管道内气液两相流动腐蚀研究进展

韩 霄

（青岛市特种设备检验研究院，山东 青岛 266100）

0 引言

石油化工过程管道内输送的介质组分复杂，介质状态以气相或者液相为主，由于介质夹带、温度变化、压力波动等原因，管道内的流动经常出现气液两相状态。在流动过程中，流体产生的机械力会破坏管壁金属结构以及促进传质过程，从而加速腐蚀反应；同时，液相的蒸发、气相的冷凝，为腐蚀提供新的环境。这些腐蚀的发生与介质流动有关，具有一定的隐蔽性。只有深入的认识管道内气液两相流动特点、腐蚀机理，相关技术人员才能准确的预判管道内流动腐蚀发生的位置以及评价腐蚀穿孔的风险，从而指导管道的长周期使用。

气液两相流腐蚀是管壁附近流体流动与腐蚀作用的耦合，所以根据气液两相流与管道壁的接触状况对流动形态进行划分。气液两相流可划分为分散流、间歇流和分离流，如图1所示[1,2]。

图1 气液两相流型图

本文将对这三种流型下流动腐蚀的研究情况进行总结和分析，以期找出相关规律，为流动腐蚀的防护提供参考。

1 分散流腐蚀研究进展

分散流也称为泡状流，根据Mandhane流型图[3]，分散流中液相的折算速度大约是气相折算速度的10倍以上。泡状流中气相以气泡形式存在。气泡是由液体中的蒸汽或者不溶气体在局部低压或者高温环境下发育而成[4]。流动过程中，气泡会发生聚并和破碎，甚至在液相的作用下，进入壁面附近的高压区，发生溃灭，产生冲击，破坏管壁表面结构，进而促进腐蚀。即使不发生溃灭，气液两相流动对管壁也有剪切作用，从而对管壁表面产生一定影响。

1.1 气泡溃灭作用的研究进展

根据李永健[5]的研究结果，气泡与管壁的距离在1倍气泡直径以内时，气泡溃灭才可能造成壁面的破坏，对壁面产生的压力可高达50MPa；气泡外部压强越大，气泡溃灭的历时越短，形成的冲击越大；凹凸壁面的迎流面形成的局部高压将加速气泡的溃灭。但是李永健的研究结果是由单一球型气泡的计算推演出来的，未模拟真实流动状态下的溃灭过程。王海燕[6]通过数值模拟的方法，验证了凹凸壁面的迎流面在高雷诺数（Re=1.95×106）条件下，会产生剧烈的压力变化，可引发气泡溃灭，产生腐蚀。但是王海燕的数值模拟是单纯的液相条件，也未模拟真实流动状态下的溃灭过程。汪健生[7]使用修正的Rayleigh方程并对气泡成长和破碎过程进行了简化后，采用数值模拟的方法对变径结构的气泡含量进行了研究，认为气含率突然增加的区域，就是发生腐蚀的位置，汪健生的研究通过简化气泡动力学方程的方法，模拟了气泡的长大和缩小，但也未模拟真实流动状态下的溃灭过程。流动中气泡溃灭是一个迅速的相变过程，大多数研究者只是通过压力变化或者气含率分布特点来间接预测气泡是否溃灭，无法精确预测管壁发生气泡溃灭的位置。

Mohammad[8]提出了通过前后时刻气泡图形的3D特征对比，从而判断壁面处气泡聚并、破裂和溃灭，并且通过能量守恒的方法对气泡在金属壁面溃灭所吸收的能量进行计算，实现气泡溃灭促进腐蚀的评价。该方法认为含有一定液体的气泡在靠近管壁溃灭的过程中，一部分能量因粘性作用耗散，最多只有65%的能量转为动能。气泡溃灭的动能一部分以冲击波或者微射流的形式传播给周围，另一部分被管壁吸收。这种从气泡特征和能量守恒的角度去研究分散流腐蚀的方法，可以不用模拟计算气泡溃灭的相变过程，实现气泡溃灭位置的预判，并且评价不同溃灭位置的腐蚀严重程度。

1.2 管壁剪切作用的研究进展

茅俊杰[9]采用拉格朗日方法对弯头和变径结构的气泡流动轨迹、湍动能分布、剪切力分布进行研究发现，壁面剪切力分布可以反映腐蚀规律。茅俊杰的研究把气泡当成固体颗粒进行冲刷模拟，认为气泡在壁面发生弹性反射。这与现实情况还是有很大的差异。Nesic[10]通过研究发现，FeCO3腐蚀产物膜的粘附力数量级为107Pa，而单液相管壁剪切大约在104Pa[11]，可见，壁面剪切力难以剥离管壁腐蚀产物膜。流体介质对管壁腐蚀产物膜的溶解，会影响管壁腐蚀产物膜的结构，从而降低管壁腐蚀产物膜的粘附力。只有在腐蚀产物膜易溶解的条件下，壁面剪切力分布峰值才能反映腐蚀最严重的位置。

2 间歇流腐蚀研究进展

据Mandhane流型图[3]，间歇流的气相折算速度与液相折算速度之比约在1～10之间。间歇流源于分层流，当气液界面产生波动时，管道被堵塞，形成这种特殊的流动形态。目前流动腐蚀的研究集中在段塞流。

2.1 段塞流流动特点

流动过程中，段塞前部以较快的速度向前移动，卷吸其前面以较慢的速度运动的液膜，同时将气泡中大量气体卷入段塞，在段塞头部形成涡旋，段塞前部为高含气混合区，具有高的湍流强度[12,13]。段塞流前部的卷吸运动能对管壁造成很大的冲击和剪切作用，高的湍流强度还能加快管壁材料和主体溶液之间物质的传递速度。

2.2 段塞流腐蚀机理

王永晖[14]将段塞流下的传质过程划分为三个区，分别是湍流主体、近壁面扩散区和腐蚀产物膜区。其中腐蚀产物膜区传质速率最小。腐蚀产物膜的结构特点和传质特性，决定了腐蚀反应的速率。段塞流对壁面剪切的作用，会对腐蚀产物膜的结构产生影响；高的湍流强度能减小近壁面扩散区的厚度。Christian等[15]通过不同流速下缓释剂的防腐蚀效果研究也证明：管壁腐蚀产物膜结构特点才是控制腐蚀速率的关键；而且无腐蚀性介质环境下，高壁面剪切作用并不能损坏管壁腐蚀产物膜的结构。

2.3 段塞流腐蚀研究进展

段塞流腐蚀研究集中在以CO2为腐蚀性介质的领域。DeWaard及其改进模型，可以预测发生CO2腐蚀的位置，但是这些模型以电荷转移控制腐蚀反应为出发点，对于流动促进腐蚀的影响考虑较少[16]。

崔铭伟[17,18]在CO2驱油技术领域开展段塞流的腐蚀研究，通过设计带有高低起伏的管路实验，研究了CO2分压对腐蚀的影响。研究发现CO2分压的增加一方面可以增加流体的酸性，加快管壁金属的腐蚀反应；另一方面增加了CO2-3浓度，使得管壁形成了一层腐蚀产物沉淀，不利于腐蚀反应的进行。崔铭伟的研究是在低表观流速下进行的（段塞流最大表观流速为0.4m/s），管壁剪切作用弱，研究内容也未涉及管壁腐蚀产物沉淀的化学平衡条件。在管壁腐蚀产物沉淀达到化学平衡条件之前，壁面剪切力越大的位置，管壁腐蚀产物溶解的越快，腐蚀速率也就越大。因此，研究管壁腐蚀产物沉淀的化学平衡条件具有重要的意义。

3 分离流腐蚀研究进展

分层流和波状流的表观流速极低，在石油化工过程管道中的应用较少。因此，本小节主要讨论环状流状态下的腐蚀。环状流状态下，气相为连续相，液相为分散相，液相以雾、小液滴、液膜等形式存在。这种流动下会发生露点腐蚀、沉积腐蚀等。

3.1 露点腐蚀

高温气体在低于露点温度的换热面上冷凝成液体，液体溶解腐蚀离子可引起液滴下管壁的腐蚀。可见，形成液膜或者液滴是露点腐蚀的前提；冷凝速率通过影响溶解过程，从而影响露点腐蚀过程。

当输送气体介质湿度较小时，冷凝过程会形成薄雾，腐蚀管顶；当介质湿气较大时，冷凝液集中在管底，产生腐蚀环境。对于形成的液膜或者液滴的分布特点，研究者[19]发现液膜厚度在352μm时，腐蚀速率最大。高雪琦[20]通过耦合Eulerian模型和Eulerian wall film模型，研究了近壁面处液膜或者液滴的分布规律，发现经过弯头后在二次流和离心力的作用下，液膜或液滴的分布会发生较大的变化。工程中常通过模拟计算管道内液膜或者液滴分布来实现腐蚀位置的预测[21]。

Nyborg[22]研究发现，在水蒸气凝结速率较低时，溶解的CO2与金属壁面发生反应生成碳酸铁沉淀膜，阻止腐蚀发生；在水蒸气凝结速率较高时，溶解的CO2降低冷凝液的PH值，加速腐蚀。

3.2 沉积腐蚀

沉积腐蚀是气相组分在气液两相流动中发生反应并结晶，结晶沉积在管壁上，受潮水解腐蚀金属壁面。这种腐蚀常见于常减压装置的常顶系统[23]、加氢装置空冷器入口管道系统[24]。研究这种腐蚀的关键是建立沉积物反应的平衡常数随温度的变化关系以及气相反应物组分分压随温度的变化关系，从而通过判断结晶发生的温度，从工艺流程来预测腐蚀发生的位置[23,25]。这种腐蚀可以通过在结晶温度点之前注水的方式来消除。由于常顶系统和空冷器入口管道结构复杂，合适的注水量和注水位置才能保证结晶溶解，且不影响生产工艺。对于这种流动腐蚀，研究的重点是分析注水位置以及不同注水量条件下管壁水相的分布[24]。

3.3 其他

环状流除了能够通过相变产生新的腐蚀环境外，还可能降低腐蚀速率。吕运容[11]通过实验和数值模拟的方法发现，环状流下环烷酸的腐蚀速率小于单液相流动。Srdjan Nesic[26]通过管道环路实验方法也发现了同样的规律，并认为环状流状态下金属壁面的液相更新速率低，是腐蚀减弱的主要原因。

4 结语

分散流腐蚀中气泡溃灭会形成局部高压且难以通过数值模拟的方法计算。通过管壁附近气泡3D特征对比识别，判断管壁处气泡溃灭的位置，并使用能量守恒评价溃灭处腐蚀的严重程度，可以较为准确的预测管道内腐蚀最严重的位置。这也是一个很好的研究方向。对于不发生气泡溃灭的分散流，只有在腐蚀产物膜易溶解的条件下，壁面剪切力分布峰值才能反映腐蚀最严重的位置。

间歇流腐蚀受腐蚀产物膜的结构特点和传质特性控制，在管壁腐蚀产物沉淀达到化学平衡条件之前，壁面剪切力越大的位置，腐蚀速率越快。研究管壁腐蚀产物沉淀的化学平衡条件是一个重要的研究方向。

分离流中分层流和波状流工程应用少，环状流腐蚀产生的主要原因是相态变化形成了新的腐蚀环境。对于露点腐蚀，冷凝速度快且形成液膜或者液滴的管壁位置最容易发生腐蚀。对于沉积腐蚀，达到结晶发生温度的位置最容易发生腐蚀，可通过注水的方法消除。在工程应用中，研究上述两种情况下的液相分布规律是一个重要的研究方向。另外，如果腐蚀受管壁的液相更新速率控制，那么环状流会降低腐蚀速率。