摘要：在石油天然氣與化工工藝處理過(guò)程中，空冷式換熱器是重要的設(shè)備之一，具有工作壓力高、介質(zhì)流速快、管束數(shù)量多、外部帶翅片、檢測(cè)和維修復(fù)雜等特點(diǎn)。采用 CFD 技術(shù)模擬仿真 介質(zhì)在空冷式換熱器中的流動(dòng)狀態(tài)，在停產(chǎn)檢修期間采用抽樣檢測(cè)代替全面檢測(cè)，可減少檢測(cè) 維修工作量和停工時(shí)間，降低密封件拆裝對(duì)設(shè)備造成的損壞。模擬仿真和實(shí)際檢測(cè)結(jié)果表明， 管束內(nèi)氣體流速較低的管道更容易結(jié)垢，造成局部腐蝕。采用 CFD 模擬仿真技術(shù)對(duì)空冷式換熱器管束抽樣檢測(cè)具有可行性。

　　關(guān)鍵詞：CFD 技術(shù);模擬仿真;空冷式換熱器;管束;抽樣檢測(cè)

　　空冷式換熱器 (以下簡(jiǎn)稱空冷器) 是石油天然 氣與化工工藝處理過(guò)程中重要的設(shè)備之一[1-3] 。空冷 器主要由管束、通風(fēng)機(jī)和構(gòu)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(kuò)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(cè)手段以渦流探傷和 內(nèi)窺鏡為主，由于管束數(shù)量較多，全面檢測(cè)不僅工 作量大，密封件拆裝還會(huì)對(duì)設(shè)備造成損壞，因此現(xiàn) 場(chǎng)檢測(cè)擬采用抽樣檢測(cè)的方法對(duì)翅片管進(jìn)行檢測(cè)。 另外，工程經(jīng)驗(yàn)表明流場(chǎng)對(duì)腐蝕有減弱或加強(qiáng)作用，尤其對(duì)于高速流動(dòng)設(shè)備，流場(chǎng)影響尤為明顯。 借助計(jì)算流體模擬仿真軟件 Flow Simulation，通過(guò) 建立空冷器的三維模型，模擬空冷器內(nèi)部流場(chǎng)分 布，預(yù)測(cè)腐蝕發(fā)生部位，為空冷器抽樣檢測(cè)提供 指導(dǎo)。

　　1 建模

　　以 某 油 氣 田 的 壓 縮 機(jī) 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(zhǎng)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(jì)算模型

　　以天然氣作為計(jì)算介質(zhì)，根據(jù)天然氣流經(jīng)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(jì)算域。由于計(jì)算區(qū)域模型比較復(fù)雜，故采用適應(yīng)性強(qiáng)的四面體網(wǎng)格離散計(jì)算區(qū)域 模型，計(jì)算網(wǎng)格數(shù)約 10 萬(wàn)個(gè)。在計(jì)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(shè)置為無(wú)滑移壁面。

　　3 仿真計(jì)算結(jié)果及分析

　　根據(jù)上面建立的模擬和設(shè)定的邊界條件在軟件 中 進(jìn) 行 計(jì) 算。 從 仿 真 結(jié) 果 可 以 看 出[8-10] ，天然氣通過(guò)工藝管道進(jìn)入空冷器后在空冷 器前管箱內(nèi)產(chǎn)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(dǎo)致管箱內(nèi)該區(qū)域流速相對(duì)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(duì)應(yīng)的位置，其他位置流速相對(duì)較低。

　　空冷器管束本體的腐蝕大多來(lái)自因偏流導(dǎo)致的 高流速?zèng)_蝕和低流速結(jié)垢，尤其是低流速區(qū)的結(jié) 垢。通常境況下，由于管束內(nèi)流體流速快、管徑 小，因此即使管束內(nèi)出現(xiàn)微小結(jié)垢都會(huì)對(duì)管束內(nèi)的 流體產(chǎn)生比較強(qiáng)烈的影響，一般表現(xiàn)為結(jié)垢處出現(xiàn) 垢下腐蝕，結(jié)垢處之后的管束出現(xiàn)嚴(yán)重局部沖蝕 腐蝕。

　　從仿真結(jié)果可以看出，流速最快的是管箱入口 管處，而管箱內(nèi)位于兩個(gè)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(xiàn)了明顯的低 流速區(qū)。相對(duì)于入口管箱，出口管箱處在一個(gè)低流 速分布狀態(tài)，且流速分布也相對(duì)均勻。管束流速分 布則呈現(xiàn)出中間高、兩側(cè)低的特點(diǎn)，尤其在管箱入 口和管箱壁之間的中點(diǎn)位置最低。在管束檢測(cè)中， 應(yīng)優(yōu)先對(duì)低流速區(qū)的管束進(jìn)行檢測(cè)。

　　4 抽樣檢測(cè)

　　針對(duì)管束的管壁減薄采取的主要檢測(cè)技術(shù)是渦 流檢測(cè)和內(nèi)窺鏡檢測(cè)[11] 。根據(jù) CFD 模擬仿真結(jié)果和 分析判斷對(duì)管束進(jìn)行抽樣檢測(cè)。根據(jù) 模擬結(jié)果和管束位置，檢測(cè)分為 5 個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū) 域選擇不同的抽檢比例，具體抽檢方案如下：(1) ①、⑤區(qū)域管束內(nèi)介質(zhì)流速較低，每個(gè)區(qū) 域選取 10 根。 (2) ②、④區(qū)域管束內(nèi)介質(zhì)流速較高，每個(gè)區(qū) 域選取 5 根。 (3) ③區(qū)域管束內(nèi)介質(zhì)流速較高，但由于區(qū)域 較大，故選取 10 根。 根據(jù)前面的檢測(cè)結(jié)果，針對(duì)檢測(cè)出現(xiàn)問(wèn)題的區(qū) 域，就近擴(kuò)大檢測(cè)范圍，檢測(cè)總數(shù)控制在管束總數(shù) 的 30%。 采用渦流檢測(cè)和內(nèi)窺鏡檢測(cè)方法對(duì)管束內(nèi)部進(jìn) 行檢測(cè)。

　　渦流檢測(cè)結(jié)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(jié)果在可以接受范圍內(nèi)。內(nèi)窺鏡檢測(cè)結(jié)果表明存在附著物 堆積、金屬沉積物問(wèn)題，通過(guò)對(duì)積垢進(jìn)行成分分 析，積垢為鐵銹與重油組分的混合物，此外檢測(cè)拆 裝過(guò)程中也存在絲堵及墊片損壞的情況。檢測(cè)完成后，對(duì)管道內(nèi)部積垢進(jìn)行了清理，對(duì) 損壞的絲堵及墊片進(jìn)行了維護(hù)。回裝復(fù)位后，對(duì)空冷器進(jìn)行了氣密性試驗(yàn)，無(wú)泄漏情況發(fā)生，達(dá)到繼 續(xù)使用條件。

　　5 對(duì)比分析

　　②、 ③、④區(qū)域?qū)儆诟吡魉賲^(qū)，①、⑤區(qū)域?qū)儆诘土魉?區(qū)。低流速區(qū)域更容易發(fā)生結(jié)垢而產(chǎn)生垢下腐蝕和 局部沖蝕，因此預(yù)測(cè)：①、⑤區(qū)域是腐蝕發(fā)生高概 率區(qū)域，其次是②、④區(qū)域，最后是區(qū)域③。 渦流及內(nèi)窺鏡抽樣檢測(cè)結(jié)果，空冷器 中心線兩側(cè)的腐蝕發(fā)生概率與預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致： ①>②>③，⑤>④>③。但中心線的左側(cè)腐蝕明顯嚴(yán)重于中心線右側(cè)：①>⑤，②>④。這主要與天然氣的流動(dòng)方向由右到左有關(guān)，左側(cè)工藝管道的流速更低，天然氣中的重組分在左側(cè)更容易發(fā)生沉積而結(jié)垢，進(jìn)而發(fā)生腐蝕。

　　化工論文投稿刊物：《化工進(jìn)展》是由中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主管，由中國(guó)化工學(xué)會(huì)、化學(xué)工業(yè)出版社共同主辦，化學(xué)工業(yè)出版社出版，國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)行，為技術(shù)信息型刊物。

　　6 結(jié)論

　　針對(duì)空冷器翅片管束數(shù)量大，檢測(cè)和維修相對(duì) 復(fù)雜等問(wèn)題，用 CFD 技術(shù)模擬仿真介質(zhì)在空冷器 中的流動(dòng)狀態(tài)，停產(chǎn)檢修期間采用抽樣檢測(cè)代替全 面檢測(cè)，減少了檢測(cè)維修工作量和停工時(shí)間。渦流 檢測(cè)及內(nèi)窺檢測(cè)結(jié)果表明空冷器壁厚損失率在可接 受范圍內(nèi)，最小壁厚校核結(jié)果滿足要求。此外，模 擬仿真和實(shí)際檢測(cè)結(jié)果表明，管束內(nèi)氣體流速較低 的管道內(nèi)更容易結(jié)垢，造成局部腐蝕，也驗(yàn)證了采 用 CFD 模擬仿真方法對(duì)空冷式換熱器管束抽樣檢 測(cè)的可行性。

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　　作者：李虎 馮學(xué)章 呂小明 董江潔 饒彬源 韓英澤 劉俊麟