CN102507423A - 循环多相流起伏管路内腐蚀实验装置 - Google Patents
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Abstract
循环多相流起伏管路内腐蚀实验装置，属于油气管道多相流内腐蚀实验技术领域。主要由气相封闭循环系统、液相封闭循环系统、气液两相分离系统、温控系统、多相流起伏管路系统、在线腐蚀测试系统及多种控制阀组成；气液两相分离系统由两级气液分离装置实现气液两相的有效分离；气相封闭循环系统中的高压储气罐、高压气瓶及多种阀调节气相压力及流量稳定；多相流起伏管路由不同管径、管材或管道内涂层的两种管路组成，管路可设置不同起伏倾角；测试系统中设置挂片、电化学及电感三种检测方法。本发明用于实现含CO2，H2S等腐蚀性气体的干气、湿气及油气水三相混输起伏管路在不同条件下的循环腐蚀实验，同时可进行缓蚀剂和管道内涂层的防腐评价。
Description
技术领域
本发明涉及一种循环多相流起伏管路内腐蚀实验装置，尤其涉及一种模拟含CO2，H2S等腐蚀性干气、湿气或油气水三相混输起伏管路内腐蚀的循环实验装置。
背景技术
腐蚀在“油气管工程”中占有十分重要的位置。油气管的失效统计分析表明，60％的失效和管线钢的腐蚀有关。尤其是近几年我国油气开发过程中，出现大量的H2S，CO2等酸性气体，对油气管线造成了严重的危害。H2S，CO2作为油气开采的伴生气体，导致H2S，CO2腐蚀问题的突出，造成的腐蚀结果非常严重。油气田开发过程中的腐蚀会给油气田造成灾难性事故，油气田集输和长输管线的腐蚀除造成重大经济损失外，还会造成环境污染和环境修复困难。
近年来，随着世界对能源需求量的增加，发现了许多高含二氧化碳和硫化氢共存的油气田，由于高含H2S和CO2气田苛刻的腐蚀条件，造成了对该类型的气田开发出现了相对滞后性，因此国内外许多公司也加大了对含CO2和H2S等酸性气体的腐蚀研究力度。
由于混输管道内有油气水等多种介质，成分复杂、流动状态不稳定，尤其是含有CO2和H2S等腐蚀性介质时，会对管道内壁有比较严重的腐蚀。多相流腐蚀受到多相流体动力学和腐蚀动力学的双重作用，而多相流体动力学和多相介质腐蚀动力学的理论十分复杂，并正处于发展之中，因而迄今为止，人们对多相流腐蚀的认识仍很有限，理论尚不成熟。美国俄亥俄大学多相流腐蚀中心W.P.JePson教授最早开展了多相流腐蚀研究，目前国内腐蚀性实验研究主要有以下几种：在静态条件下进行，例如公开号为CN101592587A的发明专利涉及了一种液态介质静态腐蚀实验装置与方法；在高压釜中进行，例如公开号为CN 1664559A的发明专利涉及了一种动态高温高压电化学测试实验装置；还有采用旋转方式模拟流动状态的腐蚀实验，例如公开号为CN 101275287A、CN102128783的发明专利分别涉及了一种以旋转方式模拟腐蚀相关的实验装置。但是这些实验条件都无法模拟腐蚀介质在管道中的真实流动状态，与现场实际的管流差别较大，而且流型模拟也很难实现，也就无法得到准确的管道腐蚀的数据。
目前，已经有公开的管道腐蚀实验装置专利。公开号为CN2575660Y的实用新型专利公开了在室内完成油气生产、集输和污水处理过程中腐蚀研究的实验装置，但是专利并未考虑腐蚀气体的循环利用、腐蚀参数的测量等重要问题。公开号为CN101226134A的发明专利公开了一种可在实验室和现场应用的腐蚀实验装置，但专利并未考虑腐蚀气体的循环利用以及管路倾角对腐蚀的影响，不适合干气或湿气系统的腐蚀实验。公开号为CN101975744A的发明专利涉及到一种海水管系金属构件冲刷腐蚀实验装置，但专利仅适用于液相腐蚀，并不适用于多相流腐蚀实验。因此，为更加真实地评价干气、湿气或油气水三相混输起伏管路中的腐蚀情况，需要设计一种真实的动态模拟循环腐蚀实验体系，模拟现场实际工况的多相流腐蚀实验装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种多功能循环多相流起伏管路内腐蚀实验装置，通过实验参数和过程控制可实现模拟多种流型、多种管道倾角，模拟不同温度、压力、腐蚀气体分压、PH值、溶解氧含量、Cl-浓度下的管道内腐蚀状况，并为油气管道缓蚀剂以及油气管道内涂层防腐效果的评价提供实验平台。
其技术方案是：主要由气相封闭循环系统、液相封闭循环系统、气液两相分离系统、温控系统、多相流起伏管路系统、在线腐蚀测试系统及多种控制阀组成；气液两相分离系统由两套气液分离装置实现气液两相的有效分离；气相封闭循环系统中的高压储气罐、高压气瓶及多种阀组调节气相压力及流量稳定；液相封闭循环系统由储液罐、耐腐蚀离心泵组组成，耐腐蚀离心泵组出口连接储液罐的循环回路与干路上的控制阀共同调节液相流量；温控系统安装在起伏管路入口处，可减少系统散热，实现低碳循环；多相流起伏管路由不同管径或管材的两种管路组成，管路可设置不同起伏倾角；测试系统中设置挂片、电化学及电感三种不同原理的检测方法。
所述气液两相分离系统由一级气液分离器和二级气液分离器组成。一级气液分离器进行气液腐蚀介质的预分离，实现分离液相不含气，以保证封闭循环系统中气相腐蚀介质的流量要求，二级气液分离器进行一级气液分离器中气相出口中气液腐蚀介质的二次分离，实现分离出的气相不含液。
所述气相封闭循环系统由低压储气罐、循环气体增压泵组、高压储气罐、高压气瓶及多种控制阀组成。循环气体增压泵组由两台并联电动气体增压泵组成，一台工作，一台备用。两台并联的电动气体增压泵交替将低压储气罐中的低压气相增压到循环腐蚀实验规定的工作压力。
所述循环气体增压泵组由空气压缩机和气动气体增压泵组成，空气压缩机为气动气体增压泵动力源。
所述高压气瓶与高压储气罐之间依次连接减压阀、压力调节阀、压力变送器、涡街流量计。当高压容器内的压力低于实验要求时，压力变送器将采集到的压力信号转变为电信号传送给压力调节阀，压力调节阀开启，高压气瓶内的高压气体经减压阀减压后平缓的给高压储气罐补充压力至实验要求，之后压力调节阀关闭，完成一次压力调节。
所述多相流起伏管路由管路支架、钢丝软管、钢化玻璃管、实验钢管以及连接法兰组成，管路支架可自由设置0～30度倾角。钢丝软管、钢化玻璃管、实验钢管以及连接法兰固定在管路支架上，管路支架可自由设定0～30度的倾角，管路支架由相隔一定尺寸带有开孔的槽钢、束缚钢丝、固定钢板组成，钢丝软管、钢化玻璃管、实验钢管以及连接法兰固定在管路支架上构成起伏管路。钢化玻璃管内安装有腐蚀挂片，钢化玻璃管的水平方向安装有高速摄像仪，以便监测起伏管路内的多相流流型。
所述在线腐蚀测试系统包括腐蚀挂片、电化学测试仪及电感式腐蚀测试仪等三种不同原理的腐蚀测试装置。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明模拟含CO2，H2S等腐蚀性气体的干气、湿气及油气水三相混输起伏管路在不同条件下的循环腐蚀实验；同时可进行多种缓蚀剂和管道内涂层的防腐评价工作。
2、本发明采用两级气液分离系统，实现气液两相的有效分离，保持气液两相流量，尤其是气相流量的稳定。
3、本发明采用循环气体增压泵、高压气瓶及多种控制阀调节封闭循环腐蚀装置内气相流量的稳定，为循环多相流起伏管路内腐蚀实验的长时间稳定运行提供保障。
4、本发明多相流起伏管路由不同管径、管材或管道内涂层的两种管路组成，这样可在一次实验中，或者实现两种不同管道流速，或者实现两种不同管材，或者实现两种不同管道内涂层的腐蚀数据采集，不仅加快了实验进程，更重要的是可在其他参数一致的情况下，单独研究流速、管材或者管道内涂层对管壁腐蚀的影响，不仅节约了实验时间和实验成本，更提高了实验的准确性。
5、本发明多相流起伏管路可自由设置不同起伏倾角，模拟油气集输过程中真实起伏管路系统，实验数据更加接近实际油气混输工况。
6、本发明在线腐蚀测试装置包含传统腐蚀挂片失重法、电化学腐蚀法和电感式腐蚀测试法等三种不同原理的测试系统，尽可能的减少了实验误差。
附图说明
附图1是本发明的流程示意图；
附图2是本发明的循环气体增压泵6的两种实现方法，(a)是两台电动气体增压泵并联实现的示意图，(b)是由空气压缩机提供动力的气动气体增压泵实现的示意图；
附图3是本发明的气液混合段23局部放大图；
附图4是本发明的起伏管路示意图；
附图5是本发明的管道支架倾斜钢板固定图；
附图6是本发明的管道支架所用三种支撑钢板图；
附图7是本发明的管道支架连接用支撑钢板及连接图。
图1中，1-封闭储液罐，2-耐腐蚀离心泵组，3-一级气液分离器，4-二级气液分离器，5-低压储气罐，6-循环气体增压泵组，7-高压储气罐，8-高压气瓶，9-电加热器，10-温控装置，11-计算机控制台，12-电动调节阀，13-涡街流量计，14-球阀，15-压力变送器，16-减压阀，17-PH计、溶解氧测试仪、电导率仪，18-压力传感器，温度传感器，19-电化学测试装置，20-电感式腐蚀测试装置，21-腐蚀挂片，22-高速摄像仪，23-气液混合段。
图2中，24-电动气体增压泵，25-空气压缩机，26-气动气体增压泵。
图4中，27-槽钢支架，28-开孔槽钢，29-支撑钢板，30-束缚钢丝。
具体实施方式
结合附图，对本发明作进一步的描述：
如图1所示，本发明实验装置主要由气相封闭循环系统、液相封闭循环系统、气液两相分离系统、温控系统、多相流起伏管路系统、在线腐蚀测试系统及多种控制阀组成。气相封闭循环系统由低压储气罐5、循环气体增压泵组6、高压储气罐7、高压气瓶8及控制阀12-2、12-3，13-2、13-3，15-1、15-2，16-1、16-2组成；液相封闭循环系统由储液罐1、耐腐蚀离心泵组2及控制阀12-1，13-1，14-4组成；气液两相分离系统由一级气液分离器3、二级气液分离器4及控制阀14-6组成；温控系统由电加热管9和温控装置10组成；多相流起伏管路系统及在线腐蚀测试系统由17-PH计、溶解氧测试仪、电导率仪，18-压力传感器，温度传感器，电化学测试装置19，电感式腐蚀测试装置20，腐蚀挂片21，高速摄像仪22组成。气相封闭循环系统和液相封闭循环系统在气液混合段23处混合。
具体实施中，气液两相分离系统将循环系统中的气相和液相分离且分别输送到气相封闭循环系统和液相封闭循环系统。
具体实施中，液相封闭循环系统中的储液罐1封闭，以保持腐蚀介质中溶解氧含量的稳定，储液罐1由玻璃钢制成，以保证实验溶液免受污染，储液罐1底部连接耐腐蚀离心泵组2，耐腐蚀离心泵组由两台相同的耐腐蚀泵2-1，2-2并联组成，每台耐腐蚀离心泵单独工作，另一台耐腐蚀离心泵备用，确保1-2周实验周期内起伏管路循环腐蚀实验液相动力的可靠性。耐腐蚀离心泵组2出口分出一条旁路，与储液罐1底部连接，耐腐蚀离心泵组2出口主干路上安装有电动调节阀12-1和涡街流量计13-1，它们共同作用，调节液相流量，进而调节起伏管路内的流型。储液罐1顶部与气液两相分离系统的液相出口连接。
具体实施中，气液两相分离系统中一级气液分离器3的液相出口与液相封闭循环系统连接，一级气液分离器进行气液腐蚀介质的预分离，实现分离液相中不含气相，保证封闭储液罐1内压力平稳和循环气体流量稳定，一级气液分离器3的气相出口与二级气液分离器4连接，二级气液分离器进行气液腐蚀介质的二次分离，二级气液分离器气相出口连接低压储气罐5，液相出口连接球阀14-6，并定期排空液相。
具体实施中，气相封闭循环系统中的循环气体增压泵组6由两台相同的电动气体增压泵24-1，24-2并联组成，参照图2(a)，或由空气压缩机25提供动力的气动气体增压泵26组成，参照图2(b)，两种循环气体增压泵均能保证气相循环动力的可靠性。循环气体增压泵组6出口与高压储气罐7相连，高压储气罐起到缓冲与储气的作用。高压气瓶8与高压储气罐7之间依次连接减压阀16、电动调节阀12、压力变送器15、涡街流量计13，参照图1。为保证循环腐蚀实验装置规定压力，当高压储气罐7内的压力低于循环腐蚀实验装置的规定压力时，压力变送器将压力信号转变为电信号，传送到电动调节阀12，电动调节阀12开启，高压气瓶8经减压阀为高压储气罐7平缓补充压力，当高压储气罐7内压力达到循环腐蚀实验装置的规定压力后，电动调节阀12关闭，完成一次补压，使循环系统在循环腐蚀实验装置的规定压力下工作。
具体实施中，气相封闭循环系统和液相封闭循环系统在气液混合段23处混合，气液混合段示意图参照图3。
具体实施中，温控系统由电加热器9和温控装置10组成，安装在起伏管路入口处，这样安装可减少气液腐蚀介质在气相封闭循环系统、液相封闭循环系统和气液两相分离系统中的散热，节约能源，实现循环多相流起伏管路内腐蚀实验装置低碳循环。
具体实施中，温控系统出口与多相流起伏管路系统连接，多相流起伏管路示意图参照图4，由管路支架、钢丝软管、钢化玻璃管、实验钢管以及连接法兰组成。循环腐蚀实验装置设计了两套带有相同倾角的起伏管路，两套起伏管路或者管道直径不同，或者管道材质不同，或者管道内涂层不同，这样可在一次实验中或者实现两种不同管道流速，或者实现不同管材，或者实现不同管道内涂层的腐蚀数据采集，不仅加快了实验进程，更重要的是还可在其他参数一致的情况下，单独研究流速、管材或者管道内涂层对管壁腐蚀的影响，不仅节约了实验时间和实验成本，更重要的是提高了实验的准确性。
具体实施中，管路支架由槽钢支架27，开孔槽钢28，支撑钢板29，束缚钢丝30组成，组合连接效果参照图5所示。为了适应不同管道倾角所造成的支撑钢板长度的差异，本发明设计了3种尺寸的支撑钢板，每种支撑钢板的宽度为200mm，长度分别为100mm，200mm，500mm，支撑钢板参照图6所示，每种支撑钢板均在四角开孔用于固定，图7所示为100*200mm支撑钢板四角开孔位置，其他尺寸支撑钢板的开孔位置可参照图7所示。利用三种长度的支撑钢板29，槽钢支架27，开孔槽钢28，束缚钢丝30可自由组成循环腐蚀实验所需的0～30度管路倾角。
具体实施中，钢丝软管、钢化玻璃管、实验钢管以及连接法兰固定在管路支架上，管路支架可自由设定0～30度的倾角，钢丝软管可根据管路支架所提供的不同角度自由分布在支架上。
具体实施中，在线腐蚀测试系统由17-PH计、溶解氧测试仪、电导率仪，18-压力传感器，温度传感器，电化学测试仪19，电感式腐蚀测试仪20，腐蚀挂片21和高速摄像仪22组成，安装在多相流起伏管路上，钢化玻璃管内安装有腐蚀挂片21，钢化玻璃管的水平方向安装有高速摄像仪22，以便监测起伏管路内的多相流流型。实验钢管上安装有17-PH计、溶解氧测试仪、电导率仪，18-压力传感器，温度传感器，电化学测试仪19，电感式腐蚀测试仪20，安装方式均为螺纹连接。
实验按照以下步骤进行：
1、将液相封闭循环系统中的储液罐1充满水，并按照循环腐蚀实验要求配置溶液，打开储液罐1，通入N2气除氧10个小时，然后封闭储液罐1。
2、关闭球阀14-1、14-2、14-4，开启球阀14-3、14-5、14-6，电动调节阀12-2，12-3，将除液相封闭循环系统和气相封闭循环系统之外的整个循环实验装置内的空气排空，然后关闭球阀14-3，14-5，开启球阀14-2，将气相封闭循环系统内的空气排空。开启球阀14-1-14-5，关闭球阀14-6，封闭整个循环腐蚀实验装置，高压气瓶8开始按照实验要求将循环实验装置内压增加到规定压力之后电动调节阀12-2、12-3关闭。
3、开启耐腐蚀离心泵组2，根据试验要求设置流量，同时开启循环气体增压泵组6设置所需的流量。
4、气液两相经混合段23混合后，流经电加热器9，由温控装置10设置实验所需温度。
5、开启17-PH计、溶解氧测试仪、电导率仪，18-压力传感器，温度传感器，电化学测试仪19，电感式腐蚀测试仪20，高速摄像仪22等仪器。
6、根据在线腐蚀测试系统所记录的数据判断内管壁的腐蚀是否已经稳定，如果稳定停止实验，根据实验腐蚀介质和在线腐蚀测试系统的不同，每组实验需要3-10天不等。
7、循环腐蚀实验完成后，可根据实验要求重新设置参数继续进行下一组实验。若10天之内不再进行实验，则将整个实验系统放空以免循环腐蚀实验装置受到残留腐蚀介质腐蚀。
Claims (10)
1.一种循环多相流起伏管路内腐蚀实验装置，其特征在于：主要由气相封闭循环系统、液相封闭循环系统、气液两相分离系统、温控系统、多相流起伏管路系统、在线腐蚀测试系统及多种控制阀组成；气液两相分离系统由两级气液分离装置实现气液两相的有效分离；气相封闭循环系统中的高压储气罐、高压气瓶及多种控制阀调节气相压力及流量稳定；多相流起伏管路由不同管径、管材或管道内涂层的两种管路组成，管路可设置不同起伏倾角；测试系统中设置挂片、电化学及电感三种检测方法。
2.根据权利要求1所述的循环多相流起伏管路内腐蚀实验装置，其特征是：所述气液两相分离系统由一级气液分离器和二级气液分离器组成。一级气液分离器进行气液腐蚀介质的预分离，实现分离出的液相不含气，以保证封闭系统中循环气相腐蚀介质的流量要求，二级气液分离器对一级气液分离器气相出口中气液腐蚀介质进行二次分离，实现分离出的气相不含液。
3.根据权利要求书1所述的循环多相流起伏管路内腐蚀实验装置，其特征是：所述气相封闭循环系统是由低压储气罐、循环气体增压泵组、高压储气罐、高压气瓶及多种控制阀组成。
4.根据权利要求书1或3所述的循环多相流起伏管路内腐蚀实验装置，其特征是：所述循环气体增压泵组由两台并联电动气体增压泵组成，一台工作，一台备用。两台并联的电动气体增压泵交替将低压储气罐中的低压气相增压到循环腐蚀实验规定的工作压力。
5.根据权利要求书1或3所述的循环多相流起伏管路内腐蚀实验装置，其特征是：所述循环气体增压泵组由空气压缩机和气动气体增压泵组成，空气压缩机为气动气体增压泵动力源。
6.根据权利要求书1或3所述的循环多相流起伏管路内腐蚀实验装置，其特征是：所述高压气瓶与高压储气罐之间依次连接减压阀、压力调节阀、压力变送器、涡街流量计。当高压容器内的压力低于实验要求时，压力变送器将采集到的压力信号转变为电信号传送给压力调节阀，压力调节阀开启，高压气瓶内的高压气体经减压阀减压后平缓的给高压储气罐补充压力至实验要求，之后压力调节阀关闭，完成一次压力调节。
7.根据权利要求1所述的循环多相流起伏管路内腐蚀实验装置，其特征是：所述多相流起伏管路由管路支架、钢丝软管、钢化玻璃管、实验钢管以及连接法兰组成。
8.根据权利要求书1或7所述的循环多相流起伏管路内腐蚀实验装置，其特征是：所述钢丝软管、钢化玻璃管、实验钢管以及连接法兰固定在管路支架上，管路支架可自由设定0～30度的倾角，管路支架由相隔一定尺寸带有开孔的槽钢、束缚钢丝、固定钢板组成，钢丝软管、钢化玻璃管、实验钢管以及连接法兰固定在管路支架上构成起伏管路。
9.根据权利要求书1或7所述的循环多相流起伏管路内腐蚀实验装置，其特征是：所述钢化玻璃管内安装有腐蚀挂片，钢化玻璃管的水平方向安装有高速摄像仪，以便监测起伏管路内的多相流流型。
10.根据权利要求书1或9所述的循环多相流起伏管路内腐蚀实验装置，其特征是：所述在线腐蚀测试系统包括腐蚀挂片、电化学测试仪及电感式腐蚀测试仪等三种不同原理的腐蚀测试装置。
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