微湍流冲击下集输管道局部腐蚀行为的多尺度表征

In the gathering pipeline, the micro turbulence flow formed by the corrosive gas and water two phase fluid flowing through the surface with the defect or damage, will accelerate the pipeline corrosion and threaten the safety of the whole project. Due to the characteristics of high flow velocity, high degree of localization and temporal and spatial evolution, the micro-turbulence corrosion behavior is complicated and changeable. The unified kinetic model has not yet been established. Considering the corrosion behavior evolution process is difficult to be described quantitatively by single corrosion test method. This work will synthetically use micro electrochemical, nested array electrode and traditional electrochemical techniques. The micro, sub micro, integrated zone multi-scale characterization of corrosion behavior is studied. Combine the corrosion parameters and two-phase flow numerical simulation technology, establish the cross scale correlation, and understand the effects of micro turbulence on local corrosion process parameters distribution, determine the control steps of micro turbulence impact corrosion and transformation conditions, clarify the development mechanism of local corrosion of pipeline steel in the environment, and establish the dynamic model of multiphase electrochemical reaction process, realize the accurate modeling of the corrosion process. This study can not only provide a reference for the study of corrosion in complex pipe section and complex flow regime, but also provide a basis for corrosion control, reliable maintenance and new protection technology development.

集输管道内，由腐蚀性气体与水组成的两相流体流经带有缺陷或破损表面，所产生的微湍流冲击会加速管道腐蚀失效，威胁整个工程安全。由于微湍流自身高速流动、高度局部以及随时空演变的特性，该腐蚀行为复杂多变，尚未建立统一的动力学模型。考虑到单一的腐蚀测试方法难以对其动态演变过程进行定量描述，课题拟综合利用微区电化学、嵌套式阵列电极以及传统电化学技术，对此腐蚀行为进行微区、亚微区、整体的多尺度表征；将所得腐蚀参数与两相流数值模拟技术相结合，建立跨尺度关联，弄清微湍流各参数分布对局部腐蚀过程的影响规律，确定微湍流冲击腐蚀的控制步骤及其转变条件；阐明此环境中管线钢局部腐蚀的发生-发展机制并建立多相电化学反应过程的动态模型，最终实现其腐蚀过程的精确建模。该研究不仅可为复杂管段、复杂流型下的腐蚀研究提供参考，还可为长输管线的腐蚀控制、可靠维护及新防护技术开发提供依据。

集输管道内，由腐蚀性气体与水组成的两相流体流经带有缺陷或破损表面，所产生的微湍流冲击会加速管道腐蚀失效，威胁整个工程安全。由于微湍流自身随时空演变的特性，该腐蚀行为复杂多变，尚未建立统一的动力学模型。项目组成员考虑到单一的腐蚀测试方法难以对其动态演变过程进行定量描述，首先根据工业实际工况条件，建立了调节式引流冲刷腐蚀电化学测试系统，在此系统中实现了微湍流作用下管线钢腐蚀行为的传统电化学与嵌套式阵列电极的联合表征，并在此基础上将所得腐蚀参数与数值模拟所得两相流数值模拟技术相结合，厘清了微湍流各参数分布对局部腐蚀过程的影响规律，确定了微湍流冲击腐蚀的控制步骤及其转变条件。研究结果表明，静态液膜下X80管线钢的腐蚀机理基本一致，液膜厚度仅对腐蚀反应中各进程的反应时间有影响，其反应总体过程基本相同；缺陷坑内部腐蚀虽然被加速，然而其在整个缺陷坑内部的腐蚀加速是均匀的，没有出现更小尺度的点腐蚀或缝隙腐蚀，将缺陷坑内的腐蚀增强过程认为是整体增强的局部腐蚀过程。相较于静态下的腐蚀过程，动态流场下CO2溶解速率及扩散传质速率对腐蚀进程的影响较小，动态流场中的对流传质及腐蚀产物膜组分与完整性对腐蚀进程具有更大的影响。在表面缺陷坑诱导的局部湍流影响下，表面缺陷坑的存在会显著的影响流场分布，诱导局部湍流的发生，在不同的区域对腐蚀产物膜形成影响，进而影响腐蚀进程。通过理论计算研究分析了动态流场中力学、能量等与腐蚀产物膜完整性的关联，发现保护性腐蚀产物膜的破坏机理及局部腐蚀的诱因在于多方面因素，对于致密腐蚀产物膜FeCO3，局部湍流产生的壁面剪切力不足以达到其破坏所需的强度，表面缺陷坑下游的致密腐蚀产物膜的破坏是由于饱和CO2-NACE溶液中CO2在压力波动下释放形成气泡，然后在压力恢复区溃灭冲击壁面所导致的。该研究不仅可为复杂管段、复杂流型下的腐蚀研究提供参考，还可为长输管线的腐蚀控制、可靠维护及新防护技术开发提供依据。