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    蝶閥后管線腐蝕發(fā)生與發(fā)展機(jī)制研究

    2022-02-18 02:25:10蘇國(guó)慶張建文李彥
    化工學(xué)報(bào) 2022年12期
    關(guān)鍵詞:蝶閥開度壁面

    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

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