高溫高流速環(huán)烷酸沖刷腐蝕流場數(shù)值模擬研究.docx

1、高溫高流速環(huán)烷酸沖刷腐蝕流場數(shù)值模擬研究江克'，楊鐵成七陳學東心，張瑋'，高增梁'(1.浙江工業(yè)大學化工機械設計研究所，浙江杭州310032；2.合肥通用機械研究院國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)中心，安徽合肥230031)摘要:采用CFD技術(shù)對高溫高流速環(huán)烷酸噴射試驗裝置的流場進行數(shù)值模擬，主要分析了噴嘴至壁面距離、噴嘴出口流速和流體溫度T的變化對噴嘴外部區(qū)域流場分布情況的影響。結(jié)果表明：隨著的增大，和7的減小，壁面剪切應力逐漸增大；近壁處湍流強度隨的增大和H的減小而增強；減小H能增強噴射流體沖刷效果，但是H過小時，噴嘴出口壓力過大，影響設備安全運行。為了提高試樣壁面沖

2、刷腐蝕效果，達到加速試驗和安全運行目的，建議取48mm為宜。關(guān)鍵詞:環(huán)炕酸；沖刷腐蝕；壁而剪切應力；湍流強度中圖分類號:TE986文獻標識碼：A文章編號：1001-4837(2010)10-0001-07doi：10.3969/j.issn.1001-4837.2010.10.001NumericalSimulationofNaphthenicAcidErosion一corrosioninHigh一temperatureandFast一flowEnvironmentsJIANGKe1,YANGTie-cheng'2,CHENXue-dong'ZHANGWei1,GAOZeng-

3、liang1(1.InstituteofProcessEquipmentandControlEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310032,China；2.HefeiGeneralMachineryResearchInstitute,NationalTechnicalResearchCenteronSafetyEngineeringofPressureVesselandPipelines,Hefei230031,China)Abstract：TheCFDtechnologyhasbeenusedtosimulatetheflo

4、wfieldofjet-impingementinstallationfornaphthenicacidinhigh一temperatureandfast-flowduringerosion一corrosiontest.Theinfluenceofthedistancefromthenozzleexittothespecimensurface(H),thefluidvelocityatthenozzleexit(J)andthetemperatureofthejet一impingementfluid(T)ontheflowfield'sdistributionofthenozzleex

5、itinexteriordomainaremainlyanalyzed.TheresultsshowedthatthewallshearstressincreasedgraduallyastheUincreasedandtheH,Tdecreased,andwallturbulenceintheimpingementregionincreasedgraduallyastheUincreasedandtheHdecreased；AlthoughdecreasingtheHcansignificantlyincreasethefluiderosion,thecorrespondingpressur

6、eatthenozzleexitalsoincreasedrapidly.This,inturn,influencetheequipmentoperatedsafely.SotheHshouldbechosenat48mmtoimproveexperimentalefficiencyforacceleratingtestandinsuringthesaferunningoftheequipment.Keywords:naphthenicacid；erosion-corrosion；wallshearstress；turbulentintensity基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)

7、重點項目課題(2009AA044800)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)目標導向課題(2007AA04Z430)0引言噴射試驗裝置煉油裝置的環(huán)烷酸腐蝕(NAC)和沖蝕(NAEC)一直是煉油廠亟待解決的難點問題之-o近年來，隨著高酸值含硫原油的煉制比例逐年增長，煉油設備的腐蝕日益加重，特別是在局部的高溫高流速部位如轉(zhuǎn)油線彎頭、熱電偶套管、閥門及常減壓塔內(nèi)的構(gòu)件(如塔盤、塔壁、集合管、泡罩防沖擋板等)的腐蝕與沖蝕十分嚴重，由此產(chǎn)生事故頻繁發(fā)生，嚴幣威脅著煉廠的安全生產(chǎn)。根據(jù)實際經(jīng)驗可知，環(huán)烷酸腐蝕主要發(fā)生在270280X.和350400丁兩個溫度段，前一個溫度段主要是環(huán)烷酸腐蝕引起，后一個溫

8、度段主要是由于11花參與反應引起，具體的反應方程如下：Fe+2RCOOH->Fc(RCOO)2+H2Fe+H2S->FeS+H2Fe(RCQ0)2+JSFeS+2RC00HFeS+2RCOOH->Fe(RCOO)2+H2S根據(jù)上述反應可知，當H2s參與反應之后,腐蝕產(chǎn)物硫化亞鐵能夠形成一層穩(wěn)定保護膜覆蓋在金屬表面，阻止腐蝕進一步發(fā)生。但是，在高流速環(huán)境以及流體流向發(fā)生突變部位，由于沖刷作用導致硫化亞鐵保護膜脫落,造成金屬表面再次裸露在腐蝕環(huán)境中，繼續(xù)環(huán)烷酸腐蝕，如此循環(huán)往復，造成設備不斷減薄，最終穿孔破壞。因此，研究高溫高流速環(huán)境卜的環(huán)烷酸腐蝕與沖蝕I分必要。針對上述情況，中

9、國科學院金屬研究所吳欣強等對高溫環(huán)烷酸沖刷腐蝕進行了大量試驗研究，并通過有限元數(shù)值模擬方法考察流體噴射參數(shù)對壁面剪切應力的影響來衡量流體沖刷的作用強弱，指導噴射試驗參數(shù)的選擇2-3o為進一步加深對高溫高流速環(huán)境下環(huán)烷酸沖刷腐蝕的了解,2008年，合肥通用機械研究院自行設計建造了一套高溫高流速噴射沖刷試驗裝置。該套裝置能夠有效地模擬實際煉油工況，實現(xiàn)高溫高流速條件下的沖刷腐蝕試驗。文中通過CFD模擬計算該套試驗裝置在進行沖刷腐蝕試驗時流場的流速、壓力、壁面剪切應力以及湍流強度，根據(jù)計算結(jié)果分析確定合理的沖刷試驗參數(shù)。2噴射試驗裝置主要由儲油罐、循環(huán)泵、管道、噴嘴和循環(huán)冷卻水組成。其基本原理是將調(diào)

10、配好的腐蝕介質(zhì)(如含酸油介質(zhì)或含硫油介質(zhì)等)循環(huán)流動加熱到預定試驗溫度,通過截止閥控制旁路管道流量:來控制噴嘴出口流體流速，以產(chǎn)生所需要的溫度及流速，對放置于噴射裝置的試樣進行沖刷，研究其沖刷腐蝕行為。噴射試驗裝置如圖1所示，通過截止閥調(diào)節(jié)噴嘴出口流量,從而調(diào)節(jié)噴嘴出曰流速。與中國科學院金屬研究所模擬試驗裝置的最大流速為49m/s相比，該套裝置最大的優(yōu)點就是實現(xiàn)了流體的高溫高流速環(huán)境，能夠模擬不同溫度段和流速段的環(huán)烷酸沖刷腐蝕,可實現(xiàn)的流速范圍為0100m/s,溫度范圍為0-400弋。圖1高溫高流速噴射沖刷試驗裝置示意1.儲油雄;2.閥門;3.噴射泵;4.電加熱器;5.流址計;6.溫度計;7.

11、壓力表;8.噴射裝置;9.截止閥；10.蝶閥2沖刷腐蝕試驗參數(shù)確定沖刷腐蝕是在腐蝕與機械性沖刷交互作用下發(fā)生的。在環(huán)烷酸沖刷腐蝕中，總酸值、溫度、環(huán)烷酸種類和硫含量等環(huán)境因素主要影響環(huán)烷酸化學腐蝕的發(fā)生，而流速、流態(tài)、流體粘性系數(shù)以及材料種類則主要影響機械性沖刷作用。根據(jù)流體力學可知，表征流體沖刷作用強弱的參數(shù)主要有:流速"、雷諾數(shù)屁、壁面河切應力九、近壁處湍流強度/和傳質(zhì)系數(shù)有關(guān)研究表明f6-71,局部沖刷腐蝕嚴重部位，對應壁面此切應力七和近壁處湍流強度/較強。在湍流條件下，流體的湍流強度為脈動速度與時均速度之比，流體的脈動速度越強,湍流強度越大，使得腐蝕過程中反應物環(huán)烷酸和硫化氫

12、向材料表面的傳遞過程以及腐蝕產(chǎn)物環(huán)烷酸鐵和硫化亞鐵向溶液本體的擴散過程得到加強，腐蝕加重。而壁面乾切應力作為機械力作用在材料壁面形成的保護膜上，使保護膜硫化亞鐵脫離材料表面，而造成金屬再次裸露在腐蝕環(huán)境中，循環(huán)進行環(huán)烷酸腐蝕，導致腐蝕進一步加深。根據(jù)噴射試驗裝置實際悄況，其高速噴射流體流態(tài)為湍流狀態(tài)（由Ae判斷），因此，文中采用壁而剪切應力和近壁處湍流強度大小來表征流體對試樣的沖刷效果。圖2示出噴射流體沖刷的簡單示意圖，可以看出，流體沖刷效果影響因素眾多,包括流體在噴嘴出口處的速度、噴嘴直徑、噴嘴出曰距試樣表面的距離H、試樣的傾斜角度。（相對水平面）及環(huán)境溫度（主要影響介質(zhì)粘度）等,其中任一項

13、參數(shù)的改變,都將導致流體流速和流態(tài)發(fā)生變化，影響沖刷效果。為了更好地利用試羚裝置進行沖刷腐蝕研究，評價不同材料抗高溫高流速環(huán)烷酸沖蝕性能,應該選擇合適的流體噴射參數(shù)，充分體現(xiàn)出沖刷腐蝕過程中因流體沖刷作用而造成的力學損傷以及其對腐蝕的促進作用。顯然通過試驗方法來得到合適參數(shù)，不但試驗周期長，而且浪費資源。而數(shù)值模擬的方法則能很好地探索和優(yōu)化流體噴射參數(shù)，取得更好的沖刷效果。嘴出口流速和不同流體溫度下的粘性系數(shù)，利用FLUENT軟件進行二維和三維模擬計算噴射流體在沖刷腐蝕過程中的流速、試樣壁面剪切應力、近壁處湍流強度以及壓力，分析其在不同R處（距圓形試樣中點距離）和（射流源點距壁面距離）時的壁面

14、狗切應力、近壁處湍流強度變化規(guī)律，比較并選擇合理距離從而提高沖刷效果。3理論模型3.1控制方程試驗流體為高沸點導熱油與環(huán)烷酸的混合介質(zhì)，因此假定流動為不可壓流動。流體流動的控制方程有質(zhì)量守恒方程和Navier-Stokes方程。由于流體視為不町壓縮流體，及ap/初=0（p為導熱油密度），質(zhì)量守恒方程可簡化為:(DHudvdw八+=Udxaydz式中u,v9w速度矢量U在丸丁和z方向上的分最Navier-Stokes方程：。(舛)+div(p叫)=div(/zgradu)-乎+匚dtdx以#)+div(pm)=div(/igradt»)-普+F«I'；：)+div(p

15、uu)=div(/L/,gradw)-+Fu,(2)根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律r=/z半,在壁面z=0oz處，剪切應力與速度場的關(guān)系為:-xu2dzj=xdxJop假定除了壁面附近一非常薄層外，壁面射流的速度場是相似的，根據(jù)量綱分析可知壁面射流流場的關(guān)系Ep（誕）（普廣（JLn(3)(4)圖2噴射流體沖刷的簡單示意本套試驗裝置的實際情況為噴嘴直徑=2mm,流體沖刷流向與試樣壁面垂直，及試樣的傾斜角度。為0。根據(jù)以上已定參數(shù)，選擇不同噴式中F'pjK/G初始沖擊射流雷諾數(shù)函數(shù),K=m取決于流場具體形態(tài)的常數(shù)根據(jù)式（3）可知，流速增大時，壁面剪切應力乙也增大；由式（4）可知，壁面射流的流場與距離自

16、由射流區(qū)/沖擊區(qū)徑向壁面射流區(qū)圖4射流流場結(jié)構(gòu)示意有關(guān)，在R處的壁面回切應力也隨著的變化而改變。3.2網(wǎng)格劃分及邊界條件噴射產(chǎn)生的流場較復雜，試樣近壁面處存在強烈的湍流流動。為提高計算精度，在近壁面進行局部網(wǎng)格加密。另外考慮節(jié)省計算時間，取全流場的一半為計算域,流場沿對稱面對稱,不影響計算結(jié)果。噴射模型的邊界條件包括速度入口、壓力出口、對稱面和壁面。入曰速度和出口壓力為常數(shù)，壁面滿足無滑移條件。圖3示出網(wǎng)格劃分與邊界條件。圖3二維網(wǎng)格劃分與邊界條件示意4模擬結(jié)果100504.1射流軸心速度和試樣近壁面流速變化規(guī)律對于噴嘴沖擊試樣形成的高速射流流場可以分為3個基本區(qū)域：（1）自由射流區(qū),射流外邊

17、界處由于剪切力的作用,將周圍的介質(zhì)及相應的動量、能量裹入射流中，表現(xiàn)為非均勻徑向速度剖面的發(fā)展,射流擴展率和總傳質(zhì)率的增加；（2）沖擊區(qū)，該區(qū)流動受壁面作用，流速快速衰減為0,方向急劇地由軸向轉(zhuǎn)向徑向，產(chǎn)生了很大的逆壓力梯度，壁面主要是受到射流機械性沖刷力作用，沖刷腐蝕嚴重；（3）徑向壁面射流區(qū)，在沖擊區(qū)壓力梯度的驅(qū)動下，流體迅速向外流出，形成壁面紊流射流，在壁面產(chǎn)生較大的剪切應力和湍流強度，沖刷腐蝕相對沖擊區(qū)小。圖4示出H=10mm,t/=90m/s條件下模擬計算得到的射流流場結(jié)構(gòu)，符合上述分析的3個區(qū)域分布。圖5示出不同H在=90m/s時軸心速度變化規(guī)律?？梢钥闯觯嚯xH小的情況下，軸心速

18、度在射流核心區(qū)域內(nèi)衰減趨勢較快，導致壁面產(chǎn)生較強沖擊力。而隨著距離的增加，軸心速度在核心區(qū)域內(nèi)首先保持不變,之后呈自然衰減趨勢,其對壁面的沖擊力相對較小。這樣，距離越小時，沖擊區(qū)的機械性沖刷作用越強，沖刷腐蝕則越嚴重。f=2=4=6=8=l三f=2=4=6=8=l三圖5不同在i/=90m/s時軸心速度變化規(guī)律由于試樣壁面處流速為零，取=50Ws,H=4mm時距離試樣壁面0.1mm處平面分析各向流速分布情況。如圖6所示，試樣近壁面速度以射流軸線方向和徑向速度為主，切向流速基本為0,保持不變。在A>4mm以后，軸向流速逐漸減小，而徑向流速基本與合速度保持一致,表明在R>4mm后，流體主

19、要以徑向流速為主。另外，在R=24mm處,徑向流速存在較大速度梯度，軸向速度存在極大值。4.2壁面剪切應力變化規(guī)律圖7示出距離、流速U和溫度T的變化對試樣壁面剪切應力九的影響。如圖7（a）所示，隨50度度度虔速逑ii速向向向合徑切軸207?/mm圖6近壁面平面各向流速分布規(guī)律看距離H的增大，上相應減小，在試樣徑向(R方向)上,L右極大值出現(xiàn)，之后呈平穩(wěn)趨勢。當H>6mm以后，上變化不大。圖7(b)顯示隨著的增大，孔相應增大，同樣L在徑向A上出現(xiàn)極大值之后逐漸恒定。圖7(c)示出0=50in/s,/=4mm時,溫度的變化對匚的影響。山于溫度的增加，導致流體動力粘性減小，將影響九的變化?？梢?/p>

20、看出，溫度增加，L逐漸減小且出現(xiàn)極大值，變化趨勢一致。由于噴嘴宜徑一定，雖然和U不同,但是乙出現(xiàn)極大值的位置基本不變，在距離試樣中心點24mm處，這與近壁面流速在R=24mm處出現(xiàn)徑向較大速度梯度相對應，驗證了流速與壁面乾切應力對應關(guān)系，即驗證了式7EM/BMs&'-e學7EM/BMs&'-e學I.0E+046.0E+032.OE+O30612R/nim(3) 和式(4)。圖8示出了三維模擬試樣壁面剪切應力云圖分布，剪切應力的分布趨勢與圖7一致。R/nmR/nm(b)7E-(c)圖7不同月和r下試樣壁面剪切應力匚的變化規(guī)律Wallshearstress(N/m&

21、#39;)6.0E+035.5E+O35.OE+O34.5E+034.0E+033.5E+O33.OE+O32.5E+O32.0E+031.5E+O31.0E+035.0E+02圖8試樣壁面苗切應力分布云圖總的來看,H越小和越大時，對應壁面豹切應力L越大，則減小和增大，都可以使噴射流體對試樣表面的沖刷作用增強，加強沖刷腐蝕試驗效果。而環(huán)境溫度的升高將減弱噴射流體的沖刷作用。4.3近壁處湍流強度變化規(guī)律圖9示出了距離壁面0.02mm處近壁面湍流強度隨和的變化規(guī)律°如圖9(a)所示，沿著我方向，近壁面湍流強度逐漸變小，可知沖擊區(qū)湍流強度大于徑向壁面射流區(qū)。另外，隨著的增加，湍流強度總體趨

22、勢是逐漸減小，月二48mm時，湍流強度變化的幅度減小，兒乎保持不變。圖9(b)顯示U的增加，近壁處湍流強度也相應增大，且沖擊區(qū)處湍流強度大于徑向壁面射流區(qū)。則適當提高H和，試樣近壁面處湍流強度將變大，能夠有效提高試驗沖刷效果。根據(jù)文獻13的試驗結(jié)果可知，噴射試樣沖擊區(qū)出現(xiàn)較深腐蝕坑，與本文模擬在沖擊區(qū)近壁處湍流強度達到最大這一結(jié)果相對應，可知近壁處湍流強度越大，沖刷效果越好。圖10示出了不同H和U下噴嘴出口壓力的變化規(guī)律。訶以看出，距離=2mm時，隨著流速的增加，噴嘴出口壓力明顯增大，當流速為90m/s時，出口氏力可達到1.8MPa,對應試驗動力泵出口壓力較高，對整套試驗設備的安全運行構(gòu)成威脅

23、。而時，出口壓力不高于0.6MPa。H>6mm時，噴嘴出口壓力基本保持穩(wěn)定,等于噴嘴出口處周圍環(huán)境壓力值，此時流速U幾乎不影響噴嘴處流體出口壓力。圖11示出了和的變化對試樣中心壓力的影響，可以看出，流速增大，試樣中心點壓力明顯增加。此時，沖擊區(qū)逆壓力梯度變化較大,機械性沖擊力作用強，試驗壁面中心點附近沖刷腐蝕嚴重。而當>4mm以后，隨者距離H的增加，中心點壓力保持恒定。H=2mm*-/=4mm>H=6nun-/=8mm/=!()min0612R/tnni(a)圖10不同和下噴嘴出口壓力變化規(guī)律£/=50m/st/=70m/st/=90m/sR/mm(b)246810

24、H/mm圖9近壁處湍流強度隨月和的變化規(guī)律4.4噴嘴出口和試樣中心點壓力變化規(guī)律6圖11不同和下試樣中心點壓力變化規(guī)律本文與文獻3相比，模擬方法分別采用有限法和有限體積法，關(guān)于壁面的切應力和噴嘴出口壓力所模擬結(jié)果基本相一致，不同點主要在于分析r試樣壁面流體流動速度和近壁面湍流強度的分布規(guī)律。最后，綜合考慮噴嘴出口壓力、沖刷試樣壁面剪切應力以及近壁面湍流強度變化規(guī)律，得知過小將影響設備安全,而過大則減小沖刷效果，建議選取為48mm為宜。5結(jié)論(1) 模擬結(jié)果表明，噴嘴出口流速越大，壁面剪切應力越大，而環(huán)境溫度升高，壁面剪切應力相應減?。?2) 距離H的減小和噴嘴出口流速U的增加能夠有效提高沖擊區(qū)

25、軸心線近壁面處湍流強度；(3) 過低距離/將迅速增加噴嘴出口壓力，影響設備的安全運行。建議選取為48m為宜。參考文獻：jSlavchevaE,ShoneB,TurnbullA.ReviewofNaphthenicAcidCorrosioninOilRefiningJ.BritishCorrosionJournal,1999,34(2):125-131.2 WuXinqiangJingHeniing,ZhengYugui,etal.Erosion-CorrosionofVariousOil-refiningMaterialsinNaphthenicAcidJ.Wear,2004,256：133-

26、144.3 吳欣強.敬和民，鄭玉貴，等.模擬工業(yè)煉油環(huán)境商溫高流速狀態(tài)的循環(huán)測試裝置及其實驗參數(shù)選擇J.中國腐蝕與防護學報,2002,22(1)：1-7.4 徐鵬，陳學東，秦宗川，等.高溫高流速環(huán)烷酸腐蝕試驗裝置：中國,200920142827P.2009-ll-11.(上接第16頁)參考文獻：1 徐增華.金屬耐蝕材料(第七講雙相不銹鋼)J.腐蝕與防護,2001,22(7)：321-324.2 高娃，羅建民，物建君.雙相不銹鋼的研究進展及其應用J.兵器材料科學與工程,2005,3(28):61-62.3 陸世英，張廷凱，物長強，等.不銹鋼M.北京：原子能出版社,1998:556-567.4 吳

27、玖.雙相不銹鋼M.北京：冶金工業(yè)出版社，1999：416.5 CabrerJM,MateoA,LlanesL,etal.HotDefonnation總第215期鄭玉貴，姚治銘，柯偉.流體力學因素對沖刷腐蝕的影響機制LJ.腐蝕科學與防護技術(shù),2000,12(1)：36-40.6：RussellDr,KaneD.InfluenceofVelocityInteractionsofOilCompositionRJ.InterCorrIntemalional,Inc.,2000：24-26.7PosllelhwaiteJ,NcsicS.RelationshipBetweentheStructureofDisturbedFlowandErosion-corrosionJ.Corrosion,1990,46(11)：847-880.8 王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用M.北京:清華大學出版社.2004：1-23.9 謝武明，沈銀華，謝新民.徑向壁面紊流射流理論與數(shù)值分析CJ.石油機械,2009.27(