基于流场分析的管壳式换热器腐蚀研究

赵学俭

中国石化胜利油田分公司油气集输总厂， 山东 东营 257000

0 前言

管壳式换热器由于结构可靠、环境适应性好、生产成本低等优点,被广泛应用于石油化工、制造业、电力产业等领域[1]。据调查,腐蚀是管壳式换热器主要失效方式之一,改善管壳式换热器壳程流体的流动及传热情况,减小内部流体腐蚀影响具有十分重要的工程意义。换热器内部的流动与传热计算通常是通过实验获得经验公式来进行,随着CFD(计算机)技术的发展,基于计算流体力学和计算传热学的数值模拟研究方法已经成为新型高效、低阻换热器辅助设计的重要手段之一[2-6]。

对于换热器的腐蚀研究,张晓峰等[7]阐述了换热器的腐蚀类型,指出应力腐蚀和孔蚀是换热器破坏的主要原因。李格妮[8]通过电化学试验和数值模拟研究了换热器管子与管板焊缝间的腐蚀,分析了温度、离子浓度等对异种材料组合结构腐蚀的影响。换热器腐蚀产生的原因大多与卤素有关,氯离子及氯化物的危害最为严重。王雨顺、周俊波、周葆红和高丽岩等人[9-12]采用不同的方法分析了换热器的失效原因,指出氯离子、热应力和流体冲刷加快了换热器的腐蚀失效。梁海明[13]基于FLUENT软件对浮头管壳式换热器壳程流体的流动与传热进行了三维数值模拟,并在此基础上分析了筒体的冲蚀规律。邓庆龙[14]分析了化工设备换热器常见的腐蚀情况,并提出了几种化工设备换热器的防腐措施。聂晟楠等[15]以石墨烯、石墨粉末、环氧树脂等为原料,制备了应用于换热器表面的耐腐蚀高导热石墨烯复合涂层,并对涂层进行了硫酸腐蚀、导热、结合强度实验。

综上,学者们从不同角度对换热器腐蚀现象进行了研究,但基于流动分析的管壳式换热器的腐蚀分析研究较少。鉴于此,本文以常用的管壳式换热器作为研究对象,采用SolidWorks软件,建立管壳式换热器壳程流场三维流域模型,运用FLUENT软件对换热器的温度场、压力场、速度场及相分布等进行研究,分析管壳式换热器的腐蚀位置及腐蚀机理,预测流体流动对管壳式换热器腐蚀的影响,对提高换热器的使用寿命进行了有益探索。

1 管壳式换热器流场数值模拟

1.1 换热器几何模型和网格划分

本文进行数值模拟计算所采用的研究对象为某压气站内再生冷却器(管壳式换热器),换热器结构为单管程、单壳程和单弓形折流板式换热器,壳程走天然气(含H2S、CO2等杂质),管程走冷却水,流动形式为逆流。该换热器总长约为 6 987 mm,筒体直径为500 mm,再生冷却器三维流域模型见图1。由于再生冷却器壳程结构相对复杂,在保证相关物理量准确前提下,建立模型时作如下简化假设[16]:忽略折流板与换热管、折流板与筒体的间隙;由于结构的对称性,构建一半流域模型;拉杆、定距管、防冲板等结构对壳程流场的计算影响可忽略。

图1 再生冷却器三维流域模型图Fig.1 Three dimensional watershed model of regeneration cooler

换热器的壳程介质为天然气,根据现场再生冷却器设备的腐蚀情况可知,腐蚀发生在壳程以及换热管外壁,筒体前中部腐蚀较严重,换热管在折流板处出现了管束穿孔且存在较多污垢,见图2。因此仅对冷却器壳程划分网格。使用Gambit软件进行网格划分，由于冷却器结构复杂,为能更好地适用于外形复杂的实体、较大限度地模拟流动的真实性和获得较高的网格质量,采用混合网格划分,网格数量407 639。网格划分见图3。

a)再生冷却器筒体腐蚀照片a)Photo of the barrel corrosion

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

图3 再生冷却器壳程网格划分图Fig.3 Grid division of shell side of regeneration cooler

1.2 数值计算方法与边界条件

入口边界条件设置为速度进口,速度为48.13 m/s;壳程进口介质为天然气,其中包括5%的气态水及95%CH4;进口温度为280 ℃。出口边界条件设置为自由出口,假设入口来流的速度均匀分布,考虑重力场的影响。湍流定义方法选择湍流强度百分比和水利直径。求解器选择基于压力求解器,3D双精度,稳态流动,速度为绝对速度。因湍流效应对流动与传热有一定的影响故采用k-ε二方程湍流模型;近壁面采用标准壁面函数;模拟过程中涉及传热计算,开启能量方程Energy equation;存在气液两相相变,选择evaporation-condensation相变模型;多种相组分,开启多相流模型Multiphase-Mixture。压力与速度耦合采用SIMPLE算法,压力离散格式采用Body Force Weighted格式,其它采用二阶迎风格Second Order Upwind格式,松弛因子保持默认设置,计算残差为10-6,初始化并求解至收敛。

2 计算结果与分析

三维数值模拟得到的温度场见图4～5,由图可知,天然气的温度随着天然气所流经路程的增加而不断降低,天然气在壳程进口部分温度下降较快,壳程出口部分温度下降较慢,且在壳程前中部温度开始低于373.15 K。在此位置天然气中的气态水开始发生相变成为液态水,且随气流冲击在换热管壁,使天然气中的H2S、CO2等杂质溶于液态水中形成腐蚀环境。溶于液态水的CO2和H2S共同作用会导致“甜性腐蚀”和“酸性腐蚀”,其中H2S会导致金属材料发生硫化物应力腐蚀开裂,并且两者并存时会产生相互作用,加剧换热器的腐蚀。

三维数值模拟得到的温度场见图6～8,由图可知,在壳程中间部分折流板处产生的液态水较多,且产生在折流板处的气体来流侧。但在再生冷却器中,天然气流量较大,设备运行一段时间后,壳程中液态水会产生堆积;部分液态水会被较大的气流冲走,冲击在后续的换热管上,加剧了出口部分的腐蚀。总体来说折流板来流侧腐蚀较为严重。

图4 冷却器壳程温度云图Fig.4 Temperature contour of cooler shell side

图5 沿冷却器长度方向温度散点图Fig.5 Temperature scatter diagram along the length of the cooler

图6 壳程液态水整体分布云图Fig.6 Contour of overall distribution of liquid water in shell side

图7 液态水分布散点图Fig.7 Liquid water scatter diagram

三维数值模拟得到的温度场见图9,由图可知,随着流程的增加,天然气流速不断增大。在折流板来流侧天然气垂直冲刷换热管,且靠近折流板处流速较大,速度较大的天然气将腐蚀产物冲刷掉,使换热管继续暴露在腐蚀环境中,并且流速较大的天然气具有较高的动能,在撞击到壁面时转化为压力能产生较大冲击力,进而加剧了腐蚀。

图10给出了冷却器壳程及换热管压力分布云图,由图可知,随着流程的增加,壳程及换热管的压力逐渐降低,这与速度分布相符合。在两折流板之间的区域,折流板来流侧压力相对较高,这是因为天然气在折流板来流侧速度较大且垂直冲刷换热管,部分动能转化为压力能。来流侧较高的压力加剧了换热器的腐蚀。

由上述分析可知,换热器的腐蚀是在多种因素共同作用下产生的。在整个流程中温度不断降低,并且在壳程前中位置就发生了气态水向液态水的转变,壳程中间部分折流板来流侧产生的液态水较多,所以筒体的前中部腐蚀较为严重。在折流板的来流侧天然气垂直冲刷换热管且速度相对较大,速度较大的天然气将腐蚀产物冲刷掉并产生堆积,并且携带较大动能,对换热管产生冲击;在折流板的来流侧压力也相对较高;在多种因素的共同作用下换热管在折流板处腐蚀较为严重,出现了管束穿孔并存在较多污垢。模拟结果分析得到的腐蚀位置与图2所示的现场腐蚀位置大致吻合。

图8 Y=-8.66 mm截面液态水整体、局部分布云图Fig.8 Contour of overall and local liquid water in Y=-8.66 mm cross section

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

图10 冷却器壳程、换热管压力分布云图Fig.10 Pressure distribution contour of cooler shell side and heat exchange tube

3 结论

本文以管壳式换热器为研究对象,对其流动及传热进行了三维数值模拟,在模拟的过程中考虑了气液两相之间的相变,得到了换热器壳程的温度场、压力场、速度场及气液两相分布。计算结果表明:管壳式换热器壳程腐蚀是由多种因素共同作用的结果,天然气中的气态水在壳程的前中部发生相变成为液态水,H2S、CO2等杂质溶于液态水中形成酸性腐蚀环境;气体在折流板来流侧垂直冲刷换热管,加剧了折流板来流侧换热管的腐蚀;天然气中杂质和被冲刷掉的腐蚀产物在壳程中微间隙和出口部分堆积,形成垢下腐蚀。通过数值模拟结果分析得到的腐蚀位置与现场设备腐蚀位置大致吻合。