CFD 模擬仿真技術(shù)在空冷式換熱器維檢修中的應(yīng)用研究

新疆油田公司采氣一廠

空冷式換熱器（以下簡稱空冷器）是石油天然氣與化工工藝處理過程中重要的設(shè)備之一[1-3]?？绽淦髦饕晒苁⑼L(fēng)機和構(gòu)架三部分組成。管束通常采用光管外壁裝翅片方式，翅片管作為傳熱管可以擴大傳熱面積，提供換熱效率；翅片管一般分層排列，兩端用焊接或脹接法連接在管箱上，排管通常為3～8 層。

目前空冷器管束的主要檢測手段以渦流探傷和內(nèi)窺鏡為主，由于管束數(shù)量較多，全面檢測不僅工作量大，密封件拆裝還會對設(shè)備造成損壞，因此現(xiàn)場檢測擬采用抽樣檢測的方法對翅片管進行檢測。另外，工程經(jīng)驗表明流場對腐蝕有減弱或加強作用，尤其對于高速流動設(shè)備，流場影響尤為明顯。借助計算流體模擬仿真軟件Flow Simulation，通過建立空冷器的三維模型，模擬空冷器內(nèi)部流場分布，預(yù)測腐蝕發(fā)生部位，為空冷器抽樣檢測提供指導(dǎo)。

1 建模

以某油氣田的壓縮機前空冷器為例，采用SolidWorks 軟件建立空冷器三維模型?？绽淦鞒崞苁? 層，每層翅片管的長度為8.5 m，排管寬度為6.5 m；管箱尺寸為6.4 m×0.5 m×1 m；箱體入口管線直徑為0.25 m，總管直徑為0.45 m。如圖1 所示。

圖1 空冷器三維模型Fig.1 Three dimensional model of air cooler

2 計算模型

2.1 數(shù)學(xué)模型

流體計算采用雷諾時均N-S 方程[4-7]，表達式如下：

雷諾應(yīng)力的具體計算方法如下：

式中：τij為雷諾應(yīng)力，Pa；νt為邊界速度，m/s；μt為湍流黏性系數(shù)；k為湍動能，J；ε為耗散率。k和ε采用下面輸運方程求解：

式中：Pk為湍動能生成項；σk和σε為k和ε的湍流普朗特數(shù)；c1和c2為模型系數(shù)[4]。

2.2 數(shù)值模型

以天然氣作為計算介質(zhì)，根據(jù)天然氣流經(jīng)空冷器的路徑，選取空冷器管道入口和管道出口之間的管箱、管束等作為計算域。由于計算區(qū)域模型比較復(fù)雜，故采用適應(yīng)性強的四面體網(wǎng)格離散計算區(qū)域模型，計算網(wǎng)格數(shù)約10 萬個。在計算邊界確定方面，空冷器采用9 m/s 速度入口、3 000 kPa 壓力出口，設(shè)置為無滑移壁面。

3 仿真計算結(jié)果及分析

根據(jù)上面建立的模擬和設(shè)定的邊界條件在軟件中進行計算，結(jié)果如圖2。從仿真結(jié)果可以看出[8-10]，天然氣通過工藝管道進入空冷器后在空冷器前管箱內(nèi)產(chǎn)生渦流，渦流主要集中在管箱入口管線中間位置，以及入口管線與管線壁連線中間位置（圖2a 所示），導(dǎo)致管箱內(nèi)該區(qū)域流速相對較低，因而管束中流速較高的翅片管主要分布在箱體入口管線對應(yīng)的位置，其他位置流速相對較低（圖2b所示）。

圖2 空冷器模型計算結(jié)果Fig.2 Calculation results of air cooler model

空冷器管束本體的腐蝕大多來自因偏流導(dǎo)致的高流速沖蝕和低流速結(jié)垢，尤其是低流速區(qū)的結(jié)垢。通常境況下，由于管束內(nèi)流體流速快、管徑小，因此即使管束內(nèi)出現(xiàn)微小結(jié)垢都會對管束內(nèi)的流體產(chǎn)生比較強烈的影響，一般表現(xiàn)為結(jié)垢處出現(xiàn)垢下腐蝕，結(jié)垢處之后的管束出現(xiàn)嚴重局部沖蝕腐蝕。

從仿真結(jié)果可以看出，流速最快的是管箱入口管處，而管箱內(nèi)位于兩個入口管之間的中線位置、入口管與管箱壁之間的中線位置都出現(xiàn)了明顯的低流速區(qū)。相對于入口管箱，出口管箱處在一個低流速分布狀態(tài)，且流速分布也相對均勻。管束流速分布則呈現(xiàn)出中間高、兩側(cè)低的特點，尤其在管箱入口和管箱壁之間的中點位置最低。在管束檢測中，應(yīng)優(yōu)先對低流速區(qū)的管束進行檢測。

4 抽樣檢測

針對管束的管壁減薄采取的主要檢測技術(shù)是渦流檢測和內(nèi)窺鏡檢測[11]。根據(jù)CFD 模擬仿真結(jié)果和分析判斷對管束進行抽樣檢測，如圖3 所示。根據(jù)模擬結(jié)果和管束位置，檢測分為5 個區(qū)域，每個區(qū)域選擇不同的抽檢比例，具體抽檢方案如下：

（1）①、⑤區(qū)域管束內(nèi)介質(zhì)流速較低，每個區(qū)域選取10 根。

（2）②、④區(qū)域管束內(nèi)介質(zhì)流速較高，每個區(qū)域選取5 根。

（3）③區(qū)域管束內(nèi)介質(zhì)流速較高，但由于區(qū)域較大，故選取10 根。

根據(jù)前面的檢測結(jié)果，針對檢測出現(xiàn)問題的區(qū)域，就近擴大檢測范圍，檢測總數(shù)控制在管束總數(shù)的30%。

采用渦流檢測和內(nèi)窺鏡檢測方法對管束內(nèi)部進行檢測，抽樣和檢測結(jié)果見圖3。渦流檢測結(jié)果表明，該空冷器管束的壁厚處于2.35～2.45 mm 之間（名義壁厚為2.5 mm），壁厚損失率在2%～6%之間，最小壁厚校核結(jié)果在可以接受范圍內(nèi)。

圖3 管束抽樣位置及檢測結(jié)果示意圖Fig.3 Schematic Diagram of sampling location and inspection results of tube bundle

如圖4 所示，內(nèi)窺鏡檢測結(jié)果表明存在附著物堆積、金屬沉積物問題，通過對積垢進行成分分析，積垢為鐵銹與重油組分的混合物，此外檢測拆裝過程中也存在絲堵及墊片損壞的情況。

圖4 現(xiàn)場檢測及維護Fig.4 On-site inspection and maintenance

檢測完成后，對管道內(nèi)部積垢進行了清理，對損壞的絲堵及墊片進行了維護?；匮b復(fù)位后，對空冷器進行了氣密性試驗，無泄漏情況發(fā)生，達到繼續(xù)使用條件。

5 對比分析

根據(jù)圖2 的CFD 模擬仿真結(jié)果，圖3 中的②、③、④區(qū)域?qū)儆诟吡魉賲^(qū)，①、⑤區(qū)域?qū)儆诘土魉賲^(qū)。低流速區(qū)域更容易發(fā)生結(jié)垢而產(chǎn)生垢下腐蝕和局部沖蝕，因此預(yù)測：①、⑤區(qū)域是腐蝕發(fā)生高概率區(qū)域，其次是②、④區(qū)域，最后是區(qū)域③。

如圖3 的渦流及內(nèi)窺鏡抽樣檢測結(jié)果，空冷器中心線兩側(cè)的腐蝕發(fā)生概率與預(yù)測結(jié)果基本一致：①＞②＞③，⑤＞④＞③。但中心線的左側(cè)腐蝕明顯嚴重于中心線右側(cè)：①＞⑤，②＞④。這主要與天然氣的流動方向由右到左有關(guān)，左側(cè)工藝管道的流速更低，天然氣中的重組分在左側(cè)更容易發(fā)生沉積而結(jié)垢，進而發(fā)生腐蝕。

6 結(jié)論

針對空冷器翅片管束數(shù)量大，檢測和維修相對復(fù)雜等問題，用CFD 技術(shù)模擬仿真介質(zhì)在空冷器中的流動狀態(tài)，停產(chǎn)檢修期間采用抽樣檢測代替全面檢測，減少了檢測維修工作量和停工時間。渦流檢測及內(nèi)窺檢測結(jié)果表明空冷器壁厚損失率在可接受范圍內(nèi)，最小壁厚校核結(jié)果滿足要求。此外，模擬仿真和實際檢測結(jié)果表明，管束內(nèi)氣體流速較低的管道內(nèi)更容易結(jié)垢，造成局部腐蝕，也驗證了采用CFD 模擬仿真方法對空冷式換熱器管束抽樣檢測的可行性。