煉油行業空冷器防腐蝕的CFD研究進展

唐曉旭，于鳳昌，高芒來，張宏飛

(1.中國石油大學(北京)理學院，北京 102249;2.中石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 471003)

在煉油行業中，石化裝置的冷換設備在工藝設備總量中占較高比例，而空冷器作為冷換設備中的關鍵設備之一，占有其1/3以上的比例[1-2]。空冷器是利用空氣作為冷卻介質將工藝介質(熱流體)冷卻到所需溫度的設備。由于空冷器具有節約工業用水和避免環境污染的顯著優勢，在國內已經廣泛使用40多年。近年來隨著原油的劣質化，空冷器的腐蝕問題日益凸現，經常是開工后不久空冷器的管束就開始出現腐蝕減薄或穿孔現象。其腐蝕問題已經嚴重威脅到裝置的安全生產。

隨著計算流體力學 (CFD)技術的迅速發展，通過CFD模擬的方法獲取流體內部速度場、溫度場等信息成為可能。對空冷器內流體流動狀況進行數值模擬，可預測出不同條件下空冷器內流體流動特性和流動的細節。根據流體流動細節進行腐蝕分析，進而能夠預測出空冷器內易腐蝕位置和腐蝕面積最大部位。這在很大程度上彌補了測試手段受限的不足，為煉油行業空冷器的防腐蝕研究提供了一種新的有效的研究手段。

1 空冷器腐蝕現狀分析

1.1 HCl-H2S-H2O體系腐蝕

油氣經過空冷器時，由于溫度降低必定有部分氣體要凝結為液體，同時其所含的水蒸氣凝結為液態水。HCl和H2S氣態物質在發生相態變化之前對空冷器的腐蝕性是比較輕微的，當發生相態變化再加上存在冷凝水后，就會形成較強的HCl-H2S-H2O體系腐蝕環境，對空冷器腐蝕性較大。尤其以氣液兩相轉變的部位，即“露點”部位腐蝕最為嚴重。

HCl-H2S-H2O體系腐蝕環境中起主導作用的是HCl腐蝕[3-4]。HCl主要由原油中的氯鹽水解產生的。原油電脫鹽是減少氯離子來源、降低輕油部位腐蝕的根本性措施。加強優化現有的電脫鹽技術，提高原油脫后含鹽達標率，能有效的降低HCl-H2S-H2O腐蝕環境中HCl濃度，減緩常頂系統的腐蝕速率，是解決冷凝冷卻系統腐蝕的最直接有效手段。然而當前各個煉油企業加工的原油質量越來越差，高酸和高硫原油的加工量明顯增加，這給電脫鹽操作帶來了較大的困難。此外，加工的原油往往是幾種不同原油的混合油，比例不確定，性質不穩定，這就進一步造成原油電脫鹽合格率下降。原油在加熱過程中，氯化物水解產生大量的HCl，形成腐蝕性較強的稀鹽酸環境，加快了空冷器的腐蝕速度，造成空冷器管束失效。

1.2 流體沖刷腐蝕

流體沖刷腐蝕造成空冷器管壁減薄或穿孔是空冷器腐蝕的另一個重要因素[5-7]。沖刷腐蝕又稱為磨損腐蝕，是一種危害性較大的局部腐蝕，具有普遍性。沖刷腐蝕通常與介質的腐蝕性和流體的流動狀況有關，容易發生在空冷器結構突變處，如空冷器翅片管的入口端、出口端、不銹鋼襯管尾部等處。

某公司異構脫蠟裝置空冷器的管束發生了爆管情況，于江林[8]等人針對高壓空冷器的爆管管束殘骸進行了失效分析，正下方有明顯的減薄現象，如圖1所示。分析表明:管束內壁受到介質的沖刷腐蝕，管壁減薄到一定成度后發生了爆管事故。原因是空冷器管束結構不合理，在入口管兩側容易形成渦流，渦流區內介質存在較大的沖擊動量，易造成管束內壁的沖擊腐蝕;同時，渦流速度的方向與管箱平行，具有較強的剪切沖刷作用，造成管束入口與管板脹接處的剪切腐蝕。

圖1 管束減薄情況Fig.1 The state of inner crashed tube of air coolers

合肥通用機械研究所對某廠腐蝕嚴重的空冷器翅片管管束解剖分析報告表明[9]，空冷器內壁有明顯的大面積沖刷腐蝕痕跡以及由此造成的列管內壁單側腐蝕減薄，圖2－3分別為翅片管軸向、縱向解剖圖[9]。

圖2 翅片管軸向解剖Fig.2 The axial section of finned tube

圖3 翅片管縱向解剖Fig.3 The longitudinal section of finned tube

沖蝕導致的空冷管束泄漏、爆管等事故是裝置運行的重大隱患[10]。但是由于沖蝕的影響因素很多，加之各裝置工藝流程、操作條件、腐蝕性介質濃度等存在差異，空冷器管束的腐蝕減薄、泄漏的位置和形貌往往各不相同。這也是目前空冷器防腐工作的一個難點。

2 CFD在空冷器防腐中的研究進展

采用傳統的分析檢測手段難以做到準確判斷局部的非均勻腐蝕位置，露點溫度區域可以通過計算得出，但是不夠準確，可靠性不高。CFD方法為解決流動與換熱問題提供了一種技術手段[11-13]，同時CFD數值模擬為防腐蝕研究提供了一種新方法。一般來說，腐蝕過程受腐蝕介質流速、溫度、壓力等條件的影響很大，而這些因素又很難直接由腐蝕過程觀察與測量得來。而模擬實驗研究的環境和工業環境之間還有很大差別，且多數實驗只是進行定性分析，結果可信度不高[14]。因此CFD的引入，在一定程度上彌補了防腐蝕工作的不足。

目前在空冷器防腐方面，已有學者將CFD方法引入到研究中來，盡管起步較晚，已初步取得了一定的成果。代真，郝曉軍[15]針對空冷器管束因沖蝕破壞引起的泄漏事故，采用CFD軟件對空冷器管束內流體的流動進行了模擬。模擬過程采用標準 k-ε湍流模型及 SIMPLEC算法，認為壁面剪切應力是管道沖蝕的主要原因，其次流型與速度梯度也會造成影響。此項研究一方面對延長空冷器的壽命及其計算提供依據;另一方面也證實了CFD模擬對空冷器管束沖蝕預測是有效和準確的，為以后的研究提供了一個可靠的研究工具。

偶國富等人[16]以實際工況下多相流介質的物性參數為基礎，采用計算流體力學方法對反應流出物空冷器進行CFD模擬。主要考察管道結構的變化對管道內壁流體動力學參數分布規律的影響，根據剪切應力的分布規律可預測沖蝕破壞的危險點。該方法是在理論分析、實驗研究的基礎上，采用CFD數值模擬考察管道結構的變化對管道內壁流體動力學參數分布規律的影響，目的在于優化管道結構，提高管道系統長周期運行的可靠性，為高壓空冷器防腐蝕研究提供了新技術。

劉偉，宣征南[17]采用 CFD方法，基于 FLUENT平臺對加氫裂化裝置空氣器管束入口襯管的直角尾部結構對流動的影響進行了數值分析。結果表明尾部直角結構使流體在該處產生漩渦，并對下游一定區域造成影響，在襯管尾部后區域產生的高剪應力區加強了流體對換熱管壁的沖刷作用。該模擬結果與理論分析是一致的，證實了CFD結果的可靠性。同時，他們又對45°倒角及1∶10錐度的襯管尾部結構進行了模擬。通過對比分析表明，45°倒角和1∶10錐度過渡結構比直角結構更合理，其中1∶10錐度過渡結構最佳。這個研究結果對空冷器襯管結構的優化發揮了指導作用，具有一定的參考價值。

朱良，郭志平[18]針對原丘東采油廠干濕聯合空冷器，應用有限元分析軟件Ansys對空冷器進行分析，獲取空冷器的溫度場分布云圖，找出了原有設備弊端。同時也完成了新的設計方案中干濕管式聯合式空冷器的翅片管入口處熱應力場、熱場分析及管內流體熱流耦合場的有限元分析，驗證了新設計方案的可行性。

偶國富等[19]為了探究加氫裂化空冷管道內流場和溫度場分布規律，在流動傳熱耦合分析的基礎上，采用有限元方法模擬空冷管道內湍流流動與對流傳熱過程的結果表明，管道壁面處存在速度和溫度邊界層，有著較大的速度梯度和溫度梯度。

從以上資料可以看出，學者們的研究方向主要體現在空冷器的管束失效分析問題、空冷器的腐蝕機理探究和空冷器結構的優化方面等。引進了CFD研究方法后，依然是從流動場分布方面對空冷器腐蝕問題研究較多，并且以研究空冷器的沖刷腐蝕居多，而涉及空冷器內部流體流動、溫度分布規律及換熱情況分析的較少。

3 總結

將CFD方法應用到空冷器的防腐蝕工作中是一種趨勢，借助于CFD方法對流體流動過程進行數值模擬，經過數值計算流動、換熱等細節，模擬實際中難以控制的腐蝕過程，得出流動場、溫度場等變量的分布情況，有助于我們更加深刻地理解造成空冷器腐蝕的原因與機理。同時能夠在腐蝕發生之前，通過CFD模擬計算，明確露點位置，分析空冷器的沖蝕規律，找出空冷器的最薄弱位置和預測管束的腐蝕速率，為優化空冷器設計及工藝防腐提供可靠的理論依據。由于CFD相對于實驗研究，具有成本低、速度快、資料完備、模擬真實及條件理想等優點，作為研究流體流動的新方法，CFD必將在防腐領域發揮更大的作用。

目前CFD的發展還不夠成熟，許多復雜的湍流現象及反應，很難找到合適的模型，這需要研究人員根據研究對象認真地選擇合適的CFD軟件及物理模型。

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