蝶閥后管線腐蝕發(fā)生與發(fā)展機(jī)制研究

蘇國(guó)慶，張建文，李彥

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，100029）

引 言

蝶閥，又名翻板閥，是化工行業(yè)使用最頻繁的閥門之一，其工作原理是通過(guò)蝶板在閥體內(nèi)繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)開啟、關(guān)閉和調(diào)節(jié)流體的目的[1]。蝶閥不僅具有優(yōu)良的流量控制特性，而且適用于高溫、高壓等特殊場(chǎng)合，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、制造方便等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于化工、冶金、水電等諸多領(lǐng)域[2-3]。

蝶閥在使用過(guò)程中，由于工作環(huán)境復(fù)雜多變，使得輸送管道內(nèi)的流動(dòng)復(fù)雜且不穩(wěn)定，極易出現(xiàn)流動(dòng)分離現(xiàn)象[4-7]。Wang 等[8]結(jié)合實(shí)驗(yàn)和CFD 模擬研究了蝶閥在不同開度下的流場(chǎng)波動(dòng)，著重討論了發(fā)生在蝶板表面的流動(dòng)分離和旋渦脫落問(wèn)題，并通過(guò)傅里葉變換建立了流動(dòng)分離預(yù)測(cè)模型。諸葛偉林等[9]采用有限體積法對(duì)蝶閥的三維分離流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，詳細(xì)研究了蝶板背面流動(dòng)分離現(xiàn)象發(fā)生、發(fā)展和消失的完整過(guò)程。Kan 等[10]采用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)連桿式蝶閥的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)當(dāng)蒸汽通過(guò)蝶板邊緣和管道之間的狹窄過(guò)流處時(shí)，渦流強(qiáng)度會(huì)急劇增大，局部流速增大至入口的15倍。

作為輸送系統(tǒng)中的重要控制元件，蝶閥的狀態(tài)會(huì)直接影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性與安全性，尤其是當(dāng)應(yīng)用環(huán)境為小開度或多相流時(shí)。節(jié)流作用影響下的流場(chǎng)會(huì)變得十分復(fù)雜，極易引起沖蝕、空化等腐蝕問(wèn)題，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。某煉油廠海水淡化裝置蝶閥多次出現(xiàn)泄漏失效，蝶板表面侵蝕剝落嚴(yán)重，Hosseini 等[11]結(jié)合化學(xué)分析、體視顯微鏡、掃描電鏡以及能譜分析，確定了導(dǎo)致蝶閥失效的主要原因是沖蝕和汽蝕。同時(shí)，采用計(jì)算流體力學(xué)的方法模擬了蝶板開度對(duì)流場(chǎng)分布和腐蝕速率的影響。謝金宏[12]對(duì)一雙偏心蝶閥的開裂進(jìn)行了失效分析，通過(guò)宏觀分析、斷口分析、金相顯微組織分析、掃描電鏡分析等技術(shù)手段對(duì)蝶閥裂紋的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，確定三處裂紋性質(zhì)均為疲勞開裂。Liu等[13]基于空化-多相流-離散相耦合流場(chǎng)模型，利用計(jì)算流體力學(xué)方法研究了某核電站循環(huán)水過(guò)濾系統(tǒng)蝶閥的腐蝕失效機(jī)制，得出了空化侵蝕和顆粒侵蝕是導(dǎo)致蝶閥失效的主要原因，并且討論了入口壓力、閥門開度等因素對(duì)最大流速、質(zhì)量流量、湍流強(qiáng)度以及沖蝕速率的影響。

綜上所述，目前已有許多關(guān)于蝶閥腐蝕的文獻(xiàn)報(bào)道，但多數(shù)研究?jī)H關(guān)注開度、流量等因素對(duì)蝶板腐蝕的影響，而對(duì)閥后管線的腐蝕規(guī)律研究涉及較少。本文以上海某石化廠蝶閥后管線為研究對(duì)象，結(jié)合腐蝕分析、腐蝕實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析管線異常減薄的原因，探討腐蝕的發(fā)生與發(fā)展機(jī)制，旨在為探索蝶閥后管線的腐蝕行為和防護(hù)提供參考。

1 腐蝕分析

1.1 腐蝕概況

出現(xiàn)異常減薄的管線位于煉油部加氫裝置，輸送介質(zhì)為水和石腦油的混合物。管線位于蝶閥后，在運(yùn)行一年半后檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)減薄嚴(yán)重，其中以左右兩側(cè)壁面減薄最為明顯。蝶閥運(yùn)行工況下的開度為30°，蝶閥結(jié)構(gòu)和閥后管線壁面劃分情況如圖1所示。相關(guān)工藝參數(shù)和設(shè)備參數(shù)列入表1，輸送介質(zhì)組成列入表2。

表2 輸送介質(zhì)組成Table 2 Composition of conveying medium

圖1 蝶閥結(jié)構(gòu)和閥后管線壁面劃分Fig.1 Butterfly valve structure and pipe wall division

表1 工藝參數(shù)和設(shè)備參數(shù)Table 1 Process and equipment parameters

對(duì)減薄管線進(jìn)行切割取樣，如圖2 所示為閥后左側(cè)壁面不同位置的樣品實(shí)物圖?？梢钥闯?，樣品1(閥后0.1 m 處)的厚度減薄明顯，但表面仍保持良好的金屬光澤，整體光滑平整，無(wú)腐蝕產(chǎn)物附著；樣品2(閥后0.6 m 處)的厚度變化不明顯，但表面凹凸不平，粗糙度較高，且存在大量由流體沖刷造成的長(zhǎng)短不一、深淺不等的沖刷道。

圖2 樣品實(shí)物圖Fig.2 Physical map of samples

為進(jìn)一步分析管線的減薄規(guī)律，沿圖1(b)所示4條軸線每隔15 cm 進(jìn)行厚度測(cè)量。測(cè)量?jī)x器為SW超聲波測(cè)厚儀，分辨率為0.01 mm，精度為±0.03 mm。以距蝶閥距離為橫坐標(biāo)，壁厚為縱坐標(biāo)作圖，結(jié)果示于圖3?？梢钥闯觯g減薄主要分布在管道的左右兩側(cè)，頂部與底部腐蝕較為輕微。對(duì)比不同壁面的厚度分布發(fā)現(xiàn)，左右兩側(cè)壁面的減薄規(guī)律相近，沿流動(dòng)方向，腐蝕逐漸減輕，且左側(cè)壁面整體腐蝕程度和腐蝕范圍略大于右側(cè)；上下兩側(cè)壁面的減薄規(guī)律一致，僅在0.6 m 前有一定程度的腐蝕減薄，之后無(wú)明顯變化。從整體來(lái)看，管線的嚴(yán)重腐蝕區(qū)集中分布在閥后左右壁面0～0.6 m范圍以內(nèi)。

圖3 厚度分布Fig.3 Thickness distribution

1.2 腐蝕產(chǎn)物分析

采用SEM 對(duì)樣品的微觀形貌進(jìn)行觀察，并借助EDS 和XRD 確定試樣表面腐蝕產(chǎn)物的主要組成。圖4 給出了樣品的SEM 圖像。從圖中可以看出，樣品1的微觀形貌較為平整，表面僅有輕微粗糙，且沒(méi)有明顯的腐蝕產(chǎn)物附著；而樣品2 的表面布滿了腐蝕產(chǎn)物，整體結(jié)構(gòu)較為疏松，且分布有大量深淺不一的溝壑與縫隙。

圖4 樣品掃描電鏡圖像Fig.4 SEM images of samples

圖5 給出了樣品的EDS 分析結(jié)果，腐蝕產(chǎn)物的主要組成元素為Fe、Cr、Ni、C、O、S，其中C、O元素主要來(lái)自樣品表面殘留的烴類化合物。XRD 檢測(cè)結(jié)果如圖6 所示，結(jié)果顯示腐蝕產(chǎn)物主要由FeSO4和FeS2組成。

圖5 樣品能譜分析結(jié)果Fig.5 EDS spectrums of samples

圖6 樣品XRD譜圖Fig.6 XRD patterns of samples

2 腐蝕實(shí)驗(yàn)

采用高壓反應(yīng)釜開展腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)，試樣材質(zhì)選用與管線一致的304 不銹鋼，試樣尺寸為50 mm×25 mm×2 mm，化學(xué)成分如表3 所示。實(shí)驗(yàn)前試樣表面使用砂紙逐級(jí)打磨到2000 目(6.5 μm)，然后使用去離子水沖洗，丙酮除油，酒精脫水，冷風(fēng)吹干。采用去離子水、分析純NaCl 和氫硫酸配制實(shí)驗(yàn)溶液，實(shí)驗(yàn)溶液中的H2S含量為300 mg/L，Cl-含量為60 mg/L。

表3 304不銹鋼試樣化學(xué)成分Table 3 Chemical composition of 304 stainless steel coupons

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖7所示。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性與重復(fù)性，取三組平行試樣同時(shí)開展實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)溫度控制在(60±1)℃，實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為12 d，期間每隔3 d 更換新鮮實(shí)驗(yàn)溶液。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將試樣從反應(yīng)釜中取出，使用稀硝酸(40 ml 濃硝酸加水配制成200 ml溶液)進(jìn)行60 min酸洗、水洗、乙醇洗，以清除表面銹層。干燥后使用金相顯微鏡觀察試樣微觀形貌并稱重計(jì)算平均腐蝕速率。

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.7 Schematic diagram of experimental device

圖8 和圖9 分別給出了實(shí)驗(yàn)前后試樣的宏觀形貌和微觀形貌?？梢钥闯觯瑢?shí)驗(yàn)后試樣的宏觀形貌和微觀形貌均無(wú)明顯變化。根據(jù)三個(gè)平行試樣的失重?cái)?shù)據(jù)計(jì)算平均腐蝕速率為0.012 mm/a，遠(yuǎn)低于閥后管線服役工況下的最大腐蝕速率(約3 mm/a)。因此結(jié)合前文各項(xiàng)分析，可以確定由蝶閥引起的流動(dòng)加速腐蝕是導(dǎo)致管線異常減薄的主要原因。

圖8 試樣的宏觀形貌Fig.8 Morphology structure of specimen

圖9 試樣的微觀形貌Fig.9 Micromorphology of specimen

3 流場(chǎng)模擬

流動(dòng)腐蝕進(jìn)程與流場(chǎng)參數(shù)密切相關(guān)，通過(guò)Fluent 對(duì)不同開度和壁面粗糙度下的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，以獲取不同情況下的流場(chǎng)分布。

3.1 數(shù)值方法

蝶閥及管線的三維建模與實(shí)際尺寸一致，管線直徑D為300 mm，蝶板厚度d為20 mm。為保證流場(chǎng)的完整性，取蝶板上游13D以及下游10D作為計(jì)算域，以90°開度為例，建立模型如圖10(a)所示。采用Meshing 軟件對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為四面體網(wǎng)格，如圖10(b)所示。

圖10 蝶閥計(jì)算域及網(wǎng)格劃分Fig.10 Computational domain and mesh division of butterfly valve

應(yīng)用Fluent 軟件求解，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和增強(qiáng)壁面處理函數(shù)，設(shè)置進(jìn)口邊界為速度入口，出口邊界為壓力出口，具體的邊界參數(shù)設(shè)置如表4所示。假設(shè)流體不可壓縮，模擬過(guò)程無(wú)化學(xué)反應(yīng)和熱量傳遞。

表4 模擬的邊界條件Table 4 Simulated boundary conditions

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

3.2.1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析 為得到網(wǎng)格無(wú)關(guān)解，以30°開度(壁面粗糙度為0)為例，在滿足模擬精度的

前提下，劃分了不同數(shù)量的網(wǎng)格(454600、903200 和1625400 個(gè))。為了便于比較，選取左側(cè)壁面切應(yīng)力分布作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，圖11給出了不同網(wǎng)格數(shù)量下的模擬結(jié)果?？梢钥闯?，三種密度網(wǎng)格下的模擬結(jié)果基本一致，說(shuō)明網(wǎng)格數(shù)量的增加對(duì)計(jì)算結(jié)果基本沒(méi)有影響。綜合考慮計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度，選擇454600個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

圖11 不同數(shù)量網(wǎng)格下左壁面的切應(yīng)力分布Fig.11 Wall shear distribution of left wall at different number of meshes

3.2.2 蝶閥開度對(duì)閥后流場(chǎng)的影響 按照?qǐng)D12 所示截面位置，提取不同截面的速度云圖，結(jié)果如圖13 所示。可以看出，沿軸向截面，蝶板前的流體流動(dòng)較為穩(wěn)定。之后受蝶板節(jié)流作用的影響，流體流速上升，并發(fā)展成為了上下兩個(gè)不對(duì)稱的高速射流區(qū)，且下方射流區(qū)面積明顯大于上方。隨著開度的增加，射流區(qū)面積不斷擴(kuò)大，但是由于節(jié)流效果減弱，所以局部最高流速逐漸降低，速度梯度逐漸減小。沿徑向截面，上方射流區(qū)沿壁面呈環(huán)形分布，速度分布均勻；下方射流區(qū)沿壁面呈錐形分布，速度自管壁向管中心逐漸減小。

圖12 截面位置示意圖Fig.12 Schematic diagram of section position

圖13 不同截面的速度云圖Fig.13 Velocity nephogram of different sections

流線是描述流體質(zhì)點(diǎn)瞬時(shí)速度方向的曲線，可以直觀反映流體的流動(dòng)狀態(tài)，圖14給出了不同截面的流線圖?？梢钥闯?，流體流經(jīng)蝶板時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的流動(dòng)分離現(xiàn)象。在蝶板背面形成了一個(gè)巨大的回流旋渦，隨著開度的增加，旋渦尺寸逐漸減小直至完全消失。從徑向截面可以看出，在蝶板后形成了一對(duì)方向相反、強(qiáng)度相同的渦旋，兩個(gè)渦旋共同運(yùn)動(dòng)，最終在下游區(qū)域相互抵消。

圖14 不同截面的流線分布Fig.14 Streamline distribution of different sections

當(dāng)流體流經(jīng)壁面時(shí)，緊貼壁面的流體受黏性影響速度會(huì)降為零，自壁面向管中心，流體速度逐漸增加，直至與主體流速相等，這一流體減速薄層即速度邊界層。壁面切應(yīng)力就是速度邊界層內(nèi)由速度梯度引起的黏性力，其大小表示流體與壁面相互作用的程度。圖15 給出了不同開度下的壁面切應(yīng)力分布?？梢钥闯觯谏嫌闻c下游遠(yuǎn)離蝶板的位置，切應(yīng)力分布十分穩(wěn)定，但是蝶板的存在使得切應(yīng)力分布發(fā)生波動(dòng)。由于流通截面突然收縮，流體被擾動(dòng)，近壁處的速度與速度梯度大幅提升，導(dǎo)致切應(yīng)力迅速上升至最大值，而后緩慢降低。蝶板開度越小，切應(yīng)力的波動(dòng)程度越大。

對(duì)比不同壁面的切應(yīng)力分布可知，上下壁面的分布規(guī)律基本一致，且數(shù)值較小。而左右壁面切應(yīng)力數(shù)值較高，且受射流區(qū)影響，左側(cè)高切應(yīng)力區(qū)范圍大于右側(cè)。在高切應(yīng)力區(qū)內(nèi)，流體與壁面的相互作用程度較強(qiáng)，所以導(dǎo)致左右兩側(cè)壁面會(huì)受到流體的劇烈沖刷，腐蝕程度明顯高于上下壁面。

3.2.3 壁面粗糙度對(duì)閥后流場(chǎng)的影響 腐蝕會(huì)使金屬材料表面的粗糙程度增加，由文獻(xiàn)[14]可知，無(wú)縫鋼管在出廠、輕度腐蝕、嚴(yán)重腐蝕情況下壁面的絕對(duì)粗糙度范圍分別為小于0.1 mm、0.2～0.3 mm、大于0.5 mm。圖16 給出了30°開度下4 種粗糙度下壁面切應(yīng)力的分布。可以看出，壁面切應(yīng)力對(duì)粗糙度的改變具有非常高的敏感性，即使管壁粗糙度僅為0.05 mm，切應(yīng)力數(shù)值也會(huì)有比較明顯的提升。而且，這種提升作用在高流速區(qū)域體現(xiàn)得更為顯著，這是由于流速的增加使得速度邊界層厚度減小，會(huì)有更多的表面突出物與流體發(fā)生碰撞，進(jìn)而導(dǎo)致切應(yīng)力增大。

圖16 不同壁面粗糙度下的切應(yīng)力分布Fig.16 Wall shear distribution at different wall roughness

4 腐蝕的發(fā)生與發(fā)展機(jī)制

4.1 腐蝕的發(fā)生機(jī)制

根據(jù)腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果，304 不銹鋼在運(yùn)行工況下的均勻腐蝕速率極低(0.012 mm/a)，與管線服役工況下的最大腐蝕速率相比可以忽略不計(jì)。綜合前文分析，得出管線的主要腐蝕原因是H2S-HCl-H2O 環(huán)境下造成的電化學(xué)腐蝕以及蝶閥節(jié)流作用造成的流動(dòng)腐蝕。

4.1.1 不銹鋼在H2S-HCl-H2O 環(huán)境下的電化學(xué)腐蝕過(guò)程 通常情況下，不銹鋼的耐蝕性優(yōu)于碳鋼，這主要源于其表面生成的一層薄而致密的鈍化膜[15]。研究表明，鈍化膜的主要成分為金屬氧化物，電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程如式(1)～式(4)所示[16-19]。

但當(dāng)有H2S 存在時(shí)，由于其能夠促進(jìn)鈍化膜中硫化物的形成，增加鈍化膜中缺陷的濃度，所以會(huì)導(dǎo)致鈍化膜的致密性下降，對(duì)基體的保護(hù)能力減弱，進(jìn)而引起不銹鋼耐蝕性能的降低[19-22]。具體電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程如式(5)～式(8)所示。

樣品XRD 分析結(jié)果顯示，腐蝕產(chǎn)物中的硫化物除FeS2外，還以FeSO4的形式存在，分析可能是制樣過(guò)程中FeS2在空氣中發(fā)生了部分氧化，即

此外，系統(tǒng)中存在的少量Cl-會(huì)促進(jìn)鈍化膜的局部溶解，導(dǎo)致膜表面出現(xiàn)裂紋或孔洞，繼而誘發(fā)鈍化膜產(chǎn)生機(jī)械破裂，也會(huì)在一定程度上降低材料的耐蝕性[23-25]。

4.1.2 蝶閥節(jié)流作用造成的流動(dòng)腐蝕 流體在金屬表面的流動(dòng)會(huì)影響腐蝕機(jī)理的現(xiàn)象，稱為流動(dòng)腐蝕[26]。在絕大多數(shù)情況下，流體的流動(dòng)都會(huì)加速腐蝕，加速過(guò)程主要通過(guò)破壞腐蝕產(chǎn)物膜和提高近壁面?zhèn)髻|(zhì)效率兩個(gè)途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（1）高壁面切應(yīng)力對(duì)腐蝕產(chǎn)物膜的破壞作用。當(dāng)流體流速較低時(shí)，切應(yīng)力數(shù)值較小，腐蝕產(chǎn)物膜可相對(duì)穩(wěn)定地附著在基體表面，有效阻隔金屬與腐蝕介質(zhì)的接觸，減緩腐蝕。但在蝶閥節(jié)流作用的影響下，閥后流體流速大幅度增加，切應(yīng)力也隨之增加。當(dāng)切應(yīng)力大于產(chǎn)物膜與基體的黏合強(qiáng)度時(shí)，腐蝕產(chǎn)物就會(huì)從材料表面剝離，導(dǎo)致金屬裸露于腐蝕性介質(zhì)中，使腐蝕作用加劇。此外，腐蝕產(chǎn)物的局部脫落會(huì)造成材料表面出現(xiàn)凹凸不平的蝕坑，這一方面會(huì)增加近壁區(qū)的流體擾動(dòng)，加劇對(duì)產(chǎn)物膜的破壞，另一方面會(huì)促使蝕坑及周圍區(qū)域出現(xiàn)“小陽(yáng)極-大陰極”的電偶腐蝕，導(dǎo)致局部腐蝕速率加快[27-28]。

（2）流場(chǎng)對(duì)腐蝕傳質(zhì)過(guò)程的強(qiáng)化作用。一方面體現(xiàn)在腐蝕性介質(zhì)(H2S、Cl-)向金屬基體的傳質(zhì)過(guò)程，當(dāng)流速較低時(shí)，近壁處電化學(xué)腐蝕反應(yīng)物的傳輸效率較低，腐蝕過(guò)程整體處于低速狀態(tài)。但節(jié)流效應(yīng)造成的閥后流速的增加，會(huì)加快基體表面流體介質(zhì)的更新頻率，減小腐蝕性介質(zhì)的濃度梯度，使得腐蝕速率不斷加快。另一方面體現(xiàn)在腐蝕產(chǎn)物(FeS2等)向主體溶液的傳質(zhì)過(guò)程，當(dāng)流速較高時(shí)，腐蝕產(chǎn)物會(huì)被高速流動(dòng)的流體快速地帶離金屬表面，這不僅會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)物膜的整體厚度減小，保護(hù)作用減弱，而且會(huì)破壞H2S的電離平衡，提高電化學(xué)反應(yīng)物的濃度，從而加劇腐蝕[29-30]。

根據(jù)CFD模擬結(jié)果，即綜合圖13～圖15，可以看出，在蝶閥節(jié)流作用的影響下，會(huì)在閥后管線的左右兩側(cè)形成高速的射流區(qū)與旋渦區(qū)。受此影響，相較于上下壁面，左右壁面附近流體的流速更高、湍流程度更劇烈，由此引起的壁面切應(yīng)力的增加和傳質(zhì)效率的提升，會(huì)使區(qū)域內(nèi)流動(dòng)對(duì)腐蝕的加速效果更加顯著，壁面減薄程度也更加嚴(yán)重，最終導(dǎo)致了管線的異常減薄。

圖15 不同開度下的切應(yīng)力分布Fig.15 Wall shear distribution at different opening degrees

4.2 蝶閥后管線的腐蝕發(fā)展機(jī)制及特點(diǎn)

腐蝕會(huì)增大材料表面的粗糙度，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，受工藝、操作、物料等因素的影響，管道壁面粗糙度會(huì)有很大差異。基于δe可將不同粗糙度圓管內(nèi)的湍流流動(dòng)分成3 種類型，即水力光滑管(0≤δe≤5)、過(guò)渡區(qū)圓管(5＜δe＜70)和完全粗糙管(δe≥70)[31]。δe的計(jì)算方法見式(10)～式(12)。

式中，e為絕對(duì)粗糙度，m；u*為摩擦速度，m/s；υ為運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；ub為主體流速，m/s；ri為管道半徑，m；f為范寧摩擦因數(shù)；Re為Reynolds 數(shù)。據(jù)此計(jì)算可得運(yùn)行工況下蝶閥后管道粗糙度與湍流流動(dòng)類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)果列于表5。

測(cè)量結(jié)果顯示，圖2(b)中樣品表面沖刷道的最大深度超過(guò)1 mm。所以根據(jù)表5 中的數(shù)據(jù)，蝶閥后管道在運(yùn)行工況下同時(shí)存在水利光滑管、過(guò)渡區(qū)圓管和完全粗糙管三種湍流流動(dòng)類型。相較于光滑管道，粗糙管道近壁處的流場(chǎng)分布會(huì)有很大不同。壁面粗糙度增加，不僅會(huì)增強(qiáng)流體與材料之間的相互作用程度，促進(jìn)沖刷過(guò)程，而且會(huì)增大流體與材料之間的接觸面積，加快腐蝕速率[32]。為了進(jìn)一步分析管線異常減薄的原因，基于δe對(duì)蝶閥后管線進(jìn)行區(qū)域劃分，同時(shí)結(jié)合流場(chǎng)理論、邊界層理論和產(chǎn)物膜理論，對(duì)不同區(qū)域的腐蝕發(fā)生與發(fā)展機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)討論。

表5 不同粗糙度下的流動(dòng)類型Table 5 Flow types at different roughness

（1）區(qū)域Ⅰ

約位于閥后3D之后。該區(qū)域?yàn)樗饣堋Ｓ捎诨静皇艿y節(jié)流作用的影響，所以區(qū)域內(nèi)流體流速較低且分布均勻。腐蝕產(chǎn)物膜的表面相對(duì)光滑，絕對(duì)粗糙度小于湍流邊界層的厚度。流動(dòng)狀態(tài)下，產(chǎn)物膜表面的各種突出物都會(huì)被低速、平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的流體所覆蓋，幾乎不會(huì)對(duì)湍流主體區(qū)的流動(dòng)產(chǎn)生影響。所以流體與產(chǎn)物膜之間的相互作用程度較弱，切應(yīng)力數(shù)值較小，產(chǎn)物膜仍然可以保持完整形態(tài)，保護(hù)基體不被腐蝕，具體機(jī)理如圖17(a)所示。在此情況下，區(qū)域內(nèi)電化學(xué)腐蝕占主導(dǎo)地位，流動(dòng)腐蝕發(fā)揮作用較小，管道整體腐蝕程度較輕。

（2）區(qū)域Ⅱ

約位于閥后1D～3D之間。該區(qū)域?yàn)檫^(guò)渡區(qū)圓管和完全粗糙管共存。受上游流場(chǎng)變化的影響，區(qū)域內(nèi)近壁處流體的流速明顯增加，湍流邊界層厚度變薄，產(chǎn)物膜表面的突出物部分伸入湍流主體區(qū)，并與流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生激烈碰撞，如圖17(b)所示。這不僅會(huì)造成流體機(jī)械能損失，而且會(huì)形成流體的旋渦，提高流體的湍動(dòng)程度，導(dǎo)致邊界層厚度進(jìn)一步變??；同時(shí)，隨著累積腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)以及流場(chǎng)對(duì)腐蝕傳質(zhì)過(guò)程的強(qiáng)化，壁面粗糙度在不斷增大。多方面因素的影響相互疊加，會(huì)促使越來(lái)越多的表面突出物相繼暴露在湍流核心之中。流體與產(chǎn)物膜之間相互作用的程度得到顯著增強(qiáng)，切應(yīng)力數(shù)值增加，產(chǎn)物膜表面開始出現(xiàn)破裂且無(wú)法及時(shí)修復(fù)，進(jìn)而暴露出金屬基體，導(dǎo)致腐蝕急劇加速，具體機(jī)理如圖17(c)所示。

通常情況下，產(chǎn)物膜的破裂和剝落會(huì)首先發(fā)生在孔洞、翹曲和皺褶等缺陷處。隨著累積腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，剝落范圍不斷擴(kuò)大，會(huì)有更多的金屬表面裸露于腐蝕性介質(zhì)中。然后，在流動(dòng)腐蝕的作用下，腐蝕將沿管道徑向和軸向兩個(gè)維度同時(shí)發(fā)展。在徑向方向，產(chǎn)物膜剝落形成的蝕坑會(huì)不斷向深處發(fā)展，最終可能導(dǎo)致管道出現(xiàn)穿孔泄漏；在軸向方向，蝕坑面積會(huì)不斷擴(kuò)大，繼之連接成片，并逐步發(fā)展成為圖2(b)中所示的沖刷道結(jié)構(gòu)，然后管道出現(xiàn)大面積的異常減薄，最終因強(qiáng)度不足而出現(xiàn)爆管泄漏。

（3）區(qū)域Ⅲ

約位于閥后0～1D之間。受蝶閥節(jié)流作用的影響，該區(qū)域內(nèi)流體湍動(dòng)程度大幅升高，局部流速較閥前出現(xiàn)數(shù)倍甚至數(shù)十倍的提升，由此而產(chǎn)生的高剪切應(yīng)力使得材料表面無(wú)法形成連續(xù)、附著力強(qiáng)、具有保護(hù)性的腐蝕產(chǎn)物膜。這就造成了如圖2(a)中的腐蝕形貌，雖然金屬材料腐蝕減薄非常嚴(yán)重，但表面無(wú)腐蝕產(chǎn)物且光滑平整，具體機(jī)理如圖17(d)所示。在此情況下，區(qū)域內(nèi)流動(dòng)腐蝕占絕對(duì)主導(dǎo)地位，電化學(xué)腐蝕發(fā)揮作用較小，管道整體腐蝕程度最重，腐蝕泄漏風(fēng)險(xiǎn)最高。

圖17 蝶閥后管線腐蝕發(fā)生與發(fā)展機(jī)制示意圖Fig.17 Schematic diagram of occurrence and development mechanism of pipeline corrosion behind butterfly valve

以上即蝶閥后管線腐蝕的發(fā)生與發(fā)展機(jī)制。除此之外，隨累積腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，不同流動(dòng)類型之間還會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變。水力光滑管會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)渡區(qū)圓管，過(guò)渡區(qū)圓管又會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆植诠?，最終表現(xiàn)為管線的嚴(yán)重腐蝕區(qū)不斷向深處、向下游發(fā)展，異常減薄的范圍不斷擴(kuò)大。而且，蝶板的開度越小，累積腐蝕時(shí)間越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)變趨勢(shì)就越明顯，管線的腐蝕程度也就越嚴(yán)重。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)腐蝕分析、腐蝕實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析了蝶閥后管線異常減薄的原因，探討了腐蝕的發(fā)生與發(fā)展機(jī)制，得到如下結(jié)論。

（1）腐蝕減薄集中在管線的左右兩側(cè)，腐蝕產(chǎn)物主要為FeSO4和FeS2；腐蝕實(shí)驗(yàn)中三個(gè)平行試樣的平均腐蝕速率為0.012 mm/a，遠(yuǎn)低于閥后管線服役工況下的最大腐蝕速率。

（2）蝶閥開度減小或者壁面粗糙度增大，都會(huì)增強(qiáng)流體與材料之間相互作用的程度，致使腐蝕程度加劇。

（3）管線主要的失效原因是流動(dòng)加速腐蝕?；谒俣冗吔鐚优c壁面粗糙度之間的關(guān)系，將蝶閥后管線劃分為三個(gè)不同的區(qū)域，距蝶閥越近腐蝕程度越嚴(yán)重。

符 號(hào) 說(shuō) 明

D——管線直徑，mm

d——蝶板厚度，mm

e——絕對(duì)粗糙度，m

f——范寧摩擦因數(shù)

Re——Reynolds數(shù)

ri——管道半徑，m

ub——主體流速，m/s

u*——摩擦速度，m/s

δ——邊界層厚度，m

υ——運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s