CN110672507A

CN110672507A - 一种可调节式油水两相管壁润湿及腐蚀测量实验装置

Info

Publication number: CN110672507A
Application number: CN201910973341.XA
Authority: CN
Inventors: 刘骁飞; 龚程程; 金浩哲; 王超
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT; Zhejiang Sci Tech University ZSTU; Zhejiang University of Science and Technology ZUST
Priority date: 2019-10-14
Filing date: 2019-10-14
Publication date: 2020-01-10

Abstract

本发明提供一种可调节式油水两相管壁润湿及腐蚀测量实验装置，包括卧式油水分离器和可翻转的支架装置，所述卧式油水分离器上设有两个出口和一个进口，所述卧式油水分离器的两个出口分别连接有并联的供水系统和供油系统，所述供水系统和供油系统的并联端与卧式油水分离器的进口之间设有有机玻璃测试段系统，所述有机玻璃测试段系统固定在支架装置上，本发明提供了一种可调节式油水两相管壁润湿及腐蚀测量实验装置。

Description

一种可调节式油水两相管壁润湿及腐蚀测量实验装置

技术领域

本发明涉及含有水溶液腐蚀测试技术领域，具体为一种可调节式油水两相管壁润湿及腐蚀测量实验装置。

背景技术

油-水两相流动广泛存在于油气输送、化学工程、石油化工、海洋工程等多个行业，当管道内部的水溶解CO₂、H₂S、HCl等腐蚀性介质后，会形成强腐蚀性溶液，一旦与管壁接触(称为壁面润湿)会发生强烈地电化学反应，造成严重的内部腐蚀现象。大量文献指出烃类腐蚀性较低，在油气输送过程中，如果将管道内腐蚀性的水相离散到油相中会显著降低管壁的腐蚀风险。因此，在许多防腐工程中，确定油水两相的润湿状态一直是研究的热点。

国内外研究成果表明油水两相流动过程中壁面润湿状态与腐蚀存在密切关系，相关科研院校都设计了相应的实验装置来实现壁面水润湿与腐蚀之间的关联研究，然而，各装置之间明显存在一些不足和缺陷：

国内外现有的油水两相流动实验装置，多采用水平或竖直方向布置形式，缺乏多种流动形式下的油水两相流动的研究，如：竖直至水平、水平至竖直、水平至水平等，因此不能完善表征油水两相不同流动形式下的管壁润湿及腐蚀机理。

针对油水两相在管道内流型的研究，较多为分层流、分散流(水平方向)和弹状流、泡状流(竖直方向)，缺乏典型管件(弯管、三通等)处壁面润湿状态和腐蚀机理的影响。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种可调节式油水两相管壁润湿及腐蚀测量实验装置，解决了上述背景技术中提出的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种可调节式油水两相管壁润湿及腐蚀测量实验装置，包括卧式油水分离器和可翻转的支架装置，所述卧式油水分离器上设有两个出口和一个进口，所述卧式油水分离器的两个出口分别连接有并联的供水系统和供油系统，所述供水系统和供油系统的并联端与卧式油水分离器的进口之间设有有机玻璃测试段系统，所述有机玻璃测试段系统固定在支架装置上。

进一步的，所述供油系统包括与卧式油水分离器的上部出口相连的储油罐，所述储油罐的出口依次串联有第一过滤器、第一球阀、油泵、第一电磁流量计和第一压力表，所述储油罐上设有油罐底部排出口且在油罐底部排出口处设有第四球阀。

进一步的，所述供水系统包括与卧式油水分离器的下部出口相连的储水罐，卧式油水分离器的下部出口与储水罐之间设有第三球阀，所述储水罐的出口依次串联有第二过滤器、第二球阀、耐腐蚀水泵、第二电磁流量计和第二压力表，所述储水罐上设有储水罐底部排出口且在储水罐底部排出口处设有第五球阀。

进一步的，所述有机玻璃测试段系统包括依次串联的第一有机玻璃测试段、第二有机玻璃测试段、第三有机玻璃测试段和第四有机玻璃测试段，所述第一有机玻璃测试段和第二有机玻璃测试段之间设有温度计，所述第二有机玻璃测试段上并联有压力变送器，所述第二有机玻璃测试段处设有高速摄像仪，所述第三有机玻璃测试段上安装有工作电极、参比电极和对电极。

进一步的，还包括电化学工作站，所述工作电极、参比电极和对电极均连接电化学工作站，所述电化学工作站连接有显示器。

进一步的，所述第三有机玻璃测试段为空心的弧形圆柱体，所述工作电极沿着第三有机玻璃测试段的中心线每隔10°均匀分布。

进一步的，所述参比电极和对电极均安装在第三有机玻璃测试段的内壁。

进一步的，所述支架装置包括支架平台，所述支架平台上设有第一支架组件、第三支架组件和第四支架组件，所述第一支架组件和第三支架组件的一端铰接有第二支架组件，所述第四支架组件上设有伸缩杆，所述第四支架组件上设有调节伸缩杆升降的调节螺栓，所述伸缩杆的一端设有挂钩，所述第二支架组件上设有与挂钩配合的沟槽，所述第二支架组件设有若干用于固定有机玻璃测试段系统的卡扣。

进一步的，所述第一支架组件、第三支架组件和第四支架组件的底部均设有三脚架。

进一步的，所述支架平台的底部设有滚轮。

(三)有益效果

本发明提供了可调节式油水两相管壁润湿及腐蚀测量实验装置。具备以下有益效果：

1、通过调节循环测试回路中油水比例和改变实验段布置形式获得不同流型和流动方向，通过高频电阻探针判断不同流动方式下管壁的润湿状态，与电化学工作站协同计算润湿位置处的腐蚀速率，从而建立壁面润湿状态和腐蚀之间的关联关系，揭示油水两相在不同流型下对典型管道内腐蚀机理。

2、增加弯管、三通等管道内流型的研究，为典型管件处壁面润湿状态和腐蚀机理提供实验基础。

附图说明

图1是本发明一种可调节式油水两相管壁润湿及腐蚀测量实验装置的总体结构示意图；

图2是图1支架装置的示意图；

图3是图2第四支架组件的结构示意图；

图4是图2支架上部分的主视图；

图5是图4在A-A’方向上的剖视图；

图6是图4在B-B’方向上的剖视图；

图7是第三有机玻璃测试段的部分轮廓图；

图8是图7O-O’上的截面图。

标注说明：1、卧式油水分离器；3、储油罐；4、第一过滤器；5、第一球阀；6、油泵；7、第一电磁流量计；8、第一压力表；9、储水罐；10、第二球阀；11、耐腐蚀水泵；12、第二压力表；13、第一有机玻璃测试段；14、温度计；15、压力变送器；16、第二有机玻璃测试段；17、高速摄像仪；18、第三有机玻璃测试段；19、第四有机玻璃测试段；20、显示器；21、电化学工作站；23、工作电极；24、参比电极；25、对电极；26、第三球阀；27、第二过滤器；28、第二电磁流量计；29、第四球阀；30、第五球阀；31、软管；32、支架装置；33、支架平台；34、三角架；35、第一支架组件；36、卡扣；37、第二支架组件；38、第四支架组件；39、第三支架组件；40、伸缩杆；41、调节螺栓；42、挂钩；43、沟槽。

具体实施方式

参照图1至图8对本发明一种可调节式油水两相管壁润湿及腐蚀测量实验装置的实施例作进一步说明。

本发明中储水罐9中底部出口依次经第二过滤器27、第二球阀10、耐腐蚀水泵11、第二电磁流量计28、并与第二压力表12进口相联通，第二压力表12出口通过软管31与三通进口相联通，其中三通主出口依次与主要的第一有机玻璃测试段13、温度计14、第二有机玻璃测试段16与在壁面装有三电极的第三有机玻璃测试段18进口相联通；第二有机玻璃测试段16两端连接一个压力变送器15，其进口端与温度计14出口端和第二有机玻璃测试段16进口之间相联通，出口端与第二有机玻璃测试段16出口与第三有机玻璃测试段18进口端之间相联通，第二有机玻璃测试段16出口依次经过第三有机玻璃测试段18、第四有机玻璃测试段19后与卧式油水分离器1混合进口相联通，通过高速摄像仪17观察第二有机玻璃测试段16中的液体流速情况，卧式油水分离器1底部水出口经过第三球阀26、和在底部装有排水的第四球阀29的储水罐9上端进口相联通，构成单相水溶液测试主回路；卧式油水分离器1顶部油出口依次经过底部含有第五球阀30的储油罐3、第一过滤器4、第一球阀5、油泵6、第一电磁流量计7、第一压力表8与第一有机玻璃测试段13进口与第二压力表12之间的三通配件次出口相连通，构成测试次回路为油水两相腐蚀测试回路提供油相介质，并通过电化学工作站21检测，用显示屏20显示测得数据。

如图2所示，所述的支架装置32主要由支架平台33、三脚架34、第一支架组件35、卡扣36、第二支架组件37、第三支架组件39和第四支架组件38组成；其中第一支架组件35和第三支架组件39主要通过三角架34固定在支架平台33上；第三支架组件39主要由顶部的挂钩42、伸缩杆40以及调节螺栓41组成，如图3所示，通过调节螺栓41调节其高度，通过顶部的挂钩42与第二支架组件37焊接上的沟槽43相连接形成三角稳定支撑的形式；第二支架组件37分别与第一支架组件35和第三支架组件39通过铰接的形式相连接，通过转动实现不同倾斜角(0～90度)管束形式的调节，此外，在第一支架组件35、第二支架组件37和第三支架组件39分别固定了卡扣36来固定安装的管道，如图4-6所示。

如图7和8所示，第三有机玻璃测试段18壁面上安装了工作电极23、参比电极24、和对电极25，其中工作电极23沿着第三有机玻璃测试段18的中心线每隔10°均匀分布，并且沿着周向的位置每隔90°均匀分布。工作电极23主要是以同心圆柱的结构形式存在，主要由内圈碳钢、中间用环氧树脂的材料来隔离外部由不锈钢材料组成的套筒形成的同心圆柱高频电阻探针，其中碳钢的直径为3mm,环氧树脂与碳钢壁面的径向距离为4mm,外部套筒的外宽度为3mm；此外，参比电极24和对电极25都安装在壁面内壁与管道内的电解液充分接触。

本发明主要通过油泵6和耐腐蚀水泵11改变管道中油水的比例，并结合多通道电化学工作站21研究不同流型下测试管段(第一有机玻璃测试段13、第二有机玻璃测试段16、第三有机玻璃测试段18及第四有机玻璃测试段19)中腐蚀与壁面水润湿的关系，本实验主要从实验装置的气密性及水压测试、腐蚀性溶液的配比、测试管段的油水流型调整、多通道电化学工作站21使用及参数测试(Tafel曲线、EIS电阻谱)、腐蚀速率的计算、电导探针使用、多种流动形式之间转换方面着手，具体实验步骤及原理如下：

(1)气密性和水压试验

为保障整个可调节式油水两相壁面腐蚀测试装置的可靠性，需要对整个装置进行气密性试验和水压试验。首先检查装置的气密性，向储水罐9和储油罐3中分别加入2/3的溶液，然后打开第二和第三球阀26、关闭第一、第四、第五球阀30，用耐腐蚀水泵11抽取储水罐9中的溶液、充满整个测试装置，运行3-5分钟，观察在整个测试管道中是否存在因安装等问题存在严重的漏气和漏水的问题，打开第一球阀5，用油泵6抽取储油罐3中的油加入到管道中，同样运行3-5分钟，管道油路回路中是否存在同样的问题；检查完气密性后，加大油水阀门控制的开度，增大管道的流量，即增加管道中的流速，观察第一压力表8和第二压力表12中显示的数值是否在水压试验值的范围内。

(2)溶液浓度配比

本发明中使用的油相介质可采用白油，水溶液可以采用NH₄Cl等腐蚀性溶液，其计算公式主要用如下公式表示：

其中，

表示NH₄Cl溶液的浓度，％；m_NH4Cl表示NH₄Cl的溶质的质量，kg；m_water表示水溶液的质量,kg。

(1)油水两相的配比

为研究油水两相不同流型下壁面润湿及腐蚀机理等科学问题，需要通过配置管道中油水两相比例形成不同流型，首先打开第二、第三球阀26，关闭第一、第四和第五球阀30，通过耐腐蚀水泵11将调配好的NH4Cl溶液打到整个装置中，此时调节第二阀门的开度，将管道中的水溶液调到所需要的流量，通过电磁流量计进行读数，记作V_NH4Cl，此时，打开第一球阀5并接通油泵6运行，将储油罐3中的油打到系统中去，慢慢调整第一球阀5的开度，调到所需要的流量，同样用电磁流量计读取数据，记作V_oil，通过如下公式来实现管道中油水两相各自的占比：

式中V_NH4Cl表示水相流量,m³/s；V_oil表示油相流量,m³/s；表示水相体积分数；

表示油相体积分数。

(4)电化学工作站21的使用和测试参数

开启电化学工作站21之前，需要正确的连接电极的位置，通常电化学工作站21中的绿色和灰色的端子相连作为工作电极23端子，白色代表参比电极24端子，红色代表对电极25端子，并且三者要在溶液中构成一个闭合回路才能工作，就需要使对电极25和参比电极24要与电解液充分接触。正确连接线路后，开启电化学工作站21，首先需要测试样片的开路电位(OCP)，运行半个小时使系统稳定运行之后在分别测试Tafel曲线及EIS电化学族谱参数的测量，其中动电位的电压幅值在-25mv～25mv,扫描速率设置为3.33m/s，其它设置参数可保持默认，点击运行按钮进行Tafel曲线测量，测量完后，记入并保存所需要的数据；针对EIS电化学阻抗谱参数，可将频率范围控制在0.01Hz～100000Hz之间，其它参数保持不变，运行电化学工作站21，从界面上得出相位角、电阻与时间的关系曲线，记录并保存数据后，关闭电化学工作站21。

(5)腐蚀速率计算

本发明可用来研究油水两相在不同流型下管段壁面润湿与腐蚀之间的关系。在此基础上需要计算腐蚀速率，腐蚀速率可由电流密度计算得到，如下所示：

式中R_p表示线性极化电阻；i_corr表示腐蚀电流，μA；b_a和b_c表示Tafel曲线阳极和阴极的斜率；ΔE表示电势的变化量,V；Δi电流的变化量,μA；EW表示样本的等效质量；A表示表面积,cm2；ρ表示密度，g/cm3；0.13表示公制和时间的转换系数，B为公式代号。

(6)高频电阻探针的使用及水润湿类型的判定

由于不同相态接触探针时会显示出不同的阻抗信号，因此，在变工况下根据电电阻与时间的波动信号可以判断壁面上介质种类。统计安装在测试段电导探针的电压信号，即可判断湿润类型(水润湿、间歇湿润、油润湿)，具体公式如下所示：

式中α_w表示水润湿权重；α_i表示第i个水润湿信号；n表示电导高频电阻探针总数量。

(7)多种流动形式间切换

在进行实验前，需要安装、测试及明确自己所要的研究内容，具体调节安装如下所示：首先，固定卧式油水分离器1、储水罐9、储水罐9、第一、第二过滤器27、第一至第五球阀30、油泵6、耐腐蚀水泵11、第一、第二流量计、第一、第二压力表12等位置和连接方式与具体实施方式的阐述一致；其次将可移动支架平台33通过滚轮移动到合适的位置，依次将第一支架组件35通过三角架34固定在可移动平台上，然后通过转轴分别连接第二支架组件37和第三支架组件39后，通过调节第四支架组件38的高度将其调节到合适的安装位置，采用第四支架组件38顶部的挂钩42和第二支架组件37的沟槽43相连接，使其中心落在三角架34内；接着依次将有第一有机玻璃测试段13、第二有机玻璃测试段16、第三有机玻璃测试段18、第四有机玻璃测试段19都通过卡扣36的形式固定在可移动支架平台33上，将测试段完全固定在可移动支架平台33上后并相互连接好；将第一压力表8出口通过一个三通T型连接件以软管31相联通，其中三通的主出口与第一有机玻璃测试段13进口通过软管31相联通，次出口与第二压力表12出口同样以软管31的形式相连接；第一有机玻璃测试段13出口依次与第二有机玻璃测试段16、第三有机玻璃测试、第四有机玻璃测试段19进口相联通，第四有机玻璃测试段19出口通过软管31与卧式油水分离器1相联通，构成了整个油水两相测试回路，完成整个安装过程后，通过调节螺栓41调节第四支架组件38的高度后可实现水平至水平、水平至竖直和不同倾斜角之间的实验。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种可调节式油水两相管壁润湿及腐蚀测量实验装置，其特征在于：包括卧式油水分离器和可翻转的支架装置，所述卧式油水分离器上设有两个出口和一个进口，所述卧式油水分离器的两个出口分别连接有并联的供水系统和供油系统，所述供水系统和供油系统的并联端与卧式油水分离器的进口之间设有有机玻璃测试段系统，所述有机玻璃测试段系统固定在支架装置上。

2.根据权利要求1所述的一种可调节式油水两相管壁润湿及腐蚀测量实验装置，其特征在于：所述供油系统包括与卧式油水分离器的上部出口相连的储油罐，所述储油罐的出口依次串联有第一过滤器、第一球阀、油泵、第一电磁流量计和第一压力表，所述储油罐上设有油罐底部排出口且在油罐底部排出口处设有第四球阀。

3.根据权利要求1所述的一种可调节式油水两相管壁润湿及腐蚀测量实验装置，其特征在于：所述供水系统包括与卧式油水分离器的下部出口相连的储水罐，卧式油水分离器的下部出口与储水罐之间设有第三球阀，所述水箱的出口依次串联有第二过滤器、第二球阀、耐腐蚀水泵、第二电磁流量计和第二压力表，所述储水罐上设有储水罐底部排出口且在水箱底部排出口处设有第五球阀。

4.根据权利要求1所述的一种可调节式油水两相管壁润湿及腐蚀测量实验装置，其特征在于：所述有机玻璃测试段系统包括依次串联的第一有机玻璃测试段、第二有机玻璃测试段、第三有机玻璃测试段和第四有机玻璃测试段，所述第一有机玻璃测试段和第二有机玻璃测试段之间设有温度计，所述第二有机玻璃测试段上并联有压力变送器，所述第二有机玻璃测试段处设有高速摄像仪，所述第三有机玻璃测试段上安装有工作电极、参比电极和对电极。

5.根据权利要求4所述的一种可调节式油水两相管壁润湿及腐蚀测量实验装置，其特征在于：还包括电化学工作站，所述工作电极、参比电极和对电极均连接电化学工作站，所述电化学工作站连接有显示器。

6.根据权利要求4所述的一种可调节式油水两相管壁润湿及腐蚀测量实验装置，其特征在于：所述第三有机玻璃测试段为空心的弧形圆柱体，所述工作电极沿着第三有机玻璃测试段的中心线每隔10°均匀分布。

7.根据权利要求4所述的一种可调节式油水两相管壁润湿及腐蚀测量实验装置，其特征在于：所述参比电极和对电极均安装在第三有机玻璃测试段的内壁。

8.根据权利要求1所述的一种可调节式油水两相管壁润湿及腐蚀测量实验装置，其特征在于：所述支架装置包括支架平台，所述支架平台上设有第一支架组件、第三支架组件和第四支架组件，所述第一支架组件和第三支架组件的一端铰接有第二支架组件，所述第四支架组件上设有伸缩杆，所述第四支架组件上设有调节伸缩杆升降的调节螺栓，所述伸缩杆的一端设有挂钩，所述第二支架组件上设有与挂钩配合的沟槽，所述第二支架组件设有若干用于固定有机玻璃测试段系统的卡扣。

9.根据权利要求8所述的一种可调节式油水两相管壁润湿及腐蚀测量实验装置，其特征在于：所述第一支架组件、第三支架组件和第四支架组件的底部均设有三脚架。

10.根据权利要求8所述的一种可调节式油水两相管壁润湿及腐蚀测量实验装置，其特征在于：所述支架平台的底部设有滚轮。