油气管道CO_2腐蚀过程中弹状流的影响_郑东宏(3)

过程,在近管壁边界层内,对流扩散时均分量平行于壁面而对壁面和主流体的传质没有贡献,但是瞬态的湍流涡旋分量能刺入边界层,是壁面和主流体对流扩散传质的主要原因。腐蚀性介质通过旋涡的混合和掺混向管壁输送腐蚀性物质,同时也将腐蚀产物通过旋涡混合迅速向主体流体传输,使管壁处于无腐蚀产物的状态,从而加速管壁的腐蚀。

图3 CO2腐蚀速率预测模型与试验结果比较

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到来使得管壁正向应力和切向应力的脉动变化特性对腐蚀产物膜的力学特性、壁面边界层内的传质特性有着显著的影响。

垂直上升弹状流中,气弹和液弹交替经过某一截面时的壁面切应力Sw变化特性和壁面正应力Rn变化特性如图4所示。随着气弹头部的到来,截面1处向上运动的液膜逐渐减速,最后液膜速度为零,进而形成向下加速运动的液膜,正应力的值开始减小,而向上的壁面切应力逐渐减小,直到减为零,而后形成逐渐增大的向下的壁面切应力;随着气弹向上运动,当截面1处近壁处形成稳定的下降液膜时出现终端速度和终端液膜厚度,此时正应力值保持恒定,壁面切应力值也保持恒定;当截面1处形成下降液膜的尾迹区时,由于高速向下运动的液膜速度突然下降,会引起气弹尾流中正应力恢复过程明显过调,向下的壁面切应力逐渐减小到零;而当稳定的液弹到来后,正应力值逐渐下降到初始值,壁面切应力值方向变为向上,

其值逐渐增加。

垂直上升弹状流近壁面的流动特性决定了弹单元内不同区域内的传质特性有着显著的不同,因而可将其分为四个区:层流下降液膜区传质区、湍流下降液膜区传质区、气弹尾迹传质区和稳定液弹传质区。

目前,对于管内气液两相弹状流动加速CO2腐蚀的研究主要集中在水平管内弹状流动形态的影响。而目前国内外对于垂直上升管内弹状流动加速CO2腐蚀的研究很少,该研究对于垂直上升气液两相弹状流动加速CO2腐蚀机理的研究具有重要的启示。Wang

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利用极限电流技术,对水平管内油、

水、气三相混合物弹状流壁面传质系数的研究表明,弹状流比相同液速单相流动时的壁面传质系数大得多,传质系数在弹状气泡液膜区、气泡尾部区和液弹区有显著不同,这对垂直上升弹单元内不同区域的传质特性的研究也有借鉴意义。

由此可以看出,CO2腐蚀与近壁面区的流动特性有着十分密切的关系,腐蚀主要集中在近管壁处动力边界层内和扩散边界层内。动力边界层有强的混合作用而不存在浓度梯度,因而扩散边界层位于动力边界层的粘性底层。弹状流动特性对管壁CO2腐蚀的影响机理既受电化学活化反应控制,也受扩散传质特性控制,是其两者之间的非线性耦合控制,即/1+1>20效应,其深层机理是多相流动在材料近壁面的速度边界层内的湍流强度引起的正、切应力特性,浓度边界层内的湍流扩散引起的传质特性,以及电化学腐蚀

图4 当Taylor气泡流经管道某一横截面处的正向和

切向应力变化特性示意图

特性间的非线性耦合所致。

弹状流动形态下的壁面切应力和正应力的交变载荷耦合作用是使腐蚀产物膜产生疲劳破坏的重要

原因,该作用削弱了腐蚀产物膜与金属基体间的结合能力,使得管壁腐蚀产物膜撕裂、减薄或剥落,从而使金属基体部分暴露于腐蚀性介质而发生腐蚀。1.4 弹状流近壁面区的传质特性

弹状流对管壁的腐蚀作用机理与管壁的湍流扩散传质有密切的关系。湍流传质基本上是一个混合

2 腐蚀产物膜对管壁腐蚀的影响

2.1 腐蚀产物膜的微观结构

CO2腐蚀的主要腐蚀产物膜可分为初始膜和二次膜,其成分主要是碳化铁(Fe3C)和碳酸亚铁(FeCO3)。碳酸亚铁是溶液中Fe2+超过溶解极限而以FeCO3的形式沉淀下来的,碳酸亚铁附着在碳化铁上,小晶粒,较为致密,有保护性,但与碳化铁的附着力差;而碳化铁是腐蚀过程发生选择性腐蚀后

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