CN111033225A - 高压/高温动态多相腐蚀-侵蚀模拟器 - Google Patents

高压/高温动态多相腐蚀-侵蚀模拟器 Download PDF

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Abstract

一种用于在高温、高压多相动态环境中测量腐蚀和腐蚀‑侵蚀速率的系统，其包括多个环形试件，所述多个环形试件相对于彼此以竖直布置的方式安置在测试容器内。将测试流体混合物添加到所述容器，并且维持温度和压力，使得在具有竖直分层的多相条件下存在所述混合物，从而使每个试件暴露于流体的不同相和/或相的组合。叶轮可以用于搅拌所述流体以提供动态环境。所述流体可以包括颗粒物质以模拟现实世界测试条件。分离器板可以安置在所述容器内的不同竖直位置处，以维持所述流体的各个相之间的分离，并进一步限制所述颗粒物质以防止其在测试系统的区段之间迁移。

Description

高压/高温动态多相腐蚀-侵蚀模拟器
技术领域
本专利申请大体上涉及腐蚀测试，并且更确切地说，涉及用于高压、高温多相测试的系统。
背景技术
执行腐蚀测量常常是耗时的过程，这是因为它通常需要将测试样本暴露于腐蚀性环境达很长的持续时间，接着测量测试样本的腐蚀量。通常，在每个测试过程期间都要对一种环境条件进行测试。因此，如果将要评估变化的环境，则必须执行几个单独的腐蚀测试。此外，常常难以用颗粒物质执行腐蚀测试，这是因为颗粒物质常常会污染整个测试系统。另外，许多恶劣环境测试并非动态的，这在于它们缺乏搅拌或摇动测试流体的能力。
本发明提供了针对这些和其它问题的解决方案。
发明内容
在本发明的一个方面中，提供一种高压、高温动态多相测试系统，其用于通过提供测试流体混合物对腐蚀性和腐蚀性-侵蚀性环境进行测试，所述测试流体混合物在所述系统内的不同位置处呈不同相，并与多个环形试件成环绕关系。所述测试系统包括界定内部区段的壳体。多个间隔环相对于彼此竖直地安置并由所述壳体支撑。所述多个环形试件当中的至少第一、第二和第三环形试件各自安置在所述多个间隔环中的至少两个间隔环之间。所述第一、第二和第三环形试件安置在所述壳体的相应的上部区段、中间区段和下部区段处。提供了多个分离器板。所述多个分离器板中的一个分离器板安置在所述壳体的所述上部和中间区段之间，并且所述多个分离器板中的另一个分离器板安置在所述壳体的所述中间和下部区段之间。所述分离器板被配置成维持所述多相测试流体的所述相中的每个相之间的分离，使得所述环形试件中的每个环形试件暴露于所述测试流体混合物的不同相或相的组合。
根据另一个方面，转子轴安置在外壳内并被布置成在所述测试流体内转动。
根据可以在根据一个或多个前述方面而构造的实施例中组合的又一个方面，第一和第二叶轮由所述转子轴支撑并被定位成搅拌所述外壳内的所述测试流体。
根据可以在根据一个或多个前述方面而构造的实施例中组合的又一个方面，所述第一和第二叶轮中的一个安置在所述壳体的所述下部区段处以搅拌所述测试流体的一个相，并且其中所述第一和第二叶轮中的另一个安置在所述壳体的所述中间区段处以搅拌所述测试流体的另一个相。
根据可以在根据一个或多个前述方面而构造的实施例中组合的另一个方面，挡板由所述壳体支撑并延伸到所述流体中，其中所述挡板被成形及布置成减少所述壳体内的所述流体中的涡流形成。
根据可以在根据一个或多个前述方面而构造的实施例中组合的另一个方面，颗粒物质安置在所述测试流体内以模拟额外的腐蚀和腐蚀-侵蚀条件。
根据可以在根据一个或多个前述方面而构造的实施例中组合的又一个方面，第一颗粒物质安置在所述测试流体的一个相内，并且第二颗粒物质安置在所述测试流体的另一个相内。
根据可以在根据一个或多个前述方面而构造的实施例中组合的又一个方面，所述第一颗粒物质是沙，并且所述第二颗粒物质是硫。
根据可以在根据一个或多个前述方面而构造的实施例中组合的另一个方面，所述分离器板被定位成限制所述第一和第二颗粒物质的迁移以防止其在所述壳体的相应区段之间迁移。
根据另一个方面，提供一种执行高压、高温动态多相测试系统以对测试容器中的腐蚀性和腐蚀性-侵蚀性环境进行测试的方法。所述方法包括准备测试系统的步骤。所述测试系统包括多个环形试件和界定内部区段的壳体。多个间隔环相对于彼此竖直地安置并由所述壳体支撑。所述多个环形试件当中的至少第一、第二和第三环形试件各自安置在所述多个间隔环中的至少两个间隔环之间。所述第一、第二和第三环形试件安置在所述壳体的相应的上部区段、中间区段和下部区段处。多个分离器板，其中所述多个分离器板中的一个分离器板安置在所述壳体的所述上部和中间区段之间，并且所述多个分离器板中的另一个分离器板安置在所述壳体的所述中间和下部区段之间。所述方法进一步包括提供测试流体混合物的步骤，所述测试流体混合物在所述系统内的不同位置处呈不同相，并与所述多个环形试件成环绕关系。所述分离器板被配置成维持所述多相测试流体的所述相中的每个相之间的分离，使得所述环形试件中的每个环形试件暴露于所述测试流体混合物的不同相或相的组合。在所述测试容器内维持温度和压力达一段时间，其中所述温度和压力模拟恶劣环境。检查所述多个环形试件。
附图说明
附图示出示范性实施例，并且不意图限制本发明。
图1示出根据本发明的实施例的测试系统的示意性侧视图。
具体实施方式
现在参考附图来描述本发明，附图形成本发明的一部分，并以图示的方式示出本发明的实例实施方案和/或实施例。应理解，在不脱离本发明的精神的情况下，可以实施其它实施例并且可以进行结构改变。举例来说，所公开的主题可以被实施为方法、装置、组件或系统等等。
此外，应认识到，术语可以具有在明确陈述的含义之外的背景中提出或暗示的有细微差别的含义。同样，如本文中所使用的短语“在一个实施例中”不一定是指同一个实施例，并且如本文中所使用的短语“在另一个实施例中”不一定是指不同实施例。举例来说，希望所要求的主题可以基于个别实例实施例的组合或个别实例实施例的部分的组合。
根据本申请，提供了涉及用于在处于高压和高温的动态多相酸性环境下提供材料和腐蚀抑制剂的筛选和评估的系统和装置的实施例。作为一个实例，在某些实施例中，系统可以在高达690巴(10,000psi)和260℃(500℉)的恶劣测试条件下操作。在其它实例中，系统可以操作以在大约5,000psi至10,000psi和250℉至500℉之间的范围条件下测试恶劣条件。这些恶劣条件可以在五升大小的高压釜反应器中被测试。测试可以在动态条件下进行，这可以通过使用径向叶轮搅拌测试溶液来实现。叶轮可以位于测试容器的中心区域处，并且环形测试样品可以被布置成环绕中心区域，其中环形样品在容器内静止。测试溶液可以包括悬浮粒子(例如沙和/或元素硫)以及烃(液体和/或气体)和/或水相和气相流体(例如硫化氢、二氧化碳和氧)的各种组合。腐蚀测试环样品可以安装在非金属插件中，并可以竖直地布置在容器内，使得相应测试环样品暴露于测试容器的下部、中间和上部区段。膜可以安置在相应区段之间，这可以限制悬浮粒子在测试容器的相应区段之间的迁移(例如限制沙粒子和/或硫固体以防止其从一个区段移动到另一个区段)。膜还可以使测试流体中的涡流形成最小化，尤其是在测试流体的动态搅拌期间。测试系统可以被进一步配置，例如将沙和元素硫放置在测试容器的中间区段内。
测试系统可以进一步包括旋转轴，叶轮附接到旋转轴以进行搅拌旋转。系统可以包括两个叶轮，一个叶轮支撑在轴的下部区段处以搅拌容器的下部区段，并且另一个叶轮支撑在轴的中间区段处以搅拌容器的中间区段。叶轮的旋转可以例如在容器的下部区段处的测试流体中产生高壁剪应力，并在容器的中间区段处的测试流体的液体-气体界面处模拟流型。在容器内叶轮沿着轴的竖直位置是可调整的。使用环形测试样品(与矩形扁平测试样品相反)会有助于确保测试样品保持通常存在于井下管道以及地表流水管线和干线中的残余应力，并且因此可以对实际条件提供更准确的模拟。
现在参考图1，示出如上文所描述的测试系统的实施例的一个实例。测试系统100包括外部壳体102。壳体102可以是非金属材料，例如聚酰胺-酰亚胺(例如Torlon)。壳体可以插入到由例如哈斯特合金C276(Hastelloy C276)的耐腐蚀材料制成的高压釜测试容器(未示出)中。壳体102的大小和形状可以被设定成使得在壳体102的顶部和高压釜头部(例如罩盖，未示出)之间提供空间104(由图1中的壳体上方的虚线空间表示)。壳体102形成支撑环形测试样品106的组合件的一部分。可以包括三个测试样品106，其中一个测试样品位于壳体的下部区段以及壳体的中间区段和壳体的上部区段处，其分别对应于测试容器的下部、中间和上部区段。非金属环108(例如聚酰胺-酰亚胺材料)可以散置在测试样品106之间，非金属环108可以用作相邻测试样品之间的间隔物。壳体102的底部区段可以包括肩部110，肩部110为下部测试环106提供间隔并还提供轴承表面，测试环106和间隔环108可以抵靠所述轴承表面而安放，如下文更详细地所论述。非金属垫圈112(例如聚醚醚酮(PEEK))可以安置在每个测试样品106的上侧和下侧上。
上部分离器114和下部分离器116可以安置在壳体内(例如包夹在相邻环108之间)以界定测试容器的下部、中间和上部区段之间的边界。因此，容器的下部区段可以容纳测试流体的水相118，容器的中间区段可以容纳测试流体的水相118和烃相120的组合，容器的上部区段可以容纳测试流体的烃相120和气相122的组合，如图1所示。可以提供容器内的其它相分布。上部分离器114和下部分离器116可以由例如PEEK或哈斯特合金C276的耐腐蚀材料制成。
在某些布置中，测试流体可以包括在测试容器中的各个位置处悬浮在流体的各个相内的颗粒物质的组合。举例来说，如图1所示，下部区段容纳在测试流体的水相118中的沙粒子124，并且上部区段容纳在流体的烃相120中的固体元素硫126(例如粒料或晶体)。如图所示，举例来说，上部分离器114有助于限制硫126的移动以防止其从上部区段迁移到中间区段。举例来说，下部分离器116有助于限制沙粒子124的移动以防止其从下部区段迁移到中间区段。
为完成壳体组装，扣件128(例如由例如哈斯特合金C276的耐腐蚀材料制成的双头螺栓)从壳体102的上部区段延伸直到壳体的底部。垫圈130(例如金属耐腐蚀哈斯特合金C276)安置在扣件128的上部和下部区段处。非金属垫圈132(例如PEEK)可以设置在上部垫圈130下方。测试环106、间隔环108和分离器114、116的组合可以抵靠壳体102的下部肩部110而安放，并且扣件128和垫圈130、132有助于将这些元件维持为组装形式。
转子轴134可以居中安置在容器内，并可以支撑第一叶轮136和第二叶轮138。在某些实施例中，第一叶轮136可以大于第二叶轮138。第一叶轮136可以被布置成安置在转子轴134的下部区段处。第二叶轮138可以被布置成安置在转子轴的中间区段处。在使叶轮相对于测试流体合适地定位的同时，可以构造不同布置。因此，第一叶轮136可以被定位成搅拌容器的容纳测试流体的水相118的下部区段，并且第二叶轮138可以被定位成搅拌容器的容纳测试流体的烃相120的中间区段。在一个实施例中，第一和第二叶轮可以是6扁平叶片盘式涡轮，并由耐腐蚀材料(例如哈斯特合金C276)制成。转子轴134的旋转会使第一和第二叶轮旋转，这提供了测试流体的受控搅拌。挡板140(以虚线示出)可以从壳体延伸并延伸到测试流体中。挡板140有助于防止在搅拌期间在流体中形成涡流，形成涡流可能会造成测试结果不可靠。
系统可以进一步包括用于测量测试流体的pH水平的pH电极142，以及用于测量测试流体中的溶解氧量的氧电极。还可以提供浸渍/冲洗管144。
因此，环形测试样本、搅拌叶轮、多相测试流体、分离器膜和悬浮粒子的组合提供了用于在高压、高温环境中的腐蚀和腐蚀测试样本的有效系统。环形测试样本较佳地近似实际现实结构(例如管路)，并且因此测试结果将更准确。叶轮提供了测试流体的搅拌，这提供了更接近地近似实际现实条件的动态环境，以用于进行更准确的测试。在流体中包括各种固体粒子会进一步增强测试。沙固体粒子可以用于模拟侵蚀和侵蚀-腐蚀过程，而元素硫粒子可以用于模拟由井下管道系统和壳体上沉积的硫引起的侵袭性腐蚀。此外，多相环境与分离器板的组合准许用单个测试针对各种条件执行腐蚀测试。可以将包括环形测试片件和间隔物的测试系统100放置到测试容器中，所述测试容器的大小和形状被设定成收纳测试系统100，并且所述测试容器能够在高温和高压的恶劣测试条件下操作。可以将测试流体和固体粒子添加到测试容器中。可以升高温度和压力以模拟恶劣环境条件(例如作为一个实例介于5,000-10,000psi和250℉-500℉之间)。叶轮可以用于搅拌流体混合物以模拟动态条件。在一段时间之后，可以移除环形测试片件，并且可以评估腐蚀和/或腐蚀-侵蚀速率。
值得注意的是，以上附图和实例无意将本申请的范围限于单个实施方案，这是因为借助于所描述或所说明的元件中的一些或全部的互换，其它实施方案是可能的。此外，在本申请的某些元件可以使用已知组件被部分地或完全实施的情况下，仅描述此类已知组件中对于理解本申请来说必需的那些部分，并且省略对此类已知组件的其它部分的详细描述，以免混淆本申请。在本说明书中，除非本文中明确地另外陈述，否则示出单个组件的实施方案不一定限于包括多个相同组件的其它实施方案，反之亦然。此外，申请人无意将说明书或所附权利要求书中的任何术语归于不常见或特殊含义，除非明确这样陈述。另外，本申请涵盖本文中以说明方式提到的已知组件的当前和未来已知等效物。
具体实施方案的以上描述将如此充分地揭示本申请的一般性质，以至于其他人可通过应用相关领域技术范围内的知识(包括所引用和通过引用并入本文中的文件的内容)，在不过度实验、不脱离本申请的一般概念的情况下，来容易地修改和/或调适如特定实施方案的各种应用。因此，基于本文中所呈现的教示和指导，此类调适和修改意欲在所公开具体实例的等效物的含义和范围内。应理解，本文中的措词或术语是出于描述而非限制的目的，使得本说明书的术语或措辞将由技术人员根据本文中呈现的教示和指导，结合相关领域技术人员的知识来解释。应理解，所论述或示出的尺寸是根据一个实例示出的附图，并且在不脱离本发明的情况下可以使用其它尺寸。
尽管上文已经描述了本申请的各种实施方案，但是应理解，这些实施方案仅通过实例而不是限制性的方式来呈现。对于相关领域的技术人员而言显而易见的是，在不脱离本申请的精神和范围的情况下，可以在其中进行形式和细节上的各种改变。因此，本申请不应受到上述实例实施方案中的任一者的限制。

Claims (10)

1.一种高压、高温动态多相测试系统，其用于通过提供测试流体混合物对腐蚀性和腐蚀性-侵蚀性环境进行测试，所述测试流体混合物在所述系统内的不同位置处呈不同相，并与多个环形试件成环绕关系，所述测试系统包含：
壳体，其界定内部区段；
多个间隔环，其相对于彼此竖直地安置并由所述壳体支撑；
其中所述多个环形试件当中的至少第一、第二和第三环形试件各自安置在所述多个间隔环中的至少两个间隔环之间，其中所述第一、第二和第三环形试件安置在所述壳体的相应的上部区段、中间区段和下部区段处；以及
多个分离器板，其中所述多个分离器板中的一个分离器板安置在所述壳体的所述上部和中间区段之间，并且所述多个分离器板中的另一个分离器板安置在所述壳体的所述中间和下部区段之间，
其中所述分离器板被配置成维持所述多相测试流体的所述相中的每个相之间的分离，使得所述环形试件中的每个环形试件暴露于所述测试流体的不同相或相的组合。
2.根据权利要求1所述的测试系统，其进一步包含转子轴，所述转子轴安置在外壳内并被布置成在所述测试流体内转动。
3.根据权利要求2所述的测试系统，其进一步包含第一和第二叶轮，所述第一和第二叶轮由所述转子轴支撑并被定位成搅拌所述外壳内的所述测试流体。
4.根据权利要求3所述的测试系统，其中所述第一和第二叶轮中的一个安置在所述壳体的所述下部区段处以搅拌所述测试流体的一个相，并且其中所述第一和第二叶轮中的另一个安置在所述壳体的所述中间区段处以搅拌所述测试流体的另一个相。
5.根据权利要求3所述的测试系统，其进一步包含挡板，所述挡板由所述壳体支撑并延伸到所述流体中，其中所述挡板被成形及布置成减少所述壳体内的所述流体中的涡流形成。
6.根据权利要求1所述的测试系统，其进一步包含颗粒物质，所述颗粒物质安置在所述测试流体内以模拟额外的腐蚀和腐蚀-侵蚀条件。
7.根据权利要求1所述的测试系统，其进一步包含：第一颗粒物质，其安置在所述测试流体的一个相内；以及第二颗粒物质，其安置在所述测试流体的另一个相内。
8.根据权利要求7所述的测试系统，其中所述第一颗粒物质是沙，并且所述第二颗粒物质是硫。
9.根据权利要求7所述的测试系统，其中所述分离器板被定位成限制所述第一和第二颗粒物质的迁移以防止其在所述壳体的相应区段之间迁移。
10.一种执行高压、高温动态多相测试系统以对测试容器中的腐蚀性和腐蚀性-侵蚀性环境进行测试的方法，其包括以下步骤：
准备测试系统，所述测试系统包括：
多个环形试件；
壳体，其界定内部区段；
多个间隔环，其相对于彼此竖直地安置并由所述壳体支撑；
其中所述多个环形试件当中的至少第一、第二和第三环形试件各自安置在所述多个间隔环中的至少两个间隔环之间，其中所述第一、第二和第三环形试件安置在所述壳体的相应的上部区段、中间区段和下部区段处；以及
多个分离器板，其中所述多个分离器板中的一个分离器板安置在所述壳体的所述上部和中间区段之间，并且所述多个分离器板中的另一个分离器板安置在所述壳体的所述中间和下部区段之间，
提供测试流体混合物，所述测试流体混合物在所述系统内的不同位置处呈不同相，并与所述多个环形试件成环绕关系，其中所述分离器板被配置成维持所述多相测试流体的所述相中的每个相之间的分离，使得所述环形试件中的每个环形试件暴露于所述测试流体的不同相或相的组合；
在所述测试容器内维持温度和压力达一段时间，其中所述温度和压力模拟恶劣环境；以及
检查所述多个环形试件的腐蚀性和腐蚀性-侵蚀性作用。
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