常頂空冷器分布管數值模擬及腐蝕研究

張宏飛,于鳳昌,崔新安

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

常頂空冷器分布管數值模擬及腐蝕研究

張宏飛,于鳳昌,崔新安

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

近年來常壓塔頂空冷系統的腐蝕問題已經開始威脅到整個蒸餾裝置的安全、穩定、長周期運行。空冷器分布管是整個空冷系統流體分布的關鍵，采取恰當有效的方法，研究分布管流體分布及腐蝕問題是非常必要的。采用數值模擬方法來研究分布管內流體的流動情況，預測管道可能出現較大腐蝕的部位，為腐蝕監檢測布點提供可靠的理論依據，亦可為分布管的優化設計提供參考。

空冷器 分布管 CFX 數值模擬 腐蝕

近年來隨著加工原油的劣質化及混合摻煉等原因，常壓塔頂(常頂)空冷系統的腐蝕問題日益凸顯[1-3]，經常是開工不久，空冷器的管束便逐漸開始出現腐蝕減薄或穿孔現象。常頂空冷系統的腐蝕問題已經開始威脅到整個常減壓蒸餾裝置的安全、穩定、長周期運行[4-6]。空冷器分布管是整個空冷系統流體分布的關鍵，所以采取恰當有效的方法，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，采用計算流體力學的方法來研究某煉油廠常頂空冷器分布管內流體的流動情況，通過分析流速流態、壓力及剪切應力分布，預測出管道可能出現較大腐蝕的部位，為腐蝕監檢測布點提供可靠的理論依據，亦可為分布管的優化設計提供參考[7]。另外，分布管出口流體各項數據還可以為空冷器的數值模擬提供較為準確的入口條件，為下一步的數值模擬工作打下良好的基礎。

1 數值模擬

1.1 模型建立及網格劃分

運用SolidWorks軟件建立分布管三維實體模型，結構見圖1。

圖1 分布管實體模型

考慮到六面體網格相較四面體網格在流體力學模擬方面的優勢，分布管模型劃分為六面體網格。

1.2 模擬條件設定

根據實際運行工況，鑒于計算機軟硬件限制和計算效率兩方面因素，分布管內介質考慮換熱、相變；流體設置為不凝氣C2H6、氣體C5H12、液體C5H12、氣體C9H18、液體C9H18、水蒸氣H2O及液態水H2O的多相混合物；各相均為連續流體，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，傳熱為雙熱阻模型；參考壓力設為0.155 MPa。

入口條件讀取預模擬的各相分布及流速。考慮壁面換熱，并取預先模擬的壁面換熱系數平均值作為壁面條件。求解精度設置為高精度，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收斂條件設為1.0×10-4。用以上各條件設置進行數值模擬，并檢測收斂情況，待收斂后分析模擬結果。

2 模擬結果分析

2.1 流速流態

由于分布管中氣相體積占絕對優勢，流速流態主要由氣相決定，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變化，導致這些部位容易發生沖刷腐蝕，應予以重點關注。

圖2 速度流線

可在彎頭部位布置測厚點，見圖3，監測此處壁厚，以免發生腐蝕破壞。

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，容易受到沖擊腐蝕。

圖4 管壁壓力云圖

綜合流速流態及壓力云圖分析可以發現，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，尤其當流體方向與重力方向一致時。因此應考慮在該部位布置定點測厚等腐蝕監檢測手段，見圖5。

圖5 三通測厚點布置示意

2.3 壁面剪切應力

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

圖6 壁面剪切應力云圖

2.4 液態水分布

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

圖7 液態水質量分數

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的流速要大，說明該分布管的結構有待進一步優化。結合分布管液態水分布及流速分析可以發現，在分布管出口附近外側流速較大，且液態水含量也較大，這就會使這些部位容易發生腐蝕破壞，應該予以重點關注，必要時可以布置相應的測厚點。

圖8 各出口流速云圖

3 數值模擬驗證

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

圖9 出口測溫與模擬流量對比

4 結束語

采用數值模擬方法研究了空冷器分布管內流體的流動情況，并通過分析流速流態、壓力、剪切應力及液態水分布，預測出可能出現較大腐蝕的部位。經過現場紅外測溫驗證，證實數值模擬能夠很好地反應出分布管內部流動情況，結果與實際情況相符，可用于指導分布管的設計并為定點測厚提供理論依據。模擬結果顯示：在分布管三通和彎頭等管件附近可見明顯流速流態變化，尤其是壓力或剪切應力較大的部位，容易發生腐蝕破壞；在水平管段下部，出口管段兩側液態水相體積分數較大，易出現液態水。主要腐蝕部位在檢維修時應該予以重點關注，有必要設置定點測厚等相應的監檢測手段。另外，分布管內流體分布并不是十分對稱，導致各出口流量有所偏差，存在進一步優化的空間。

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

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

[3] 劉香蘭,王穎.常壓塔頂系統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進展[J].腐蝕與防護,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,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,2011,32(2):157.

[7] 張宏飛,于鳳昌.CFX 數值模擬在防腐領域的應用[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年畢業于石油大學(北京)金屬材料專業，一直從事石油化工腐蝕與防護研究及裝置保運工作。E-mail：zhanghf.lpec@sinopec.com