摘要：在石油天然氣與化工工藝處理過程中，空冷式換熱器是重要的設備之一，具有工作壓力高、介質流速快、管束數量多、外部帶翅片、檢測和維修復雜等特點。采用 CFD 技術模擬仿真 介質在空冷式換熱器中的流動狀態，在停產檢修期間采用抽樣檢測代替全面檢測，可減少檢測 維修工作量和停工時間，降低密封件拆裝對設備造成的損壞。模擬仿真和實際檢測結果表明， 管束內氣體流速較低的管道更容易結垢，造成局部腐蝕。采用 CFD 模擬仿真技術對空冷式換熱器管束抽樣檢測具有可行性。

　　關鍵詞：CFD 技術;模擬仿真;空冷式換熱器;管束;抽樣檢測

　　空冷式換熱器 (以下簡稱空冷器) 是石油天然 氣與化工工藝處理過程中重要的設備之一[1-3] 。空冷 器主要由管束、通風機和構架三部分組成。管束通 常采用光管外壁裝翅片方式，翅片管作為傳熱管可 以擴大傳熱面積，提供換熱效率;翅片管一般分層 排列，兩端用焊接或脹接法連接在管箱上，排管通 常為 3～8 層。

　　目前空冷器管束的主要檢測手段以渦流探傷和 內窺鏡為主，由于管束數量較多，全面檢測不僅工 作量大，密封件拆裝還會對設備造成損壞，因此現 場檢測擬采用抽樣檢測的方法對翅片管進行檢測。 另外，工程經驗表明流場對腐蝕有減弱或加強作用，尤其對于高速流動設備，流場影響尤為明顯。 借助計算流體模擬仿真軟件 Flow Simulation，通過 建立空冷器的三維模型，模擬空冷器內部流場分 布，預測腐蝕發生部位，為空冷器抽樣檢測提供 指導。

　　1 建模

　　以 某 油 氣 田 的 壓 縮 機 前 空 冷 器 為 例 ， 采 用 SolidWorks 軟件建立空冷器三維模型。空冷器翅片 管束共 5 層，每層翅片管的長度為 8.5 m，排管寬 度為 6.5 m;管箱尺寸為 6.4 m×0.5 m×1 m;箱體入口管線直徑為 0.25 m，總管直徑為 0.45 m。

　　2 計算模型

　　以天然氣作為計算介質，根據天然氣流經空冷 器的路徑，選取空冷器管道入口和管道出口之間的 管箱、管束等作為計算域。由于計算區域模型比較復雜，故采用適應性強的四面體網格離散計算區域 模型，計算網格數約 10 萬個。在計算邊界確定方 面，空冷器采用 9 m/s 速度入口、3 000 kPa 壓力出 口，設置為無滑移壁面。

　　3 仿真計算結果及分析

　　根據上面建立的模擬和設定的邊界條件在軟件 中 進 行 計 算。 從 仿 真 結 果 可 以 看 出[8-10] ，天然氣通過工藝管道進入空冷器后在空冷 器前管箱內產生渦流，渦流主要集中在管箱入口管 線中間位置，以及入口管線與管線壁連線中間位置，導致管箱內該區域流速相對較低， 因而管束中流速較高的翅片管主要分布在箱體入口 管線對應的位置，其他位置流速相對較低。

　　空冷器管束本體的腐蝕大多來自因偏流導致的 高流速沖蝕和低流速結垢，尤其是低流速區的結 垢。通常境況下，由于管束內流體流速快、管徑 小，因此即使管束內出現微小結垢都會對管束內的 流體產生比較強烈的影響，一般表現為結垢處出現 垢下腐蝕，結垢處之后的管束出現嚴重局部沖蝕 腐蝕。

　　從仿真結果可以看出，流速最快的是管箱入口 管處，而管箱內位于兩個入口管之間的中線位置、 入口管與管箱壁之間的中線位置都出現了明顯的低 流速區。相對于入口管箱，出口管箱處在一個低流 速分布狀態，且流速分布也相對均勻。管束流速分 布則呈現出中間高、兩側低的特點，尤其在管箱入 口和管箱壁之間的中點位置最低。在管束檢測中， 應優先對低流速區的管束進行檢測。

　　4 抽樣檢測

　　針對管束的管壁減薄采取的主要檢測技術是渦 流檢測和內窺鏡檢測[11] 。根據 CFD 模擬仿真結果和 分析判斷對管束進行抽樣檢測。根據 模擬結果和管束位置，檢測分為 5 個區域，每個區 域選擇不同的抽檢比例，具體抽檢方案如下：(1) ①、⑤區域管束內介質流速較低，每個區 域選取 10 根。 (2) ②、④區域管束內介質流速較高，每個區 域選取 5 根。 (3) ③區域管束內介質流速較高，但由于區域 較大，故選取 10 根。 根據前面的檢測結果，針對檢測出現問題的區 域，就近擴大檢測范圍，檢測總數控制在管束總數 的 30%。 采用渦流檢測和內窺鏡檢測方法對管束內部進 行檢測。

　　渦流檢測結果表 明，該空冷器管束的壁厚處于 2.35～2.45 mm 之間 (名 義 壁 厚 為 2.5 mm)， 壁 厚 損 失 率 在 2% ~6% 之 間，最小壁厚校核結果在可以接受范圍內。內窺鏡檢測結果表明存在附著物 堆積、金屬沉積物問題，通過對積垢進行成分分 析，積垢為鐵銹與重油組分的混合物，此外檢測拆 裝過程中也存在絲堵及墊片損壞的情況。檢測完成后，對管道內部積垢進行了清理，對 損壞的絲堵及墊片進行了維護。回裝復位后，對空冷器進行了氣密性試驗，無泄漏情況發生，達到繼 續使用條件。

　　5 對比分析

　　②、 ③、④區域屬于高流速區，①、⑤區域屬于低流速 區。低流速區域更容易發生結垢而產生垢下腐蝕和 局部沖蝕，因此預測：①、⑤區域是腐蝕發生高概 率區域，其次是②、④區域，最后是區域③。 渦流及內窺鏡抽樣檢測結果，空冷器 中心線兩側的腐蝕發生概率與預測結果基本一致： ①>②>③，⑤>④>③。但中心線的左側腐蝕明顯嚴重于中心線右側：①>⑤，②>④。這主要與天然氣的流動方向由右到左有關，左側工藝管道的流速更低，天然氣中的重組分在左側更容易發生沉積而結垢，進而發生腐蝕。

　　化工論文投稿刊物：《化工進展》是由中國科學技術協會主管，由中國化工學會、化學工業出版社共同主辦，化學工業出版社出版，國內外公開發行，為技術信息型刊物。

　　6 結論

　　針對空冷器翅片管束數量大，檢測和維修相對 復雜等問題，用 CFD 技術模擬仿真介質在空冷器 中的流動狀態，停產檢修期間采用抽樣檢測代替全 面檢測，減少了檢測維修工作量和停工時間。渦流 檢測及內窺檢測結果表明空冷器壁厚損失率在可接 受范圍內，最小壁厚校核結果滿足要求。此外，模 擬仿真和實際檢測結果表明，管束內氣體流速較低 的管道內更容易結垢，造成局部腐蝕，也驗證了采 用 CFD 模擬仿真方法對空冷式換熱器管束抽樣檢 測的可行性。

　　參考文獻

　　[1] 張延豐，壽比南，鄒建東，等.熱交換器：GB/T151─ 2014[S].中國標準出版社，2015：11-24. ZHANG Yanfeng， SHOU Binan， ZOU Jiandong， et al. Heat exchanger： GB/T151—2014[S]. China Standards Press，2015：11-24.

　　[2] 蔣翔，李曉欣，朱冬生.幾種翅片管換熱器的應用研 究[J].化工進展，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] 劉紀福.翅片管換熱器的原理與設計[M].哈爾濱：哈爾 濱工業大學出版社，2013：42-43.

　　作者：李虎 馮學章 呂小明 董江潔 饒彬源 韓英澤 劉俊麟