出口集合管盲板腐蝕分析及優(yōu)化結(jié)構(gòu)影響研究

郭福平,陳文紅,陳志靜

（1.廣東石油化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,茂名525000；2.中國(guó)石油化工股份有限公司茂名分公司,茂名525000）

連續(xù)重整裝置的重整單元中物料要連續(xù)通過(guò)四臺(tái)反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng),每臺(tái)反應(yīng)器有一臺(tái)加熱爐提供反應(yīng)熱量［1］,工藝上將四臺(tái)加熱爐集中布置在一個(gè)爐膛內(nèi),構(gòu)成重整“四合一”方形立式加熱爐。加熱爐排管為U形多程并聯(lián),爐管的出入口均采用集合管連接［2］。其集合管盲端采用盲板法蘭連接,以方便工程上的檢維修操作。本工作針對(duì)重整裝置四合一爐出口集合管上發(fā)生的盲板法蘭腐蝕現(xiàn)象入手,研究其產(chǎn)生腐蝕的機(jī)理,并在產(chǎn)生腐蝕的工況下進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬,以此對(duì)盲板法蘭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,最后研究?jī)?yōu)化結(jié)構(gòu)對(duì)法蘭腐蝕是否改善、是否影響集合管在多管路上的流量分配。

1 出口集合管盲端腐蝕機(jī)理

1.1 出口集合管的工況及腐蝕現(xiàn)象

某石油煉化企業(yè)重整裝置的重整單元四合一加熱爐出口集合管在檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)了不同程度的腐蝕,其中以爐管最長(zhǎng)的F702爐出口集合管盲板法蘭腐蝕最為嚴(yán)重,如圖1所示。

其腐蝕部位主要集中在盲端管法蘭的右下側(cè),腐蝕形貌呈渦旋的條狀或條坑狀。

加熱爐的物料成分為：硫化氫2%（體積比,下同）,氯化氫1%,氫氣10%；法蘭材料為1Cr5Mo；集合管盲端壓力6 000～8 000Pa（局部存在負(fù)壓）；溫度為520～780℃；近年來(lái)處理量從85.19t/h、105.7t/h、110.7t/h、126.8t/h、136.2t/h、168t/h逐年遞增。

1.2 腐蝕機(jī)理

1.2.1 氫氣-硫化氫的化學(xué)腐蝕

在盲端溫度下主要發(fā)生高溫硫化腐蝕,硫化物在500℃時(shí)轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硫,該硫活性更強(qiáng)。單質(zhì)硫和金屬發(fā)生高溫硫化。

圖1 出口集合管盲板法蘭處腐蝕情況Fig.1 The corrosion morphology of outlet manifold blind plate

該重整裝置的原料油主要是高含硫原油,一直以來(lái)硫腐蝕對(duì)設(shè)備影響嚴(yán)重,重整原料油中硫含量過(guò)高是導(dǎo)致腐蝕嚴(yán)重的主要原因。

在硫腐蝕后,一方面富氫環(huán)境中,原子氫能不斷侵入硫化物垢層中,造成垢層疏松多孔,使金屬原子和硫化氫介質(zhì)相互擴(kuò)散滲透,使得硫腐蝕不斷進(jìn)行。另一方面氫腐蝕的發(fā)生,是在高溫下氫原子滲入到金屬中與碳生成甲烷,但在盲端壓強(qiáng)下,氫原子只能在金屬表面發(fā)生滲碳。由集合管工況可知,加熱爐物料中含有一定量的硫化氫,氫氣占10%,屬于富氫環(huán)境,并且集合管盲端部位的介質(zhì)溫度已超過(guò)500℃,在這種情況下必定會(huì)發(fā)生高溫硫腐蝕,而且在富氫環(huán)境中加速了腐蝕。所以,在集合管盲板法蘭處主要發(fā)生了氫氣-硫化氫腐蝕。

1.2.2 對(duì)腐蝕產(chǎn)物的沖刷腐蝕

流體運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)持續(xù)沖刷金屬表面,會(huì)將氫氣-硫化氫化學(xué)腐蝕的疏松多孔的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行不斷沖刷。當(dāng)處理量不斷增大以后,流體在盲端以湍流形式運(yùn)動(dòng),湍流運(yùn)動(dòng)速度不斷加大,加劇了沖刷腐蝕的速度。

所以,盲板法蘭的腐蝕主要由化學(xué)腐蝕和物理腐蝕相結(jié)合,嚴(yán)重的物理腐蝕增加了化學(xué)腐蝕速率,兩種腐蝕相互影響,關(guān)系如圖2所示。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 盲板法蘭蓋結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

圖2 盲板法蘭腐蝕機(jī)理圖Fig.2 The chat of blind plate corrosion

圖3 盲板結(jié)構(gòu)在168t/h處理量的速度矢量圖和速度等值線圖Fig.3 Velocity rector diagram（a）and velocity vector diagram of the blind plate structure at 168 t/h capacity (b)

應(yīng)用FLUNET分析軟件［3］對(duì)四合一爐進(jìn)行建模和計(jì)算。為了對(duì)比的一致性,對(duì)85.19t/h、105.7t/h、110.7t/h、126.8t/h、136.2t/h和168t/h不同處理量下的盲板結(jié)構(gòu)都取距離端部100mm處截面進(jìn)行分析。圖3（a）是平蓋結(jié)構(gòu)在168t/h速度矢量圖。從圖3（a）可以看出介質(zhì)在平面上始終以一種漩渦狀的形態(tài)進(jìn)行順時(shí)針流動(dòng),流體介質(zhì)不斷地對(duì)壁面進(jìn)行沖刷作用。這與圖1實(shí)際腐蝕工況的腐蝕形貌相吻合。通過(guò)對(duì)如圖3（b）速度等值線圖分析,隨著處理量的增大,右下側(cè)部位的最大速度同樣也隨著增大,速度最大值能達(dá)到16m/s。因此隨著處理量的增大,壁面切向速度在增大,對(duì)壁面的沖刷作用在增強(qiáng)。量等值線圖。渦量（vorticity）是一個(gè)描述旋渦運(yùn)動(dòng)常用的物理量。流體速度的旋度為流場(chǎng)的渦量［4-6］,渦量的單位是秒分之一（s-1）。渦量通常被用來(lái)描述渦旋的大小和方向,渦量定義為速度場(chǎng)的旋度。在流體中只要有“渦量源”,就會(huì)產(chǎn)生渦旋。渦量等于角速度的兩倍,由角速度和線速度的關(guān)系可知,當(dāng)渦量值增大時(shí)線速度也會(huì)隨之增大。出口集合管盲端壁面附近右下側(cè)部位渦量值明顯比其他部位大,最大值能夠達(dá)到240s-1,并且相對(duì)比較集中。圖5是不同處理量下的板圖和渦量等值線圖,從圖中可以看出右下側(cè)渦量最大值隨著處理量的不斷增大也隨著增大,對(duì)壁面的沖刷作用也隨著不斷增強(qiáng)。從以上各圖分析得知其腐蝕部位、腐蝕形態(tài)與實(shí)際腐蝕情況相吻合,證明了數(shù)值模擬的正確性。

圖5 不同處理量下的最大速度和最大渦量Fig.5 The maximum speed and vorticity diagram

2.2 改進(jìn)盲板法蘭蓋結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

2.2.1 改進(jìn)盲板法蘭蓋結(jié)構(gòu)圖

將出口集合管盲板法蘭蓋進(jìn)行改進(jìn),即在盲端法蘭蓋上焊上如圖6所示的結(jié)構(gòu)。

圖6 改進(jìn)出口集合管的盲板結(jié)構(gòu)Fig.6 The diagram of improved outlet manifold blind plate structure

2.2.2 改進(jìn)盲板法蘭蓋結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

在168t/h處理量工況下改進(jìn)盲板法蘭蓋和盲板平蓋結(jié)構(gòu)在相同位置處,即距離盲端末端100mm截面處對(duì)比速度矢量圖、速度等值線圖、渦量等值線圖。

圖7是改進(jìn)結(jié)構(gòu)的速度矢量圖。與圖3（a）盲板平蓋結(jié)構(gòu)的速度矢量圖對(duì)比可以看出,改進(jìn)盲板法蘭蓋結(jié)構(gòu)的速度矢量圖有小漩渦狀的流態(tài)存在,但是并未形成規(guī)律性的方向流動(dòng)的漩渦,并且流動(dòng)的方向是雜亂無(wú)規(guī)律性的。

圖7 改進(jìn)盲板結(jié)構(gòu)的速度矢量圖和速度等值線圖Fig.7 The velocity vector（a）and velocity isoline diagram of the improved blind plate structure

圖7（b）是改進(jìn)盲板法蘭蓋結(jié)構(gòu)的速度等值線圖,從圖上可以看出,該結(jié)構(gòu)壁面處速度很小,幾乎可以忽略,而其他部位處的速度則很大,且靠近右下側(cè)部位處速度值比較大,達(dá)到19m/s,不過(guò)由于壁面通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)的隔斷防沖作用,使壁面處不受速度沖刷腐蝕影響。

圖8是改進(jìn)盲板法蘭蓋結(jié)構(gòu)的渦量云圖和渦量等值線圖。

圖8 改進(jìn)盲板結(jié)構(gòu)的渦量云圖和渦量等值線圖Fig.8 Vorticity cloud diagram（a）and vorticity contours diagram of the improved blind plate structure

對(duì)比圖4（a）和圖8（a）,從改進(jìn)結(jié)構(gòu)的渦量云圖中可以看出壁面上面的渦量值相對(duì)于未改進(jìn)結(jié)構(gòu)法蘭蓋之前的渦量值相對(duì)要小,而且分布也比較均勻。另外通過(guò)圖4（b）和圖8（b）的渦量等值線圖的對(duì)比,從改進(jìn)結(jié)構(gòu)法蘭蓋渦量等值線圖中可以看出,法蘭蓋改進(jìn)結(jié)構(gòu)改善了渦旋相對(duì)集中現(xiàn)象,并且沒(méi)有在壁面的某個(gè)部位形成渦量值較大的情況。

3 盲板優(yōu)化結(jié)構(gòu)對(duì)管系流量分布影響

改進(jìn)的盲板法蘭結(jié)構(gòu)能夠有效避免盲端的腐蝕,但此結(jié)構(gòu)對(duì)加熱爐各爐管流量分布是否有影響需要后續(xù)分析［7］。圖9是改進(jìn)盲板法蘭蓋結(jié)構(gòu)的爐管流量圖。從中看出改進(jìn)結(jié)構(gòu)的法蘭蓋結(jié)構(gòu)的管系流量波動(dòng)都不大,而且還可以看出各管系間的流量都有一定規(guī)律,即爐管流量從離集合管進(jìn)出口最近位置的爐管到漸遠(yuǎn)離集合管進(jìn)出口的爐管有逐步降低的趨勢(shì),管系間流量比較均勻,也比較穩(wěn)定。

圖9 改進(jìn)盲板結(jié)構(gòu)的爐管介質(zhì)流量分布圖Fig.9 The furnace tube medium flow distribution diagram of the improved blind plate structure

4 結(jié)論

（1）在出口集合管盲板法蘭發(fā)生了氫氣-硫化氫化學(xué)腐蝕,其疏松多孔的腐蝕產(chǎn)生物在高流速流體沖刷下發(fā)生沖刷腐蝕。

（2）過(guò)大的流量是對(duì)出口集合管盲端法蘭腐蝕的主要原因。

（3）出口集合管流體呈漩渦狀的形態(tài)進(jìn)行順時(shí)針流動(dòng),是實(shí)際腐蝕呈渦旋的條狀的原因。

（4）在出口集合管右下方存在最大速度、最大渦量,與實(shí)際腐蝕位置相符。

（5）改進(jìn)的法蘭蓋結(jié)構(gòu)能有效擾亂漩狀順時(shí)針流態(tài),并使實(shí)際發(fā)生腐蝕位置處的渦量值、最大流體速度值降低。

（6）改進(jìn)的盲板法蘭蓋結(jié)構(gòu)對(duì)爐管介質(zhì)流量沒(méi)有影響。

［1］ 錢(qián)家麟,于遵宏,李文輝,等.管式加熱爐［M］.北京：中國(guó)石化出版社,2007.

［2］ 陳孫藝.石化加熱爐對(duì)流段結(jié)構(gòu)及制造技術(shù)進(jìn)展［J］.化工進(jìn)展,2009,28（12）：334-337.

［3］ 劉偉,冀曉輝.基于CFD的新型布漿器混合室結(jié)構(gòu)［J］.化工進(jìn)展,2014,33（6）：1413-1418.

［4］ 吳子牛.計(jì)算流體力學(xué)基本原理（第1版）［M］.北京：科學(xué)出版社,2001：45-50.

［5］ 許維德.流體力學(xué)（修訂本）［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1996：106-110.

［6］ 蘇銘德,黃素逸.計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)（第1版）［M］.北京：清華大學(xué)出版社,1997：136-139.

［7］ 閆廣豪,張海燕,楊利然,等.集合管端部結(jié)構(gòu)對(duì)重整加熱爐管系流量分布影響［J］.煉油技術(shù)與工程,2013,43（2）：45-48.