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(yáng) 712000）

沖刷腐蝕通常是指由于腐蝕流體和金屬表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)而使金屬表面發(fā)生腐蝕破壞的現(xiàn)象。在機(jī)坪輸油管道系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)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(dòng)，此時(shí)不可避免地會(huì)對(duì)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(jī)坪輸油管道有可能會(huì)發(fā)生沖刷腐蝕從而影響整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命。

1 沖刷腐蝕過(guò)程分析

1.1 沖刷腐蝕機(jī)理

沖刷腐蝕，又稱(chēng)流動(dòng)加速腐蝕是一個(gè)紊流沖刷和化學(xué)腐蝕協(xié)同作用的失效過(guò)程，該過(guò)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(jìn)[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(kuò)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(kuò)散作用，從而加快了管道的腐蝕進(jìn)程。因此該過(guò)程下的腐蝕速率絕不是兩者的簡(jiǎn)單相加，而應(yīng)將紊流沖刷和腐蝕作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)綜合考慮和研究。

1.2 沖刷腐蝕主要影響因素

沖刷腐蝕實(shí)際上是材料表面的保護(hù)層溶解到流體中的過(guò)程，該過(guò)程受到多種因素的影響。結(jié)合國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)，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(dòng)狀態(tài)、金屬的表面保護(hù)膜以及金屬材料的表面硬度等[3]。

流速對(duì)沖刷腐蝕的影響最為直接。一般來(lái)說(shuō)，流體的流速越大，管道的沖刷腐蝕速率越大。開(kāi)始時(shí)，在低流速的狀態(tài)下腐蝕速率隨著流速緩慢增加，這是因?yàn)樵撾A段亞鐵離子從金屬表面遷移到溶液中是主要控制過(guò)程，增加液體的流動(dòng)速度會(huì)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(jìn)而使得金屬的腐蝕速率增加，但該過(guò)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(yán)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(guò)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(guò)程控制[4]。

機(jī)坪輸油管道系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)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(yán)重，這是因?yàn)檫@些管道部件的尺寸和形狀直接影響著流體的流動(dòng)和方向，加劇了流體的湍流程度，使流體介質(zhì)流動(dòng)出現(xiàn)局部旋渦，從而使管道部件受到更嚴(yán)重的沖刷腐蝕。

通常當(dāng)管道內(nèi)存在氣泡時(shí)，金屬管道的腐蝕程度會(huì)加劇。一方面在高速流體中，氣泡對(duì)管道的沖擊力不僅會(huì)破壞金屬表面原有的氧化膜，有時(shí)還會(huì)使材料的機(jī)體受到損傷從而造成金屬管材嚴(yán)重的腐蝕破壞；另一方面流體中存在氣泡會(huì)改變流體的流型，加劇了管道內(nèi)液體的紊流程度，從而進(jìn)一步加速了腐蝕進(jìn)程的進(jìn)行。此外，管道內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)也對(duì)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(shí)加劇了金屬表面周?chē)囊后w的攪動(dòng)程度，腐蝕破壞程度更加嚴(yán)重[5]。

2 沖刷腐蝕模型的建立

機(jī)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(huì)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(yán)重的地方。本文就機(jī)坪輸油管道系統(tǒng)中常見(jiàn)的易腐蝕管件如90°彎管和T形管的沖刷腐蝕問(wèn)題展開(kāi)討論，采用ANSYS 3.0軟件中Fluent模塊進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算在不同的入口速度下的沖蝕減薄規(guī)律和特點(diǎn)，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(zhǎng)H=2.5m，垂直管長(zhǎng)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(zhǎng)L=5m，垂直段管長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，壓力速度耦合采用通用SIMPLE方法，擴(kuò)散項(xiàng)采用二階迎風(fēng)差分格式，其余各項(xiàng)采用默認(rèn)離散格式求解。其中航空煤油的密度ρ0=790kg/m3，動(dòng)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(chǎng)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(méi)有進(jìn)入彎頭時(shí)，管道斷面上的壓力呈均勻分布，流體進(jìn)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(diǎn)部位達(dá)到最大，最后當(dāng)流體流出彎頭時(shí)，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?yàn)楫?dāng)流體進(jìn)入彎頭時(shí)，流體流向發(fā)生改變，沿?cái)嗝嬗休^大的離心力，在離心力的作用下，對(duì)彎頭外側(cè)形成擠壓作用，對(duì)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(xiàn)上各點(diǎn)的單位質(zhì)量流體的總比能是唯一的常數(shù)，即沿流線(xiàn)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(dòng)能減少，而比壓能減少的地方動(dòng)能增加。

由于在彎頭外側(cè)其動(dòng)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(duì)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(jìn)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(duì)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(shí)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?gòu)?m/s增大到5m/s時(shí)，管路的沖蝕速率逐漸增大。當(dāng)管路中燃油流速充分大時(shí)，即達(dá)到5m/s時(shí)，管材的沖刷腐蝕量處于mm/a的數(shù)量級(jí)。

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(shí)，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(shí)由于液體對(duì)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(yán)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(shí)，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(dá)到5m/s時(shí)，管材的沖刷腐蝕量為10～4mm/a數(shù)量級(jí)。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)坪輸油管道系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，出于管道運(yùn)行安全的考慮，輸油管道系統(tǒng)所采用的L245鋼管在整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)壁厚的磨損量不能大于1mm，由于航油機(jī)場(chǎng)供油管線(xiàn)的設(shè)計(jì)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(gè)機(jī)場(chǎng)供油管線(xiàn)使用壽命周期內(nèi)管材的總沖刷腐蝕量為，遠(yuǎn)小于1mm。因此盡管輸油管道中的燃油會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生沖蝕磨損，但其壁厚仍能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)運(yùn)行需求。