黃遠(yuǎn) 唐迎邱

摘 要：為了準(zhǔn)確評估CO裝置汽提氣冷凝器金屬塵化腐蝕規(guī)律，延長冷凝器的使用壽命，設(shè)計一個CO裝置汽提氣冷凝器金屬塵化腐蝕擴(kuò)散模擬識別方法。利用不平衡外推法對流體周圍的邊界計算，建立二維擴(kuò)散方程計算腐蝕速率，使用蒙特卡羅方法，分析擴(kuò)散機(jī)理，根據(jù)加權(quán)概率識別沉淀物遷移情況，獲取微粒隨著時間的推移的位置和速度，以此實現(xiàn)冷凝器金屬塵化腐蝕擴(kuò)散模擬識別。實驗結(jié)果表明：所提出的識別方法能夠識別出不同天數(shù)下的金屬擴(kuò)散情況，在相對濕度下的腐蝕增量、金屬被腐蝕體積、腐蝕產(chǎn)物沉淀體積識別上，識別準(zhǔn)確度較高。

關(guān)鍵詞：CO裝置汽提氣冷凝器；金屬塵化腐蝕；腐蝕擴(kuò)散；數(shù)值模擬

中圖分類號：TG115;TQ050.9+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-5922（2023）07-0115-04

Simulation and identification method of metal dust corrosion diffusion in stripping gas condenser of CO unit

HUANG Yuan，TANG Yingqiu

（Yangtze River Acetyls Co.，Ltd.，Chongqing? 401254，China

）

Abstract：In order to accurately evaluate the rule of metal dust corrosion in the stripping gas condenser of Co unit and prolong the service life of the condenser，a simulation and identification method of metal dust corrosion diffusion in the stripping gas condenser of Co unit was designed.The unbalanced extrapolation method is used to calculate the boundary around the fluid，and a two-dimensional diffusion equation is established to calculate the corrosion rate.The Monte Carlo method is used to analyze the diffusion mechanism，identify the migration of sediment according to the weighted probability，and obtain the position and velocity of particles over time，so as to realize the simulation and identification of metal dust corrosion diffusion of condenser.The experimental results show that the proposed identification method can identify the metal diffusion in different days，and the identification accuracy is high in the identification of corrosion increment，metal corrosion volume and corrosion product precipitation volume under relative humidity.

Key words：stripping gas condenser of CO unit;metal dust corrosion;corrosion diffusion;numerical simulation

冷凝器的作用是排熱，可以將空氣和蒸氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)，并迅速釋放出熱量。電容器的運行是一個熱量釋放的過程，在這個過程中，將水變成液體的設(shè)備也被稱為冷凝器。所有的電容器在運行時，都會吸收掉氣體或蒸氣的熱量。由于化學(xué)制品加工工藝的差異，在使用過程中會產(chǎn)生各種腐蝕和損傷。由于其自身的特性、環(huán)境因素等因素，使得金屬腐蝕仿真結(jié)果難以與真實環(huán)境相符合，從而難以準(zhǔn)確地進(jìn)行風(fēng)險預(yù)報。為此，凌曉等［1］研究了基于大數(shù)據(jù)的金屬管道腐蝕狀態(tài)分析模型，為了對壓力管線的腐蝕狀況進(jìn)行客觀、高效的評價，運用大數(shù)據(jù)技術(shù)對管線的腐蝕狀況進(jìn)行評價，為管線的腐蝕狀況提供了一種新的方法；朱子齊等［2］研究了金屬油氣管道腐蝕的β射線檢測方法，對β粒子在穿過不同厚度鋼板時的能量分布及特征進(jìn)行了分析，獲得管道腐蝕情況。

但是金屬塵化是異常的高溫腐蝕形式，難以直觀檢查腐蝕現(xiàn)象的同時，無法獲取沉淀物遷移情況，風(fēng)險預(yù)報與特征分析過程首先，為此，優(yōu)化設(shè)計一個CO裝置汽提氣冷凝器金屬塵化腐蝕擴(kuò)散模擬識別方法。

1 腐蝕產(chǎn)物沉淀分析

CO裝置汽提氣體冷凝器的金屬塵化時，存在大量的化學(xué)成分，如金屬陽離子、陰極反應(yīng)生成陰離子、硫酸根、氯離子等，這些離子結(jié)合［3］，生成了一種腐蝕產(chǎn)物，這種腐蝕產(chǎn)物的數(shù)量越來越多，濃度也越來越高，最終結(jié)晶化，從液相到固相。

在此基礎(chǔ)，進(jìn)一步計算腐蝕產(chǎn)物生成條件，計算公式為：

CC（aq）>CC（s）（1）

式中：CC（aq）表示冷凝器中腐蝕產(chǎn)物的濃度；CC（s）表示腐蝕產(chǎn)物的飽和濃度。

在此基礎(chǔ)上，采用非平衡外推法對液體四周邊界值進(jìn)行計算［4］，計算公式為：

fi（O，t）=f（O，t）+［fi（F，t）-feq（F，t）］（2）

式中：feq（F，t）表示冷凝器中流體平衡參數(shù)；fi（F，t）、f（O，t）分別表示冷凝器的密度值和速度值。

上述計算對產(chǎn)物沉淀模型構(gòu)建，為金屬塵化腐蝕擴(kuò)散模擬提供基礎(chǔ)。

2 腐蝕速率計算

通常，腐蝕速度取決于反應(yīng)速度和滲透率，在發(fā)生腐蝕后，發(fā)生了快速的化學(xué)反應(yīng)［5-6］，腐蝕初期，由于化學(xué)機(jī)理的作用，會對腐蝕液的擴(kuò)散機(jī)理產(chǎn)生一定的影響?；谶@種情況，二維擴(kuò)散方程表示為［7］：

Ct=D2Cx2+Cy2 （3）

式中：（x2，y2）表示某時刻的冷凝器內(nèi)部金屬腐蝕部分的濃度；C表示腐蝕后產(chǎn)出的溶液的擴(kuò)散參數(shù)。

腐蝕速度取決于材料本身和環(huán)境條件［8］，因為其在空間上的腐蝕速度是不均勻的，所以對其進(jìn)行了以下的定義：

假設(shè)某空間集合為A，將局部腐蝕速率表示為：

L=Ci（i=1，2，…，n）（4）

式中：Ci表示腐蝕速率函數(shù)。

CO裝置汽提氣體冷凝器存在著空間上的非均勻性，為了精確地描述其自催化效應(yīng)［9］，催化函數(shù)表示為：

limh→hminf=0

limh→hmaxf=0=Ci（5）

式中：f表示腐蝕速率函數(shù)；hmin、hmax分別表示腐蝕速率的最大值與最小值。

冷凝器金屬塵化腐蝕過程較為復(fù)雜，雖然以上計算了腐蝕速度，但無法作為最終擴(kuò)散的最終判別，因此還需進(jìn)一步的計算。

3 沉淀物遷移識別

在實際的腐蝕過程中，會出現(xiàn)遷移情況，AKMC是一種基于原子晶格處的 KMC運算［10］，可以被廣泛地應(yīng)用于表面成長等領(lǐng)域。它的基本原理是構(gòu)造一個由原子組成的格子陣列，由計算程序來模擬不同的原子的移動。使用蒙特卡羅方法，根據(jù)加權(quán)概率，隨機(jī)選擇一次躍遷［11］，來確定所選擇的原子躍變概率，以及是否包括了所有的躍遷；若有，則可以準(zhǔn)確地模擬系統(tǒng)的長期演變。

需要指出，要保證每一次腐蝕情況的發(fā)生都與腐蝕速率函數(shù)解相對應(yīng)，必須將所有的事件發(fā)生概率進(jìn)行統(tǒng)計，并將其存入相應(yīng)的清單中［12］。按照蒙特卡羅算法，每個蒙特卡洛步對應(yīng)的事件的發(fā)生概率表示為：

Pi=Ri/ΣRi（6）

式中：Ri表示第i個事件的概率。

同時，將金屬塵化腐蝕擴(kuò)散行為以分子動力學(xué)形式計算，在分子動力學(xué)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)中的每一個微粒都遵循著牛頓的運動規(guī)律［13］，也就是運動與某一特定的軌道有關(guān)。給出一個系統(tǒng)的初始運動狀態(tài)，然后利用牛頓運動定律對其進(jìn)行積分運算，得出了多個微粒系統(tǒng)的連續(xù)結(jié)構(gòu)，獲得了該系統(tǒng)中微粒隨著時間的推移的位置和速度，參考牛頓運動定律，由此可以確定其運動軌跡。

（1）顆粒在沒有受到外力的情況下，會繼續(xù)沿著一條直線以恒定的速度前進(jìn)，這就是慣性定律［14］；

（2）顆粒受到的合外力與時間的動量的關(guān)系；

（3）每次擴(kuò)散都必然會產(chǎn)生與動作相反的動作，而這些動作在同一時間出現(xiàn)，又同時消失，擴(kuò)散函數(shù)為：

d2xidt2=Fximi（7）

式中：Fxi表示粒子沿著xi軸方向上受到的力；mi表示質(zhì)量的粒子；dt表示碰撞的時間間隔。

利用該模型可以描述不同的溶液成分的傳遞過程，并利用該模型建立了相應(yīng)的質(zhì)量傳遞演化方程，表示為［15］。

g=（x+ceaΔt+Δt）-gk，a（x，t）（8）

式中：gk，a（x，t）表示第k組成分的濃密度分布函數(shù)；Δt表示時間步長；cea表示平衡濃度分布函數(shù)。

上述過程計算出遷移過程，但是在腐蝕的邊緣，每一個節(jié)點都有可能被鈍化，從而減緩腐蝕速度，從而造成凹槽的不規(guī)則形狀。為此需要進(jìn)一步處理，整個識別流程從初始化擴(kuò)展系統(tǒng)著手，重新定義問題空間和判斷網(wǎng)格變化速率，再到變化情況提取、體積概率判斷，最后完成信息輸出。

在金屬發(fā)生腐蝕后，腐蝕邊緣會發(fā)生體積變化，這種情況稱作鈍化概率系數(shù)（ε），表示為：

ε=0 （R>P）

1 （R≤）P

（9）

式中：R表示任意隨機(jī)實數(shù)；P表示鈍化概率。

在不引入鈍化幾率的條件下，僅有一個完全的腐蝕反應(yīng)，而在不同的結(jié)點上，同樣的反應(yīng)速度會使凹陷形成均勻的形狀，將其作為判斷依據(jù)，完成冷凝器金屬塵化腐蝕擴(kuò)散模擬。

4 實驗對比

4.1 實驗準(zhǔn)備

為驗證冷凝器金屬塵化腐蝕擴(kuò)散模擬識別方法的有效性，進(jìn)行實驗，此次實驗對象的冷凝器是用于與乙酸設(shè)備相匹配的一氧化碳回收和冷卻系統(tǒng)。本裝置是一種垂直的固定管板型換熱器，外殼的材質(zhì)是奧氏體不銹鋼，直徑為25 mm。

實驗分為3部分進(jìn)行，實驗第1部分，主要采用所提出的方法，模擬金屬腐蝕擴(kuò)散的情況。

第2部分實驗準(zhǔn)備：人工制作溶液，加快金屬的腐蝕，溶液有氰化鈉、氯化鈉、硫酸鎂、氧化鈣、乙酸、濃鹽酸和緩蝕劑。試樣制備過程為：

（1）將樣品從8 mm厚的不銹鋼管線上切下，按照不同的試驗要求進(jìn)行處理。將電化學(xué)試驗樣品制成（5×3×50）mm的樣品，經(jīng)150、400、1000和2 000#水砂紙逐層打磨，再用2.5 μm的金剛石磨料進(jìn)行研磨，研磨后采用去離子水沖洗樣品，沖洗完成后加入到無水酒精中，同時采用超聲波清洗，將油脂等雜質(zhì)清除，用吹風(fēng)機(jī)將其吹干，放到烘干機(jī)中備用；

（2）采用高溫、高壓浸漬試驗，樣品大小為HP-13Cr型不銹鋼，其形狀為（10×3×50）mm。樣品經(jīng)水砂紙一層一層地磨平，直至2 000#，再拋光，去離子水沖洗，無水乙醇脫油，并吹干；

（3）高溫高壓縫試驗所采用的型號是HP-13Cr型（5 ×3×50）mm的不銹鋼薄板，在其的兩端中間有一個孔洞，直徑2.5 mm，用來安裝狹縫裝置。采用砂紙磨平樣品，用去離子水沖洗樣品，并去除油脂，取出后將其吹干；

（4）高通量試驗用的樣品是一種凸起型電極，插入到轉(zhuǎn)盤內(nèi)的零件的大小為（10×2×50）mm，凸臺的高度在1～3 mm變化；

（5）用掃描電鏡觀察、共聚焦顯微鏡觀察、成分分析的樣品，按其大小順序用無去離子水和乙醇水沖洗，然后吹干，備用。

實驗的第3部分準(zhǔn)備工作如下：

在運行一年后的停機(jī)檢查中，發(fā)現(xiàn)下部管板嚴(yán)重腐蝕，造成嚴(yán)重?fù)p傷，因此必須進(jìn)行緊急檢修。

該設(shè)備的主要技術(shù)特性如表1所示。

該裝置采用0Cr19Ni9鍛件，全部采用奧氏體不銹鋼。

汽提氣主要成份如表2所示。

從汽提塔排出的氣化氣體通過垂直的換熱器頂部進(jìn)口流入管箱內(nèi)，凝結(jié)水從管箱底排出，冷卻循環(huán)的水由下往上逆流，經(jīng)過冷卻系統(tǒng)的再利用。

本裝置在停機(jī)檢查時，將上、下2個封頭全部打開，發(fā)現(xiàn)管橋、管板與換熱管連接處的焊接處出現(xiàn)了嚴(yán)重的腐蝕，通過放大鏡可以看到被腐蝕的地方有細(xì)小的裂縫和顆粒掉落后形成的表面形狀。

將其作為實驗對象，并為了保證實驗的嚴(yán)謹(jǐn)性，將基于大數(shù)據(jù)的分析模型、金屬油氣管道腐蝕的β射線檢測方法與所提出的識別方法對比。

4.2 實驗結(jié)果分析

第1部分實驗中，對金屬樣品進(jìn)行不同時間的腐蝕操作。所提出的方法能夠識別出不同時間的金屬腐蝕變化情況，結(jié)果表明，時間越長，金屬表面的凹凸現(xiàn)象越明顯。

預(yù)先對比相對濕度下的金屬腐蝕增量情況，即實驗2的結(jié)果，對比結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出，所提出的識別方法在不同濕度下的腐蝕增量模擬上，識別的結(jié)果與實際增量基本一致，證明所提出的方法準(zhǔn)確性較高，高于另外2個識別方法，實際應(yīng)用意義強(qiáng)。

在實驗3中，對比金屬被腐蝕的體積，對比結(jié)果如圖2所示。

腐蝕產(chǎn)物沉淀體積對比結(jié)果如圖3所示。

由圖2和圖3可以看出，隨著時間的增加，金屬被腐蝕體積與腐蝕產(chǎn)物沉淀體積隨之增加，所提出方法準(zhǔn)確識別出這種趨勢，識別準(zhǔn)確度優(yōu)于另外2種方法。

5 結(jié)語

預(yù)先進(jìn)行了腐蝕產(chǎn)物沉淀分析，應(yīng)用遷移識別方法，能夠識別出不同天數(shù)下的金屬腐蝕變化情況，完成不同濕度下的腐蝕增量模擬分析，準(zhǔn)確度較優(yōu)，從而在很大程度上提高了識別結(jié)果的準(zhǔn)確性。但在實際情況下，有較多影響金屬腐蝕的因素，所以在實際應(yīng)用時，應(yīng)該結(jié)合實際的情況，分析影響因素，以進(jìn)一步提高金屬擴(kuò)散識別方法。

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