浅析流体力学因素对液固两相流冲刷腐蚀的影响
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[关键词]冲刷腐蚀；流体力学；影响
冲刷腐蚀 又称为磨损腐蚀， 是金属表面与腐蚀流体之间由于高速相对运动而引起的金属损坏现象， 是材料受冲刷和腐蚀交互作用的结果，是一种危害性较大的局部腐蚀，在石油、化工等生产领域广泛存在。暴露在运动流体中的所有类型的设备如料浆输送管道、泵的过流部件和阀门等， 都会遭受到冲刷腐蚀的破坏， 尤其是在含固相颗粒的双相流中， 破坏更为严重。因此，冲刷腐蚀问题的研究，引起了人们的高度重视。
冲刷腐蚀是一个很复杂的过程， 影响因素众多， 概括起来主要包括材料 （冶金）、环境和流体力学三个方面。过去人们通过失重实验以及各种流动条件下的电化学测量技术， 对前两方面因素的影响做了较为深入的研究， 并进而开展了冲刷和腐蚀交互作用的研究， 以期揭示冲刷腐蚀的本质。相对而言， 流体力学因素影响规律的研究尚未成熟。因此，无论是对冲刷腐蚀实验结果的预测， 还是对冲刷腐蚀机理的深入阐述， 都受到限制。
一、流体力学因素的影响机制
流体力学因素一般通过改变冲刷强度或传质过程来影响冲刷腐蚀作用。其主要条件包括： 流速、流态、冲刷角度、颗粒性质等[1]。
1.流体流速
介质的流动对冲刷腐蚀有两种作用： 质量传递效应和表面切应力效应。因此流体流速在冲刷腐蚀过程中起着重要作用， 并直接影响冲刷腐蚀的机理。对于不具有钝化特性的金属，特别是在中性条件下， 氧的存在，将会加速阳极金属的溶解。因此随流速的提高， 氧、二氧化碳等腐蚀剂与金属表面充分地接触，促进腐蚀； 另外， 液流冲击金属表面， 随流速的提高， 在悬浮固相颗粒作用下， 切力矩作用增强，将腐蚀产物不断从金属表面剥离，并且在金属基体上产生划痕， 使腐蚀加剧。
2.流体流态
流体的流动状态有层流与湍流两种。它不仅取决于流体的流速 ， 而且还取决于流体的性质。（ 如粘度、密度等） 和设备的几何形状 （ 如凸出物、缝隙以及突然改变流向的截面） 。不同的流动状态有不同的运动规律， 故对冲刷腐蚀的影响也不一样。层流时， 供氧量比较少， 但能形成保护膜， 水体对金属的剪切应力小， 不能破坏保护膜。此时阴极反应呈现出氧扩散控制特征。冲刷腐蚀受氧的扩散控制，比较缓慢。湍流使金属与流体介质的接触更加频繁， 不仅加速了腐蚀剂的供应和腐蚀产物的转移， 而且增加了流体与金属之间的剪切应力。这种应力会将金属腐蚀产物（ 包括保护膜） 从基体上拉、撕开并冲走， 同时流体中固相颗粒物无规则地剧烈冲击金属表面， 促进冲刷腐蚀。
3.冲刷角度
液固两相流作用在冲刷面上的力可分为水平和垂直分量， 它们的损伤作用不同： 水平分量对冲刷面产生切削作用； 垂直分量产生撞击。随着冲刷角度变化， 这两种损伤机制此消彼长， 交织作用。在小角度冲刷时， 水平分量作用较强， 因而切削机制是材料损失的主要原因； 在大角度冲刷时， 垂直分量作用较强， 固相粒子撞击材料表面， 这种损伤机制主要由两部分组成： 一部分是由粒子冲击形成冲击坑及周围的突出唇， 突出唇在随后的颗粒冲击下被冲掉。另一部分是粒子冲击金属表面， 形成微裂纹， 裂纹扩展使材料呈片状脱落。因此， 会存在某一冲刷角度， 微切削和冲刷撞击共同作用产生的损伤最大，从而使材料的冲刷腐蚀失重率达到最大。
4.两相流体中的固相颗粒因素
悬浮颗粒物对冲刷行为的影响参数主要在于其硬度、锋利性、粒径大小及浓度。一般条件下，颗粒硬度越高， 冲刷越严重； 多角粒子的切削作用要比圆形粒子的犁削作用产生更大的力学损伤；粒径越大， 冲刷速率也越大。
颗粒浓度越大， 冲刷腐蚀速率的绝对值越大， 但高浓度条件下颗粒间的相互影响所引起的“屏蔽效应”使得其冲蚀效率降。同时， 流体中颗粒物也影响电极反应的传质过程。颗粒物通过扩散层时加剧局部水体的搅动， 破坏扩散层状态， 使得金属与介质中氧化剂的接触更为频繁， 从而促进腐蚀过程。
二、CFD 数值模拟
运用计算流体动力学 CFD（ Computational Fluid Dynamics） ，对流态进行数值仿真模拟计算。尽管这种新的数值计算方法不能完全取代传统的实验测试， 但是却可以减少实验和设计工作的盲目性和工作量， 降低消耗并增加可靠度，使传统的实验方法逐步退化为验证计算流体力学程序准确性与可靠性的一种手段。
1.数值模拟方法
计算所采用的液体为水，颗粒为砂， 平均直径为0.01mm， 浓度为 2%。液相在进口为恒定速度边界条件， 初始值按实际工况直接给定为3m/s；出口为自由出流边界条件； 壁面为无滑移壁面；进口和出口的紊流强度均取10%。颗粒相在壁面上取为弹性反射条件， 出口为逃逸边界条件。
2.数值模拟的结果与分析
流动对腐蚀的影响中， 各因素作用的差别很大。直管内速度梯度近乎为零， 因此可以不考虑速度梯度影响； 流形对腐蚀的作用也是通过剪切应力表现为间接影响。剪切应力不断撕裂、剥落腐蚀产生的保护膜， 产生裂痕（或冲蚀坑）， 若来不及修复则露出新鲜的活性金属表面， 使痕内外构成 腐蚀原电池而进一步加速腐蚀。因此， 本文的研究认定管道冲蚀主要是壁面剪切应力的作用， 兼考虑其他因素影响。液相与固相颗粒对管道的剪切应力在管道的进口端均达到最大值。液相对管道的动压力也在管道的进口处出现了最大值。另外， 颗粒的冲击也会使新的金属表面发生塑性变形、位错聚集或诱发微裂纹， 使之处于高能区， 在腐蚀原电池中成为阳极区，从而加速材料的腐蚀。固相颗粒对管道的冲刷量， 在进口端附近最大， 而在管道的中部和出口端几乎为零。
三、结论
1.因为冲刷和腐蚀的联合作用， 冲蚀机理比其他类型腐蚀更复杂
液固两相流中， 固体颗粒不是移去金属基材， 就是移去腐蚀产物； 而液相中腐蚀介质的作用下， 导致腐蚀发生。高速流体击穿了紧贴金属表面几乎静止的边界膜， 一方面加速了氧化剂的供应和阴、阳极腐蚀产物的迁移； 另一方面高速湍流对金属表面产生了剪应力， 这种剪应力不断剥离金属表面的腐蚀产物， 使金属不断以金属离子形式溶入溶液， 从而产生冲刷腐蚀过程。
2.采用流体动力学理论和k- ε双方程模型， 较为成功地应用于管道流的流动计算
管道进口端的动压力场以及剪切应力最大， 对保护膜和金属基体产生撕、拉的破坏； 并且颗粒对管道的进口附近冲刷也达到最大。因此，在管道进口端， 流体力学因素与电化学腐蚀相互促进， 即冲蚀行为比较严重；而沿管道轴向冲蚀作用逐渐减小， 管道出口端几乎没有冲蚀破坏。与实际情况符合较好， 表明了模拟计算的可靠性，对于空冷器管束的改造具有十分重要的意义。（编辑/穆杨）