基于FLUENT的套管式换热器内漏危害分析与控制

郭田 锦左晨 雷雯

摘 要：本文对套管式换热器内漏展开研究，首先在说明换热器内漏研究必要性的基础上，介绍了本文所选用的CFD软件FLUENT背景，针对套管式换热器，用GAMBIT建模并划分网格设置边界条件，再用FLUENT软件对泄漏进行模拟，对比换热器内漏引起的参数变化，最后进行换热器内漏危害控制措施分析，提出内漏的控制措施，将理论与实际相结合，使结果更加具有合理性。

关键词：套管式换热器;内漏;FLUENT;模拟

0 引言

换热器在当今社会有着丰富的应用，如石油、化工、电力、冶金、船舶等领域，各行各业对换热器的需求都处于稳定增长中，换热器的发展也朝着高效率、低能耗、低污染迈进。换热器既可以作为工业中的重要设备，如过热器、预热器、加热器等，还有冷凝塔内的热交换器;也在我们的生活中充当着必不可少的角色，取暖时的暖气片、汽轮机中的凝汽器、汽车上的油冷却器等都是换热器。换热器是石油化工中应用最为广泛的单元设备之一。而就在这种社会背景下，由于参差不齐的制造水平和复杂多变的工况环境导致的换热器泄漏更是已发生事故中的常见类型。换热器的泄漏不仅会浪费物料、污染环境，还会影响正常的生产流程、降低企业的经济效益，已经成为不容忽视的社会问题。

1 套管式换热器内漏数值模拟分析

1.1 建模及前处理

FLUENT软件在全球计算流体力学的研究中起着重要作用，仅在美国市场占有率就高达60%，它最突出的特点就是广泛的物理模型和精确的数值计算以及丰富的后处理特性，FLUENT被各行各业拿来投入设计模拟，其仿真功能从天然气储罐的燃爆到飞机机翼模拟，从瓷器制造到桌椅设计，从半导体制造到模仿肌肉运动。本文所用的FLUENT前处理器为GAMBIT，因GAMBIT有前处理建模及网格划分设置进出口的功能，是进行数值模拟时前处理器的首选，GAMBIT适合于简单模型，适用于本例，模型建模完成后可以导入GAMBIT软件再进行网格划分。

鉴于套管式换热器自身结构的特性，在现有的计算水平和资源下对整个结构进行整场数值模拟太过复杂，所以有必要对其进行合理的简化，使之能完成数值模拟，即使简化带来误差，只要误差在工程上是可以接受的就可以，因此只把套管式换热器做局部模拟，并且简化成简易几何模型图。

1.2 几何模型

套管式换热器局部模型基本数据如表1所示。

1.3网格划分

因为管内的流动为湍流，在靠近管壁的地方流动特性不同于主流区，为了更好的计算壁面附近的流场，进行边界层划分，第一层厚度设定为0.5，边界层的增长因子设定为1.2，边界层层数设定为6。

对数值模拟结果来说，网格划分的作用至关重要，因为网格的质量给计算过程的精确性和收敛难易程度带来巨大影响。在2D划分网格时有Quad、Tri、Quad/Tri可以选择，本文稳态模型采用了四边形单元，泄漏模型采用了划分更为精细、计算更加准确的三角形单元，在Type中选择Map形式由Gambit生成网格。

1.4 边界条件的指定

在本文中为了更好的换热，管壳程介质逆向流动，所以有管程、壳程的进出口和管壁换热系数需要设置。将管壳程进口设置为速度入口（Velocity-inlet），出口设置为压力出口（Pressure-outlet），管壁为壁面（Wall）。

1.5 计算过程

本文中所选择的模拟对象和情景是二维问题，对于精度的要求较低，因此在FLUENT软件中，選择二维单精度求解器（2D）。将网格导入软件进行检查确认网格合格之后，把计算区域的尺寸由默认的m改为mm。定义基本求解器，启动能量方程，假设流动形式为湍流，选择计算模型为k-epsilon。保持系统默认的参数即可，即在标准大气压力下进行运算，不考虑重力的影响。把水的物理性质从数据库中调出。把流体区材料设定为液态水，固体区材料设置为铝，根据需要模拟的工况设置冷热介质入口处的速度和温度、出口处的压力。将固体处的热导率设置为铝的热导率。采用SIMPLE算法，在迭代计算时动态显示计算残差，求解精度保持系统默认值即可。

2 结果分析与讨论

选择合适换热器进行建模及前处理之后，查阅了相关换热器工作数据，采用了符合工况实际的参数，进行内漏的模拟，主要分为三部分：稳态与内漏的速度、温度、压力场对比。

2.1 速度场对比分析

通过稳态与泄露状态的速度场模拟可以看出，泄漏未发生时，稳态流动下换热器内介质流动比较稳定，入口处流速稍大于出口处，靠近管壁的流速大于中间部分流体流速。泄漏发生后，在泄漏口处速度集聚增大，由压力较大的壳程流向压力较小的管程，壳程的整体流速有少量变化。

2.2 温度场对比分析

通过稳态与泄露状态的温度场模拟可以看出，泄漏未发生时，稳态流动下温度呈梯度变化，管程从入口到出口温度逐渐降低，壳程从入口到出口温度有轻微升高。泄漏发生之后在所模拟的这一米长的管径内温度基本没有变化。

2.3 压力场对比分析

通过稳态与泄露状态的压力场模拟可以看出，泄漏未发生时，管程入口处压力较小，之后略有升高，壳程入口处压力较小，之后略有升高。泄漏发生之后管程在泄漏口处有明显的压力降低，壳程的压降集中在离出口较近处，并且壳程的压力整体比较高。

3 套管式换热器内漏危害控制措施分析

结合上面内容中针对套管式换热器内漏进行数值模拟分析，可以发现，套管式换热器的内漏会对流速、温度、压力都带来显著的变化和影响，内漏状态下的各项参数与正常工况下有较大差异，因此，对套管式换热器内漏采取一定措施进行控制尤为重要。

3.1 对泄漏源进行处理

泄漏发生后及时有效的处理是首要问题，在情况允许时要立刻采取适当办法切除泄漏源，尽快采取机械冲洗方法，并且排放污油，泄漏情况严重的话还要进行化学冲洗对循环水类换热器进行重新预膜，使水质在最短时间内恢复正常。

查到泄漏源在哪个换热器之后要立刻进行检修处理，对于因工艺需要必须运行不能切除的换热器要升高控制COD、油含量、异氧菌和余氯的监控频率，并且使用氧化性和非氧化性杀菌剂结合的方法把COD值和异氧菌的量控制在一定值，防止腐蚀加剧，减少粘泥量，时时关注水质变化情况，对于油污较多的情况，处理时除了排物、溢流和人工撇油，还要增投除油剂。

3.2 工艺上采取“一脱四注”

一脱四注指的是：脱盐、注氨、注缓蚀剂、原油注碱、注水。这是在化工工艺上常采用的一种防止金属发生腐蚀的方法。

脱盐指的是减少盐含量，原油中虽然含盐量本身并不高，但是盐分的存在仍然会引起腐蚀，盐水解生成的氯化氢气体会形成腐蚀性介质，引起循环系统中的腐蚀。注碱指的是在脱盐之后，使残留在原油中的氯化镁、氯化钙变成氯化钠。氯化钠跟前两种物质相比不容易水解，也不会产生酸性气体，从而能控制盐腐蚀，并且中和石油酸和硫化氢。在脱盐注碱之后，常压塔顶冷凝系统仍有残留的5%到10%的氯化氢，这就需要进行注氨，在水蒸气变成液态水之前，氨气与氯化氢反应生成氯化铵，从而避免生成氯化氢的水溶液。而注碱性水是为了溶解氯化铵。缓蚀剂是能够在金属表面形成膜的有机胺类化合物。缓蚀剂表面具有活性，吸附在金属表面之后能形成具有抗水性的保护膜，从而隔绝金属与腐蚀性溶液直接接触。

3.3 结构改进

然而针对套管式换热器易发生泄露的现状，要想从根本上改变这一问题，实现本质安全，就要对换热器设备的结构进行改进，以提高设备的使用周期。在换热器设备结构改进上可以做如下工作：

（1）提高管束的材质质量;采用制作工艺更为精良、质量更优质的管束材料，以管束材质性能的变化来减少泄露的发生，从而延长管束的使用寿命。管材可以从常用的10#钢改为Cr13。

（2）將列管与管板的连接形式由胀接改为焊接;这种连接形式上的改变可以增强管口连接处的强度，硫含量较高的油品在高温、高速流动的状态下，对金属材料的腐蚀是以减弱金属材料机械性能为主的，因此采取以上两种措施能提高管材的机械强度。

但也有工厂在采取以上两种措施后，换热器在使用一段时间后管口正常，没有内漏发生，但列管堵塞的问题仍然存在。换热器的实践维修经验表明，在定期检修中采取合理的检修施工工艺方法，可以有效减少换热器泄露发生频率，或减少重复检修，进而节约检修费用，提高企业的经济效益与操作环境的安全性。

参考文献

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