郭田 錦左晨 雷雯

摘 要：本文對(duì)套管式換熱器內(nèi)漏展開(kāi)研究，首先在說(shuō)明換熱器內(nèi)漏研究必要性的基礎(chǔ)上，介紹了本文所選用的CFD軟件FLUENT背景，針對(duì)套管式換熱器，用GAMBIT建模并劃分網(wǎng)格設(shè)置邊界條件，再用FLUENT軟件對(duì)泄漏進(jìn)行模擬，對(duì)比換熱器內(nèi)漏引起的參數(shù)變化，最后進(jìn)行換熱器內(nèi)漏危害控制措施分析，提出內(nèi)漏的控制措施，將理論與實(shí)際相結(jié)合，使結(jié)果更加具有合理性。

關(guān)鍵詞：套管式換熱器;內(nèi)漏;FLUENT;模擬

0 引言

換熱器在當(dāng)今社會(huì)有著豐富的應(yīng)用，如石油、化工、電力、冶金、船舶等領(lǐng)域，各行各業(yè)對(duì)換熱器的需求都處于穩(wěn)定增長(zhǎng)中，換熱器的發(fā)展也朝著高效率、低能耗、低污染邁進(jìn)。換熱器既可以作為工業(yè)中的重要設(shè)備，如過(guò)熱器、預(yù)熱器、加熱器等，還有冷凝塔內(nèi)的熱交換器;也在我們的生活中充當(dāng)著必不可少的角色，取暖時(shí)的暖氣片、汽輪機(jī)中的凝汽器、汽車上的油冷卻器等都是換熱器。換熱器是石油化工中應(yīng)用最為廣泛的單元設(shè)備之一。而就在這種社會(huì)背景下，由于參差不齊的制造水平和復(fù)雜多變的工況環(huán)境導(dǎo)致的換熱器泄漏更是已發(fā)生事故中的常見(jiàn)類型。換熱器的泄漏不僅會(huì)浪費(fèi)物料、污染環(huán)境，還會(huì)影響正常的生產(chǎn)流程、降低企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，已經(jīng)成為不容忽視的社會(huì)問(wèn)題。

1 套管式換熱器內(nèi)漏數(shù)值模擬分析

1.1 建模及前處理

FLUENT軟件在全球計(jì)算流體力學(xué)的研究中起著重要作用，僅在美國(guó)市場(chǎng)占有率就高達(dá)60%，它最突出的特點(diǎn)就是廣泛的物理模型和精確的數(shù)值計(jì)算以及豐富的后處理特性，F(xiàn)LUENT被各行各業(yè)拿來(lái)投入設(shè)計(jì)模擬，其仿真功能從天然氣儲(chǔ)罐的燃爆到飛機(jī)機(jī)翼模擬，從瓷器制造到桌椅設(shè)計(jì)，從半導(dǎo)體制造到模仿肌肉運(yùn)動(dòng)。本文所用的FLUENT前處理器為GAMBIT，因GAMBIT有前處理建模及網(wǎng)格劃分設(shè)置進(jìn)出口的功能，是進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)前處理器的首選，GAMBIT適合于簡(jiǎn)單模型，適用于本例，模型建模完成后可以導(dǎo)入GAMBIT軟件再進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

鑒于套管式換熱器自身結(jié)構(gòu)的特性，在現(xiàn)有的計(jì)算水平和資源下對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整場(chǎng)數(shù)值模擬太過(guò)復(fù)雜，所以有必要對(duì)其進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，使之能完成數(shù)值模擬，即使簡(jiǎn)化帶來(lái)誤差，只要誤差在工程上是可以接受的就可以，因此只把套管式換熱器做局部模擬，并且簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)易幾何模型圖。

1.2 幾何模型

套管式換熱器局部模型基本數(shù)據(jù)如表1所示。

1.3網(wǎng)格劃分

因?yàn)楣軆?nèi)的流動(dòng)為湍流，在靠近管壁的地方流動(dòng)特性不同于主流區(qū)，為了更好的計(jì)算壁面附近的流場(chǎng)，進(jìn)行邊界層劃分，第一層厚度設(shè)定為0.5，邊界層的增長(zhǎng)因子設(shè)定為1.2，邊界層層數(shù)設(shè)定為6。

對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)說(shuō)，網(wǎng)格劃分的作用至關(guān)重要，因?yàn)榫W(wǎng)格的質(zhì)量給計(jì)算過(guò)程的精確性和收斂難易程度帶來(lái)巨大影響。在2D劃分網(wǎng)格時(shí)有Quad、Tri、Quad/Tri可以選擇，本文穩(wěn)態(tài)模型采用了四邊形單元，泄漏模型采用了劃分更為精細(xì)、計(jì)算更加準(zhǔn)確的三角形單元，在Type中選擇Map形式由Gambit生成網(wǎng)格。

1.4 邊界條件的指定

在本文中為了更好的換熱，管殼程介質(zhì)逆向流動(dòng)，所以有管程、殼程的進(jìn)出口和管壁換熱系數(shù)需要設(shè)置。將管殼程進(jìn)口設(shè)置為速度入口（Velocity-inlet），出口設(shè)置為壓力出口（Pressure-outlet），管壁為壁面（Wall）。

1.5 計(jì)算過(guò)程

本文中所選擇的模擬對(duì)象和情景是二維問(wèn)題，對(duì)于精度的要求較低，因此在FLUENT軟件中，選擇二維單精度求解器（2D）。將網(wǎng)格導(dǎo)入軟件進(jìn)行檢查確認(rèn)網(wǎng)格合格之后，把計(jì)算區(qū)域的尺寸由默認(rèn)的m改為mm。定義基本求解器，啟動(dòng)能量方程，假設(shè)流動(dòng)形式為湍流，選擇計(jì)算模型為k-epsilon。保持系統(tǒng)默認(rèn)的參數(shù)即可，即在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下進(jìn)行運(yùn)算，不考慮重力的影響。把水的物理性質(zhì)從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出。把流體區(qū)材料設(shè)定為液態(tài)水，固體區(qū)材料設(shè)置為鋁，根據(jù)需要模擬的工況設(shè)置冷熱介質(zhì)入口處的速度和溫度、出口處的壓力。將固體處的熱導(dǎo)率設(shè)置為鋁的熱導(dǎo)率。采用SIMPLE算法，在迭代計(jì)算時(shí)動(dòng)態(tài)顯示計(jì)算殘差，求解精度保持系統(tǒng)默認(rèn)值即可。

2 結(jié)果分析與討論

選擇合適換熱器進(jìn)行建模及前處理之后，查閱了相關(guān)換熱器工作數(shù)據(jù)，采用了符合工況實(shí)際的參數(shù)，進(jìn)行內(nèi)漏的模擬，主要分為三部分：穩(wěn)態(tài)與內(nèi)漏的速度、溫度、壓力場(chǎng)對(duì)比。

2.1 速度場(chǎng)對(duì)比分析

通過(guò)穩(wěn)態(tài)與泄露狀態(tài)的速度場(chǎng)模擬可以看出，泄漏未發(fā)生時(shí)，穩(wěn)態(tài)流動(dòng)下?lián)Q熱器內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)比較穩(wěn)定，入口處流速稍大于出口處，靠近管壁的流速大于中間部分流體流速。泄漏發(fā)生后，在泄漏口處速度集聚增大，由壓力較大的殼程流向壓力較小的管程，殼程的整體流速有少量變化。

2.2 溫度場(chǎng)對(duì)比分析

通過(guò)穩(wěn)態(tài)與泄露狀態(tài)的溫度場(chǎng)模擬可以看出，泄漏未發(fā)生時(shí)，穩(wěn)態(tài)流動(dòng)下溫度呈梯度變化，管程從入口到出口溫度逐漸降低，殼程從入口到出口溫度有輕微升高。泄漏發(fā)生之后在所模擬的這一米長(zhǎng)的管徑內(nèi)溫度基本沒(méi)有變化。

2.3 壓力場(chǎng)對(duì)比分析

通過(guò)穩(wěn)態(tài)與泄露狀態(tài)的壓力場(chǎng)模擬可以看出，泄漏未發(fā)生時(shí)，管程入口處壓力較小，之后略有升高，殼程入口處壓力較小，之后略有升高。泄漏發(fā)生之后管程在泄漏口處有明顯的壓力降低，殼程的壓降集中在離出口較近處，并且殼程的壓力整體比較高。

3 套管式換熱器內(nèi)漏危害控制措施分析

結(jié)合上面內(nèi)容中針對(duì)套管式換熱器內(nèi)漏進(jìn)行數(shù)值模擬分析，可以發(fā)現(xiàn)，套管式換熱器的內(nèi)漏會(huì)對(duì)流速、溫度、壓力都帶來(lái)顯著的變化和影響，內(nèi)漏狀態(tài)下的各項(xiàng)參數(shù)與正常工況下有較大差異，因此，對(duì)套管式換熱器內(nèi)漏采取一定措施進(jìn)行控制尤為重要。

3.1 對(duì)泄漏源進(jìn)行處理

泄漏發(fā)生后及時(shí)有效的處理是首要問(wèn)題，在情況允許時(shí)要立刻采取適當(dāng)辦法切除泄漏源，盡快采取機(jī)械沖洗方法，并且排放污油，泄漏情況嚴(yán)重的話還要進(jìn)行化學(xué)沖洗對(duì)循環(huán)水類換熱器進(jìn)行重新預(yù)膜，使水質(zhì)在最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常。

查到泄漏源在哪個(gè)換熱器之后要立刻進(jìn)行檢修處理，對(duì)于因工藝需要必須運(yùn)行不能切除的換熱器要升高控制COD、油含量、異氧菌和余氯的監(jiān)控頻率，并且使用氧化性和非氧化性殺菌劑結(jié)合的方法把COD值和異氧菌的量控制在一定值，防止腐蝕加劇，減少粘泥量，時(shí)時(shí)關(guān)注水質(zhì)變化情況，對(duì)于油污較多的情況，處理時(shí)除了排物、溢流和人工撇油，還要增投除油劑。

3.2 工藝上采取“一脫四注”

一脫四注指的是：脫鹽、注氨、注緩蝕劑、原油注堿、注水。這是在化工工藝上常采用的一種防止金屬發(fā)生腐蝕的方法。

脫鹽指的是減少鹽含量，原油中雖然含鹽量本身并不高，但是鹽分的存在仍然會(huì)引起腐蝕，鹽水解生成的氯化氫氣體會(huì)形成腐蝕性介質(zhì)，引起循環(huán)系統(tǒng)中的腐蝕。注堿指的是在脫鹽之后，使殘留在原油中的氯化鎂、氯化鈣變成氯化鈉。氯化鈉跟前兩種物質(zhì)相比不容易水解，也不會(huì)產(chǎn)生酸性氣體，從而能控制鹽腐蝕，并且中和石油酸和硫化氫。在脫鹽注堿之后，常壓塔頂冷凝系統(tǒng)仍有殘留的5%到10%的氯化氫，這就需要進(jìn)行注氨，在水蒸氣變成液態(tài)水之前，氨氣與氯化氫反應(yīng)生成氯化銨，從而避免生成氯化氫的水溶液。而注堿性水是為了溶解氯化銨。緩蝕劑是能夠在金屬表面形成膜的有機(jī)胺類化合物。緩蝕劑表面具有活性，吸附在金屬表面之后能形成具有抗水性的保護(hù)膜，從而隔絕金屬與腐蝕性溶液直接接觸。

3.3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

然而針對(duì)套管式換熱器易發(fā)生泄露的現(xiàn)狀，要想從根本上改變這一問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全，就要對(duì)換熱器設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以提高設(shè)備的使用周期。在換熱器設(shè)備結(jié)構(gòu)改進(jìn)上可以做如下工作：

（1）提高管束的材質(zhì)質(zhì)量;采用制作工藝更為精良、質(zhì)量更優(yōu)質(zhì)的管束材料，以管束材質(zhì)性能的變化來(lái)減少泄露的發(fā)生，從而延長(zhǎng)管束的使用壽命。管材可以從常用的10#鋼改為Cr13。

（2）將列管與管板的連接形式由脹接改為焊接;這種連接形式上的改變可以增強(qiáng)管口連接處的強(qiáng)度，硫含量較高的油品在高溫、高速流動(dòng)的狀態(tài)下，對(duì)金屬材料的腐蝕是以減弱金屬材料機(jī)械性能為主的，因此采取以上兩種措施能提高管材的機(jī)械強(qiáng)度。

但也有工廠在采取以上兩種措施后，換熱器在使用一段時(shí)間后管口正常，沒(méi)有內(nèi)漏發(fā)生，但列管堵塞的問(wèn)題仍然存在。換熱器的實(shí)踐維修經(jīng)驗(yàn)表明，在定期檢修中采取合理的檢修施工工藝方法，可以有效減少換熱器泄露發(fā)生頻率，或減少重復(fù)檢修，進(jìn)而節(jié)約檢修費(fèi)用，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與操作環(huán)境的安全性。

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