（机械电子工程专业论文）石化多相流管道系统冲蚀预测及应用软件开发.pdf

石化 e r o s i o n c o r r o s i o np r e d i c t i o na n da p p l i c a t i o ns o f t w a r e d e v e l o p m e n t f o rp e t r o c h e m i c a lm u l t i p h a s ef l o wp i p e l i n es y s t e m + 本论文受国家高科技研究发展计划 国家自然科学基金( n o 2 0 5 7 6 1 2 5 ) ( 8 6 3 ) ( n o 2 0 0 9 a a 0 4 2 4 2 2 ) ， 资助。 摘要 石化行业炼油装置大型化、原油劣质化、工况苛刻化的发展过程中，造成多 相流管道系统冲蚀失效事故频发，严重影响企业的生产和安全。a p i 、n a c e 、 u o p 公司等针对冲蚀失效的预测与防控技术开展了大量的调研，但研究成果多 局限于失效案例的统计分析，缺少对工艺过程、腐蚀、流动等因素关联作用的分 析，难以满足工程实际的需求。 本文以镇海加氢反应流出物空冷器( r e a c t o re f f l u e n ta i rc o o l e r s ，r e a c ) 出 口管道系统为研究对象，开展腐蚀产物保护膜的流固耦合冲蚀机理研究，运用石 化工艺流程模拟软件a s p e n 、流体动力学仿真软件f l u e n t ，通过多相流动分 析，形成管道系统冲蚀预测的方法与技术，并设计开发冲蚀预测应用软件平台， 指导在役石化管道系统的测厚定点。冲蚀预测软件系统采用v i s u a lb a s i c 和v i s u a l c + + 混合编程模式开发，以s q ls e r v e r2 0 0 0 作为系统后台数据库，其功能包括： 基础参数录入、冲蚀预测、结果分析与显示、系统信息管理等。本文选择r e a c 出口管道系统进行冲蚀预测，对比分析预测结果与工程密集性测厚数据，进一步 验证了冲蚀预测方法及软件平台的可靠性和适应性。 针对r e a c 出口管道系统的冲刷失效案例，选取水相分率与剪切应力作为 冲蚀失效的关键表征参数，获取管道冲蚀失效严重区域；并在此基础上开发了冲 蚀预测应用软件，实现了自动冲蚀失效预测，具有一定的创新性。 关键词：多相流管道；冲刷腐蚀；流动分析；失效预测；应用软件 e r o s i o n c o r r o s i o np r e d i c t i o na n da p p l i c a t i o ns o f t w a r e d e v e l o p m e n t f o rp e t r o c h e m i c a lm u l t i p h a s ef l o wp i p e l i n es y s t e m a b s t r a c t a sw ek n o w , 、析t hl a r g e ro fr e f m i n ge q u i p m e n t , d e g r a d a t i o no fl o w - q u a l i t y c r u d eo i la n dr i g o ro fw o r k i n gc o n d i t i o n s ，m o r ea n dm o r ee r o s i o n c o r r o s i o nf a i l u r e h a p p e n e di np e t r o c h e m i c a lm u l t i p h a s ef l o wp i p e l i n e s ，w h i c ha f f e c t e dt h ep r o d u c t i o n a n ds a f e t ys e r i o u s l y al o to fi n v e s t i g a t i o n so fe r o s i o nf a i l u r ep r e d i c t i o na n de r o s i o n c o n t r o l l i n gt e c h n i q u eh a v eb e e nd o n eb ym a n yp r e s t i g i o u sg r o u p s ，s u c ha sa p i ， n a c e ，u o pc o m p a n y , e t c h o w e v e r , t h ee x i s t i n gr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sw e r e o b t a i n e df r o ms t a t i s t i ca n a l y s i so ff a i l u r ec a s e s ，l a c k i n gp r o c e s s i n g ，c o r r o s i o n m e c h a n i s ma n df l o w i n ga n a l y s i s ，s o ，i tu n a b l et om e e tt h ea c t u a ln e e d so f e n g l n e e n n g t h eo u t l e to fp i p e l i n es y s t e mo fr e a c t o re f f l u e n ta i rc o o l e r s ( r e a c ) i n z h e n h a iw a st a k e na st h em a i ns t u d yo b j e c t , a n dt h et h e s i sm a i n l ye n g a g e di n s t u d y i n g s i m u l a t i o na n dp r e d i c t i o no fm u l t i p h a s ee r o s i o n - c o r r o s i o n t h e e r o s i o n c o r r o s i o nm e c h a n i s mo ff l o w - s t r u c t u r ec o u p l i n gi ss t u d i e d t h es i m u l a t i o n a n dc o m p u t a t i o no fm u l t i p h a s ef l o wd y n a m i c sa r eo b t a i n e db yu s i n ga s p e na n d f l u e n ts o f t w a r e ，b a s e do nw h i c ht h ep r e d i c t i o nm e t h o di nm u l t i p h a s ef l o w p i p e l i n es y s t e mw a sa t t a i n e d t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e f o re r o s i o n c o r r o s i o n p r e d i c t i o nw a sd e v e l o p e df o rg u i d i n gt h et h i c k n e s sm e a s u r e m e n to fp e t r o c h e m i c a l p i p e l i n e s am i x e d p r o g r a m m e dm o d e lo fv i s u a lb a s i ca n dv i s u a lc + + w a s u s e di n t h i ss e to fs o f t w a r e ，a st h es a m et i m e ，s q ls e r v e r2 0 0 0d a t a b a s ew a su s e d t h em a i n f u n c t i o n so ft h es o f t w a r ei n c l u d i n gi n i t i a ld a t ae n t r yi n t e r f a c e ，f l o w - i n d u c e de r o s i o n p r e d i c t i o n , r e s u l t sa n a l y s i sa n ds y s t e mi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ，e t c i nt h ee n do f t h et h e s i s ，ac a r b o ns t e e le l b o wi no u t l e to fr e a cp i p e l i n es y s t e m sw e r es e l e c t e da s a c t u a lc a s e s ，c o m b i n i n g 诹t l lt h ed a t ao b t a i n e dt h r o u g he n g i n e e r i n gt h i c k n e s s m e a s u r i n g ，t h ea n a l y t i cr e s u l t sv e r i f i e st h er e l i a b i l i t ya n da c c u r a c yo fe r o s i o nf a i l u r e l i k e y w o r d s ：m u l t i p h a s ef l o wp i p e l i n e ；e r o s i o n - c o r r o s i o n ；f l o wa n a l y s i s ；f a i l u r e p r e d i e t i o n ；a p p l i e a t i o ns o t s , a r e i i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 国内外冲蚀失效研究综述3 1 2 1 冲蚀机理研究3 1 2 2 冲蚀预测方法研究4 1 3 石化管道预测软件研究综述6 1 3 1 预测软件研究6 1 3 2 软件接口及交互技术研究8 1 4 主要研究内容1 0 第二章石化多相流管道冲蚀预测方法1 2 2 1 多相流冲蚀失效机理1 2 2 2 冲蚀预测模型建立1 3 2 3 工艺建模及多相流物性仿真1 4 2 3 1a s p e n 工艺建模1 4 2 3 2a s p e n 理论建模1 6 2 3 3 物性参数仿真结果1 8 2 4c f d 建模与仿真计算18 2 4 1f l u e n t 简介。1 8 2 4 2 解题策略及步骤1 9 2 4 3g a m b i t 建模2 0 2 4 4f l u e n t 仿真2 l 2 4 5 流体动力学参数仿真结果2 4 2 5 本章小结2 6 第三章石化多相流管道系统冲蚀预测软件2 7 3 1 开发工具的选择2 7 3 2 软件的总体设计及关键技术2 8 3 3 3 4 第四 4 1 4 2 4 3 第五章总结与展望5 4 5 1 本文研究工作总结5 4 5 2 研究展望5 5 参考文献5 6 致谢6 2 攻读硕士学位期间的研究成果及发表的学术论文6 3 2 0 0 0 年2 0 0 3 年期间，镇海炼化公司加氢反应流出物空冷器系统( 简称r e a c ) 装置曾多 次发生泄漏爆管事故。此类失效事故，与管道内介质的腐蚀性及其流动特性密切相关，且 具有明显的局部性、突发性和风险性，一旦发生由泄漏或爆管引起的非计划停工事故，将 会对企业造成严重的经济损失，图1 1 为茂名石化输油管道爆破抢险现场。 zj 。缪孽零零嬲嬲嬲孵驾 j 二袋i ：7 ，z “ “ 图1 1 茂名石化输油管爆破抢险现场 为了加强石化工业管道的安全管理，全面控制管道失效事故频发的被动局面，各级主 管部门先后颁布了多项条例和法规，如：国务院的特种设备安全监察条例、国家技术 监督局的压力管道安全管理与监察规定、中国石化总公司的工业管道技术管理制度 与工业管道维护检修规程等。除严格执行这上述法规及制度外，许多石化企业在压力 管道检验的仪器设备、评定方法、管理制度等方面也开展了大量的研究与创新工作，并取 得了实质性的成果。其中，就避免压力管道爆炸和泄漏方面，较多采用管道系统在役检验、 定点测厚( 见表1 1 ) 等技术方法实现压力管道的安全评估与寿命预测。 浙江理j l 二大学硕士学位论文 表1 1 弯头、三通和直径突变处测厚抽奄比例 注：抽查的每个管件测厚位置不得少于3 处：焊接接头的直管段一侧测厚位置不 得少于3 处。必要时，可适当提高整条管线的厚度抽查比例。 但是，由于石化工业管道点多面广、工况多变、腐蚀环境复杂、检验周期长等原因， 实际检测过程中往往因找不准减薄最严重的位置而影响安全评估的准确性。即便增加了检 验的工作量，也难以从根本上保障整个管道系统的运行安全，在役工业管道腐蚀减薄、失 效穿孔等安全事故仍时有发生。据不完全统计，国内某一时期天然气管道不同类型失效事 故比例( 如图1 2 所示) 中，由腐蚀引起的失效事故高达4 3 。从大量的失效案例的解剖 分析可知，石化压力管道的腐蚀减薄与介质流动密切相关，特别是多相流管道输送系统的 腐蚀失效更具明显的局部性和突发性特征，且不同介质、不同流动状态下压力管道的失效 位置更是难以准确预测1 2 j 。 腐蚀，4 3 不骄境影向， 图1 2 国内某一时期天然气管道失效原因比例图 石化管道的失效形式主要以多相流动腐蚀失效为主，现有研究表明，其失效机理与管 壁流体动力学参数分布密切相关，受介质腐蚀特性、管道结构特性及流速、流型等因素综 合影响。其中，介质腐蚀特性通常由工艺条件决定，流速、流型由处理量、介质组成、管 径及管道几何形状决定。针对石化管道冲蚀失效，本文旨在研究一种以流体动力学分析为 基础的石化多相流管道流动腐蚀预测技术，定量预测管道冲蚀失效具体位置，从而确定最 大减薄点。基于石化管道种类繁多、介质复杂、工况各异的现状，若对每根管道进行流动 预测，不仅工作量大，而且对操作人员技术要求高，难以大范围的工程应用推广，工程实 际亟需开发一套实用的基于流动腐蚀预测的石化多相流管道系统软件。该软件的设计思想 2 浙江理工人学硕士学位论文 是：在失效预测数理模型的基础上，构建石化多相流管道系统流动腐蚀预测软件平台，预 测整套管系最薄弱的位置。本文研究的意义在于指导多相流管道测厚定点和监控定位，设 计、评估易冲蚀的压力管道，依据失效预测结果，指导操作人员调整和限定压力管道的变 工况操作条件，优化系统运行，从而降低整个装置运行风险，确保系统的安全、稳定、长 周期运行。 1 2 国内外冲蚀失效研究综述 现有的流体管道失效研究主要集中在腐蚀、复杂载荷应力分析、材料劣质化及运行环 境对管道失效的影响等领域【3 羽，其中腐蚀方面主要以化学腐蚀、电化学腐蚀、应力腐蚀及 疲劳腐蚀等传统机理研究为主。但常见失效案例表明，冲蚀是引起管道失效的主要原因， 特别是运行条件苛刻的多相流管道系统。多相流管道冲蚀通常是指金属表面与腐蚀性流体 之间由于高速相对运动而引起的金属损坏现象，是金属材料受冲刷和腐蚀交互作用的结 果，其冲蚀机理与管道结构材质、工况环境、介质组成、浓度、速度以及流态等因素都密 切相关睁1 6 1 ，各种影响因素交互影响，给冲蚀问题的深入研究带来了巨大的困难。 1 2 1 冲蚀机理研究 2 0 0 0 年，d r r u s s e l l 等【1 7 】率先结合流体动力学来研究管道冲蚀失效规律，提出实现冲 蚀预测的可能性，在经过国内外高等院校及科研院所数年的共同努力，管道冲蚀失效预测 技术及工程应用已初见成效。 冲蚀与静态腐蚀不同，除了受电化学因素的作用外，流体动力学因素将对腐蚀造成严 重的影响，介质的流场不仅促使腐蚀加剧，而且会导致流体腐蚀形态的多样化和机理的复 杂化。早期的冲蚀机理研究，主要集中于流体动力学因素导致的材料机械损伤，未考虑到 介质的腐蚀性对冲蚀的影响。例如，e h e i t z 等人综合考虑流速、流型、质量传递同冲蚀之 问的相互作用，对管道的冲蚀机理和冲蚀实验方法进行了初步的探索【1 8 , 1 9 1 ；k d e f i r d 等对 高流速下管道内冲蚀临界流速进行研究，提出通过改变流体流态来控制冲蚀的方法【2 0 】； z e i s e l 和n e s i e 等采用数值模拟方法，研究电极表面近壁面处流体作用力对冲蚀的影响，并 取得了初步成果【2 1 ) - 2 1 。随着冲蚀机理研究的不断深入，人们逐渐认识到，电化学因素和流 体动力学因素的交互作用能引发协同效应，该效应正是导致流动体系中金属材料腐蚀加剧 的重要因素。其中y m c h a n g 、星野明彦等人展开了对冲蚀因子问相互影响规律的研究， 以及冲刷与腐蚀之间协同作用的研究【2 3 ，2 4 1 。b a t t s 等1 2 5 矧将总的腐蚀质量分为3 部分，分别 是流体动力学导致的质量损失，电化学腐蚀导致的质量损失，以及两者交互作用引起的质 3 浙江理工大学硕士学位论文 量损失。a p ir p n e t 2 7 - 2 9 1 作为目前国际上最具权威的流体管道流动腐蚀设计准则，对多相 流压力管道提出了极限速度v c 的经验方程，其中v e 定义为： v e = c 4 p 1 - ( 1 ) 式中c 为经验常数，若管内没有沙粒，连续运行工况下，c = 1 0 0 ，间断运行工况下c = 1 2 5 ， 成为混合物密度。该计算方法要通过改进经验常数才能拟合测试环境，且没有解释冲蚀 的基本现象，更没有提供流动腐蚀环境下冲蚀极限的确定依据。s j s v e d e m a n 和k e a r n o l d 对腐蚀环境下该管道设计准则进行了修改，提出了新的冲蚀方程3 0 1 。但由于缺少关于压力 管道内壁流态分布规律等相关重要研究，仍无法准确给出管道系统冲蚀破坏的危险区域以 及实现管道冲蚀速率的定量计算。 在国内，北京化工大学率先采用数值模拟计算和实验研究相结合的方法，通过建立不 同流动体系下的流体动力学模型和腐蚀动力学模型，研究腐蚀与流动之间的耦合作用【3 。 浙江理工大学的多相流沉积冲蚀实验室在管壁腐蚀产物保护膜的流固耦合机理研究的基 础上，通过自主设计的旋转式冲蚀实验装置，对加氢r e a c 出口管道f e s 保护膜的冲蚀特 性进行了深入的研究【3 2 1 。 由于多相流管道中各种工况并存，各种参数相互制约，含有h 2 s 、c 0 2 、盐( 氯化物) 等多种腐蚀性介质，多种因素综合作用下，管道的冲蚀失效形式多样，研究难度相当大3 3 1 。 迄今为止，针对油、气、水多相流冲蚀失效的研究成果较少，结合流体动力学理论，针对 石化多相流管道冲蚀破坏失效预测方面的研究成果则更是少之又少。 综上所述，将数值模拟与实验研究相结合，在流体动力学模型和金属表面腐蚀产物保 护膜流固耦合模型基础上，进一步求解多相流的流动场和腐蚀介质的浓度场，分析流体动 力学和电化学因素的协同作用，揭示多相流的流动腐蚀机理，提出相应的腐蚀预测及控制 手段，并应用于工程实际，是今后一段时期的发展趋势。 1 2 2 冲蚀预测方法研究 石化企业中管道腐蚀失效预测主流方法之一是管道定点测厚f 3 4 ，定点测厚技术的完善 依赖于其相关技术的发展，其中包括超声波测厚仪、挂片探针、电阻探针、腐蚀活动保温 套技术以及管道测厚数据管理软件等，这些技术不但提高了测厚的精确度，还提高了测厚 的工作效率。定点测厚选点时主要考虑容易发生腐蚀的部位，并兼顾周围环境进行测厚操 作。定点测厚技术的不足在于：测厚点选择的优劣与测厚人员的经验密切相关，且不能保 证找到管道壁厚减薄最严重的点，同时测厚工作量大，需耗费大量人力、物力和财力。 4 浙江理丁大学硕士学位论文 目前，国内外相关学者针对管道失效预测，主要着手于管道风险评估与寿命预测技术 研究，建立了失效风险计算公式，公式1 一( 2 ) 为管道一种失效情况的风险： r i s k s = g b 1 一( 2 ) 式中，s 表示失效类型，c s 表示失效后果，f s 表示失效概率。管道风险评估寿命预测 之前，首先应对评价管道的限制危害因素进行识别，并对相关数据进行综合分析，然后在 此基础上展开风险评估和寿命预测。从风险评估程度来分，可以分为口5 3 8 】： 1 ) 定性风险分析方法，如专家打分方法、风险举证方法和故障树方法。该方法可以 快速评价，但比较粗略； 2 ) 定量分析方法，即概率风险评价( p r a ) 方法。该方法分析过程复杂并需要基础 数据库做支撑； 3 ) 半定量风险评价方法，即以风险指数为基础的风险评价方法。该方法是前两种方 法的结合。 具体来说，国内外管道失效预测方法主要包括以下几种： 方法一：电化学分析法【3 9 加】，该方法是分析电化学腐蚀过程动力学信息的重要途径， 解析油气集输环境下c 0 2 的腐蚀规律、金属钢的腐蚀速率、钢材料在温度影响下c 0 2 的腐 蚀电化学作用，从而预测材料的腐蚀情况； 方法二：概率统计方法【4 1 ，4 2 】，多用于预测含有腐蚀缺陷的管道的剩余寿命。该方法基 于长期的腐蚀速率为线性发展的假设，并在腐蚀缺陷的相关变量关系中引入正态分布和非 j 下态分布，用概率统计方法分析管道腐蚀数据，对随机变量建立合理的数学模型，得到概 率分布，并统计、分析、计算腐蚀相关参数。 方法三：人工神经网络理论1 4 3 1 ，采用b p 网络对油气管道进行评判和预测，该方法的 已知样本集由长期运行的管道的各种腐蚀因子及腐蚀测试结果构成，然后通过神经网络的 自学习性，获取知识，再对未知系统进行预测，最终便可得出新系统可以使用的年限。 方法四：灰色系统理论，4 5 1 ，该理论通过对输气管道的腐蚀速度和腐蚀深度等一系列 实际统计数据动态拟合，建立相应的灰色微分方法和灰色时间相应函数，找出管道腐蚀速 率和腐蚀深度随时间的变化规律，从而采取有效的措施对输气管道进行防护。 方法五：可靠度函数分析方法 4 6 , 4 7 1 ，通过对腐蚀缺陷尺寸和腐蚀发展规律的统计，给 出腐蚀失效概率统计分布规律，对管道的寿命进行风险评价，给出目标的可靠度，确定管 道正确的检测和维修周期。管段寿命分布的密度函数一般包括对数正态分布、威布尔分布 以及极值i 型分布等形式，其中极值分布概率统计可以给出腐蚀管道理论的最大腐蚀深度。 浙江理下大学硕士学位论文 方法六：流体动力学分析方法【4 8 。5 0 】，结合管道系统实际工况，采用石化过程模拟软件、 流体动力学仿真软件，模拟腐蚀介质在管道内的流动情况，得出不同介质、工况、材料下 流动对管道壁厚减薄的影响规律，预测管道内冲蚀最严重的区域，用于指导工程定点测厚， 完成管道的失效预测。 实际生产中，如果无法有效地对管道进行腐蚀预测、风险评估或寿命预测，一旦发生 失效，将对生产、生活造成极大的危害。因此，选取合理的管道失效预测方法是预防管道 失效的有效途径，分析以上几种方法：方法一对c 0 2 与材料的腐蚀作用研究深入，但忽视 了其他腐蚀性介质对管道的影响；方法二与方法五以大量历史数据作为基础，对腐蚀情况 与历史数据库匹配的管道应用效果较好，但管道工况、结构、环境的变化及变化的程度直 接影响预测结果；方法三运用人工神经网络技术，难度高，但判断过程复杂，可操作性差； 方法四采样量少，计算简洁，精度高，但分析参数只腐蚀速度和腐蚀深度的关系，考虑欠 全面；方法六结合生产实际，借助高精度的专业仿真软件，分析管道流动腐蚀情况，并结 合定点测厚技术，从而减少定点测厚的工作量、降低了定点测厚的技术难度。同时随着流 体动力学计算的发展，该方法也将逐步优化，发展前景良好。 1 3 石化管道预测软件研究综述 1 3 1 预测软件研究 管道腐蚀预测软件系统最新研究成果，具有代表性的管道内腐蚀预测软件一一 p r e d i c t p i p e t u 5 1 1 ，其启动界面如图1 3 所示。 图1 3p r e d i c t 的启动界面 6 浙江理工大学硕士学位论文 该软件由美国i n t e r c o r r 公司和t e c h n i c a lt o o l b o x e s 公司共同研发，以管道内介质 的流动与腐蚀特性数据库模型为基础，进行冲蚀破坏的仿真计算，具有智能化预测功能， 主要根据管道内介质的流动形态和运行特性来识别管道冲蚀的临界区域，分析形成流动腐 蚀的主要原因。但是其流动特性数据库源于最原始的m a n d h a n e 水平管的气液两相流型 图，对冲蚀流动影响因素缺少针对性研究，只能分析压力降、流动状态、压缩因子、倾斜 流动等宏观流动现象；而腐蚀特性数据库模型建立在国际学术论文部分图表基础上，只涉 及h 2 s 、c 0 2 的腐蚀结果及阴阳离子的相互作用，仅适用于天然气管道的内腐蚀预测。总 的来说，该软件虽然同时考虑了管道的腐蚀作用和流动作用，但没有将两者紧密耦合，且 没有分析管道内壁的边界层特性与相态分布规律，难以定量预测管道系统的冲蚀位置和冲 蚀速率，因此，该软件的冲蚀预测是半经验的，难以满足实际工程应用的要求。 与国外相比，国内对管道系统腐蚀预测、管道安全与管理的研究起步晚，事故量大， 而研究成果有限。目前己在国内镇海炼化公司、北京燕山石油化工公司等大型企业应用的 有陈江教授等人开发的石化压力管道安全管理系统软件，如图1 4 所示，该软件主要依据 压力管道安全管理与监察规定、工业管道技术管理制度与工业管道维护检修规程 等规章设计开发，结合我国石化企业压力管道安全管理实践，拥有石化企业在役压力管道 管理所需的各项功能。该软件极大程度优化了石化企业在役压力管道的管理机制，实现管 道的基本技术信息的统计分析、整理归类，以及检测实施等数据的记录查询等一系列功能， 但不包含管道腐蚀预测。 盔固强互墨舀互z 盈宦瞄暖翻嘲圈嘲缀臻缓骝嬲嬲翰缀嬲翳溯嬲翳戮瓣鬻缀麟绣赣“垆”。i 鲥礤 譬港基噶量( 射管盛童行信息首t 墙幢妯p ，譬接妊：触ej 管】蓟暗豫哥俺口：宫e i c w ) 蓦拄l 肘卦话肌m 图1 4 石化压力管道安全管理系统界面 7 3 ) 功能强大，可以完成剩余强度评价、剩余寿命预测以及极限缺陷尺寸计算等。 该软件建立在应力腐蚀文献资料统计分析的基础上，预测结果具有良好的参考价值， 但实际管道运行工况变化多样，一旦工况不在统计资料所能预测的范围内，预测结果的准 确性会受到极大影响，同时这种半经验的预测方法有待进一步优化。 从以上几套管道腐蚀预测软件来看，分别从预测和管理的角度来解决石化行业中出现 的管道失效问题，并取得了很好的效果，但管道失效解决的关键在于如何有效监测管道减 薄严重的点，减少管道测厚的工作量，并避免事故发生。行业中，以历史统计分析数据或 文献资料作为预测分析依据的软件，属于半经验式预测软件。若开发一套软件，能依据实 际工况预测管道的腐蚀失效，找到减薄严重的区域，将更有助于行业的发展。 1 3 2 软件接口及交互技术研究 本文研究的石化多相流管道系统冲蚀预测方法，采用a s p e n 软件和c f d 软件的仿真 8 浙江理t 大学硕士学位论文 技术实现关键参数的计算和数据的批处理。因此，其应用软件开发需要完成与a s p e n 及 c f d 软件的交互操作。a s p e n 是国际通用的石化过程流程模拟软件数值仿真软件；而c f d 则是流体动力学仿真软件，目前较为流行并实用的是f l u e n t 软件。两者皆是专业性仿真 软件，仿真结果精确，为众多研究机构所采用。 随着各领域应用软件技术日渐成熟，新的设计思想和研究成果不断融入系统，软件内 容不断扩充与更新，通常一个工程问题需要联合多套软件一同完成系统的分析工作，这要 求工程技术人员具备更高的专业素质。若通过自定义界面，将针对某一问题并形成研究体 系的专业化软件的功能组件与工具衔接使用，实现自动化仿真计算，可以推动现代仿真技 术的工程应用，更好地服务生产实践。 目前，软件接口及交互技术受到广大学者的普遍关注，刘永波、罗惠琼、闰宏印等【5 3 - 5 6 1 研究了a u t o c a d 、p r o e 等机械绘图软件的接口编程技术，采用了a c t i v e x a u t o m a t i o n 、 a u t ol i s p 、a d s p 等方法，其研究成果在电力、机械、土木等领域得到广泛应用；蒲海、 刘渊、黄鹏等【5 7 。6 1 】开展了a n s y s 、g a m b i t 、f l u e n t 等仿真分析软件的交互技术研究： 耿大钊、侯卫锋等【6 2 - 6 4 通过c o m 技术实现了m a t l a b 与a s p e n 交互技术并得到成功应 用；沈翠霞、吴重光等【6 5 】深入探讨了h y s y s 模拟过程及其自动化接口技术。这些研究的 开展证明了软件接口及交互技术在未来生产实践中的重要性。软件接口及交互技术，主要 以c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 技术为主。 c o m l 6 6 】，即微软组件对象模型，是a c t i v e x 组件的基础，提供了使多个应用程序或组 件对象协同工作并相互通信的能力，组件对象就是完成特定功能的一个可执行的软件单 元。c o m 技术促进了软件重用和w i n d o w s 应用程序间的基本接口。它是独立于平台的， 分布式的，面向对象的系统，用于创建可交互的二进制软件组件。它支持多接口，其中一 些为标准接口，被定义为a c t i v e x 组成部分，而另一些为用户自定义接口，由开发商定义。 a c t i v e x 是一种基于w i n d o w s 操作系统的组件集成协议，通过a c t i v e x ，开发者和终 端用户可以选择不同的面向应用程序的a c t i v e x 组件，并将他们无缝地集成到自己的应用 程序中，从而完成特定的目的。a c t i v e x 组件可以分为以下六种类型：自动化服务器、自 动化控制器、a c t i v e x 控件、c o m 对象、a c t i v e x 文档和a c t i v e x 容器。a s p e n 的w i n d o w s 用户界面是一个a c t i v e x 自动控制服务器。 自动化服务器是一种可以由其他应用程序编程驱动的组件。自动化服务器至少包含一 个或多个可由其他应用程序创建或连接的基于i d i s p a t c h 的接口。一个自动化服务器有无用 户界面( u s e ri n t e r f a c e ) 取决于服务器的特性和功能。自动化服务器的运行方式分为三种， 9 浙江理j j ：大学硕士学位论文 如f ： 1 ) 进程内( i n - p r o c e s s ) ，即在控制器的运行空间内运行； 2 ) 本地( 1 0 c a l ) ，即在服务器自身的进程空间内运行； 3 ) 远地( r e m o t e ) ，即在另一台机器的进程空间内运行。 自动化控制器是那些使用和操纵自动化服务器的应用程序，它们不但可以在进程内访 问自动化服务器，而且可以以本地或远程方式访问自动化服务器。 以c o m 技术为基础的a c t i v e x 中的自动化技术( a u t o m a t i o n ) 在w i n d o w s 应用程序 中，例如m i c r o s o f tw o r d ，e x c e l 以及v i s u a lb a s i c 等，使用尤为广泛。这些应用程序以自 动化服务器对象的方式暴露内部的数据和功能，其它的应用程序作为客户应用程序( 或自 动化控制器) 来访问这些自动化对象。 综上所述，鉴于石化多相流管道系统工艺的复杂性，运行工况极为苛刻，其失效机理 复杂，且现有石化多相流管道系统的冲蚀预测方法，多属经验或半经验预测，难以准确预 测石化管道系统中冲蚀风险最高的位置，不能有的放矢地进行综合评定与控制，虽然增加 了检测力度，仍难以从根本上确保装置的本质安全。前期研究表明，石化多相流管道系统 冲蚀预测的焦点在于腐蚀产物保护膜是否会因流体流动冲破，本文拟通过流体动力学分析 选择合适的流体动力学参数，根据其分布规律来表征石化多相流管道系统冲蚀的危险区 域，是本文失效预测的难点与突破口。以此为基础研发石化多相流管道冲蚀预测软件，便 于实际压力管道冲刷失效在役检测、监测的定点定位，具有重要的理论和应用价值。 1 4 主要研究内容 本文在多相流管道冲蚀机理研究的基础上，以石化多相流管道为研究对象，开展冲蚀 失效预测方法研究，并设计开发了适用于多相流管道系统的冲蚀预测软件平台。冲蚀失效 预测方法以流体动力学为理论基础，首先运用工艺流程模拟软件a s p e n ，对管道工艺过程 仿真，获得多相流组成及物性参数；然后运用c f d 软件对管道进行流体动力学数值模拟， 获取关键流动参数在流场中的分布规律，指导工程测厚。同时，本文结合软件技术，构建 的石化多相流管道系统冲蚀预测软件平台，可进一步优化预测方法，目前已进行了工程应 用。主要研究内容可分为： 第一章概述石化管道冲蚀失效及其预测软件开发的背景及研究意义；综述多相流管 道冲蚀失效理论、冲蚀预测方法及管道应用软件在国内外的研究现状，确立了本文的研究 内容和技术路线。 1 0 浙江理工大学硕士学位论文 第二章结合多相流管道系统冲蚀失效机理的研究，建立了基于流体动力学理论的管 道冲蚀失效预测模型。以r e a c 出口管道系统为例，研究石化工艺流程模拟软件a s p e n 的理论及工艺建模过程，g a m b i t 几何建模及网格划分过程，f l u e n t 建模及仿真计算过 程，以及仿真结果分析。 第三章基于石化多相流管道系统冲蚀预测方法，构建冲蚀预测软件平台。确定软件 系统的开发工具、总体设计及关键技术解决方案。重点研究应用软件与a s p e n 和f l u e n t 之间的数据交互技术，软件的各功能模块等。其中软件功能主要包括：基础参数录入、冲 蚀预测、结果分析及系统信息管理等。 第四章结合镇海加氢r e a c 出口管道系统实际案例和工程测厚数据，输入介质组成、 运行工况、管件结构等参数，运用设计开发的冲蚀预测软件平台，对比分析典型管件的冲 蚀预测结果和实际测厚数据，从而验证软件的可靠性和准确性。 第五章对全文进行总结并对后续研究进行展望。 浙江理工大学硕士学位论文 第二章石化多相流管道冲蚀预测方法 石化多相流管道系统结构复杂、工况苛刻、介质具有较强的腐蚀性，由此导致的冲蚀 失效是装置非计划停工及安全事故发生的主要根源。本章从多相流管道的冲蚀机理出发， 重点研究了以石化工艺流程模拟软件a s p e n 理论及建模、g a m b i t 几何建模和网格划分、 f l u e n t 流体动力学建模与仿真为核心的石化多相流管道系统冲蚀失效预测方法。 2 1 多相流冲蚀失效机理 传统的失效分析主要局限于介质的腐蚀性或管壁材料的耐腐蚀性方面，但通过大量实 际失效案例的解剖发现，弯管的减薄穿孔具有明显的局部性，如图2 1 所示。在穿孔部位 及附近，管壁减薄十分严重，但相邻的其它区域却几乎没有减薄痕迹。这就难以单单从腐 蚀的观点来解释，介质的流动也是引起减薄的关键因素，只有充分考虑腐蚀与流动的耦合 作用才能准确预测失效的位置。因此，近年来流动腐蚀耦合作用下的失效研究逐渐引起了 广大学者的关注。 图2 1 弯管冲刷腐蚀失效形貌 石化管道系统中，腐蚀性介质在流动过程中易与管壁发生( 电) 化学反应，生成一层 致密的腐蚀产物膜，这层膜可有效将腐蚀性介质和管壁隔离开，阻止进一步的腐蚀，对管 壁起到保护的作用，因此又称腐蚀产物保护膜。但是，当局部介质流速过大时，会在壁面 产生足够大的横向剪切力，该力促使腐蚀产物膜发生变形，甚至破损流失。一旦腐蚀产物 保护膜破损流失，碳钢基体便再次裸露在腐蚀性介质中，发生进一步的腐蚀，形成新的腐 蚀产物膜，直到再次发生破损流失，如此循环，形成自催化加速腐蚀，如图2 2 所示。该 浙江理t 大学硕十学位论文 过程的本质是多相流介质腐蚀与流动耦合作用的结果 6 7 , 6 8 】，其重要特征是：流体介质与腐 蚀产物膜之间的交互作用，即产物膜在流体载荷作用下会产生变形或运动，而变形或运动 又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小。保护膜的不断形成和冲刷的过程则 将造成管壁的局部减薄甚至穿孔泄漏。 腐蚀性多相流 腐蚀产物变形前变形后 腐蚀性多相流 腐蚀产物变形前。一菱形后一 图2 2 流动与腐蚀耦合过程示意图 从电化学腐蚀的角度分析，石化管道系统的腐蚀性介质( 例：本文研究案例中腐蚀性 介质为n h 3 、h 2 s 等) 主要溶解在水相中，水相分率可以促进腐蚀性介质与管壁材料的相 互作用，生成腐蚀产物膜；从力学的角度分析，剪切应力是通过力的作用使腐蚀产物膜发 生形变，以至破损流失。因此，可以将水相分率与剪切应力的综合作用作为冲蚀预测理论 的基础。在介质腐蚀性一定的情况下，可以通过流体动力学来分析石化多相流管道冲蚀失 效的严重区域，从而指导压力管道的结构优化和在役检验定点优化，为多相流管道冲蚀预 测技术的研究奠定良好基础。 2 2 冲蚀预测模型建立 石化多相流管道系统冲蚀失效机理指出腐蚀性介质在流体中的流动会引起管壁的减 薄，因此，本文提出可以通过研究多相流管道内介质的流动特性来分析冲蚀失效问题，即 多相流管道冲蚀预测方法研究。 利用逆推的思想分析，选取合适的流体动力学参数表征流场分布云图，与实际测厚图 比较，通过大量仿真以及机理研究得到水相分率大和剪切应力大的区域是管壁减薄穿孔的 危险区域。根据这一结论，首先选择f l u e n t 软件对管道进行流体动力学建模；然后根 掘建模需要，推出其输入信息，即各相的物性参数与管件几何建模网格文件；最后，根据 设计推出需依次收集各相的运行工况、介质组成等基础数据输入a s p e n 软件进行物性参 图2 3 石化多相流管道系统冲蚀预测模型 2 3 工艺建模及多相流物性仿真 失效预测方法模型中，流体动力学仿真时所需的物性参数通过a s p e n 软件仿真计算 获得。a s p e n 软件是国际通用的石化过程流程模拟软件，它具备最新计算模型模拟化工 单元及其全过程，包含6 0 0 0 多种纯组分的物性数据，具有以下六项主要功能：建立基本 流程模拟模型、灵敏度分析、设计规定、物性分析、物性估计以及物性数据回归等【钞7 1 1 。 合理建立工艺及理论模型、操作物性模型和数据是得到精确可靠模拟结果的关键。 2 3 1a s p e n 工艺建模 a s p e n 工艺建模对象为石化多相流管道系统，以镇海r e a c 出口管道系统为例，该 管道内流动介质为气、油、水三相流，其中，腐蚀性介质主要为n h 3 、h 2 s 、h c l 及n h 4 h s 、 h 4 c l 。其工艺过程是：反应流出物经四台换热器冷却至1 5 0 。c ，进入空冷器继续冷却至 5 0 c 进入高压分离器，实现气、油、水三相分离。其中，气相为循环氢，油相为高分油， 水相为含硫污水。之后，高分油进入低压分离器，减压分离出低分干气和低分油，如图 2 4 所示【7 2 , 7 3 1 。 1 4 型输 成等 成见表2 3 ，低分油工况及组成见表2 4 。 表2 1 循环氢j r 况及组成 组成w 分离物流量n m 3 h - 1 温度压力m p a h 2 c i c 2c 3 异一c 4 正c 4h 2 s 循环氢 2 8 1 5 4 04 6 41 5 68 4 6 64 6 91 1 2 0 4 40 2 40 0 91 3 9 表2 2 低分干气j i ：况及组成 1 5 浙江理一 火学硕士学位论文 表2 3 低分油- t 况及组成 流骱h - l 温度劝m p a h kl 。5 。6 5 l o 3 0 5 0 6 5 1 4