油气管道CO_2腐蚀过程中弹状流的影响_郑东宏(2)

油气工业中CO2管壁腐蚀的重要影响因素,腐蚀产物膜的微观结构、力学特性以及膜内的传质特性是腐蚀产物膜的形成、破坏以及修复的重要影响因素,弹单元内的低应力幅值的高频液弹所产生的交变应力载荷是使腐蚀产物膜发生破裂的主要原因。

1 弹状流对管壁腐蚀的影响

1.1 弹状流近壁面区的流动特性

弹状流显著的特性是气相和液相流动的间歇性,即受气、液流速,空泡份额,压力波,液弹频率等的影响

[4,5]

。垂直上升弹单元由包含弥散气泡的液

弹、一个头部近似半球形的Taylor气泡及其周围的下降液膜构成[6,7]。垂直上升弹状流近壁面区的流速变化趋势如图1所示。曲线1-1是稳定液弹区1-1截面的速度分布,曲线2-2是下降液膜以环状壁面射流形式进入尾随液弹后的2-2截面速度分布,曲线3-3是液弹尚未达到稳定状态下的3-3截面速度分布。由此可以看出,在某一截面处,随着气弹和液弹的交替到达、穿过和脱离,该截面近壁处的速度不论其大小和方向都有显著的变化。弹单元近壁面区由层流下降液膜边界层、湍流下降液膜边界层、尾迹区和稳定发展液弹区组成,其近壁面边界层也由层流、

过渡流和湍流边界层组成。

图2 弹单元内径向速度vr与轴向速度vZ分布示意图[6]

程中,近壁面区始终是液相润湿区,因而其腐蚀反应

仍遵循单相流动中的腐蚀反应过程。在两相流中,第二相(即液相)的存在只是对管壁近壁面区的流动特性,即近壁面质量传递、动量传递特性与单相流动时的流动特性有显著影响,因而造成不同于单相流动时的腐蚀特性和腐蚀产物膜的形成和破坏机理。

Dayalan[8]提出了单相流动中CO2腐蚀的机理模型,该模型也同样适用于气液两相弹状流动加速CO2腐蚀过程。该模型将腐蚀分为四个过程:主体溶液中腐蚀物的形成;主体溶液中的腐蚀物向壁面的传输过程;金属表面的电化学反应;腐蚀产物由金属表面向主体溶液中的传输。

管壁腐蚀不仅取决于壁面处的电化学反应,而且与腐蚀物向壁面的输送、反应产物向主流体的输送有关,即与壁面处流体中的传质过程有关。随着腐蚀过程的进行,在金属表面处Fe浓度会增加而

2+

图1 液弹区内液体速度分布示意图[5]

H+浓度会减少,金属壁面和主流体间存在浓度梯度,该浓度梯度的存在使得腐蚀产物由金属壁面向主流体扩散,而反应物则由主流体向金属壁面扩散。图3为单相液体流动时,Dayalan[8]提出的流速和腐蚀速率预测模型关系图,在低流速时,腐蚀受扩散控制,而在高流速时受电化学反应控制,这与上面对两相弹状流的腐蚀过程的分析是一致的。

而在实际工业中,腐蚀反应并不是仅取决于扩散传质控制,也不仅仅是电化学反应控制,而是两者的耦合作用,流速与腐蚀速率间呈非线性关系。1.3 弹单元内壁面正、切应力变化特性

弹状流对管壁的腐蚀作用依赖于管壁正、切应力的变化。垂直上升弹状流中,随着气弹和液弹的

如图2所示,弹单元内不同位置处的径向速度分量vr和轴向速度分量vZ有着显著的变化,其中Ut为气弹终端上升速度。弹单元的左半部表示的是流线分布,而右半部表示的是速度矢量分布。弹状流特有的流动特性决定了其流场的复杂性,气弹和液弹的交替使得管壁处的流动特性有显著的周期性变化,也使得弹单元内壁面正、切应力变化特性和传质特性对腐蚀过程产生很大的影响,因而决定了其流动特性与电化学反应间的耦合作用的可能性。1.2 扩散过程与电化学反应的非线性耦合

在垂直上升气液两相弹状流动加速CO2

腐蚀过

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