CN100485361C - 环道式多相流冲蚀试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的是一种环道式多相流冲蚀试验装置。其中包括：气、油、水三相分离罐及三相的管道循环系统，即三相分离罐顶部出口、冷却器、旋风分离器、循环气螺杆压缩机至管道过滤器前的气相系统，三相分离罐中部出口、柴油磁力传动泵、加热器至管道过滤器前的油相系统，三相分离罐底部出口、污水计量泵、加热器至管道过滤器前的水相系统；三相混合后经管道过滤器、待测试件测试平台与三相分离罐相联。本发明可以模拟三通、弯管、大小头、衬管等实际管道配件的冲蚀研究案例，进行气、油、水多相流冲蚀破坏瞬态特性预测研究。

Description

环道式多相流冲蚀试验装置

技术领域

本发明涉及冲蚀试验装置，具体地说是涉及一种环道式多相流冲蚀试验装置。

背景技术

流体管道是在一定温度、压力条件下输送流体的特种设备。随着经济技术的发展，人们越来越重视管道在运输中所起的作用，如今它已成为与公路、铁路、水运和航空并列的五大运输方式之一，广泛应用于西气东输、城市燃气管网、石油化工装置等流体输送及系统工程。

近年来，在石油化工领域随着重质、含硫原油的加工比例不断增加，石化工业管道及管束型的设备(换热器、空冷器等)冲蚀失效较为常见，例：加氢反应流出物空冷器(REAC)失效的事故日益突出，已成为严重制约加氢裂化装置安全、稳定、长周期运行的重要障碍，如不采取相应的技术措施和对策，我国炼油行业将会面临越来越严峻的设备腐蚀及安全问题。

石化工业管道失效的形式多样，机理复杂，如材料缺陷、各种形式的腐蚀、蠕变、外力破坏等，其中冲蚀破坏引起的腐蚀失效在管道系统破坏中最为常见，它是材料受冲刷和腐蚀综合作用的过程。冲蚀破坏具有明显的局部性、突发性、破坏性和风险性，特别在含油、气、水、各种腐蚀性介质的多相流作用下，更容易引起冲蚀穿孔，而且情况复杂，很难预测它的发生，这已成为困扰流体管道安全运行的关键技术问题，日益引起人们的关注。

针对目前石油化工、天然气输送领域存在的管道堵蚀或冲蚀问题，为了从更深层次上进一步研究工业管道的失效机理，一些科研院所及大专院校设计了一系列的冲蚀试验装置，通过试验研究手段来研究工业管道的失效机理，以期应用于工程实际，提高工业管道系统的稳定性。但目前已有的冲蚀试验装置存在的不足主要在于：

(1)实际工程应用中工业管道的冲蚀失效往往是腐蚀与多相流动耦合作用的结果，但目前已存在的试验装置大多只能模拟单相流工况下的冲刷腐蚀过程，难以从根本上研究工业管道的冲蚀失效。

(2)常规的测试方法通常通过称重和测厚的方法测试冲蚀速率，无法实现工业管道冲蚀破坏的临界值的瞬态特性研究。

(3)目前我国进行冲蚀试验的机理研究不够深入，相关设备的测试方法与实际的工况差距很大，实验结果难以推广工程应用。

因此设计一套能够模拟实际工况的环道式多相流冲蚀试验装置，能对冲蚀机理研究、数值仿真计算的结果进行检验，为冲蚀预测的工程应用推广奠定基础。

发明内容

针对国内外冲蚀试验装置存在的不足，本发明的目的在于提供一种环道式多相流冲蚀试验装置，适合于腐蚀与流动耦合作用的冲蚀机理、流体动力学的仿真分析、保护膜临界特性冲蚀试验研究及工程应用推广等完整的研究体系。能模拟工业环境中的实际工况条件，适合三通、弯管、大小头、衬管等多种结构的冲蚀测试，实时检测材料冲蚀破坏瞬态特性的冲蚀试验装置。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种环道式多相流冲蚀试验装置：包括污水计量泵、三相分离罐、旋风分离器、冷却器和循环气螺杆压缩机、管道过滤器、加热器、柴油磁力传动泵；其中污水计量泵出口端分为两个支路，主支路依次与第一流量计、第一单向阀串联接到加热器进口，次支路经第一闸阀接三相分离罐下部；垫液线进口经第二闸阀分别接污水计量泵的进口和经第三闸阀接三相分离罐底部；三相分离罐顶部出口依次与第一压力控制阀、冷却器、旋风分离器上部接循环气螺杆压缩机的进口连接，循环气螺杆压缩机的出口分为两路，一路经第四闸阀与第二单向阀联接，另一路经第五闸阀、第一温度控制阀与第二单向阀进口联接；第二单向阀出口分为两个支路，主支路经第二流量计接加热器出口，次支路经第一流量控制阀分别接三相分离罐的破沫网上部和经第二压力控制阀接废气排放口；其中第二单向阀主支路的第二流量计之前通过第六闸阀与一个氮气进口相联；三相分离罐的破沫网下端设两个进口，一个出口，出口经第七闸阀接柴油磁力传动泵的进口；柴油磁力传动泵的出口分为两路，一路经第三单向阀、第三流量计、第二流量控制阀接加热器进口，另一路通过第八闸阀与三相分离罐中部第一进口相联；加热器出口依次与管道过滤器和待测试件进口相联；待测试件出口经第四流量计、第三流量控制阀、金属软管和回流管道相联，回流管道接三相分离罐中部第二进口，待测试件的另一出口经第五流量计、第四流量控制阀和回流管道相联。

所述的三相分离罐上部气相与中部油相之间设有破沫网，破沫材料为不锈钢；中部油相与下部水相之间设液位计；三相分离罐下部至底部设界位计，三相分离罐顶部增设安全阀。

所述的旋风分离器由两部分组成，上部为分离罐，下部为压力罐，中部通过管道连通阀联接；分离罐下部增设液位报警装置，压力罐顶部开一氮气进口，压力罐底部经第九闸阀接三相分离罐下部。

所述的待测试件采用三通、弯管、大小头、衬管结构，试件材料为碳钢。

所述的三相分离罐中的三相为气相、油相、水相，即分别为氮气、柴油、含硫污水。

本发明具有的有益效果是：采用电化学测试系统可以模拟多相流管道典型管件实现冲蚀破坏的瞬态特性测试，包括保护膜冲蚀破坏的临界特性及超过临界值以后的实际冲蚀速率。采用工控机及流量控制系统可以实现不同流量下(确保多相流组成与实际工况等比例)工作电极保护膜的临界特性测试。采用磁力传动泵和隔膜计量泵可以实现现场零泄漏。螺杆压缩机后冷器前后分两路出口，可以实现气相介质的冷却与加热。采用旋风分离器确保凝缩油分离干净、防止压缩机运行过程中带油，上部的液位报警装置及下部设置氮气压力罐，以确保循环系统的物料平衡。补氮、氮气放空及安全阀的设置是确保三相分离罐的安全及测试工况的稳定。温度控制调节系统通过循环运行可以逼近真实运行工况。过滤器的设置有两个作用，一是确保多相流介质不含腐蚀产物等固体颗粒，同时也能保证多相流介质的雾化均匀。对冲蚀试样的试验过程可以进行流体动力学仿真分析；试验结果可以结合管道系统的仿真分析，推广工程应用。本发明可以模拟工业管道、长输管道以及加氢空冷器管束、换热器管束等一系列实际工程冲蚀失效案例，进行冲蚀破坏的失效研究、冲蚀预测、优化设计、风险检验、安全评估及寿命预测等管道、管束类设备的安全保障技术研究。另外，本发明结构简单，易于推广。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中A的放大图。

图3是三相分离罐结构图。

图中：1、污水计量泵  2、液位计  3、界位计  4、三相分离罐  5、破沫网  6、安全阀  7、氮气进口  8、液位报警装置  9、旋风分离器  10、管道连通阀11、冷却器  12、循环气螺杆压缩机  13、废气排放口  14、氮气进口  15、回流总管　16、金属软管　17、待测试件　18、管道过滤器　19、加热器出口　20、加热器21、加热器进口　22、柴油磁力传动泵　23、垫液线进口

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括污水计量泵1、三相分离罐4、旋风分离器9、冷却器11和循环气螺杆压缩机12、管道过滤器18、加热器20、柴油磁力传动泵22；其中污水计量泵1出口端分为两个支路，主支路依次与第一流量计、第一单向阀串联接到加热器进口21，次支路经第一闸阀接三相分离罐4下部；垫液线进口经第二闸阀分别接污水计量泵1的进口和经第三闸阀接三相分离罐底部；三相分离罐4顶部出口依次与第一压力控制阀、冷却器11、旋风分离器9上部接循环气螺杆压缩机12的进口，其出口分为两路，一路经第四闸阀与第二单向阀联接，另一路经第五闸阀、第一温度控制阀与第二单向阀进口联接；第二单向阀出口分为两个支路，主支路经第二流量计接加热器出口19，次支路经第一流量控制阀分别接三相分离罐4的破沫网上部和经第二压力控制阀接废气排放口13；其中主支路第二流量计之前通过第六闸阀与氮气进口14相联；三相分离罐4的破沫网下端设两个进口，一个出口，出口经第七闸阀接柴油磁力传动泵22的进口；柴油磁力传动泵22的出口分为两路，一路经第三单向阀、第三流量计、第二流量控制阀接加热器进口，另一路通过第八闸阀与三相分离罐4中部第一进口相联；加热器出口19依次与管道过滤器18和待测试件17进口相联；待测试件17出口经第四流量计、第三流量控制阀、金属软管16和回流管道15相联，回流管道15接三相分离罐4中部第二进口。

所述的三相分离罐4上部气相与中部油相之间设有破沫网5，破沫材料为不锈钢；中部油相与下部水相之间设液位计2；三相分离罐下部至底部设界位计3，三相分离罐顶部增设安全阀6。

所述的旋风分离器9由两部分组成，上部为分离罐，下部为压力罐，中部通过管道连通阀10联接；分离罐下部增设液位报警装置8，压力罐顶部开一氮气进口7，压力罐底部经第九闸阀接三相分离罐下部。

所述的待测试件17的另一出口经第五流量计、第四流量控制阀和回流管道15相联。

所述的待测试件17采用三通、弯管、大小头、衬管结构，试件材料为碳钢。

所述的三相分离罐4中的三相为气相、油相、水相，即分别为氮气、柴油、含硫污水。

本发明的工作过程：

安装好冲蚀试验装置，改通试验系统流程，关闭第三闸阀，打开第一、第二闸阀，从垫液线进口23将含硫污水通过污水计量泵1抽到三相分离罐4达到界位计3的60％后停止，再从垫液线进口23改抽柴油进三相分离罐4，抽到液位计2的80％，及时关闭垫液线进口23处第二闸阀；打开第八闸阀，通过氮气进口14将高压氮气压入试验系统，使三相分离罐4表压达到0.2Mpa，关闭第八闸阀。

打开第三闸阀，将污水计量泵1的负荷调节为零，然后启动污水计量泵；打开第七闸阀，关闭第八闸阀和第二流量控制阀，然后启动柴油磁力传动泵22，稍开第八闸阀建立回三相分离罐4的短路循环；关闭旋风分离器9顶部的第一压力控制阀及循环气压缩机12出口端的第四、第五闸阀，控制旋风分离器9的压力接近常压。全开循环气螺杆压缩机12出口的第一流量控制阀，启动循环气螺杆压缩机12，立即打开循环气螺杆压缩机12第四、第五闸阀，及时投用冷却器11前的第一压力控制阀和循环气压缩机12出口的第一流量控制阀，确保旋风分离器9的入口压力为常压。

设置工控机确保水相、油相、气相的比例与实际工况一致。通过含硫污水计量泵1的负荷的增加来调节柴油、氮气的流量控制阀开度，实现三相的等比例提升。按照测试温度的要求调节加热器20的负荷，根据压缩机进口的温度调节冷却器11的负荷。

运行过程中，随着旋风分离器9凝缩油液位的提高，通过液位报警装置8发出报警信号，打开压力罐与分离罐之间的管道连通阀10，将凝缩油自动引入压力罐，关闭连通阀，打开压力罐与三相分离罐4之间的第九闸阀，通过氮气进口7缓慢引入高压氮气将凝缩油压空，关闭氮气进口阀。

测试过程中，对于弯头、大小头、衬管等试件，待测试件出口处第五流量计、第四流量控制阀关闭，待测试件另一出口经第四流量计、第三流量控制阀、金属软管16和回流总管15联接，返回三相分离罐4第二进口。对于三通试件，通过两路流量计及流量控制阀在工控机的控制下实现测试流量的要求。

测试过程中，随着温度的变化系统的温度可能会上升，万一压力控制系统失灵，当三相分离罐4压力超过规定值时，三相分离罐4的顶部安全阀起跳，确保系统安全。

Claims (5)

1、环道式多相流冲蚀试验装置，其特征在于：包括污水计量泵(1)、三相分离罐(4)、旋风分离器(9)、冷却器(11)和循环气螺杆压缩机(12)、管道过滤器(18)、加热器(20)、柴油磁力传动泵(22)；其中污水计量泵(1)出口端分为两个支路，主支路依次与第一流量计、第一单向阀串联接到加热器进口(21)，次支路经第一闸阀接三相分离罐(4)下部；垫液线进口经第二闸阀分别接污水计量泵(1)的进口和经第三闸阀接三相分离罐底部；三相分离罐(4)顶部出口依次与第一压力控制阀、冷却器(11)、旋风分离器(9)上部接循环气螺杆压缩机(12)的进口连接，循环气螺杆压缩机(12)的出口分为两路，一路经第四闸阀与第二单向阀联接，另一路经第五闸阀、第一温度控制阀与第二单向阀进口联接；第二单向阀出口分为两个支路，主支路经第二流量计接加热器出口(19)，次支路经第一流量控制阀分别接三相分离罐(4)的破沫网上部和经第二压力控制阀接废气排放口(13)；其中第二单向阀主支路的第二流量计之前通过第六闸阀与一个氮气进口(14)相联；三相分离罐(4)的破沫网下端设两个进口，一个出口，出口经第七闸阀接柴油磁力传动泵(22)的进口；柴油磁力传动泵(22)的出口分为两路，一路经第三单向阀、第三流量计、第二流量控制阀接加热器进口，另一路通过第八闸阀与三相分离罐(4)中部第一进口相联；加热器出口(19)依次与管道过滤器(18)和待测试件(17)进口相联；待测试件(17)出口经第四流量计、第三流量控制阀、金属软管(16)和回流管道(15)相联，回流管道(15)接三相分离罐(4)中部第二进口，待测试件(17)的另一出口经第五流量计、第四流量控制阀和回流管道(15)相联。

2、根据权利要求1所述的环道式多相流冲蚀试验装置，其特征在于：所述的三相分离罐(4)上部气相与中部油相之间设有破沫网(5)，破沫材料为不锈钢；中部油相与下部水相之间设液位计(2)；三相分离罐下部至底部设界位计(3)，三相分离罐顶部增设安全阀(6)。

3、根据权利要求1所述的环道式多相流冲蚀试验装置，其特征在于：所述的旋风分离器(9)由两部分组成，上部为分离罐，下部为压力罐，中部通过管道连通阀(10)联接；分离罐下部增设液位报警装置(8)，压力罐顶部开另一个氮气进口(7)，压力罐底部经第九闸阀接三相分离罐下部。

4、根据权利要求1所述的环道式多相流冲蚀试验装置，其特征在于：所述的待测试件(17)采用三通、弯管、大小头、衬管结构，试件材料为碳钢。

5、根据权利要求1所述的环道式多相流冲蚀试验装置，其特征在于：所述的三相分离罐(4)中的三相为气相、油相、水相，分别为氮气、柴油、含硫污水。

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