管壳式换热器管入口区的腐蚀.docx
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管壳式换热器管入口区的腐蚀
管壳式换热器管入口区的腐蚀
摘要
目的—在石油和天然气行业中，生产的石油和天然气中存在砂颗粒，这说明了在不同流动通道中发生了相关的冲蚀磨损。
对一个典型的管壳式换热器管入口区的腐蚀进行数值的预测。
设计/方法/模式—腐蚀率是不同的流量和浓度低的粒径颗粒假设得到。
腐蚀预测的基础是利用模拟流体的速度场和模拟的固体颗粒运动的数学模型。
流体的速度（连续相）模型是基于当时的解决方案平均三维紊流方程，而粒子跟踪模型是建立在每个粒子考虑采取的粘性和重力运动方程以及颗粒的弹回行为的影响。
发现—结果表明位置和侵蚀管数目主要取决于入口的颗粒的大小和速度。
侵蚀速率指数取决于速度。
粒子的大小显示在高流速值和大尺寸颗粒对腐蚀率的影响甚微表明与进口流速的小尺寸颗粒相比腐蚀率低。
创作/价值—在石油和天然气工业，生产的石油和天然气中存在砂颗粒，这说明了在不同流动通道中发生了相关的冲蚀磨损。
结果表明，在管壳式换热器的腐蚀可通过控制在入口处的速度来达到最小。
关键词腐蚀，换热器，壳结构，液体流
1介绍
在许多工业生产过程中腐蚀是主要问题之一，例如，在石油和天然气生产中的利用热交换器冷却的目的设施。
它造成不同流动管道严重的破坏导致各种设备故障频繁并导致维修费用较高以及损失宝贵的生产时间。
固体颗粒腐蚀的定义是：
由于在重复设备的一个表面上的固体颗粒的影响产生的机械力而使材料浪费。
据了解，砂粒腐蚀由流体性质，流场结构，砂率，砂大小和金属类型决定的。
当颗粒以很大的动量流向管壁时如粒子流腐蚀机制可能以直接冲击腐蚀的形式产生。
它也可能发生在直管段，如作为一个为随机冲击，创造一个机制，称为波动而动荡的管道。
腐蚀产生也许是由于在边界表面的液滴冲击导致当地的力下降或由于非常高的局部压力。
在换热器管束中的腐蚀问题不仅影响了换热器的可靠性和整体性能而且还大大增加了经营成本。
以前的工作做在直管的侵蚀，肘部和T型表明了对流体性质，规模和流砂的腐蚀率的强烈影响。
最近由McLaury等人（1997年）对腐蚀的实验研究在肘部和直管提供在不同直径砂率和尺寸的普及率和速度的相关性。
爱德华兹等人（2000）报道了在弯道上归普及率角度的影响。
在这些实验研究的目的是提供建立在侵蚀量和所涉及的材料的物理特性的关系数据，以及粒子的速度和冲击角度。
在预测腐蚀率所面临的困难问题之一是数值的粒子撞击速度，撞击角度和表面影响的频率的决心。
数值模拟方法构成了侵蚀流建模，拉格朗日粒子跟踪相结合，并利用腐蚀方程。
这种模型，它有时也被称为拉格朗日方法，需要在流体动力学模型的专业知识和大量的计算工作经验。
在这种方法中，它是假设的粒子不属于流场相互作用。
这一现象的条件符合公平稀释体积分数（颗粒体积/总体积）小于10-3。
虽然对粒子的运动拉格朗日描述意味着离散颗粒相，欧拉描述把粒子相视为一个连续的允许对平均流体相适当的定义。
许多作者进行的拉格朗日和欧拉方法之间的比较，例如，由德斯特等人的工作（1984年）和博利特等人（1999年）。
利用计算的流体动力学获取流场特性和拉格朗日粒子模型中粒子运动轨迹可预测在复杂的几何形状中的冲击磨损，例如多口节流阀。
格雷厄姆（1996）概括了在1996年以前进行的研究拉格朗日模型所用的方法。
王等人（1996年）发明了预测在90度肘冲蚀磨损率的计算模型。
流场首次通过计算模型获得，其中在运动方程中重要问题得到了数字地解决。
因此忽略了固体颗粒（单相流的存在）。
粒子的轨迹和影响速度然后被确定通过求解粒子的运动方程考虑所有力，包括阻力，浮力和虚质量的影响。
然后利用半经验关系以前由阿勒特发展（1994年）得到普及率。
预测的普及率和现有的实验数据之间比较显示了良好的一直。
调查还表明长半径弯头与短半径弯头相比较产生了一个低渗透率。
但是，结果只对90度肘部有效并且是砂粒在空气和水中这两种情况。
McLaury等人（1997年）延长了机械模型，开发了更早预测标准肘的腐蚀来防止在长半径弯头的腐蚀。
在这项工作中，他们考虑了弯头的曲率半径的和对流动动荡波动的影响。
他们的研究结果与实验的数据和用一般的模型流模型所得的结果一直，组成粒子追踪模型，和一个腐蚀模型。
他们还发明了一种预测直管中腐蚀的机械模式。
在这一模型中，随机冲击被用于侵蚀机制来预测渗透率。
在长管径弯道和直管中预测渗透率采用半经验公式得到。
对于空气和水的结果显示与那些使用通用模型得到非常一致。
最近，其他包括CFD软件的拉格朗日模型被开发了，例如，通过Keating和Nesic（2000年）和Hanson和Patel（2000）.使用PHOENICS。
此外，Forder等人（1998年）使用CFX软件代码预测在油田控制阀腐蚀和Edwards等人（2000年）使用CFD软件预测在碳钢弯头管道的腐蚀。
虽然换热器管入口地区腐蚀是最关键的腐蚀方面，这里没有涉及发表在文献中解决在该地区腐蚀的各种参数的影响。
本研究工作旨在研究在模仿一种典型的管壳式换热器正常工作条件下换热管入口区域的不同流体流动参数对腐蚀速率的影响。
流动模式和内部的换热器进口固体颗粒运动轨迹的计算并适用了文献中相关可用的来估计腐蚀速率。
2域名的流量和执行参数
计算换热器入口头内部和管片管。
管材料为碳钢。
图1显示了头的几何形状。
流动的水进入换热器头的喷嘴。
突然扩张发生在与头连接处。
然后水流向的管板。
管板有824个直径为14.83毫米的管分布成半圆半如图中所示。
由于对称性，只考虑一半的管子。
考虑头部入口顶帽剖面的入口流速。
（图1）。
流速范围为0.1至2.6米/秒。
砂颗粒密度为2650千克/立方米，直径在10–350微米的考虑范围。
注入的粒子数为400。
3计算程序
已经确定的是管道腐蚀速率依赖于许多参数如粒子的性质的影响，该管的材料特性，以及影响过程中的其他参数。
因此，流场特性和粒子碰撞过程的细节，以及在管道中相关的侵蚀率须预测。
在目前的工作，拉格朗日粒子跟踪方法用于模拟腐蚀过程，通常利用步骤如下
预测中心流速场的效率；
计算固体颗粒进入流体夹带使用拉格朗日粒子追踪计算然后提出分子影响数据；并用半经验公式预测冲蚀磨损。
拉格朗日粒子跟踪方法代表着一个单向流动到粒子耦合方法，当模仿低流量的粒子模时可以利用。
两个计算模型被开发。
首先是连续相模型（处理低流速场的预测），第二个方面是粒子追踪模型（处理粒子运动的预测）。
对两种模型简单的讨论提出如下面的部分。
3.1连续相模型
通常用复杂的几何模型把CFD和拉格朗日粒子追踪相结合来预测颗粒运动。
预测连续流相得流态，质量和动量守恒方程得到解决。
额外若流动为湍流对湍流的运输方程也得到解决。
再许多引用中可以发现时间平均的三维湍流方程并且提出如下。
3.1.1连续性和动量方程。
质量守恒。
质量守恒的稳定状态的时间平均守恒方程可写为：
动量守恒。
在J方向的稳定状态的时间平均的动量守恒方程可以表示为
其中p是静态压力。
给出了应力张量
其中
是克罗内克函数对于i等于j相等于1,对于i不等于j相当于0
是有效的粘度。
动荡的粘度
采用
高雷诺数计算的形式为
其中
，k和
是湍流的动能及其耗散率。
这是通过求解其守恒方程得到的。
3.1.2守恒方程的湍流模型。
在湍流模型的守恒方程（雷诺，1987;施等，1995）给出如下：
对湍流动能：
湍流动能的耗散率
其中Gk代表由于平均速度梯度产生湍流动能并赋予
对于k和的量是有效的普朗特数，分别地，C12是由施明德等人给出。
（1995年）作为K/1的函数，因此，该模型是响应快速应变的影响，曲率和适合目前的计算方法。
该模型常数C11和C12有值，C11的¼¼1:
681:
42和C12：
壁函数建立了靠近壁处的变化场和相应壁处的量之间的联系。
这是根据洗钱和斯伯丁（1974）介绍的假设和并已广泛用于工业最流建模。
通过平均速度提供详细的壁函数，如Habibet等人给出的（1989年）。
3.1.3边界条件。
速度分布被认为是在与该轴方向的喷嘴头进口段流速均匀。
动能及其耗散率分配通过一个特殊值等于0.1和一个尺度L，等于头喷嘴直径的值。
边界条件在出口段（对出口的换热器管束的应用）是充分发展的流动。
在墙上的界限，所有速度分量是按照零的无滑和抗渗性条件。
湍流动能和耗散率由动荡的方程模型确定。
3.1.4求解过程。
守恒方程是综合性的同时解决了一个典型的数量，由流场划分形成一个控制量的数，产生的解决方案。
换热管头部靠近入口的部分在计算时需要至少考虑30万种元素。
对于U,V,W当所有的剩余混合求和和压力修正等式小于百分之零点一时集合点被考虑。
通过分两步控制的量值从260000增加到380000来表现网格独立性实验。
对于完善对格子连续相速度场的影响是非常微不足道的并表明更多的网格完善将会导致该计算模型结果微不足道的变化。
3.2粒子跟踪
粒子的速度（大小和方向摆在每一个无论是在头墙壁或任何地方的管板）的影响需要计算固体表面的腐蚀，并在其运动过程中决定粒子轨迹如下列影响。
粒子速度的影响被得到通过确定从目前的粒子轨迹在进入进气道头直到它离开换热器管。
在这项研究的主要假设之一，是固体颗粒不是互相作用（颗粒不发生碰撞和相互作用的任何粒子的运动不存在或邻近粒子运动的影响）。
此外，粒子运动的流体流场的影响被认为是非常小并且可以忽略不计。
这两个假设是基于比较稀颗粒浓度条件。
Benchaita（1983年）卢（1993年）（1993年），西拉（1995年），爱德华兹（2000年），基廷和Nesic（2000年）和华莱士等人也做了同样的假设。
在粒子浓度低（少于2-3重量百分之类似问题的解决）。
考虑的主要水动力，粒子的运动方程可以写成
其中
是每单位粒子的质量和，
，
是边界力术语，
是实际的质量力术语，
是压力梯度术语和
是Saffman力。
本马格纳斯升力（从粒子旋转产生的）和巴塞历史的力量（流场为不稳定强令会计）已被忽略。
该颗粒雷诺数，Rep代表处和阻力系数CD得到从
凡穆尔西和亚历山大（1972年为平稳球形颗粒）鉴于以上几个不等的a’s是常数。
另一个方程是经常用于CD由下式给出
在b1的，b2，b3和b4的是表现在对一个有作为的粒子实际表面积相同体积球体颗粒表面面积计算。
在低浓度颗粒本案中，粒子运动被视为非相互作用和主导力，在方程（8）是阻力（爱德华兹等人。
，2000）。
在方程（8）中给出的其它力规模很小并且在这个研究中可以被忽略。
其中第一个是虚拟的术语，把群众的力量照顾需要，以加快流体粒子周围。
该术语可表示为
当
时R是重要的反相这不是在目前的研究情况。
第二种力是由于压力梯度，
，这从流中哪些行为是对每一个流动的液量元素，可写为压力梯度的影响在于：
上述声明意味着一个粒子直径不同方向的压力不同，这种条件通常满足相当小的颗粒。
因此，在本研究中忽略了压力梯度力，不仅由于颗粒尺寸小，而且由于小的压力梯度流场为准。
其他力包括热泳力，是有关在气体中悬浮小粒子的温度梯度。
在这种情况下，微粒受到与梯度相反方向的力。
布朗力（李和艾哈迈迪，1992年）适用于亚微米粒子。
这些力在目前的研究中被忽略。
该Saffman的升力，或升力因剪切也被忽略。
3.2.1一体化的粒子轨迹方程。
粒子的运动轨迹方程通过离散时间的步骤逐步一体化被解决。
一体化的粒子的运动产生的粒子在沿线各点的轨迹方程时间速度，与自己的轨迹预测
其中r是位置向量。
上述方程是集成在每个坐标方向预测的离散相的运动轨迹。
在整合，流体相速度，u，在粒子的立场是作为连续相粒子速度。
3.2.2离散相边界条件。
当粒子撞击边界表面状况而定边界可能出现在该表面及以下应急之一的性质时，考虑边界条件。
（1）通过一个弹性或弹性碰撞的反思。
反思是用来描述了与在其势头改变固体颗粒边界反弹的术语。
恢复原状的正常系数确定的方向是正常的保留后的粒子与边界（Tabakoff和魏斐德1982）撞壁的势头。
在恢复系数，会在目前的计算为0.9的情况下反射在墙上。
（2）通过边界逃逸。
粒子轨道的计算是在某个时候终止当它通过一个开放的边界。
当遇到这样的颗粒边界，认为它是粒子逃脱和轨迹计算，然后终止。
（3）在墙壁陷阱。
一些粒子在流场中进入陷阱时轨迹计算被终止。
在两种情况下被发现。
第一是粒子流在一个密闭区循环第二是当一个粒子的入口附近的头在流速很小的时候。
在这种情况下，轨迹计算终止。
在目前的计算，5000尺度（步长2毫米）的整合粒子的运动方程（方程使用步骤（8）条）。
这确保了跟踪步骤是足够大，直到所有的粒子离开域或它变得稳定。
后一种情况发生在低速回流区颗粒。
3.3腐蚀模型
以前的实验结果（戴维斯等人。
1991年;矶等。
1999年）表明，冲蚀磨损率呈现幂律速度的依赖。
速度指数范围从1.9到2.5。
研究结果还表明，腐蚀率是角影响的函数。
这是表明，在冲击角的影响在很大程度上取决于脆性或韧性材料类型。
在直管腐蚀预测，肘部和T表明了流体性质，尺寸和流速对腐蚀率速强大的影响力。
腐蚀的定义是磨损当固体颗粒在液体表面撞击表面时产生。
目前在过去许多尝试表明在任何情况下通过了一个分析公式来预测腐蚀。
可以来预测任何条件下的固体颗粒侵蚀侵蚀过程。
该侵蚀过程的复杂性和涉及的一些因素意味着，没有得到一个普遍适用的公式。
几乎所有的因此产生的公式，某种程度上依赖一些经验的腐蚀测试提供的腐蚀系数。
目前不存在明确的腐蚀理论。
但是，有一些定性和定量模型存在。
这些都是描述芬妮（1958），芬妮等。
（1992年），王等人（1996年），基廷和Nesic（2000年），爱德华兹等人。
（2000年）和Shirazi和McLaury（2000年）。
由尼尔森和吉尔克里斯特（1968）华莱士等人提出的腐蚀方程使用。
由华莱士等人（2000）使用，相关的实验数据，以提侵蚀建模技术。
华莱士等人（2000年）提供了以下的公式，结果证明，以提供良好的实验数据相比：
该换热器管束的材料是碳钢与华莱士等人（2000年），提出的对于低流速的相似。
这些公式（15）和（16）是在目前的腐蚀率计算中使用。
通过跟踪模型，撞击的微粒收集信息侵犯了几何的墙壁。
随着粒子轨迹计算，这撞击信息被记录和侵蚀计算使用经验的关系。
通过粒子撞击速度和冲击角度的知识得到侵蚀率计算。
去预测腐蚀的能力是由作者提供通过FORTRAN语言所使用的计算流体力学与代码一起子程序。
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