蒸汽管道气液两相流冲蚀研究

李广印 梁钧 张国强 赵晓隆 李珍宝

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403022

摘 要 针对电厂加热器水位控制系统信号管存在的气液两相流对管道的冲蚀现象，采用壁厚测定、有限元仿真、冲蚀形貌SEM分析、腐蚀产物EDS、XRD等分析测试方法进行研究，以期为后续科研和工业生产提供借鉴。

关键词 管道 冲蚀 气液两相流 气泡溃灭 减薄 腐蚀

中图分类号 TQ055   文献标志码 B   文章编号 0254?6094（2024）03?0484?04

作者简介：李广印（1987-），高级工程师，从事压力管道检验检测及腐蚀防护的研究，921049306@qq.com。

引用本文：李广印，梁钧，张国强，等.蒸汽管道气流两相流冲蚀研究[J].化工机械，2024，51（3）：484-487.

大型火电机组高低压加热器通过汽缸抽气对锅炉给水进行逐级加热，以提高换热效率。加热器壳程介质为蒸汽，管程介质为水，通过抽气系统的蒸汽对管程给水进行加热，蒸汽在壳程内换热凝结成水，水位的高低将直接影响换热效率，水位过高，换热管被水淹没，无法进行换热;而水位过低，高温蒸汽会造成管束过热进而损伤管束。目前，国内外普遍采用水位自控系统，通过水位控制部位的信号管来控制疏水阀的通断，即当水位过高时打开疏水阀，使水位降低至预定水位;当水位过低时关闭疏水阀，使水位保持在预定水位，因此高低压加热器水位控制信号管内总是气液两相共存的状态。大量的现场检验发现，信号管弯头、三通部位常因减薄泄漏而造成非计划停机或加热器紧急隔离，严重影响了正常生产。

目前，国内外对两相流的研究主要有有限元数值模拟[1～3]、气固两相流冲蚀与磨损研究[4，5]、流体动力学特性研究[6～9]。而生产过程中发生的气液两相流对管道造成的冲蚀研究鲜见报道。笔者以特种设备检验过程中由于冲蚀减薄更换的管件为研究对象，通过壁厚测定，基于有限元进行冲蚀减薄规律研究，并通过SEM、XRD等手段对管道运行中产生的冲蚀形貌和腐蚀产物进行分析，研究其产生冲蚀减薄的机理。

1 设备及其腐蚀情况

某大型火力发电机组管道在定期检验时，发现一高压加热器气液两相流信号管存在严重减薄现象，管道基本信息如下：管道规格?89 mm×5 mm，管道材质20#，工作介质管程为水、壳程为蒸汽，工作压力3.89 MPa，工作温度450 ℃，其具体化学成分及含量见表1。

在生产过程中，气液两相流管道由于冲蚀的原因存在大量泄漏现象，常发生非计划停机或紧急隔离事故。图1所示为某大型火力发电厂高压加热器气液两相流信号管冲蚀减薄截面，表2为信号管弯头壁厚测定值，测点如图2所示。

通过对图1所示的气液两相流管道弯头测厚结果表明，弯头R1外弯部位实测最小壁厚为1.6 mm，最大减薄量为原始壁厚的68%，弯头R2外弯部位实测最小壁厚为2.3 mm，最大减薄量为原始壁厚的54%，通过耐压强度校核，已不满足安全使用要求。

2 腐蚀机理研究

2.1 腐蚀截面形貌分析

气液两相流发生冲蚀的机理为：含有液体的高温蒸汽流经管壁时，管道内壁表面产生不连续的气泡，流体流动时将气泡带走，形成无数微小气泡后又在瞬间破裂，形成高度局部化的冲击力，从而造成金属的损失。同时，管内壁生产的腐蚀产物因流体冲刷离开管壁，暴露的新鲜金属在冲刷和腐蚀的反复作用下发生损伤，造成壁厚进一步减薄。

图3为腐蚀截面SEM成像图片，由图3a可以看出，管道内壁存在气泡溃灭对管壁冲击造成的凹凸不平的冲蚀坑，甚至存在点蚀样的锐缘，锐缘根部有裂纹，随着气液两相在管内壁流动，锐缘发生断裂，造成更大的腐蚀坑。由图3b可以看出，腐蚀坑内有更密更小的腐蚀坑，这些位置更容易有腐蚀产物堆积。

2.2 腐蚀表面形貌分析

由管内壁的腐蚀机理可知，管道内壁承受液体流过后气泡对管壁的爆破冲击力和介质腐蚀双重作用。高温含水环境下，管道钢材中的铁原子失去电子而成为铁离子与氧气作用，从而生成一层疏松氧化物膜，并失去表面金属光泽。

由图4a可以看出，管内壁由于气泡溃灭对管壁产生冲击而形成大量的冲蚀坑，当流体流过后，易在冲蚀坑内新鲜的金属表面产生大量的腐蚀产物。从图4b可以看出，氧化皮疏松多孔。当加热器内液位过高时，信号管管端阀门打开，通过信号管将过高的水位降至基准位置，管内介质为高温水，加热器内液位过低时，信号管管端阀门关闭，信号管内介质为蒸汽，当设备在环境温度和较高温度之间循环，冷热交替时更容易发生腐蚀。

2.3 腐蚀产物成分分析

为进一步研究气液两相流冲蚀产物组成成分，采用EDS能谱分析气液两相流在管端部及管内壁腐蚀产物元素成分，结果如图5所示。从表3的EDS定量分析结果中可以看出，腐蚀产物由3种主要成分Fe、C、O构成，表明主要成分为渗碳体物质，同时还存在着铁氧化物。

从图6所示的腐蚀产物膜XRD测试结果可以看出，20#钢管腐蚀产物膜在不同腐蚀时间后的内壁上的XRD图谱腐蚀产物膜是由3种主要元素Fe、C、O组成的物质，图谱显示气液两相流腐蚀产物膜中20#钢管的主要相组成基本不变，主要有Fe、Fe3C、FeCO3、Fe3O4、FeOOH等，其中Fe、Fe3C是钢管的主要成分，试验用20#无缝钢管组织为铁素体+珠光体，随着腐蚀过程中铁素体溶解Fe3C的残留，没有受到腐蚀的Fe3C就变成了基底或“骨架”沉积长大的腐蚀产物，这种物质会被腐蚀掉。其中FeOOH为碱式氧化亚铁，即针铁矿，由于在水中不可能存在，在反应过程中生成了Fe（HCO3）2，产生水解生成FeOOH，它沉积在物质表面形成疏松的多孔结构。从XRD图谱中可以看出，腐蚀产物的膜层厚度随着腐蚀时间的延长而增加，其致密度也随之增加，其主要的强峰是Fe。

2.4 基于有限元的减薄规律分析

通过对减薄管件测厚可知，弯头R1前直管段长2 m，弯头R2前直管段长0.3 m，弯头R1外弯最小剩余壁厚1.6 mm，弯头R2外弯剩余最小壁厚2.3 mm，由于直管段越长流体流动阻力越小、流速越大，有弯头、三通等突然改变流动方向的结构时，会使流速突然降低，对管壁造成冲刷。采用有限元模拟研究流体对管壁造成冲刷的最大应力部位，仿真应力图如图7所示，从图7a可以看出，弯头R1外弯部位所受到的应力比图7b所示R2外弯部位所受到的应力更大，与实测结果吻合，这就验证了仿真结果的正确性。

3 结论

3.1 测厚结果显示，气液两相流流体在弯头等结构突变部位对管道造成更大的冲蚀，弯头等结构突变部位前直管段越长流速越大，对管壁造成的冲刷更严重，有限元分析结果与实测结果较为吻合。

3.2 管道端面和截面腐蚀形貌结果显示，管内壁气液两相流流体流过后形成的微小气泡溃灭对管壁造成较大的冲击，以渗碳体Fe3C为基底形成了大量冲蚀坑，为腐蚀产物的堆积提供了载体。

3.3 腐蚀产物的EDS和XRD分析结果表明，腐蚀产物是由3种主要成分Fe、C、O构成的结构疏松的腐蚀产物膜，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）