蒸汽管道氣液兩相流沖蝕研究

李廣印 梁鈞 張國強(qiáng) 趙曉隆 李珍寶

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403022

摘 要 針對(duì)電廠加熱器水位控制系統(tǒng)信號(hào)管存在的氣液兩相流對(duì)管道的沖蝕現(xiàn)象，采用壁厚測定、有限元仿真、沖蝕形貌SEM分析、腐蝕產(chǎn)物EDS、XRD等分析測試方法進(jìn)行研究，以期為后續(xù)科研和工業(yè)生產(chǎn)提供借鑒。

關(guān)鍵詞 管道 沖蝕 氣液兩相流 氣泡潰滅 減薄 腐蝕

中圖分類號(hào) TQ055?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B?? 文章編號(hào) 0254?6094（2024）03?0484?04

作者簡介：李廣印（1987-），高級(jí)工程師，從事壓力管道檢驗(yàn)檢測及腐蝕防護(hù)的研究，921049306@qq.com。

引用本文：李廣印，梁鈞，張國強(qiáng)，等.蒸汽管道氣流兩相流沖蝕研究[J].化工機(jī)械，2024，51（3）：484-487.

大型火電機(jī)組高低壓加熱器通過汽缸抽氣對(duì)鍋爐給水進(jìn)行逐級(jí)加熱，以提高換熱效率。加熱器殼程介質(zhì)為蒸汽，管程介質(zhì)為水，通過抽氣系統(tǒng)的蒸汽對(duì)管程給水進(jìn)行加熱，蒸汽在殼程內(nèi)換熱凝結(jié)成水，水位的高低將直接影響換熱效率，水位過高，換熱管被水淹沒，無法進(jìn)行換熱;而水位過低，高溫蒸汽會(huì)造成管束過熱進(jìn)而損傷管束。目前，國內(nèi)外普遍采用水位自控系統(tǒng)，通過水位控制部位的信號(hào)管來控制疏水閥的通斷，即當(dāng)水位過高時(shí)打開疏水閥，使水位降低至預(yù)定水位;當(dāng)水位過低時(shí)關(guān)閉疏水閥，使水位保持在預(yù)定水位，因此高低壓加熱器水位控制信號(hào)管內(nèi)總是氣液兩相共存的狀態(tài)。大量的現(xiàn)場檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，信號(hào)管彎頭、三通部位常因減薄泄漏而造成非計(jì)劃停機(jī)或加熱器緊急隔離，嚴(yán)重影響了正常生產(chǎn)。

目前，國內(nèi)外對(duì)兩相流的研究主要有有限元數(shù)值模擬[1～3]、氣固兩相流沖蝕與磨損研究[4，5]、流體動(dòng)力學(xué)特性研究[6～9]。而生產(chǎn)過程中發(fā)生的氣液兩相流對(duì)管道造成的沖蝕研究鮮見報(bào)道。筆者以特種設(shè)備檢驗(yàn)過程中由于沖蝕減薄更換的管件為研究對(duì)象，通過壁厚測定，基于有限元進(jìn)行沖蝕減薄規(guī)律研究，并通過SEM、XRD等手段對(duì)管道運(yùn)行中產(chǎn)生的沖蝕形貌和腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析，研究其產(chǎn)生沖蝕減薄的機(jī)理。

1 設(shè)備及其腐蝕情況

某大型火力發(fā)電機(jī)組管道在定期檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)一高壓加熱器氣液兩相流信號(hào)管存在嚴(yán)重減薄現(xiàn)象，管道基本信息如下：管道規(guī)格?89 mm×5 mm，管道材質(zhì)20#，工作介質(zhì)管程為水、殼程為蒸汽，工作壓力3.89 MPa，工作溫度450 ℃，其具體化學(xué)成分及含量見表1。

在生產(chǎn)過程中，氣液兩相流管道由于沖蝕的原因存在大量泄漏現(xiàn)象，常發(fā)生非計(jì)劃停機(jī)或緊急隔離事故。圖1所示為某大型火力發(fā)電廠高壓加熱器氣液兩相流信號(hào)管沖蝕減薄截面，表2為信號(hào)管彎頭壁厚測定值，測點(diǎn)如圖2所示。

通過對(duì)圖1所示的氣液兩相流管道彎頭測厚結(jié)果表明，彎頭R1外彎部位實(shí)測最小壁厚為1.6 mm，最大減薄量為原始壁厚的68%，彎頭R2外彎部位實(shí)測最小壁厚為2.3 mm，最大減薄量為原始壁厚的54%，通過耐壓強(qiáng)度校核，已不滿足安全使用要求。

2 腐蝕機(jī)理研究

2.1 腐蝕截面形貌分析

氣液兩相流發(fā)生沖蝕的機(jī)理為：含有液體的高溫蒸汽流經(jīng)管壁時(shí)，管道內(nèi)壁表面產(chǎn)生不連續(xù)的氣泡，流體流動(dòng)時(shí)將氣泡帶走，形成無數(shù)微小氣泡后又在瞬間破裂，形成高度局部化的沖擊力，從而造成金屬的損失。同時(shí)，管內(nèi)壁生產(chǎn)的腐蝕產(chǎn)物因流體沖刷離開管壁，暴露的新鮮金屬在沖刷和腐蝕的反復(fù)作用下發(fā)生損傷，造成壁厚進(jìn)一步減薄。

圖3為腐蝕截面SEM成像圖片，由圖3a可以看出，管道內(nèi)壁存在氣泡潰滅對(duì)管壁沖擊造成的凹凸不平的沖蝕坑，甚至存在點(diǎn)蝕樣的銳緣，銳緣根部有裂紋，隨著氣液兩相在管內(nèi)壁流動(dòng)，銳緣發(fā)生斷裂，造成更大的腐蝕坑。由圖3b可以看出，腐蝕坑內(nèi)有更密更小的腐蝕坑，這些位置更容易有腐蝕產(chǎn)物堆積。

2.2 腐蝕表面形貌分析

由管內(nèi)壁的腐蝕機(jī)理可知，管道內(nèi)壁承受液體流過后氣泡對(duì)管壁的爆破沖擊力和介質(zhì)腐蝕雙重作用。高溫含水環(huán)境下，管道鋼材中的鐵原子失去電子而成為鐵離子與氧氣作用，從而生成一層疏松氧化物膜，并失去表面金屬光澤。

由圖4a可以看出，管內(nèi)壁由于氣泡潰滅對(duì)管壁產(chǎn)生沖擊而形成大量的沖蝕坑，當(dāng)流體流過后，易在沖蝕坑內(nèi)新鮮的金屬表面產(chǎn)生大量的腐蝕產(chǎn)物。從圖4b可以看出，氧化皮疏松多孔。當(dāng)加熱器內(nèi)液位過高時(shí)，信號(hào)管管端閥門打開，通過信號(hào)管將過高的水位降至基準(zhǔn)位置，管內(nèi)介質(zhì)為高溫水，加熱器內(nèi)液位過低時(shí)，信號(hào)管管端閥門關(guān)閉，信號(hào)管內(nèi)介質(zhì)為蒸汽，當(dāng)設(shè)備在環(huán)境溫度和較高溫度之間循環(huán)，冷熱交替時(shí)更容易發(fā)生腐蝕。

2.3 腐蝕產(chǎn)物成分分析

為進(jìn)一步研究氣液兩相流沖蝕產(chǎn)物組成成分，采用EDS能譜分析氣液兩相流在管端部及管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物元素成分，結(jié)果如圖5所示。從表3的EDS定量分析結(jié)果中可以看出，腐蝕產(chǎn)物由3種主要成分Fe、C、O構(gòu)成，表明主要成分為滲碳體物質(zhì)，同時(shí)還存在著鐵氧化物。

從圖6所示的腐蝕產(chǎn)物膜XRD測試結(jié)果可以看出，20#鋼管腐蝕產(chǎn)物膜在不同腐蝕時(shí)間后的內(nèi)壁上的XRD圖譜腐蝕產(chǎn)物膜是由3種主要元素Fe、C、O組成的物質(zhì)，圖譜顯示氣液兩相流腐蝕產(chǎn)物膜中20#鋼管的主要相組成基本不變，主要有Fe、Fe3C、FeCO3、Fe3O4、FeOOH等，其中Fe、Fe3C是鋼管的主要成分，試驗(yàn)用20#無縫鋼管組織為鐵素體+珠光體，隨著腐蝕過程中鐵素體溶解Fe3C的殘留，沒有受到腐蝕的Fe3C就變成了基底或“骨架”沉積長大的腐蝕產(chǎn)物，這種物質(zhì)會(huì)被腐蝕掉。其中FeOOH為堿式氧化亞鐵，即針鐵礦，由于在水中不可能存在，在反應(yīng)過程中生成了Fe（HCO3）2，產(chǎn)生水解生成FeOOH，它沉積在物質(zhì)表面形成疏松的多孔結(jié)構(gòu)。從XRD圖譜中可以看出，腐蝕產(chǎn)物的膜層厚度隨著腐蝕時(shí)間的延長而增加，其致密度也隨之增加，其主要的強(qiáng)峰是Fe。

2.4 基于有限元的減薄規(guī)律分析

通過對(duì)減薄管件測厚可知，彎頭R1前直管段長2 m，彎頭R2前直管段長0.3 m，彎頭R1外彎最小剩余壁厚1.6 mm，彎頭R2外彎剩余最小壁厚2.3 mm，由于直管段越長流體流動(dòng)阻力越小、流速越大，有彎頭、三通等突然改變流動(dòng)方向的結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)使流速突然降低，對(duì)管壁造成沖刷。采用有限元模擬研究流體對(duì)管壁造成沖刷的最大應(yīng)力部位，仿真應(yīng)力圖如圖7所示，從圖7a可以看出，彎頭R1外彎部位所受到的應(yīng)力比圖7b所示R2外彎部位所受到的應(yīng)力更大，與實(shí)測結(jié)果吻合，這就驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。

3 結(jié)論

3.1 測厚結(jié)果顯示，氣液兩相流流體在彎頭等結(jié)構(gòu)突變部位對(duì)管道造成更大的沖蝕，彎頭等結(jié)構(gòu)突變部位前直管段越長流速越大，對(duì)管壁造成的沖刷更嚴(yán)重，有限元分析結(jié)果與實(shí)測結(jié)果較為吻合。

3.2 管道端面和截面腐蝕形貌結(jié)果顯示，管內(nèi)壁氣液兩相流流體流過后形成的微小氣泡潰滅對(duì)管壁造成較大的沖擊，以滲碳體Fe3C為基底形成了大量沖蝕坑，為腐蝕產(chǎn)物的堆積提供了載體。

3.3 腐蝕產(chǎn)物的EDS和XRD分析結(jié)果表明，腐蝕產(chǎn)物是由3種主要成分Fe、C、O構(gòu)成的結(jié)構(gòu)疏松的腐蝕產(chǎn)物膜，主要成分是FeCO3、Fe3O4、FeOOH。

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（收稿日期：2023-10-09，修回日期：2024-05-07）