高速多相海水中材料流动腐蚀的数值模拟与实验验证
本文利用管流式和磁致伸缩动态模拟试验装置，采用数值计算和实验研究相结合的方法，研究碳钢、双相钢和316L不锈钢等在流动多相海水中的流动腐蚀机理，利用模拟实验数据，预测、判定实际工况条件下金属材料流动腐蚀的情况，这有可能成为人们研究和认识多相流动腐蚀的一种重要手段。
实验结果表明：在流动多相中性氯化物体系中，碳钢、双相钢腐蚀速度随流速的上升而增大，在固液两相流中存在一个使腐蚀速度急剧增大的临界流速值；在气液两相流中，金属空蚀速度随着盐浓度的增大而增大；随着介质温度增加，空蚀速度先增大后减小。对于碳钢，流动腐蚀均为阴极氧的扩散过程控制；对于双相钢、316L钢，腐蚀过程主要受阳极反应控制。双相钢流动腐蚀速度要远小于碳钢的，这表明双相钢具有良好的耐蚀性，在一定流速范围内，在实际工况条件下可用。
针对以上实验研究体系，引入流体力学基本理论，结合固体颗粒运动随机轨道模型，以及空泡产生和溃灭波动方程，根据质量、动量和能量守恒原理，应用数值模拟流体流动的方法，分别确立了固液、气液两相流动体系中的流体力学模型和传质模型，在腐蚀动力学研究的基础上，综合考虑流体力学破坏和电化学腐蚀两方面因素，构建了碳钢、双相钢在多相海水中的流动腐蚀综合数学模型。
采用SIMPLER算法，对流场、氧浓度场进行模拟，计算了电极表面近壁处流体力学参数和传质系数；同时，根据流动腐蚀动力学模型，数值计算流动腐蚀速度，并与实测结果进行比较。结果表明：材料近壁处多相流体力学参数，随着流速的增加而缓慢增大，但影响并不显著，表明颗粒、空泡对材料的力学冲击破坏作用也不大。颗粒与空泡的存在，却改变了介质流场的分布、对近壁处流体力学参数以及传质过程影响十分强烈。固体颗粒的运动和空泡的产生和溃灭对溶液的“微搅动”作用，大大加强了氧的传质过程，引起腐蚀电化学反应加剧，并流体力学因素之间协同交互作用，导致材料流动腐蚀加剧。然而，尽管固液和气液两相流体对材料表面的流体力学破坏作用较小，但已不可忽视。数值计算结果与实测流动腐蚀速度基本一致，表明了结合实验、进行合理假设，建立的流动腐蚀动力学模型是正确的，开发的程序软件是合理的。
此外，采用外加阴极电流、充氮除氧和添加沉淀膜型缓蚀剂等实验方法，通过抑制腐蚀电化学因素在流动腐蚀中的作用，流动腐蚀大大降低。这进一步验证了在流动中性氯化物体系中，金属材料流动腐蚀加剧的实质在于流体力学因素与腐蚀电化学因素间交互作用引起的协同效应。其中，腐蚀电化学因素仍起着主要的作用。因此阴极保护方法可以用来有效防止金属材料在流动多相海水中的腐蚀。
在腐蚀动力学过程研究中发现，在多相流动海水中，碳钢、双相钢电极阻抗谱，随流速增加，容抗半圆弧半径减小，腐蚀反应阻抗降低，低频实部收缩更为明显。这表明此时均匀腐蚀和局部腐蚀都很严重。这也验证了在流体腐蚀过程中，电化学腐蚀确实起着主要作用。碳钢阳极反应的阻力较小，腐蚀过程主要受浓差极化过程控制。而不锈钢腐蚀反应主要受电极活化反应离子在钝化膜中的扩散、迁移过程是腐蚀速度控制步骤。
为了进一步研究流体流动对腐蚀动力学过程的影响，引入ZSimpWin软件，对碳钢、双相钢实测阻抗谱进行了解析，并提出了相应的等效电路。流体力学因素对电极反应动力学参数作用的定量分析结果表明，随流速增加，界面反应电阻Rt减小，腐蚀反应阻抗逐渐减小，腐蚀加剧；界面电容Q(Cdl)先增大后减小，电容随流速的变化规律比较复杂。流体流动对电极反应动力学参数的影响十分显著。
多相海水;流动腐蚀;数值模拟;电化学;碳钢;双相钢;L不锈钢
北京化工大学
博士
材料学
李效玉
2006
中文
TG142.31;TG172.5
156
2006-11-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）