唐晓旭，于凤昌，高芒来，张宏飞

(1.中国石油大学(北京)理学院，北京 102249;2.中石化洛阳工程有限公司，河南 洛阳 471003)

在炼油行业中，石化装置的冷换设备在工艺设备总量中占较高比例，而空冷器作为冷换设备中的关键设备之一，占有其1/3以上的比例[1-2]。空冷器是利用空气作为冷却介质将工艺介质(热流体)冷却到所需温度的设备。由于空冷器具有节约工业用水和避免环境污染的显著优势，在国内已经广泛使用40多年。近年来随着原油的劣质化，空冷器的腐蚀问题日益凸现，经常是开工后不久空冷器的管束就开始出现腐蚀减薄或穿孔现象。其腐蚀问题已经严重威胁到装置的安全生产。

随着计算流体力学 (CFD)技术的迅速发展，通过CFD模拟的方法获取流体内部速度场、温度场等信息成为可能。对空冷器内流体流动状况进行数值模拟，可预测出不同条件下空冷器内流体流动特性和流动的细节。根据流体流动细节进行腐蚀分析，进而能够预测出空冷器内易腐蚀位置和腐蚀面积最大部位。这在很大程度上弥补了测试手段受限的不足，为炼油行业空冷器的防腐蚀研究提供了一种新的有效的研究手段。

1 空冷器腐蚀现状分析

1.1 HCl-H2S-H2O体系腐蚀

油气经过空冷器时，由于温度降低必定有部分气体要凝结为液体，同时其所含的水蒸气凝结为液态水。HCl和H2S气态物质在发生相态变化之前对空冷器的腐蚀性是比较轻微的，当发生相态变化再加上存在冷凝水后，就会形成较强的HCl-H2S-H2O体系腐蚀环境，对空冷器腐蚀性较大。尤其以气液两相转变的部位，即“露点”部位腐蚀最为严重。

HCl-H2S-H2O体系腐蚀环境中起主导作用的是HCl腐蚀[3-4]。HCl主要由原油中的氯盐水解产生的。原油电脱盐是减少氯离子来源、降低轻油部位腐蚀的根本性措施。加强优化现有的电脱盐技术，提高原油脱后含盐达标率，能有效的降低HCl-H2S-H2O腐蚀环境中HCl浓度，减缓常顶系统的腐蚀速率，是解决冷凝冷却系统腐蚀的最直接有效手段。然而当前各个炼油企业加工的原油质量越来越差，高酸和高硫原油的加工量明显增加，这给电脱盐操作带来了较大的困难。此外，加工的原油往往是几种不同原油的混合油，比例不确定，性质不稳定，这就进一步造成原油电脱盐合格率下降。原油在加热过程中，氯化物水解产生大量的HCl，形成腐蚀性较强的稀盐酸环境，加快了空冷器的腐蚀速度，造成空冷器管束失效。

1.2 流体冲刷腐蚀

流体冲刷腐蚀造成空冷器管壁减薄或穿孔是空冷器腐蚀的另一个重要因素[5-7]。冲刷腐蚀又称为磨损腐蚀，是一种危害性较大的局部腐蚀，具有普遍性。冲刷腐蚀通常与介质的腐蚀性和流体的流动状况有关，容易发生在空冷器结构突变处，如空冷器翅片管的入口端、出口端、不锈钢衬管尾部等处。

某公司异构脱蜡装置空冷器的管束发生了爆管情况，于江林[8]等人针对高压空冷器的爆管管束残骸进行了失效分析，正下方有明显的减薄现象，如图1所示。分析表明:管束内壁受到介质的冲刷腐蚀，管壁减薄到一定成度后发生了爆管事故。原因是空冷器管束结构不合理，在入口管两侧容易形成涡流，涡流区内介质存在较大的冲击动量，易造成管束内壁的冲击腐蚀;同时，涡流速度的方向与管箱平行，具有较强的剪切冲刷作用，造成管束入口与管板胀接处的剪切腐蚀。

图1 管束减薄情况Fig.1 The state of inner crashed tube of air coolers

合肥通用机械研究所对某厂腐蚀严重的空冷器翅片管管束解剖分析报告表明[9]，空冷器内壁有明显的大面积冲刷腐蚀痕迹以及由此造成的列管内壁单侧腐蚀减薄，图2－3分别为翅片管轴向、纵向解剖图[9]。

图2 翅片管轴向解剖Fig.2 The axial section of finned tube

图3 翅片管纵向解剖Fig.3 The longitudinal section of finned tube

冲蚀导致的空冷管束泄漏、爆管等事故是装置运行的重大隐患[10]。但是由于冲蚀的影响因素很多，加之各装置工艺流程、操作条件、腐蚀性介质浓度等存在差异，空冷器管束的腐蚀减薄、泄漏的位置和形貌往往各不相同。这也是目前空冷器防腐工作的一个难点。

2 CFD在空冷器防腐中的研究进展

采用传统的分析检测手段难以做到准确判断局部的非均匀腐蚀位置，露点温度区域可以通过计算得出，但是不够准确，可靠性不高。CFD方法为解决流动与换热问题提供了一种技术手段[11-13]，同时CFD数值模拟为防腐蚀研究提供了一种新方法。一般来说，腐蚀过程受腐蚀介质流速、温度、压力等条件的影响很大，而这些因素又很难直接由腐蚀过程观察与测量得来。而模拟实验研究的环境和工业环境之间还有很大差别，且多数实验只是进行定性分析，结果可信度不高[14]。因此CFD的引入，在一定程度上弥补了防腐蚀工作的不足。

目前在空冷器防腐方面，已有学者将CFD方法引入到研究中来，尽管起步较晚，已初步取得了一定的成果。代真，郝晓军[15]针对空冷器管束因冲蚀破坏引起的泄漏事故，采用CFD软件对空冷器管束内流体的流动进行了模拟。模拟过程采用标准 k-ε湍流模型及 SIMPLEC算法，认为壁面剪切应力是管道冲蚀的主要原因，其次流型与速度梯度也会造成影响。此项研究一方面对延长空冷器的寿命及其计算提供依据;另一方面也证实了CFD模拟对空冷器管束冲蚀预测是有效和准确的，为以后的研究提供了一个可靠的研究工具。

偶国富等人[16]以实际工况下多相流介质的物性参数为基础，采用计算流体力学方法对反应流出物空冷器进行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，根据剪切应力的分布规律可预测冲蚀破坏的危险点。该方法是在理论分析、实验研究的基础上，采用CFD数值模拟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，为高压空冷器防腐蚀研究提供了新技术。

刘伟，宣征南[17]采用 CFD方法，基于 FLUENT平台对加氢裂化装置空气器管束入口衬管的直角尾部结构对流动的影响进行了数值分析。结果表明尾部直角结构使流体在该处产生漩涡，并对下游一定区域造成影响，在衬管尾部后区域产生的高剪应力区加强了流体对换热管壁的冲刷作用。该模拟结果与理论分析是一致的，证实了CFD结果的可靠性。同时，他们又对45°倒角及1∶10锥度的衬管尾部结构进行了模拟。通过对比分析表明，45°倒角和1∶10锥度过渡结构比直角结构更合理，其中1∶10锥度过渡结构最佳。这个研究结果对空冷器衬管结构的优化发挥了指导作用，具有一定的参考价值。

朱良，郭志平[18]针对原丘东采油厂干湿联合空冷器，应用有限元分析软件Ansys对空冷器进行分析，获取空冷器的温度场分布云图，找出了原有设备弊端。同时也完成了新的设计方案中干湿管式联合式空冷器的翅片管入口处热应力场、热场分析及管内流体热流耦合场的有限元分析，验证了新设计方案的可行性。

偶国富等[19]为了探究加氢裂化空冷管道内流场和温度场分布规律，在流动传热耦合分析的基础上，采用有限元方法模拟空冷管道内湍流流动与对流传热过程的结果表明，管道壁面处存在速度和温度边界层，有着较大的速度梯度和温度梯度。

从以上资料可以看出，学者们的研究方向主要体现在空冷器的管束失效分析问题、空冷器的腐蚀机理探究和空冷器结构的优化方面等。引进了CFD研究方法后，依然是从流动场分布方面对空冷器腐蚀问题研究较多，并且以研究空冷器的冲刷腐蚀居多，而涉及空冷器内部流体流动、温度分布规律及换热情况分析的较少。

3 总结

将CFD方法应用到空冷器的防腐蚀工作中是一种趋势，借助于CFD方法对流体流动过程进行数值模拟，经过数值计算流动、换热等细节，模拟实际中难以控制的腐蚀过程，得出流动场、温度场等变量的分布情况，有助于我们更加深刻地理解造成空冷器腐蚀的原因与机理。同时能够在腐蚀发生之前，通过CFD模拟计算，明确露点位置，分析空冷器的冲蚀规律，找出空冷器的最薄弱位置和预测管束的腐蚀速率，为优化空冷器设计及工艺防腐提供可靠的理论依据。由于CFD相对于实验研究，具有成本低、速度快、资料完备、模拟真实及条件理想等优点，作为研究流体流动的新方法，CFD必将在防腐领域发挥更大的作用。

目前CFD的发展还不够成熟，许多复杂的湍流现象及反应，很难找到合适的模型，这需要研究人员根据研究对象认真地选择合适的CFD软件及物理模型。

[1]任忍奎，赵达生.常减压塔顶冷凝系统的腐蚀与防护[J].石油化工腐蚀与护，1998，15(4):9-11.

[2]刘香兰，王颖.常压塔顶系统腐蚀原因分析及对策[J].全面腐蚀控制，2011，25(1):26-30.

[3]吕华.常减压蒸馏装置工艺防腐蚀技术进展[J].腐蚀与防护，2000，21(7):313-314.

[4]李凤安.常压塔顶空冷器的腐蚀与防护[J].价值工程，2010(4):55.

[5]庞剑锋，王乐勤，杨健，等.石油管道插入构件流场的CFD模拟及冲蚀预测[J].能源工程，2005，(1):16-19.

[6]郑玉贵，姚治铭，柯伟.流体力学因素对冲刷腐蚀的影响机制[J]. 腐蚀科学与防护，2000，12(1):36-40.

[7]Zhen Dai，Shen Shiming.Effect of hydrodynamic factors on erosion-corrosion destroy and structure optimization of high pressure air cooler tubes[J].Journd of Pressure Equipment and Systems 2006(4):37-41.

[8]于江林，孟庆武.高压空冷器管束爆管的失效分析[J].化工机械，2009，36(5):489-490.

[9]高原，张荣仁.加氢裂化在役高压空冷器翅片管束的涡流检测[J]. 无损检测，2010，32(4):289-291.

[10]偶国富，詹剑良.加氢高压空冷器全流场数值模拟和冲蚀预测[J]. 炼油技术与工程，2011，41(10):34-35.

[11]王福军.计算流体力学分析—CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社，2004.

[12]B Bozzini，E Marco.Evaluation of erosion-corrosion in multiphase flow via CFD and experimental analysis [J].Wear，2003:255-237.

[13]Qi Ruifeng，Ng Dedy，Benjamin R.Cormier，M.Sam Mannan.Numerical simulations of LNG vapor dispersion in Brayton Fire Training Field tests with ANSYS CFX [J].Journal of Hazardous Materials 2010(183):51-61.

[14]张宏飞，于凤昌.CFX数值模拟在防腐领域的应用[J].全面腐蚀与控制，2012，26(3):8-12.

[15]代真，郝晓军.空冷器冲刷腐蚀的流动仿真[J].炼油技术与工程，2008，38(8):52-54.

[16]偶国富，李鹏轩.REAC出口管道结构优化的数值模拟[J]. 浙江理工大学学报，2009，26(3):364-367.

[17]刘伟，宣征南.加氢裂化装置空冷器管束衬管结构的优化设计[J]. 石油炼制与化工，2009，40(1):48-51.

[18]朱良，郭志平.基于有限元分析软件 ansys下的干湿管式联合式空冷器内温度场的分析[J].化学工程与装备，2010，(6):49-50.

[19]偶国富，曹晶.加氢裂化空冷管束流动传热的耦合模拟[J]. 炼油技术与工程，2010，40(11):42-45.