出口集合管盲板腐蝕分析及優(yōu)化結構影響研究

郭福平,陳文紅,陳志靜

（1.廣東石油化工學院機電工程學院,茂名525000；2.中國石油化工股份有限公司茂名分公司,茂名525000）

連續(xù)重整裝置的重整單元中物料要連續(xù)通過四臺反應器進行反應,每臺反應器有一臺加熱爐提供反應熱量［1］,工藝上將四臺加熱爐集中布置在一個爐膛內(nèi),構成重整“四合一”方形立式加熱爐。加熱爐排管為U形多程并聯(lián),爐管的出入口均采用集合管連接［2］。其集合管盲端采用盲板法蘭連接,以方便工程上的檢維修操作。本工作針對重整裝置四合一爐出口集合管上發(fā)生的盲板法蘭腐蝕現(xiàn)象入手,研究其產(chǎn)生腐蝕的機理,并在產(chǎn)生腐蝕的工況下進行計算流體力學（CFD）數(shù)值模擬,以此對盲板法蘭結構進行優(yōu)化,最后研究優(yōu)化結構對法蘭腐蝕是否改善、是否影響集合管在多管路上的流量分配。

1 出口集合管盲端腐蝕機理

1.1 出口集合管的工況及腐蝕現(xiàn)象

某石油煉化企業(yè)重整裝置的重整單元四合一加熱爐出口集合管在檢修時發(fā)現(xiàn)了不同程度的腐蝕,其中以爐管最長的F702爐出口集合管盲板法蘭腐蝕最為嚴重,如圖1所示。

其腐蝕部位主要集中在盲端管法蘭的右下側,腐蝕形貌呈渦旋的條狀或條坑狀。

加熱爐的物料成分為：硫化氫2%（體積比,下同）,氯化氫1%,氫氣10%；法蘭材料為1Cr5Mo；集合管盲端壓力6 000～8 000Pa（局部存在負壓）；溫度為520～780℃；近年來處理量從85.19t/h、105.7t/h、110.7t/h、126.8t/h、136.2t/h、168t/h逐年遞增。

1.2 腐蝕機理

1.2.1 氫氣-硫化氫的化學腐蝕

在盲端溫度下主要發(fā)生高溫硫化腐蝕,硫化物在500℃時轉化為單質(zhì)硫,該硫活性更強。單質(zhì)硫和金屬發(fā)生高溫硫化。

圖1 出口集合管盲板法蘭處腐蝕情況Fig.1 The corrosion morphology of outlet manifold blind plate

該重整裝置的原料油主要是高含硫原油,一直以來硫腐蝕對設備影響嚴重,重整原料油中硫含量過高是導致腐蝕嚴重的主要原因。

在硫腐蝕后,一方面富氫環(huán)境中,原子氫能不斷侵入硫化物垢層中,造成垢層疏松多孔,使金屬原子和硫化氫介質(zhì)相互擴散滲透,使得硫腐蝕不斷進行。另一方面氫腐蝕的發(fā)生,是在高溫下氫原子滲入到金屬中與碳生成甲烷,但在盲端壓強下,氫原子只能在金屬表面發(fā)生滲碳。由集合管工況可知,加熱爐物料中含有一定量的硫化氫,氫氣占10%,屬于富氫環(huán)境,并且集合管盲端部位的介質(zhì)溫度已超過500℃,在這種情況下必定會發(fā)生高溫硫腐蝕,而且在富氫環(huán)境中加速了腐蝕。所以,在集合管盲板法蘭處主要發(fā)生了氫氣-硫化氫腐蝕。

1.2.2 對腐蝕產(chǎn)物的沖刷腐蝕

流體運動時會持續(xù)沖刷金屬表面,會將氫氣-硫化氫化學腐蝕的疏松多孔的腐蝕產(chǎn)物進行不斷沖刷。當處理量不斷增大以后,流體在盲端以湍流形式運動,湍流運動速度不斷加大,加劇了沖刷腐蝕的速度。

所以,盲板法蘭的腐蝕主要由化學腐蝕和物理腐蝕相結合,嚴重的物理腐蝕增加了化學腐蝕速率,兩種腐蝕相互影響,關系如圖2所示。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 盲板法蘭蓋結構的數(shù)值模擬

圖2 盲板法蘭腐蝕機理圖Fig.2 The chat of blind plate corrosion

圖3 盲板結構在168t/h處理量的速度矢量圖和速度等值線圖Fig.3 Velocity rector diagram（a）and velocity vector diagram of the blind plate structure at 168 t/h capacity (b)

應用FLUNET分析軟件［3］對四合一爐進行建模和計算。為了對比的一致性,對85.19t/h、105.7t/h、110.7t/h、126.8t/h、136.2t/h和168t/h不同處理量下的盲板結構都取距離端部100mm處截面進行分析。圖3（a）是平蓋結構在168t/h速度矢量圖。從圖3（a）可以看出介質(zhì)在平面上始終以一種漩渦狀的形態(tài)進行順時針流動,流體介質(zhì)不斷地對壁面進行沖刷作用。這與圖1實際腐蝕工況的腐蝕形貌相吻合。通過對如圖3（b）速度等值線圖分析,隨著處理量的增大,右下側部位的最大速度同樣也隨著增大,速度最大值能達到16m/s。因此隨著處理量的增大,壁面切向速度在增大,對壁面的沖刷作用在增強。量等值線圖。渦量（vorticity）是一個描述旋渦運動常用的物理量。流體速度的旋度為流場的渦量［4-6］,渦量的單位是秒分之一（s-1）。渦量通常被用來描述渦旋的大小和方向,渦量定義為速度場的旋度。在流體中只要有“渦量源”,就會產(chǎn)生渦旋。渦量等于角速度的兩倍,由角速度和線速度的關系可知,當渦量值增大時線速度也會隨之增大。出口集合管盲端壁面附近右下側部位渦量值明顯比其他部位大,最大值能夠達到240s-1,并且相對比較集中。圖5是不同處理量下的板圖和渦量等值線圖,從圖中可以看出右下側渦量最大值隨著處理量的不斷增大也隨著增大,對壁面的沖刷作用也隨著不斷增強。從以上各圖分析得知其腐蝕部位、腐蝕形態(tài)與實際腐蝕情況相吻合,證明了數(shù)值模擬的正確性。

圖5 不同處理量下的最大速度和最大渦量Fig.5 The maximum speed and vorticity diagram

2.2 改進盲板法蘭蓋結構的數(shù)值模擬

2.2.1 改進盲板法蘭蓋結構圖

將出口集合管盲板法蘭蓋進行改進,即在盲端法蘭蓋上焊上如圖6所示的結構。

圖6 改進出口集合管的盲板結構Fig.6 The diagram of improved outlet manifold blind plate structure

2.2.2 改進盲板法蘭蓋結構的數(shù)值模擬

在168t/h處理量工況下改進盲板法蘭蓋和盲板平蓋結構在相同位置處,即距離盲端末端100mm截面處對比速度矢量圖、速度等值線圖、渦量等值線圖。

圖7是改進結構的速度矢量圖。與圖3（a）盲板平蓋結構的速度矢量圖對比可以看出,改進盲板法蘭蓋結構的速度矢量圖有小漩渦狀的流態(tài)存在,但是并未形成規(guī)律性的方向流動的漩渦,并且流動的方向是雜亂無規(guī)律性的。

圖7 改進盲板結構的速度矢量圖和速度等值線圖Fig.7 The velocity vector（a）and velocity isoline diagram of the improved blind plate structure

圖7（b）是改進盲板法蘭蓋結構的速度等值線圖,從圖上可以看出,該結構壁面處速度很小,幾乎可以忽略,而其他部位處的速度則很大,且靠近右下側部位處速度值比較大,達到19m/s,不過由于壁面通過改進結構的隔斷防沖作用,使壁面處不受速度沖刷腐蝕影響。

圖8是改進盲板法蘭蓋結構的渦量云圖和渦量等值線圖。

圖8 改進盲板結構的渦量云圖和渦量等值線圖Fig.8 Vorticity cloud diagram（a）and vorticity contours diagram of the improved blind plate structure

對比圖4（a）和圖8（a）,從改進結構的渦量云圖中可以看出壁面上面的渦量值相對于未改進結構法蘭蓋之前的渦量值相對要小,而且分布也比較均勻。另外通過圖4（b）和圖8（b）的渦量等值線圖的對比,從改進結構法蘭蓋渦量等值線圖中可以看出,法蘭蓋改進結構改善了渦旋相對集中現(xiàn)象,并且沒有在壁面的某個部位形成渦量值較大的情況。

3 盲板優(yōu)化結構對管系流量分布影響

改進的盲板法蘭結構能夠有效避免盲端的腐蝕,但此結構對加熱爐各爐管流量分布是否有影響需要后續(xù)分析［7］。圖9是改進盲板法蘭蓋結構的爐管流量圖。從中看出改進結構的法蘭蓋結構的管系流量波動都不大,而且還可以看出各管系間的流量都有一定規(guī)律,即爐管流量從離集合管進出口最近位置的爐管到漸遠離集合管進出口的爐管有逐步降低的趨勢,管系間流量比較均勻,也比較穩(wěn)定。

圖9 改進盲板結構的爐管介質(zhì)流量分布圖Fig.9 The furnace tube medium flow distribution diagram of the improved blind plate structure

4 結論

（1）在出口集合管盲板法蘭發(fā)生了氫氣-硫化氫化學腐蝕,其疏松多孔的腐蝕產(chǎn)生物在高流速流體沖刷下發(fā)生沖刷腐蝕。

（2）過大的流量是對出口集合管盲端法蘭腐蝕的主要原因。

（3）出口集合管流體呈漩渦狀的形態(tài)進行順時針流動,是實際腐蝕呈渦旋的條狀的原因。

（4）在出口集合管右下方存在最大速度、最大渦量,與實際腐蝕位置相符。

（5）改進的法蘭蓋結構能有效擾亂漩狀順時針流態(tài),并使實際發(fā)生腐蝕位置處的渦量值、最大流體速度值降低。

（6）改進的盲板法蘭蓋結構對爐管介質(zhì)流量沒有影響。

［1］ 錢家麟,于遵宏,李文輝,等.管式加熱爐［M］.北京：中國石化出版社,2007.

［2］ 陳孫藝.石化加熱爐對流段結構及制造技術進展［J］.化工進展,2009,28（12）：334-337.

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