速腐蝕的不同，該模擬結(jié)果很好地解釋了縮徑管段不同位置腐蝕行為與流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)的相關(guān)性，即流速和壁面剪切應(yīng)力增大，會(huì)促進(jìn)縮徑管段局部的流動(dòng)加速腐蝕，從而導(dǎo)致局部腐蝕速率增大。

2.4 腐蝕產(chǎn)物形貌

圖9為流動(dòng)加速腐蝕試驗(yàn)后6～8號(hào)電極的表面SEM圖。從圖9中可看出，流動(dòng)加速腐蝕后，只有在流速與壁面剪切應(yīng)力比較低的8號(hào)和9號(hào)電極表面有少許顆粒狀的腐蝕產(chǎn)物，流速較高的6號(hào)和7號(hào)電極表面未觀察到明顯的腐蝕產(chǎn)物?？傮w來說，各電極表面都比較光滑，幾乎沒有腐蝕產(chǎn)物堆積。相比之下，靜態(tài)腐蝕后，電極表面(只選取兩個(gè)電極)有比較密集的腐蝕產(chǎn)物，如圖10所示。

(a) 6號(hào)電極 (b) 7號(hào)電極 (c) 8號(hào)電極 (d) 9號(hào)電極

(a) 6號(hào)電極

由腐蝕產(chǎn)物形貌可知，流速和壁面剪切應(yīng)力對(duì)電極表面的腐蝕產(chǎn)物形成有很大的影響。流速和壁面剪切應(yīng)力會(huì)影響電極表面的傳質(zhì)過程，流速和壁面剪切應(yīng)力越高，電極表面腐蝕產(chǎn)物越容易被去除，導(dǎo)致電極裸露,與溶液接觸的時(shí)間越長，從而加速電極的腐蝕。

3 結(jié)論

(1)流動(dòng)加速腐蝕過程中，縮徑管段的存在會(huì)導(dǎo)致特殊位置的腐蝕速率加快，具有破壞性，會(huì)導(dǎo)致管道壽命減短。

(2)由流體動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果可知，縮徑部分流速與壁面剪切應(yīng)力變化會(huì)導(dǎo)致局部腐蝕的變化，縮徑管段的腐蝕速率分布與流體力學(xué)參數(shù)特征分布存在顯著相關(guān)性，即腐蝕速率低的位置，流速和壁面剪切應(yīng)力小，反之，流速和壁面剪切應(yīng)力大。

(3)流速和壁面剪切應(yīng)力會(huì)影響金屬表面的傳質(zhì)過程，流速和壁面剪切應(yīng)力越高，電極表面的腐蝕產(chǎn)物越容易被，導(dǎo)致電極裸露，與溶液接觸時(shí)間越長，從而加速電極腐蝕。