蝶阀具有结构简单、质量轻、密封性能好的特点，被广泛应用在各种压力管道上^[1]。连杆切断蝶阀的三维模型如图1所示。由于煤气切断蝶阀服役于高湿、高压、高尘的管道中，密封副和阀板正面受到严重腐蚀，致使蝶阀泄漏、停机，导致生产中断，甚至造成重大生产事故^[2]，给工业生产、人身安全和生命财产等带来重大损失。如何提高蝶阀的耐腐蚀性，是设备制造业急需解决的课题^[3]。国内外专家学者对蝶阀的研究由来已久，韦彦强等^[4]对蝶阀结构进行了分析，并研究了蝶阀结构对其性能的影响。张松等^[5]利用机械系统动力学自动分析（automatic dynamic analysis of mechanical systems, ADAMS）软件对直径较大的蝶阀进行了模拟仿真。国外也有众多专家对蝶阀的气蚀现象与流量系数进行了较为深入的研究^[6-7]。Choi等^[8]利用Ansys软件对作用于蝶阀正面的工作介质进行了研究。

本文结合某冶金设备公司的生产实际，对该公司生产的煤气切断蝶阀（煤气切断蝶阀简写为蝶阀）的耐腐蚀性进行研究。本文借助模拟试验、堆焊试验来优化蝶阀阀板结构，改进蝶阀密封副的防腐工艺，进而提高蝶阀的耐腐蚀性、延长蝶阀的使用寿命。

1 蝶阀结构的模拟优化 1.1 模拟准备

（1）模型的建立

阀板前端设置成凸面结构，可以减小头部受到的阻力。迎流面曲率越大，阻力越小^[9]。本文采用SolidWorks软件针对3种不同阀芯结构的蝶阀建立3种不同结构的阀板，阀板的三维模型如图2所示。结构1迎流面的曲率为0；结构2迎流面的曲率为0.004 686；结构3迎流面的曲率为0.011 165。阀板半径为1 m，最薄边厚度为15 mm。

（2）流场计算域的建立

为了便于流场的计算，只考虑阀板对流场的影响，即去除阀板以外的零部件^[10]。首先，创建1个圆柱（直径为管道内径，长20 m，取蝶阀前端10 m，后端10 m）；然后，将圆柱与阀板做布尔减操作，去除阀板，得到流场计算域，蝶阀的流体域模型如图3所示。入口选择冲击速率入口，冲击速率为20 m/s，出口选择压力为标1准大气压（约101 325 Pa），参考压力设为101 325 Pa。

（3）网格划分

采用非结构网格划分流体域网格，流体域的网格尺寸为50 mm，对阀板表面网格进行加密处理。结构1的网格数量为699 144个，节点数量为131 961个；结构2的网格数量为690 985个，节点数量为130 941个；结构3的网格数量为696 416个，节点数量为131 116个。

1.2 模拟分析

（1）阀板表面所受流体压力分析

利用CFD-Fluent软件计算求解后^[11]，将计算结果导入CFD-Post软件中进行后处理，得到阀板表面的压力云图。3种结构的阀板表面的压力云图图4所示；3种结构的阀板中截面的压力云图如图5所示。从图4和图5中可以看出，结构1中阀板表面的最大压力为514.013 Pa，阀板中截面的最大压力为485.497 Pa；结构2中阀板表面的最大压力为480.163 Pa，阀板中截面的最大压力为453.007 Pa；结构3中阀板表面的最大压力为450.906 Pa，阀板中截面的最大压力为426.939 Pa；结构3中阀板表面和中截面的最大压力最小，结构1中阀板表面和中截面的最大压力最大，与结构1中阀板表面相比，结构3中阀板表面的最大压力减小了63.107 Pa，阀板中截面的最大压力减小了58.558 Pa。阀板表面的压力越小，阀板受到流体破坏的可能性就越小，阀板越不容易失效。因此，结构3中阀板的结构设计更优。

（2）阀板表面所受冲击速率分析

将CFD-Fluent软件的计算结果导入CFD-Post软件中进行后处理，得到阀板中截面所受的冲击速率云图，3种结构的阀板中截面的冲击速率云图如图6所示。从图6中可以看出，结构1中阀板中截面的最大冲击速率为45.684 m/s，结构2中阀板中截面的最大冲击速率为44.171 m/s，结构3中阀板中截面的最大冲击速率为43.501 m/s。结构3中阀板中截面的最大冲击速率最小，结构1中阀板中截面的最大冲击速率最大。与结构1中阀板中截面的最大冲击速率相比，结构3中阀板中截面的最大冲击速率减小了2.183 m/s。

阀板中截面受到的冲击速率越小，其越不易受到流体的破坏，也就越不容易失效。从阀板表面所受气流压力和所受冲击速率的分析结果可知，结构3中阀板受到流体压力和冲击速率最小，受破坏的可能性最小，寿命更长。因此，在这3种结构中，结构3中阀板的设计更优。

2 蝶阀表面堆焊工艺的优化 2.1 蝶阀的腐蚀机制

煤气运输管道中的煤气由多种物质组成，其中氯盐、有毒气体硫及其化合物硫化氢对蝶阀表面具有很强的腐蚀性。

（1）氯离子的腐蚀

氯离子是一种特别活泼的离子。在自然环境中，在水和氧的共同作用下，氯离子会与蝶阀表面的金属发生电子转移，破坏金属表面的氧化膜等结构，进而破坏其所在区域的金属表面结构。大量的氯盐溶解于水中，使氯离子浓度增大，氯离子会与蝶阀表面金属发生电化学反应，加速蝶阀的腐蚀过程。虽然环境中可能存在硫离子等其他成分，但氯离子对蝶阀的腐蚀起主要作用，氯离子参与的腐蚀反应会产生一些金属氯化物等产物，进一步加速蝶阀的腐蚀^[12]。

（2）硫化氢的腐蚀

在含有硫化氢的环境中，蝶阀中的铁元素会与硫化氢发生反应产生氢气。大量的氢原子聚集在金属表面的某一处，形成氢分子并发生膨胀，蝶阀表面就会出现开裂现象。同时，环境中的硫化氢等含硫化合物在水和氧的共同作用下，会发生一系列复杂的化学反应，产生硫酸等强酸性物质。这些强酸性物质会对蝶阀表面的金属进行腐蚀。此外，腐蚀破坏与温度升高导致的金属膨胀相互叠加，会进一步加速蝶阀表面的开裂。

2.2 蝶阀的防腐工艺

通过对蝶阀腐蚀机制的分析，改善蝶阀表面材料性能可以减轻蝶阀的腐蚀，制作蝶阀时除了选用耐腐蚀、抗氧化的材料外，还可采用金属表面堆焊的防护工艺来增加耐腐蚀性。通过堆焊改变钢材表面性能，使金属表面具有良好的抗氧化性和抗腐蚀性。本文在不同的堆焊工艺条件下，通过分析稀释率P对蝶阀腐蚀的影响来确定较佳的堆焊工艺。

（1）试验准备

试验选用E2209WMo合金作为堆焊的焊条，堆焊层净高度为4 mm、堆焊母材为Q235钢。堆焊工艺参数如表1所示。

（2）堆焊后表层P的分析

试验采用高度法进行P的计算。高度法是通过测量堆焊层的高度和堆焊母材本体的高度，利用两者的比例关系来计算堆焊的稀释量，进而得出P。图7为堆焊层高度示意图，在图7中清晰标注了堆焊层、母材试样以及相关测量距离等关键信息，这些信息对通过高度法计算P至关重要。

在测量过程中，基于一定的几何关系进行等量代换后计算相关数据。其中，h₁在计算中可作为1个关键参考量（其尺寸大小相对固定），通过测量其他相关尺寸来确定与P计算相关的量。根据图7所示得到以下关系式：

$ \qquad h_1=h_2+h_3-h_4 $

(1)

式中：h₁为堆焊层的熔深；h₂、h₃分别为堆焊层的总高和堆焊母材试样的高度；h₄为母材底部到堆焊层最高点的距离。

根据堆焊P的定义，即堆焊过程中母材金属在堆焊层中所占的比例可知，P的计算公式为：

$ \qquad P=h_1 / h_2 \times 100 \% $

(2)

由上述试验测得6组试样的堆焊层参数如表2所示。分析表2得出：在电流、焊条的送丝速度、温度一定的条件下，当电势差增大时，P随之增大，P₁（试样1的P记为P₁，下同）为26%、P₂为41%、P₂−P₁为15%；在电压、电流、温度一定的条件下，随焊条送丝速度的增大，P也增大，P₃为33%、P₄为52%、P₄−P₃为19%；在电压、电流、焊条的送丝速度一定的条件下，当温度升高时，P相应地增大，P₅为53%、P₆为57%、P₆−P₅为4%。通过比较P₂−P₁、P₄−P₃、P₆−P₅的大小可知，P₄−P₃最大，因此焊条送丝速度的改变对P的影响较大。

（3）P对维氏硬度的影响

利用维氏硬度计对堆焊试验结束后的6组试样进行维氏硬度测量，试验力为294.2 N（30 kg），保载时间为20 s，测试结果如图8所示。由图8可知，堆焊层的维氏硬度随着P的增大而逐渐减小，当P为26%时，维氏硬度最大为195。维氏硬度随P的变化规律说明，P的增大使得堆焊层分子间距变大，各项力学性能减弱，导致堆焊层的维氏硬度减小，金属表面耐腐蚀能力减弱。

（4）P对耐腐蚀能力的影响

对6组堆焊后的试样（试样1～试样6）及1组未进行堆焊的试样（试样7）进行腐蚀速率试验，试验时间为14 d。Q235钢的密度为7.85 g/cm³。试样在腐蚀试验前的质量均为100.000 0 g，试样在腐蚀试验后的质量如表3所示。

腐蚀速率计算公式^[13]如下：

$ \qquad V=[K(M_1-M_2)]/\left(At\rho\right) $

(3)

式中：K为常数，国标规定当计算单位为mm/a时，K为87.6；M₁为试样腐蚀前的质量；M₂为试样腐蚀后的质量；A、t、ρ分别为试样的表面积、腐蚀时间、密度。

根据式（3）和表3中的试验数据计算得出：V₁ = 0.12 mm/a；V₂ = 0.15 mm/a；V₃ = 0.13 mm/a；V₄ = 0.16 mm/a；V₅ = 0.17 mm/a；V₆ = 0.18 mm/a；V₇ = 0.20 mm/a。

随着P的增大，试样腐蚀后损失的质量也逐渐增大，腐蚀速率也增大，导致试样的耐腐蚀能力大大减弱。选取腐蚀量为1 mm的Q235钢进行试样的使用寿命计算，试样1～试样7的使用寿命分别为：8.0、7.6、6.6、6.0、5.8、5.5、5.0 a。

根据腐蚀速率和使用寿命的计算结果能够得出，在未进行堆焊的情况下，腐蚀离子对试样表面的腐蚀作用更为剧烈。采用P=26%的堆焊工艺所制备的试样，其耐腐蚀能力更强，使用寿命更长。当堆焊电压为20 V、电流为120 A、焊条的送丝速度为180 cm/min、温度为100 ℃时，试样的耐腐蚀能力在6组堆焊试样中最强。

3 试验验证

在实际生产过程中，该公司采用优化后的结构和选择P为26%的堆焊工艺，使蝶阀的使用寿命得到了大幅延长，使用稳定性也更有保障。采用最佳堆焊工艺的蝶阀使用寿命达到8.0 a，与不做防护措施的相比，提高了3.0 a，满足了用户的使用要求。

4 结　论

借助Ansys软件对3种不同阀芯结构的蝶阀进行模拟优化，结果表明，迎流面曲率越大，阻力越小，阀板所受压力越小，越不容易受到破坏，使用寿命越长；合理的堆焊工艺可以提高蝶阀的耐腐蚀能力，延长蝶阀的使用寿命。本研究结果能为蝶阀的设计以及堆焊工艺的优化提供理论参考，对于显著提高煤气蝶阀在煤气化工输送系统中的耐腐蚀性方面，具备切实有效的指导意义。