[发明专利]基于计算流体力学的碳钢管道CO

说明书

基于计算流体力学的碳钢管道CO₂溶液腐蚀速率预测方法，先建立CO₂水溶液流动模型，再建立CO₂水溶液腐蚀化学反应模型，然后建立CO₂水溶液腐蚀电化学反应模型，最后对碳钢管道CO₂水溶液腐蚀速率预测，本发明利用计算流体力学技术对CO₂腐蚀过程中涉及的流动、传质和壁面电化学反应等过程耦合起来进行仿真分析，并根据壁面Fe²⁺摩尔流率计算腐蚀速率，从而实现对复杂管道结构内CO₂水溶液腐蚀速率预测，该方法能适用于任意复杂流动结构，具有成本低、适应性广和效率高等特点。

技术领域

本发明涉及管道腐蚀速率预测技术领域，具体涉及基于计算流体力学的碳钢管道CO₂溶液腐蚀速率预测方法。

技术背景

在石油、天然气开采和输运过程中，油气管道(管道材质为碳钢) 内介质含有CO₂和液相水，CO₂会溶于水中形成酸性溶液，并腐蚀管道本体，流动会加速腐蚀性介质向金属壁面的传质过程，从而加速腐蚀。准确的预测碳钢在流动的CO₂水溶液中腐蚀速率对油气管道腐蚀与防护有重要的指导意义。目前管道CO₂水溶液腐蚀速率预测主要依赖于经验公式和试验数据，这些经验公式和试验主要针对于直管内流动，不能适用于弯头、三通等特殊管道结构内流动。

计算流体力学方法是一种寻求复杂流体域的流体力学、反应动力学等复杂问题的离散化数值解的计算方法，具有高效、准确、适用性强等特点，因此广泛的应用于流动结构内的传质、传热和反应动力学问题的模拟和预测。CO₂水溶液腐蚀过程包括腐蚀介质在溶液中的化学反应、腐蚀介质从主体溶液向壁面传质、腐蚀介质在腐蚀产物层内的扩散、腐蚀介质与壁面发生电化学反应等过程，其中流动控制了传质过程。复杂流体域内传质特性难以通过经验公式获得，导致腐蚀预测不可行。利用计算流体力学方法对复杂流体域内流动、传质和反应特性进行数值仿真是可行的办法，然而正确的处理介质输运方程源项、壁面边界条件是仿真的难点。目前也暂无能利用计算流体力学方法对CO₂腐蚀涉及的传质、化学反应和壁面电化学反应等过程进行耦合分析的技术。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于计算流体力学的碳钢管道CO₂溶液腐蚀速率预测方法，利用计算流体力学技术对CO₂腐蚀过程中涉及的流动、传质和壁面电化学反应等过程耦合起来进行仿真分析，并根据壁面Fe²⁺摩尔流率计算腐蚀速率，从而实现对复杂管道结构内CO₂水溶液腐蚀速率预测，该方法能适用于任意复杂流动结构，具有成本低、适应性广和效率高等特点。

为达到上述目的，本发明是采取的技术方案为：

基于计算流体力学的碳钢管道CO₂溶液腐蚀速率预测方法，包括以下步骤：

1)CO₂水溶液流动模型建立：

将含CO₂水溶液看作是不可压缩流体，稳态下连续方程和动量方程为，

湍流动力粘度为：

采用k-ε两方程模型使方程组封闭，则