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计算流体力学在石化企业腐蚀防护中的应用现状

文档作者：叶福相１２师春杨１２赵延龙３汤锋１郭金彪１２文档来源：１．浙江石油化工有限公司２．浙石化（自贸区）绿色石化研究院有限公司３．中国石油天然气管道工程有限公司		更新日期： 2026年06月13日	点击数：
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上一篇：浅析储油罐防腐的施工方法及控制途径

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专论石油化工腐蚀与防护ＣＯＲＲＯＳＩＯＮ＆ＰＲＯＴＥＣＴＩＯＮＩＮＰＥＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ ２０２４年第４１卷第１期
引用格式：叶福相，师春杨，赵延龙，等．计算流体力学在石化企业腐蚀防护中的应用现状［Ｊ］．石油化工腐蚀与防护，２０２４，４１（１）：
２０２４．　　ＹＥＦｕｘｉａｎｇ，ＳＨＩＣｈｕｎｙａｎｇ，ＺＨＡＯＹａｎｌｏｎｇ，ｅｔａｌ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｔａｔｕｓｏｆｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓｉｎｃｏｒｒｏｓｉｏｎｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｏｆｐｅｔｒｏ
ｃｈｅｍｉｃａｌｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ［Ｊ］．Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ＆ＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎｉｎＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙ，２０２４，４１（１）：２０２４．
计算流体力学在石化企业腐蚀防护中的应用现状
叶福相１，２，师春杨１，２，赵延龙３，汤　锋１，郭金彪１，２
（１．浙江石油化工有限公司，浙江舟山３１６０００；
２．浙石化（自贸区）绿色石化研究院有限公司，浙江舟山３１６０００；
３．中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊０６５０００）
摘要：炼化设备服役工况复杂，由流动介质引起的腐蚀问题频发。计算流体力学（ＣＦＤ）方法
是一种流场数值仿真技术，其成本低、效率高，能提供可靠的流场信息，为设备腐蚀分析和腐蚀防
护措施制定提供科学参考。该文介绍了ＣＦＤ技术的基本原理，概述了其在石化企业腐蚀问题分
析、腐蚀风险与剩余寿命评估、设备参数与运行参数优化以及工艺防腐蚀措施优化等方面的应用
现状，并对ＣＦＤ技术的优势和不足进行了讨论。
关键词：石油化工；腐蚀防护；计算流体力学；流场分析
收稿日期：２０２３０７１８；修回日期：２０２３０８２３。
作者简介：叶福相（１９９６—），硕士，主要从事化工设备腐蚀
防护和流动介质腐蚀性分析等方面的研究工作。Ｅｍａｉｌ：
ｙｅｆｕｘｉａｎｇ＠ｆｏｘｍａｉｌ．ｃｏｍ
　　石化企业产能密集、工艺复杂，做好炼化装置
腐蚀防护是保证企业安全生产和长周期运行的首
要任务［１］。由于炼化设备在复杂流动工况下服
役，容易发生腐蚀，导致装置发生安全事故和非计
划停工。某石化企业２０２２年１０月测厚数据显
示，全厂炼化设备发生严重腐蚀的部位（腐蚀速
率＞０．５ｍｍ／ａ）共计２１０处，其中位于弯管、阀
门、三通和变径部位等局部流态复杂位置的共有
１５８处，占比超过７５％。
在流动介质中，设备腐蚀除与介质成分直接
相关外，还与局部物相分布、流速、湍流强度和壁
面剪切应力等流场参数密切相关［２］。然而，传统
的腐蚀检测、流量检测和压力测试等手段均无法
对设备内流体的流动特征进行研究，这导致腐蚀
事故分析时，流场因素的影响往往被一笔带过。
近年来随着计算机仿真技术的快速发展，一些企
事业单位开始关注计算流体力学（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ
ＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ，ＣＦＤ）等仿真手段在腐蚀防护领
域中的应用。这类技术手段不仅应用成本低，而
且能适应多种复杂介质环境下的流场分析，为石
化企业腐蚀防护提供了新的思路和实践经验［３］。
该文对计算流体力学的技术原理以及其应用现状
进行了概述。
１　ＣＦＤ技术原理及其应用
ＣＦＤ技术的本质是对物质流动和能量传递
过程的数值描述。目前主流的仿真方法是基于连
续介质模型假设，在给定工况条件下，对离散化的
流场控制方程进行代数求解。对不可压缩黏性流
体而言，在给定边界条件下，其计算域内的压力和
流速分布可以通过求解离散化的ＮＳ方程获得，
温度分布可通过能量方程解得。
由于石化行业工艺介质复杂、相变频繁，简单
的单相流仿真结果在许多工况下与实际情况相去
甚远，因此需要引入多相流仿真理论与假设。目
前主流的多相流仿真方法可分为两大类，一类为
欧拉欧拉方法，另一类为欧拉拉格朗日方法。
其中欧拉欧拉方法将不同物相处理成互相贯穿
的连续介质，而欧拉拉格朗日方法则将流体视为
连续相，将颗粒和气泡视为离散相。这两类方法
都有各自适用的仿真领域，并已经衍生出针对气
固、气液、液固和气液固等不同介质环境的诸多计
算模型。常见的流体体积模型（ＶｏｌｕｍｅｏｆＦｌｕｉｄ，
ＶＯＦ）、混合物模型（ＭｉｘｔｕｒｅＭｏｄｅｌ，ＭＭ）和欧拉模
型（ＥｕｌｅｒｉａｎＭｏｄｅｌ，ＥＭ）等多相流模型，均在单相
流控制方程基础上增加了对不同物相性质差异和
作用关系的描述，其中流体体积模型和混合物模
型在石化企业流场分析中应用较为广泛。
２０
　　
第１期叶福相，等．计算流体力学在石化企业腐蚀防护中的应用现状专论
目前ＣＦＤ仿真软件主要有Ａｎｓｙｓ，Ｃｏｍｓｏｌ和
Ｏｐｅｎｆｏａｍ等软件，张宏飞等［４］对这一技术在腐蚀
领域应用的具体流程进行了相关说明，流程一般
包括几何模型建立、网格划分、物性参数设置、边
界条件设置、计算模型建立以及求解器参数设置
等步骤。ＣＦＤ流场仿真通过提供合理的介质流
速、温度、压力和剪切应力等量化参数，对于认识
和解决流动介质中的腐蚀问题有很大助益。ＣＦＤ
在石化企业的应用场合很多，主要包括腐蚀问题
分析、腐蚀风险与剩余寿命评估、设备参数和运行
参数优化以及工艺防腐蚀措施优化等方面，并已
经在实际应用中取得了许多成功案例。
２　ＣＦＤ在腐蚀防护中的具体应用
２．１　腐蚀问题分析
发现和分析腐蚀现象是应对腐蚀问题的首要
环节，也是合理开展防腐蚀工作的基础。
ＣＦＤ技术能根据具体设备条件和运行工况
模拟内部流场，通过提供可视化的流场信息来帮
助专业技术人员发现腐蚀问题，并进行腐蚀类型
判断和失效机理分析。通过ＣＦＤ技术发现的腐
蚀问题主要包括流动加速腐蚀、冲刷腐蚀、汽蚀以
及一些低流速区域可能存在的腐蚀性介质浓缩造
成的腐蚀等问题。在２Ｍｔ／ａ连续液相柴油加氢
装置中，陈志静等［５］通过ＣＦＤ技术，对加热炉出
口到反应器进口之间管段的局部腐蚀进行了分
析，发现在弯头内侧和三通交汇口附近等管道变
形位置介质流速较高，切应力较大，因冲刷腐蚀导
致局部腐蚀严重。
除了用于管道腐蚀分析之外，ＣＦＤ也在换热
器和空冷器等设备的腐蚀分析中应用广泛，尤其
是当设备中的一些介质发生相变时，ＣＦＤ能预测
相变发生位置和物相分布情况，有利于结盐问题
和露点腐蚀问题分析。赵学俭［６］对一台管壳式
换热器内的流速、压力、温度和物相分布进行了
ＣＦＤ仿真分析，发现壳程气相中的水分在该换热
器的中部发生相变，生成了液态水，气相中的ＣＯ２
和Ｈ２Ｓ溶解在水中后，形成了酸性腐蚀环境，使
得对应筒体位置发生了严重腐蚀。
２．２　腐蚀风险与剩余寿命评估
数值分析方法（ＮｕｍｅｒｉｃａｌＡｎａｌｙｓｉｓＴｅｃｈ
ｎｉｑｕｅ，ＮＡＴ）被美国石油协会（ＡｍｅｒｉｃａｎＰｅｔｒｏｌｅｕｍ
Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＡＰＩ）列为设备损伤评估最精确的方法。
ＣＦＤ作为一种数值分析方法，在腐蚀风险和剩余
寿命评估中的应用也广受关注。目前，ＣＦＤ技术
主要从腐蚀问题预测和腐蚀速率计算两个方面来
完善设备腐蚀风险和剩余寿命评估。
腐蚀问题预测可以依据流速、压力和物相分
布等特征参数进行。一般情况下，流速较大的部
位容易发生流动加速腐蚀、冲刷腐蚀和汽蚀；流速
较小和静压力较大的部位容易形成流场死区，会
因为结垢和腐蚀介质浓缩导致局部穿孔。因此，
通过ＣＦＤ识别的特殊流动区域即可视为可能存
在腐蚀问题的高风险区域，技术人员应针对这些
区域进行腐蚀排查和防腐蚀策略优化等相关工
作。如蔡建平［７］在对某常减压蒸馏装置常顶管线
进行流场仿真后，结合腐蚀检测技术对该段管线腐
蚀情况进行了重点排查，共发现管段１７处壁厚减
薄超过１．５０ｍｍ，最大的壁厚减薄达５．９０ｍｍ，超
过管道壁厚的４５％。由此可见，这种基于流场特
征分析的腐蚀预测模式，能为现场腐蚀检测提供
科学有效的指导，提高检测效率，减少因盲目检测
而造成的资源浪费等问题。
在ＣＦＤ流场分析的基础上，结合风险评估手
册或经验公式进行腐蚀速率计算［８］。通过ＣＦＤ
计算可以得到设备表面切应力和流速梯度等特征
参数，再结合经验公式可进行冲刷腐蚀速率和设
备极限载荷计算以及剩余寿命评估；同样，通过
ＣＦＤ仿真可对流体分布进行可视化研究，如对某
油气空冷器内气相和液相两相分布进行ＣＦＤ仿
真，并根据经验公式对其腐蚀速率进行计算，在与
实际设备腐蚀情况对照后，发现仿真计算得到的
结果与实际情况大致吻合。
２．３　设备参数和运行参数优化
２０１８年１２月，某石化企业蜡油加氢装置低
压分离器三通发生泄漏，随后将其更换成无缝三
通后再次出现泄漏。技术人员通过Ｆｌｕｅｎｔ软件模
拟该处流场，流场模拟结果见图１，从图１可以发
现，由于上方支管流速较低，三通内部出现涡流，
引发了局部的冲刷腐蚀［９］。之后将支管的管径
缩至３６ｍｍ，支管流速从０．０１２ｍ／ｓ增大至０．１００
ｍ／ｓ，此时涡流消除，该段管线再未出现泄漏。
刘伟等［１０］通过ＣＦＤ仿真对加氢裂化装置空
冷器管束进行了流场分析，发现管束尾部的直角
结构使流体在此处产生涡流，加速了流体对此处
的冲刷破坏。之后通过结构设计优化，将尾部管
道直角结构改为４５°倒角或１∶１０锥度过渡结构
后，流场扰动均大幅度减弱，降低了腐蚀风险。
２１
　　
专论石油化工腐蚀与防护２０２４年第４１卷
图１　低压分离器三通流场模拟结果
　　工艺参数优化、运行参数优化和设备结构改
造是石化企业主动防腐的重要思路，通过仿真技
术提供流场信息，可为设备参数和运行参数的优
化提供指导。在装置设计制造阶段，虽然可以通
过参考设备和管道设计选材导则来规避诸多腐蚀
风险，但这仍不足以应对复杂的实际情况。即使
设备材质符合选材规范，湍流脉动和涡流等局部
流场特征也会加速其腐蚀破坏。在炼化设备数量
庞大的情况下，要发现并削弱这些流场特征引起
的腐蚀侵害，ＣＦＤ仿真技术是经济可行的方法。
采用ＣＦＤ仿真技术能够模拟设备流场，得到流
速、压力和温度等各种物性参数，并分析其腐蚀相
关性，在满足生产需求的前提下，对设备参数和运
行参数进行优化。
２．４　工艺防腐蚀措施优化
“一脱三注”（电脱盐、注水、注中和剂和注
缓蚀剂）无疑是石化企业最常见的工艺防腐蚀
措施，同时也是石化设备主动防腐的重要组成
部分。
电脱盐是炼油厂原油处理的第一道工序，主
要通过强电场、水和破乳剂的共同作用将盐分从
原油中洗出，从而降低其对后续加工装置的腐蚀
风险。电脱盐的脱盐效果与内部电场和流场设计
密切相关［１１］。在重质原油电脱盐研究中，张孟
奇［１２］对电脱盐罐内部流场进行了ＣＦＤ仿真分
析，发现鼠笼式结构设计存在缺陷，其入口流场扰
动较大且部分乳化液未流经电场区，从而导致鼠
笼式电脱盐罐整体脱盐效果不佳；交直流电脱盐
罐下进上出的脱盐模式虽然规避了乳化液不流经
电场的问题，但由于局部流速较大，会形成涡流，
容易造成切水带油；为了提高脱盐效果，采用二次
布液形式对电脱盐罐进行了结构优化，其流场仿
真结果见图２。
图２　电脱盐罐内部流场仿真结果
从图２可知，由于加装了二次布液槽，有效地
减轻了油水乳化液的冲击，极板中心区域流场十
分稳定，仅在罐体两端存在涡流。该设计对静电
聚结效果影响较小，油水界面稳定，有效地保证了
脱盐效率。
炼化装置的“三注”工艺主要通过注水、注中
和剂和注缓蚀剂的方式来缓解设备腐蚀，在注剂
点、注水点位置分布和喷嘴设计等方面均能通过
ＣＦＤ进行相应的仿真分析和设计优化［１３］。某常
减压蒸馏装置常压塔出口管线减薄严重，尹志刚
等［１４］通过ＣＦＤ软件对该处管线的多相流腐蚀环
境进行了研究，发现该处管线液相分布较少，腐蚀
介质浓缩使得部分弯头腐蚀严重。之后通过在管
线入口加注缓蚀剂、增设注水点及提高注水量等措
施，成功地将腐蚀速率由原来的０．９１～１．８８ｍｍ／ａ
降至０．０２ｍｍ／ａ。
显然，“一脱三注”工艺如果设计不当，将无
法达到预期的工艺防腐蚀效果，甚至可能会因自
身引起的流场变化导致局部流体流动加速，促进
腐蚀和冲蚀等问题的发生［１５］。因此，在石化企业
通过ＣＦＤ考察工艺防腐蚀措施的合理性是有益
的且行之有效的。
２２
　　
第１期叶福相，等．计算流体力学在石化企业腐蚀防护中的应用现状专论
３　结　论
目前，ＣＦＤ作为仿真测试手段已经在石化企
业的腐蚀防护工作中得以应用，并获得了诸多认
可。但现阶段ＣＦＤ仿真技术人员对现场腐蚀问
题仍缺乏仿真经验；仿真结果与实际情况存在较
大偏差，需要进行验证；计算模型仍然需要进行修
正与后续开发。虽然现阶段ＣＦＤ在应用中仍存
在一些问题，但随着ＣＦＤ在石化行业中的普及与
发展，这些问题正在逐渐得到解决。近年来，一
些学者已经成功地耦合了介质流动、化学反应
和传质等过程的控制方程，对流动系统中的腐
蚀电位和腐蚀电流密度等电化学腐蚀参数进行
求解。这些研究成果均有助于腐蚀问题的解
决，也进一步显现出ＣＦＤ在腐蚀研究和防腐蚀
领域应用的巨大潜力。
综上所述，在流场仿真技术不断发展和日益
成熟的背景下，ＣＦＤ技术在石化企业腐蚀防护工
作中的成功应用，为企业腐蚀问题分析、腐蚀风险
评估、防腐蚀策略制定以及工艺参数优化提供了
科学参考和新的视角。
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Ｚｈｏｕｓｈａｎ３１６０００，Ｃｈｉｎａ；
３．ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＰｉｐｅｌｉｎｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｌａｎｇｆａｎｇ０６５０００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｒｅｆｉｎｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｒｅｃｏｍｐｌｅｘ，ｗｈｅｒｅｔｈｅｆｌｏｗｉｎｄｕｃｅｄｃｏｒｒｏｓｉｏｎｓｏｃｃｕｒｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙ．Ｃｏｍ
ｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ（ＣＦＤ）ｉｓａｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｆｌｏｗｆｉｅｌｄｓｔｈａｔｉｓｃｏｓｔｅｆｆｅｃｔｉｖｅａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｔ．Ｉｔｃａｎ
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ｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅｍｅｒｉｔｓａｎｄｄｅｍｅｒｉｔｓｏｆＣＦＤｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｉｎｄｕｓｔｒｙ；ｃｏｒｒｏｓｉｏｎｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓ；ｆｌｏｗｆｉｅｌｄａｎａｌｙｓｉｓ
（上接第１５页）
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｔｕｄｙｏｎｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｃｏｒｒｏｓｉｏｎｄｅｆｅｃｔｓｏｎ
ｃａｔｈｏｄｉｃｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｆｏｒｔａｎｋｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ
ＷＥＩＬａｉ１，ＺＨＡＯＹａｚｈｏｎｇ２
（１．ＣＮＯＯＣＴｅｃｈｎｉｃａｌＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔｉａｎｊｉｎ３００４５２，Ｃｈｉｎａ；
２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏｒｔｈｅａｓｔＰｅｔｒｏｌｅｕｍＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，
Ｄａｑｉｎｇ１６３３１８，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｎｋｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓｗｅｒｅｃｏｎｓｔａｎｔｌｙｅｘｐｏｓｅｄｔｏｃｏｒｒｏｓｉｖｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ，ｗｈｉｃｈｃａｎｅａｓｉｌｙｌｅａｄｔｏｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｃｏｒｒｏ
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ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔａｎｋｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ；ｃｏｒｒｏｓｉｏｎｄｅｆｅｃｔｓ；ｃａｔｈｏｄｉｃｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｒｅｓｉｄｕａｌｌｉｆｅ
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