REAC出口管道结构优化的数值模拟

浙江理工大学学报，第 26卷，第 3期，2009年 5月 Journal of Zh~iang Sci—Tech University Vo1．26，No．3，M ay 2009 文章编号：1673-3851(2009)03—0364 06 R EAC出口管道结构优化的数值模拟 偶国富，李鹏轩，裘 杰，王艳萍，许根富 (浙江理工大学机械与 自动控制学院，杭州 310018) 摘 要 ：针对加氢反应流出物空冷器(REAC)出口管道系统的失效案例， 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 出口管道 系统的冲蚀机理及影响 因素。以实际工况下多相流介质的物性参数为基础，对 REAC出口管道进行 CFD数值模拟，依据管壁剪切应力分 布规律进行工程测厚 ，测得的冲蚀减薄量与仿真结果基本吻合 ，模拟冲蚀试验进一步验证了数值模拟的准确性。最 后 ，用该方法对等径弯管和盲三通等结构进行模拟，可知采用等径弯管(DN100 mm)代替盲三通(DN1O0 mm)，可有 效提高管道的抗冲蚀能力。 关键词 ：REAC出口管道；冲蚀失效；数值模拟；结构优化 中图分类号：TQO55．8；TE986 文献标识码：A 0 前 言 自加氢工艺投用以来，加氢反应流出物空冷器(reactor effluent air coolers，REAC)系统腐蚀导致装置 失控的事故频繁发生，损失惨重。近 1O年来，随着我国重质、高硫原油加工量的不断增加，金陵、镇海、茂名、 齐鲁、扬子、金山等石化公司的REAC管束及出口管道系统也相继出现了泄漏、爆管事故，成为影响装置安 全运行的瓶颈[1]。受腐蚀性多相流介质的冲蚀作用，REAC出口管道系统中部分管件冲蚀速率较高，主要集 中在弯管、三通等典型管件的局部区域。通常采用管道壁厚的增加或材质的升级等手段来延长管道系统的 使用寿命，但因 REAC系统的腐蚀机理复杂，这种方法并不能从根本上解决腐蚀失效问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，且成本较高。目 前国内外有关 REAC管束和管道冲蚀失效的研究报道很多，但很少涉及冲蚀失效的定量分析研究_2 ]，因 此，无法从本质上预防冲蚀失效的发生。 本文结合 REAC系统的实际运行工况，在冲蚀机理研究的基础上对 REAC出口管道系统进行 CFD模 拟，主要考察管道结构的变化对管道内壁流体动力学参数分布规律的影响，目的在于优化管道结构，提高管 道系统长周期运行的可靠性。 1 冲蚀机理及影响因素分析 冲蚀是金属 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面与腐蚀性流体之间相对运动而引起的材料腐蚀失效现象，是腐蚀与流动耦合作用的结 果[5 ]，其典型机理为：金属表面在介质的腐蚀作用下形成腐蚀产物保护膜，在流体流动过程中，局部腐蚀产 物保护膜被冲破，在破损的局部位置金属母材再次发生化学(电化学)作用生成保护膜。依此反复作用，形成 一 个自催化加速腐蚀过程，直至金属腐蚀穿孔。冲蚀失效影响因素较多，其中介质的腐蚀特性和流动特性是 两个关键因素，针对具体的腐蚀性介质开展流动分析有望实现冲蚀失效的定量分析与工程预测。 冲蚀破坏的力学模型主要研究腐蚀工况下保护膜与管壁的结合作用和流体流动对保护膜的冲刷作用， 其平衡点就是冲蚀破坏的临界点。在管道内壁面上，冲蚀应满足的力学作用条件是：当流体流动产生的壁面 收稿 日期：20O8—10—22 基金项目；国家 自然科学基金(20576125)；浙江省重大科技 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 项 目(2006C13063) 作者简介：偶国富(1965一 )，男，江苏太仓人，教授，博士生导师，主要从事流动腐蚀、失效预测及安全保障技术研究。 第 3期 偶国富等：REAC出口管道结构优化的数值模拟 剪切应力大于腐蚀产物保护膜与管壁的结合力时，保护膜被冲破，形成严重的冲蚀破坏；反之，则不会发生冲 蚀失效。因此，局部壁面剪切应力大的区域，保护膜容易被冲破，是管道系统冲蚀预测与优化设计关注的 焦点。 2 数值计算 2．1 物理模型及控制方程 REAC出口管道的几何模型如图 1所示，其包括的典型管件有：弯管 1～3，三通 A，B，C及异径管 a、b。 其余管件为直管(其长度分别用符号L 、Lz、L。、L 、L 表示)，共有 8处，前 6处以过三通 C中点的横截面为 中心，对称分布。管件剖视图如图 2所示，图中符号 D、d为弯管、三通及直管的外径和内径，D。、D ( 、d ) 为异径管两端的外径(内径)， 为管件壁厚，r为弯管的曲率半径。反应流出物经空冷器流人弯管 1、2，分别 经过盲三通 A、B及异径管 a、b汇集到三通 C，再经弯管 3流到下一级管道。 唾 · 异径管 直管 图 1 REAC出口管道几何模型 图 2 管件结构剖视图 加氢反应流出物介质为氢气、生成油和水等组成的多相流，本文是一个三维稳态不可压缩常物性条件下 的多相流湍流模型。由质量守恒定律，建立连续方程： (JD)+ ·( )一 0 (1) 式中， 为质量平均速度；．D为混合相密度，求解如下： p一22piXi (2) 式中懈 为各单相密度， 为各单相体积相分率。 由动量守恒定律，建立动量方程： ( )+ ’( )一～vp+pf (3) 式中，P为压力； 为流体微团受到的体积力。 根据流动模式理论，将以上多相流湍流模型转化成带有修正系数的湍流模型求解。含有流场附加应力等 效项的k—e方程分别为_7]： O(p尼)+ ( z)一刍[( + )差]+ + —P￡一yM (4) 8 -- - (Pe)c3t-~-8@i(peui)一蠢『( + )骞]+c ( +C3 G )一C2 ID (5) 式中，k为湍动能；e为湍动耗散率； 为由层流速度梯度产生的湍流动能； 为由浮力产生的湍流动能 为由可压缩湍流过渡的扩散产生的波动；C 、C。和 分别是常量； 为k方程的湍流Prandtl数； 为e方 程的湍流 Prandtl数。 主要常量取值为：C1 一 1．44，C2 一1．92， 一 0．09，O'k一 1．0，O'e一 1．3。 湍流速度 U 为： “ 一 k。／e (6) 366 浙 江 理 工 大 学 学 报 2009年 第 26卷 其中， 是常量。 ． 采用有限体积法离散方程(1)和(2)[8_9]，通过数值计算得出湍流场速度、压力等分布结果，进而获得管道 内壁边界层的剪切应力、相分率等流体动力学参数的分布规律。 2．2 数值方法及边界条件 速度和压力的耦合问题采用 SIMPLEC算法处理口叩；流动项离 散采用二阶迎风格式；扩散项采用中分差分格式(CD)。由于计算 区域存在气态和液态介质，且视之为不可压流体，故选用分离式求 解器L9』。 计算边界条件定义如图 3所示：采用速度进口、压力出口方式。 其中，进口流速为 ，壁面流速为 出口压力为P。“。 。 3 工程应用 图 3 计算模型 以某石化企业 REAC出口管道系统为工程实例：管件材质为20#碳钢，直管段长度 L ～Ls分别为1_2、 2．16、0．75、2．0、l_2 m，主要管件尺寸见表 1。表 1中，弯管曲率半径 r为 1．5DN(DN为公称直径)。 (内 径)一D(外径)--28(壁厚)，外径和管件壁厚查压力管道标准所得[1 。在数值模拟计算之前，对网格无关性 进行考核，采用 3套网格进行计算。3套网格主要区别在于横界面的节点数是相同的，但轴向上网格分布不 同，其中单套网格轴向上典型管件区较密，直管段较疏。计算结果见表 2。由结果分析可知：最大剪切应力 的相对偏差最大值为 4．2 9／6。本文采用网格 Ⅱ进行计算，边界条件为：速度进口为6．857 m／s、壁面流速为0， 压力出口为0，此处的压力值为相对压力值，相对于参考压力而言。 表 1 典型管件的结构尺寸 表 2 不同网格的计算结果 管件类型 内径 d／mm 弯管 1、2 弯管 3 盲三通 A、B 三通 C 异径管 a、b 87 132 132 132 87×132 3．1 管道 CFD计算 选择典型工况和操作参数，运用石油化工工艺过程模拟软件 HYSYS，采用逆推法进行仿真计算，得到 出口管道腐蚀性多相流介质的物性参数，仿真结果见表 3。 根据仿真计算所得的物性参数，运用 Fluent软件对出I21管道局部区域进行整体仿真建模与计算，得出 管道内壁剪切应力分布规律，如图4所示。其中盲三通A、B的最大剪切应力为 19．2 Pa，三通 C的最大剪切 应力值为 17．3 Pa，其余管件的最大剪切应力值均小于 12．5 Pa。 表 3 多相流介质的物性参数 图4 REAC出口管道剪切应力分布图 叭 们 们 们 们 仉 们 蚋 们 们 ∞ 加 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 加 ∞ ¨ ∞ 軎} ‰ 协；眷踟恤№ ‰‰ 宴l軎； —。 雩一g⋯鬻一 爨器爨 霉■-_ 第 3期 偶国富等：REAC出口管道结构优化的数值模拟 3．2 工程测厚 针对 3．1中各管件内壁最大剪切应力的分布规律，进 行相应局部区域的工程测厚。三通 A，B及三通 C内壁最 大剪切应力比较大，表现出较为明显的减薄；而其余管件最 大剪切应力相对较小，无明显减薄。将仿真结果和工程测 厚得到的管壁减薄量进行比较(如图 5)，可以得出：管壁的 减薄与管件内壁最大剪切应力密切相关，冲蚀失效具有临 界特性，实际工况下的临界剪切应力应该在 12．5～17．3 Pa 之间。 3．3 试验验证 三通 三通 三通 弯管 弯管 弯管 异径 异径 A B C 1 2 3 管a 管b 口最大剪切应力， 团减薄量 图 5 剪切应力与管壁减薄量之间关系 g 皴 利用旋转式模拟冲蚀试验台l1 ，借助电化学测试方法， 采集现场腐蚀性介质对工作电极(20号碳钢试样，与实际工程母材一致)进行预膜，在工作电极表面形成一 层与实际腐蚀产物相同的保护膜。调整电机转速控制流体的流速。根据恒电位仪捕捉腐蚀产物保护膜破坏 的临界电流确定临界流速，然后由临界流速分析出冲蚀破坏的临界剪切应力。试验结果表明：当转速到 450 r／min时，电流突然增大(如图6)，表明此时腐蚀产物保护膜已被流体冲破，露出碳钢基体。 确定边界条件(速度进口，压力出口)和初始条件(从速度进 口开始计算)后，输人试验介质的物性参数， 设定电机转速为冲蚀失效的f临界流速 450 r／min，进行仿真计算。计算结果如图 7所示，试件冲蚀失效的壁 面临界剪切应力在 15．2～15．8 Pa之间，该结果与测厚所得结果基本吻合。 裹 时间／s ∞ 1 37e‘01 t 30e~O1 l5e·0' ∞ e·0- Be·0o 口 e·o0 2Oe·0o 7Be●OO 04e·0o 3弛 ·∞ 8Be·Oo a 0- 图 6 电流变化曲线 图 7 试验装置壁面剪切应力分布 3．4 管道结构优化计算 工程测厚和试验验证证明了仿真结果的可靠性，本文进一步利用该方法对管道壁面剪切应力较大区域， 即盲三通 A、B至三通 C段，提出3种 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 对盲三通 A、B进行结构优化改造。 替盲 DN1 。。 00 150 mm 5DN 替盲三通； 裹 b)以 × ，曲率半径r为1． 的异径弯 翳 管代替盲三通，并将异径管 a、b换成直管(DN150 mm)； 通，并将异径管a、b(型号为DN1O0×150 mm)换成直管(型 霪 号为DN150 mm)。 霾 以上3种改造方案的管道内壁剪切应力分布规律如图 - 8～图 1O所示，具体数据见表 4。 ■ 最大剪切应 力值10．2 Pa 最大剪切应 力值2．59 Pa ． 。 最大剪切应 力值2．59 Pa 臻_l |■ 罨 薯。§嚣强毪 譬 l蕾毒嚣 图 8 改造方案一的剪切应力分布图 5 4 4 3 3 2 2 1 l O O 加 8 4 0 日d／ 堪 埘椭枷椭埘埘椭瑚m瑚瑚栅瑚瑚瑚枷瑚埘椭删埘 ‰ 368 浙 江 理 工 大 学 学 报 2009年 第 26卷 A 最大剪切应 力值l3．2 Pa 最 剪切应 c 力值1．32 Pa ‘ i'z B 最大剪切应 力值1．32 Pa 图 9 改造方案二的管道剪切应力分布图 由图 8～图 1O及表 4可知，上述三种管件结构与 改造前相比，管道整体内壁的剪切应力均有不同程度的 减小。改造方案一，整个出口管道系统内壁最大剪切应 力都远小于临界剪切应力值(15．2 Pa)，可有效减缓管 道系统冲蚀失效；改造方案二，盲三通 A、B的壁面最大 剪切应力远小于临界值，三通 C的内壁最大剪切应力 值(13．2 Pa)略小于临界值(15．2 Pa)，因临界剪切应力 b m 最大剪切应 力值11 0 Pa 最大剪切应 力值l4．7 Pa 最大剪切应 力值l4．7 Pa 图 1O 改造方案三的管道剪切应力分布图 表 4 三通 A、B、C段最大剪切应力变化情况 方案 值存在一定的误差，所以此处存在发生冲蚀的可能性，需进行实施监控；改造方案三，盲三通 A、B的最大剪 切应力值(14．7 Pa)稍小于临界值(15．8 Pa)，该部分管件发生冲蚀的可能性较大，需对其进行重点监控。比 较三种优化改造方案，方案一最为可靠，可有效延长管道的使用寿命，方案二和方案三虽能降低管件壁面最 大剪切应力，但存在一定的风险l生。 4 结 论 a)反应流出物对 REAC管道系统的冲蚀与介质的物性、管道材质、管道结构及介质流动特征等因素有 关。通过 CFD仿真分析，可实现 REAC出口管道系统的冲蚀预测。 b)实际 REAC管道系统局部减薄甚至穿孔的位置通常发生在剪切应力最大的区域，因此，根据剪切应 力的分布规律可预测冲蚀破坏的危险点。 ． c)当最大内壁剪切应力超过临界剪切应力(15．2～15．8 Pa)时，就会发生冲蚀失效。REAC出口管道系 统 CFD仿真计算、工程测厚与模拟冲蚀试验结果基本吻合，验证了冲蚀预测的正确性。 d)在相同运行工况下，以满足工程需要为前提，改变管件结构，能有效避免管道系统的冲蚀。在 REAC 出口管道系统中，采用等径弯管(DN100 mm)代替盲三通 A、B(DNIO0 mm)可有效降低冲蚀失效的风险。 以上结论是针对特定工况、典型装置而言，对于其他类似管道系统的冲蚀失效分析与优化设计可参照本 文的研究方法。 参考文献： [1]偶国富，王乐勤，杨 健，等．加氢裂化在用反应流出物空冷器管束的检验[J]．压力容器，2003，11(11)：43—45． [2]American Petroleum Institute．A study of corrosion in hydroprocess reactor effluent air cooler systems[M]．Washington D C：API Publication 932一A，2002． [3]雍兴跃，林玉珍，刘景军，等．碳钢在管流体系中的流动腐蚀动力学模型[J]．化工学报，2002，53(8)：787—792． [4]刘景军，林玉珍，田兴玲 ，等．碳钢在固／液两相流条件下流动腐蚀的数值模拟口]．化工学报，2004，55(2)：231--236． r5]Pierre R Roberge Erosion-Corrosion[M]．Houston，Texas：NACE Press，2004：7—28． [6]雍兴跃，林玉珍．流动腐蚀研究的新进展[J]．腐蚀科学与防护技术 ，2002，14(3)：129． [7]Fluent Inc．FLUENT User’S Guide[M]．USA：Fluent Inc，2003． r8]Fluent Ine．FLUENT User Defined Function Manuall,M]．USA：Fluent Inc，2003． 棚埘埘埘棚棚埘瑚埘棚埘椭瑚瑚埘椭棚棚邶埘 m ■曩露露嚣 豢萎鼗曩骚 辫■■-■ 第3期 偶国富等：REAC出口管道结构优化的数值模拟 369 [9]王福军．计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M]．北京：清华大学出版社，2004：160--223． Elo]Patanker S V。Spalding D B A calculation processure for heat，mass and momentum transfer in three-dimensional para bolic flowsEJ]．Int J Heat Mass Transfer，1972(15)：1787—1806 [11]GB12459--1990，钢制对焊无缝管件[s]． [12]偶国富，金浩哲，王立凯 ，等．一种旋转式单相流冲蚀试验装置：中国，ZL200720107048．8Ep]．2008--02--06． NumericaI Simulation of the Reac O utlet Pipel ine Structure Optimization OUGuo-y．，LIPeng-xuan，QIUJie，WANG Yah—ping，XUGen-fu (School of Machinery＆ Automation。Zhejiang Sci—Tech University，Hangzhou 310018，China) Abstract：In view of the real case that the hydrocracking Reactor Effluent Air Coolers(REAC)outlet Dipeline svstern often failed，the erosion mechanism is researched and the key influence factors are analyzed based on the actual physical parameters of reactor effluent on actual operating condition．The shear stress is obtained by numerical simulating the outlet pipeline of REAC system using the software CFD．Accord— ing to the distribution of wall shear stress，the pipeline’s thickness is measured and the results conform to the shear stress mostly．The experiment that simulates the actual operating mode condition is carried out and the critical shear stress under experimental circumstances is simulated by CFD． The value is in line with that Oil actual operating condition，which further validates the accuracy of numerical simulation and the engineering measure of thickness．Adopting that method to simulate the structure optimization of el— bow & blind tee。the results show that applying the equant elbow (DNIO0 ram)instead of the blind tee (DN1 00 mm)can avoid the erosion failure in the pipeline system effectively． Key words：REAC outlet pipeline；erosion failure；numerical simulation；structure optimization (责任编辑：杨元兆)