哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
阀杆，是阀的重要组成部分之一，调节阀阀杆因为工作环境长期处于高温高
压水蒸汽中，难免会受到各种损伤，例如水蒸汽对阀杆的冲蚀与腐蚀，阀杆与套
筒，水蒸汽之间的磨损，导致阀杆会发生变形，严重时甚至发生断裂。阀杆的冲
蚀与腐蚀属于比较常见的故障，轻则会造成工作效率下降，严重时甚至会威胁装
置系统的安全运行，对工人造成生命危险。所以，对于阀杆的冲蚀与腐蚀问题的
研究迫在眉睫，本文在查阅大量文献、书籍，对现场工作充分调研，以及大量前
人的研究基础上，对调节阀阀杆的冲蚀与腐蚀行为进行了系统的研究。
首先，对38CrMoAl阀杆的冲蚀行为进行模拟，运用Ansys软件中的流体仿
真模块(Fluent模块)对阀杆套筒配合间隙的流体进行三维数值模拟分析，通过观察
间隙流体的速度场、压力场的变化规律，可知阀杆容易损伤的部位是抽气口位置
以及阀杆的下端。之后运用Ansys软件中的Fluent模块和静力学模块对汽轮机调
节阀阀杆进行流固耦合分析，查看阀杆所受应力、应变的分布以及变形情况，结
果发现阀杆受到最大的等效应力为11.95MPa，阀杆受到的最大等效弹性应变为
5.97×10-5，且损伤位置与阀杆实际损伤情况基本一致。同时，通过模态分析找出
了阀杆前6阶的固有频率，阀杆的最小固有频率为103.58Hz，最大固有频率为
1579.10Hz，该数据可以用来避免共振现象的发生。最后通过改变入射流体的性
质以及入射颗粒的性质来研究影响阀杆的冲蚀因素，发现水蒸气压力和温度与阀
杆所受应力应变基本成线性关系，且温度对阀杆的影响大于压力。固体颗粒对于
冲蚀行为的影响如下：颗粒密度、质量流量、颗粒速度越大，最大冲蚀率越大，
而颗粒直径越大，最大冲蚀率越小，颗粒密度与最大冲蚀率近似成指数关系，而
颗粒直径、质量流量、颗粒速度与最大冲蚀率近似成线性关系。为了降低冲蚀率，
可以从减小颗粒密度，增大颗粒直径，降低质量流量，降低颗粒速度等方式出发
为了降低冲蚀率，可以从减小颗粒密度，增大颗粒直径，降低质量流量，降低颗
粒速度等方式出发。
其次，运用ComsolMultiphysics软件中的电化学模块对38CrMoAl阀杆的腐
蚀场进行了系统地分析与研究，发现阀杆右端作为阳极，阀杆的凹槽内的Fe3+浓
-
度大于阀杆其他部位的浓度，阀杆左端作为阴极，凹槽内OH浓度大于阀杆其他
3+-
部位的浓度，且随着时间的增加，Fe、OH的浓度在不断变大。阀杆右端表面失
3+-
去电子变成Fe，又与水蒸汽中的OH结合生成铁锈，覆盖在电极表面，且随着
时间的增加，反应产物的质量和厚度也在不断增加。38CrMoAl阀杆腐蚀最快的
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部位是阳极的最左端，也就是和阴极的交界处，与阀杆的实际腐蚀情况相吻合。
最后，以损伤汽轮机阀杆实物为研究对象，沿阀杆长度方向上选取三个典型
位置a、b、c对其进行切样分析，借助OM、XRD、SEM、EDS、硬度等分析表
征方法以及浸泡，电化学腐蚀等腐蚀性能测试实验研究三个典型位置的微观组织，
硬度以及腐蚀行为的差别，发现在同一温度下，阀杆不同位置的开路电压，极化
曲线，交流阻抗呈现一定的规律性，开路电压a＞c＞b，腐蚀电位a＞c＞b，
钝化电流密度b＞c＞a，交流阻抗a＞c＞b，说明38CrMoAl钢的不同部位受
到腐蚀程度不同，即耐腐蚀性排序：a＞c＞b，与阀杆实际腐蚀结果也相对应。
在阀杆同一位置取样，其开路电压，极化曲线，交流阻抗随着温度的变化也呈现
一定的规律性，即随着温度的升高，耐腐蚀性不断下降。
关键字：38CrMoAl阀杆；冲蚀；腐蚀机理；数值模拟；电化学实验