煉油行業(yè)空冷器防腐蝕的CFD研究進(jìn)展

唐曉旭，于鳳昌，高芒來，張宏飛

(1.中國石油大學(xué)(北京)理學(xué)院，北京 102249;2.中石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 471003)

在煉油行業(yè)中，石化裝置的冷換設(shè)備在工藝設(shè)備總量中占較高比例，而空冷器作為冷換設(shè)備中的關(guān)鍵設(shè)備之一，占有其1/3以上的比例[1-2]。空冷器是利用空氣作為冷卻介質(zhì)將工藝介質(zhì)(熱流體)冷卻到所需溫度的設(shè)備。由于空冷器具有節(jié)約工業(yè)用水和避免環(huán)境污染的顯著優(yōu)勢，在國內(nèi)已經(jīng)廣泛使用40多年。近年來隨著原油的劣質(zhì)化，空冷器的腐蝕問題日益凸現(xiàn)，經(jīng)常是開工后不久空冷器的管束就開始出現(xiàn)腐蝕減薄或穿孔現(xiàn)象。其腐蝕問題已經(jīng)嚴(yán)重威脅到裝置的安全生產(chǎn)。

隨著計算流體力學(xué) (CFD)技術(shù)的迅速發(fā)展，通過CFD模擬的方法獲取流體內(nèi)部速度場、溫度場等信息成為可能。對空冷器內(nèi)流體流動狀況進(jìn)行數(shù)值模擬，可預(yù)測出不同條件下空冷器內(nèi)流體流動特性和流動的細(xì)節(jié)。根據(jù)流體流動細(xì)節(jié)進(jìn)行腐蝕分析，進(jìn)而能夠預(yù)測出空冷器內(nèi)易腐蝕位置和腐蝕面積最大部位。這在很大程度上彌補(bǔ)了測試手段受限的不足，為煉油行業(yè)空冷器的防腐蝕研究提供了一種新的有效的研究手段。

1 空冷器腐蝕現(xiàn)狀分析

1.1 HCl-H2S-H2O體系腐蝕

油氣經(jīng)過空冷器時，由于溫度降低必定有部分氣體要凝結(jié)為液體，同時其所含的水蒸氣凝結(jié)為液態(tài)水。HCl和H2S氣態(tài)物質(zhì)在發(fā)生相態(tài)變化之前對空冷器的腐蝕性是比較輕微的，當(dāng)發(fā)生相態(tài)變化再加上存在冷凝水后，就會形成較強(qiáng)的HCl-H2S-H2O體系腐蝕環(huán)境，對空冷器腐蝕性較大。尤其以氣液兩相轉(zhuǎn)變的部位，即“露點”部位腐蝕最為嚴(yán)重。

HCl-H2S-H2O體系腐蝕環(huán)境中起主導(dǎo)作用的是HCl腐蝕[3-4]。HCl主要由原油中的氯鹽水解產(chǎn)生的。原油電脫鹽是減少氯離子來源、降低輕油部位腐蝕的根本性措施。加強(qiáng)優(yōu)化現(xiàn)有的電脫鹽技術(shù)，提高原油脫后含鹽達(dá)標(biāo)率，能有效的降低HCl-H2S-H2O腐蝕環(huán)境中HCl濃度，減緩常頂系統(tǒng)的腐蝕速率，是解決冷凝冷卻系統(tǒng)腐蝕的最直接有效手段。然而當(dāng)前各個煉油企業(yè)加工的原油質(zhì)量越來越差，高酸和高硫原油的加工量明顯增加，這給電脫鹽操作帶來了較大的困難。此外，加工的原油往往是幾種不同原油的混合油，比例不確定，性質(zhì)不穩(wěn)定，這就進(jìn)一步造成原油電脫鹽合格率下降。原油在加熱過程中，氯化物水解產(chǎn)生大量的HCl，形成腐蝕性較強(qiáng)的稀鹽酸環(huán)境，加快了空冷器的腐蝕速度，造成空冷器管束失效。

1.2 流體沖刷腐蝕

流體沖刷腐蝕造成空冷器管壁減薄或穿孔是空冷器腐蝕的另一個重要因素[5-7]。沖刷腐蝕又稱為磨損腐蝕，是一種危害性較大的局部腐蝕，具有普遍性。沖刷腐蝕通常與介質(zhì)的腐蝕性和流體的流動狀況有關(guān)，容易發(fā)生在空冷器結(jié)構(gòu)突變處，如空冷器翅片管的入口端、出口端、不銹鋼襯管尾部等處。

某公司異構(gòu)脫蠟裝置空冷器的管束發(fā)生了爆管情況，于江林[8]等人針對高壓空冷器的爆管管束殘骸進(jìn)行了失效分析，正下方有明顯的減薄現(xiàn)象，如圖1所示。分析表明:管束內(nèi)壁受到介質(zhì)的沖刷腐蝕，管壁減薄到一定成度后發(fā)生了爆管事故。原因是空冷器管束結(jié)構(gòu)不合理，在入口管兩側(cè)容易形成渦流，渦流區(qū)內(nèi)介質(zhì)存在較大的沖擊動量，易造成管束內(nèi)壁的沖擊腐蝕;同時，渦流速度的方向與管箱平行，具有較強(qiáng)的剪切沖刷作用，造成管束入口與管板脹接處的剪切腐蝕。

圖1 管束減薄情況Fig.1 The state of inner crashed tube of air coolers

合肥通用機(jī)械研究所對某廠腐蝕嚴(yán)重的空冷器翅片管管束解剖分析報告表明[9]，空冷器內(nèi)壁有明顯的大面積沖刷腐蝕痕跡以及由此造成的列管內(nèi)壁單側(cè)腐蝕減薄，圖2－3分別為翅片管軸向、縱向解剖圖[9]。

圖2 翅片管軸向解剖Fig.2 The axial section of finned tube

圖3 翅片管縱向解剖Fig.3 The longitudinal section of finned tube

沖蝕導(dǎo)致的空冷管束泄漏、爆管等事故是裝置運(yùn)行的重大隱患[10]。但是由于沖蝕的影響因素很多，加之各裝置工藝流程、操作條件、腐蝕性介質(zhì)濃度等存在差異，空冷器管束的腐蝕減薄、泄漏的位置和形貌往往各不相同。這也是目前空冷器防腐工作的一個難點。

2 CFD在空冷器防腐中的研究進(jìn)展

采用傳統(tǒng)的分析檢測手段難以做到準(zhǔn)確判斷局部的非均勻腐蝕位置，露點溫度區(qū)域可以通過計算得出，但是不夠準(zhǔn)確，可靠性不高。CFD方法為解決流動與換熱問題提供了一種技術(shù)手段[11-13]，同時CFD數(shù)值模擬為防腐蝕研究提供了一種新方法。一般來說，腐蝕過程受腐蝕介質(zhì)流速、溫度、壓力等條件的影響很大，而這些因素又很難直接由腐蝕過程觀察與測量得來。而模擬實驗研究的環(huán)境和工業(yè)環(huán)境之間還有很大差別，且多數(shù)實驗只是進(jìn)行定性分析，結(jié)果可信度不高[14]。因此CFD的引入，在一定程度上彌補(bǔ)了防腐蝕工作的不足。

目前在空冷器防腐方面，已有學(xué)者將CFD方法引入到研究中來，盡管起步較晚，已初步取得了一定的成果。代真，郝曉軍[15]針對空冷器管束因沖蝕破壞引起的泄漏事故，采用CFD軟件對空冷器管束內(nèi)流體的流動進(jìn)行了模擬。模擬過程采用標(biāo)準(zhǔn) k-ε湍流模型及 SIMPLEC算法，認(rèn)為壁面剪切應(yīng)力是管道沖蝕的主要原因，其次流型與速度梯度也會造成影響。此項研究一方面對延長空冷器的壽命及其計算提供依據(jù);另一方面也證實了CFD模擬對空冷器管束沖蝕預(yù)測是有效和準(zhǔn)確的，為以后的研究提供了一個可靠的研究工具。

偶國富等人[16]以實際工況下多相流介質(zhì)的物性參數(shù)為基礎(chǔ)，采用計算流體力學(xué)方法對反應(yīng)流出物空冷器進(jìn)行CFD模擬。主要考察管道結(jié)構(gòu)的變化對管道內(nèi)壁流體動力學(xué)參數(shù)分布規(guī)律的影響，根據(jù)剪切應(yīng)力的分布規(guī)律可預(yù)測沖蝕破壞的危險點。該方法是在理論分析、實驗研究的基礎(chǔ)上，采用CFD數(shù)值模擬考察管道結(jié)構(gòu)的變化對管道內(nèi)壁流體動力學(xué)參數(shù)分布規(guī)律的影響，目的在于優(yōu)化管道結(jié)構(gòu)，提高管道系統(tǒng)長周期運(yùn)行的可靠性，為高壓空冷器防腐蝕研究提供了新技術(shù)。

劉偉，宣征南[17]采用 CFD方法，基于 FLUENT平臺對加氫裂化裝置空氣器管束入口襯管的直角尾部結(jié)構(gòu)對流動的影響進(jìn)行了數(shù)值分析。結(jié)果表明尾部直角結(jié)構(gòu)使流體在該處產(chǎn)生漩渦，并對下游一定區(qū)域造成影響，在襯管尾部后區(qū)域產(chǎn)生的高剪應(yīng)力區(qū)加強(qiáng)了流體對換熱管壁的沖刷作用。該模擬結(jié)果與理論分析是一致的，證實了CFD結(jié)果的可靠性。同時，他們又對45°倒角及1∶10錐度的襯管尾部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬。通過對比分析表明，45°倒角和1∶10錐度過渡結(jié)構(gòu)比直角結(jié)構(gòu)更合理，其中1∶10錐度過渡結(jié)構(gòu)最佳。這個研究結(jié)果對空冷器襯管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化發(fā)揮了指導(dǎo)作用，具有一定的參考價值。

朱良，郭志平[18]針對原丘東采油廠干濕聯(lián)合空冷器，應(yīng)用有限元分析軟件Ansys對空冷器進(jìn)行分析，獲取空冷器的溫度場分布云圖，找出了原有設(shè)備弊端。同時也完成了新的設(shè)計方案中干濕管式聯(lián)合式空冷器的翅片管入口處熱應(yīng)力場、熱場分析及管內(nèi)流體熱流耦合場的有限元分析，驗證了新設(shè)計方案的可行性。

偶國富等[19]為了探究加氫裂化空冷管道內(nèi)流場和溫度場分布規(guī)律，在流動傳熱耦合分析的基礎(chǔ)上，采用有限元方法模擬空冷管道內(nèi)湍流流動與對流傳熱過程的結(jié)果表明，管道壁面處存在速度和溫度邊界層，有著較大的速度梯度和溫度梯度。

從以上資料可以看出，學(xué)者們的研究方向主要體現(xiàn)在空冷器的管束失效分析問題、空冷器的腐蝕機(jī)理探究和空冷器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方面等。引進(jìn)了CFD研究方法后，依然是從流動場分布方面對空冷器腐蝕問題研究較多，并且以研究空冷器的沖刷腐蝕居多，而涉及空冷器內(nèi)部流體流動、溫度分布規(guī)律及換熱情況分析的較少。

3 總結(jié)

將CFD方法應(yīng)用到空冷器的防腐蝕工作中是一種趨勢，借助于CFD方法對流體流動過程進(jìn)行數(shù)值模擬，經(jīng)過數(shù)值計算流動、換熱等細(xì)節(jié)，模擬實際中難以控制的腐蝕過程，得出流動場、溫度場等變量的分布情況，有助于我們更加深刻地理解造成空冷器腐蝕的原因與機(jī)理。同時能夠在腐蝕發(fā)生之前，通過CFD模擬計算，明確露點位置，分析空冷器的沖蝕規(guī)律，找出空冷器的最薄弱位置和預(yù)測管束的腐蝕速率，為優(yōu)化空冷器設(shè)計及工藝防腐提供可靠的理論依據(jù)。由于CFD相對于實驗研究，具有成本低、速度快、資料完備、模擬真實及條件理想等優(yōu)點，作為研究流體流動的新方法，CFD必將在防腐領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

目前CFD的發(fā)展還不夠成熟，許多復(fù)雜的湍流現(xiàn)象及反應(yīng)，很難找到合適的模型，這需要研究人員根據(jù)研究對象認(rèn)真地選擇合適的CFD軟件及物理模型。

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