CO装置汽提气冷凝器金属尘化腐蚀扩散模拟识别

黄远 唐迎邱

摘 要：为了准确评估CO装置汽提气冷凝器金属尘化腐蚀规律，延长冷凝器的使用寿命，设计一个CO装置汽提气冷凝器金属尘化腐蚀扩散模拟识别方法。利用不平衡外推法对流体周围的边界计算，建立二维扩散方程计算腐蚀速率，使用蒙特卡罗方法，分析扩散机理，根据加权概率识别沉淀物迁移情况，获取微粒随着时间的推移的位置和速度，以此实现冷凝器金属尘化腐蚀扩散模拟识别。实验结果表明：所提出的识别方法能够识别出不同天数下的金属扩散情况，在相对湿度下的腐蚀增量、金属被腐蚀体积、腐蚀产物沉淀体积识别上，识别准确度较高。

关键词：CO装置汽提气冷凝器；金属尘化腐蚀；腐蚀扩散；数值模拟

中图分类号：TG115;TQ050.9+1

文献标志码：A

文章编号：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，可以将空气和蒸气转化为液态，并迅速释放出热量。电容器的运行是一个热量释放的过程，在这个过程中，将水变成液体的设备也被称为冷凝器。所有的电容器在运行时，都会吸收掉气体或蒸气的热量。由于化学制品加工工艺的差异，在使用过程中会产生各种腐蚀和损伤。由于其自身的特性、环境因素等因素，使得金属腐蚀仿真结果难以与真实环境相符合，从而难以准确地进行风险预报。为此，凌晓等［1］研究了基于大数据的金属管道腐蚀状态分析模型，为了对压力管线的腐蚀状况进行客观、高效的评价，运用大数据技术对管线的腐蚀状况进行评价，为管线的腐蚀状况提供了一种新的方法；朱子齐等［2］研究了金属油气管道腐蚀的β射线检测方法，对β粒子在穿过不同厚度钢板时的能量分布及特征进行了分析，获得管道腐蚀情况。

但是金属尘化是异常的高温腐蚀形式，难以直观检查腐蚀现象的同时，无法获取沉淀物迁移情况，风险预报与特征分析过程首先，为此，优化设计一个CO装置汽提气冷凝器金属尘化腐蚀扩散模拟识别方法。

1 腐蚀产物沉淀分析

CO装置汽提气体冷凝器的金属尘化时，存在大量的化学成分，如金属阳离子、阴极反应生成阴离子、硫酸根、氯离子等，这些离子结合［3］，生成了一种腐蚀产物，这种腐蚀产物的数量越来越多，浓度也越来越高，最终结晶化，从液相到固相。

在此基础，进一步计算腐蚀产物生成条件，计算公式为：

CC（aq）>CC（s）（1）

式中：CC（aq）表示冷凝器中腐蚀产物的浓度；CC（s）表示腐蚀产物的饱和浓度。

在此基础上，采用非平衡外推法对液体四周边界值进行计算［4］，计算公式为：

fi（O，t）=f（O，t）+［fi（F，t）-feq（F，t）］（2）

式中：feq（F，t）表示冷凝器中流体平衡参数；fi（F，t）、f（O，t）分别表示冷凝器的密度值和速度值。

上述计算对产物沉淀模型构建，为金属尘化腐蚀扩散模拟提供基础。

2 腐蚀速率计算

通常，腐蚀速度取决于反应速度和渗透率，在发生腐蚀后，发生了快速的化学反应［5-6］，腐蚀初期，由于化学机理的作用，会对腐蚀液的扩散机理产生一定的影响。基于这种情况，二维扩散方程表示为［7］：

Ct=D2Cx2+Cy2 （3）

式中：（x2，y2）表示某时刻的冷凝器内部金属腐蚀部分的浓度；C表示腐蚀后产出的溶液的扩散参数。

腐蚀速度取决于材料本身和环境条件［8］，因为其在空间上的腐蚀速度是不均匀的，所以对其进行了以下的定义：

假设某空间集合为A，将局部腐蚀速率表示为：

L=Ci（i=1，2，…，n）（4）

式中：Ci表示腐蚀速率函数。

CO装置汽提气体冷凝器存在着空间上的非均匀性，为了精确地描述其自催化效应［9］，催化函数表示为：

limh→hminf=0

limh→hmaxf=0=Ci（5）

式中：f表示腐蚀速率函数；hmin、hmax分别表示腐蚀速率的最大值与最小值。

冷凝器金属尘化腐蚀过程较为复杂，虽然以上计算了腐蚀速度，但无法作为最终扩散的最终判别，因此还需进一步的计算。

3 沉淀物迁移识别

在实际的腐蚀过程中，会出现迁移情况，AKMC是一种基于原子晶格处的 KMC运算［10］，可以被广泛地应用于表面成长等领域。它的基本原理是构造一个由原子组成的格子阵列，由计算程序来模拟不同的原子的移动。使用蒙特卡罗方法，根据加权概率，随机选择一次跃迁［11］，来确定所选择的原子跃变概率，以及是否包括了所有的跃迁；若有，则可以准确地模拟系统的长期演变。

需要指出，要保证每一次腐蚀情况的发生都与腐蚀速率函数解相对应，必须将所有的事件发生概率进行统计，并将其存入相应的清单中［12］。按照蒙特卡罗算法，每个蒙特卡洛步对应的事件的发生概率表示为：

Pi=Ri/ΣRi（6）

式中：Ri表示第i个事件的概率。

同时，将金属尘化腐蚀扩散行为以分子动力学形式计算，在分子动力学的基础上，系统中的每一个微粒都遵循着牛顿的运动规律［13］，也就是运动与某一特定的轨道有关。给出一个系统的初始运动状态，然后利用牛顿运动定律对其进行积分运算，得出了多个微粒系统的连续结构，获得了该系统中微粒随着时间的推移的位置和速度，参考牛顿运动定律，由此可以确定其运动轨迹。

（1）颗粒在没有受到外力的情况下，会继续沿着一条直线以恒定的速度前进，这就是惯性定律［14］；

（2）颗粒受到的合外力与时间的动量的关系；

（3）每次扩散都必然会产生与动作相反的动作，而这些动作在同一时间出现，又同时消失，扩散函数为：

d2xidt2=Fximi（7）

式中：Fxi表示粒子沿着xi轴方向上受到的力；mi表示质量的粒子；dt表示碰撞的时间间隔。

利用该模型可以描述不同的溶液成分的传递过程，并利用该模型建立了相应的质量传遞演化方程，表示为［15］。

g=（x+ceaΔt+Δt）-gk，a（x，t）（8）

式中：gk，a（x，t）表示第k组成分的浓密度分布函数；Δt表示时间步长；cea表示平衡浓度分布函数。

上述过程计算出迁移过程，但是在腐蚀的边缘，每一个节点都有可能被钝化，从而减缓腐蚀速度，从而造成凹槽的不规则形状。为此需要进一步处理，整个识别流程从初始化扩展系统着手，重新定义问题空间和判断网格变化速率，再到变化情况提取、体积概率判断，最后完成信息输出。

在金属发生腐蚀后，腐蚀边缘会发生体积变化，这种情况称作钝化概率系数（ε），表示为：

ε=0 （R>P）

1 （R≤）P

（9）

式中：R表示任意随机实数；P表示钝化概率。

在不引入钝化几率的条件下，仅有一个完全的腐蚀反应，而在不同的结点上，同样的反应速度会使凹陷形成均匀的形状，将其作为判断依据，完成冷凝器金属尘化腐蚀扩散模拟。

4 实验对比

4.1 实验准备

为验证冷凝器金属尘化腐蚀扩散模拟识别方法的有效性，进行实验，此次实验对象的冷凝器是用于与乙酸设备相匹配的一氧化碳回收和冷却系统。本装置是一种垂直的固定管板型换热器，外壳的材质是奥氏体不锈钢，直径为25 mm。

实验分为3部分进行，实验第1部分，主要采用所提出的方法，模拟金属腐蚀扩散的情况。

第2部分实验准备：人工制作溶液，加快金属的腐蚀，溶液有氰化钠、氯化钠、硫酸镁、氧化钙、乙酸、浓盐酸和缓蚀剂。试样制备过程为：

（1）将样品从8 mm厚的不锈钢管线上切下，按照不同的试验要求进行处理。将电化学试验样品制成（5×3×50）mm的样品，经150、400、1000和2 000#水砂纸逐层打磨，再用2.5 μm的金刚石磨料进行研磨，研磨后采用去离子水冲洗样品，冲洗完成后加入到无水酒精中，同时采用超声波清洗，将油脂等杂质清除，用吹风机将其吹干，放到烘干机中备用；

（2）采用高温、高压浸渍试验，样品大小为HP-13Cr型不锈钢，其形状为（10×3×50）mm。样品经水砂纸一层一层地磨平，直至2 000#，再抛光，去离子水冲洗，无水乙醇脱油，并吹干；

（3）高温高压缝试验所采用的型号是HP-13Cr型（5 ×3×50）mm的不锈钢薄板，在其的两端中间有一个孔洞，直径2.5 mm，用来安装狭缝装置。采用砂纸磨平样品，用去离子水冲洗样品，并去除油脂，取出后将其吹干；

（4）高通量试验用的样品是一种凸起型电极，插入到转盘内的零件的大小为（10×2×50）mm，凸台的高度在1～3 mm变化；

（5）用扫描电镜观察、共聚焦显微镜观察、成分分析的样品，按其大小顺序用无去离子水和乙醇水冲洗，然后吹干，备用。

实验的第3部分准备工作如下：

在运行一年后的停机检查中，发现下部管板严重腐蚀，造成严重损伤，因此必须进行紧急检修。

该设备的主要技术特性如表1所示。

该装置采用0Cr19Ni9锻件，全部采用奥氏体不锈钢。

汽提气主要成份如表2所示。

从汽提塔排出的气化气体通过垂直的换热器顶部进口流入管箱内，凝结水从管箱底排出，冷却循环的水由下往上逆流，经过冷却系统的再利用。

本装置在停机检查时，将上、下2个封头全部打开，发现管桥、管板与换热管连接处的焊接处出现了严重的腐蚀，通过放大镜可以看到被腐蚀的地方有细小的裂缝和颗粒掉落后形成的表面形状。

将其作为实验对象，并为了保证实验的严谨性，将基于大数据的分析模型、金属油气管道腐蚀的β射线检测方法与所提出的识别方法对比。

4.2 实验结果分析

第1部分实验中，对金属样品进行不同时间的腐蚀操作。所提出的方法能够识别出不同时间的金属腐蚀变化情况，结果表明，时间越长，金属表面的凹凸现象越明显。

预先对比相对湿度下的金属腐蚀增量情况，即实验2的结果，对比结果如图1所示。

由图1可以看出，所提出的识别方法在不同湿度下的腐蚀增量模拟上，识别的结果与实际增量基本一致，证明所提出的方法准确性较高，高于另外2个识别方法，实际应用意义强。

在实验3中，对比金属被腐蚀的体积，对比结果如图2所示。

腐蚀产物沉淀体积对比结果如图3所示。

由图2和图3可以看出，随着时间的增加，金属被腐蚀体积与腐蚀产物沉淀体积随之增加，所提出方法准确识别出这种趋势，识别准确度优于另外2种方法。

5 结语

预先进行了腐蚀产物沉淀分析，应用迁移识别方法，能够识别出不同天数下的金属腐蚀变化情况，完成不同湿度下的腐蚀增量模拟分析，准确度较优，从而在很大程度上提高了识别结果的准确性。但在实际情况下，有较多影响金属腐蚀的因素，所以在实际应用时，应该结合实际的情况，分析影响因素，以进一步提高金属扩散识别方法。

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