埋地管道土壤腐蚀的元胞自动机模拟.pdf

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1、734化工机械2011年埋地管道土壤腐蚀的元胞自动机模拟李自力4刘静侯蕾曹志栓(中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院)摘要采用元胞自动机对土壤腐蚀环境q-埋地管道金属表面的局部腐蚀损伤演化过程进行研究。以扩散过程为控制因素的金属腐蚀体系为研究对象，采用一个新定义的局部规则反映腐蚀现象中的基本化学物理过程。结合埋地管道腐蚀环境，对金属表面蚀坑生长过程进行模拟，得出蚀坑等效半径和蚀坑深度变化规律。关键词管道元胞自动机蚀坑模拟中图分类号TQ050．9文献标识码A文章编号0254-6094(2011)06-0734-05腐蚀破坏是

2、影响管道安全的重要因素，我国油气管道在土壤中的腐蚀非常严重，造成了极大的经济损失，同时也带来了安全隐患，并制约着石油、天然气等行业的发展。因此有必要对埋地管道腐蚀过程进行模拟预测研究，减少泄漏事故的发生，为管道维修方案提供指导性意见，可靠的腐蚀评价方法及先进的防腐措施是确保管道安全运行、防止腐蚀泄漏事故的关键。元胞自动机(CellularAutomata，简称CA)是定义在一个由具有离散、有限状态的元胞组成的空间上，并按照一定局部规则，在离散的时间空间上演化的动力学系统。由于CA模型基于系统的局部反应规则，能反映不同水平下复

3、杂物理化学系统的影响，通过定义分子尺度或原子尺度范围内的交互作用，从而在宏观范围内准确描述复杂系统的性质，因此采用CA技术对腐蚀损伤生长过程进行建模十分直观方便。另外，若从微观角度对电化学反应进行建模，期间所作出的假设不能通过实验得以修正。笔者从介观的角度用元胞自动机方法来模拟埋地管道表面腐蚀损伤的演化过程。在二维元胞空间中，将管道表面离散成元胞自动机系统中有序的元胞网格，对于腐蚀中的化学反应过程，采用了简单的反应规则来给定元胞自动机系统中各个元胞之间的局部规则，提出了在埋地管道所处环境条件下，管道表面发生点蚀的建模过程¨q

4、J。1土壤腐蚀的物理模型土壤腐蚀或称地下腐蚀是指土壤对地下设施和构筑物等因受土壤中的水分、溶盐、氧及微生物等的侵蚀而发生的腐蚀破坏现象。土壤的理化性质包括含水量、氧化还原电位、含盐最、电阻率、pH值及总酸度等，这些因素或单独起作用，或几种因素结合起来共同影响会属材料在土壤中的腐蚀行为。pH值反映了土壤中氢离子的含量，pH值在7左右时，氢离子含量的变化对腐蚀速度影响不大；矿化度高时(沉积水中Ca、Mg高时)，一方面增强了土壤的电导率，有利于电子迁移，促进腐蚀反应的进行，另一方面又易于沉积结垢，抑制氧扩散，易形成氧浓差电池，产生

5、垢下腐蚀；CI一极化度高，是强烈的腐蚀催化剂，它能促进腐蚀过程的发生。整个腐蚀过程具有循环和自催化作用，对管道腐蚀严重。1．1金属腐蚀过程分析采用平整的金属片作为模拟原型，并假定与侵蚀性环境相接触的金属表面只发生了点状破损。金属腐蚀过程由一系列表面局部化学一电化学反应，和随后的本体溶液的扩散作用和反应构成：M+OH一—_+MOH。。¨d+e}李自力，男，1963年2月生，教授。山东省青岛市，266555。第38卷第6期化工机械735H20+e—{H，+OH一(1)碱性土壤中金属阳极氧化。反应(1)导致金属表面上形成腐蚀产物。

6、此反应和阴极反应有联系，因为阴极反应消耗OH一或水。M+H20—·MOH。+e+H+H++e—H：(2)酸性或中性介质中，金属阳极溶解，发生阳离子水解。腐蚀产物从表面脱离。反应(2)正是与点蚀联系紧密的自动催化作用。M+H20—MoH枷+÷H2(3)M+H20一MoH。q+÷H2(4)MOH“．d—MOH。(5)在反应(3)发生的区域，反应(4)是否发生依赖于土壤的酸性，并且将反应(3)定义为腐蚀过程，腐蚀速率为COT。在酸性土壤中反应(5)更可能发生。假设土壤介质最初是中性的并且在后面的过程也一直保持中性。这样可使模型减少

7、到反应(3)和反应(5)两个基本反应，反应(5)以一定溶解概率dis发生。1．2土壤理化性质及管道腐蚀速率土壤腐蚀过程非常复杂，腐蚀速率COt的大小与埋地管道所在的土壤理化性质有关，包括含水量、含盐量(包括Cr、SO。“、HCO，’等)、电阻率、pH值及土壤氧化还原电位等。为了简化模型，采用参数mr代替这些影响因素。土壤中腐蚀性阴离子的数量、土壤的pH值以及含水量等都会引起化学反应，使固态MOH溶解。由此可见，cor、dis的大小取决于管道所处土壤环境的理化性质。另外，笔者认为腐蚀是由外部因素引发的，不研究保护膜发生破损的过

8、程。假设腐蚀性离子浓度足够大，这样扩散过程就不是点蚀的决定因素。2点蚀生长的元胞自动机模型模拟的步骤顺序是非常重要的，并且要能够模拟一个给定的物理图像。在这个模型中有化学和电化学反应，产生新的活化部位，最后就产生了物质传输现象。假定与化学变化相关的动力学过程和腐蚀产物的扩散过程与金属的重整