文章编号：１０００-７４６６（２０１４）０４-００３６-０４
孙海生，郝开开，常春梅
（甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，甘肃兰州 ７３００７０）
摘要：介绍了流体加速腐蚀的发生机理，对化工厂一则因焊缝内壁凸起诱发的流体加速腐蚀失效案例进行流体动力学数值模拟。计算结果表明，焊缝下游流体加速腐蚀速率与流体湍动能有密切联系，流体湍流程度越剧烈，流体加速腐蚀的速率愈大。 关键词：对焊管道；孔板流量计；下游；流体加速腐蚀（ＦＡＣ）
；数值模拟中图分类号：ＴＱ０５０．９ 文献标志码：Ａ doi ：１０．３９６９／ｊ．
ｉｓｓｎ．１０００-７４６６．２０１４．０４．００９Research on Pi p e Inwall Bul g e Inducin g Fluid Acceleration Corrosion
SUN Hai -shen g ，HAO Kai -kai ，CHANG Chun -mei
（ＬａｎｐｅｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓＬｉｍｉｔｅｄ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００７０，Ｃｈｉｎａ）
Abstract ：Ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｆｌｕｉｄａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｃｏｒｒｏｓｉｏｎｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｅｎｔｈｅｐｉｐｅｗａｌｌｂｕｌｇｅ
ｉｎｄｕｃｉｎｇｆｌｕｉｄａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｃｏｒｒｏｓｉｏｎｉｓｓｔｕｄｉｅｄ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｆｌｕｉｄａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒａｔｅｉｓｃｌｏｓｅｌｙｒｅｌａｔｅｄｔｏｆｌｕｉｄｔｕｒｂｕｌｅｎｔｋｉｎｅｔｉｃｅｎｅｒｇｙ．
Ke y words ：ｂｕｔｔｗｅｌｄｐｉｐｅ；ｏｒｉｆｉｃｅｍｅｔｅｒ；ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ；ｆｌｕｉｄａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｃｏｒｒｏｓｉｏｎ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
在核电和电力工业中曾发生过多起因流体加速
腐蚀（ＦｌｕｉｄＡｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎＣｏｒｒｏｓｉｏｎ，
简称ＦＡＣ）导致的失效事故［１，２］。据有关报道，２００４年日本关西
电力公司所属美滨核电站３号机组给水回路中低压加热器与除氧器之间主管道上一个孔板流量计下游长途运输鱼苗时
的管段发生破裂（图１）［３］
。在石化行业中，焊接管道的焊缝在内壁发生严重凸起时，也会在下游诱发
ＦＡＣ而导致的焊接管道失效（图２）［４，５］
，但因ＦＡＣ
诱发失效案例的报道相对较少
。
图１ 美滨３
号机组发生破裂位置
图２ 高压预热器对焊管冲刷腐蚀失效
ＮｏｂｕｙｕｋｉＦｕｊｉｓａｗａ等人对管道内部孔板流量
计对诱发ＦＡＣ的影响进行研究，并绘制了孔板流量计下游流场和质量传递的示意图，研究表明，质量传
递活跃区在距离流量计下游１．５d 处［６］。ＥｆｉｒｄＫＤ等人对管道因焊缝引起的下游紊流的水力边界层和
扩散边界层分布情况进行试验研究，发现水力黏性边界层或扩散层中壁面剪切应力和质量传递系数不能在紊流区域建立，腐蚀主要发生在焊缝下游的紊
态区域［７］。
第４３卷 第４期 石 油 化 工 设 备 Ｖｏｌ
．４３ Ｎｏ．４ ２０１４
金纳米颗粒年７月 ＰＥＴＲＯ-ＣＨＥＭＩＣＡＬＥＱＵＩＰＭＥＮＴ Ｊｕｌｙ２０１４ 收稿日期：２０１４
-０２-２３ 作者简介：孙海生（
１９８６-），男，黑龙江哈尔滨人，助理工程师，硕士，从事换热设备研发及失效分析工作。
如果流体中含有固体颗粒，在管道内壁凸起处下游将会发生流体加速及冲刷两种腐蚀，管道的腐蚀速率将大幅增加，石化行业输送煤焦油的管道就曾因焊接工艺不当在焊缝下游诱发穿孔失效［５］，失效为两种腐蚀共同作用的结果。通常情况下，局部冲刷腐蚀的场合也会同时伴有ＦＡＣ，而在发生ＦＡＣ的情况下不一定存在冲刷腐蚀，流体加速腐蚀具有一般性。
影响管道ＦＡＣ腐蚀速率的因素很多，文中就管道内壁凸起诱发ＦＡＣ进行研究，利用ＡＮＳＹＳＣＦＸ软件对焊缝内壁凸起下游的流动状态进行模拟，以期获得焊缝凸起对其下游诱发ＦＡＣ的影响。
１ FAC发生机理
管道与流体接触时不可避免会发生腐蚀，而流体流动则会加剧这一过程，该现象被称为ＦＡＣ。在稳定的ＦＡＣ状态，材料的腐蚀速率与氧化膜的溶解速率相等，且这一过程会一直持续下去［８］。
考虑到金属表面多孔铁磁相膜的存在，ＦＡＣ可以分解为两个耦合的过程［８］。第一个过程是金属表面生成铁磁相膜，铁磁相膜一方面在氧化膜／水界面产生可溶解的亚铁离子使氧化膜溶解减薄，一方面在铁基体／铁磁相膜界面逐渐生成，对于一个稳定的过程来说，溶解速率与生成速率相等。第二个过程是亚铁离子通过扩散边界层向主体溶液迁移，该过程受浓度梯度驱使（亚铁离子能迅速扩散到主体溶液中）。假设主体溶液中亚铁离子Ｆｅ２＋浓度为C
ｂ
，
氧化膜／水界面的亚铁离子Ｆｅ２＋浓度为C
ｗ，当C
ｂ
小于等于C
ｗ
时，如果氧化膜／水界面的流体速度增加将导致腐蚀速率上升。
将ＦＡＣ速率v
ＦＡＣ
视为亚铁离子质量流量的函数，对流动的水计算对流质量传递系数（ｍａｓｓｔｒａｎｓ-ｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，简称ＭＴＣ）［９］。ＭＴＣ与流体的流动
状态存在密切的联系，在湍流状态下数值较大，可以通过实验测得，计算公式如下：
vＦＡＣ＝ＭＴＣ（Cｗ—Cｂ）（１）
式中，v
ＦＡＣ
为ＦＡＣ腐蚀速率，ｍｍ／ｓ；ＭＴＣ为对流质
量传递系数，ｍｍ·Ｌ／（Ｓ·ｍｏｌ）；C
ｗ
为氧化膜／水界
面的亚铁离子Ｆｅ２＋浓度，C
ｂ
为主体溶液中亚铁离子Ｆｅ２＋浓度，ｍｏｌ／Ｌ。
ＦＡＣ过去被称为管道的冲刷／腐蚀（Ｅｒｏｓｉｏｎ／Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ，简称ＥＣ），但是冲刷腐蚀与ＦＡＣ是不同的。ＥＣ过程包括机械作用（如流体中的固体颗粒、高速流体、液滴冲击等）引起的表面氧化膜剥离过程，而ＦＡＣ过程则是纯电化学腐蚀过程（流体只是加速了这一过程）［１０］。流体在流经管路配件、阀门和焊缝等几何不连续处较易产生紊流流动［１１］。在现场焊接中，环焊缝普遍用于短管连接而不打磨管子内表面，不连续的内表面很有可能产生局部紊流而导致管件发生ＦＡＣ失效［１２］。文献［７］列出了管道常发生的ＦＡＣ区域，见表１。
表１ 管道FAC易发生区域［７］
序号部位发生区域
１焊缝下游换热管局部堵塞区
２预先存在的坑处流量计或阀门下游
３硬垢物下游弯管或弯头
４换热管入口处螺纹接合处
２ 实例分析与计算
２．１ 实例参数
某化工厂输送油品水平管道服役仅２ａ在凸起的对焊焊缝下游发生多起ＦＡＣ失效，管子规格（外径×名义厚度）为Ø４６ｍｍ×５ｍｍ。为了清晰观察管内壁情况，对模型进行剖分，剖分的１／２模型结构示意图见图３
。
图３ 焊缝凸起模型图
现场不合格焊接导致焊缝沿管内壁凸起高度实际并不均匀，将凸起焊缝结构简化为半径为５ｍｍ的半圆环附着在管内壁。
流体的入口速度v
０＝１．３ｍ
／ｓ，流体密度ρ＝９５０ｋｇ／ｍ３，流体黏度μ１６０℃＝０．００１Ｐａ·ｓ。因现场并未测量焊缝下游稳态区域的流场压力，故文中假定焊缝上游及焊缝下游足够长距离稳态区域压力均为０．１ＭＰａ。
２．２ 计算方法［１３］
（１）求解方法采用有限体积法。湍流模型采用标准k-ε两方程模型，压力-速度耦合求解采用ＳＩＭ-ＰＬＥＣ算法。
（２）由于流速较低，流体视为不可压缩。
（３）收敛准则：将质量、动量和湍流方程的收敛
·
７３
·
第４期 孙海生，等：管道内壁凸起诱发的流体加速腐蚀模拟计算
残差定为１０－４。
２．３ 建立模型及网格划分
建模时采用平面网格结构简化计算。
为了准确模拟焊缝附近流体流动状况，建立控制体分析区域为上游进口距焊缝０．１ｍ、
下游出口距焊缝０．５ｍ，凸起的焊缝简化为半径为５ｍｍ的半圆形状。
网格划分采用结构四边形网格，在靠近焊缝及管壁边缘处进行网格细化，以便更好地捕捉其附近的流动特性，分析管道的网格划分示图见图４
。
图４ 分析管道的划分网格示图
２．４ 边界条件
左侧进口速度为１．３ｍ／ｓ、右侧出口压力为０．１ＭＰａ，
上、下边界均定义为无滑移固壁边界条件。
２．５ 模拟计算
焊缝下游流体速度场模拟等值图结果见图５
。
图５ 焊缝下游流体速度分布
从图５中可以看到，流体中部最高流速为朝鲜族语言
１．８４２ｍ／ｓ，
最小速度位于靠近焊缝下游的近管壁处，速度大小为０，也就是说此区域的流体基本停滞，这与文献［１４］
观察得出在靠近焊缝下游８ｍｍ左右区域质量传递系数较低非常符合。
焊缝下游处流体速度场模拟矢量结果见图６。从图６中可见，靠近焊缝及管壁处流体速度方向发生变化，A 点为分离点，边界层自点A 开始脱离焊缝表面，在A 点下游形成了液体的空白区，后面的液体必然倒流填充空白区，此时点A
下游的壁面附
图６ 靠近焊缝区流体速度矢量分布示图
近产生了流向相反的两股液体，两股液体的交界面
称为分离面［１５］，如图中的AB 虚线所示。分离面与
壁面之间有流体回流而产生漩涡成为涡流区。
焊缝下游流体湍流动能分布结果示图见图７
。
图７ 焊缝下游流体湍流动能分布
保持冷静 继续前行
从图７中可以看到，位于焊缝下游２倍管径区间内流体动能较大，这与文献［９，１６］对孔板流量计下游模拟所得的动能分布相一致。
焊缝下游流场压力分布示意图见图８
。
图８ 靠近焊缝区流体压力分布
从图８中可以看到，靠近焊缝管壁处压力最低，沿焊缝下游压力逐渐增加，这与文献［１５］中得到
的结论是相一致的。减少的压强能一部分转变为动能，另一部分消耗于克服流体内摩擦引起的流动阻
力，正是由于这种压力差的存在，才导致漩涡在此处产生。google学术
流体雷诺数为５６８１０，可判断最初流体流动类型属湍流流动。通过模拟得到焊缝下游最大流速为１．８４２ｍ／ｓ，速度是最初速度１．３ｍ／ｓ的１．４１７倍，下游处雷诺数的最大值为８０５００。在其他参数不发生变化的条件下，通过公式计算发现焊缝下游流体最大雷诺数较最初的流动状态下大很多。因此，焊缝凸起导致其下游流动发生剧烈变化。
３ 讨论
当流体中无固体颗粒、无需考虑冲刷腐蚀作用下，管子发生的流体加速腐蚀程度主要受质量传递速率控制。通过实验得到对流质量传递系数，然后代入到式（１）
中可以计算管壁的腐蚀速率。在不进行实验的情况下，也可对管壁的ＦＡＣ
速率进行定性估计。对流质量传递系数主要与流
·８３· 石 油 化 工 设 备 ２０１４年 第４３卷
体在某一区域的湍流程度有关，而此区域的湍流程度可以通过湍流动能来表征。流体湍流动能越大，此区域的对流质量传递系数势必越大。可以定性认为图７所示湍流动能较大的区域对流质量传递系数较大，此区域是易产生流体加速腐蚀的危险区域。
４ 结语
在管道内安装孔板流量计的下游与因焊接不当导致的焊缝严重凸起处下游极易引起ＦＡＣ，湍流动能越大的区域对流质量传递越剧烈，腐蚀速率也越高。当流体中伴有固体颗粒时，发生ＦＡＣ的区域也会伴有严重的冲刷腐蚀，可大幅度减少管子的服役寿命。因此，可在安装孔板流量计或阀门下游管壁处定期用超声波测厚，以避免管道泄漏穿孔事故发生。可采取正确的焊接工艺避免焊管道内壁产生严重凸起，以防止焊缝下游流体加速腐蚀。
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Ｇｕｉｄｅ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＰｅｏｐｌｅＰｏｓｔＰｒｅｓｓ，２０１３．）
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Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ［Ｄ］．Ｏｈｉｏ：ＯｈｉｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，１９９７．
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（ＸＩＡＱｉｎｇ，ＣＨＥＮＣｈａｎｇ-ｇｕｉ．ＰｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆＣｈｅｍｉｃａｌ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［Ｍ］．Ｔｉａｎｊｉｎ：ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰｒｅｓｓ，２００５．）
［１６］Ｅｌ-ＧａｍｍａｌＭ，ＡｈｍｅｄＷＨ，ＣｈｉｎｇＣＹ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａ-ｔｉｏｎｏｆＷａｌｌＭａｓｓＴｒａｎｓｆｅｒＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓＤｏｗｎ-
ｓｔｒｅａｍｏｆａｎＯｒｉｆｉｃｅ［Ｊ］．ＮｕｃｌｅａｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＤｅ-
ｓｉｇｎ，２０１２，２４２：３５３-３６０．
（许编）
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第４期 孙海生，等：管道内壁凸起诱发的流体加速腐蚀模拟计算
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