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基于壁面水润湿规律的气—液两相90°弯管冲蚀特性研究

龚程程  
【摘要】:本文针对石油化工、油气输送等行业中因多相流冲蚀机理等原因造成管道腐蚀失效为背景展开基础理论研究,鉴于国内外学者针对气-液两相壁面润湿与腐蚀研究开展的较少,因此本文通过开展静、动态润湿实验和模拟研究,以建立壁面润湿规律与腐蚀关联性。首先,在静态润湿实验方面,主要研究不同介质浓度、材质以及间歇次数等因素下腐蚀特征,采用失重法计算腐蚀速率并结合宏观、微观形貌对比分析,揭示静态实验条件下气-液两相完全润湿和间歇润湿的腐蚀机理;此外,以典型90°弯管系统作为本文的研究对象,通过搭建气-液两相动态的实验平台及电化学腐蚀测试系统,研究实际管道流动过程中壁面水润湿与冲蚀之间的关系,通过二电极电化学测试方法,测量弯管各位置处电阻信号,确定壁面的水润湿的状态。在此基础上,采用电化学三电极电位的方法测量弯管壁面含有水润湿位置的腐蚀速率;同时,采用计算流体力学方法模拟弯管局部流动特征,通过对比气-液两相流动实验,检验数值模拟仿真准确性。基于准确的数值方法上,通过分析变工况下弯管壁面水润湿的时间分布和空间分布规律,并结合实验测量结果共同揭示壁面水润湿规律与冲蚀之间的关系。本文主要工作如下所示:(1)本文分别开展了不同材质(10#碳钢、20#碳钢、Q235、316L)、不同HCl浓度、不同的间歇次数等因素下的腐蚀规律研究,结果表明在相同条件下,材质在完全润湿下的腐蚀速率比间歇润湿下的腐蚀速率要高,且10#、20#、Q235、316L四种材料的腐蚀速率变化趋势基本保持一致。在相同间歇次数和20#材料情况下,随着HCl浓度的提高,腐蚀速率与浓度呈现正相关,且完全润湿的腐蚀比间歇润湿下的腐蚀速率高;此外,随着间歇次数的增加,腐蚀速率呈现负相关的变化趋势,结合材质表面的宏观和微观形貌揭示了完全润湿下的腐蚀产物膜比间歇润湿下的更加疏松、块状形式的数量更多。(2)本文通过自主搭建的气-液两相动态腐蚀实验平台进行了内径为20mm实际的弯管壁面水润湿研究,基于电化学二电极方法测量了布点在弯管壁面的电阻信号,确定了变工况下弯管壁面的水润湿的位置,通过电化学三电极方法计算了润湿位置的腐蚀电流密度。基于实际的实验工况上,采用欧拉-双流体模型和SST k-w壁面剪切湍流模型下对管道开展数值模拟研究,管内预测的流型与高速摄像仪拍摄管内的实际流型进行了对比,验证了该流动模型和数值方法的准确性。(3基于准确的数值方法结果上开展了变工况下弯管壁面的水润湿数值模拟研究,结果表明在0.5 m/s和1m/s混合速度下管内主要以分层流的形式存在,弯管内壁一直是水润湿的状态存在,且随着弯管α角度的增加腐蚀速率逐渐下降。此外,由于在分层流的形式下,管内主要受到重力的作用,水相集中在底部,随着管内的速度的提高,弯管内壁的腐蚀速率逐渐上升,具有较大的腐蚀风险。弯管外壁、弯管左侧以及右侧均未与水相接触,腐蚀风险基本上为零。(4)基于管内分层流的流型下,继续提高管内的流速至2m/s到4m/s时,管内的流型随着流速的提高逐渐从分层流向波浪流转变,且速度越大,液相的浪头越大,部分液相以离散相形式逐渐被夹带到连续相气相中。在波浪流的流型下,弯管内壁面的腐蚀速率随着流速的增加腐蚀速率逐渐降低,弯管内壁面沿着α角度的增加腐蚀速率变化趋势与分层流下的流型具有一定的相似性。(5)在2m/s流速下,在波浪流下弯管内壁的液相逐渐向弯管外壁面发散并接触剧烈,且随着流速的增加,弯管外壁面接触的位置从原来接触的位置(α=90°,θ=90°)逐渐扩散到(α=60°,θ=90°)。同时,随着管内流速的提高,弯管外壁面腐蚀速率随着弯管α角度的增加逐渐增加,比内壁面的腐蚀速率更大。


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