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原文传递管道弯管段冲刷腐蚀机理与流体动力学特征

论文题名：	管道弯管段冲刷腐蚀机理与流体动力学特征
关键词：	弯管;冲刷腐蚀;流体动力学;阵列电极;缓蚀剂
摘要：	弯管在工业管线运输中起连接管道的作用，是输送管道中必不可缺的零部件，然而，由于弯管几何形状的复杂性，造成流体及携带的固体颗粒流经弯管时流体的流动方向及沙子的运动方向发生明显变化，导致弯管受到严重的冲刷腐蚀破坏，引起弯管位置冲刷腐蚀穿孔，致使管线提前失效，造成巨大的经济损失，同时带来严重的安全隐患。因此，本论文开展弯管段冲刷腐蚀机理研究具有重大的理论意义和工程价值，为弯管的冲刷腐蚀与防护提供有价值的指导。　　本文以输送管道中弯管段为研究对象，在弯管内布置阵列电极，利用环路测试系统进行冲刷腐蚀实验，通过失重法、电化学测试、表面分析，以及计算流体动力学（CFD）模拟，对弯管段的冲刷腐蚀机理进行了系统的研究，主要的研究工作如下：　　1.结合阵列电极和CFD模拟研究了X65碳钢弯管在地层水单相介质中的流动加速腐蚀，结果显示，X65碳钢腐蚀速率在弯管内侧高于外侧，而且在弯管的最内侧腐蚀速率最大，而在弯管最外侧腐蚀速率最小。CFD模拟结果表明，弯管内侧的流速和剪切应力均高于外侧，而且在弯管最内侧流速和剪切应力最大，而在弯管最外侧流速和剪切应力最小。由此，提出了一种研究弯管段流动腐蚀的新方法。　　2.结合阵列电极和 CFD模拟研究了 X65碳钢弯管在地层水-固体沙粒两相介质中的冲刷腐蚀，定量确定X65碳钢弯管不同位置总冲刷腐蚀速率及其四个分量（纯冲刷、纯腐蚀、冲刷促进腐蚀和腐蚀促进冲刷），以及这四个分量占总冲刷腐蚀速率的百分比。结果表明，弯管外侧冲刷腐蚀速率较高，冲刷腐蚀速率的最大值出现在弯管外侧出口。纯冲刷速率和冲刷促进腐蚀速率占总冲刷腐蚀速率的百分比较高，纯腐蚀速率和腐蚀促进冲刷速率占冲刷腐蚀速率的百分比较低。CFD模拟显示，在水-沙两相介质中，在弯管前直管段，管道底部固体沙粒含量高于顶部，在弯管外侧固体沙粒含量明显高于内侧。沙粒冲击越严重的位置，冲刷腐蚀速率越高。　　3.利用阵列电极研究了流动加速腐蚀条件下碳钢弯管内流体动力学特征、油溶性咪唑啉缓蚀剂浓度、流速对缓蚀剂缓蚀效果的影响，同时探讨了水溶性咪唑啉缓蚀剂对碳钢弯管冲刷腐蚀及其四个分量（纯冲刷、纯腐蚀、冲刷促进腐蚀及腐蚀促进冲刷）的抑制效果。结果显示，油溶性咪唑啉缓蚀剂对流动加速腐蚀的缓蚀效率在弯管内侧较低，外侧较高。缓蚀剂浓度低于100 mg/L时，缓蚀剂对弯管流动加速腐蚀的缓蚀效率随缓蚀剂浓度增大而增大。然而，当缓蚀剂浓度增加到200 mg/L时，缓蚀效率反而有所下降。缓蚀剂对弯管流动加速腐蚀的缓蚀效率随流速增加而降低。水溶性咪唑啉缓蚀剂能有效抑制冲刷腐蚀及其四个分量，且对腐蚀的抑制作用比对冲刷的抑制作用更明显。缓蚀剂对总冲刷腐蚀的缓蚀效率在弯管外侧低于内侧，最小值出现在弯管最外侧。缓蚀剂对纯冲刷、冲刷促进腐蚀及腐蚀促进冲刷的缓蚀效率在弯管内侧较高，且对纯腐蚀和冲刷促进腐蚀分量的抑制作用大于对纯冲刷和腐蚀促进冲刷分量的抑制作用。　　4.利用阵列电极研究了304不锈钢弯管段不同位置处钝化行为差异以及钝化膜的半导体特性。结果表明，冲刷在不锈钢冲刷腐蚀中所占的比例很高，弯管不同位置沙粒的浓度和冲击速度不同导致冲刷腐蚀速率的差异性。在弯管外侧出口形成的钝化膜稳定性较差，腐蚀电位较负，钝化电流密度较高。冲刷腐蚀条件下304不锈钢弯管内形成的钝化膜属于n-型半导体，在弯管外侧点缺陷密度和扩散系数较高，平带电位较负。弯管不同位置阵列电极存在电偶效应，弯管内侧和弯管外侧进口位置的阵列电极作为阴极，冲刷腐蚀受到抑制，弯管外侧出口位置的电极作为阳极，冲刷腐蚀被加速。　　CFD模拟和流动腐蚀测试表明，弯管内阵列电极的（冲刷）腐蚀速率变化规律、缓蚀剂对碳钢弯管流动加速腐蚀和冲刷腐蚀的缓蚀作用机理、不锈钢弯管的钝化行为、钝化膜的半导体性质和电偶腐蚀行为均与弯管处的流体动力学特征具有很好的相关性。
作者：	曾莉
专业：	材料物理与化学
导师：	张国安;郭兴蓬
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文