探讨蝶阀后管线腐蚀发生与发展机制

探讨蝶阀后管线腐蚀发生与发展机制

1、杨开洪2、阎大勇3、泰廉耀4、方利畅5、余春雷

1、浙江安腾阀门有限公司        浙江省温州市     325000

2、中泉集团阀门科技有限公司浙江省丽水市323000

3、浙江永阀实业有限公司浙江省温州市325000

4、温州金戈阀门有限公司浙江省温州市325000

5、浙江永阀实业有限公司浙江省温州市325000

【摘要】某石化厂在日常检测过程中发现蝶阀后管线出现了减薄的情况，通过综合分析，发现是蝶阀后管线出现了腐蚀问题，因此本文分析了蝶阀后管线腐蚀发生与发展机制，对于实际工作发挥出参考作用，保障蝶阀后管线运行的稳定性。

关键词：蝶阀；管线；腐蚀问题

在化工行业生产过程中广泛利用蝶阀部件，在阀体内部蝶板旋转，即可对流体发挥出启闭和调节的作用。利用蝶阀不仅可以控制流量，同时在高温高压环境中都可以利用蝶阀，再加上整体结构比较简单，投入的资金比较低，而且制造过程相对简单，因此当前化工和冶金以及水电等行业中广泛利用蝶阀。但是在日常使用蝶阀的时候，因为运行环境存在较多的影响因素，因此干扰输送管道的正常运行，引发各种问题。

蝶阀是输送系统重要的元件，关系到整体系统的稳定性，如果运行环境存在多相流，因为节流作用的影响，将会改变整体流场，将会引发冲蚀等问题，系统运行的稳定性因此受到影响，导致蝶阀发生泄漏失效问题，将会严重侵蚀蝶板表面，通过综合分析，蝶阀发生失效的主要原因是冲蚀和汽蚀。本文结合某石化厂蝶阀后管线的异常减薄的情况，确定腐蚀问题的发生和发展机制，因此采取针对性的防护措施，优化设备使用性能。

一、腐蚀分析

在炼油部的加氢装置的管线出现了异常减薄的情况，因为该管线主要是输送水和石脑油等，在蝶阀后布置管线，运行一段时间之后在检修过程中发现管线出现了严重的减薄问题，尤其在两侧壁面的问题最严重【1】。

通过取样分析减薄管线，确定在蝶阀后0.1m的部位出现了明显的减薄问题，整体结构的光滑性和平整度等符合标准，同时呈现出良好的金属光泽，没有产生腐蚀产物。在蝶阀后0.6m的部位并没有出现明显的厚度变化，但是表面平整度受到影响，具有较高的粗糙度，因为流体冲刷的影响，而产生较多的冲刷道。

为了充分分析管线减薄特点，利用SW超声波测厚仪对管线进行检测，可以确定主要是在管道两侧出现腐蚀减薄情况，顶部和底部的减薄情况并不严重。分析两侧壁面减薄的情况，在流动方向逐渐减轻了腐蚀问题，而左侧壁面腐蚀问题更加严重。综上可以确定主要是蝶阀后两侧壁面的0~0.6m范围内出现了严重的腐蚀问题。

二、流场模拟

流场参数直接关系到流动腐蚀进程，利用Fluent模拟分析不同开度和避免粗糙度情况下流场，因此确定流场分布特点。

（一）数值方法

本项目拟采用蝶阀与管道的真实几何参数，对其进行3D造型，选取300 mm管径、20 mm厚度的蝶板，通过对其上下游进行数值模拟，获得完整流动场，并基于蝶阀90°开度建立数学模型。在该方法中，利用 Meshing对计算区域进行了剖分，从而得到了四面体网格【2】。在数值模拟中，采用了k-ε紊流模式，以入口边界为流速入口，以出口端面为出口端面，采用Fluent数值模拟方法对其进行了数值模拟。如果液体不能被压缩，就没有化学反应和热传输。

（二）数值计算结果分析

1. 网络无关性

利用蝶阀30°开度为例，合理选择网格。为了提高后续比较的便利性，设定的评判标准为左侧壁面切应力分布情况。可在不同密度的网格下，可以获得基本一致的模拟结果，这说明网格数量不会影响到最终计算结果。为了提高计算结果和计算结果的精确性，在计算过程中可以选用454600个网格。

2. 蝶阀开度对流场的影响

在此基础上，对各断面进行了流场分析。结果表明：在横断面上，蝶板前方的流场更加平稳。在此基础上，由于蝶板的节流作用，气流速度升高，形成了一上一下两个非均匀的、高速度的射流区，而射流区的范围要比上面的小得多。射流区域随开孔率的增大而增大，但在一定程度上限制了射流区域内的最大流量。在径向断面上，射流区在壁面上成环状分布，流动的流速在空间上是一致的；底部射流区在壁面上呈现出一种圆锥形状，从壁面到中央的流速降低。

在此基础上，提出了一种新的计算方法——“流线”，它能较好地刻画液体粒子的运动轨迹。研究结果表明：当液体通过蝶板时，会出现显著的流场分离【3】。结果表明：在尾缘附近有一个较大的反流漩涡，且漩涡大小随开口度的增大而变小，最终消失；由横断面可见，一对方向相反但强度相同的旋涡在蝶片后生成，两者协同运行，并在下游部分互相抵消。

在流动过程中，受到粘滞效应的作用，流体在壁面附近的流动速率会降低到0，而从管壁到中心，液体的流动速率会随着流动方向的变化而不断增大，直到与主体流动速度保持一致，此时的流体减速薄层就是流动速度边界层。壁面剪切力是指在流动边界层中，由于流速的不同而产生的一种粘滞力，它反映了液体与壁面之间的干扰强度。结果表明：在和蝶板位置较远的地方，无论是上游还是下游，剪切力都很平稳，而由蝶板的作用的影响，剪切力出现了起伏。当流动断面急剧缩小，流动受到干扰时，壁面附近的流速和流速梯度急剧增大，剪切应力快速达到峰值，随后逐渐减小。蝶板开启量较小时，剪切力的变化幅度较大。

分析不同壁面切应力分布情况，上下壁面切应力分布规律具有一致性，而且整体数值较小。但是由于受射流区的作用，左、右两个壁面的剪切力都比较高，而且对比右侧，左侧的高位应力区具有更大的范围。在高剪切应力区域，由于介质与壁面之间存在强烈的交互作用，致使其左、右侧壁面遭受强烈的水流侵蚀，且侵蚀强度显著大于上、下壁面。

3. 壁面粗糙度对阀后流场的影响

在出现了锈蚀问题以后，材质的表面变得更加粗糙。当表面粗糙程度降低时，剪切力的大小将显著增加，而当表面粗糙程度较小时，剪切力的大小也会显著增加。尤其是在高速流动的地方，这个效果更加明显。所以，当流动速率提高以后，流动附面层的厚度就会变薄，液体会与更多的凸出物发生撞击，从而加大剪切力。

三、蝶阀后管线腐蚀发展机制

在运行工况中，蝶阀后管道主要包括水利光滑管和过渡区圆管等类型。对比光滑管道，粗糙管道近壁部位分布不同的流场。增大壁面粗糙度之后，流体和材料之间的相互作用因此增强，对冲刷过程起到促进作用，流体会广泛接触材料，腐蚀速率因此得以提高【4】。为了确定蝶阀后管线减薄情况，综合流场理论和边界层理论等，分析不同区域腐蚀问题。

（一）在水力滑管中不会受到蝶阀节流作用，因此该区域的流速较低。腐蚀产生物膜具有光滑的表面，不会影响到湍流主体区的流动。在这一区域内主要是发生电化学腐蚀，几乎没有发生流动腐蚀问题，因此控制了管道腐蚀程度。

（二）过渡区具有不同类型的管道，由于流动的改变，使得近壁面附近的流动速度增加，但也使紊流附面层的厚度减小，导致主要区域内的一些凸出物进入到产品薄膜内，与液体发生剧烈撞击，最终破坏了产物膜表面，将金属基体暴露出来，将会提高腐蚀速度。

结束语：

本文主要分析了蝶阀后管线减薄的主要原因，明确了腐蚀问题发展机制，可以明确主要是在管线两侧发生腐蚀问题。增大蝶阀开度和壁面粗糙度之后，将会增加腐蚀程度。可以确定是因为流动加速腐蚀问题引发管线失效，而且和蝶阀距离较近的部位将会产生更加严重的腐蚀问题。

参考文献：

[1]南天一.HDPE装置不锈钢管线腐蚀原因与防护措施[J].炼油与化工,2024,35(01):52-53.

[2]武炜,孙立军,吴显松.黏接补强工艺在海洋油气平台腐蚀管线检修中的应用[J].水上安全,2023(16):19-21.

[3]许可望,孙有辉,刘永贞,等.X65管线钢焊接接头的腐蚀疲劳行为研究[J].焊接技术,2023,52(12):42-45+49.

[4]刘仁杰,奚力军,任世伟.加氢装置分馏重沸炉出口管线腐蚀原因分析及预防[J].石油化工腐蚀与防护,2023,40(06):60-64.