基于流場分析的管殼式換熱器腐蝕研究

趙學儉

中國石化勝利油田分公司油氣集輸總廠， 山東 東營 257000

0 前言

管殼式換熱器由于結構可靠、環境適應性好、生產成本低等優點,被廣泛應用于石油化工、制造業、電力產業等領域[1]。據調查,腐蝕是管殼式換熱器主要失效方式之一,改善管殼式換熱器殼程流體的流動及傳熱情況,減小內部流體腐蝕影響具有十分重要的工程意義。換熱器內部的流動與傳熱計算通常是通過實驗獲得經驗公式來進行,隨著CFD(計算機)技術的發展,基于計算流體力學和計算傳熱學的數值模擬研究方法已經成為新型高效、低阻換熱器輔助設計的重要手段之一[2-6]。

對于換熱器的腐蝕研究,張曉峰等[7]闡述了換熱器的腐蝕類型,指出應力腐蝕和孔蝕是換熱器破壞的主要原因。李格妮[8]通過電化學試驗和數值模擬研究了換熱器管子與管板焊縫間的腐蝕,分析了溫度、離子濃度等對異種材料組合結構腐蝕的影響。換熱器腐蝕產生的原因大多與鹵素有關,氯離子及氯化物的危害最為嚴重。王雨順、周俊波、周葆紅和高麗巖等人[9-12]采用不同的方法分析了換熱器的失效原因,指出氯離子、熱應力和流體沖刷加快了換熱器的腐蝕失效。梁海明[13]基于FLUENT軟件對浮頭管殼式換熱器殼程流體的流動與傳熱進行了三維數值模擬,并在此基礎上分析了筒體的沖蝕規律。鄧慶龍[14]分析了化工設備換熱器常見的腐蝕情況,并提出了幾種化工設備換熱器的防腐措施。聶晟楠等[15]以石墨烯、石墨粉末、環氧樹脂等為原料,制備了應用于換熱器表面的耐腐蝕高導熱石墨烯復合涂層,并對涂層進行了硫酸腐蝕、導熱、結合強度實驗。

綜上,學者們從不同角度對換熱器腐蝕現象進行了研究,但基于流動分析的管殼式換熱器的腐蝕分析研究較少。鑒于此,本文以常用的管殼式換熱器作為研究對象,采用SolidWorks軟件,建立管殼式換熱器殼程流場三維流域模型,運用FLUENT軟件對換熱器的溫度場、壓力場、速度場及相分布等進行研究,分析管殼式換熱器的腐蝕位置及腐蝕機理,預測流體流動對管殼式換熱器腐蝕的影響,對提高換熱器的使用壽命進行了有益探索。

1 管殼式換熱器流場數值模擬

1.1 換熱器幾何模型和網格劃分

本文進行數值模擬計算所采用的研究對象為某壓氣站內再生冷卻器(管殼式換熱器),換熱器結構為單管程、單殼程和單弓形折流板式換熱器,殼程走天然氣(含H2S、CO2等雜質),管程走冷卻水,流動形式為逆流。該換熱器總長約為 6 987 mm,筒體直徑為500 mm,再生冷卻器三維流域模型見圖1。由于再生冷卻器殼程結構相對復雜,在保證相關物理量準確前提下,建立模型時作如下簡化假設[16]:忽略折流板與換熱管、折流板與筒體的間隙;由于結構的對稱性,構建一半流域模型;拉桿、定距管、防沖板等結構對殼程流場的計算影響可忽略。

圖1 再生冷卻器三維流域模型圖Fig.1 Three dimensional watershed model of regeneration cooler

換熱器的殼程介質為天然氣,根據現場再生冷卻器設備的腐蝕情況可知,腐蝕發生在殼程以及換熱管外壁,筒體前中部腐蝕較嚴重,換熱管在折流板處出現了管束穿孔且存在較多污垢,見圖2。因此僅對冷卻器殼程劃分網格。使用Gambit軟件進行網格劃分，由于冷卻器結構復雜,為能更好地適用于外形復雜的實體、較大限度地模擬流動的真實性和獲得較高的網格質量,采用混合網格劃分,網格數量407 639。網格劃分見圖3。

a)再生冷卻器筒體腐蝕照片a)Photo of the barrel corrosion

b)管束穿孔照片b)Photo of the tube bunclle perforation of regeneration cooler

圖3 再生冷卻器殼程網格劃分圖Fig.3 Grid division of shell side of regeneration cooler

1.2 數值計算方法與邊界條件

入口邊界條件設置為速度進口,速度為48.13 m/s;殼程進口介質為天然氣,其中包括5%的氣態水及95%CH4;進口溫度為280 ℃。出口邊界條件設置為自由出口,假設入口來流的速度均勻分布,考慮重力場的影響。湍流定義方法選擇湍流強度百分比和水利直徑。求解器選擇基于壓力求解器,3D雙精度,穩態流動,速度為絕對速度。因湍流效應對流動與傳熱有一定的影響故采用k-ε二方程湍流模型;近壁面采用標準壁面函數;模擬過程中涉及傳熱計算,開啟能量方程Energy equation;存在氣液兩相相變,選擇evaporation-condensation相變模型;多種相組分,開啟多相流模型Multiphase-Mixture。壓力與速度耦合采用SIMPLE算法,壓力離散格式采用Body Force Weighted格式,其它采用二階迎風格Second Order Upwind格式,松弛因子保持默認設置,計算殘差為10-6,初始化并求解至收斂。

2 計算結果與分析

三維數值模擬得到的溫度場見圖4～5,由圖可知,天然氣的溫度隨著天然氣所流經路程的增加而不斷降低,天然氣在殼程進口部分溫度下降較快,殼程出口部分溫度下降較慢,且在殼程前中部溫度開始低于373.15 K。在此位置天然氣中的氣態水開始發生相變成為液態水,且隨氣流沖擊在換熱管壁,使天然氣中的H2S、CO2等雜質溶于液態水中形成腐蝕環境。溶于液態水的CO2和H2S共同作用會導致“甜性腐蝕”和“酸性腐蝕”,其中H2S會導致金屬材料發生硫化物應力腐蝕開裂,并且兩者并存時會產生相互作用,加劇換熱器的腐蝕。

三維數值模擬得到的溫度場見圖6～8,由圖可知,在殼程中間部分折流板處產生的液態水較多,且產生在折流板處的氣體來流側。但在再生冷卻器中,天然氣流量較大,設備運行一段時間后,殼程中液態水會產生堆積;部分液態水會被較大的氣流沖走,沖擊在后續的換熱管上,加劇了出口部分的腐蝕。總體來說折流板來流側腐蝕較為嚴重。

圖4 冷卻器殼程溫度云圖Fig.4 Temperature contour of cooler shell side

圖5 沿冷卻器長度方向溫度散點圖Fig.5 Temperature scatter diagram along the length of the cooler

圖6 殼程液態水整體分布云圖Fig.6 Contour of overall distribution of liquid water in shell side

圖7 液態水分布散點圖Fig.7 Liquid water scatter diagram

三維數值模擬得到的溫度場見圖9,由圖可知,隨著流程的增加,天然氣流速不斷增大。在折流板來流側天然氣垂直沖刷換熱管,且靠近折流板處流速較大,速度較大的天然氣將腐蝕產物沖刷掉,使換熱管繼續暴露在腐蝕環境中,并且流速較大的天然氣具有較高的動能,在撞擊到壁面時轉化為壓力能產生較大沖擊力,進而加劇了腐蝕。

圖10給出了冷卻器殼程及換熱管壓力分布云圖,由圖可知,隨著流程的增加,殼程及換熱管的壓力逐漸降低,這與速度分布相符合。在兩折流板之間的區域,折流板來流側壓力相對較高,這是因為天然氣在折流板來流側速度較大且垂直沖刷換熱管,部分動能轉化為壓力能。來流側較高的壓力加劇了換熱器的腐蝕。

由上述分析可知,換熱器的腐蝕是在多種因素共同作用下產生的。在整個流程中溫度不斷降低,并且在殼程前中位置就發生了氣態水向液態水的轉變,殼程中間部分折流板來流側產生的液態水較多,所以筒體的前中部腐蝕較為嚴重。在折流板的來流側天然氣垂直沖刷換熱管且速度相對較大,速度較大的天然氣將腐蝕產物沖刷掉并產生堆積,并且攜帶較大動能,對換熱管產生沖擊;在折流板的來流側壓力也相對較高;在多種因素的共同作用下換熱管在折流板處腐蝕較為嚴重,出現了管束穿孔并存在較多污垢。模擬結果分析得到的腐蝕位置與圖2所示的現場腐蝕位置大致吻合。

圖8 Y=-8.66 mm截面液態水整體、局部分布云圖Fig.8 Contour of overall and local liquid water in Y=-8.66 mm cross section

圖9 Y=-8.66 mm截面整體、局部速度矢量圖Fig.9 Overall and local velocity vector in Y=-8.66 mm cross section

圖10 冷卻器殼程、換熱管壓力分布云圖Fig.10 Pressure distribution contour of cooler shell side and heat exchange tube

3 結論

本文以管殼式換熱器為研究對象,對其流動及傳熱進行了三維數值模擬,在模擬的過程中考慮了氣液兩相之間的相變,得到了換熱器殼程的溫度場、壓力場、速度場及氣液兩相分布。計算結果表明:管殼式換熱器殼程腐蝕是由多種因素共同作用的結果,天然氣中的氣態水在殼程的前中部發生相變成為液態水,H2S、CO2等雜質溶于液態水中形成酸性腐蝕環境;氣體在折流板來流側垂直沖刷換熱管,加劇了折流板來流側換熱管的腐蝕;天然氣中雜質和被沖刷掉的腐蝕產物在殼程中微間隙和出口部分堆積,形成垢下腐蝕。通過數值模擬結果分析得到的腐蝕位置與現場設備腐蝕位置大致吻合。