高速多相海水中材料流動腐蝕的數(shù)值模擬與實驗驗證.pdf

1、本文利用管流式和磁致伸縮動態(tài)模擬試驗裝置，采用數(shù)值計算和實驗研究相結(jié)合的方法，研究碳鋼、雙相鋼和316L不銹鋼等在流動多相海水中的流動腐蝕機理，利用模擬實驗數(shù)據(jù)，預測、判定實際工況條件下金屬材料流動腐蝕的情況，這有可能成為人們研究和認識多相流動腐蝕的一種重要手段。 實驗結(jié)果表明：在流動多相中性氯化物體系中，碳鋼、雙相鋼腐蝕速度隨流速的上升而增大，在固液兩相流中存在一個使腐蝕速度急劇增大的臨界流速值；在氣液兩相流中，金屬空蝕速度隨

2、著鹽濃度的增大而增大；隨著介質(zhì)溫度增加，空蝕速度先增大后減小。對于碳鋼，流動腐蝕均為陰極氧的擴散過程控制；對于雙相鋼、316L鋼，腐蝕過程主要受陽極反應(yīng)控制。雙相鋼流動腐蝕速度要遠小于碳鋼的，這表明雙相鋼具有良好的耐蝕性，在一定流速范圍內(nèi)，在實際工況條件下可用。 針對以上實驗研究體系，引入流體力學基本理論，結(jié)合固體顆粒運動隨機軌道模型，以及空泡產(chǎn)生和潰滅波動方程，根據(jù)質(zhì)量、動量和能量守恒原理，應(yīng)用數(shù)值模擬流體流動的方法，分別確立

3、了固液、氣液兩相流動體系中的流體力學模型和傳質(zhì)模型，在腐蝕動力學研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮流體力學破壞和電化學腐蝕兩方面因素，構(gòu)建了碳鋼、雙相鋼在多相海水中的流動腐蝕綜合數(shù)學模型。 采用SIMPLER算法，對流場、氧濃度場進行模擬，計算了電極表面近壁處流體力學參數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)；同時，根據(jù)流動腐蝕動力學模型，數(shù)值計算流動腐蝕速度，并與實測結(jié)果進行比較。結(jié)果表明：材料近壁處多相流體力學參數(shù)，隨著流速的增加而緩慢增大，但影響并不顯著，表明顆

4、粒、空泡對材料的力學沖擊破壞作用也不大。顆粒與空泡的存在，卻改變了介質(zhì)流場的分布、對近壁處流體力學參數(shù)以及傳質(zhì)過程影響十分強烈。固體顆粒的運動和空泡的產(chǎn)生和潰滅對溶液的“微攪動”作用，大大加強了氧的傳質(zhì)過程，引起腐蝕電化學反應(yīng)加劇，并流體力學因素之間協(xié)同交互作用，導致材料流動腐蝕加劇。然而，盡管固液和氣液兩相流體對材料表面的流體力學破壞作用較小，但已不可忽視。數(shù)值計算結(jié)果與實測流動腐蝕速度基本一致，表明了結(jié)合實驗、進行合理假設(shè)，建立的流

5、動腐蝕動力學模型是正確的，開發(fā)的程序軟件是合理的。 此外，采用外加陰極電流、充氮除氧和添加沉淀膜型緩蝕劑等實驗方法，通過抑制腐蝕電化學因素在流動腐蝕中的作用，流動腐蝕大大降低。這進一步驗證了在流動中性氯化物體系中，金屬材料流動腐蝕加劇的實質(zhì)在于流體力學因素與腐蝕電化學因素間交互作用引起的協(xié)同效應(yīng)。其中，腐蝕電化學因素仍起著主要的作用。因此陰極保護方法可以用來有效防止金屬材料在流動多相海水中的腐蝕。 在腐蝕動力學過程研究中

6、發(fā)現(xiàn)，在多相流動海水中，碳鋼、雙相鋼電極阻抗譜，隨流速增加，容抗半圓弧半徑減小，腐蝕反應(yīng)阻抗降低，低頻實部收縮更為明顯。這表明此時均勻腐蝕和局部腐蝕都很嚴重。這也驗證了在流體腐蝕過程中，電化學腐蝕確實起著主要作用。碳鋼陽極反應(yīng)的阻力較小，腐蝕過程主要受濃差極化過程控制。而不銹鋼腐蝕反應(yīng)主要受電極活化反應(yīng)離子在鈍化膜中的擴散、遷移過程是腐蝕速度控制步驟。 為了進一步研究流體流動對腐蝕動力學過程的影響，引入ZSimpWin軟件，對碳