流动条件下碳钢管道硫酸盐诱发腐蚀的数值研究：流速、温度及流型的影响

研究人员采用计算流体动力学(CFD)方法，通过ANSYS Fluent软件评估了碳钢与含水流中硫酸盐直接接触时的腐蚀速率。研究构建了包含水流的碳钢管道三维模型，将硫酸根离子浓度作为表征水质的关键参数之一。腐蚀过程由阴极与阳极反应机制主导，研究人员基于电化学理论在ANSYS Fluent中建立了腐蚀模型。结果表明，在300 K流体温度下，流速从0.1 m·s-1增至0.8 m·s-1时，碳钢腐蚀速率从4.99607 mm/年升至4.9962 mm/年。研究人员还探究了温度与水流速度等多因素对腐蚀速率的影响：温度从300 K升至325 K时，腐蚀速率从4.99602 mm/年增至7.126 mm/年。管道几何结构（包括弯头与弯管）对腐蚀速率影响显著：直管入口段腐蚀可忽略，下游水平管段腐蚀速率大幅升高；管道弯头处离心力作用于流体使其向管壁移动，导致壁面剪切应力升至3.207 Pa。本研究可为流动水环境下碳钢管道腐蚀防控提供基础数据，支撑管道设计、运行及维护措施的优化。

流动条件下碳钢管道硫酸盐诱发腐蚀的数值研究解读

碳钢因成本较低、力学性能优异且加工性好，被广泛应用于石油天然气、输水及化工领域的管道系统，但其在含O₂、CO₂、氯化物及硫酸盐的水环境中易发生腐蚀，会导致结构强度下降、泄漏甚至安全事故。现有研究多聚焦于CO₂腐蚀，针对硫酸盐诱发腐蚀的系统模拟较少，尤其缺乏结合流速、温度与流型的多因素耦合分析。同时，传统实验方法成本高、风险大，难以覆盖复杂工业场景的腐蚀演化规律。为此，来自孟加拉国库尔纳工程技术大学化学工程系的研究人员开展本研究，相关成果发表于《Results in Surfaces and Interfaces》，旨在通过CFD数值模拟填补该领域空白，为工业管道腐蚀防控提供量化依据。

研究人员采用的主要技术方法包括：构建含90°弯头的碳钢管道三维模型，采用剪切应力输运(SST) k-ω湍流模型求解质量、动量、能量及组分输运守恒方程；基于混合电位理论与Butler-Volmer方程建立电化学腐蚀模型，设置近厌氧环境假设（溶解氧可忽略，阴极反应以硫酸盐还原为主）；通过网格独立性验证确保计算可靠性，并将模拟结果与Nayak等2020年的实验数据进行对比验证，最大偏差低于4.5%，平均绝对误差(MAE)为0.042 mm/年，均方根误差(RMSE)为0.047 mm/年。

3.0 结果与讨论

3.1 流速的影响

在300 K流体温度下，流速从0.1 m·s^-1增至0.8 m·s^-1时，腐蚀速率仅从4.99607 mm/年微升至4.99620 mm/年，电化学反应速率从15823.71 A/m²升至15825.26 A/m²。这表明该工况下腐蚀受动力学控制，硫酸根离子向管壁的传输速率远高于界面反应消耗速率。壁面剪切应力随流速升高而增大，500 ppm硫酸盐浓度下从0.1 m·s^-1时的0.074 Pa升至0.8 m·s^-1时的2.8 Pa，且相同流速下硫酸盐浓度越高，剪切应力越大，源于溶液黏度随溶质浓度升高而增加。

3.2 温度的影响

在0.1 m·s^-1流速下，温度从300 K升至325 K时，腐蚀速率从4.996 mm/年升至7.126 mm/年，增幅达29.89%，显著高于流速的影响。温度升高提升了反应物分子热运动能量，更多物种可克服铁阳极溶解（Fe→Fe²⁺+2e^-）及对应阴极过程的活化能垒，使电化学反应速率从15400 A/m²升至22100 A/m²；同时溶液黏度降低，提升了硫酸根离子向钢表面的传质系数。壁面剪切应力在300~325 K范围内仅从3.206712 Pa微变至3.206719 Pa，表明温度对腐蚀的促进作用源于电化学与动力学效应，而非流场变化。

3.3 各类分布云图

流速1 m·s^-1、硫酸盐浓度250 ppm时，管道表面腐蚀速率呈非均匀分布：直管入口段腐蚀极低，下游水平段因弯管后的二次流与流动加速，腐蚀速率显著升高，最高达4.9961 mm/年；弯头内侧腐蚀较低，外侧因离心力驱动高动量流体冲击壁面，剪切应力升至3.207 Pa，成为局部腐蚀高风险区。压力分布显示弯头外侧压力高、内侧压力低，源于离心力对高速流体的作用。硫酸根离子浓度在近壁区因腐蚀消耗略低，下游水平段分布趋于均匀；亚铁离子(Fe²⁺)浓度在近壁区最高，沿流动方向逐渐被稀释并向主流区扩散，反映了阳极溶解产物的输运规律。

3.4 与前人研究的对比

与经典CO₂腐蚀模型相比，本研究的硫酸盐诱发腐蚀速率随流速的变化幅度更小，呈近似线性增长；在相同测试条件下，除Dugstad等1994年模型外，硫酸盐腐蚀速率高于多数CO₂腐蚀模型，仅在部分温度区间低于Li等2016年模型的预测值，表明硫酸盐环境的腐蚀性更强。

结论

研究验证了CFD模型预测硫酸盐诱发腐蚀的可靠性，明确了流速对腐蚀速率影响微弱，温度为主要调控因素，90°弯头通过离心效应改变流场与传质特征，显著提升局部腐蚀风险。该模型可为工业碳钢管道的腐蚀评估、设计优化及维护策略制定提供量化工具。研究局限为仅考虑单相流与单一硫酸盐腐蚀环境，未纳入结垢、长期材料退化等因素，未来可拓展至多相流、多腐蚀介质耦合及动态预测维护场景。