高温高流速环烷酸冲刷腐蚀流场数值模拟研究.docx

1、高温高流速环烷酸冲刷腐蚀流场数值模拟研究江克'，杨铁成七陈学东心，张玮'，高增梁'(1.浙江工业大学化工机械设计研究所，浙江杭州310032；2.合肥通用机械研究院国家压力容器与管道安全工程技术中心，安徽合肥230031)摘要:采用CFD技术对高温高流速环烷酸喷射试验装置的流场进行数值模拟，主要分析了喷嘴至壁面距离、喷嘴出口流速和流体温度T的变化对喷嘴外部区域流场分布情况的影响。结果表明：随着的增大，和7的减小，壁面剪切应力逐渐增大；近壁处湍流强度随的增大和H的减小而增强；减小H能增强喷射流体冲刷效果，但是H过小时，喷嘴出口压力过大，影响设备安全运行。为了提高试样壁面冲

2、刷腐蚀效果，达到加速试验和安全运行目的，建议取48mm为宜。关键词:环炕酸；冲刷腐蚀；壁而剪切应力；湍流强度中图分类号:TE986文献标识码：A文章编号：1001-4837(2010)10-0001-07doi：10.3969/j.issn.1001-4837.2010.10.001NumericalSimulationofNaphthenicAcidErosion一corrosioninHigh一temperatureandFast一flowEnvironmentsJIANGKe1,YANGTie-cheng'2,CHENXue-dong'ZHANGWei1,GAOZeng-

3、liang1(1.InstituteofProcessEquipmentandControlEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310032,China；2.HefeiGeneralMachineryResearchInstitute,NationalTechnicalResearchCenteronSafetyEngineeringofPressureVesselandPipelines,Hefei230031,China)Abstract：TheCFDtechnologyhasbeenusedtosimulatetheflo

4、wfieldofjet-impingementinstallationfornaphthenicacidinhigh一temperatureandfast-flowduringerosion一corrosiontest.Theinfluenceofthedistancefromthenozzleexittothespecimensurface(H),thefluidvelocityatthenozzleexit(J)andthetemperatureofthejet一impingementfluid(T)ontheflowfield'sdistributionofthenozzleex

5、itinexteriordomainaremainlyanalyzed.TheresultsshowedthatthewallshearstressincreasedgraduallyastheUincreasedandtheH,Tdecreased,andwallturbulenceintheimpingementregionincreasedgraduallyastheUincreasedandtheHdecreased；AlthoughdecreasingtheHcansignificantlyincreasethefluiderosion,thecorrespondingpressur

6、eatthenozzleexitalsoincreasedrapidly.This,inturn,influencetheequipmentoperatedsafely.SotheHshouldbechosenat48mmtoimproveexperimentalefficiencyforacceleratingtestandinsuringthesaferunningoftheequipment.Keywords:naphthenicacid；erosion-corrosion；wallshearstress；turbulentintensity基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)

7、重点项目课题(2009AA044800)；国家高技术研究发展计划(863计划)目标导向课题(2007AA04Z430)0引言喷射试验装置炼油装置的环烷酸腐蚀(NAC)和冲蚀(NAEC)一直是炼油厂亟待解决的难点问题之-o近年来，随着高酸值含硫原油的炼制比例逐年增长，炼油设备的腐蚀日益加重，特别是在局部的高温高流速部位如转油线弯头、热电偶套管、阀门及常减压塔内的构件(如塔盘、塔壁、集合管、泡罩防冲挡板等)的腐蚀与冲蚀十分严重，由此产生事故频繁发生，严币威胁着炼厂的安全生产。根据实际经验可知，环烷酸腐蚀主要发生在270280X.和350400丁两个温度段，前一个温度段主要是环烷酸腐蚀引起，后一个温

8、度段主要是由于11花参与反应引起，具体的反应方程如下：Fe+2RCOOH->Fc(RCOO)2+H2Fe+H2S->FeS+H2Fe(RCQ0)2+JSFeS+2RC00HFeS+2RCOOH->Fe(RCOO)2+H2S根据上述反应可知，当H2s参与反应之后,腐蚀产物硫化亚铁能够形成一层稳定保护膜覆盖在金属表面，阻止腐蚀进一步发生。但是，在高流速环境以及流体流向发生突变部位，由于冲刷作用导致硫化亚铁保护膜脱落,造成金属表面再次裸露在腐蚀环境中，继续环烷酸腐蚀，如此循环往复，造成设备不断减薄，最终穿孔破坏。因此，研究高温高流速环境卜的环烷酸腐蚀与冲蚀I分必要。针对上述情况，中

9、国科学院金属研究所吴欣强等对高温环烷酸冲刷腐蚀进行了大量试验研究，并通过有限元数值模拟方法考察流体喷射参数对壁面剪切应力的影响来衡量流体冲刷的作用强弱，指导喷射试验参数的选择2-3o为进一步加深对高温高流速环境下环烷酸冲刷腐蚀的了解,2008年，合肥通用机械研究院自行设计建造了一套高温高流速喷射冲刷试验装置。该套装置能够有效地模拟实际炼油工况，实现高温高流速条件下的冲刷腐蚀试验。文中通过CFD模拟计算该套试验装置在进行冲刷腐蚀试验时流场的流速、压力、壁面剪切应力以及湍流强度，根据计算结果分析确定合理的冲刷试验参数。2喷射试验装置主要由储油罐、循环泵、管道、喷嘴和循环冷却水组成。其基本原理是将调

10、配好的腐蚀介质(如含酸油介质或含硫油介质等)循环流动加热到预定试验温度,通过截止阀控制旁路管道流量:来控制喷嘴出口流体流速，以产生所需要的温度及流速，对放置于喷射装置的试样进行冲刷，研究其冲刷腐蚀行为。喷射试验装置如图1所示，通过截止阀调节喷嘴出口流量,从而调节喷嘴出曰流速。与中国科学院金属研究所模拟试验装置的最大流速为49m/s相比，该套装置最大的优点就是实现了流体的高温高流速环境，能够模拟不同温度段和流速段的环烷酸冲刷腐蚀,可实现的流速范围为0100m/s,温度范围为0-400弋。图1高温高流速喷射冲刷试验装置示意1.储油雄;2.阀门;3.喷射泵;4.电加热器;5.流址计;6.温度计;7.

11、压力表;8.喷射装置;9.截止阀；10.蝶阀2冲刷腐蚀试验参数确定冲刷腐蚀是在腐蚀与机械性冲刷交互作用下发生的。在环烷酸冲刷腐蚀中，总酸值、温度、环烷酸种类和硫含量等环境因素主要影响环烷酸化学腐蚀的发生，而流速、流态、流体粘性系数以及材料种类则主要影响机械性冲刷作用。根据流体力学可知，表征流体冲刷作用强弱的参数主要有:流速"、雷诺数屁、壁面河切应力九、近壁处湍流强度/和传质系数有关研究表明f6-71,局部冲刷腐蚀严重部位，对应壁面此切应力七和近壁处湍流强度/较强。在湍流条件下，流体的湍流强度为脉动速度与时均速度之比，流体的脉动速度越强,湍流强度越大，使得腐蚀过程中反应物环烷酸和硫化氢

12、向材料表面的传递过程以及腐蚀产物环烷酸铁和硫化亚铁向溶液本体的扩散过程得到加强，腐蚀加重。而壁面乾切应力作为机械力作用在材料壁面形成的保护膜上，使保护膜硫化亚铁脱离材料表面，而造成金属再次裸露在腐蚀环境中，循环进行环烷酸腐蚀，导致腐蚀进一步加深。根据喷射试验装置实际悄况，其高速喷射流体流态为湍流状态（由Ae判断），因此，文中采用壁而剪切应力和近壁处湍流强度大小来表征流体对试样的冲刷效果。图2示出喷射流体冲刷的简单示意图，可以看出，流体冲刷效果影响因素众多,包括流体在喷嘴出口处的速度、喷嘴直径、喷嘴出曰距试样表面的距离H、试样的倾斜角度。（相对水平面）及环境温度（主要影响介质粘度）等,其中任一项

13、参数的改变,都将导致流体流速和流态发生变化，影响冲刷效果。为了更好地利用试羚装置进行冲刷腐蚀研究，评价不同材料抗高温高流速环烷酸冲蚀性能,应该选择合适的流体喷射参数，充分体现出冲刷腐蚀过程中因流体冲刷作用而造成的力学损伤以及其对腐蚀的促进作用。显然通过试验方法来得到合适参数，不但试验周期长，而且浪费资源。而数值模拟的方法则能很好地探索和优化流体喷射参数，取得更好的冲刷效果。嘴出口流速和不同流体温度下的粘性系数，利用FLUENT软件进行二维和三维模拟计算喷射流体在冲刷腐蚀过程中的流速、试样壁面剪切应力、近壁处湍流强度以及压力，分析其在不同R处（距圆形试样中点距离）和（射流源点距壁面距离）时的壁面

14、狗切应力、近壁处湍流强度变化规律，比较并选择合理距离从而提高冲刷效果。3理论模型3.1控制方程试验流体为高沸点导热油与环烷酸的混合介质，因此假定流动为不可压流动。流体流动的控制方程有质量守恒方程和Navier-Stokes方程。由于流体视为不町压缩流体，及ap/初=0（p为导热油密度），质量守恒方程可简化为:(DHudvdw八+=Udxaydz式中u,v9w速度矢量U在丸丁和z方向上的分最Navier-Stokes方程：。(舛)+div(p叫)=div(/zgradu)-乎+匚dtdx以#)+div(pm)=div(/igradt»)-普+F«I'；：)+div(p

15、uu)=div(/L/,gradw)-+Fu,(2)根据牛顿内摩擦定律r=/z半,在壁面z=0oz处，剪切应力与速度场的关系为:-xu2dzj=xdxJop假定除了壁面附近一非常薄层外，壁面射流的速度场是相似的，根据量纲分析可知壁面射流流场的关系Ep（诞）（普广（JLn(3)(4)图2喷射流体冲刷的简单示意本套试验装置的实际情况为喷嘴直径=2mm,流体冲刷流向与试样壁面垂直，及试样的倾斜角度。为0。根据以上已定参数，选择不同喷式中F'pjK/G初始冲击射流雷诺数函数,K=m取决于流场具体形态的常数根据式（3）可知，流速增大时，壁面剪切应力乙也增大；由式（4）可知，壁面射流的流场与距离自

16、由射流区/冲击区径向壁面射流区图4射流流场结构示意有关，在R处的壁面回切应力也随着的变化而改变。3.2网格划分及边界条件喷射产生的流场较复杂，试样近壁面处存在强烈的湍流流动。为提高计算精度，在近壁面进行局部网格加密。另外考虑节省计算时间，取全流场的一半为计算域,流场沿对称面对称,不影响计算结果。喷射模型的边界条件包括速度入口、压力出口、对称面和壁面。入曰速度和出口压力为常数，壁面满足无滑移条件。图3示出网格划分与边界条件。图3二维网格划分与边界条件示意4模拟结果100504.1射流轴心速度和试样近壁面流速变化规律对于喷嘴冲击试样形成的高速射流流场可以分为3个基本区域：（1）自由射流区,射流外边

17、界处由于剪切力的作用,将周围的介质及相应的动量、能量裹入射流中，表现为非均匀径向速度剖面的发展,射流扩展率和总传质率的增加；（2）冲击区，该区流动受壁面作用，流速快速衰减为0,方向急剧地由轴向转向径向，产生了很大的逆压力梯度，壁面主要是受到射流机械性冲刷力作用，冲刷腐蚀严重；（3）径向壁面射流区，在冲击区压力梯度的驱动下，流体迅速向外流出，形成壁面紊流射流，在壁面产生较大的剪切应力和湍流强度，冲刷腐蚀相对冲击区小。图4示出H=10mm,t/=90m/s条件下模拟计算得到的射流流场结构，符合上述分析的3个区域分布。图5示出不同H在=90m/s时轴心速度变化规律。可以看出，距离H小的情况下，轴心速

18、度在射流核心区域内衰减趋势较快，导致壁面产生较强冲击力。而随着距离的增加，轴心速度在核心区域内首先保持不变,之后呈自然衰减趋势,其对壁面的冲击力相对较小。这样，距离越小时，冲击区的机械性冲刷作用越强，冲刷腐蚀则越严重。f=2=4=6=8=l三f=2=4=6=8=l三图5不同在i/=90m/s时轴心速度变化规律由于试样壁面处流速为零，取=50Ws,H=4mm时距离试样壁面0.1mm处平面分析各向流速分布情况。如图6所示，试样近壁面速度以射流轴线方向和径向速度为主，切向流速基本为0,保持不变。在A>4mm以后，轴向流速逐渐减小，而径向流速基本与合速度保持一致,表明在R>4mm后，流体主

19、要以径向流速为主。另外，在R=24mm处,径向流速存在较大速度梯度，轴向速度存在极大值。4.2壁面剪切应力变化规律图7示出距离、流速U和温度T的变化对试样壁面剪切应力九的影响。如图7（a）所示，随50度度度虔速逑ii速向向向合径切轴207?/mm图6近壁面平面各向流速分布规律看距离H的增大，上相应减小，在试样径向(R方向)上,L右极大值出现，之后呈平稳趋势。当H>6mm以后，上变化不大。图7(b)显示随着的增大，孔相应增大，同样L在径向A上出现极大值之后逐渐恒定。图7(c)示出0=50in/s,/=4mm时,温度的变化对匚的影响。山于温度的增加，导致流体动力粘性减小，将影响九的变化。可以

20、看出，温度增加，L逐渐减小且出现极大值，变化趋势一致。由于喷嘴宜径一定，虽然和U不同,但是乙出现极大值的位置基本不变，在距离试样中心点24mm处，这与近壁面流速在R=24mm处出现径向较大速度梯度相对应，验证了流速与壁面乾切应力对应关系，即验证了式7EM/BMs&'-e学7EM/BMs&'-e学I.0E+046.0E+032.OE+O30612R/nim(3) 和式(4)。图8示出了三维模拟试样壁面剪切应力云图分布，剪切应力的分布趋势与图7一致。R/nmR/nm(b)7E-(c)图7不同月和r下试样壁面剪切应力匚的变化规律Wallshearstress(N/m&

21、#39;)6.0E+035.5E+O35.OE+O34.5E+034.0E+033.5E+O33.OE+O32.5E+O32.0E+031.5E+O31.0E+035.0E+02图8试样壁面苗切应力分布云图总的来看,H越小和越大时，对应壁面豹切应力L越大，则减小和增大，都可以使喷射流体对试样表面的冲刷作用增强，加强冲刷腐蚀试验效果。而环境温度的升高将减弱喷射流体的冲刷作用。4.3近壁处湍流强度变化规律图9示出了距离壁面0.02mm处近壁面湍流强度随和的变化规律°如图9(a)所示，沿着我方向，近壁面湍流强度逐渐变小，可知冲击区湍流强度大于径向壁面射流区。另外，随着的增加，湍流强度总体趋

22、势是逐渐减小，月二48mm时，湍流强度变化的幅度减小，儿乎保持不变。图9(b)显示U的增加，近壁处湍流强度也相应增大，且冲击区处湍流强度大于径向壁面射流区。则适当提高H和，试样近壁面处湍流强度将变大，能够有效提高试验冲刷效果。根据文献13的试验结果可知，喷射试样冲击区出现较深腐蚀坑，与本文模拟在冲击区近壁处湍流强度达到最大这一结果相对应，可知近壁处湍流强度越大，冲刷效果越好。图10示出了不同H和U下喷嘴出口压力的变化规律。诃以看出，距离=2mm时，随着流速的增加，喷嘴出口压力明显增大，当流速为90m/s时，出口氏力可达到1.8MPa,对应试验动力泵出口压力较高，对整套试验设备的安全运行构成威胁

23、。而时，出口压力不高于0.6MPa。H>6mm时，喷嘴出口压力基本保持稳定,等于喷嘴出口处周围环境压力值，此时流速U几乎不影响喷嘴处流体出口压力。图11示出了和的变化对试样中心压力的影响，可以看出，流速增大，试样中心点压力明显增加。此时，冲击区逆压力梯度变化较大,机械性冲击力作用强，试验壁面中心点附近冲刷腐蚀严重。而当>4mm以后，随者距离H的增加，中心点压力保持恒定。H=2mm*-/=4mm>H=6nun-/=8mm/=!()min0612R/tnni(a)图10不同和下喷嘴出口压力变化规律£/=50m/st/=70m/st/=90m/sR/mm(b)246810

24、H/mm图9近壁处湍流强度随月和的变化规律4.4喷嘴出口和试样中心点压力变化规律6图11不同和下试样中心点压力变化规律本文与文献3相比，模拟方法分别采用有限法和有限体积法，关于壁面的切应力和喷嘴出口压力所模拟结果基本相一致，不同点主要在于分析r试样壁面流体流动速度和近壁面湍流强度的分布规律。最后，综合考虑喷嘴出口压力、冲刷试样壁面剪切应力以及近壁面湍流强度变化规律，得知过小将影响设备安全,而过大则减小冲刷效果，建议选取为48mm为宜。5结论(1) 模拟结果表明，喷嘴出口流速越大，壁面剪切应力越大，而环境温度升高，壁面剪切应力相应减小；(2) 距离H的减小和喷嘴出口流速U的增加能够有效提高冲击区

25、轴心线近壁面处湍流强度；(3) 过低距离/将迅速增加喷嘴出口压力，影响设备的安全运行。建议选取为48m为宜。参考文献：jSlavchevaE,ShoneB,TurnbullA.ReviewofNaphthenicAcidCorrosioninOilRefiningJ.BritishCorrosionJournal,1999,34(2):125-131.2 WuXinqiangJingHeniing,ZhengYugui,etal.Erosion-CorrosionofVariousOil-refiningMaterialsinNaphthenicAcidJ.Wear,2004,256：133-

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27、玖.双相不锈钢M.北京：冶金工业出版社，1999：416.5 CabrerJM,MateoA,LlanesL,etal.HotDefonnation总第215期郑玉贵，姚治铭，柯伟.流体力学因素对冲刷腐蚀的影响机制LJ.腐蚀科学与防护技术,2000,12(1)：36-40.6：RussellDr,KaneD.InfluenceofVelocityInteractionsofOilCompositionRJ.InterCorrIntemalional,Inc.,2000：24-26.7PosllelhwaiteJ,NcsicS.RelationshipBetweentheStructureofDisturbedFlowandErosion-corrosionJ.Corrosion,1990,46(11)：847-880.8 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.2004：1-23.9 谢武明，沈银华，谢新民.径向壁面紊流射流理论与数值分析CJ.石油机械,2009.27(