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石化管道腐蚀问题的数值模拟研究 摘要 近年来石化工业管道事故时常发生，极大地影响了企业的生产和效益。其中， 加氢裂化反应流出物空冷器( 简称r e a c ) 管束冲蚀现象严重，其失效容易引发 恶性事故。现有的研究说明，空冷器的腐蚀受很多因素的影响，其中反应流出物 的运动状况和腐蚀介质的情况是两个关键的因素。但是现有的研究一般只针对腐 蚀现象作了定性的分析，没有很系统的研究流动与腐蚀的定量关系。本文主要针 对空冷器的典型结构元件( 衬管和弯管) 进行了c f d 数值模拟，通过研究管道 内的流动状况与腐蚀情况的关系，对结构进行了优化。本文主要包含以下一些方 面的内容： 1 通过对流体流动与腐蚀情况的分析，得出关于流出物的腐蚀特性，不同工况 及流动特性对冲蚀破坏产生的实际影响； 2 详细探讨和分析了空冷器管束的腐蚀机理，得出的结论与实际腐蚀情况比较 吻合： 3 对几种常见的管道结构进行c f d 模拟，通过分析比较得出比较合适的结构形 式，实现对管道的结构优化； 4 对不同口径的空冷器的出口弯管进行全面的模拟，分析了弯管失效机理，并 比较了不同直径弯管受的腐蚀破坏情况。 本文的主要创新点在于： 1 运用c f d 软件对管道流体进行数值模拟，通过对流体的流动状况及对内壁产 生的作用力等方面进行分析，可以快速而且较准确的预测大概的冲蚀位置： 2 通过对典型部件衬管的几种结构的分析，总结出各种结构的破坏情况，指导 结构优化设计和检测，以达到降低检测成本，延长管道的使用寿命及提高工 作安全性的目的。 关键词：工业管道c f i ) 模拟冲蚀预测 r e s e a r c ho nc f ds i m u l a t i o nf o re r o s i o no fi n d u s t r yp i p e s a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，g r e a ti n d u s t r yp i p e sa c c i d e n t so c c u r r e df r e q u e n t l y ，a n dt h es a f e t yo f t h ew o r k e r sa n dt h eb e n e f i tw e r ea l s oa f f e c t e c li n e v i t a b l y h y c r o g e n a t i o nc r a c k i n g r e a c t i o no u t f l o wa i r - c o o l e r ( r e a c ) p i p e sa l es u f f e r i n gf r o mh i g l lp r e s s u r e 、h y d r o g e n a n ds u c hb a dw o r k i n gc o n d i t i o n s ，s oa c c i d e n t se a s i l ya r i s e s o m er e s e a r c h e ss h o wt h a t t h ee r o s i o nd e s t r o yo fr e a cp i p e sw e r ea f f e c t e db ys e v e r a lc o m p l e xf a c t o r s ，a n dt w o o ft h e m ，f l o wc o n d i t i o no fr e a c t i o no u t f l o wa n dt h ec h a r a c t e r so fc o r r o s i o nm e d i u m w e r ek e yf a c t o r s t h i sp a p e ra i m e da tt y p i c a li n d u s 竹p i p e ss u c ha sl i n e r - p i p e 、e l b o w e t c a n df o c u s e do nq u a n t i t a t i v es t u d ya b o u tt h er e l a t i o nb e t w e e np i p ef l o wa n d e r o s i o nd e s t r o ya n da l s oo p t i m i z et h es t r u c t u r e so fi n d u s t r yp i p e s t h em a i nc o n t e n t s o f t h i sp a p e ra r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 f r o mt h eq u a n t i t a t i v es t u d yo ft h er e l a t i o nb e t w e e nt h el i q u i df l o wa n de r o s i o n c h a r a c t e r s ，a c t u a le f f e c t sm a d eb yd i f f e r e n tf a c t o r ss u c ha st h ec a u s t i c i t yo f r e a c t i o no u t f l o w 、o p e r a t i o nc o n d i t i o n sa n df l o ws t a t u sa r es h o w e dc l e a r l y ； 2 i n v a l i d a t i o nm e c h a n i s mo fr e a cp i p e sw a ss t u d i e d ，a n dt h ec o n c l u s i o n sf i t e r o s i o nr e s u l t s ； 3 v h r o u g ht h es p e c i f i cc o m p a r i s o na m o n gs e v e r a ld i f f e r e n tp i p es t r u c t u r e s ，w es h o w t h em o r er e a s o n a b l eo n ea n do p t i m i z et h e p i p es t r u c t u r e ； 4 e l b o wp i p e sh a v i n gd i f f e r e n td i a m e t e rw e r es i m u l a t e db yf l u e n t , a n dw ed o s o m er e s e a r c ho nt h er e s p e c t i v ee f f e c t sm a d eb yt h e m t h ei n n o v a t i o n si n c l u d e ： 1 t h em e t h o do f p r e d i c t i n ge r o s i o nd e s t r o yo f i n d u s t r yp i p e sw a sa d v a n c e d ，a n dw e a p p l i e df l u e n t t os i m u l a t ep i p ef l o wa n da r ea b l et od e t e r m i n ee r o s i o n p o s i t i o n q u i c k l y 2 b yt h er e s e a r c h e so nt h es p e c i f i ce f f e c t sm a d eb y d i f f e r e n ts t r u c t u r e so f i n d u s t r yp i p e s ，w es u m m a r i z eaw a yt oo p t i m i z ep i p es t r u c t u r e si ng a sl i n e s k e yw o r d s ：i n d u s t r yp i p e s ；c f ds i m u l a t i n ；e r o s i o np r e d i c t i o n 独创性声明 7 7 6 3 2 0 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特挣j ) j n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得堑鋈盘堂或其他教育机构的学位或证书雨使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名 一扣 签字日期： 沙，年；月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝兰三盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权逝垄盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 五、# 每 i 签字目期：细s 年专月7 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名：胁争 签字日期：汐乡年弓月7 日 电话： 邮编： 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 压力管道按其用途划分为工业管道、公用管道和长输管道。工业管道是指 工业企业所属的用于运输工艺介质的工艺管道、公用工程管道和其他辅助管道， 其主要集中在石化、炼油、冶金、化工和电力等行业。石油化工行业所属企业 大多是压力管道相对集中，使用环境比较苛刻的企业，随着我国加入w t o ，石 油化工企业正面临着经济全球化的挑战，企业大型化、原油劣质化、工况苛刻 化是发展的必然趋势，许多石化企业相继在原有装置的基础上进行高硫扩能改 造。通常企业生产计划又取决于市场的形势，因此装置时常要经受变工况、甚 至超负荷、长周期运行的考验。我国对压力管道实行安全监察管理起步较晚， 1 9 9 6 年劳动部颁布管觌后才步入正轨，近几年来，许多企业的压力管道劣 质化趋势非常明显，特别是腐蚀减薄状况十分严重，安全风险很大，由此造成 的非计划停工以及重大人身伤亡事故时有发生，经济损失惨重。石化企业，由 于其具有生产介质高温高压、易燃易爆、有毒有害，技术密集和连续生产的特 点，对安全生产非常重视又颁布了工业管道技术管理制度，使压力管道的安 全管理有章可循，9 0 年代后，各企业逐步开始对压力管道建立技术档案，对确 保管道安全运行起到了积极作用。但是在全国范围总体而言，在压力管道的各 个环节还存在着诸多问题尚未完全鳃决。 1 9 9 5 年对3 5 家石化企业的6 4 7 5 7 公里i 、i i 、类管道，其中只有3 7 7 6 9 公里管线进行了检测“1 。检测的方法主要是测厚为主( 见表卜1 ) 袁卜l3 5 家石化企业i 、m 类压力管道统计 焦壁笪亘坌些 ! ：! 墅 将1 9 9 5 年石化企业i 、i i 、i 类管道爆炸与严重损坏事故原因行分类，很 明显腐蚀与冲蚀导致破坏的比例偏高，而管理不善的比例较低，这是因为石化 企业炼制高含硫原料油后介质腐蚀性加剧，导致碳钢材料管道容易腐蚀穿孔。 1 9 9 7 年，对4 2 条高强钢管线进行调查时，发现6 8 次泄漏事故中，焊接质量引 起占2 5 次，管件质量引起占2 8 次，冲蚀引起占1 5 次，在上述原因中，设计、 制造、安装关系到管道先天质量，使用管理与介质腐蚀的防护则影响到管道在 役保养。在2 0 0 0 年，根据国家“九五”攻关专题组统一安排，选择二十余家大 型企业的缺陷压力管道与介质环境作用下带缺陷压力容器进行调查，齐鲁石化、 大连w e p e c 等石化企业的部分湿h 声环境下管道腐蚀问题比较严重，存在相当 大的安全隐患，专题组通过对重要压力容器及管道的安全评估，产生很大的经 济社会效益。 确保在用管道的长周期安全运行，一般从两个方面同时着手工作：一是加 强管道从生产到使用各个环节的安全管理与检验：二是深入开展在用管道的安 全技术研究工作。化工企业压力管道检验规程将化工压力管道的检验分为役 前检验、在线检验、全面检验。役前检验是以资料审查为主，并根据情况进行 一定比例的抽检，在线检验是以宏观检查为主，必要时进行测厚检验：全面检 验是以宏观检验和测厚为主，必要时进行无损检验和理化检验等。检验方法主 要包括资料审查、宏观检验、测厚检验、无损检验、理化检验、压力试验和严 暂陛试验、涡流检测、磁场检测等等。由于工业管道点多面广，腐蚀工况复杂， 检验工作量大，费用高，尽管对现有压力管道检验的仪器设备，评定方法，管 理制度进行了大量的研究和创新，也取得了实质性的成果。但由于在用工业管 道的检验是抽检的，常因找不准最薄弱的位置，既增加检验的工作量，又难以 确保整个管系的本质安全。因此，在用工业管道腐蚀减薄穿孔失效而造成的停 工和安全事故时有发生。 然而在用工业管道的腐蚀通常是局部腐蚀，其分布也有一定的规律性，通 常受介质的腐蚀性、管系的几何形状以及具体位置的流速、流型等影响，而介 质的腐蚀性通常由工艺条件决定，流速、流型由处理量、管径及几何形状决定。 根据管道的几何形状，介质工况、物性参数来分析管系的流速分布、剪切应力 分布、压应力分布，旨在分析冲蚀规律，寻找整个管系的最薄弱位曼。重点对 弯头、三通等系列管件附近区域进行研究，以指导在用压力管道的测厚定点和 监控定位；做好测厚数据库的存档分析删，掌握腐蚀进展的程度，做好预知性 的计划更换，从测厚数据中，找出局部腐蚀速率较快的部位，采取防护措施； 对易冲蚀的压力管道进行设计校核；对已冲蚀失效的压力管道进行分析，采取 改善介质环境，更换材料和结构改造等方式消除或减缓腐蚀发生：对现有压力 管道的变工况操作条件进行限制等。有针对性地减少在用工业管道的检验工作 量和费用提高整个管系的抗冲刷能力，提高石化装置的安全可靠性。 通过本课题的研究，目的在于使石化行业工业管道普遍存在的局部冲蚀破 坏得到比较准确的定位和预测，通过结构优化等方式进一步控制腐蚀问题，以 减少装置非计划停工，避免安全事故的发生。运用本课题的研究结论，可以对 莺点工业管道的关键部位有针对性地进行分析，对计划检验的管道进行分析定 位，减少抽检率，对冲刷严重的管道进行局部更换和结构优化，对易冲蚀的压 力管道进行设计校核，对现有压力管道的变工况操作条件进行限制等方式，切 实减少在用工业管道的检验工作量和费用，提高整个管系的抗冲刷能力，提高 石化装置的安全可靠性。 1 2 国内外研究现状 关于工业管道的腐蚀研究已有许多著述，其中大部份腐蚀失效与反应流出 物中的h 2 s 、n i t 3 及n i g h s 有关。卅，含量很少的c l 一、0 2 对腐蚀也有影响”。 但通常认为：管道的腐蚀与腐蚀介质及其浓度，以及管道内介质的流速相关 1 2 - 1 7 。 1 9 5 9 年，c h e v r o n 公司发明了加氢裂化技术。自从加氢裂化和深度加氢工 艺投用以来，反应流出物空冷器( 简称r e a c ) 及其相联管道的失效便成为制 约装景安全、稳定、长周期运行的突出问题，其腐蚀机理研究一直是该领域关 注的焦点。p i e h l ，d a m i na n dm c c o y ，a n ds c h e r r e r 等在1 9 7 6 年到1 9 8 0 年间对 管道冲蚀做了定性研究，1 9 7 6 年，r l p i e h l 为n a c e t - 8 委员会进行了r e a c 系统的腐蚀调研【1 8 2 0 l 。p i e h l 搜集了4 2 套加氢装置的r e a c 腐蚀实例进行分析 研究，建立了减轻腐蚀的原则，提出了有关腐蚀机理的最新观点。p i e h l 认为： r e a c 的腐蚀是碱性环境下的硫化物腐蚀，n h 3 和h 2 s 的浓度及比率非常重要， c l _ 、0 2 等杂质浓度对r e a c 腐蚀有严重影响。r e a c 腐蚀的主要形式为冲蚀， 流速限制有利于防腐。但也认识到r e a c 的腐蚀包含了大量互相依赖的可变因 素，单个变量不能完全确定腐蚀行为，因此没能提供明确的限定准受i j 来控制 r e a c 的腐蚀。 d a m i n 和m c c o y 公布了n h 4 h s 腐蚀实验的结果1 2 ”，实验是在搅拌反应釜 中进行的( n h 4 h s 浓度为1 0 - 4 5 ) 。当n i g h s 浓度小于3 5 时，碳钢和3 1 6 型不锈钢的腐蚀速率较低，高于这个浓度时，腐蚀速率都快速上升。 1 9 9 6 年，u o p 的h a r v e ya n ds u a g h 对4 6 套相关加氢装置( 总运行时间超过 了7 0 0 年) 进行了更为深入的调研【2 2 - 2 3 ，进一步研究r e a c 腐蚀的经验数据和影 响因素。不过u o p 的调研并未形成r e a c 腐蚀的创新准则，其不足之处在于 缺少发生腐蚀的位置预测。最近，a p i 协会主持的加氢r e a c 系统腐蚀研讨会， 同样说明了类似的情况【2 帕“。 上述研究涵盖了问题的不同方面。d a m i n 和m c c o p y 的实验是在几乎停滞的 条件下进行的，而s c h e r r c r 的模拟实验采用了流动的方案，a p i 的b o n n e t 还研 究了氧化剂及p h 值等的影响。但是，目前还没有准确的方法或分析技术来预 测碳钢r e a c 在各种操作条件下的腐蚀程度，若将上述研究进行综合，有望更 完整地描述r e a c 的腐蚀行为，特别是结合管道的c f d 研究，对流动进行严格 的数值模拟，有助于冲蚀规律的研究，预测r e a c 系统的冲蚀情况。 国内近几年对输油管道腐蚀机理也做了大量研究。0 2 年黄祖娟针对金陵石 化分公司埋地原油输送管道的特点，分析了管道内部h 2 s h 2 0 环境及外部土壤 对管道产生的腐蚀影响，通过机理研究提出些防止穿孔及泄漏的方法【2 7 j 。梁 艳华对目前比较常见的如外部土壤腐蚀，细菌腐蚀和杂散电流腐蚀以及国内针 对腐蚀常用的防护方法如涂层、电化学、杂散电流排流保护等几种方式做了具 体比较详尽的介绍和比较【2 引。0 4 年陈利琼等人系统的分析总结了影响油气管道 硫化氢应力腐蚀破裂的环境、材料及应力因素，也针对性的提出了防护措施口9 】。 从这些研究结果可以看出，国内对腐蚀机理已经有了比较深入的探讨，针对不 同的工作环境状况，有了非常广泛的对防护问题的研究，对各石化企业管道的 安全作业提供了有效的保障。 为适应加氢技术的发展，r e a c 的设计不断改进，使用性能和运行可靠性 也相应提高。针对r e a c 运行过程中常见的失效案例，针对陋c 复杂的腐蚀 机理，必须控制好以下运行条件 3 0 j ：k p 值小于0 5 ，通常控制在0 2 0 3 ；流速 应控制在4 6 - 6 1 m s ；为防止氨盐沉积堵塞，上游位置应注水，高分污水中 n h 4 i i s 浓度不超过8 ：并控制p h 值在9 左右；介质中无氰化物、氯和氧的 存在。提高材质可提高r e a c 的抗冲蚀能力，但用合金钢来解决r e a c 的腐蚀 问题不仅成本高，也会带来其他风险。因为实际运行中影响腐蚀的参数难以量 化，很难预测何时会偏离正常指标。例如奥氏体不锈钢因具有潜在的应力腐蚀 开裂和点蚀。合金8 0 0 、合金8 2 5 管也可能发生点蚀和连多硫酸腐蚀开裂。因 此，最为常用的还是碳钢管束。 r e a c 的腐蚀机理受到一系列综合因素的影响，特别是冲蚀机理研究必须 结合管道的c f d 分析，而流型研究是c f d 计算的基础。要提供冲蚀速率与流 体的化学因素及流动的力学因素的定量关系，十分困难，必须借助c f d 的计算 机数值仿真技术，通过多相流模拟，有望实现冲蚀预测与安全评估。 近几十年来，多相流动系统的安全问题引起了人们的广泛关注，在流型的 研究领域内取得了重大进展 3 | - 3 4 j 。对流型的研究主要可分为两个方面：一是研 究一种流型向另一种流型转化的条件，二是研究不同流动条件下流型的种类及 各流型本身的特点及规律口”引。 许多研究者提出了适用于不同条件下的流型图，方便了流型的预测。对于 水平管内的气液二相流动，最早的流型图概念是由k e s t e r i n 提出的，1 9 5 4 年 b a k e r 根据大量的实验数据整理出了最早的流型图，被石化工业广泛采用，随 后s c o t t 对b a k e r 对流型图进行了修正使其更符合实际。还有m a n d h a n e 、 g o v i e r & o m i e r 也提出了流型图，在实际工程中比较常用。l i n & h a m a t y , t j 研究 了水平管内气水二相流动管径对流型转换的影响，并建立了相应的流型图。 w e i s m a n 对水平管内气液二相流的流型进行了较为广泛的实验研究，提出了管 径、工质物性对流型的影响，并根据大量的实验数据归纳出各主要流型之间的 转变界限方程，建立了水平管内气液二相流型图，对前人的研究成果有了很大 的改进。t a i t e l & d u e k l e r 对水平管中气液二相流的流型转变机理进行了全面的理 论探讨，建立了相应的数学预测模型，从而改变了过去仅仅依靠实验流型围来 识别流型的方法，真正从理论上有了一定的突破，但不足之处在于其理论推导 过程仅适用于水平管气液二相流动，并没有考虑到工质物性的影响。在很大程 度上存在局限性。随后k a d a m b i v 详细研究了水平管内气液二相流的截面含 气率和压降，也涉及到对各流型的预测。b a r n e a 应用电导探针研究水平管内备 流型的特征，提出了各流型之间转换的界限方程理论预测模型。l i n & h a n r a t y , t j 应用线性稳定理论，分析水平管内弹状流的起始条件。s p e d d i n g ，r l 对几种主 要的预测模型和流型图进行了全面的比较【3 9 j ，发现现有的流型图和流型转变界 限方程在流型判别方面的主要缺陷在于管路几何尺寸和流体物性因素的影响。 关于气液液三相流动研究较少。r u s s e l ，t & h o a g s o n 于1 9 5 9 年研究了水平 管内油水混合物的流动情况，对油水二相流的流动特征作了初步的研究。 y e h ，g c e t a 于1 9 6 4 年研究了油水分散体系在相转变点附近相体积分率的关系， 根据实验结果建立了一个较为粗略的转换关联式；z a l d i n ，j l e t a l 于1 9 7 9 年提出 了原油输送过程中采用水包油型油水乳状液进行原油输送，研究了水包油型油 水乳状液的流动特性。p a l ，r 针对管道内水包油的流动特征，建立了水包油型油 水乳状液相对粘度的计算关联式l 柏啦】。r o s e ，s c 研究了低温下原油乳状液的流 动特征| 4 3 o p i l e h v a r i ，ac t a l 讨论了水平管内进行高粘度原油输送时油水乳状液的 流动特性，其研究内容包括油包水和水包油，但主要集中在水包油型油水乳状 液。m a o ，m l - e t a l 通过对水平管内水包油型油水乳状液的研究认为稳定的水包 油型油水乳状液应该是剪切应力、温度、油的体积份额的函数关系。h a r a l d k v a n d a le t a l 在水平管内水包油型油水乳状液研究基础上提出了压降的计算关 联式以及表观粘度的计算方法晔l 。1 9 6 2 年c e n g e l ，j a 发表了油包水型油水乳化 液在水平管及垂直管中层流及紊流时的流动特性的研究成果，提出了油包水型 油水乳状液在水平管及竖直管中层流和紊流工况下相对粘度与分散相体积份额 的关系，给出了o w 型油水乳液表观粘度的计算式，认为在垂直管内流动为紊 流时，所有o w 型油水乳状液皆可视为牛顿流体。而在水平管中，当分散相体 积份额大于3 5 时，便呈现出非牛顿流体的特性。f a r a q u i ，a a 在c e n g e l ，j a 的 研究基础上对垂直管内o w 型油水乳状液紊流流动时做了更深入的研究，认为 在其实验流量范围内分散相体积份额小于5 0 时，0 9 型油水乳状液可看作牛 顿流体。油水乳状液与管壁的摩擦阻力系数可按b l a s i u s 公式计算。p i l e h v a n 和 s a o d e v a n d i 各自理论研究与实验结果，通过计算油水乳状液管流时的广义雷诺 数，采用d o d g e m e t z n e r 公式计算沿程压降，取得令人满意的结果【4 “”。 然而总体来说，关于圆管内油气水三相流动方面的研究仍然较少，面对日 益发展的石化工业，有待于广大研究者更深入地研究圆管内油气水三相流动特 性，以获得能广泛适用于工程实例的计算方法，获得各流型之间转换的界限方 程，更深入地研究石化管道的冲蚀机理，实现多相流模拟及冲蚀预测。 数值计算法是一种离散化方法，它与理论分析、实验观测相结合，已广泛 应用于流体问题分析以及动态模拟【4 8 删。林玉珍等人采用数值计算法与实验研 究相结合 铷，对碳钢在3 5 n a c l 溶液中层流状态下的腐蚀进行了研究。结果 表明：用材料表面近壁处的流体力学参数( 剪切应力r 、传质系数k ) 比主体 中的流体力学参数( 流速u ) 更能准确反映流体对材料腐蚀的影响，针对旋转 圆盘体系中的流动体系，建立了流体腐蚀的数学模型，并进行了计算和分析。 模拟计算的流体腐蚀速度值与实测值基本吻合，从而验证了碳钢在单相流体中 的腐蚀机理。刘景军f 1 在碳钢流动腐蚀数值模拟的基础上，对固液两相流条件 下双相不锈钢的流动腐蚀建立了综合数学模型，进行数值模拟模拟和结果分析， 计算得到的腐蚀速率与实测数值基本一致。并验证了腐蚀加剧主要是由于颗粒 相的存在大大强化液相流体的流体力学因素，导致钝化膜内传质速度加快所致， 同时也说明了对于表面覆盖有钝化膜的材料的数值计算，建立合理的流动腐蚀 模型对计算成功与否的关键。雍兴跃p l j 等人将数值计算与实验研究相结合，引 入湍流运动理论，研究了在3 5 n a c l 溶液中湍流状态下碳钢的冲蚀。针对旋 转圆盘体系中的流体力学，采用壁函数、k 方程，建立了湍流状态下腐蚀的 数学模型，并进行了计算与分析。研究表明：数值模拟计算值与实验结果基本 一致，验证了在湍流条件下碳钢的腐蚀过程仍然是电化学因素起主要作用，临 界流体力学参数对阐明与流体流动特性有关的腐蚀现象具有重要意义。权晓波 【5 2 】考虑幂律流体本构关系，结合流动指数影响，建立了适用幂律流体的n s 动 量方程和湍流模型方程，采用s i m p l e 算法，对不同流动指数幂律流体的突扩 管道湍流流动进行了数值计算，计算结果和实验数据吻合较好。胡志伟 5 3 】应用 加罚有限元法求解三维、定常、不可压缩、均时n a v i e r - s t o k e s 方程和k e 湍流 模型方程，对t a y l e r 实验弯管内的三维湍流场进行了数值分析，数值计算结果 6 与文献中的实验结果吻合。 流体动力学的模拟是建立在r e a c 多相流体流型和管壁剪应力、流速等流 体动力学参数分析的基础上。一旦实际条件下的动力学参数确定了，可借助于 经验数据、经验公式和冲蚀试验来分析相似条件下的腐蚀速率，实现r e a c 管 系的冲蚀预测与安全评估。 1 3 本文主要内容 为了实现k e a c 的多相流模拟与冲蚀预测，分析反应流出物的流动特性对 管壁冲蚀的影响，揭示国产化i 如e a c 的失效机理，实现优化设计，本文将进行 以下内容的研究： 第一章总结国内外石化管道腐蚀方面研究现状，分析课题研究的背景及意 义。 第二章进行流体动力学理论建模分析。根据实际运行工况，提出单相、多 相流体和气穴模拟等管道计算模型，并分别按层流、湍流进行流动模型简化。 给出边界条件提取等计算准则，为采用国外最新版本的c f d 通用软件f l u e n t 和 前处理模块g a m b i t ，进行典型管束元件的c f d 流体仿真计算提供理论背景和研 究基础。 第三章选择三个典型工况的原始操作数据，给出各工况下反应流出物单 相、二相、三相流物性参数，为c f d 分析提供基础数据。 第四章选择国产化r e a c 失效位置进行结构离散和c f d 建模，分析三种 典型工况对第五排衬管尾部流场的影响。按苛刻工况二的物性参数对引进 r e a c 相同位置的流场进行分析比较。 第五章在解剖研究国产化r e a c 的失效管柬的基础上，对几种不同结构 进行数值模拟，通过对速度及剪切应力数值的分析比较，得出比较合理的结构， 实现衬管优化设计。 第六章对出口部位使用的几种不同直径的空冷器弯管做c f d 研究。 第七章总结全文并对后续研究进行展望。 7 第二章流体动力学建模 2 1 引言 自从1 6 8 7 年牛顿定律公布以来，直到2 0 世纪5 0 年代初，研究流体力学的 主要方法是两种划：一是实验研究以地面实验为研究手段：另一是理论分 析方法利用筒化的流动模型假设，绘出所研究问题的解析解或简化方程。 理论工作者在研究流体运动基本规律的基础上，提出了各种简化流动模型，给 出了一系列解析解和数值方法。这些研究成果推动了流体动力学的发展，奠定 了计算流体力学的基础。然而仅采用这些方法研究复杂非线性流体运动规律是 不够的，己不能满足2 0 世纪5 0 年代开始高速发展起来的近代科学技术要求。 今天，随着计算机技术的广泛应用发展，计算流体力学已成为流体动力学第三 种研究方法。它的兴起促进了实验研究和理论分析方法的发展。将实验研究和 理论分析方法联系起来，为简化流动模型的建立提供了更多的依据，使很多简 化方法得到了发展和完善。 本文针对r e a c 装置的工艺管道结构如管束弯管等、工作工况、出入口边界 条件和工艺介质特性等特点，进行流体动力学理论建模分析。根据其实际工作 状况，提出了单相、多相流体的管道计算模型，并分别按层流、湍流进行流动 模型简化。给出稳态、非稳态假设技术条件、载荷处理和边界条件提取等计算 准则，拟采用国外最新版本的c f d 通用软件f l u e n t ，进行典型管道元件及工况 的c f d 流体仿真计算。 2 2c f d 理论进展及f l u e n t 软件简介 2 2 1c f d 理论进展 流体动力学是力学学科的重要分支。流体力学是研究液体和气态物质在各 种力作用下的动力学现象与规律，以达到定量测量和计算的目的。连续介质假 说是传统流体力学学科大厦的基础。流体力学是质量守恒、动量守恒、能量守 恒等自然界三大规律在流体运动现象中的集中反映。流体力学的研究对象可以 是，大至天体星云，小至毛细血管中的细微的血液流动，应用范围很广。而且， 流体力学的发展大大推动了航空、环境和化工等学科的发展，并与其他学科相 结合产生了一些新兴的边缘学科，如生物流体力学就是生物学与流体力学结合 的产物，推动了生物工程学的产生与发展。流体力学对整个自然科学的些根 本性的东西产生过重要影响，如最新研究焦点，混沌理论的产生就源自流体力 学的一篇论文。至今，混沌理论已经成为了自然科学的重要的基础理论，成为 本世纪科学研究的热点之一。流体动力学研究主要包括：理论流体力学、计算 流力学和实验流体力学。 计算流体力学简称c f d ，是c o m p u t a t i o n a lf l u i dd 3 恤n i c 的缩略形式，它 基于数值计算和计算机软件技术上。c f d 是采用数值方法直接求解描述流体运 动基本规律的非线性数值方程组，通过数值模拟方法研究流体运动的规律。相 对于实验流体力学和理论流体力学，c f d 有以下几个特点：1 扩大了研究范围， 一些原来认为难以解决的问题，采用c f d 可能得到解决；2 ，能给出较完整的 定量结果：3 数值解总是离散近似解。应当指出，要建立正确的数学方程，特 别是对于复杂的流动问题，如燃烧、多相流、湍流等，还必须与实验研究和理 论分析方法相结合。 上世纪九十年代后期，c f d 技术率先在北美取得了重大应用突破，其仿真 能力和结果开始为工业界所承认。据当时统计，1 9 9 4 年c f d 软件开发取得了 近2 0 亿美元的产值，并以3 0 的速度逐年递增，到1 9 9 6 年递增率高达5 0 ， 至1 9 9 8 年c f d 技术已以成熟和成功的姿态显现在工业应用的多个领域，每年 的递增率达到了8 0 以上。至今，欧美和日本的许多世界级大公司，如通用汽 车、福特公司、丰田公司和西门子公司等都竞相购置了多种通用c f d 软件和求 解器，从中进行全面的比较和验证，选择最符合流体动力学原理和实际流动结 果的c f d 软件应用于其新产品开发和仿真设计，获得了巨大的经济效益。因此， c f d 软件技术现已构成一门新技术学科和新兴软件产业。目前，基于流体动力 学原理的c f d 软件十分丰富，如f l u e n t 、c f ) ( 、g r a r - - c d 、a n s y s 等，已可 以提供从不可压缩到可压缩、层流到湍流、单相到多相很大范围的计算模拟能 力。 在c f d 基本理论中，流体输运的数学模型与所模拟的几何结构及图形的复 杂情况紧密结合，因而，可以求解包括：层流非牛顿流的模拟，涡轮机和汽车 引擎的湍流热传导，锅炉内煤炭粉碎机的燃烧，可压射流，空气动力外流，以 及固体火箭发动机的可压化学反应流等各类复流动问题。与工业技术的最新进 展应用同步，通用c f d 软件还可以提供很多更加有效的功能，如多孔介质，块 参数( 风扇和热交换) ，周期性流动和热传导，涡流，以及移动坐标系模型等： 采用移动参考系的模型还可以模拟单一或者多个参考系；采用时间精度滑动网 格方法以及计算时间平均流动流场的混合平面模型，则可以应用于模拟涡轮机 多重过程等：而采用离散相模型，则可以用于分析喷雾和粒子流等；采用多组 分和多相流模型则可以用于预测管道里的复杂流态和腐蚀特性、射流的破散以 及大坝塌陷之后流体的运动，气穴现象，沉淀和分离等。 特别提出的是，湍流模型己成为其极为重要的模拟部分，实际中普遍存在 的湍流会影响到诸多实际物理现象，如浮力和可压缩性，至今还没有完美的解 决方案和理论。因此，与流体动力学理论发展同步，c f d 软件中的湍流模型可 以提供大部分的流场应用范围，不需要对特定的应用做出太多的改变就可以得 到相关的结果。其涵括了众多物理现象的影响，如浮力和可压缩性等；通过使 用扩展壁面函数和区域模型，可以对近壁面的精度问题有比较好的考虑；各种 热传导模式已可以被模拟，其中包括具有或不具有其它复杂性，如变化热传导 的，多孔介质的自然的、受迫的以及混合的对流；模拟相应介质的辐射模型及 予模型的设定通常可以将燃烧的复杂性考虑进来；最强大的功能是还可以通过 耗散模型或者和概率密度函数模型来模拟燃烧现象。对于燃烧应用十分有用的 其它模型，还包括碳和液滴的燃烧以及污染形成模型等。 c f d 的发展与计算机技术的发展直接相关。这是因为采用数值方法可能模 拟物理问题的复杂程度，解决问题的广度、深度和所能给出数值解的精度都与 计算机的速度、内存、外围设备直接相关。在文献中c h a p m a n 将c f d 的发展 进程分为四个阶段；1 求解线性无粘流方程，如小扰动位势流方程；2 求解非 线性无粘流方程，如全位势流方程，e u l e r 方程：3 求解雷诺平均n s 方程； 4 求解非定常全n s 方程。这就是按求解的数学方程逐步逼近非定常全n ，s 方 程的过程，也是从易到难的过程。随着计算技术的提高，巨型计算机的出现， 计算流体力学求解问题的广度和深度不断发展。近年来采用直接数值模拟和大 涡模拟的方法，研究湍流所取得的成果足以使人们确信，采用数值模拟方法与 实验相结合是突破多年来流体力学中的难题湍流问题的重要途径。 2 2 2c f i ) 通用软件简介 各种c f d 通用软件 5 5 4 6 j 的数学模型的组成都是以纳维斯托克斯方程组与 各种湍流模型为主体，再加上多相流模型、燃烧与化学反应流模型、自由面流 模型以及非牛顿流体模型等。大多数附加模型是在主体方程组上补充一些附加 源项、附加输运方程与关系式。 离散方法采用有限体积法( f v m ) 或有限元素法( f e m ) 。由于有限体积 法继承了有限差分法的丰富格式，具有良好的守恒性，能像有限元素法那样采 用各种形状的网格以适应复杂的边界几何形状，却比有限元素法简便得多。因 此，现在大多数c f d 软件都采用有限体积法。目前国内销售的c f d 通用软件 p h o e n i c s 、f l u e n t 、s t a r c d 等都采用有限体积法，而以固体力学计算为 主的著名有限元软件a n s y s 中包含的流体力学计算模块，适合于流固耦合计 算。p h o e n i c 8 软件事最早推出的c f d 通用软件，f l u e n t 、s t a 艮c d 则代 表了c f d 通用软件中的后起之秀。p h o e n i c s 以低速热流输运现象为主，有一 定局限性；f l u e n t 、s t a r - c d 是目前的主流商业软件，f u l e n t 的市场占有 率达4 0 左右，是应用面最广、影响最大的c f d 软件；s t a r c d 在日本销量 1 0 占首位，在汽车工业中广泛用于内燃机计算：而c f x t a s c f l o w 则在叶轮机、 核能工程等领域广泛使用。综合比较各种c f d 软件后，决定采用f l u e n t 进 行模拟。 2 3 基本物理方程 建立在连续流动介质动力学理论基础上，作为通用数值求解器，通用的c f d 软件设计，一般都采用直接求解二维或三维的纳维一斯托克斯方程，简称为n s 方程。是由纳维( n a v i e r ) 于1 8 2 1 年和斯托克斯( s t o k e s ) 于1 8 4 5 年，分 别建立的描述粘性不可压缩流体动量守恒的运动偏微分方程。其与质量守恒和 能量守恒方程一起构成描述流体流动的封闭方程组，适用于所有的连续流动介 质和流动状况。 ( 1 ) 连续方程： 祟+ 印v = 0 ( 2 1 ) ( 2 ) 动量方程： x 方向：掣佴( 鲫：一罢+ 冬+ 冬+ 錾+ p f x ( 2 - 2 a ) o to k呶却o z y 方向：挈丹c 卜詈+ 誓+ 鲁+ 誓+ 矾， z 方向：0 ( 3 。+ _ 2 再( 刖) ：一罢+ 冬+ 冬+ 冬十阢( 2 - 2 c ) 讲晚积执虎 + ( 3 ) 能量方程： 鲁l e + 譬， + v 和c 甜导聊= p 缸丢c 惫瓦o t ，+ 茜e 露矽o t + 旦他塑) o ( u p ) o ( v p ) o ( w p ) + 盟型 。赫塞疆，。i 知o ( v r ：y ) ， + 皇垒! ! 立+ 至唆+ 型+ 旦尘! 蔓立+ 。 砂 七缸 砂 如 + 旦幽+ 塑型+ 垫型+ v o x o y 功 其中p 为流体密度，“、v 、w 分别为x 、y 、z 方向上的速度，v 为流体 速度，p 为流体各向同性压强，f n 体积力，f 为与流体粘性有关的剪应力。 上述方程组中，将质量守恒方程( 2 - 1 ) 和n - - s 方程( 2 2 a , b 。c ) 耦合可以 直接求解速度场和压力场，将二者与能量方程( 2 - - 3 ) 等其它输运方程联立则 可求传热、传质和化学反应等，因而具有普遍应用价值。具体地说，实际中对 于所有的流动，都要求解质量和动量守恒方程；而对于包括热传导或可压性的 流动，则需要解能量守恒的附加方程；对于包括多组分混合和反应的流动，需 要求解组分守恒方程或者使用传质模型来求解混合分数的守恒方程以及其方 差；当流动是湍流时，则还要求解附加的时均化或涡流输运方程。 网格体离散主要采用结构网格和非结构网格等，并各有其应用范围和优缺 点，以下将详细探讨与本文研究相关的理论建模及计算方法。 首先，根据流体动力学理论，流体流动状态划分的主要依据雷诺数 r 。：p v d ( 2 4 ) 其中p 为流体密度，v 为流体速度，d 为流动的特征尺度，对于工业管道 为水力直径，为流体动力粘度。 实际中，r o ：型竺 4 0 0 0 ，为完全的湍流流动，流动介质在流动中形成的流 动层与流动层之间存在流动的窜动和能量的交换，流动阻力和损失除了流体的 粘性，还存在流团之间的碰撞和涡动造成的散失。 其次，按流体的相组成来划分，可以分成单相流、二相流、三相流和多组 份流动等。按介质的特性可以分成牛顿流体和非牛顿流体等。对管道流体，由 此可以逐个确立各个工况下的管道分析计算模型。 2 4 层流模型及计算 工业管道的部分实际流动中，r ，：p v d (2-40)drag 0 1 8 3 rr1 0 0 0 加速度a 的形式为 云一g 川m 一等 协。t ， 最简单的代数滑移公式是所谓的漂移流量模型，其中粒子的加速度由重力或离 心力给出粒子的弛豫时间考虑其它粒子的存在而被修正。值得注意的是，如果 没求解滑移速度，混合模型就简化成了均匀多相流模型。除此之外，混合模型 还可以为滑移速度使用其它代数滑移方法来用户定制化( 用户定义函数) 。更详 缅的内容参看f l u e n t 的u d f 手册。 2 6 7 第二相的体积分数方程 从第二相j 口的连续方程，可以得到第二相p 的体积分数方程为 昙白，d ) + v e ，乃；。) = 一v 0 ，岛；d r , p ) ( 2 - 。2 ) 2 7 流速确定 镇海炼化公司加氢裂化r e a c 共八台，每台