常頂空冷器分布管數(shù)值模擬及腐蝕研究

張宏飛,于鳳昌,崔新安

(中石化煉化工程(集團(tuán))股份有限公司洛陽技術(shù)研發(fā)中心，河南 洛陽 471003)

常頂空冷器分布管數(shù)值模擬及腐蝕研究

張宏飛,于鳳昌,崔新安

(中石化煉化工程(集團(tuán))股份有限公司洛陽技術(shù)研發(fā)中心，河南 洛陽 471003)

近年來常壓塔頂空冷系統(tǒng)的腐蝕問題已經(jīng)開始威脅到整個蒸餾裝置的安全、穩(wěn)定、長周期運行?？绽淦鞣植脊苁钦麄€空冷系統(tǒng)流體分布的關(guān)鍵，采取恰當(dāng)有效的方法，研究分布管流體分布及腐蝕問題是非常必要的。采用數(shù)值模擬方法來研究分布管內(nèi)流體的流動情況，預(yù)測管道可能出現(xiàn)較大腐蝕的部位，為腐蝕監(jiān)檢測布點提供可靠的理論依據(jù)，亦可為分布管的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

空冷器 分布管 CFX 數(shù)值模擬 腐蝕

近年來隨著加工原油的劣質(zhì)化及混合摻煉等原因，常壓塔頂(常頂)空冷系統(tǒng)的腐蝕問題日益凸顯[1-3]，經(jīng)常是開工不久，空冷器的管束便逐漸開始出現(xiàn)腐蝕減薄或穿孔現(xiàn)象。常頂空冷系統(tǒng)的腐蝕問題已經(jīng)開始威脅到整個常減壓蒸餾裝置的安全、穩(wěn)定、長周期運行[4-6]?？绽淦鞣植脊苁钦麄€空冷系統(tǒng)流體分布的關(guān)鍵，所以采取恰當(dāng)有效的方法，研究分布管流體分布及腐蝕問題是非常必要的。

以ANSYS CFX 14.0為平臺，采用計算流體力學(xué)的方法來研究某煉油廠常頂空冷器分布管內(nèi)流體的流動情況，通過分析流速流態(tài)、壓力及剪切應(yīng)力分布，預(yù)測出管道可能出現(xiàn)較大腐蝕的部位，為腐蝕監(jiān)檢測布點提供可靠的理論依據(jù)，亦可為分布管的優(yōu)化設(shè)計提供參考[7]。另外，分布管出口流體各項數(shù)據(jù)還可以為空冷器的數(shù)值模擬提供較為準(zhǔn)確的入口條件，為下一步的數(shù)值模擬工作打下良好的基礎(chǔ)。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

運用SolidWorks軟件建立分布管三維實體模型，結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 分布管實體模型

考慮到六面體網(wǎng)格相較四面體網(wǎng)格在流體力學(xué)模擬方面的優(yōu)勢，分布管模型劃分為六面體網(wǎng)格。

1.2 模擬條件設(shè)定

根據(jù)實際運行工況，鑒于計算機(jī)軟硬件限制和計算效率兩方面因素，分布管內(nèi)介質(zhì)考慮換熱、相變；流體設(shè)置為不凝氣C2H6、氣體C5H12、液體C5H12、氣體C9H18、液體C9H18、水蒸氣H2O及液態(tài)水H2O的多相混合物；各相均為連續(xù)流體，并考慮浮力影響；傳熱模型選熱能模型；相間傳輸模型為混合模型；考慮C5H12，C9H18和H2O熱相變相間傳質(zhì)，傳熱為雙熱阻模型；參考壓力設(shè)為0.155 MPa。

入口條件讀取預(yù)模擬的各相分布及流速?？紤]壁面換熱，并取預(yù)先模擬的壁面換熱系數(shù)平均值作為壁面條件。求解精度設(shè)置為高精度，時間步長選擇自動控制時間步長(Auto Timescale)，殘差選擇均方根殘差，RMS收斂條件設(shè)為1.0×10-4。用以上各條件設(shè)置進(jìn)行數(shù)值模擬，并檢測收斂情況，待收斂后分析模擬結(jié)果。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 流速流態(tài)

由于分布管中氣相體積占絕對優(yōu)勢，流速流態(tài)主要由氣相決定，液相被氣相夾帶，因此可以用氣相為例分析流場內(nèi)流線圖，見圖2。從圖2中可見，在分布管三通、彎頭和大小頭等管件附近可見明顯流速流態(tài)變化，導(dǎo)致這些部位容易發(fā)生沖刷腐蝕，應(yīng)予以重點關(guān)注。

圖2 速度流線

可在彎頭部位布置測厚點，見圖3，監(jiān)測此處壁厚，以免發(fā)生腐蝕破壞。

圖3 彎頭測厚點布置示意

2.2 管壁壓力

分布管管壁所受壓力云圖見圖4，從圖4可以看出，圖中紅色部位所受壓力最大。壓力大的部位所受流體沖擊力也大，容易受到?jīng)_擊腐蝕。

圖4 管壁壓力云圖

綜合流速流態(tài)及壓力云圖分析可以發(fā)現(xiàn)，在分布管三通部位，正對流體方向管壁所有流體沖擊壓力較大，尤其當(dāng)流體方向與重力方向一致時。因此應(yīng)考慮在該部位布置定點測厚等腐蝕監(jiān)檢測手段，見圖5。

圖5 三通測厚點布置示意

2.3 壁面剪切應(yīng)力

圖6為分布管管壁所受C5H12相壁面剪切應(yīng)力的云圖，圖6中紅色部位為剪切應(yīng)力較大部位，此處受流體沖刷較嚴(yán)重，一般位于受流體沖擊壓力較大部位的鄰近區(qū)域。

圖6 壁面剪切應(yīng)力云圖

2.4 液態(tài)水分布

圖7為以流線圖顏色顯示的液態(tài)水分布流線圖，從圖7可以看出,在水平管段液態(tài)水出現(xiàn)在管道下部，在接近出口的豎直管段液態(tài)水分布在管道兩側(cè)。

圖7 液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.5 出口流速

分布管出口處流速云圖見圖8。從圖8可以看出，中間兩出口的流速較兩側(cè)的流速要大，說明該分布管的結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步優(yōu)化。結(jié)合分布管液態(tài)水分布及流速分析可以發(fā)現(xiàn)，在分布管出口附近外側(cè)流速較大，且液態(tài)水含量也較大，這就會使這些部位容易發(fā)生腐蝕破壞，應(yīng)該予以重點關(guān)注，必要時可以布置相應(yīng)的測厚點。

圖8 各出口流速云圖

3 數(shù)值模擬驗證

為了驗證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用紅外熱成像儀對現(xiàn)場空冷器的溫度進(jìn)行測試，并與模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。結(jié)果顯示：在數(shù)值模擬結(jié)果中總質(zhì)量流量較小的出口處管壁溫度相對較低，而在總質(zhì)量流量較大的出口處管壁溫度相對較高，見圖9。這說明模擬結(jié)果與實際測溫結(jié)果吻合，證實了模擬結(jié)果的可信性。

圖9 出口測溫與模擬流量對比

4 結(jié)束語

采用數(shù)值模擬方法研究了空冷器分布管內(nèi)流體的流動情況，并通過分析流速流態(tài)、壓力、剪切應(yīng)力及液態(tài)水分布，預(yù)測出可能出現(xiàn)較大腐蝕的部位。經(jīng)過現(xiàn)場紅外測溫驗證，證實數(shù)值模擬能夠很好地反應(yīng)出分布管內(nèi)部流動情況，結(jié)果與實際情況相符，可用于指導(dǎo)分布管的設(shè)計并為定點測厚提供理論依據(jù)。模擬結(jié)果顯示：在分布管三通和彎頭等管件附近可見明顯流速流態(tài)變化，尤其是壓力或剪切應(yīng)力較大的部位，容易發(fā)生腐蝕破壞；在水平管段下部，出口管段兩側(cè)液態(tài)水相體積分?jǐn)?shù)較大，易出現(xiàn)液態(tài)水。主要腐蝕部位在檢維修時應(yīng)該予以重點關(guān)注，有必要設(shè)置定點測厚等相應(yīng)的監(jiān)檢測手段。另外，分布管內(nèi)流體分布并不是十分對稱，導(dǎo)致各出口流量有所偏差，存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

[1] 靳朝霞,劉愛俠.空冷器在海上平臺的選用分析[J].石油和化工設(shè)備,2012(1):31-33.

[2] 任忍奎,趙達(dá)生.常減壓塔頂冷凝系統(tǒng)的腐蝕與防護(hù)[J].石油化工腐蝕與防護(hù),1998,15(4):9-11.

[3] 劉香蘭,王穎.常壓塔頂系統(tǒng)腐蝕原因分析及對策[J].全面腐蝕控制,2011,25(1):26-30.

[4] 呂華.常減壓蒸餾裝置工藝防腐蝕技術(shù)進(jìn)展[J].腐蝕與防護(hù),2000,21(7):313-314.

[5] 趙淑楠,張紹舉,劉鈞泉.常減壓裝置空冷器腐蝕失效及對策分析[J].腐蝕與防護(hù),2010,31(3):245-247.

[6] 顧國,陳兵,樊玉光.減壓塔頂板式空冷器腐蝕失效分析及建議[J].腐蝕與防護(hù),2011,32(2):157.

[7] 張宏飛,于鳳昌.CFX 數(shù)值模擬在防腐領(lǐng)域的應(yīng)用[J].全面腐蝕控制,2012,26(3):8-12.

(編輯 寇岱清)

Study on Numerical Simulation and Corrosion of Distribution Pipe in Overhead Air Cooler

ZhangHongfei,YuFengchang,CuiXinan

(LuoyangR&DCenterofTechnologySinopecEngineering(Group)CO.,LTD.,Luoyang471003,China)

In recent years, corrosion of air coolers at atmospheric pressure has a serious effort on the safety, stability and operation of the distillation unit. Distribution pipe is the key component of fluid distribution in the air cooling system. It is very necessary to study fluid distribution and the corrosion of distribution pipe by appropriate and effective measures. Fluid distribution by a numerical simulation method was studied in order to predict the corrosion sites. It can be used to make the arrangement of corrosion monitoring points and optimize the designing of distribution pipes.

air cooler, distribution pipe, CFX, numerical simulation, corrosion

2016-06-15；修改稿收到日期：2016-11-28。作者簡介：張宏飛(1979-)，高級工程師，2002年畢業(yè)于石油大學(xué)(北京)金屬材料專業(yè)，一直從事石油化工腐蝕與防護(hù)研究及裝置保運工作。E-mail：zhanghf.lpec@sinopec.com