CN111812015B - 一种石化装置弯管部位多相流腐蚀特征参数的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石化装置弯管部位多相流腐蚀特征参数的测量方法，根据弯管折弯处的内侧压力p_i，折弯处的外侧压力p_o，公称直径d，弯曲半径R，折弯处的任一流体质点的曲率半径r，计算出曲率半径为r的折弯处的流速u_r；对流速u_r进行二重积分得出折弯处横截面的体积流量‑压差表达式；结合监测数据，给出流量‑压差表达式的修正系数λ；若已知弯管内多相流的各组分比例，则可直接通过测定压力差折算截面流速；若已知折弯处横截面的多相流流量或流速，则可估算出多相流的气液相比例。实现了弯管部位多相流腐蚀特征参数的测量。

Description

一种石化装置弯管部位多相流腐蚀特征参数的测量方法

技术领域

本发明涉及石化装置多相流介质特征参数测量的技术领域，尤其是一种石化装置弯管部位多相流腐蚀特征参数的测量方法。

背景技术

炼油装置中加氢装置空冷系统或常压塔顶冷却系统等工艺部位常因铵盐冲刷或沉积等原因发生流动性腐蚀。这些工艺系统中的空冷设备的进口、出口弯管常因其输送的多相流介质急遽转向面临更为严峻的腐蚀风险。一旦因为相关部位的弯管腐蚀而发生泄漏甚至爆管，企业将蒙受重大损失。因此采取积极措施，杜绝弯管部位腐蚀成为石化设备腐蚀防护领域关注的焦点。

弯管中的多相流介质通常含有轻烃气体、重油以及少量水分。有关调研报告及学术论文认为，空冷系统流动腐蚀问题十分复杂，影响因素众多，以弯管部位为例，弯管部位中输运的多相流介质的物理、化学特征参数，均对流动性腐蚀存在显著影响。美国石油学会(API)制定的推荐标准API RP A《加氢裂化反应器流出物空冷系统腐蚀研究》、API RP B《加氢反应流出物空冷系统腐蚀控制的设计、选材、制造、操作及检查指导方针》/或《中国石化<炼油工艺防腐蚀管理规定>实施细则(第二版)》认为：

多相流介质的若干参数对流动腐蚀均存在较高程度的影响，其中，流速决定了多相流的压差及管道内壁受到冲蚀的程度，多相流的组分浓度则决定平衡常数值K_p。所述平衡常数值K_p有两种表达方式，一种为腐蚀性气体分压值乘积，另一种为两种气体的相率(体积比)乘积，平衡常数值K_p偏高，将产生过量铵盐。多相流介质中氨气、氯化氢等腐蚀性气体的分压或浓度高达一定水平时，极可能令反应平衡常数值K_p偏高，形成铵盐析出。铵盐水溶性极强，一旦水相介质达到露点将会使其溶解，生成腐蚀性极高的电解质，造成管道腐蚀泄漏。

然而，石化企业的仪表设备和监测技术通常对准确获取多相流介质的实时流速、气相组分浓度等特征参数束手无策，尤其是针对存在急转的弯管部位流场，更难获取有关特征参数。鉴于此，准确地获取弯管折弯处的多相流的气相组分浓度、流速，是有效预防流动性腐蚀的基本前提。

发明内容

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种石化装置弯管部位多相流腐蚀特征参数的测量方法，能够根据已知的部分多相流腐蚀特征参数，获取其余的多相流腐蚀特征参数，从而能准确获取多相流介质的实时流速、各组分比例。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：

一种石化装置弯管部位多相流腐蚀特征参数的测量方法，包括以下步骤：

S1，测量获取弯管的折弯处的内侧压力p_i和外侧压力p_o；

S2，已知弯管的公称直径为d，折弯处的曲率半径即弯曲半径为R，折弯处的任一流体质点的曲率半径为r，根据p_i、p_o、d、R、r计算出折弯处曲率半径为r的流体质点的线速度，即曲率半径为r的折弯处的流速u_r；

S3，对u_r进行二重积分得出折弯处横截面的流量，从而得出折弯处横截面的流量与折弯处的内外侧压力差的关系表达式即折弯处流量-压差表达式；

S4，结合监测数据，给出弯管内介质为多相流的折弯处流量-压差表达式的修正系数λ；所述监测数据包括：折弯处的内外侧压力差，以及折弯处横截面的介质流量或弯管内介质的各相态组分比例；

S5，若已知弯管内多相流的各相态组分比例，则根据多相流的各相态组分比例，根据折弯处流量-压差表达式和修正系数λ，以及根据折弯处的内外侧压力差，估算出折弯处横截面的多相流流量，计算出折弯处的多相流流速；

S6，若已知折弯处横截面的多相流流量或已知折弯处的多相流流速，则根据折弯处横截面的多相流流量或折弯处的多相流流速，根据折弯处流量-压差表达式和修正系数λ，以及根据折弯处的内外侧压力差，估算出弯管内多相流的各组分比例。

步骤S2中，曲率半径为r的折弯处的流速u_r的计算表达式：

其中，ρ_m为多相流的混合物密度。

步骤S3中，对u_r进行二重积分得出折弯处横截面的流量，得出折弯处横截面的流量与折弯处的内外侧压力差的关系表达式即折弯处流量-压差表达式为：

其中，Q为折弯处横截面的流量的理论值；(p₀-p_i)即为折弯处的内外侧压力差；ρ_m为多相流的混合物密度；A为弯管形状系数。

步骤S4中，弯管内介质为多相流时的折弯处流量-压差表达式存在修正系数λ，即，弯管内为多相流的折弯处流量-压差表达式为：

其中，Q′为弯管内介质为多相流时的折弯处横截面的流量的实测值，即折弯处横截面的多相流流量的实测值；

利用折弯处的内外侧压力差(p_o-p_i)、多相流的混合物密度ρ_m得出折弯处横截面S的流量的理论值Q，以及实际工况下测量得到弯管的折弯处的介质流量的实测值Q′，按照Q′＝λQ得到修正系数λ。

步骤S5中，已知多相流进入管道前各个组分所占体积比为x_i，满足

i＝1,2,3，分别对应气、水和油三种介质；各个组分密度为ρ_i，对各组分密度进行加权平均则可得到多相流混合物密度

i＝1,2,3；石化装置中，因为油品密度较高，接近水，且液相的水和油与气相介质间存在明显界面，因此，可将上式近似为线性方程组求解，即：

和

i＝1,2；

根据测量计算得到的折弯处的内外侧压力差(p_o-p_i)和多相流混合物密度ρ_m，以及根据弯管内为多相流的折弯处流量-压差表达式并结合修正系数λ，即可计算得出折弯处下游截面的多相流流量Q′，并根据实测流量Q′除以截面积，计算出折弯处下游的流速。

步骤S6中，若测得折弯处多相流流量Q′，并根据测量计算得到的折弯处的内外侧压力差(p_o-p_i)，以及根据弯管内为多相流的折弯处流量-压差表达式，即可计算得出多相流混合物密度ρ_m，再根据

i＝1,2，即可估算得出折弯处气相介质的体积比。

本发明的优点在于：

(1)本发明应用范围较广，可适用于多种石化装置多相流多种结构形式管道的腐蚀特征参数测量，也可适用于单相流介质的压差/流量测量，多种结构形式管道包括但不限于弯管。

(2)本发明可面向现有主流监测设备提供测量算法，为开发智能型监测设备提供技术支撑和依据。

(3)本发明可准确获取石化装置，尤其存在铵盐流动腐蚀关键部位的多相流腐蚀特征参数，提高装置运行的可靠性与完整性。

附图说明

图1为本发明的一种石化装置弯管部位多相流腐蚀特征参数的测量方法的流程图。

图2为本发明的弯管示意图。

图3为本实施例的某石化企业加氢装置中的空冷器出口管道分布图。

图4为本实施例的A101 A出口弯管示意图。

图5a为A101 A出口弯管的全场压力示意图。

图5b为A101 A出口弯管的流场进口DN150管段的左侧管段的压力示意图。

图5c为A101 A出口弯管的流场进口DN150管段的右侧管段的压力示意图。

图6a为DN150管段的左侧管段内径点至外径点处的压力值变化曲线图。

图6b为DN150管段的右侧管段内径点至外径点处的压力值变化曲线图。

图7为DN150管段的左右两侧弯头处的流速示意图。

图8a为DN150管段的左侧管段内径点至外径点处的气相相率变化曲线图。

图8b为DN150管段的右侧管段内径点至外径点处的气相相率变化曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅为本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明方法的依据为：

一、来流经过充分混合后达到折弯处时已经较为稳定，折弯处多相流的各个组分之间已经实现了较为均匀的混合不会出现相变因此压力波动也不会太过剧烈，多相流的气、液相组分的密度基本保持不变；

二、折弯处上下游的流速等参数变化可以忽略，因而可通过试验采集数据得出流量修正系数，并结合已知的部分特征参数对其它未知的特征参数进行分析计算；

三、现有的主流检测仪表采样频率已经远超过流场扰动频率，因而即使流场在被检测的弯管折弯处等区域存在流场扰动，也容易被发现；

四、现有仪表设备可精准测得管道运行工况下，弯管的折弯处的内外两侧的压力差。

由图1所示，一种石化装置弯管部位多相流腐蚀特征参数的测量方法，包括以下步骤：

S1，获取弯管的折弯处的内、外两侧的压力分别为p_i、p_o。

S2，已知弯管的公称直径即弯管内径为d，折弯处的曲率半径即弯曲半径为R，折弯处的任一流体质点的曲率半径为r，根据p_i、p_o、d、R、r计算出折弯处曲率半径为r的流体质点的线速度，即曲率半径为r的折弯处的流速u_r。

步骤S2中：

根据伯努利方程即理想流体定常流动的动力学方程：

p/ρ+g·z+u²/2＝C₁； (1)

其中，p表示流体的压力；ρ表示流体的密度；g表示重力加速度；z表示所考察流体质点的笛卡尔坐标，z取值为流体质点的曲率半径时，将z改写r；C₁为常量；u表示流场内任一流体质点的流速；

针对弯管中的多相流，由于弯管的折弯处的内、外两侧的曲率半径不一样，故弯管的折弯处的内、外两侧的压力和流速不一样，且有：

(p_i-p_o)/ρ_m＝(u_o ²-u_i ²)/2； (2)

其中，p_i、p_o分别为弯管的折弯处的内、外两侧的压力；u_i、u₀分别为弯管的折弯处的内、外两侧流体的流速；ρ_m为多相流的混合物密度；

假设多相流流场中各介质混合之后的状态为自由涡，流场任意横截面处的流体质点的流速与流体质点的曲率半径成反比，即某流体质点的曲率半径为r，该曲率半径r处所对应的流体质点的流速为u_r，u_r·r＝C₂，C₂为常量；

弯管的折弯处的内侧的流体质点的曲率半径r_i＝R-d/2，即流速为u_i的流体质点的曲率半径r_i＝R-d/2；

弯管的折弯处的外侧的流体质点的曲率半径ro＝R+d/2，即流速为u₀的流体质点的曲率半径r_o＝R+d/2；

根据u_r·r＝C₂，将u_i和u_o分别表示为u_r的函数：

联立式(2)即(p_i-p_o)/ρ_m＝(u_o ²-u_i ²)/2和

可得：

S3，令u_r＝K，对K进行二重积分，即可算得弯管的折弯处中任一横截面S的流量Q，从而得出折弯处横截面S的流量Q与折弯处的内外侧压力差(p₀-p_i)的关系表达式即折弯处流量-压差表达式：

对式(2)、(3)进行联立可得：

其中，A为弯管形状系数，

本实施例中，弯管的折弯角度为90°；

(p_o-p_i)即为折弯处的内外侧压力差；ρ_m为多相流的混合物密度；Q为折弯处横截面S的流量的理论值；

S4，结合仪器仪表监测得到的折弯处的内外侧压力差，以及仪器仪表监测或数值模拟得到的折弯处横截面的介质流量或弯管内介质的各组分比例，给出弯管内为多相流的折弯处流量-压差表达式的修正系数λ；修正系数λ为依赖于不同工况下的实测数据，可根据各类工况下的修正系数λ建立数据库；

得到弯管内为多相流的折弯处流量-压差表达式为：

Q′为弯管内介质为多相流时的折弯处横截面的流量的实测值，即折弯处横截面S的多相流流量的实测值；

利用折弯处的内外侧压力差(p_o-p_i)、多相流的混合物密度ρ_m得出折弯处横截面S的流量的理论值Q，并且实际工况下还能采集到即测量到弯管的折弯处的介质流量的实测值Q′，即可按照Q′＝λQ得到修正系数λ；

S5，若已知弯管内上游的多相流的各组分比例，则根据弯管内上游的多相流的各组分比例，根据折弯处流量-压差表达式和修正系数λ，以及根据测量得到的折弯处的内外侧压力差，即可计算出折弯处横截面的多相流流量，并计算出折弯处的多相流流速；

已知弯管内上游的多相流的各个组分所占比例为x_i，即x_i为多相流的第i个组分所占比例，

各个组分的密度为ρ_i，即ρ_i为多相流的第i个组分的密度；下标i为第i个组分，i＝1,2,3,…,n，n为多相流的组分种类数量；

本发明中，i＝1、2、3，分别对应气、水、油三种介质。另外，石化装置中，由于油品的密度较高，接近水的密度，且液相的水和油与气相介质间存在明显界面，因此，可将本发明中的多相流的组分分为液相和气相两类；

对弯管内上游的多相流的各个组分进行加权得到多相流的混合物密度ρ_m为：

根据测量得到的折弯处的内外侧压力差(p₀-p_i)和多相流的混合物密度ρ_m，以及根据折弯处流量-压差表达式式和修正系数λ，计算得出折弯处横截面的多相流流量Q′；

利用折弯处横截面的多相流流量Q′除以横截面积，计算出折弯处的多相流流速；

S6，若已知折弯处横截面的多相流流量或已知折弯处的多相流流速，则根据折弯处横截面的多相流流量或折弯处的多相流流速，根据折弯处流量-压差表达式和修正系数λ，以及根据折弯处的内外侧压力差，计算出弯管内多相流的各组分比例；

已知折弯处横截面的多相流流量Q′，并根据测量计算得到的折弯处的内外侧压力差(p₀-p_i)，以及根据折弯处流量-压差表达式和修正系数λ，计算得出多相流的混合物密度ρ_m；根据多相流的混合物密度ρ_m和多相流的各个组分的密度ρ_i，以及

计算得出折弯管内多相流的各个组分的所占比例x_i；

已知折弯处的多相流流速，对折弯处的多相流流速进行二重积分得出折弯处横截面的多相流流量Q′，并根据测量得到的折弯处的内外侧压力差(p₀-p_i)，以及根据折弯处流量-压差表达式和修正系数λ，计算得多相流的混合物密度ρ_m；根据多相流的混合物密度ρ_m和多相流的各个组分的密度ρ_i，以及

计算得出折弯管内多相流的各个组分的所占比例x_i。

本发明应用范围较广，可适用于多种石化装置多相流多种结构形式管道的腐蚀特征参数测量，也可适用于单相流介质的压差/流量测量，多种结构形式管道包括但不限于弯管。本发明可面向现有主流监测设备提供测量算法，为开发智能型监测设备提供技术支撑和依据。本发明可准确获取石化装置，尤其存在铵盐流动腐蚀关键部位的腐蚀特征参数，提高装置运行的可靠性与完整性。

实施例一：

根据某石化企业加氢装置，对其空冷器出口弯管工况进行讨论，该空冷器共4台，出口管道分布如图3所示。其中，选取A101 A出口弯管即图3中圈出部分，对其进行分析。管道中操作压力为11.2MPa，介质温度约为50℃。根据管道的几何尺寸，建立几何模型，所分析弯管的公称直径即内径d＝150mm，折弯处的曲率半径即弯曲半径R＝225mm。

本实施例中采用数值模拟分析的方法进行分析讨论，数值模拟分析是以计算机运算为主要方式，通过数值结算和图像显示等途径，对各类问题展开研究，尽管数值模拟分析不能完全取代实际的检验检测，但仍可有效获取相关物理化学参数，且减少了工程实践的盲目性。

本实施例中，由图4所示，根据A101 A出口弯管的流场进口DN150管段的左右两侧管段的数值模拟分析结果对本发明提出方法的应用效果和准确性进行验证。

按企业提供的工艺设计参数，设置进口边界条件，进口边界条件和多相流的各组分物性参数如表1所示：

表1

表1中数据可以核算出，进口处的初始多相流流量Q＝54.5m³/h，单位换算后计为0.0151m³/s，多相流的混合物密度ρ_m＝580.9kg/m³，动力粘度μ_m＝0.002976Pa·s，以上为管道的进口边界条件；

基于管道的进口边界条件和核算数据进行数值模拟分析，当数值分析结果收敛时，得到管道全场范围的压力值由图5所示。

由图5a所示，当数值模拟结果收敛时，流场进口DN150管段的左右两侧管段的折弯处因介质流动产生的压力值即非操作压力值基本一致，且左右两侧管段的折弯处的内侧压力约为1400Pa，外侧压力约为2000Pa。

本实施例中，为更好地考察压力变化，根据左右两侧管段区域的分析结果，各截取一段与弯头成45°的区域，由图5b、5c所示，考察在这一截取段内压力值的变化。

由图6a、6b所示，分别为左侧管段和右侧管段的内径点至外径点处的压力值变化曲线图；其中，x轴表示管道从内弯至外弯的曲率半径值，因取值范围只局限于管道内部，故x轴的范围在0～150mm；y轴表示压力值P；

左侧管段的内径点至外径点处的压力值变化曲线的表达式为：

P_left＝0.045x²-0.0018x+1435.8；

右侧管段的内径点至外径点处的压力值变化曲线的表达式为：

P_right＝0.045x²+0.1485x+1419.6。

根据折弯处的压力值变化曲线以及介质密度ρ_m，按照折弯处流量-压差表达式即式(5)，可计算得出左侧管段的折弯处横截面的多相流流量的理论值Q_left＝9.1×10^-3m³/s，右侧管段的折弯处横截面的多相流流量的理论值Q_right＝8.6×10^-3m³/s，左侧管段的折弯处横截面的多相流流量略高，但两侧均接近0.009m³/s；再通过截取数值分析得出的多相流流量的实测值，左侧管段的折弯处横截面的多相流流量的实测值Q′_left约为0.0184m³/s，右侧管段的折弯处横截面的多相流流量的实测值Q′_right约为0.0182m³/s，同样是左侧管段的折弯处横截面的多相流略高；由此，可得出修正系数λ约2.05。

另外，根据折弯处流量-压差表达式，还可计算得出，左侧管段的折弯处多相流的混合密度约为228.5kg/m³，右侧管段的折弯处多相流的混合密度约为229.5kg/m³，取多相流的混合密度ρ_m＝230kg/m³。

本实施例中，若按气液两种组分，则气相介质ρ₁＝24.85kg/m³，液相包含油、水，但密度接近，可取二者平均值ρ₂＝944kg/m³；于是，可以估算出气相介质的组分比约

根据数值分析结果，气相介质体积比由图8a、8b所示，分别为左侧管段和右侧管段的内径点至外径点处的气相相率变化曲线图；其中，x轴表示管道从内弯至外弯的相对曲率半径值(内弯为0，外弯为150mm)，因取值范围只局限于管道内部，故x轴的范围在0～150mm；y轴表示气相相率vapor；

左侧管段的内径点至外径点处的气相相率变化曲线的表达式为：

vapor_left＝-3×10⁸x⁴+4×10^-6x³-9×10^-5x²+0.004x+0.6961；

右侧管段的内径点至外径点处的气相相率变化的表达式为：

vapor_right＝-2×10⁸x⁴+1×10^-6x³-4×10^-5x²+0.0021x+0.7091。

相关区域的气相介质体积比约0.86，公式计算结果同数值模拟基本一致。由此，弯头处的气相体积比在0.8左右。根据API RP A《加氢裂化反应器流出物空冷系统腐蚀研究》、API RP B《加氢反应流出物空冷系统腐蚀控制的设计、选材、制造、操作及检查指导方针》是美国标准。如需强调我国自主知识产业，可改为《中国石化<炼油工艺防腐蚀管理规定>实施细则(第二版)》。当气相介质所占比例较高时，气相介质中的NH₃等腐蚀性气体的分压也会更高，由此可造成平衡常数值K_p偏大，生成过量铵盐腐蚀弯管。

本实施例中的该石化企业加氢装置中，该弯管的右侧管段确于2019年发生过泄漏，且经有关技术机构展开失效分析的结论，造成该部位泄漏的腐蚀机制也确为铵盐腐蚀。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种石化装置弯管部位多相流腐蚀特征参数的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，测量获取弯管的折弯处的内侧压力p_i和外侧压力p_o；

S2，已知弯管的公称直径为d，折弯处的曲率半径即弯曲半径为R，折弯处的任一流体质点的曲率半径为r，根据p_i、p_o、d、R、r计算出折弯处曲率半径为r的流体质点的线速度，即曲率半径为r的折弯处的流速u_r；

S3，对u_r进行二重积分得出折弯处横截面的流量，从而得出折弯处横截面的流量与折弯处的内外侧压力差的关系表达式即折弯处流量-压差表达式；

S4，结合监测数据，给出弯管内介质为多相流的折弯处流量-压差表达式的修正系数λ；所述监测数据包括：折弯处的内外侧压力差，以及折弯处横截面的介质流量或弯管内介质的各相态组分比例；

S5，若已知弯管内多相流的各相态组分比例，则根据多相流的各相态组分比例，根据折弯处流量-压差表达式和修正系数λ，以及根据折弯处的内外侧压力差，估算出折弯处横截面的多相流流量，计算出折弯处的多相流流速；

S6，若已知折弯处横截面的多相流流量或已知折弯处的多相流流速，则根据折弯处横截面的多相流流量或折弯处的多相流流速，根据折弯处流量-压差表达式和修正系数λ，以及根据折弯处的内外侧压力差，估算出弯管内多相流的各组分比例；

步骤S2中，曲率半径为r的折弯处的流速u_r的计算表达式：

其中，ρ_m为多相流的混合物密度；

步骤S3中，对u_r进行二重积分得出折弯处横截面的流量，得出折弯处横截面的流量与折弯处的内外侧压力差的关系表达式即折弯处流量-压差表达式为：

其中，Q为折弯处横截面的流量的理论值；(p₀-p_i)即为折弯处的内外侧压力差；ρ_m为多相流的混合物密度；A为弯管形状系数；

步骤S4中，弯管内介质为多相流时的折弯处流量-压差表达式存在修正系数λ，即，弯管内为多相流的折弯处流量-压差表达式为：

其中，Q′为弯管内介质为多相流时的折弯处横截面的流量的实测值，即折弯处横截面的多相流流量的实测值；

利用折弯处的内外侧压力差(p_o-p_i)、多相流的混合物密度ρ_m得出折弯处横截面S的流量的理论值Q，以及实际工况下测量得到弯管的折弯处的介质流量的实测值Q′，按照Q′＝λQ得到修正系数λ；

步骤S5中，已知多相流进入管道前各个组分所占体积比为x_i，满足

i＝1,2,3，分别对应气、水和油三种介质；各个组分密度为ρ_i，对各组分密度进行加权平均则可得到多相流混合物密度

石化装置中，因为油品密度较高，接近水，且液相的水和油与气相介质间存在明显界面，因此，可将上式近似为线性方程组求解，即：

和

根据测量计算得到的折弯处的内外侧压力差(p_o-p_i)和多相流混合物密度ρ_m，以及根据弯管内为多相流的折弯处流量-压差表达式并结合修正系数λ，即可计算得出折弯处下游截面的多相流流量Q′，并根据实测流量Q′除以截面积，计算出折弯处下游的流速；

步骤S6中，若测得折弯处多相流流量Q′，并根据测量计算得到的折弯处的内外侧压力差(p_o-p_i)，以及根据弯管内为多相流的折弯处流量-压差表达式，即可计算得出多相流混合物密度ρ_m，再根据

即可估算得出折弯处气相介质的体积比。

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