新疆油田公司采氣一廠

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(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。如圖1 所示。

圖1 空冷器三維模型Fig.1 Three dimensional model of air cooler

2 計(jì)算模型

2.1 數(shù)學(xué)模型

流體計(jì)算采用雷諾時(shí)均N-S 方程[4-7]，表達(dá)式如下：

雷諾應(yīng)力的具體計(jì)算方法如下：

式中：τij為雷諾應(yīng)力，Pa；νt為邊界速度，m/s；μt為湍流黏性系數(shù)；k為湍動(dòng)能，J；ε為耗散率。k和ε采用下面輸運(yùn)方程求解：

式中：Pk為湍動(dòng)能生成項(xiàng)；σk和σε為k和ε的湍流普朗特?cái)?shù)；c1和c2為模型系數(shù)[4]。

2.2 數(shù)值模型

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，結(jié)果如圖2。從仿真結(jié)果可以看出[8-10]，天然氣通過工藝管道進(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（圖2a 所示），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（圖2b所示）。

圖2 空冷器模型計(jì)算結(jié)果Fig.2 Calculation results of air cooler model

空冷器管束本體的腐蝕大多來自因偏流導(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)，如圖3 所示。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)，抽樣和檢測(cè)結(jié)果見圖3。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)。

圖3 管束抽樣位置及檢測(cè)結(jié)果示意圖Fig.3 Schematic Diagram of sampling location and inspection results of tube bundle

如圖4 所示，內(nèi)窺鏡檢測(cè)結(jié)果表明存在附著物堆積、金屬沉積物問題，通過對(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)拆裝過程中也存在絲堵及墊片損壞的情況。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及維護(hù)Fig.4 On-site inspection and maintenance

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)?；匮b復(fù)位后，對(duì)空冷器進(jìn)行了氣密性試驗(yàn)，無泄漏情況發(fā)生，達(dá)到繼續(xù)使用條件。

5 對(duì)比分析

根據(jù)圖2 的CFD 模擬仿真結(jié)果，圖3 中的②、③、④區(qū)域?qū)儆诟吡魉賲^(qū)，①、⑤區(qū)域?qū)儆诘土魉賲^(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。

如圖3 的渦流及內(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。

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。