一种空冷器管束衬管的形状优化方法技术

本发明专利技术公开了一种空冷器管束衬管的形状优化方法，包括衬管长度、衬管出口倒角优化和衬管外径与壁厚优化两个步骤；运用石油化工过程模拟软件进行工艺流程建模；依据实际运行工况进行三相流物性参数仿真；对管箱及管束结构进行结构离散建模，结合物性参数进行ＣＦＤ仿真，确定基管内表面剪切应力的大小和位置；选择不同衬管尾部结构进行结构离散建模和仿真，分析不同衬管尾部结构对基管的流动影响；参照实际基管规格，初设衬管壁厚；建立衬管圆筒模型，通过屈服极限和材料伸长率确定衬管外径；经过该方法优化过的衬管结构可大大简化生产工艺，容易制造；节省管材资源，成本低；适用范围广，抗腐蚀性能好，使用寿命长。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及输送多相流体介质的衬管优化方法，具体地说是涉及石油化工业中的。
技术介绍
在石油化工、电力、冶金等行业中，大量使用空冷器作为换热设备。在空冷器的使用当中，被冷却的介质(空冷器管束内的介质)往往具有一定的腐蚀性。在石油化工领域，加氢空冷装置、换热系统、常、减压蒸馏塔顶部位的被冷却油气中含有H2S、Cl-、H2O等腐蚀性介质，而现有空冷器管束材料通常为碳钢，在H2S-Cl--H2O等腐蚀环境下，空冷管束腐蚀严重，其使用周期非常短，甚至不超过一年。近年来，随着重质、高硫原油加工量的日益增加，许多装置相继进行了高硫扩能改造，空冷器管束的频繁失效问题表现得更为突出。随之发生了多起反应流出物空冷器(简称REAC)管束泄漏爆管事故，严重威胁了装置和人身的安全。针对空冷管束的泄漏爆管事故的频发问题，为了提高空冷管束的使用寿命，降低安全隐患，提高经济效益，实际生产中采用在基管进、出口端增设衬管的措施来提高空冷管束的抗腐蚀及冲蚀性能。针对目前石油化工、电力、冶金等行业中存在的管束冲蚀或堵蚀问题，通过对空冷管束添加衬管，是提高空冷管束抗冲蚀的有效措施。但迄今为止，增设空冷管束衬管的长度及衬管末端倒角大小国际上尚无统一标准，往往根据经验对空冷管束添加衬管，缺乏科学有效的设计依据，难以从根本上解决现有空冷管束的冲蚀减薄、泄漏爆管等问题。其中衬管结构上存在的不足之处主要在于(1)现有空冷管束增设衬管长度约为600mm左右，钢材资源浪费严重，并且长度过长带来安装工艺的难度和精度。(2)衬管末端通常为直角结构，甚至带有毛刺，此结构引发流体在衬管出口处附近产生较大的剪切应力和冲蚀效应，对输送管束造成冲蚀破坏。(3)现有空冷管束衬管与管壁的配合采用贴涨的方法，但由于衬管的壁厚是经验估计，所以在贴涨的过程中极易造成间隙贴涨的不均衡，导致空冷管束的抗腐蚀冲蚀能力降低，导致防冲蚀破坏的效果不佳。本专利技术的目的提供，针对加氢裂化空冷器管束频繁出现的泄漏爆管等问题，提供一种应用于管箱出口处的管束衬管结构，可有效避免流体介质直接冲击管束，解决管束的爆管泄漏等问题。
技术实现思路
为了避免
技术介绍
中的不足之处，本专利技术的目的在于提供，经过优化过的管束衬管结构，可有效提高空冷管束的抗冲蚀性能，延长空冷管束的使用寿命，有效避免空冷管束冲蚀破坏、泄漏爆管等事故的发生。为了达到上述目的，本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是，包括衬管长度、衬管出口倒角优化和衬管外径与壁厚优化两个步骤1)衬管长度、衬管出口倒角优化包括以下步骤a)工艺流程建模与物性参数仿真计算运用石油化工过程模拟软件HYSYS进行加氢空冷管系工艺流程建模；b)依据实际加氢空冷管系中的运行工况、腐蚀性流体介质实际情况，进行三相流物性参数仿真计算；c)对国产化加氢空冷管系的管箱及管束结构进行结构离散建模，根据步骤b)的物性参数仿真结果进行CFD仿真，分析基管内表面剪切应力的大小和位置的分布规律，实现衬管长度优化；d)选择不同衬管尾部结构分别进行结构离散建模，结合步骤b)仿真得出的物性参数进行三相流流场分析，分析不同衬管出口尾部结构对基管的流动影响，实现衬管出口孔倒角优化；2)衬管外径与厚度优化方法包括以下步骤a)选择衬管材料，参照实际基管内径及外径，初选衬管壁厚；b)根据初选的衬管壁厚建立圆筒模型，比较分析壁厚与基管直径的比值，确定圆筒类型；c)运用材料力学和弹性力学，通过屈服极限和材料伸长率值，由胡克定律确定衬管外径。所述的三相流即水相、油相和气相。所述的基管指空冷器管束。所述的不同衬管尾部结构即直角、45度倒角、1∶10锥度，1/4圆弧衬管结构。本专利技术具有的有益效果是，经过优化的衬管结构可大大简化生产工艺，容易制造。由于衬管的长度缩小了近一倍，生产工艺更加简化，且安装简便易行；节省管材资源，成本明显降低；适用范围广，抗腐蚀性能好，使用寿命长。附图说明图1是HYSYS建模示意图。图2是管箱建模图。图3是不同衬管尾部结构剪切应力对比分析图。图中1、循环氢 2、低分干气 3、低分油 4、高分水 5、摩尔平衡器 6、混合物流 7、模拟换热器 8、模拟冷却器 9、冷却物流 10、管箱 11、管束具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。一种空冷器管束的形状优化方法，包括衬管长度、衬管出口倒角优化和衬管外径与壁厚优化两个步骤1)衬管长度、衬管出口倒角优化包括以下步骤a)选择典型工况，运用石油化工过程模拟软件HYSYS进行加氢空冷管系工艺流程建模，如图1所示，循环氢1、低分干气2、低分油3、高分水4经过摩尔平衡器5充分混合后构成混合物流6，混合物流6经模拟换热器7换热后流向模拟冷却器8，最后经模拟冷却器8冷却后形成冷却物流9。b)结合a)步骤中所建模型，分别输入循环氢工况及组成、高分污水工况、低分油工况及组成、低分干气工况及组成。其中循环氢工况及组成包括流体介质流量为281540Nm3/h、温度46.4℃、压力15.6Mpa、氢气84.46％、甲烷4.69％、乙烷1.12％、丙烷0.44％、异丁烷0.24％、正丁烷0.09％、硫化氢1.39％。高分污水工况包括流量5.9T/h、温度46.4℃、压力15.6Mpa。低分油工况及组成包括流量146T/h、温度47.4℃、压力1.85Mpa，HK-65℃、馏出10％-116℃、馏出30％-198℃、馏出50％-280℃、馏出65％-350℃、密度787.7Kg/m3。低分干气工况及组成包括流量5100Nm3/h、温度47.4℃、压力1.85Mpa、H256.01％、Cl 13.42％、C27.81％、C37.91％、异C46.28％、正C42.81％、C50.83％、H2S4.5％，仿真计算反应流出物的三相流物性参数。c)针对加氢空冷管箱结构进行离散平面建模如图2所示，流体介质在管箱10内混合后经管束11流向介质出口。根据b)步骤中实际工况，仿真计算其三相流物性参数。计算得出的物性参数如下其中气相的物性参数为质量密度21.65kg/m3，实际体积流量2242m3/h，动力黏度1.04E-02cP；液相的物性参数为质量密度806.3kg/m3，实际体积流量184.1m3/h，动力黏度1.573cP；水相的物性参数为质量密度986kg/m3，实际体积流量5.519m3/h，动力黏度0.5083cP。依据HYSYS的物性仿真结果，设置边界条件，结合衬管尾部的实际运行工况的三相流物性参数对管箱流场进行CFD仿真分析，分析基管内表面剪切应力的大小和位置的分布规律。仿真结果表明，3倍Dg以后(约58mm)后，剪切应力逐渐减小，5倍Dg(约77.3mm)后，基本正常。6倍Dg(约114mm)处的最大剪切应力为20.8Pa，已经稳定。可见，最严重的冲刷位置在3倍Dg之后的顶部区域，6倍Dg(约112mm)处达到稳定，因此，衬管长度可确定200mm左右，便可以满足要求。d)，选择不同衬管尾部结构分别进行结构离散建模，即分别对衬管尾部结构包括直角、45度倒角、1∶10锥度，1/4圆弧等进行建模。仿真分析不同衬管尾部结构对基管的流体动力学影响。图3表示不同衬管尾部结构的壁面剪切应力的对比分析图，由图可见衬管尾部倒角为45度时剪切应力最本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空冷器管束衬管的形状优化方法，其特征在于：包括衬管长度、衬管出口倒角优化和衬管外径与壁厚优化两个步骤：１）衬管长度、衬管出口倒角优化包括以下步骤：ａ）工艺流程建模与物性参数仿真计算：运用石油化工过程模拟软件ＨＹＳ ＹＳ进行加氢空冷管系工艺流程建模；ｂ）依据实际加氢空冷管系中的运行工况、腐蚀性流体介质实际情况，进行三相流物性参数仿真计算；ｃ）对国产化加氢空冷管系的管箱及管束结构进行结构离散建模，根据步骤ｂ）的物性参数仿真结果进行ＣＦＤ仿 真，分析基管内表面剪切应力的大小和位置的分布规律，实现衬管长度优化；ｄ）选择不同衬管尾部结构分别进行结构离散建模，结合步骤ｂ）仿真得出的物性参数进行三相流流场分析，分析不同衬管出口尾部结构对基管的流动影响，实现衬管出口孔倒角优化；　 　２）衬管外径与厚度优化方法包括以下步骤：ａ）选择衬管材料，参照实际基管内径及外径，初选衬管壁厚；ｂ）根据初选的衬管壁厚建立圆筒模型，比较分析壁厚与基管直径的比值，确定圆筒类型；ｃ）运用材料力学和弹性力学，通过屈 服极限和材料伸长率值，由胡克定律确定衬管外径。...

【技术特征摘要】
1.一种空冷器管束衬管的形状优化方法，其特征在于包括衬管长度、衬管出口倒角优化和衬管外径与壁厚优化两个步骤1)衬管长度、衬管出口倒角优化包括以下步骤a)工艺流程建模与物性参数仿真计算运用石油化工过程模拟软件HYSYS进行加氢空冷管系工艺流程建模；b)依据实际加氢空冷管系中的运行工况、腐蚀性流体介质实际情况，进行三相流物性参数仿真计算；c)对国产化加氢空冷管系的管箱及管束结构进行结构离散建模，根据步骤b)的物性参数仿真结果进行CFD仿真，分析基管内表面剪切应力的大小和位置的分布规律，实现衬管长度优化；d)选择不同衬管尾部结构分别进行结构离散建模，结合步骤b)仿真得出的物性参数进行三相流流场分析，分析不同衬管出口尾部结构对基管的流...

【专利技术属性】
技术研发人员：偶国富，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]