專利名稱：一種空冷器管束襯管的形狀優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及輸送多相流體介質(zhì)的襯管優(yōu)化方法，具體地說是涉及石油化工業(yè)中的一種空冷器管束襯管的形狀優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
在石油化工、電力、冶金等行業(yè)中，大量使用空冷器作為換熱設(shè)備。在空冷器的使用當(dāng)中，被冷卻的介質(zhì)(空冷器管束內(nèi)的介質(zhì))往往具有一定的腐蝕性。在石油化工領(lǐng)域，加氫空冷裝置、換熱系統(tǒng)、常、減壓蒸餾塔頂部位的被冷卻油氣中含有H2S、Cl-、H2O等腐蝕性介質(zhì)，而現(xiàn)有空冷器管束材料通常為碳鋼，在H2S-Cl--H2O等腐蝕環(huán)境下，空冷管束腐蝕嚴(yán)重，其使用周期非常短，甚至不超過一年。近年來，隨著重質(zhì)、高硫原油加工量的日益增加，許多裝置相繼進(jìn)行了高硫擴(kuò)能改造，空冷器管束的頻繁失效問題表現(xiàn)得更為突出。隨之發(fā)生了多起反應(yīng)流出物空冷器(簡(jiǎn)稱REAC)管束泄漏爆管事故，嚴(yán)重威脅了裝置和人身的安全。針對(duì)空冷管束的泄漏爆管事故的頻發(fā)問題，為了提高空冷管束的使用壽命，降低安全隱患，提高經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)際生產(chǎn)中采用在基管進(jìn)、出口端增設(shè)襯管的措施來提高空冷管束的抗腐蝕及沖蝕性能。
針對(duì)目前石油化工、電力、冶金等行業(yè)中存在的管束沖蝕或堵蝕問題，通過對(duì)空冷管束添加襯管，是提高空冷管束抗沖蝕的有效措施。但迄今為止，增設(shè)空冷管束襯管的長(zhǎng)度及襯管末端倒角大小國(guó)際上尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)空冷管束添加襯管，缺乏科學(xué)有效的設(shè)計(jì)依據(jù)，難以從根本上解決現(xiàn)有空冷管束的沖蝕減薄、泄漏爆管等問題。其中襯管結(jié)構(gòu)上存在的不足之處主要在于(1)現(xiàn)有空冷管束增設(shè)襯管長(zhǎng)度約為600mm左右，鋼材資源浪費(fèi)嚴(yán)重，并且長(zhǎng)度過長(zhǎng)帶來安裝工藝的難度和精度。
(2)襯管末端通常為直角結(jié)構(gòu)，甚至帶有毛刺，此結(jié)構(gòu)引發(fā)流體在襯管出口處附近產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力和沖蝕效應(yīng)，對(duì)輸送管束造成沖蝕破壞。
(3)現(xiàn)有空冷管束襯管與管壁的配合采用貼漲的方法，但由于襯管的壁厚是經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，所以在貼漲的過程中極易造成間隙貼漲的不均衡，導(dǎo)致空冷管束的抗腐蝕沖蝕能力降低，導(dǎo)致防沖蝕破壞的效果不佳。
本發(fā)明的目的提供一種空冷器管束襯管的形狀優(yōu)化方法，針對(duì)加氫裂化空冷器管束頻繁出現(xiàn)的泄漏爆管等問題，提供一種應(yīng)用于管箱出口處的管束襯管結(jié)構(gòu)，可有效避免流體介質(zhì)直接沖擊管束，解決管束的爆管泄漏等問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了避免背景技術(shù)中的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種空冷器管束襯管的形狀優(yōu)化方法，經(jīng)過優(yōu)化過的管束襯管結(jié)構(gòu)，可有效提高空冷管束的抗沖蝕性能，延長(zhǎng)空冷管束的使用壽命，有效避免空冷管束沖蝕破壞、泄漏爆管等事故的發(fā)生。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是，包括襯管長(zhǎng)度、襯管出口倒角優(yōu)化和襯管外徑與壁厚優(yōu)化兩個(gè)步驟1)襯管長(zhǎng)度、襯管出口倒角優(yōu)化包括以下步驟a)工藝流程建模與物性參數(shù)仿真計(jì)算運(yùn)用石油化工過程模擬軟件HYSYS進(jìn)行加氫空冷管系工藝流程建模；b)依據(jù)實(shí)際加氫空冷管系中的運(yùn)行工況、腐蝕性流體介質(zhì)實(shí)際情況，進(jìn)行三相流物性參數(shù)仿真計(jì)算；c)對(duì)國(guó)產(chǎn)化加氫空冷管系的管箱及管束結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散建模，根據(jù)步驟b)的物性參數(shù)仿真結(jié)果進(jìn)行CFD仿真，分析基管內(nèi)表面剪切應(yīng)力的大小和位置的分布規(guī)律，實(shí)現(xiàn)襯管長(zhǎng)度優(yōu)化；d)選擇不同襯管尾部結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散建模，結(jié)合步驟b)仿真得出的物性參數(shù)進(jìn)行三相流流場(chǎng)分析，分析不同襯管出口尾部結(jié)構(gòu)對(duì)基管的流動(dòng)影響，實(shí)現(xiàn)襯管出口孔倒角優(yōu)化；2)襯管外徑與厚度優(yōu)化方法包括以下步驟a)選擇襯管材料，參照實(shí)際基管內(nèi)徑及外徑，初選襯管壁厚；b)根據(jù)初選的襯管壁厚建立圓筒模型，比較分析壁厚與基管直徑的比值，確定圓筒類型；c)運(yùn)用材料力學(xué)和彈性力學(xué)，通過屈服極限和材料伸長(zhǎng)率值，由胡克定律確定襯管外徑。
所述的三相流即水相、油相和氣相。
所述的基管指空冷器管束。
所述的不同襯管尾部結(jié)構(gòu)即直角、45度倒角、1∶10錐度，1/4圓弧襯管結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明具有的有益效果是，經(jīng)過優(yōu)化的襯管結(jié)構(gòu)可大大簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，容易制造。由于襯管的長(zhǎng)度縮小了近一倍，生產(chǎn)工藝更加簡(jiǎn)化，且安裝簡(jiǎn)便易行；節(jié)省管材資源，成本明顯降低；適用范圍廣，抗腐蝕性能好，使用壽命長(zhǎng)。


圖1是HYSYS建模示意圖。
圖2是管箱建模圖。
圖3是不同襯管尾部結(jié)構(gòu)剪切應(yīng)力對(duì)比分析圖。
圖中1、循環(huán)氫 2、低分干氣 3、低分油 4、高分水 5、摩爾平衡器 6、混合物流 7、模擬換熱器 8、模擬冷卻器 9、冷卻物流 10、管箱 11、管束具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
一種空冷器管束的形狀優(yōu)化方法，包括襯管長(zhǎng)度、襯管出口倒角優(yōu)化和襯管外徑與壁厚優(yōu)化兩個(gè)步驟1)襯管長(zhǎng)度、襯管出口倒角優(yōu)化包括以下步驟a)選擇典型工況，運(yùn)用石油化工過程模擬軟件HYSYS進(jìn)行加氫空冷管系工藝流程建模，如圖1所示，循環(huán)氫1、低分干氣2、低分油3、高分水4經(jīng)過摩爾平衡器5充分混合后構(gòu)成混合物流6，混合物流6經(jīng)模擬換熱器7換熱后流向模擬冷卻器8，最后經(jīng)模擬冷卻器8冷卻后形成冷卻物流9。
b)結(jié)合a)步驟中所建模型，分別輸入循環(huán)氫工況及組成、高分污水工況、低分油工況及組成、低分干氣工況及組成。其中循環(huán)氫工況及組成包括流體介質(zhì)流量為281540Nm3/h、溫度46.4℃、壓力15.6Mpa、氫氣84.46％、甲烷4.69％、乙烷1.12％、丙烷0.44％、異丁烷0.24％、正丁烷0.09％、硫化氫1.39％。高分污水工況包括流量5.9T/h、溫度46.4℃、壓力15.6Mpa。低分油工況及組成包括流量146T/h、溫度47.4℃、壓力1.85Mpa，HK-65℃、餾出10％-116℃、餾出30％-198℃、餾出50％-280℃、餾出65％-350℃、密度787.7Kg/m3。低分干氣工況及組成包括流量5100Nm3/h、溫度47.4℃、壓力1.85Mpa、H256.01％、Cl 13.42％、C27.81％、C37.91％、異C46.28％、正C42.81％、C50.83％、H2S4.5％，仿真計(jì)算反應(yīng)流出物的三相流物性參數(shù)。
c)針對(duì)加氫空冷管箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散平面建模如圖2所示，流體介質(zhì)在管箱10內(nèi)混合后經(jīng)管束11流向介質(zhì)出口。根據(jù)b)步驟中實(shí)際工況，仿真計(jì)算其三相流物性參數(shù)。計(jì)算得出的物性參數(shù)如下其中氣相的物性參數(shù)為質(zhì)量密度21.65kg/m3，實(shí)際體積流量2242m3/h，動(dòng)力黏度1.04E-02cP；液相的物性參數(shù)為質(zhì)量密度806.3kg/m3，實(shí)際體積流量184.1m3/h，動(dòng)力黏度1.573cP；水相的物性參數(shù)為質(zhì)量密度986kg/m3，實(shí)際體積流量5.519m3/h，動(dòng)力黏度0.5083cP。
依據(jù)HYSYS的物性仿真結(jié)果，設(shè)置邊界條件，結(jié)合襯管尾部的實(shí)際運(yùn)行工況的三相流物性參數(shù)對(duì)管箱流場(chǎng)進(jìn)行CFD仿真分析，分析基管內(nèi)表面剪切應(yīng)力的大小和位置的分布規(guī)律。
仿真結(jié)果表明，3倍Dg以后(約58mm)后，剪切應(yīng)力逐漸減小，5倍Dg(約77.3mm)后，基本正常。6倍Dg(約114mm)處的最大剪切應(yīng)力為20.8Pa，已經(jīng)穩(wěn)定?？梢?，最嚴(yán)重的沖刷位置在3倍Dg之后的頂部區(qū)域，6倍Dg(約112mm)處達(dá)到穩(wěn)定，因此，襯管長(zhǎng)度可確定200mm左右，便可以滿足要求。
d)，選擇不同襯管尾部結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散建模，即分別對(duì)襯管尾部結(jié)構(gòu)包括直角、45度倒角、1∶10錐度，1/4圓弧等進(jìn)行建模。仿真分析不同襯管尾部結(jié)構(gòu)對(duì)基管的流體動(dòng)力學(xué)影響。圖3表示不同襯管尾部結(jié)構(gòu)的壁面剪切應(yīng)力的對(duì)比分析圖，由圖可見襯管尾部倒角為45度時(shí)剪切應(yīng)力最小。
2)襯管外徑與厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)包括以下步驟a)選擇襯管材料，參照實(shí)際基管內(nèi)徑及外徑，初選襯管壁厚；根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)選擇襯管材料為不銹鋼316L，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)初選襯管壁厚為0.6mm；b)根據(jù)初選的襯管壁厚建立圓筒模型，比較分析壁厚與基管直徑的比值，確定圓筒類型；建立襯管圓筒模型，根據(jù)b)中的襯管壁厚δ＝0.6mm，δ＜＜D，為薄壁圓筒，當(dāng)其應(yīng)力處于屈服極限時(shí)進(jìn)入塑性變形狀態(tài)，ε＝σs/D；c)運(yùn)用材料力學(xué)和彈性力學(xué)，通過屈服極限和材料伸長(zhǎng)率值，由胡克定律確定襯管外徑；σs＝170Mpa，E＝200Gpa，ε＝0.85×10-3ε＝Δd/d，即(19-Do)/Do＝0.85×10-3此時(shí)Do＝18.98mm；當(dāng)ε＝35％時(shí)，塑性變形最大，此時(shí)的襯管外徑即是最小外徑。
即(19-Do)/Do＝0.35，此時(shí)Do＝14.07mm。
襯管外徑在14.07～18.98mm的范圍內(nèi)，考慮脹管壓力為200Mpa左右，并參考管件選擇標(biāo)準(zhǔn)，襯管規(guī)格可確定為Φ18.6×0.6mm。
綜上，襯管規(guī)格為Φ18.6×0.6×200mm，出口尾部倒角45度，則可以有效避開最大剪切應(yīng)力。能最大程度上延長(zhǎng)空冷管束壽命，有效避免空冷管束泄漏爆管等事故的發(fā)生。
權(quán)利要求
1.一種空冷器管束襯管的形狀優(yōu)化方法，其特征在于包括襯管長(zhǎng)度、襯管出口倒角優(yōu)化和襯管外徑與壁厚優(yōu)化兩個(gè)步驟1)襯管長(zhǎng)度、襯管出口倒角優(yōu)化包括以下步驟a)工藝流程建模與物性參數(shù)仿真計(jì)算運(yùn)用石油化工過程模擬軟件HYSYS進(jìn)行加氫空冷管系工藝流程建模；b)依據(jù)實(shí)際加氫空冷管系中的運(yùn)行工況、腐蝕性流體介質(zhì)實(shí)際情況，進(jìn)行三相流物性參數(shù)仿真計(jì)算；c)對(duì)國(guó)產(chǎn)化加氫空冷管系的管箱及管束結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散建模，根據(jù)步驟b)的物性參數(shù)仿真結(jié)果進(jìn)行CFD仿真，分析基管內(nèi)表面剪切應(yīng)力的大小和位置的分布規(guī)律，實(shí)現(xiàn)襯管長(zhǎng)度優(yōu)化；d)選擇不同襯管尾部結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散建模，結(jié)合步驟b)仿真得出的物性參數(shù)進(jìn)行三相流流場(chǎng)分析，分析不同襯管出口尾部結(jié)構(gòu)對(duì)基管的流動(dòng)影響，實(shí)現(xiàn)襯管出口孔倒角優(yōu)化；2)襯管外徑與厚度優(yōu)化方法包括以下步驟a)選擇襯管材料，參照實(shí)際基管內(nèi)徑及外徑，初選襯管壁厚；b)根據(jù)初選的襯管壁厚建立圓筒模型，比較分析壁厚與基管直徑的比值，確定圓筒類型；c)運(yùn)用材料力學(xué)和彈性力學(xué)，通過屈服極限和材料伸長(zhǎng)率值，由胡克定律確定襯管外徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空冷器管束襯管的形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述的三相流即水相、油相和氣相。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空冷器管束襯管的形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述的基管指空冷器管束。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空冷器管束襯管的形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述的不同襯管尾部結(jié)構(gòu)即直角、45度倒角、1∶10錐度，1/4圓弧襯管結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種空冷器管束襯管的形狀優(yōu)化方法，包括襯管長(zhǎng)度、襯管出口倒角優(yōu)化和襯管外徑與壁厚優(yōu)化兩個(gè)步驟；運(yùn)用石油化工過程模擬軟件進(jìn)行工藝流程建模；依據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行三相流物性參數(shù)仿真；對(duì)管箱及管束結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散建模，結(jié)合物性參數(shù)進(jìn)行CFD仿真，確定基管內(nèi)表面剪切應(yīng)力的大小和位置；選擇不同襯管尾部結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散建模和仿真，分析不同襯管尾部結(jié)構(gòu)對(duì)基管的流動(dòng)影響；參照實(shí)際基管規(guī)格，初設(shè)襯管壁厚；建立襯管圓筒模型，通過屈服極限和材料伸長(zhǎng)率確定襯管外徑；經(jīng)過該方法優(yōu)化過的襯管結(jié)構(gòu)可大大簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，容易制造；節(jié)省管材資源，成本低；適用范圍廣，抗腐蝕性能好，使用壽命長(zhǎng)。
文檔編號(hào)G05B17/02GK101075270SQ200710069660
公開日2007年11月21日 申請(qǐng)日期2007年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月19日
發(fā)明者偶國(guó)富 申請(qǐng)人:浙江理工大學(xué)