苏国庆，张建文，李彦
（北京化工大学机电工程学院，100029）
蝶阀，又名翻板阀，是化工行业使用最频繁的阀门之一，其工作原理是通过蝶板在阀体内绕自身轴线的旋转，实现开启、关闭和调节流体的目的[1]。蝶阀不仅具有优良的流量控制特性，而且适用于高温、高压等特殊场合，因其结构简单、成本低廉、制造方便等特点而被广泛应用于化工、冶金、水电等诸多领域[2-3]。
蝶阀在使用过程中，由于工作环境复杂多变，使得输送管道内的流动复杂且不稳定，极易出现流动分离现象[4-7]。Wang 等[8]结合实验和CFD 模拟研究了蝶阀在不同开度下的流场波动，着重讨论了发生在蝶板表面的流动分离和旋涡脱落问题，并通过傅里叶变换建立了流动分离预测模型。诸葛伟林等[9]采用有限体积法对蝶阀的三维分离流动进行了数值模拟，详细研究了蝶板背面流动分离现象发生、发展和消失的完整过程。Kan 等[10]采用计算流体力学方法对连杆式蝶阀的流场进行了数值模拟，发现当蒸汽通过蝶板边缘和管道之间的狭窄过流处时，涡流强度会急剧增大，局部流速增大至入口的15倍。
作为输送系统中的重要控制元件，蝶阀的状态会直接影响整个系统的可靠性与安全性，尤其是当应用环境为小开度或多相流时。节流作用影响下的流场会变得十分复杂，极易引起冲蚀、空化等腐蚀问题，严重影响系统的安全平稳运行。某炼油厂海水淡化装置蝶阀多次出现泄漏失效，蝶板表面侵蚀剥落严重，Hosseini 等[11]结合化学分析、体视显微镜、扫描电镜以及能谱分析，确定了导致蝶阀失效的主要原因是冲蚀和汽蚀。同时，采用计算流体力学的方法模拟了蝶板开度对流场分布和腐蚀速率的影响。谢金宏[12]对一双偏心蝶阀的开裂进行了失效分析，通过宏观分析、断口分析、金相显微组织分析、扫描电镜分析等技术手段对蝶阀裂纹的产生原因进行分析，确定三处裂纹性质均为疲劳开裂。Liu等[13]基于空化-多相流-离散相耦合流场模型，利用计算流体力学方法研究了某核电站循环水过滤系统蝶阀的腐蚀失效机制，得出了空化侵蚀和颗粒侵蚀是导致蝶阀失效的主要原因，并且讨论了入口压力、阀门开度等因素对最大流速、质量流量、湍流强度以及冲蚀速率的影响。
综上所述，目前已有许多关于蝶阀腐蚀的文献报道，但多数研究仅关注开度、流量等因素对蝶板腐蚀的影响，而对阀后管线的腐蚀规律研究涉及较少。本文以上海某石化厂蝶阀后管线为研究对象，结合腐蚀分析、腐蚀实验和数值模拟，分析管线异常减薄的原因，探讨腐蚀的发生与发展机制，旨在为探索蝶阀后管线的腐蚀行为和防护提供参考。
1.1 腐蚀概况
出现异常减薄的管线位于炼油部加氢装置，输送介质为水和石脑油的混合物。管线位于蝶阀后，在运行一年半后检修时发现减薄严重，其中以左右两侧壁面减薄最为明显。蝶阀运行工况下的开度为30°，蝶阀结构和阀后管线壁面划分情况如图1所示。相关工艺参数和设备参数列入表1，输送介质组成列入表2。
表2 输送介质组成Table 2 Composition of conveying medium
图1 蝶阀结构和阀后管线壁面划分Fig.1 Butterfly valve structure and pipe wall division
表1 工艺参数和设备参数Table 1 Process and equipment parameters
对减薄管线进行切割取样，如图2 所示为阀后左侧壁面不同位置的样品实物图。可以看出，样品1(阀后0.1 m 处)的厚度减薄明显，但表面仍保持良好的金属光泽，整体光滑平整，无腐蚀产物附着；
样品2(阀后0.6 m 处)的厚度变化不明显，但表面凹凸不平，粗糙度较高，且存在大量由流体冲刷造成的长短不一、深浅不等的冲刷道。
图2 样品实物图Fig.2 Physical map of samples
为进一步分析管线的减薄规律，沿图1(b)所示4条轴线每隔15 cm 进行厚度测量。测量仪器为SW超声波测厚仪，分辨率为0.01 mm，精度为±0.03 mm。以距蝶阀距离为横坐标，壁厚为纵坐标作图，结果示于图3。可以看出，腐蚀减薄主要分布在管道的左右两侧，顶部与底部腐蚀较为轻微。对比不同壁面的厚度分布发现，左右两侧壁面的减薄规律相近，沿流动方向，腐蚀逐渐减轻，且左侧壁面整体腐蚀程度和腐蚀范围略大于右侧；
上下两侧壁面的减薄规律一致，仅在0.6 m 前有一定程度的腐蚀减薄，之后无明显变化。从整体来看，管线的严重腐蚀区集中分布在阀后左右壁面0～0.6 m范围以内。
图3 厚度分布Fig.3 Thickness distribution
1.2 腐蚀产物分析
采用SEM 对样品的微观形貌进行观察，并借助EDS 和XRD 确定试样表面腐蚀产物的主要组成。图4 给出了样品的SEM 图像。从图中可以看出，样品1的微观形貌较为平整，表面仅有轻微粗糙，且没有明显的腐蚀产物附着；
而样品2 的表面布满了腐蚀产物，整体结构较为疏松，且分布有大量深浅不一的沟壑与缝隙。
图4 样品扫描电镜图像Fig.4 SEM images of samples
图5 给出了样品的EDS 分析结果，腐蚀产物的主要组成元素为Fe、Cr、Ni、C、O、S，其中C、O元素主要来自样品表面残留的烃类化合物。XRD 检测结果如图6 所示，结果显示腐蚀产物主要由FeSO4和FeS2组成。
图5 样品能谱分析结果Fig.5 EDS spectrums of samples
图6 样品XRD谱图Fig.6 XRD patterns of samples
采用高压反应釜开展腐蚀模拟实验，试样材质选用与管线一致的304 不锈钢，试样尺寸为50 mm×25 mm×2 mm，化学成分如表3 所示。实验前试样表面使用砂纸逐级打磨到2000 目(6.5 μm)，然后使用去离子水冲洗，丙酮除油，酒精脱水，冷风吹干。采用去离子水、分析纯NaCl 和氢硫酸配制实验溶液，实验溶液中的H2S含量为300 mg/L，Cl-含量为60 mg/L。
表3 304不锈钢试样化学成分Table 3 Chemical composition of 304 stainless steel coupons
实验装置示意图如图7所示。为保证实验结果的准确性与重复性，取三组平行试样同时开展实验。实验温度控制在(60±1)℃，实验时长为12 d，期间每隔3 d 更换新鲜实验溶液。实验结束后，将试样从反应釜中取出，使用稀硝酸(40 ml 浓硝酸加水配制成200 ml溶液)进行60 min酸洗、水洗、乙醇洗，以清除表面锈层。干燥后使用金相显微镜观察试样微观形貌并称重计算平均腐蚀速率。
图7 实验装置示意图Fig.7 Schematic diagram of experimental device
图8 和图9 分别给出了实验前后试样的宏观形貌和微观形貌。可以看出，实验后试样的宏观形貌和微观形貌均无明显变化。根据三个平行试样的失重数据计算平均腐蚀速率为0.012 mm/a，远低于阀后管线服役工况下的最大腐蚀速率(约3 mm/a)。因此结合前文各项分析，可以确定由蝶阀引起的流动加速腐蚀是导致管线异常减薄的主要原因。
图8 试样的宏观形貌Fig.8 Morphology structure of specimen
图9 试样的微观形貌Fig.9 Micromorphology of specimen
流动腐蚀进程与流场参数密切相关，通过Fluent 对不同开度和壁面粗糙度下的流场进行数值模拟，以获取不同情况下的流场分布。
3.1 数值方法
蝶阀及管线的三维建模与实际尺寸一致，管线直径D为300 mm，蝶板厚度d为20 mm。为保证流场的完整性，取蝶板上游13D以及下游10D作为计算域，以90°开度为例，建立模型如图10(a)所示。采用Meshing 软件对计算域进行网格划分，网格类型为四面体网格，如图10(b)所示。
图10 蝶阀计算域及网格划分Fig.10 Computational domain and mesh division of butterfly valve
应用Fluent 软件求解，采用标准k-ε湍流模型和增强壁面处理函数，设置进口边界为速度入口，出口边界为压力出口，具体的边界参数设置如表4所示。假设流体不可压缩，模拟过程无化学反应和热量传递。
表4 模拟的边界条件Table 4 Simulated boundary conditions
3.2 数值计算结果及分析
3.2.1 网格无关性分析 为得到网格无关解，以30°开度(壁面粗糙度为0)为例，在满足模拟精度的
前提下，划分了不同数量的网格(454600、903200 和1625400 个)。为了便于比较，选取左侧壁面切应力分布作为评判标准，图11给出了不同网格数量下的模拟结果。可以看出，三种密度网格下的模拟结果基本一致，说明网格数量的增加对计算结果基本没有影响。综合考虑计算时间和计算精度，选择454600个网格进行计算。
图11 不同数量网格下左壁面的切应力分布Fig.11 Wall shear distribution of left wall at different number of meshes
3.2.2 蝶阀开度对阀后流场的影响 按照图12 所示截面位置，提取不同截面的速度云图，结果如图13 所示。可以看出，沿轴向截面，蝶板前的流体流动较为稳定。之后受蝶板节流作用的影响，流体流速上升，并发展成为了上下两个不对称的高速射流区，且下方射流区面积明显大于上方。随着开度的增加，射流区面积不断扩大，但是由于节流效果减弱，所以局部最高流速逐渐降低，速度梯度逐渐减小。沿径向截面，上方射流区沿壁面呈环形分布，速度分布均匀；
下方射流区沿壁面呈锥形分布，速度自管壁向管中心逐渐减小。
图12 截面位置示意图Fig.12 Schematic diagram of section position
图13 不同截面的速度云图Fig.13 Velocity nephogram of different sections
流线是描述流体质点瞬时速度方向的曲线，可以直观反映流体的流动状态，图14给出了不同截面的流线图。可以看出，流体流经蝶板时会产生明显的流动分离现象。在蝶板背面形成了一个巨大的回流旋涡，随着开度的增加，旋涡尺寸逐渐减小直至完全消失。从径向截面可以看出，在蝶板后形成了一对方向相反、强度相同的涡旋，两个涡旋共同运动，最终在下游区域相互抵消。
图14 不同截面的流线分布Fig.14 Streamline distribution of different sections
当流体流经壁面时，紧贴壁面的流体受黏性影响速度会降为零，自壁面向管中心，流体速度逐渐增加，直至与主体流速相等，这一流体减速薄层即速度边界层。壁面切应力就是速度边界层内由速度梯度引起的黏性力，其大小表示流体与壁面相互作用的程度。图15 给出了不同开度下的壁面切应力分布。可以看出，在上游与下游远离蝶板的位置，切应力分布十分稳定，但是蝶板的存在使得切应力分布发生波动。由于流通截面突然收缩，流体被扰动，近壁处的速度与速度梯度大幅提升，导致切应力迅速上升至最大值，而后缓慢降低。蝶板开度越小，切应力的波动程度越大。
对比不同壁面的切应力分布可知，上下壁面的分布规律基本一致，且数值较小。而左右壁面切应力数值较高，且受射流区影响，左侧高切应力区范围大于右侧。在高切应力区内，流体与壁面的相互作用程度较强，所以导致左右两侧壁面会受到流体的剧烈冲刷，腐蚀程度明显高于上下壁面。
3.2.3 壁面粗糙度对阀后流场的影响 腐蚀会使金属材料表面的粗糙程度增加，由文献[14]可知，无缝钢管在出厂、轻度腐蚀、严重腐蚀情况下壁面的绝对粗糙度范围分别为小于0.1 mm、0.2～0.3 mm、大于0.5 mm。图16 给出了30°开度下4 种粗糙度下壁面切应力的分布。可以看出，壁面切应力对粗糙度的改变具有非常高的敏感性，即使管壁粗糙度仅为0.05 mm，切应力数值也会有比较明显的提升。而且，这种提升作用在高流速区域体现得更为显著，这是由于流速的增加使得速度边界层厚度减小，会有更多的表面突出物与流体发生碰撞，进而导致切应力增大。
图16 不同壁面粗糙度下的切应力分布Fig.16 Wall shear distribution at different wall roughness
4.1 腐蚀的发生机制
根据腐蚀实验结果，304 不锈钢在运行工况下的均匀腐蚀速率极低(0.012 mm/a)，与管线服役工况下的最大腐蚀速率相比可以忽略不计。综合前文分析，得出管线的主要腐蚀原因是H2S-HCl-H2O 环境下造成的电化学腐蚀以及蝶阀节流作用造成的流动腐蚀。
4.1.1 不锈钢在H2S-HCl-H2O 环境下的电化学腐蚀过程 通常情况下，不锈钢的耐蚀性优于碳钢，这主要源于其表面生成的一层薄而致密的钝化膜[15]。研究表明，钝化膜的主要成分为金属氧化物，电化学反应过程如式(1)～式(4)所示[16-19]。
但当有H2S 存在时，由于其能够促进钝化膜中硫化物的形成，增加钝化膜中缺陷的浓度，所以会导致钝化膜的致密性下降，对基体的保护能力减弱，进而引起不锈钢耐蚀性能的降低[19-22]。具体电化学反应过程如式(5)～式(8)所示。
样品XRD 分析结果显示，腐蚀产物中的硫化物除FeS2外，还以FeSO4的形式存在，分析可能是制样过程中FeS2在空气中发生了部分氧化，即
此外，系统中存在的少量Cl-会促进钝化膜的局部溶解，导致膜表面出现裂纹或孔洞，继而诱发钝化膜产生机械破裂，也会在一定程度上降低材料的耐蚀性[23-25]。
4.1.2 蝶阀节流作用造成的流动腐蚀 流体在金属表面的流动会影响腐蚀机理的现象，称为流动腐蚀[26]。在绝大多数情况下，流体的流动都会加速腐蚀，加速过程主要通过破坏腐蚀产物膜和提高近壁面传质效率两个途径来实现。
（1）高壁面切应力对腐蚀产物膜的破坏作用。当流体流速较低时，切应力数值较小，腐蚀产物膜可相对稳定地附着在基体表面，有效阻隔金属与腐蚀介质的接触，减缓腐蚀。但在蝶阀节流作用的影响下，阀后流体流速大幅度增加，切应力也随之增加。当切应力大于产物膜与基体的黏合强度时，腐蚀产物就会从材料表面剥离，导致金属裸露于腐蚀性介质中，使腐蚀作用加剧。此外，腐蚀产物的局部脱落会造成材料表面出现凹凸不平的蚀坑，这一方面会增加近壁区的流体扰动，加剧对产物膜的破坏，另一方面会促使蚀坑及周围区域出现“小阳极-大阴极”的电偶腐蚀，导致局部腐蚀速率加快[27-28]。
（2）流场对腐蚀传质过程的强化作用。一方面体现在腐蚀性介质(H2S、Cl-)向金属基体的传质过程，当流速较低时，近壁处电化学腐蚀反应物的传输效率较低，腐蚀过程整体处于低速状态。但节流效应造成的阀后流速的增加，会加快基体表面流体介质的更新频率，减小腐蚀性介质的浓度梯度，使得腐蚀速率不断加快。另一方面体现在腐蚀产物(FeS2等)向主体溶液的传质过程，当流速较高时，腐蚀产物会被高速流动的流体快速地带离金属表面，这不仅会导致产物膜的整体厚度减小，保护作用减弱，而且会破坏H2S的电离平衡，提高电化学反应物的浓度，从而加剧腐蚀[29-30]。
根据CFD模拟结果，即综合图13～图15，可以看出，在蝶阀节流作用的影响下，会在阀后管线的左右两侧形成高速的射流区与旋涡区。受此影响，相较于上下壁面，左右壁面附近流体的流速更高、湍流程度更剧烈，由此引起的壁面切应力的增加和传质效率的提升，会使区域内流动对腐蚀的加速效果更加显著，壁面减薄程度也更加严重，最终导致了管线的异常减薄。
图15 不同开度下的切应力分布Fig.15 Wall shear distribution at different opening degrees
4.2 蝶阀后管线的腐蚀发展机制及特点
腐蚀会增大材料表面的粗糙度，在实际运行过程中，受工艺、操作、物料等因素的影响，管道壁面粗糙度会有很大差异。基于δe可将不同粗糙度圆管内的湍流流动分成3 种类型，即水力光滑管(0≤δe≤5)、过渡区圆管(5＜δe＜70)和完全粗糙管(δe≥70)[31]。δe的计算方法见式(10)～式(12)。
式中，e为绝对粗糙度，m；
u*为摩擦速度，m/s；
υ为运动黏度，m2/s；
ub为主体流速，m/s；
ri为管道半径，m；
f为范宁摩擦因数；
Re为Reynolds 数。据此计算可得运行工况下蝶阀后管道粗糙度与湍流流动类型的对应关系，结果列于表5。
测量结果显示，图2(b)中样品表面冲刷道的最大深度超过1 mm。所以根据表5 中的数据，蝶阀后管道在运行工况下同时存在水利光滑管、过渡区圆管和完全粗糙管三种湍流流动类型。相较于光滑管道，粗糙管道近壁处的流场分布会有很大不同。壁面粗糙度增加，不仅会增强流体与材料之间的相互作用程度，促进冲刷过程，而且会增大流体与材料之间的接触面积，加快腐蚀速率[32]。为了进一步分析管线异常减薄的原因，基于δe对蝶阀后管线进行区域划分，同时结合流场理论、边界层理论和产物膜理论，对不同区域的腐蚀发生与发展机制进行详细讨论。
表5 不同粗糙度下的流动类型Table 5 Flow types at different roughness
（1）区域Ⅰ
约位于阀后3D之后。该区域为水力光滑管。由于基本不受蝶阀节流作用的影响，所以区域内流体流速较低且分布均匀。腐蚀产物膜的表面相对光滑，绝对粗糙度小于湍流边界层的厚度。流动状态下，产物膜表面的各种突出物都会被低速、平稳运动的流体所覆盖，几乎不会对湍流主体区的流动产生影响。所以流体与产物膜之间的相互作用程度较弱，切应力数值较小，产物膜仍然可以保持完整形态，保护基体不被腐蚀，具体机理如图17(a)所示。在此情况下，区域内电化学腐蚀占主导地位，流动腐蚀发挥作用较小，管道整体腐蚀程度较轻。
（2）区域Ⅱ
约位于阀后1D～3D之间。该区域为过渡区圆管和完全粗糙管共存。受上游流场变化的影响，区域内近壁处流体的流速明显增加，湍流边界层厚度变薄，产物膜表面的突出物部分伸入湍流主体区，并与流体质点发生激烈碰撞，如图17(b)所示。这不仅会造成流体机械能损失，而且会形成流体的旋涡，提高流体的湍动程度，导致边界层厚度进一步变薄；
同时，随着累积腐蚀时间的延长以及流场对腐蚀传质过程的强化，壁面粗糙度在不断增大。多方面因素的影响相互叠加，会促使越来越多的表面突出物相继暴露在湍流核心之中。流体与产物膜之间相互作用的程度得到显著增强，切应力数值增加，产物膜表面开始出现破裂且无法及时修复，进而暴露出金属基体，导致腐蚀急剧加速，具体机理如图17(c)所示。
通常情况下，产物膜的破裂和剥落会首先发生在孔洞、翘曲和皱褶等缺陷处。随着累积腐蚀时间的延长，剥落范围不断扩大，会有更多的金属表面裸露于腐蚀性介质中。然后，在流动腐蚀的作用下，腐蚀将沿管道径向和轴向两个维度同时发展。在径向方向，产物膜剥落形成的蚀坑会不断向深处发展，最终可能导致管道出现穿孔泄漏；
在轴向方向，蚀坑面积会不断扩大，继之连接成片，并逐步发展成为图2(b)中所示的冲刷道结构，然后管道出现大面积的异常减薄，最终因强度不足而出现爆管泄漏。
（3）区域Ⅲ
约位于阀后0～1D之间。受蝶阀节流作用的影响，该区域内流体湍动程度大幅升高，局部流速较阀前出现数倍甚至数十倍的提升，由此而产生的高剪切应力使得材料表面无法形成连续、附着力强、具有保护性的腐蚀产物膜。这就造成了如图2(a)中的腐蚀形貌，虽然金属材料腐蚀减薄非常严重，但表面无腐蚀产物且光滑平整，具体机理如图17(d)所示。在此情况下，区域内流动腐蚀占绝对主导地位，电化学腐蚀发挥作用较小，管道整体腐蚀程度最重，腐蚀泄漏风险最高。
图17 蝶阀后管线腐蚀发生与发展机制示意图Fig.17 Schematic diagram of occurrence and development mechanism of pipeline corrosion behind butterfly valve
以上即蝶阀后管线腐蚀的发生与发展机制。除此之外，随累积腐蚀时间的延长，不同流动类型之间还会发生动态转变。水力光滑管会逐渐转变为过渡区圆管，过渡区圆管又会逐渐转变为完全粗糙管，最终表现为管线的严重腐蚀区不断向深处、向下游发展，异常减薄的范围不断扩大。而且，蝶板的开度越小，累积腐蚀时间越长，转变趋势就越明显，管线的腐蚀程度也就越严重。
本文通过腐蚀分析、腐蚀实验和数值模拟，分析了蝶阀后管线异常减薄的原因，探讨了腐蚀的发生与发展机制，得到如下结论。
（1）腐蚀减薄集中在管线的左右两侧，腐蚀产物主要为FeSO4和FeS2；
腐蚀实验中三个平行试样的平均腐蚀速率为0.012 mm/a，远低于阀后管线服役工况下的最大腐蚀速率。
（2）蝶阀开度减小或者壁面粗糙度增大，都会增强流体与材料之间相互作用的程度，致使腐蚀程度加剧。
（3）管线主要的失效原因是流动加速腐蚀。基于速度边界层与壁面粗糙度之间的关系，将蝶阀后管线划分为三个不同的区域，距蝶阀越近腐蚀程度越严重。
符 号 说 明
D——管线直径，mm
d——蝶板厚度，mm
e——绝对粗糙度，m
f——范宁摩擦因数
Re——Reynolds数
ri——管道半径，m
ub——主体流速，m/s
u*——摩擦速度，m/s
δ——边界层厚度，m
υ——运动黏度，m2/s
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