蒸汽管道氣液兩相流沖蝕研究

李廣印 梁鈞 張國強 趙曉隆 李珍寶

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403022

摘 要 針對電廠加熱器水位控制系統信號管存在的氣液兩相流對管道的沖蝕現象，采用壁厚測定、有限元仿真、沖蝕形貌SEM分析、腐蝕產物EDS、XRD等分析測試方法進行研究，以期為后續科研和工業生產提供借鑒。

關鍵詞 管道 沖蝕 氣液兩相流 氣泡潰滅 減薄 腐蝕

中圖分類號 TQ055?? 文獻標志碼 B?? 文章編號 0254?6094（2024）03?0484?04

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

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

大型火電機組高低壓加熱器通過汽缸抽氣對鍋爐給水進行逐級加熱，以提高換熱效率。加熱器殼程介質為蒸汽，管程介質為水，通過抽氣系統的蒸汽對管程給水進行加熱，蒸汽在殼程內換熱凝結成水，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，無法進行換熱;而水位過低，高溫蒸汽會造成管束過熱進而損傷管束。目前，國內外普遍采用水位自控系統，通過水位控制部位的信號管來控制疏水閥的通斷，即當水位過高時打開疏水閥，使水位降低至預定水位;當水位過低時關閉疏水閥，使水位保持在預定水位，因此高低壓加熱器水位控制信號管內總是氣液兩相共存的狀態。大量的現場檢驗發現，信號管彎頭、三通部位常因減薄泄漏而造成非計劃停機或加熱器緊急隔離，嚴重影響了正常生產。

目前，國內外對兩相流的研究主要有有限元數值模擬[1～3]、氣固兩相流沖蝕與磨損研究[4，5]、流體動力學特性研究[6～9]。而生產過程中發生的氣液兩相流對管道造成的沖蝕研究鮮見報道。筆者以特種設備檢驗過程中由于沖蝕減薄更換的管件為研究對象，通過壁厚測定，基于有限元進行沖蝕減薄規律研究，并通過SEM、XRD等手段對管道運行中產生的沖蝕形貌和腐蝕產物進行分析，研究其產生沖蝕減薄的機理。

1 設備及其腐蝕情況

某大型火力發電機組管道在定期檢驗時，發現一高壓加熱器氣液兩相流信號管存在嚴重減薄現象，管道基本信息如下：管道規格?89 mm×5 mm，管道材質20#，工作介質管程為水、殼程為蒸汽，工作壓力3.89 MPa，工作溫度450 ℃，其具體化學成分及含量見表1。

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

通過對圖1所示的氣液兩相流管道彎頭測厚結果表明，彎頭R1外彎部位實測最小壁厚為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%，通過耐壓強度校核，已不滿足安全使用要求。

2 腐蝕機理研究

2.1 腐蝕截面形貌分析

氣液兩相流發生沖蝕的機理為：含有液體的高溫蒸汽流經管壁時，管道內壁表面產生不連續的氣泡，流體流動時將氣泡帶走，形成無數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，管內壁生產的腐蝕產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作用下發生損傷，造成壁厚進一步減薄。

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

2.2 腐蝕表面形貌分析

由管內壁的腐蝕機理可知，管道內壁承受液體流過后氣泡對管壁的爆破沖擊力和介質腐蝕雙重作用。高溫含水環境下，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，管內壁由于氣泡潰滅對管壁產生沖擊而形成大量的沖蝕坑，當流體流過后，易在沖蝕坑內新鮮的金屬表面產生大量的腐蝕產物。從圖4b可以看出，氧化皮疏松多孔。當加熱器內液位過高時，信號管管端閥門打開，通過信號管將過高的水位降至基準位置，管內介質為高溫水，加熱器內液位過低時，信號管管端閥門關閉，信號管內介質為蒸汽，當設備在環境溫度和較高溫度之間循環，冷熱交替時更容易發生腐蝕。

2.3 腐蝕產物成分分析

為進一步研究氣液兩相流沖蝕產物組成成分，采用EDS能譜分析氣液兩相流在管端部及管內壁腐蝕產物元素成分，結果如圖5所示。從表3的EDS定量分析結果中可以看出，腐蝕產物由3種主要成分Fe、C、O構成，表明主要成分為滲碳體物質，同時還存在著鐵氧化物。

從圖6所示的腐蝕產物膜XRD測試結果可以看出，20#鋼管腐蝕產物膜在不同腐蝕時間后的內壁上的XRD圖譜腐蝕產物膜是由3種主要元素Fe、C、O組成的物質，圖譜顯示氣液兩相流腐蝕產物膜中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”沉積長大的腐蝕產物，這種物質會被腐蝕掉。其中FeOOH為堿式氧化亞鐵，即針鐵礦，由于在水中不可能存在，在反應過程中生成了Fe（HCO3）2，產生水解生成FeOOH，它沉積在物質表面形成疏松的多孔結構。從XRD圖譜中可以看出，腐蝕產物的膜層厚度隨著腐蝕時間的延長而增加，其致密度也隨之增加，其主要的強峰是Fe。

2.4 基于有限元的減薄規律分析

通過對減薄管件測厚可知，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阻力越小、流速越大，有彎頭、三通等突然改變流動方向的結構時，會使流速突然降低，對管壁造成沖刷。采用有限元模擬研究流體對管壁造成沖刷的最大應力部位，仿真應力圖如圖7所示，從圖7a可以看出，彎頭R1外彎部位所受到的應力比圖7b所示R2外彎部位所受到的應力更大，與實測結果吻合，這就驗證了仿真結果的正確性。

3 結論

3.1 測厚結果顯示，氣液兩相流流體在彎頭等結構突變部位對管道造成更大的沖蝕，彎頭等結構突變部位前直管段越長流速越大，對管壁造成的沖刷更嚴重，有限元分析結果與實測結果較為吻合。

3.2 管道端面和截面腐蝕形貌結果顯示，管內壁氣液兩相流流體流過后形成的微小氣泡潰滅對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，為腐蝕產物的堆積提供了載體。

3.3 腐蝕產物的EDS和XRD分析結果表明，腐蝕產物是由3種主要成分Fe、C、O構成的結構疏松的腐蝕產物膜，主要成分是FeCO3、Fe3O4、FeOOH。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2023-10-09，修回日期：2024-05-07）