CN101846614A - 温度压力可控型旋转式冲蚀实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种温度压力可控型旋转式冲蚀实验装置。包括变频调速电机、内磁总成、工控计算机、压力传感器、温度传感器、电化学工作站、上液体容器、外磁总成、联接架、支撑盖、预膜室、观察视窗、传动中心轴、下液体容器、循环泵和过滤器。可模拟工业实际环境中不同温度、不同压力等工况进行冲蚀瞬态特性测试。采用磁力传动系统，保证了实验装置的密封效果；温度、压力、pH值均能模拟工业实际环境，测试获得的冲蚀临界特性无须进行相似理论修正；增加了外接旁路循环系统，既保证了实验介质温度场的分布平衡，又实现了预膜室的工况环境与容器内部环境完全一致。本发明可以模拟石油化工、煤化工、海水淡化等流程型行业出现的冲蚀失效案例。

Description

温度压力可控型旋转式冲蚀实验装置
技术领域
本发明涉及用于腐蚀与流动耦合作用测试的冲蚀实验装置，具体地说是涉及一种温度压力可控型旋转式冲蚀实验装置。
背景技术
能源是社会、经济发展的基础，石化工业是能源工业的重要支撑。随着经济的发展，石油化工行业在重点实施规模大型化、原油劣质化、产品清洁化策略的过程中，许多压力设备及流体管道相继发生了多起泄漏事故，例如加氢裂化反应流出物空冷器系统、常压塔顶回流系统等，该类设备通常具有工艺过程复杂、工况条件苛刻等特征，一旦出现冲蚀泄漏、着火等安全事故，不仅严重影响企业生产计划、成本与效益，而且还严重威胁着国家财产和生命安全。
本课题组前期的研究结果表明：压力设备及流体管道出现的冲蚀失效，其失效机理是腐蚀与流动耦合作用的结果，受温度、压力、介质浓度、pH值等因素的影响较大，发生冲蚀破坏具有明显的局部性、突发性和风险性，现有的预测方法很难预测上述流程型设备的冲蚀失效事故。鉴于目前针对压力设备及流体管道尚无可靠的预防控制措施，以致许多石化工业设备在复杂流动腐蚀环境下始终处于“等着泄漏”状态，运行风险很高，已成为制约流程型工业安全运行的关键技术问题之一。围绕石化行业炼油设备系统频繁出现的冲蚀失效现状，国外包括NACE、UOP、API等机构相继进行了大量调查研究，并针对高硫劣质原料油加工生产等提出了相应的防护措施，但这些措施基本上是在调研统计的基础上归纳总结得出的，提出的失效控制方法和措施难以适应原料油劣质化、工况苛刻化发展的需要，工程实际应用中存在着较大的局限性。
针对目前石化行业普遍存在的冲蚀失效难题，为了进一步研究流程型工业相关设备及相联管道的冲蚀机理，一些研究院所及大专院校设计了多种冲蚀实验装置，旨在通过实验方法研究冲蚀失效机理及冲蚀失效关键影响因素。但是，已有的冲蚀实验装置存在的不足之处主要在于：1)对冲蚀实验的设计方案不够合理，相关设备测试时间较长，且实验工况与实际工况存在较大差异，实验结果不具备参考性；2)常规的冲蚀实验装置一般通过称重或测厚的方法测试平均腐蚀速率，无法测试复杂工况下发生冲蚀破坏的临界值和瞬态特性。本课题组基于流固耦合冲蚀失效机理长期研究的基础上，先前已创新设计了适用于常温、常压工况条件下的旋转式单相流冲蚀试验装置，但是存在的缺点是难以针对实际工况进行变温(度)、变压(力)等冲蚀失效临界实验测试，实验结果与实际工况下的冲蚀临界特性误差较大。
发明内容
针对目前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温度压力可控型旋转式冲蚀实验装置，适用于构建流动腐蚀耦合冲蚀失效机理、流体动力学仿真分析、冲蚀试验研究相结合的流动腐蚀失效预测研究体系。本实验装置可模拟工业环境中不同温度、不同压力、不同pH值等实际工况条件，运用电化学测试系统，实时测试获得不同材质在不同工况下的冲蚀临界值和瞬态特性。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
包括变频调速电机、内磁总成、工控计算机、压力传感器、温度传感器、电化学工作站、上液体容器、外磁总成、联接架、支撑盖、预膜室、观察视窗、传动中心轴、下液体容器、循环泵和过滤器；布有冷却盘管的下液体容器与上液体容器通过法兰联接，上液体容器下法兰盖为法兰盖结构，法兰盖中心开轴承孔，周边开有通孔；上法兰盖与上液体容器通过固定螺栓联接；开有中心孔的传动中心轴从上液体容器上法兰盖中心轴承孔插入至下法兰盖的轴承孔内，传动中心轴与上液体容器上下法兰盖中心轴承孔形成转动配合，旋转圆盘通过花键安装在上液体容器的传动中心轴上，待测试件测试面与上液体容器内壁面平齐，从待测试件的工作电极、参比电极和辅助电极分别引线与电化学工作站联接，电化学工作站再与工控计算机通过数据线联接，同时压力传感器和温度传感器信号也通过导线传输至工控计算机；位于上液体容器上法兰盖外的传动中心轴上通过键与内磁总成联接，内磁总成外侧套有隔离套，隔离套通过螺栓固定在支撑盖上，支撑盖与上法兰盖通过螺栓联接，支撑盖外侧的联接架通过螺栓固定在上法兰盖上，联接架上安装有变频调速电机，变频调速电机转子通过键与外磁总成联接，外磁总成、隔离套和内磁总成组成磁力传动系统；下液体容器底部开有两孔，一孔由调节控制阀构成PH值采样线，另一孔经第四调节阀出口形成两个支路，主支路依次联接过滤器、循环泵、观察视窗、第二调节阀、预膜室、第一调节阀和钢管，钢管依次穿过联接架和支撑盖，旁路经第三调节阀构成垫液线。
所述的传动中心轴中心开孔，位于上法兰盖外侧和内磁总成之间的传动中心轴径向0°、90°、180°、270°分别开孔与传动轴中心孔联通；靠近旋转圆盘上部的传动中心轴径向0°、90°、180°、270°分别开孔与传动轴中心孔联通。
所述的第四调节阀、过滤器、循环泵、观察视窗、第二调节阀、预膜室、第一调节阀和钢管组成下液体容器与上液体容器之间的旁路循环系统。
本发明具有的有益效果是：
可控型温度传感器和压力传感器可模拟工业实际环境中不同温度、不同压力等工况进行冲蚀瞬态特性测试，包括预腐蚀环境下的腐蚀产物保护膜冲蚀破坏的临界特性及超过临界值后的实际冲蚀速率。较先前的旋转式单相流冲蚀实验装置而言，本发明采用磁力传动系统，保证了实验装置的密封效果；温度、压力、pH值均能模拟工业实际环境，测试获得的冲蚀临界特性无须进行相似理论修正；增加了外接旁路循环系统，既保证了实验介质温度场的分布平衡，又实现了预膜室的工况环境与容器内部环境完全一致，实验结果具有更强的针对性。本发明可以模拟石油化工、煤化工、海水淡化等流程型行业出现的冲蚀失效案例，进行冲蚀破坏的失效研究、冲蚀预测、优化设计和风险评估等安全保障技术研究。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1的A放大图。
图中：1、变频调速电机，2、内磁总成，3、隔离套，4、螺栓，5、工控计算机，6、压力传感器，7、固定螺栓，8、温度传感器，9、电化学工作站，10、上液体容器，11、调节控制阀，12、PH值采样线，13、冷却盘管，14、外磁总成，15、键，16、联接架，17、钢管，18、支撑盖，19、第一调节阀，20、预膜室，21、第二调节阀，22、观察视窗，23、上法兰盖，24、传动中心轴，25、旋转圆盘，26、花键，27、下法兰盖，28、下液体容器，29、循环泵，30、过滤器，31、第三调节阀，32、第四调节阀，33、待测试件。
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、图2所示，本发明包括变频调速电机1、内磁总成2、工控计算机5、压力传感器6、温度传感器8、电化学工作站9、上液体容器10、外磁总成14、联接架16、支撑盖18、预膜室20、观察视窗22、传动中心轴24、下液体容器28、循环泵29和过滤器30；电化学工作站9主要由恒电位仪及相应数据线构成，磁力传动系统的内磁总成2、外磁总成14和隔离套3则可根据传动中心轴24直径选购；布有冷却盘管13的下液体容器28与上液体容器10通过法兰联接，上液体容器10下法兰盖27为法兰盖结构，法兰盖中心开轴承孔，周边开有通孔；上法兰盖23与上液体容器10通过固定螺栓7联接；开有中心孔的传动中心轴24从上液体容器10上法兰盖23中心轴承孔插入至下法兰盖27的轴承孔内，传动中心轴24与上液体容器10上下法兰盖中心轴承孔形成转动配合，旋转圆盘25通过花键26安装在上液体容器10的传动中心轴24上，自行设计的包含三电极的待测试件33测试面与上液体容器10内壁面平齐，从待测试件33的工作电极、参比电极和辅助电极分别引线与电化学工作站9联接，电化学工作站9再与工控计算机5通过数据线联接，同时压力传感器6和温度传感器8信号也通过导线传输至工控计算机5；位于上液体容器10上法兰盖23外的传动中心轴24上通过键15与内磁总成2联接，内磁总成2外侧套有隔离套3，隔离套通过螺栓4固定在支撑盖18上，支撑盖18与上法兰盖23通过螺栓联接，支撑盖18外侧的联接架16通过螺栓固定在上法兰盖23上，联接架16上安装有变频调速电机1，变频调速电机1转子通过键与外磁总成14联接，外磁总成14、隔离套3和内磁总成2组成磁力传动系统；下液体容器28底部开有两孔，一孔由调节控制阀11构成PH值采样线12，另一孔经第四调节阀32出口形成两个支路，主支路依次联接过滤器30、循环泵29、观察视窗22、第二调节阀21、预膜室20、第一调节阀19和钢管17，钢管17依次穿过联接架16和支撑盖18，旁路经第三调节阀31构成垫液线。
所述的传动中心轴24自与内磁总成2联接端开中心孔至靠近旋转圆盘25上侧，而非通孔。位于上法兰盖23外侧和内磁总成2之间的传动中心轴径向0℃、90℃、180℃、270℃分别开孔与传动轴中心孔联通；靠近旋转圆盘25上部的传动中心轴24径向0°、90°、180°、270°分别开孔与传动轴中心孔联通；
所述的第四调节阀32、过滤器30、循环泵29、观察视窗22、第二调节阀21、预膜室20、第一调节阀19和钢管17组成下液体容器28与上液体容器10之间的旁路循环系统。
本发明的工作过程如下：
安装好本实验装置，将预膜待测试件33置入预膜室20，安装完毕后，关闭第四调节阀32，打开第三调节阀31、第二调节阀21、第一调节阀19，开启循环泵29，实验介质经旁路循环系统、传动中心轴24中心孔流至上液体容器10和下液体容器28，当实验介质达到上液体容器10略低于旋转圆盘25约20～30cm的液位后，逐步减小第二调节阀21开度，然后迅速同时关闭循环泵29、第一调节阀19、第二调节阀21和第三调节阀31；待测试件33在预膜室20内预成膜一定时间后，将待测试件33取出，并安装在与旋转圆盘25侧面中心在同一水平面的上液体容器10壁上，并使待测试件33外表面与上液体容器10内壁面平齐，将工作电极、参比电极和辅助电极分别与电化学工作站联接；再开启旁路循环系统，对实验装置补充实验介质，实验介质经旁路循环系统进入到传动中心轴24中心孔，流至靠近旋转圆盘25上部通过0°、90°、180°、270°径向孔流出，待实验介质在上液体容器10内的液位高于旋转圆盘20～40cm，然后关闭旁路循环系统；利用工控计算机5调节启动实验系统加热装置提升介质温度和容器压力，通过温度传感器8和压力传感器6记录当前实验介质温度和压力，然后通过pH值采样线12采集分析当前温度和压力下实验介质的pH值；开启电化学工作站9，通过工控计算机5开启变频调速电机1，并实时采集电化学工作站9的腐蚀电流、阻抗等数据进行分析处理不同转速下的电流曲线，通常我们认为，当待测试件33在预膜室20内形成的腐蚀产物保护膜在未冲破的情况下，由于电阻很大，腐蚀电流几乎为零。通过工控计算机5不断提升实验系统压力、温度和变频调速电机1的转速，观察电流变化，实时绘制转速、温度、压力、pH值等腐蚀速率的变化曲线，逐步改变温度、压力、转速等工况，直至腐蚀电流发生突变，此时可视为待测试件33的腐蚀产物保护膜已经冲破，此时的温度、压力、pH值及转速即为该工况下的冲蚀临界特性或瞬态特性。同时，若要分析某一影响因素对腐蚀电流的影响，则可设计正交实验，改变任一变量，例如压力、温度或pH值等，利用随机变量的统计分析研究腐蚀产物保护膜发生冲蚀破坏的临界特性。

Claims (3)

1.一种温度压力可控型旋转式冲蚀实验装置，其特征在于：包括变频调速电机(1)、内磁总成(2)、工控计算机(5)、压力传感器(6)、温度传感器(8)、电化学工作站(9)、上液体容器(10)、外磁总成(14)、联接架(16)、支撑盖(18)、预膜室(20)、观察视窗(22)、传动中心轴(24)、下液体容器(28)、循环泵(29)和过滤器(30)；布有冷却盘管(13)的下液体容器(28)与上液体容器(10)通过法兰联接，上液体容器(10)下法兰盖(27)为法兰盖结构，法兰盖中心开轴承孔，周边开有通孔；上法兰盖(23)与上液体容器(10)通过固定螺栓(7)联接；开有中心孔的传动中心轴(24)从上液体容器(10)上法兰盖(23)中心轴承孔插入至下法兰盖(27)的轴承孔内，传动中心轴(24)与上液体容器(10)上下法兰盖中心轴承孔形成转动配合，旋转圆盘(25)通过花键(26)安装在上液体容器(10)的传动中心轴(24)上，待测试件(33)测试面与上液体容器(10)内壁面平齐，从待测试件(33)的工作电极、参比电极和辅助电极分别引线与电化学工作站(9)联接，电化学工作站(9)再与工控计算机(5)通过数据线联接，同时压力传感器(6)和温度传感器(8)信号也通过导线传输至工控计算机(5)；位于上液体容器(10)上法兰盖(23)外的传动中心轴(24)上通过键(15)与内磁总成(2)联接，内磁总成(2)外侧套有隔离套(3)，隔离套通过螺栓(4)固定在支撑盖(18)上，支撑盖(18)与上法兰盖(23)通过螺栓联接，支撑盖(18)外侧的联接架(16)通过螺栓固定在上法兰盖(23)上，联接架(16)上安装有变频调速电机(1)，变频调速电机(1)转子通过键与外磁总成(14)联接，外磁总成(14)、隔离套(3)和内磁总成(2)组成磁力传动系统；下液体容器(28)底部开有两孔，一孔由调节控制阀(11)构成PH值采样线(12)，另一孔经第四调节阀(32)出口形成两个支路，主支路依次联接过滤器(30)、循环泵(29)、观察视窗(22)、第二调节阀(21)、预膜室(20)、第一调节阀(19)和钢管(17)，钢管(17)依次穿过联接架(16)和支撑盖(18)，旁路经第三调节阀(31)构成垫液线。
2.根据权利要求1所述的一种温度压力可控型旋转式冲蚀实验装置，其特征在于：所述的传动中心轴(24)中心开孔，位于上法兰盖(23)外侧和内磁总成(2)之间的传动中心轴径向0°、90°、180°、270°分别开孔与传动轴中心孔联通；靠近旋转圆盘(25)上部的传动中心轴(24)径向0°、90°、180°、270°分别开孔与传动轴中心孔联通。
3.根据权利要求1所述的一种温度压力可控型旋转式冲蚀实验装置，其特征在于：所述的第四调节阀(32)、过滤器(30)、循环泵(29)、观察视窗(22)、第二调节阀(21)、预膜室(20)、第一调节阀(19)和钢管(17)组成下液体容器(28)与上液体容器(10)之间的旁路循环系统。
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