CFD模拟仿真技术在空冷式换热器维检修中的应用研究

　　摘要：在石油天然气与化工工艺处理过程中，空冷式换热器是重要的设备之一，具有工作压力高、介质流速快、管束数量多、外部带翅片、检测和维修复杂等特点。采用 CFD 技术模拟仿真 介质在空冷式换热器中的流动状态，在停产检修期间采用抽样检测代替全面检测，可减少检测 维修工作量和停工时间，降低密封件拆装对设备造成的损坏。模拟仿真和实际检测结果表明， 管束内气体流速较低的管道更容易结垢，造成局部腐蚀。采用 CFD 模拟仿真技术对空冷式换热器管束抽样检测具有可行性。

　　关键词：CFD 技术;模拟仿真;空冷式换热器;管束;抽样检测

　　空冷式换热器 (以下简称空冷器) 是石油天然 气与化工工艺处理过程中重要的设备之一[1-3] 。空冷 器主要由管束、通风机和构架三部分组成。管束通 常采用光管外壁装翅片方式，翅片管作为传热管可 以扩大传热面积，提供换热效率;翅片管一般分层 排列，两端用焊接或胀接法连接在管箱上，排管通 常为 3～8 层。

　　目前空冷器管束的主要检测手段以涡流探伤和 内窥镜为主，由于管束数量较多，全面检测不仅工 作量大，密封件拆装还会对设备造成损坏，因此现 场检测拟采用抽样检测的方法对翅片管进行检测。 另外，工程经验表明流场对腐蚀有减弱或加强作用，尤其对于高速流动设备，流场影响尤为明显。 借助计算流体模拟仿真软件 Flow Simulation，通过 建立空冷器的三维模型，模拟空冷器内部流场分 布，预测腐蚀发生部位，为空冷器抽样检测提供 指导。

　　1 建模

　　以 某 油 气 田 的 压 缩 机 前 空 冷 器 为 例 ， 采 用 SolidWorks 软件建立空冷器三维模型。空冷器翅片 管束共 5 层，每层翅片管的长度为 8.5 m，排管宽 度为 6.5 m;管箱尺寸为 6.4 m×0.5 m×1 m;箱体入口管线直径为 0.25 m，总管直径为 0.45 m。

　　2 计算模型

　　以天然气作为计算介质，根据天然气流经空冷 器的路径，选取空冷器管道入口和管道出口之间的 管箱、管束等作为计算域。由于计算区域模型比较复杂，故采用适应性强的四面体网格离散计算区域 模型，计算网格数约 10 万个。在计算边界确定方 面，空冷器采用 9 m/s 速度入口、3 000 kPa 压力出 口，设置为无滑移壁面。

　　3 仿真计算结果及分析

　　根据上面建立的模拟和设定的边界条件在软件 中 进 行 计 算。 从 仿 真 结 果 可 以 看 出[8-10] ，天然气通过工艺管道进入空冷器后在空冷 器前管箱内产生涡流，涡流主要集中在管箱入口管 线中间位置，以及入口管线与管线壁连线中间位置，导致管箱内该区域流速相对较低， 因而管束中流速较高的翅片管主要分布在箱体入口 管线对应的位置，其他位置流速相对较低。

　　空冷器管束本体的腐蚀大多来自因偏流导致的 高流速冲蚀和低流速结垢，尤其是低流速区的结 垢。通常境况下，由于管束内流体流速快、管径 小，因此即使管束内出现微小结垢都会对管束内的 流体产生比较强烈的影响，一般表现为结垢处出现 垢下腐蚀，结垢处之后的管束出现严重局部冲蚀 腐蚀。

　　从仿真结果可以看出，流速最快的是管箱入口 管处，而管箱内位于两个入口管之间的中线位置、 入口管与管箱壁之间的中线位置都出现了明显的低 流速区。相对于入口管箱，出口管箱处在一个低流 速分布状态，且流速分布也相对均匀。管束流速分 布则呈现出中间高、两侧低的特点，尤其在管箱入 口和管箱壁之间的中点位置最低。在管束检测中， 应优先对低流速区的管束进行检测。

　　4 抽样检测

　　针对管束的管壁减薄采取的主要检测技术是涡 流检测和内窥镜检测[11] 。根据 CFD 模拟仿真结果和 分析判断对管束进行抽样检测。根据 模拟结果和管束位置，检测分为 5 个区域，每个区 域选择不同的抽检比例，具体抽检方案如下：(1) ①、⑤区域管束内介质流速较低，每个区 域选取 10 根。 (2) ②、④区域管束内介质流速较高，每个区 域选取 5 根。 (3) ③区域管束内介质流速较高，但由于区域 较大，故选取 10 根。 根据前面的检测结果，针对检测出现问题的区 域，就近扩大检测范围，检测总数控制在管束总数 的 30%。 采用涡流检测和内窥镜检测方法对管束内部进 行检测。

　　涡流检测结果表 明，该空冷器管束的壁厚处于 2.35～2.45 mm 之间 (名 义 壁 厚 为 2.5 mm)， 壁 厚 损 失 率 在 2% ~6% 之 间，最小壁厚校核结果在可以接受范围内。内窥镜检测结果表明存在附着物 堆积、金属沉积物问题，通过对积垢进行成分分 析，积垢为铁锈与重油组分的混合物，此外检测拆 装过程中也存在丝堵及垫片损坏的情况。检测完成后，对管道内部积垢进行了清理，对 损坏的丝堵及垫片进行了维护。回装复位后，对空冷器进行了气密性试验，无泄漏情况发生，达到继 续使用条件。

　　5 对比分析

　　②、 ③、④区域属于高流速区，①、⑤区域属于低流速 区。低流速区域更容易发生结垢而产生垢下腐蚀和 局部冲蚀，因此预测：①、⑤区域是腐蚀发生高概 率区域，其次是②、④区域，最后是区域③。 涡流及内窥镜抽样检测结果，空冷器 中心线两侧的腐蚀发生概率与预测结果基本一致： ①>②>③，⑤>④>③。但中心线的左侧腐蚀明显严重于中心线右侧：①>⑤，②>④。这主要与天然气的流动方向由右到左有关，左侧工艺管道的流速更低，天然气中的重组分在左侧更容易发生沉积而结垢，进而发生腐蚀。

　　化工论文投稿刊物：《化工进展》是由中国科学技术协会主管，由中国化工学会、化学工业出版社共同主办，化学工业出版社出版，国内外公开发行，为技术信息型刊物。

　　6 结论

　　针对空冷器翅片管束数量大，检测和维修相对 复杂等问题，用 CFD 技术模拟仿真介质在空冷器 中的流动状态，停产检修期间采用抽样检测代替全 面检测，减少了检测维修工作量和停工时间。涡流 检测及内窥检测结果表明空冷器壁厚损失率在可接 受范围内，最小壁厚校核结果满足要求。此外，模 拟仿真和实际检测结果表明，管束内气体流速较低 的管道内更容易结垢，造成局部腐蚀，也验证了采 用 CFD 模拟仿真方法对空冷式换热器管束抽样检 测的可行性。

　　参考文献

　　[1] 张延丰，寿比南，邹建东，等.热交换器：GB/T151─ 2014[S].中国标准出版社，2015：11-24. ZHANG Yanfeng， SHOU Binan， ZOU Jiandong， et al. Heat exchanger： GB/T151—2014[S]. China Standards Press，2015：11-24.

　　[2] 蒋翔，李晓欣，朱冬生.几种翅片管换热器的应用研 究[J].化工进展，2003，22 (2)：183-186. JIANG Xiang，LI Xiaoxin，ZHU Dongsheng.Study on the application of several finned tube heat exchangers[J]. Progress in Chemical Engineering，2003，22 (2)：183-186.

　　[3] 刘纪福.翅片管换热器的原理与设计[M].哈尔滨：哈尔 滨工业大学出版社，2013：42-43.

　　作者：李虎 冯学章 吕小明 董江洁 饶彬源 韩英泽 刘俊麟