CN107449731A - 同轴旋转腐蚀流动模拟系统 - Google Patents

同轴旋转腐蚀流动模拟系统 Download PDF

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Abstract

同轴旋转腐蚀流动模拟系统，包括有同轴内筒，同轴内筒外设有同轴外筒；同轴内筒顶部通过旋转连杆与转速可调电机相连；所述的同轴外筒内壁上设有试片；当其环空充满流体时，同轴外筒的内壁和同轴内筒外壁构成流体的边界，当内筒在可调转速电机带动下旋转时，使环空流体也做旋转流动，试片镶嵌同轴圆筒内壁，试片一面与腐蚀介质浸润并腐蚀；具有结构简单、实验数据准确、实验结果与实际情况更接近的特点。

Description

同轴旋转腐蚀流动模拟系统
技术领域
本发明属于金属腐蚀与防护技术领域，具体涉及同轴旋转腐蚀流动模拟系统。
背景技术
腐蚀是现代工业和生活的重要破坏因素,据估计,腐蚀造成的直接经济损失约占国民生产总值的3％一4％。在流动体系中,腐蚀介质与金属表面间的相对运动会加剧金属腐蚀。流动腐蚀就是金属表面和腐蚀性流体之间由于高速相对运动引起的金属损坏现象,是机械性冲刷和电化学腐蚀交互作用的结果。它是引起石油、化工、水利水电等行业中各种泵、阀、管道等部件大量损坏的重要原因。流动腐蚀比静止介质中的腐蚀要严重得多,尤其是在高速流动条件下。早在上世纪30年代流动水系统中的钢的腐蚀就引起了人们的重视,到了80年代随着现代采油业的发展,迫切需要加强材料的流动腐蚀研究。通常将这种由于腐蚀介质和金属表面相对运动而引起的金属的加剧破坏或腐蚀定义为磨损腐蚀(ErosionCorrosion),或称之为流动腐蚀(Flow-Induced Corrosion)。
流动腐蚀与静态介质中的区别在于:除了受电化学因素的作用外,流体力学因素对流动腐蚀将产生严重的影响。介质的流动不但促使腐蚀加剧,而且也严重影响着流动腐蚀的机理。在一定的流速条件下,流道结构确定时,介质流型一定时,导致发生一种形态的腐蚀。随着腐蚀的发展,流道结构发生改变,可能引起流动腐蚀形态的变化,这种恶性循环发展的结果导致流动腐蚀加剧,因此, 流动腐蚀是一个复杂的过程,流速、流态对流动腐蚀具有十分重要的影响。流动腐蚀是石油化工行业中部件损坏的重要原因,必须对其展开深入研究。
目前，室内研究流动腐蚀主要有环道模拟法和反应釜内旋转模拟法。在环道模拟法中，由于模拟环道的管径一般要比现场实际管道管径小得多，在模拟中，满足了流速，而流态与实际管道中的流态差别甚远；而在反应釜内旋转模拟法中，通过试片固定在专门的支架上在腐蚀介质旋转，用此时的线速度来等效现场管道管壁的切向速度，可是，由于离心力的作用，在旋转运动的试片上还存在一定的法向速度，所以，在此模拟中，试片的流动腐蚀条件与现场管道管壁流动腐蚀条件差异也较大。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供同轴旋转腐蚀流动模拟系统，解决了以下技术问题：1)通过旋转的圆筒装置，将管道的直线流动转换成旋转流动，减少环道流动的工作量；2)通过将同轴外筒内径与现场管线管径相同，它的相似流动更能反映管中的流动；3)该系统可以通过改变同轴内筒的转速来模拟管线内介质的流速；具有结构简单、实验数据准确、实验结果与实际情况更接近的特点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：同轴旋转腐蚀流动模拟系统，包括有同轴内筒，同轴内筒1外设有同轴外筒；同轴内筒顶部通过旋转连杆与转速可调电机相连；所述的同轴外筒内壁上设有试片。
所述的试片尺寸为25mm×10mm×2mm，数量为3片。
所述的试片的下部设在同轴外壁上的试片嵌槽内，所述的试片嵌槽的尺寸为深3mm，水平方向宽度10.5mm，竖直方向宽度30mm。
所述的试片嵌槽、试片三等分分布在同轴外筒内壁上。
所述的试片只有径向轴线的一面裸露，其余5个面与腐蚀介质绝缘隔离。
所述的同轴内筒与同轴外筒之间的环形腔体内设有腐蚀介质。
所述的同轴内筒材质选用机械强度好的非金属绝缘材料。
所述的外筒的材质选用机械强度好的非金属绝缘材料；外筒壁厚≥5mm。
所述的同轴外筒内径与现场管道内径相等。
所述的同轴内筒外径根据现场管道的流动雷诺数范围和同轴内筒旋转转速范围确定，具体确定方法如下：
现场的管道流动中，圆管道的雷诺数：
式中：
Reg为实验介质的雷诺数；
v为流体流速，m/s；
d为管道直径，单位为m；
ν为流体的运动粘度，m2/s；
Q为管道内流体流量，m3/s；
根据实际数据计算出雷诺数的大小和范围来确定实验所需同轴内筒的内径，可调转速电机(搅拌器)的转速范围，进而确定同轴内筒的直径；
在内筒转动时，根据库特对牛顿流体的研究可用下列公式计算雷诺数：
式中：
Re——实验介质的雷诺数；
Ω——内筒的旋转角速度，rad/s；
R2——转子的半径，单位为mm；
R1——圆筒容器的内半径，单位为mm；
υ——实验介质的运动粘度，mm2/s。
本发明的有益效果是：
本发明以相似原理为基础的模型实验方法，设计旋转同轴圆筒装置使腐蚀液体流过金属表面的管道系统，模拟管线运行状态，研究金属试片的腐蚀速率。
根据相似第二定理(模化法则)在几何相似的前提下，流动现象相似的决定性准则仅为雷诺准则，则模型试验必须遵守的相似称为雷诺相似。一般，两液流的雷诺数相等，任何相似的流动都是属于同一类的流动。根据物理量所组成的相似准则数相等的原则去设计模型，选择流动介质；以相似原理为基础的模型实验方法。
在本发明中，试片镶嵌同轴圆筒内壁，试片一面与腐蚀介质浸润，设计外筒内径与现场管道内径相等，内筒外径根据现场管道的流动雷诺数范围和内筒旋转转速范围确定。在模拟实验中，根据现场实际流速，计算管道流动雷诺数，然后根据雷诺相似原理，确定同轴内筒的转速，随同轴内筒的旋转，使同轴内外筒环空的腐蚀介质产生旋转流动，通过调整同轴内筒转速，使其旋转流动的雷诺数与现场管道流动的雷诺数相同，这样模拟系统中流态与现场管道中的流态相同，同轴外筒内壁试片表面的流速与现场管道内壁流速接近，两者流动腐蚀状态接近，实验结果与实际情况更接近。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明同轴内筒、同轴外筒连接示意图。
图3为本发明同轴外筒、试片嵌槽的结构示意图。
图4为本发明同轴外筒的剖面示意图。
图5为本发明同轴内筒与旋转连杆的连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
参见图1、2、3，同轴旋转腐蚀流动模拟系统，包括有同轴内筒1，同轴内筒1外设有同轴外筒2；同轴内筒1顶部通过旋转连杆3与转速可调电机4相连；所述的同轴外筒内壁上设有试片5。旋转连杆的直径可根据转速可调电机的机械连接配合设计。
所述的试片尺寸为25mm×10mm×2mm，数量为3片。
所述的试片的下部设在同轴外壁上的试片嵌槽6内，所述的试片嵌槽6的尺寸为深3mm，水平方向宽度10.5mm，竖直方向宽度30mm。
所述的试片嵌槽6、试片三等分分布在同轴外筒内壁上。两个相邻的试片嵌槽6的圆心角为120°。
所述的试片只有径向轴线的一面裸露，其余5个面与腐蚀介质绝缘隔离。
所述的同轴内筒与同轴外筒之间的环形腔体内设有腐蚀介质7。
所述的同轴内筒材质选用机械强度好的非金属绝缘材料。
所述的外筒的材质选用机械强度好的非金属绝缘材料；外筒壁厚≥5mm。
所述的同轴外筒内径与现场管道内径相等。
所述的同轴内筒外径根据现场管道的流动雷诺数范围和同轴内筒旋转转速范围确定，具体确定方法如下：
现场的管道流动中，圆管道的雷诺数：
式中：
Reg为实验介质的雷诺数；
v为流体流速，m/s；
d为管道直径，m；
ν为流体的运动粘度，m2/s；
Q为管道内流体流量，m3/s；
根据实际数据计算出雷诺数的大小和范围来确定实验所需同轴内筒的内径，可调转速电机(搅拌器)的转速范围，进而确定同轴内筒的直径；
在内筒转动时，根据库特对牛顿流体的研究可用下列公式计算雷诺数：
式中：
Re为实验介质的雷诺数；
Ω为内筒的旋转角速度，rad/s；
R2为转子的半径，mm；
R1为圆筒容器的内半径，mm；
ν为实验介质的运动粘度，mm2/s。
例如，以其中根据油田某长输的管道的腐蚀研究为例。
管道20号无缝钢管，输量92.5×104～179.2×104t/a。
现场实际管道内径应为104mm，流量Q＝92.5×104～179.2×104t/a。
上式(2)可变为
式中d2为转子的直径，单位是mm；d1为圆筒容器的内直径，单位mm；根据相似性原理有Reg＝Re
同时又令d＝d1
结合式(1)和式(3)于是有
πΩdd2(d1-d2)＝16Q (4)
式(4)中π、Q、d＝d1已知，Ω变化范围已知，于是我们确定外筒内直径d1＝d为104mm，取内筒直径d2＝50mm，在通过(4)计算Ω的取值，计算Ω值在其变化范围内，且居中，d2确定。一般地，确定d1后，在Ω变化范围中间部分取一值，然后代入式(4)，计算d2初值，为了便于加工，d2取初值附近整数值，然后在实验中，再调整Ω值来满足式(4)。
本发明的工作原理是：
参见图1、2，同轴外筒和同轴内筒构成同轴系统，当其环空充满流体(腐蚀介质)时，同轴外筒的内壁和同轴内筒外壁构成流体的边界，当内筒在可调转速电机带动下旋转时，使环空流体也做旋转流动，试片镶嵌同轴圆筒内壁，试片一面与腐蚀介质浸润并腐蚀。设计同轴外筒内径与现场管道内径相等，同轴内筒外径根据现场管道的流动雷诺数范围和同轴内筒旋转转速范围确定。在模拟实验中，根据现场实际流速，计算管道流动雷诺数，然后根据雷诺相似原理，确定同轴内筒的转速，这样模拟系统中流态与现场管道中的流态相同，同轴外筒内壁试片表面的流速与现场管道内壁流速接近，两者流动腐蚀状态接近，实验结果与实际情况更接近。
参见图4，图4为同轴外筒，从系统整体来说，同轴外筒的内壁同轴旋转系统流体边界，是现场管道的流动状态的“模拟者”，也是腐蚀介质的容器，镶嵌在其上的试片为内壁的一部分。同轴外筒的材质一般选用机械强度好的非金属绝缘材料，例如：有机玻璃，聚砜，机械尼龙等。外筒壁厚≥5mm。
转速可调电机可选用实验室用无极调速搅拌器，转速范围100-2500rpm, 功率≥200W。
参见图5，图5同轴内筒，为同轴旋转腐蚀流动模拟系统的运动转子，是流体运动运动边界。同轴内筒材质选用机械强度好的非金属绝缘材料，例如：聚四氟乙烯，有机玻璃，聚砜，机械尼龙等，旋转连杆建议选用不锈钢，如316L 不锈钢，外径尺寸取与所用转速可调电机夹持范围。
结合图2、3、4，试片嵌槽设置腐蚀试片的嵌入位置。
试片的制作与安装
试片取材与现场管道，加工成25×10×2mm片状，两面一次用400#、800#、 1000#和1200#耐水砂纸打磨，如何编号，并用千分卡尺和0.1mg的电子天平测量其大小尺寸和重量，记录在案。将试片的一面和厚度方向4面涂覆耐温耐水油漆并烘干。在试片嵌槽涂抹少许玻璃胶，将试片一裸露面向外压嵌入试片嵌槽中，试片裸露面与嵌槽口沿平齐，锴去多余玻璃胶，待胶固化后，用乙醚和酒精将试片裸露面擦拭干净。

Claims (10)

1.同轴旋转腐蚀流动模拟系统，其特征在于，包括有同轴内筒(1)，同轴内筒(1)外设有同轴外筒(2)；同轴内筒1顶部通过旋转连杆(3)与转速可调电机(4)相连；所述的同轴外筒内壁上设有试片(5)。
2.根据权利要求1所述的同轴旋转腐蚀流动模拟系统，其特征在于，所述的试片尺寸为25mm×10mm×2mm，数量为3片。
3.根据权利要求2所述的同轴旋转腐蚀流动模拟系统，其特征在于，所述的试片的下部设在同轴外壁上的试片嵌槽(6)内，所述的试片嵌槽(6)的尺寸为深3mm，水平方向宽度10.5mm，竖直方向宽度30mm。
4.根据权利要求1所述的同轴旋转腐蚀流动模拟系统，其特征在于，所述的试片嵌槽(6)、试片三等分分布在同轴外筒内壁上。
5.根据权利要求4所述的同轴旋转腐蚀流动模拟系统，其特征在于，所述的试片只有径向轴线的一面裸露，其余5个面与腐蚀介质绝缘隔离。
6.根据权利要求1所述的同轴旋转腐蚀流动模拟系统，其特征在于，所述的同轴内筒与同轴外筒之间的环形腔体内设有腐蚀介质(7)。
7.根据权利要求1所述的同轴旋转腐蚀流动模拟系统，其特征在于，所述的同轴内筒材质选用机械强度好的非金属绝缘材料。
8.根据权利要求1所述的同轴旋转腐蚀流动模拟系统，其特征在于，所述的同轴外筒的材质选用机械强度好的非金属绝缘材料；外筒壁厚≥5mm。
9.根据权利要求8所述的同轴旋转腐蚀流动模拟系统，其特征在于，所述的同轴外筒内径与现场管道内径相等。
10.根据权利要求7所述的同轴旋转腐蚀流动模拟系统，其特征在于，所述的同轴内筒外径根据现场管道的流动雷诺数范围和同轴内筒旋转转速范围确定，具体确定方法如下：
现场的管道流动中，圆管道的雷诺数：
<mrow> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>e</mi> <mi>g</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>v</mi> <mi>d</mi> </mrow> <mi>v</mi> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>4</mn> <mi>Q</mi> </mrow> <mrow> <mi>&amp;pi;</mi> <mi>v</mi> <mi>d</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中：
Reg为实验介质的雷诺数；
v为流体流速，m/s；
d为管道直径，单位为m；
ν为流体的运动粘度，m2/s；
Q为管道内流体流量，m3/s；
根据实际数据计算出雷诺数的大小和范围来确定实验所需同轴内筒的内径，可调转速电机的转速范围，进而确定同轴内筒的直径；
在内筒转动时，根据库特对牛顿流体的研究可用下列公式计算雷诺数：
<mrow> <mi>Re</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;Omega;R</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>R</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>R</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mi>&amp;upsi;</mi> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中：
Re为实验介质的雷诺数；
Ω为搅拌机搅拌棒的旋转角速度，rad/s；
R2为转子的半径，单位为mm；
R1为圆筒容器的内半径，单位为mm；
υ为实验介质的运动粘度，mm2/s。
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