出口集合管盲板腐蚀分析及优化结构影响研究

郭福平,陈文红,陈志静

（1.广东石油化工学院机电工程学院,茂名525000；2.中国石油化工股份有限公司茂名分公司,茂名525000）

连续重整装置的重整单元中物料要连续通过四台反应器进行反应,每台反应器有一台加热炉提供反应热量［1］,工艺上将四台加热炉集中布置在一个炉膛内,构成重整“四合一”方形立式加热炉。加热炉排管为U形多程并联,炉管的出入口均采用集合管连接［2］。其集合管盲端采用盲板法兰连接,以方便工程上的检维修操作。本工作针对重整装置四合一炉出口集合管上发生的盲板法兰腐蚀现象入手,研究其产生腐蚀的机理,并在产生腐蚀的工况下进行计算流体力学（CFD）数值模拟,以此对盲板法兰结构进行优化,最后研究优化结构对法兰腐蚀是否改善、是否影响集合管在多管路上的流量分配。

1 出口集合管盲端腐蚀机理

1.1 出口集合管的工况及腐蚀现象

某石油炼化企业重整装置的重整单元四合一加热炉出口集合管在检修时发现了不同程度的腐蚀,其中以炉管最长的F702炉出口集合管盲板法兰腐蚀最为严重,如图1所示。

其腐蚀部位主要集中在盲端管法兰的右下侧,腐蚀形貌呈涡旋的条状或条坑状。

加热炉的物料成分为：硫化氢2%（体积比,下同）,氯化氢1%,氢气10%；法兰材料为1Cr5Mo；集合管盲端压力6 000～8 000Pa（局部存在负压）；温度为520～780℃；近年来处理量从85.19t/h、105.7t/h、110.7t/h、126.8t/h、136.2t/h、168t/h逐年递增。

1.2 腐蚀机理

1.2.1 氢气-硫化氢的化学腐蚀

在盲端温度下主要发生高温硫化腐蚀,硫化物在500℃时转化为单质硫,该硫活性更强。单质硫和金属发生高温硫化。

图1 出口集合管盲板法兰处腐蚀情况Fig.1 The corrosion morphology of outlet manifold blind plate

该重整装置的原料油主要是高含硫原油,一直以来硫腐蚀对设备影响严重,重整原料油中硫含量过高是导致腐蚀严重的主要原因。

在硫腐蚀后,一方面富氢环境中,原子氢能不断侵入硫化物垢层中,造成垢层疏松多孔,使金属原子和硫化氢介质相互扩散渗透,使得硫腐蚀不断进行。另一方面氢腐蚀的发生,是在高温下氢原子渗入到金属中与碳生成甲烷,但在盲端压强下,氢原子只能在金属表面发生渗碳。由集合管工况可知,加热炉物料中含有一定量的硫化氢,氢气占10%,属于富氢环境,并且集合管盲端部位的介质温度已超过500℃,在这种情况下必定会发生高温硫腐蚀,而且在富氢环境中加速了腐蚀。所以,在集合管盲板法兰处主要发生了氢气-硫化氢腐蚀。

1.2.2 对腐蚀产物的冲刷腐蚀

流体运动时会持续冲刷金属表面,会将氢气-硫化氢化学腐蚀的疏松多孔的腐蚀产物进行不断冲刷。当处理量不断增大以后,流体在盲端以湍流形式运动,湍流运动速度不断加大,加剧了冲刷腐蚀的速度。

所以,盲板法兰的腐蚀主要由化学腐蚀和物理腐蚀相结合,严重的物理腐蚀增加了化学腐蚀速率,两种腐蚀相互影响,关系如图2所示。

2 数值模拟分析

2.1 盲板法兰盖结构的数值模拟

图2 盲板法兰腐蚀机理图Fig.2 The chat of blind plate corrosion

图3 盲板结构在168t/h处理量的速度矢量图和速度等值线图Fig.3 Velocity rector diagram（a）and velocity vector diagram of the blind plate structure at 168 t/h capacity (b)

应用FLUNET分析软件［3］对四合一炉进行建模和计算。为了对比的一致性,对85.19t/h、105.7t/h、110.7t/h、126.8t/h、136.2t/h和168t/h不同处理量下的盲板结构都取距离端部100mm处截面进行分析。图3（a）是平盖结构在168t/h速度矢量图。从图3（a）可以看出介质在平面上始终以一种漩涡状的形态进行顺时针流动,流体介质不断地对壁面进行冲刷作用。这与图1实际腐蚀工况的腐蚀形貌相吻合。通过对如图3（b）速度等值线图分析,随着处理量的增大,右下侧部位的最大速度同样也随着增大,速度最大值能达到16m/s。因此随着处理量的增大,壁面切向速度在增大,对壁面的冲刷作用在增强。量等值线图。涡量（vorticity）是一个描述旋涡运动常用的物理量。流体速度的旋度为流场的涡量［4-6］,涡量的单位是秒分之一（s-1）。涡量通常被用来描述涡旋的大小和方向,涡量定义为速度场的旋度。在流体中只要有“涡量源”,就会产生涡旋。涡量等于角速度的两倍,由角速度和线速度的关系可知,当涡量值增大时线速度也会随之增大。出口集合管盲端壁面附近右下侧部位涡量值明显比其他部位大,最大值能够达到240s-1,并且相对比较集中。图5是不同处理量下的板图和涡量等值线图,从图中可以看出右下侧涡量最大值随着处理量的不断增大也随着增大,对壁面的冲刷作用也随着不断增强。从以上各图分析得知其腐蚀部位、腐蚀形态与实际腐蚀情况相吻合,证明了数值模拟的正确性。

图5 不同处理量下的最大速度和最大涡量Fig.5 The maximum speed and vorticity diagram

2.2 改进盲板法兰盖结构的数值模拟

2.2.1 改进盲板法兰盖结构图

将出口集合管盲板法兰盖进行改进,即在盲端法兰盖上焊上如图6所示的结构。

图6 改进出口集合管的盲板结构Fig.6 The diagram of improved outlet manifold blind plate structure

2.2.2 改进盲板法兰盖结构的数值模拟

在168t/h处理量工况下改进盲板法兰盖和盲板平盖结构在相同位置处,即距离盲端末端100mm截面处对比速度矢量图、速度等值线图、涡量等值线图。

图7是改进结构的速度矢量图。与图3（a）盲板平盖结构的速度矢量图对比可以看出,改进盲板法兰盖结构的速度矢量图有小漩涡状的流态存在,但是并未形成规律性的方向流动的漩涡,并且流动的方向是杂乱无规律性的。

图7 改进盲板结构的速度矢量图和速度等值线图Fig.7 The velocity vector（a）and velocity isoline diagram of the improved blind plate structure

图7（b）是改进盲板法兰盖结构的速度等值线图,从图上可以看出,该结构壁面处速度很小,几乎可以忽略,而其他部位处的速度则很大,且靠近右下侧部位处速度值比较大,达到19m/s,不过由于壁面通过改进结构的隔断防冲作用,使壁面处不受速度冲刷腐蚀影响。

图8是改进盲板法兰盖结构的涡量云图和涡量等值线图。

图8 改进盲板结构的涡量云图和涡量等值线图Fig.8 Vorticity cloud diagram（a）and vorticity contours diagram of the improved blind plate structure

对比图4（a）和图8（a）,从改进结构的涡量云图中可以看出壁面上面的涡量值相对于未改进结构法兰盖之前的涡量值相对要小,而且分布也比较均匀。另外通过图4（b）和图8（b）的涡量等值线图的对比,从改进结构法兰盖涡量等值线图中可以看出,法兰盖改进结构改善了涡旋相对集中现象,并且没有在壁面的某个部位形成涡量值较大的情况。

3 盲板优化结构对管系流量分布影响

改进的盲板法兰结构能够有效避免盲端的腐蚀,但此结构对加热炉各炉管流量分布是否有影响需要后续分析［7］。图9是改进盲板法兰盖结构的炉管流量图。从中看出改进结构的法兰盖结构的管系流量波动都不大,而且还可以看出各管系间的流量都有一定规律,即炉管流量从离集合管进出口最近位置的炉管到渐远离集合管进出口的炉管有逐步降低的趋势,管系间流量比较均匀,也比较稳定。

图9 改进盲板结构的炉管介质流量分布图Fig.9 The furnace tube medium flow distribution diagram of the improved blind plate structure

4 结论

（1）在出口集合管盲板法兰发生了氢气-硫化氢化学腐蚀,其疏松多孔的腐蚀产生物在高流速流体冲刷下发生冲刷腐蚀。

（2）过大的流量是对出口集合管盲端法兰腐蚀的主要原因。

（3）出口集合管流体呈漩涡状的形态进行顺时针流动,是实际腐蚀呈涡旋的条状的原因。

（4）在出口集合管右下方存在最大速度、最大涡量,与实际腐蚀位置相符。

（5）改进的法兰盖结构能有效扰乱漩状顺时针流态,并使实际发生腐蚀位置处的涡量值、最大流体速度值降低。

（6）改进的盲板法兰盖结构对炉管介质流量没有影响。

［1］ 钱家麟,于遵宏,李文辉,等.管式加热炉［M］.北京：中国石化出版社,2007.

［2］ 陈孙艺.石化加热炉对流段结构及制造技术进展［J］.化工进展,2009,28（12）：334-337.

［3］ 刘伟,冀晓辉.基于CFD的新型布浆器混合室结构［J］.化工进展,2014,33（6）：1413-1418.

［4］ 吴子牛.计算流体力学基本原理（第1版）［M］.北京：科学出版社,2001：45-50.

［5］ 许维德.流体力学（修订本）［M］.北京：国防工业出版社,1996：106-110.

［6］ 苏铭德,黄素逸.计算流体力学基础（第1版）［M］.北京：清华大学出版社,1997：136-139.

［7］ 闫广豪,张海燕,杨利然,等.集合管端部结构对重整加热炉管系流量分布影响［J］.炼油技术与工程,2013,43（2）：45-48.