毕业设计（论文）-材料腐蚀的动态评价方法研究.doc

本科毕业设计（论文）题目材料腐蚀的动态评价方法研究摘要 材料的腐蚀遍及国民经济各部门，给国民经济带来巨大的经济损失。在这里，材料腐蚀的机理以及对腐蚀的评价显得尤为重要。 本文通过文献调研、程序模拟、腐蚀实验的方式，在现存的研究基础上，对 H2S和 CO2在一定条件下对C110钢的腐蚀作出了腐蚀评价。首先通过文献调研的方式探究了H2S和 CO2对C110钢的静态腐蚀机理，以及高温高压循环流动腐蚀实验仪器（高压釜）内对材料的动态腐蚀机理。然后，对油气藏地质及开发工程国家重点实验室自主设计建造的高压釜进行几何结构简化，利用CFD软件对其流场进行模拟，模拟出能在短时间内达到稳定的流场。最后，利用此达到流场的速度条件进行该速度下的实际腐蚀实验，并结合静态腐蚀实验，观察C110钢的腐蚀结果，运用重量法和表面观察法对其进行联合腐蚀评价。关键词：腐蚀；高压釜；流场模拟；腐蚀评价 AbstractCorrosion is over national economic sectors,leading huge economic losses to the national economy.Here, the mechanism of corrosion and the evaluation of the corrosion is very important. Through literature research, the computer program to simulate the experimental approach, based on the existing research on H2S and CO2 under certain conditions, the corrosion on the C110 made of steel corrosion evaluation.First of all ，the way through the research literature explore the H2S and CO2 corrosion mechanism of steel on the C110, and the flow of high temperature and pressure cycle corrosion test equipment (autoclave) in the corrosion mechanism of materials.Next, select the Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, State Key Laboratory of self-designed and built as a research instrument autoclave.In order to reduce the number of experiments, first on the autoclave simplified geometric model, using CFD software to simulate their flow, to simulate in a short time to achieve stable flow field, use this to speed the flow field conditions the speedthe corrosion experiment, combined with the static corrosion test, the results of the corrosion observed C110, complete corrosion evaluation.Keywords: corrosion；autoclave；simulated flow field；corrosionevaluatio目录1.绪论11.1 研究目的和意义11.2 国内外研究情况21.2.1 重量法21.2.2 表面观察法21.2.3 电化学测试法31.3 主要研究内容31.4 拟采用的研究思路42.H2S和CO2对材料的静态腐蚀和动态腐蚀机理研究52.1 静态腐蚀和动态腐蚀的基本机理52.1.1 静态腐蚀的基本机理52.1.2 动态腐蚀的基本机理52.2 H2S和CO2对材料腐蚀速度影响因素分析62.2.1 静态腐蚀下的腐蚀速度影响因素62.2.2 动态腐蚀下腐蚀速度影响因素82.3小结103.1 高压釜结构简介113.2 高压釜的几何结构简化113.3 流场模拟123.3.1 Fluent简介133.3.2 腐蚀环境的流场模拟133.4 流场优选274.实际的腐蚀评价实验284.1 腐蚀实验284.1.1 静态腐蚀实验284.1.2动态腐蚀实验304.2 腐蚀评价325.结论36致谢37参考文献38材料腐蚀的动态评价方法研究1.绪论1.1 研究目的和意义工程材料在使用时，一定要考虑材料在相应工况环境下的耐蚀能力。也就是说，材料在此环境下是否会发生严重的腐蚀，从而导致工程结构的失效。因此，如何评价在工况环境下，材料表面腐蚀的形态、腐蚀的速度就显得非常具有现实的工程意义。材料的腐蚀遍及国民经济各部门，给国民经济带来巨大的经济损失。20世纪50年代前腐蚀的定义只局限于金属腐蚀。从50年代以后，许多权威的腐蚀学者或研究机构倾向于把腐蚀的定义扩大到所有的材料。但通常还是指金属的损坏。因为金属及其合金至今仍然是最重要的结构材料，所以金属腐蚀还是最引人注意的问题之一。腐蚀给合金材料造成的直接损失巨大。每年全世界腐蚀报废的金属约一亿吨,占年产量的20%40%。而且随着工业化的进程,腐蚀问题日趋严重化，美国1949年腐蚀消耗(材料消耗和腐蚀)为50亿美元，1975年达700亿美元，到1985年高达1680亿美元，与1949年相比增加了80余倍。估计全世界每年因腐蚀报废的钢铁设备相当于年产量的30%。显然，金属构件的毁坏，其价值远比金属材料的价值大的多；发达国家每年因腐蚀造成的经济损失约占国民生产总值的2-4%；美国每年因腐蚀要多消耗3.4%的能源；我国每年因腐蚀造成的经济损失至少达二百亿。腐蚀的巨大危害不仅体现在经济损失上，它还会带来惨重的人员伤亡、环境污染、资源浪费、阻碍新技术的发展、促进自然资源的损耗。在可能含硫的油气区域钻探井时，油套管选材和设计面临严峻挑战。特别是，对于H2S和CO2共存的一些气田，管材有可能被腐蚀开裂，在这里，材料腐蚀的机理以及评价显得尤为重要。 本课题主要在现存的研究基础上，选取油气藏地质及开发工程国家重点实验室自主设计建造的高温高压循环流动腐蚀实验仪器（高压釜）作为研究仪器。对其几何模型进行简化，然后利用CFD电脑软件对其的流场进行模拟，模拟出能在短时间内达到稳定的流场，利用此达到流场的速度条件进行实验，然后观察C110钢的腐蚀结果，完成腐蚀评价。研究本课题有助于回答以下问题： 影响材料动态腐蚀和静态腐蚀的主要因素有什么。 油气藏地质及开发工程国家重点实验室自主设计建造的高压釜怎么样才能达到稳定的流场，什么样的速度才能进行稳定流场腐蚀实验。 怎样运用重量法和表面观察法对其腐蚀结果进行联合腐蚀评价。通过对以上问题的回答可以看出，流场模拟动态评价方法的研究具有重要理论和实践意义。1.2 国内外研究情况概括起来，国内外工程材料的腐蚀性能的评价方法可以分为三大类：重量法、表面观察法和电化学测试法。1.2.1 重量法重量法 1 是材料耐蚀能力的研究中最为基本，同时也是最为有效可信的定量评价方法。尽管重量法具有无法研究材料腐蚀机理的缺点，但是通过测量材料在腐蚀前后重量的变化，可以较为准确、可信的表征材料的耐蚀性能。也正因为如此，它一直在腐蚀研究中广泛使用，是许多电化学的、物理的、化学的现代分析评价方法鉴定比较的基础。重量法分为增重法和失重法两种，他们都是以试样腐蚀前后的重量差来表征腐蚀速度的。前者是在腐蚀实验后连同全部腐蚀产物一起称重试样，后者则是清除全部腐蚀产物后称重试样。当采用重量法评价工程材料的耐蚀能力时，应当考虑腐蚀产物在腐蚀过程中是否容易脱落、腐蚀产物的厚度及致密性等因素后，在决定选取哪种方法对材料的耐蚀性能进行表征。对于材料的腐蚀产物疏松、容易脱落且易于清除的情况，通常可以考虑采用失重法。例如，通过盐雾实验评价不同镁合金的耐蚀性能时，就通常采用失重法。1.2.2 表面观察法 宏观观察 就是对材料在腐蚀前后及去除腐蚀产物前后的形态做肉眼分析，还应该注意腐蚀产物的形态和分布，以及他们的厚度、颜色、致密度和附着性；同时还应该注意腐蚀介质中的变化，包括溶液的颜色，腐蚀产物在溶液中的形态、颜色、类型和数量等。虽然这种观察是很粗糙的，但任何精细的服饰研究都辅以这种方法。 显微观测就是对受腐蚀的试样进行金相检查或断口分析，或者用扫描电镜、透射电镜、电子探针等做微观组织结构和相成分分析，据此可研究微细的腐蚀特征和腐蚀动力学。1.2.3 电化学测试法电化学测试方法是一种能够快速、准确地用于研究材料腐蚀的现代研究方法。由于材料的腐蚀大多数属于电化学腐蚀，因此电化学测试方法在腐蚀中应用的非常广泛。与重量法和表面观察法相比，电化学测试方法不但能够研究材料的腐蚀速度，还能够深入地研究材料的腐蚀机理。电化学测试方法经过近50年的发展，按外加信号分类大致可以分为直流测试和交流测试；按体系状态分类可以分为稳态测试和暂态测试。直流测试包括动电位极化曲线、线性极化法、循环极化法、循环伏安法、恒电流/恒电位法、等等；而交流测试则包括阻抗测试和电容测试。对于稳态测试方法，通常包括动电位极化曲线、线性极化法、循环极化法、循环伏安法、电化学阻抗谱；而暂态测试包括恒电流/恒电位法、电流阶跃/电位阶跃法和电化学噪声法。在诸多的电化学测试方法中，动电位极化曲线法和循环极化法是最基本，也是最常用的方法。根据材料的腐蚀电化学行为，对于不同种类的材料，在评价其耐蚀性能时要采用不同的标准。另外，国外对材料腐蚀评价方法的研究处于国内之前，其中，ECDA国际标准已成为共识，该标准代表了最低要求，并不限制一种更好的方法或者材料的应用。但是，该标准也不是在所有情况下都适用，由于环境的不可预测性，往往限制了它在某些特殊情况下的应用，ECDA标准有一定的局限性。1.3 主要研究内容通过分析影响材料腐蚀速度的主要影响因素，建立腐蚀强度变化规律模型，开发用于研究腐蚀速度变化规律的软件，进行材料腐蚀速度的动态预测研究。 调研国内外关于材料腐蚀评价研究的相关资料文献，弄清静态腐蚀和动态腐蚀机理和评价方法。 根据选择研究的模型高压釜，采用CFD计算机语言模拟高压釜的流场。 分析不同流态、不同流速对高压釜流场的变化规律影响，理论模拟出稳定流场。 在理论上能达到稳定流场的环境进行实际腐蚀实验、腐蚀评价。1.4 拟采用的研究思路实际实验 腐蚀实验和腐蚀评价CFD模拟 高压釜内的稳定流场理论研究 高压釜内H2S和CO2对材料的静态腐蚀和动态腐蚀机理和评价方法探究国内外腐蚀评价方法现状2.H2S和CO2对材料的静态腐蚀和动态腐蚀机理研究2.1 静态腐蚀和动态腐蚀的基本机理2.1.1 静态腐蚀的基本机理材料腐蚀是指受周围环境的作用，发生有害的化学变化、电化学变化或物理变化而失去其固有性能的过程。通常环境介质对材料有各种不同的作用，其中有多种作用可导致材料遭受破坏，但只有满足以下两个条件，才称为腐蚀作用：材料受介质作用的部分发生状态变化，转变成新相。在材料遭受破坏过程中，整个腐蚀体系的自由能降低。材料腐蚀发生在材料表面。按腐蚀反应进行的方式分为化学腐蚀和电化学腐蚀。前者发生在非离子导体介质中；后者发生在具有离子导电性的介质中，故可通过改变材料的电极电位来改变腐蚀速度。按材料破坏特点分为均匀腐蚀、局部腐蚀和选择性腐蚀。均匀腐蚀指材料表面各处腐蚀破坏深度差别很小，没有特别严重的部位，也没有特别轻微的部分。局部腐蚀是材料表面的腐蚀破坏集中发生在某一区域，主要有孔蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀等。选择性腐蚀是金属材料在腐蚀介质中，其活性组元产生选择性溶解，由金属材料合金组分的电化学差异所致。按腐蚀环境又分为微生物腐蚀、大气腐蚀、土壤腐蚀、海洋腐蚀和高温腐蚀等。所以，根据腐蚀介质对被腐蚀材料的相对速度，可以将上述腐蚀形式看做静态腐蚀。2.1.2 动态腐蚀的基本机理动态腐蚀的最主要形式是冲刷腐蚀。冲刷腐蚀是由流体及其携带的颗粒( 包括固体颗粒、液滴、气泡等) 冲击流道材料表面产生的机械作用( 即冲刷) 和流体介质与流道材料表面发生的化学或电化学作用( 即腐蚀) 共同作用于流道材料表面所造成的材料损耗现象. 冲刷腐蚀是化工、矿山、水利、能源、电力等许多工业领域中造成泵、叶片、管道、阀门等工业过流部件大量和频繁损坏的主要原因 。可以将冲刷腐蚀看作动态腐蚀的一种重要形式。冲刷腐蚀过程非常复杂，影响因素众多，涉及流体力学、材料科学、电化学等多学科的交叉。目前对其过程机理的认识有待进一步深入。可以看到，腐蚀的形式相当繁杂。本论文主要探究影响材料静态腐蚀和动态腐蚀的因素。2.2 H2S和CO2对材料腐蚀速度影响因素分析2.2.1 静态腐蚀下的腐蚀速度影响因素在没有流体流动的状态下，主要发生的腐蚀是电化学腐蚀，主要形式为析氢腐蚀和吸氧腐蚀。因为，不纯的金属跟电解质溶液接触时，会发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子而被氧化。C110钢在潮湿的气体所发生的腐蚀是电化学腐蚀最突出的例子。研究发现，CO2 、H2S 对C110钢的腐蚀危害最大,造成的经济损失也较为严重。所以下面将说明CO2 、H2S对C110钢的腐蚀原理，然后对影响各自腐蚀速度的因素进行分析。 CO2 腐蚀机理CO2 腐蚀是因CO2气体溶于水，生成碳酸，而引起电化学反应，导致C110钢发生腐蚀 。在相同pH 值下, 由于CO2 的总酸度比盐酸的高 2 ,因此它对C110钢的腐蚀比酸严重 4 。CO2的腐蚀机理如式2.1，2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6所示。CO2+ H20=H2CO3 （2.1）H2CO3=H+ HCO3- （2.2）HCO3= H+CO32- （2.3）Fe=Fe2+2e- （2.4）2H+2e-=H2 （2.5）总反应式如式2.6:Fe+H2CO3=FeCO3+H2 （2.6）CO2 引起的腐蚀是由于钢铁材料表面覆盖的腐蚀产物碳酸盐( FeCO3 ) 、结垢产物( CaCO3 )所形成的膜在不同区域的覆盖程度不同, 使在这些区域之间形成电偶腐蚀, 加速了钢铁的局部腐蚀5。影响CO2腐蚀的因素主要是CO2 浓度、pH 值、温度、流速、介质 6 7 8 。 H2S 腐蚀机理3 种主要腐蚀介质( CO2、O2 和H2S )中, H2S在水中的溶解度最高。H2S 一旦溶于水, 便立即电离, 使水具有酸性, 从而对C110钢产生腐蚀破坏作用 9 , 其腐蚀过程 10 如式2.7，2.8，2.9，2.10，2.11，2.12。H2S=H+HS- （2.7）HS-=H+S2- （2.8）Fe+H2S+H2O=FeHS-吸附+H3O+ （2.9） FeHS-吸附=FeHS+2e- （2.10）FeHS+H3O+=Fe2+H2S+H2O （2.11）Fe2+HS-=FeS+H+ （2.12）在酸性条件的腐蚀中,H2S 除了作为阳极过程的催化剂促进铁离子的溶解，还为腐蚀产物提供S2- , 在C110钢表面生成FeS腐蚀产物膜。硫化铁为阴极, 与钢表面构成电偶,反而促使钢表面继续被腐蚀。影响H2S腐蚀的因素主要是H2S 浓度、pH 值、温度、流速、介质。 H2S/ CO2共存条件下的腐蚀机理目前, 对CO2 或H2S 的腐蚀机理的研究成果 11 ,而对同时高含H2S 和CO2两种腐蚀性气体时的腐蚀研究至今还未能形成较完善的理论体系, 仍有许多理论及技术问题尚待深入研究。有资料认为, H2S含量较小时以CO2 腐蚀为主, 较大程度地促进了腐蚀; 随着H2S 含量的增大, 逐渐转化为以H2S 腐蚀为主, 出现局部腐蚀; 继续增大H2S 含量, 局部腐蚀反而受到抑制。总之，CO2 或H2S的存在，对C110钢的腐蚀危害最大。所以，可以把这两种对C110钢的腐蚀危害最大物质作为后面实验中腐蚀C110钢的物质。 H2S/ CO2共存条件下影响腐蚀的因素一部分是H2S/ CO2浓度、pH 值、温度、流速、介质。最重要的是，在H2S/ CO2共存的条件下，腐蚀介质为气相或者液相，对腐蚀速率也有很大影响。气相腐蚀是一种重要的形式。一定条件下，气体中的水气凝结在材料表面形成水膜，而且，气体溶解并极易到达，使材料发生氢去极化腐蚀。当腐蚀介质是液相时，那么原理就有很大不同。液相腐蚀受腐蚀介质浓度的扩散控制，一般来说，底线的腐蚀并不十分严重。最严重的腐蚀出现在水线处(即界面)，形成溶差腐蚀电池。这是液相腐蚀的基本机理。可见，随着腐蚀介质的不同，腐蚀的机理也有很大不同，腐蚀的速度也有变化，所以腐蚀的介质（气相或者液相）也是影响材料腐蚀的重要因素。2.2.2 动态腐蚀下腐蚀速度影响因素根据流体的流速是否为零，可以将腐蚀分为静态腐蚀和动态腐蚀。由于静态腐蚀和动态腐蚀的腐蚀机理有很大不同，所以应该将其分别分析。当流体速度为零时，也就是在没有流体速度的情况下，为静态腐蚀的情况。静态腐蚀的机理及其影响因素上节已经进行探讨。当流体速度不为零时，也就是在有着流体速度的情况下，为动态腐蚀的情况。很明显，冲刷作用才是影响这类腐蚀的最重要因素。下面着重分析影响冲刷腐蚀的流体力学因素。根据查找的资料，宏观上影响材料的腐蚀速度主要有流体的流态、流体的流速、流体冲刷的角度、流体性质等。其实，影响动态腐蚀的因素众多,归纳起来主要有实验设备几何因素，材料、溶液的化学性质、流体不同流态等几个方面。另外,腐蚀和冲刷的交互作用研究一直受到高度重视,腐蚀和冲刷这两种作用有着明显的协同加强,这种交互作用的研究有助于冲刷腐蚀过程的描述、工艺操作参数的优化和材料的选择。但是这种情况较为复杂，国际上对此的研究还不多。因此，在动态腐蚀的情况下，宏观上影响材料的动态腐蚀速度主要有流体的流态、流体的流速、流体冲刷的角度、流体性质等。下面将这几种因素一一分析。流态 根据工程流体力学上的分类，一般来说，流体的流态可以分为三类，而前两种为主要的形式。（1）层流层流是流体的一种流动状态 12 。流体在管内流动时，其质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动。此种流动称为层流或滞流，亦有称为直线流动。流体的流速在管中心处最大，其近壁处最小。管内流体的平均流速与最大流速之比等于0.5。 根据雷诺实验，当雷诺准数引Re2320时，流体的流动状态为层流。常见的层流有毛细管或多孔介质中的流动、轴承润滑膜中的流动、绕物体表面边界层中的流动等。（2）湍流湍流也是流体的一种流动状态。当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流，也称为稳流或片流；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合。这时的流体作不规则运动，这种运动称为湍流，又称为乱流、扰流或紊流。（3）过渡流逐渐增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流。过渡流是出于层流和湍流之间的形式。一般来说，可以将流体的流态大致分为层流和湍流。流态对冲刷腐蚀的影响主要体现在:一方面许多腐蚀过程往往是扩散控制或混合控制体系,因而与反应物向材料表面的传递过程以及腐蚀产物向溶液本体的扩散过程密切相关,如氧化剂在向材料表面传递的过程中,主体浓度与材料表面存在浓度梯度,其梯度主要发生在靠近材料壁面的滞流边界层中;另一方面,冲刷腐蚀的形态、材料表面缺陷会导致近壁流体流态的变化,从而影响流态本身。可见，流体的流态对冲刷腐蚀具有重要影响。流速流速是流体力学参数中唯一可直接控制的指标。一般来说，流速增大一方面有利于腐蚀性组元的物质和电荷传递, 促进腐蚀。另一方面，会造成腐蚀产物膜结构的变化, 增大了产物膜对物质传递过程的阻碍。由于两方面的综合作用，造成随着流速增大腐蚀速率也增大的现象 13 。通常,随着流速的增加,冲刷腐蚀速率增大,同时也会导致流态的转变。随流速增加, 腐蚀速率呈指数形式增加。另外，有些学者还认为, 高流速一方面不仅会增大腐蚀速率, 且会造成局部腐蚀。综合起来看，随着流速的增大，材料的腐蚀会逐渐加剧。流体冲刷角度流体质点入射方向与试样表面的夹角称为攻角。液固两相流作用在冲刷面上的速度可分为水平和垂直两个分量,它们的损伤作用很不相同,水平分量对磨面产生切削作用,而垂直分量产生撞击。随着冲刷角度变化,这两种力作用大小不同,因而有不同的损伤机制。据文献的研究,在液固双相流冲刷腐蚀条件下,脆性材料冲刷腐蚀速率随颗粒冲刷角度的增大而增加,最大冲蚀率在90处。延性材料的冲蚀率随攻角变化不同于脆性材料,最大冲蚀率发生在1540之间。 由于流体冲刷的角度属于微观的范畴，而且研究较为复杂，所以暂不考虑。2.3小结 H2S/ CO2对材料的静态腐蚀中，随着腐蚀介质的不同，腐蚀的机理也有很大不同，腐蚀的速度也有变化，所以腐蚀的介质（气相或者液相）也是影响材料腐蚀的重要因素。 对材料的动态腐蚀的研究表明:冲刷腐蚀过程与流体力学密切相关。 宏观上影响高压釜中材料的动态腐蚀速度主要有流体的流态、流体的流速、流体冲刷的角度等。流态腐蚀的影响首先不容忽视。流速是流体力学参数中唯一可直接控制的指标。流体冲刷的角度属于微观的范畴，而且研究较为复杂，所以暂不考虑。根据以上分析，对腐蚀速度的影响因素主要有三：一是不同的流态对腐蚀速度有影响，二是不同的流速对腐蚀速度有影响，三是不同流体对腐蚀速度有影响。由于不同的流速会导致不同的流态，而且流态是不可直接通过实验装置控制。所以，本实验中能够控制的变量只有两个：流体的性质和流体的速度。3.冲刷腐蚀的流场模拟3.1 高压釜结构简介 本设计探究材料腐蚀所选取的模型为高压釜。 一般高压釜的结构简图如图3.1。图3-1 高压釜结构高压釜的结构比较复杂，所以，需要根据本论文的研究目的，为了探究材料不同条件下的腐蚀速度，对高压釜中流体对材料进行腐蚀的那一部分进行单独取出分析。并且对其进行简化，简化模型如下。该仪器具有多种流道，适用于循环流动腐蚀研究。其中上下两个流道可以模拟流速、气流持水率等状态下的腐蚀。3.2 高压釜的几何结构简化按照高压釜的工程图对换热器进行建模，在建模过程中，根据有限元分析中对实际的模拟情况以及保证计算的准确性和可行性等方面对换热器做了适当的结构简化，并利用Fluent的前处理软件Gambit进行二维建模、划分网格和定义边界条件等。在这里要注意，由于高压釜的几何尺寸尤其是中通管的尺寸可以大幅变化，会对流态造成很大的影响，另外，由于入口速度可以影响流态。所以，这里有必要优选出使高压釜中的流态最为稳定的高压釜的几何尺寸和入口的流速，以使得流态稳定。下图即为油气藏地质及开发工程国家重点实验室自主设计建造的高温高压循环流动腐蚀实验仪器的简化几何结构。高压釜的几何简化模型如图3-2。图3-2 高压釜流道几何简化结构图中，d1代表上通管和下通管位于中通管左端的长度，d2代表中通管的长度，d3代表上通管和下通管位于中通管右端的长度为了测定材料的腐蚀速率，需要将材料置于流体内。而且，材料的腐蚀速率的测定，对腐蚀介质的流动情况有要求。因为，如果介质的流动不稳定的话，那么，就无法稳定的测定材料的腐蚀速度。原因是，在不稳定的流场内，流体的流速等参数是不定的，不同的时间点上，流体的速度可以发生极大的变化，甚至在流体开始流动很长时间后，都不可能达到收敛状态。因此，在这种状态测定材料的腐蚀速度，在不同时间点上测定到的值会有很大的不同，这样的实验结果既没有代表性，又不能对材料在不同条件下的腐蚀速度进行动态评价。如果从这里就开始实验的话，会耗费大量的时间和精力。所以，必须让流经材料的流场处于稳定状态。这样，才能够将材料的腐蚀速度测定一个稳定值。3.3 流场模拟所以，在进行材料的腐蚀速率测定实验前，用Fluent软件对H2S/ CO2对材料的腐蚀进行软件电脑模拟，以模拟出最稳定的流场，以在短时间内用最小的成本测定出材料在不同条件下的腐蚀速度。从而，少数几次实验就可以对材料的腐蚀速度进行测定。从而用少数几次实验就可以实现对材料在不同条件下的腐蚀状况进行动态评价。3.3.1 Fluent简介Fluent软件是美国Fluent公司推出的计算流体(CFD)的软件，其功能比较强大，现在已经广泛应用到航空、汽车、透平机械、水利、电子、石油、建筑和环境保护等领域，Fluent使用Gambit作为前处理软件，可以完成多种流动状况的数值模拟。利用Gambit可以进行二维和三维建模，网格划分和边界条件定义等 14。对于二维软件，可以生成三角形单元网格和四边形单元网格，另外Fluent还允许用户根据求解规模、精度及效率等因素，对网格进行整体或局部的细化和粗化。Fluent软件功能强 ,适用面广。包括各种优化物理模型包括自然对流、定常和非定常流动 ,层流 ,湍流 ,紊流 ,不可压缩和可压缩流动 ,周期流 ,旋转流及时间相关流等 ) ，辐射模型 ,相变模型 ,离散相变模型 ,多相流模型及化学组分输运和反应流模型等。对每一种物理问题的流动特点 ,有适合它的数值解法。而且高效 ,省时。Fluent将不同领域的计算软件组合起来 ,使CFD计算机软件 ,软件之间可以方便地进行数值交换 ,并采用统一的前后处理工具，实现对流场的高度逼真模拟 15 。3.3.2 腐蚀环境的流场模拟残差是模拟的网格单位各个面的正负通量之和。当收敛后，理论上，通量应该为零。但实际上，因为理论模型和实际模型的差异，残差不可能为零。所以，残差越小越好，由于存在数值精度问题，不可能得到0残差，对于单精度计算一般应该低于初始残差e3以上才好。一般在FLUENT中可以进行进出口流量监控，当残差收敛到一定程度后，还要看进出口流量是否稳定平衡，才可确定收敛与否（翼型计算时要监控升阻力的平衡）。所以，根据可得的数据，可以将中通管的尺寸选三组数据，选出使流态最稳定的一组，再进行下一步实验。选出的模型模拟出的流场需满足四个条件。这四个条件可以由残差曲线和流场的云图读出。所以，可以用这四个条件来判断流场是否稳定 16 ： 出口管附近的速度变化不大，反映到云图上即为颜色过渡较小。 出口管部分的流态稳定的条件下，流态在短时间内能够达到稳定。 各个参数的残差随计算步数的增加而降低，最后趋于平缓。而且要求终了时残差曲线的值小于初始值三个数量级。(这代表流场基本已经收敛) 要满足质量守恒，这里即为进出口流量大致相等。（差别不超过1%）选取的中通管尺寸有三大组，每组以不同的高压釜中通管尺寸分类，而每类中，又以入口的流速分为三类，以优选出使流场最为稳定的高压釜中通管尺寸和入口速度。所以需要模拟的流场有九组。 中通管尺寸为110mm，入口速度为30m/s 中通管尺寸为110mm，入口速度为50m/s 中通管尺寸为110mm，入口速度为70m/s 中通管尺寸为130mm，入口速度为30m/s 中通管尺寸为130mm，入口速度为50m/s 中通管尺寸为130mm，入口速度为70m/s 中通管尺寸为150mm，入口速度为30m/s 中通管尺寸为150mm，入口速度为50m/s 中通管尺寸为150mm，入口速度为70m/s（1）首先对中通管尺寸110mm的情况进行流场数值模拟。首先，用gambit进行几何建模。按照点线面设置的原则，设置几何建模需要的点线面几何元素，并且对其用quad方法和map方法进行网格划分 17 ，另外，将除出口和入口的线段都设置为wall，将出口处线段设置为outflow，入口处线段设置为in,此处可以输出网格文件，并且所得的模型图如图3-3。图3-3 高压釜的几何简化模型（中通管长为110mm）然后利用Fluent进行流体仿真。 中通管尺寸为110mm，入口速度为30m/s定义边界条件如下：定义入口压力为70Mpa，出口压力也为70Mpa,工作温度为180摄氏度。入口流体为纯水。入口速度为30m/s（此处数据是由高压釜入口的角速度300rad/s换算得来），选取的模型为标准模型。接下来对流场进行初始化，打开残差曲线图，输入收敛精度要求（在这里设置为0.001），并且定义迭代参数为1000。计算完成后，得到的残差曲线截图如图3-4。图3-4 入口速度为30m/s，中通管长度为110mm时的残差曲线图解算过程中，控制台会实时显示计算的初步信息，本图中五条的曲线的收敛趋势可以说明流场是否能够收敛。本模型在计算到400多步的时候速度发生突变，直到1300多步都不能停止，而且残差越来越大，这表明这一组数据不能使流态达到稳定，无法用于腐蚀实验。 中通管尺寸为110mm，入口速度为50m/s定义边界条件如下：定义入口压力为70Mpa，出口压力也为70Mpa,工作温度为180摄氏度。入口流体为纯水。入口速度为50m/s（此处数据是由高压釜入口的角速度300rad/s换算得来），选取的模型为标准模型。接下来对流场进行初始化，打开残差曲线图，输入收敛精度要求（在这里设置为0.001），并且定义迭代参数为1000。开始计算，解算过程中，控制台会实时显示计算的初步信息，包括x和y方向的速度，速度的收敛情况等数据，得到的残差曲线如图3-5。图3-5 入口速度为50m/s，中通管长度为110mm时的残差曲线图本模型在计算到350步的时候停止，残差曲线已经平缓，而且最终残差大约为e-4，低于最初残差e2大约6个数量级。这可以说明：流场达到了收敛状态。得到的速度仿真结果云图如图3-6，速度的大小与显示的颜色有关系，蓝色代表的速度最小，红色代表速度最大。图3-6 入口速度为50m/s，中通管长度为110mm时的速度仿真结果云图可见，在这个模型下，在这种情况下，只有下部管道的流态较为稳定。出口处的流态颜色发生了明显的过渡性变化，表明这区域的流场不稳定，而且，上部管道和直观交叉处的流态显得相当紊乱。这种情况，仍不能用于下一步测量。 中通管尺寸为110mm，入口速度为70m/s定义边界条件如下：定义入口压力为70Mpa，出口压力也为70Mpa,工作温度为180摄氏度。入口流体为纯水。入口速度为70m/s（此处数据是由高压釜入口的角速度700rad/s换算得来），选取的模型为标准模型。接下来对流场进行初始化，打开残差曲线图，输入收敛精度要求（在这里设置为0.001），并且定义迭代参数为1000。开始计算，解算过程中，控制台会实时显示计算的初步信息，包括x和y方向的速度，速度的收敛情况等数据。得到的残差曲线如图3-7。图3-7 入口速度为70m/s，中通管长度为110mm时的残差曲线图解算过程中，控制台会实时显示计算的初步信息，本图中五条的曲线的收敛趋势可以说明流场是否能够收敛。本模型在计算到450多步的时候速度发生突变，而且残差越来越大，直到1300多步都不能停止，这表明这一组数据不能使流态达到稳定，无法用于进行腐蚀实验。（2）接下来对中通管尺寸130mm的情况进行流场数值模拟首先，用gambit进行几何建模。按照点线面设置的原则，设置几何建模需要的点线面几何元素，并且对其用quad方法和map方法进行网格划分，另外，将除出口和入口的线段都设置为wall，将出口处线段设置为outflow，入口处线段设置为in,与中通管尺寸130mm不同的是，这里的中通管尺寸有所增长，达到了130mm。此处可以输出网格文件，并且所得的模型图如图3-8。图3-8 高压釜的几何简化模型（中通管长为130mm）接下来利用Fluent进行流体仿真。 中通管尺寸为130mm，入口速度为30m/s定义边界条件如下：定义入口压力为70Mpa，出口压力也为70Mpa,工作温度为180摄氏度。入口流体为纯水。入口速度为30m/s（此处数据是由高压釜入口的角速度300rad/s换算得来），选取的模型为标准模型。接下来对流场进行初始化，打开残差曲线图，输入收敛精度要求（在这里设置为0.001），并且定义迭代参数为1000。开始计算，解算过程中，控制台会实时显示计算的初步信息，包括x和y方向的速度，速度的收敛情况等数据，本模型在计算到250步的时候停止，即达到了收敛状态。得到的残差曲线如图3-9。图3-9 入口速度为30m/s，中通管长度为130mm时的残差曲线图本模型在计算到250步的时候停止，残差曲线已经平缓，而且最终残差大约为e-4，低于最初残差e6大约10个数量级。这可以说明：流场达到了收敛状态。得到的速度仿真结果云图如图3-10，速度的大小与显示的颜色有关系，蓝色代表的速度最小，红色代表速度最大。图3-10 入口速度为30m/s，中通管长度为130mm时的速度仿真结果云图可见，在这个模型下，上通管处的流态颜色也发生了明显过渡性变化，表明这区域的流场不稳定，而且，上部管道和直观交叉处的流态显得相当紊乱，再者，下部管道的流态也相当紊乱。这种情况，仍然不能用于下一步测量。 中通管尺寸为130mm，入口速度为50m/s定义边界条件如下：定义入口压力为70Mpa，出口压力也为70Mpa,工作温度为180摄氏度。入口流体为纯水。入口速度为50m/s（此处数据是由高压釜入口的角速度300rad/s换算得来），选取的模型为标准模型。接下来对流场进行初始化，打开残差曲线图，输入收敛精度要求（在这里设置为0.001），并且定义迭代参数为1000。计算出来的残差曲线如图3-11。图3-11 入口速度为50m/s，中通管长度为130mm时的残差曲线图解算过程中，控制台会实时显示计算的初步信息，包括x和y方向的速度，速度的收敛情况等数据，本模型在计算到250步的时候停止，残差曲线已经平缓，而且最终残差大约为e-4，低于最初残差e6大约10个数量级。这可以说明：流场达到了收敛状态。即达到了收敛状态。得到的速度仿真结果云图如3-12。图3-12 入口速度为: 50m/s，中通管长度为130mm时的速度仿真结果云图可见，在这个模型下，出口处的流态颜色也发生了明显的过渡性变化，表明这区域的流场不稳定，而且，下部管道的流态也相当紊乱。这种情况，仍然不能用于下一步测量。 中通管尺寸为130mm，入口速度为70m/s定义边界条件如下：定义入口压力为70Mpa，出口压力也为70Mpa,工作温度为180摄氏度。入口流体为纯水。入口速度为70m/s（此处数据是由高压釜入口的角速度700rad/s换算得来），选取的模型为标准模型。接下来对流场进行初始化，打开残差曲线图，输入收敛精度要求（在这里设置为0.001），并且定义迭代参数为1000。得到的残差曲线如下图3-13。图3-13 入口速度为70m/s，中通管长度为130mm时的残差曲线图解算过程中，控制台会实时显示计算的初步信息，包括x和y方向的速度，速度的收敛情况等数据，本模型在计算到250步的时候停止，残差曲线已经平缓，而且最终残差大约为e-4，低于最初残差e6大约10个数量级。这可以说明：流场达到了收敛状态。即达到了收敛状态。得到的速度仿真结果云图如图3-14。图3-14 入口速度为70m/s，中通管长度为130mm时的速度仿真结果云图可见，在这个模型下，出口处的流态颜色也发生了非常明显的过渡性变化，表明这区域的流场不稳定，而且，下部管道的流态也相当紊乱。这种情况，仍然不能用于下一步测量。（3）接下来对中通管尺寸150mm的情况进行流场数值模拟。首先，用gambit进行几何建模。按照点、线、面设置的原则，设置几何建模需要的点线面几何元素，并且对其用quad方法和map方法进行网格划分，另外，将除出口和入口的线段都设置为wall，将出口处线段设置为outflow，入口处线段设置为in,此处可以输出网格文件，与中通管尺寸130mm不同的是，这里的中通管尺寸有所增长，达到了150mm。并且所得的模型图如图3-15。图3-15 高压釜的几何简化模型（中通管长为150mm）然后利用Fluent进行流体仿真。 中通管尺寸为150mm，入口速度为30m/s定义边界条件如下：定义入口压力为70Mpa，出口压力也为70Mpa,工作温度为180摄氏度。入口流体为纯水。入口速度为30m/s（此处数据是由高压釜入口的角速度300rad/s换算得来），选取的模型为标准模型。接下来对流场进行初始化，打开残差曲线图，输入收敛精度要求（在这里设置为0.001），并且定义迭代参数为1000。得到的残差曲线如图3-16。图3-16 入口速度为30m/s，中通管长度为150mm时的残差曲线图解算过程中，控制台会实时显示计算的初步信息，包括x和y方向的速度，速度的收敛情况等数据，本模型在计算到200多步的时候速度达到稳定，残差曲线已经平缓，而且最终残差大约为e-4，低于最初残差e6大约10个数量级。表明这一组数据可以使流态达到稳定。得到的速度仿真结果云图如图3-17。图3-17 入口速度为30m/s，中通管长度为150mm时的速度仿真结果云图可见，在这个模型下，出口处的流态颜色有显著过渡性变化，表明这区域的流场不能达到稳定。所以这种情况，不可以用于下一步测量。 中通管尺寸为150mm，入口速度为50m/s定义边界条件如下：定义入口压力为70Mpa，出口压力也为70Mpa,工作温度为180摄氏度。入口流体为纯水。入口速度为50m/s（此处数据是由高压釜入口的角速度300rad/s换算得来），选取的模型为标准模型。接下来对流场进行初始化，打开残差曲线图，输入收敛精度要求（在这里设置为0.001），并且定义迭代参数为1000。得到的残差曲线如图3-18。图3-18 入口速度为: 50m/s，中通管长度为150mm时的残差曲线图解算过程中，控制台会实时显示计算的初步信息，包括x和y方向的速度，速度的收敛情况等数据，本模型在计算到200多步的时候速度达到稳定，残差曲线已经平缓，而且最终残差大约为e-4，低于最初残差e6大约10个数量级。表明这一组数据可以使流态达到稳定。得到的速度仿真结果云图如图3-19。图3-19 入口速度为: 50m/s，中通管长度为150mm时的速度仿真结果云图可见，在这个模型下，出口处的流态颜色很稳定，大部分都为稳定的绿色。没有显著过渡性变化，表明这区域的流场已达到稳定，而且，下部管道的流态也相当稳定。这种情况，可以能用于下一步测量。接下来考察这个速度下的模型是否符合进出口质量守恒定律。经过软件的验证，此时的进出口流量比为1.5312499：1.5312496 = 1.00000010，此数值比1.01的界限值要小。这已经说明，这个速度下的模型达到了使流态很稳定的状态。可以用此几何模型和此速度的组合进行腐蚀实验。 中通管尺寸为150mm， 入口速度为70m/s定义边界条件如下：定义入口压力为70Mpa，出口压力也为70Mpa,工作温度为180摄氏度。入口流体为纯水。入口速度为70m/s（此处数据是由高压釜入口的角速度700rad/s换算得来），选取的模型为标准模型。接下来对流场进行初始化，打开残差曲线图，输入收敛精度要求（在这里设置为0.001），并且定义迭代参数为1000。得到的残差曲线如图3-20。图3-20 入口速度为70m/s，中通管长度为150mm时的残差曲线图解算过程中，控制台会实时显示计算的初步信息，包括x和y方向的速度，速度的收敛情况等数据，本模型在计算到200多步的时候速度达到稳定，残差曲线已经平缓，而且最终残差大约为e-4，低于最初残差e6大约10个数