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科學技術論文

CFD模擬仿真技術在空冷式換熱器維檢修中的應用研究

時間:2020年09月26日 所屬分類:科學技術論文 點擊次數:

摘要:在石油天然氣與化工工藝處理過程中,空冷式換熱器是重要的設備之一,具有工作壓力高、介質流速快、管束數量多、外部帶翅片、檢測和維修復雜等特點。采用 CFD 技術模擬仿真 介質在空冷式換熱器中的流動狀態,在停產檢修期間采用抽樣檢測代替全面檢測,

  摘要:在石油天然氣與化工工藝處理過程中,空冷式換熱器是重要的設備之一,具有工作壓力高、介質流速快、管束數量多、外部帶翅片、檢測和維修復雜等特點。采用 CFD 技術模擬仿真 介質在空冷式換熱器中的流動狀態,在停產檢修期間采用抽樣檢測代替全面檢測,可減少檢測 維修工作量和停工時間,降低密封件拆裝對設備造成的損壞。模擬仿真和實際檢測結果表明, 管束內氣體流速較低的管道更容易結垢,造成局部腐蝕。采用 CFD 模擬仿真技術對空冷式換熱器管束抽樣檢測具有可行性。

  關鍵詞:CFD 技術;模擬仿真;空冷式換熱器;管束;抽樣檢測

化工進展

  空冷式換熱器 (以下簡稱空冷器) 是石油天然 氣與化工工藝處理過程中重要的設備之一[1-3] 。空冷 器主要由管束、通風機和構架三部分組成。管束通 常采用光管外壁裝翅片方式,翅片管作為傳熱管可 以擴大傳熱面積,提供換熱效率;翅片管一般分層 排列,兩端用焊接或脹接法連接在管箱上,排管通 常為 3~8 層。

  目前空冷器管束的主要檢測手段以渦流探傷和 內窺鏡為主,由于管束數量較多,全面檢測不僅工 作量大,密封件拆裝還會對設備造成損壞,因此現 場檢測擬采用抽樣檢測的方法對翅片管進行檢測。 另外,工程經驗表明流場對腐蝕有減弱或加強作用,尤其對于高速流動設備,流場影響尤為明顯。 借助計算流體模擬仿真軟件 Flow Simulation,通過 建立空冷器的三維模型,模擬空冷器內部流場分 布,預測腐蝕發生部位,為空冷器抽樣檢測提供 指導。

  1 建模

  以 某 油 氣 田 的 壓 縮 機 前 空 冷 器 為 例 , 采 用 SolidWorks 軟件建立空冷器三維模型。空冷器翅片 管束共 5 層,每層翅片管的長度為 8.5 m,排管寬 度為 6.5 m;管箱尺寸為 6.4 m×0.5 m×1 m;箱體入口管線直徑為 0.25 m,總管直徑為 0.45 m。

  2 計算模型

  以天然氣作為計算介質,根據天然氣流經空冷 器的路徑,選取空冷器管道入口和管道出口之間的 管箱、管束等作為計算域。由于計算區域模型比較復雜,故采用適應性強的四面體網格離散計算區域 模型,計算網格數約 10 萬個。在計算邊界確定方 面,空冷器采用 9 m/s 速度入口、3 000 kPa 壓力出 口,設置為無滑移壁面。

  3 仿真計算結果及分析

  根據上面建立的模擬和設定的邊界條件在軟件 中 進 行 計 算。 從 仿 真 結 果 可 以 看 出[8-10] ,天然氣通過工藝管道進入空冷器后在空冷 器前管箱內產生渦流,渦流主要集中在管箱入口管 線中間位置,以及入口管線與管線壁連線中間位置,導致管箱內該區域流速相對較低, 因而管束中流速較高的翅片管主要分布在箱體入口 管線對應的位置,其他位置流速相對較低。

  空冷器管束本體的腐蝕大多來自因偏流導致的 高流速沖蝕和低流速結垢,尤其是低流速區的結 垢。通常境況下,由于管束內流體流速快、管徑 小,因此即使管束內出現微小結垢都會對管束內的 流體產生比較強烈的影響,一般表現為結垢處出現 垢下腐蝕,結垢處之后的管束出現嚴重局部沖蝕 腐蝕。

  從仿真結果可以看出,流速最快的是管箱入口 管處,而管箱內位于兩個入口管之間的中線位置、 入口管與管箱壁之間的中線位置都出現了明顯的低 流速區。相對于入口管箱,出口管箱處在一個低流 速分布狀態,且流速分布也相對均勻。管束流速分 布則呈現出中間高、兩側低的特點,尤其在管箱入 口和管箱壁之間的中點位置最低。在管束檢測中, 應優先對低流速區的管束進行檢測。

  4 抽樣檢測

  針對管束的管壁減薄采取的主要檢測技術是渦 流檢測和內窺鏡檢測[11] 。根據 CFD 模擬仿真結果和 分析判斷對管束進行抽樣檢測。根據 模擬結果和管束位置,檢測分為 5 個區域,每個區 域選擇不同的抽檢比例,具體抽檢方案如下:(1) ①、⑤區域管束內介質流速較低,每個區 域選取 10 根。 (2) ②、④區域管束內介質流速較高,每個區 域選取 5 根。 (3) ③區域管束內介質流速較高,但由于區域 較大,故選取 10 根。 根據前面的檢測結果,針對檢測出現問題的區 域,就近擴大檢測范圍,檢測總數控制在管束總數 的 30%。 采用渦流檢測和內窺鏡檢測方法對管束內部進 行檢測。

  渦流檢測結果表 明,該空冷器管束的壁厚處于 2.35~2.45 mm 之間 (名 義 壁 厚 為 2.5 mm), 壁 厚 損 失 率 在 2% ~6% 之 間,最小壁厚校核結果在可以接受范圍內。內窺鏡檢測結果表明存在附著物 堆積、金屬沉積物問題,通過對積垢進行成分分 析,積垢為鐵銹與重油組分的混合物,此外檢測拆 裝過程中也存在絲堵及墊片損壞的情況。檢測完成后,對管道內部積垢進行了清理,對 損壞的絲堵及墊片進行了維護。回裝復位后,對空冷器進行了氣密性試驗,無泄漏情況發生,達到繼 續使用條件。

  5 對比分析

  ②、 ③、④區域屬于高流速區,①、⑤區域屬于低流速 區。低流速區域更容易發生結垢而產生垢下腐蝕和 局部沖蝕,因此預測:①、⑤區域是腐蝕發生高概 率區域,其次是②、④區域,最后是區域③。 渦流及內窺鏡抽樣檢測結果,空冷器 中心線兩側的腐蝕發生概率與預測結果基本一致: ①>②>③,⑤>④>③。但中心線的左側腐蝕明顯嚴重于中心線右側:①>⑤,②>④。這主要與天然氣的流動方向由右到左有關,左側工藝管道的流速更低,天然氣中的重組分在左側更容易發生沉積而結垢,進而發生腐蝕。

  化工論文投稿刊物:《化工進展》是由中國科學技術協會主管,由中國化工學會、化學工業出版社共同主辦,化學工業出版社出版,國內外公開發行,為技術信息型刊物。

  6 結論

  針對空冷器翅片管束數量大,檢測和維修相對 復雜等問題,用 CFD 技術模擬仿真介質在空冷器 中的流動狀態,停產檢修期間采用抽樣檢測代替全 面檢測,減少了檢測維修工作量和停工時間。渦流 檢測及內窺檢測結果表明空冷器壁厚損失率在可接 受范圍內,最小壁厚校核結果滿足要求。此外,模 擬仿真和實際檢測結果表明,管束內氣體流速較低 的管道內更容易結垢,造成局部腐蝕,也驗證了采 用 CFD 模擬仿真方法對空冷式換熱器管束抽樣檢 測的可行性。

  參考文獻

  [1] 張延豐,壽比南,鄒建東,等.熱交換器:GB/T151─ 2014[S].中國標準出版社,2015:11-24. ZHANG Yanfeng, SHOU Binan, ZOU Jiandong, et al. Heat exchanger: GB/T151—2014[S]. China Standards Press,2015:11-24.

  [2] 蔣翔,李曉欣,朱冬生.幾種翅片管換熱器的應用研 究[J].化工進展,2003,22 (2):183-186. JIANG Xiang,LI Xiaoxin,ZHU Dongsheng.Study on the application of several finned tube heat exchangers[J]. Progress in Chemical Engineering,2003,22 (2):183-186.

  [3] 劉紀福.翅片管換熱器的原理與設計[M].哈爾濱:哈爾 濱工業大學出版社,2013:42-43.

  作者:李虎 馮學章 呂小明 董江潔 饒彬源 韓英澤 劉俊麟

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