高速多相海水中材料流動(dòng)腐蝕的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.pdf

1、本文利用管流式和磁致伸縮動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)裝置，采用數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)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(dòng)多相海水中的流動(dòng)腐蝕機(jī)理，利用模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)、判定實(shí)際工況條件下金屬材料流動(dòng)腐蝕的情況，這有可能成為人們研究和認(rèn)識(shí)多相流動(dòng)腐蝕的一種重要手段。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在流動(dòng)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(gè)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(duì)于碳鋼，流動(dòng)腐蝕均為陰極氧的擴(kuò)散過(guò)程控制；對(duì)于雙相鋼、316L鋼，腐蝕過(guò)程主要受陽(yáng)極反應(yīng)控制。雙相鋼流動(dòng)腐蝕速度要遠(yuǎn)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(shí)際工況條件下可用。 針對(duì)以上實(shí)驗(yàn)研究體系，引入流體力學(xué)基本理論，結(jié)合固體顆粒運(yùn)動(dòng)隨機(jī)軌道模型，以及空泡產(chǎn)生和潰滅波動(dòng)方程，根據(jù)質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒原理，應(yīng)用數(shù)值模擬流體流動(dòng)的方法，分別確立

3、了固液、氣液兩相流動(dòng)體系中的流體力學(xué)模型和傳質(zhì)模型，在腐蝕動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮流體力學(xué)破壞和電化學(xué)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(dòng)腐蝕綜合數(shù)學(xué)模型。 采用SIMPLER算法，對(duì)流場(chǎng)、氧濃度場(chǎng)進(jìn)行模擬，計(jì)算了電極表面近壁處流體力學(xué)參數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)；同時(shí)，根據(jù)流動(dòng)腐蝕動(dòng)力學(xué)模型，數(shù)值計(jì)算流動(dòng)腐蝕速度，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明：材料近壁處多相流體力學(xué)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(duì)材料的力學(xué)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(chǎng)的分布、對(duì)近壁處流體力學(xué)參數(shù)以及傳質(zhì)過(guò)程影響十分強(qiáng)烈。固體顆粒的運(yùn)動(dòng)和空泡的產(chǎn)生和潰滅對(duì)溶液的“微攪動(dòng)”作用，大大加強(qiáng)了氧的傳質(zhì)過(guò)程，引起腐蝕電化學(xué)反應(yīng)加劇，并流體力學(xué)因素之間協(xié)同交互作用，導(dǎo)致材料流動(dòng)腐蝕加劇。然而，盡管固液和氣液兩相流體對(duì)材料表面的流體力學(xué)破壞作用較小，但已不可忽視。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)流動(dòng)腐蝕速度基本一致，表明了結(jié)合實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行合理假設(shè)，建立的流

5、動(dòng)腐蝕動(dòng)力學(xué)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(shí)驗(yàn)方法，通過(guò)抑制腐蝕電化學(xué)因素在流動(dòng)腐蝕中的作用，流動(dòng)腐蝕大大降低。這進(jìn)一步驗(yàn)證了在流動(dòng)中性氯化物體系中，金屬材料流動(dòng)腐蝕加劇的實(shí)質(zhì)在于流體力學(xué)因素與腐蝕電化學(xué)因素間交互作用引起的協(xié)同效應(yīng)。其中，腐蝕電化學(xué)因素仍起著主要的作用。因此陰極保護(hù)方法可以用來(lái)有效防止金屬材料在流動(dòng)多相海水中的腐蝕。 在腐蝕動(dòng)力學(xué)過(guò)程研究中

6、發(fā)現(xiàn)，在多相流動(dòng)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(shí)部收縮更為明顯。這表明此時(shí)均勻腐蝕和局部腐蝕都很嚴(yán)重。這也驗(yàn)證了在流體腐蝕過(guò)程中，電化學(xué)腐蝕確實(shí)起著主要作用。碳鋼陽(yáng)極反應(yīng)的阻力較小，腐蝕過(guò)程主要受濃差極化過(guò)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(kuò)散、遷移過(guò)程是腐蝕速度控制步驟。 為了進(jìn)一步研究流體流動(dòng)對(duì)腐蝕動(dòng)力學(xué)過(guò)程的影響，引入ZSimpWin軟件，對(duì)碳