CN111307640A - 一种防腐管道耐冲蚀能力试验系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种防腐管道耐冲蚀能力试验系统，包括：试验工作平台，储液罐(12)、模拟环路管道、试样夹持系统及试验射流喷头(7)，储液罐内装有试验溶液及一定质量分数的砂子组成的试验流体，模拟环路管道用于供试验流体流动，包括：由不锈钢管、阀门及法兰组成的主体支撑管路子系统；砂浆子系统，包括砂浆泵(4)、砂浆泵冷却水泵(9)以及变频控制器(10)；补水子系统，包括补水口(5)；以及冷却水子系统，包括冷却水进水口(1)、冷却水出水口(2)以及冷却水管(3)；试样夹持系统包括：试样夹具(14)以及试样座(15)，试样(13)被夹持在角度可调的试样夹具上，试样座可移动。还提供了防腐管道耐冲蚀能力试验方法。

Description

一种防腐管道耐冲蚀能力试验系统及试验方法

技术领域

本发明涉及一种管道试验技术领域，特别是一种防腐管道耐冲蚀能力试验系统及试验方法。

背景技术

3PE防腐钢管的三层3PE防腐结构：第一层为环氧粉末FBE＞100um，第二层为胶粘剂AD170～250um，第三层为聚乙烯3PE2.5～3PE.7mm。国标3PE防腐钢管母材包括无缝钢管，螺旋钢管和直缝钢管。防腐管道可分为两点类，内衬防腐钢管和外壁防腐钢管。内衬防腐主要有水泥砂浆衬里防腐钢管应用较多，成本较低，水泥砂浆衬里防腐钢管利用水泥砂浆防腐层对管道起到防腐作用。外壁防腐管道应用较多的是3pe防腐管道。防腐技术是对钢管的外壁或内壁覆盖防腐涂层达到对管道本身保护作用的工艺。对直缝钢管、螺旋钢管等各种管道都可以加工。其中为了防止输送易燃和有毒的流体时引起爆炸导致人身伤亡、损失财产等事故，螺旋钢管厂采用相应工艺标准，不断的满足重要的性能操作，在检测和测量过程中保证质量安全的在市场中使用。国标3PE防腐钢管国家标准厚度2.5～3.7mm，相同规格的3PE防腐焊管一般是在普通级的厚度上+0.5，涂层耐温性好，可在－40℃～300℃的环境下长期使用。不会发生燃烧及软化现象；强度高，常温下经过测试压力可达5.5Mpa；流体阻力小，管道不结垢，提升输送效率；耐酸、碱、盐的腐蚀，50年之内管路不会生锈。连接方式多样，可用螺纹连接、法兰连接及沟槽连接件连接、双金属焊接连接，埋地管路可用焊接，利用涂塑焊接技术可以使涂塑焊管完美焊接起来。内外涂塑焊管被广泛应用在建筑行业给排水系统、暖通循环水系统，石油、化工输送管，消防喷淋系统，天然气、煤气输送等领域。

然而，3PE防腐钢管面临的一个突出问题是冲蚀磨损，冲蚀磨损是指流体或带有磨砺性固体颗粒的流体束以一定的速度和角度对材料表面进行冲击所造成的磨损。现有技术目前还没有任何针对防腐管道耐冲蚀能力的试验研究。

发明内容

为了克服现有技术中这部分的缺失及不足，本发明提供一种防腐管道耐冲蚀能力试验系统，搭建冲蚀试验环路，并利用该试验环路，开展多因素组合模拟工况条件下的冲蚀试验，研究3PE涂层管道耐冲蚀能力，通过对3PE涂层冲蚀破坏的临界时间的分析，不同阶段3PE冲蚀形貌及冲蚀深度测量分析，探究3PE涂层冲蚀破坏的发展规律及主要控制因素。通过多因素组合模拟工况条件下3PE涂层耐冲蚀试验研究，分析冲蚀最严重的参数组合，开展管道钢基体耐冲蚀试验，研究涂层破坏后管道基体耐冲蚀能力，通过不同阶段管道基体冲蚀形貌及深度测试分析，总结管道基体冲蚀破坏发展规律，并结合数值模拟计算进行冲蚀表面物料分布及剪切力等分布状态，为后续更有效的管理类似冲蚀风险提供依据。

本发明的目的在于提供一种防腐管道耐冲蚀能力试验系统，包括：试验工作平台，储液罐(12)、模拟环路管道、试样夹持系统以及试验射流喷头(7)，其中试验工作平台上承载所述储液罐(12)、模拟环路管道、试样夹持系统以及试验射流喷头(7)，所述储液罐(12)内装有试验溶液及一定质量分数的砂子组成的试验流体，固液两相混合介质作为所述试验流体，所述模拟环路管道用于供试验流体流动，采用不锈钢材质搭建，包括：

由不锈钢管、阀门及法兰组成的主体支撑管路子系统；

砂浆子系统，包括砂浆泵(4)、砂浆泵冷却水泵(9)以及变频控制器(10)，砂浆泵(4)为带有内衬的变频砂浆泵，所述砂浆泵(4)作为动力驱动试验流体通过阀门(17)与所述试验射流喷头(7)连通，所述砂浆泵冷却水泵(9)与所述砂浆泵(4)连接并提供工作状态下所述砂浆泵(4)的冷却，所述变频控制器(10)与所述砂浆泵(4)连接以调节所述砂浆泵(4)的工作频率；

补水子系统，包括补水口(5)，设置并沿所述模拟环路管道外侧面伸出；以及

冷却水子系统，包括冷却水进水口(1)、冷却水出水口(2)以及冷却水管(3)，所述冷却水管(3)缠绕在所述模拟环路管道下方的系统水箱的外部，冷却水持续通过可以保证所述系统水箱的水温控制在一定温度以下；

所述试样夹持系统包括：

试样夹具(14)以及试样座(15)，试样(13)被夹持在所述试样夹具(14)上，所述试样夹具(14)角度可调，所述试样夹具(14)底座带有滑轨，试样夹具(14)采用不锈钢制作，可通过调节所述试样夹具(14)的角度以获取不同的冲蚀角度，所述试样座(15)可移动，所述试样夹具(14)通过底座上的滑轨垂直且可移动的安装在所述试样座(15)上，由所述试样座(15)带动所述试样夹具(14)移动，以灵活调节与喷头的距离，以获取不同的作用距离。

优选的，所述储液罐(12)顶端悬置搅拌机(16)，所述搅拌机(16)的搅拌叶片伸入所述储液罐(12)内的所述试验流体内进行混合和搅拌，促进试验溶液及一定质量分数的砂子的固液两相充分混合。

优选的，还包括预留口(6)，用于试验系统工作过程中的备用液体进出口。

优选的，还包括流量计(18)，所述流量计(18)设置在所述储液罐(12)与所述砂浆泵(4)之间用于监测并控制所述砂浆的流速。

优选的，还包括压力表(11)，所述压力表(11)设置在所述试验系统外侧管路上，对所述试验系统内的压力进行监测，保证工作压力在设定值内，防止发生爆炸危险。

优选的，还包括通风口(8)，所述通风口(8)设置在模拟环路管道顶部，用于试验过程中与外界环境的连通。

优选的，所述试验射流喷头(7)采用高强耐磨钢制作，直径为10mm。

优选的，所述一定温度为40℃。

优选的，还包括导液槽，用于将所述试验工作平台及所述储液罐(12)通过所述导液槽进行连接，实现溶液及砂粒的回收，使试验溶液能够循环使用，并且在所述试验系统外部设置复合材料防护罩，形成观察及喷射防护子系统，用于观察试验过程，防止喷射造成的潜在危险。

本发明的目的还在于提供一种防腐管道耐冲蚀能力试验方法，包括：

步骤1，搭建试验管路系统并进行试验前准备：首先进行试验射流喷头(7)的流速调试，利用砂浆泵(4)驱动混合的试验溶液，通过所述流量计(18)观察流量，并根据公式：流量＝喷头截面积×流速，换算出试验射流喷头(7)出口位置混合溶液的流速，调节砂浆泵(4)的工作频率使流速达到试验所需流速，并记录此时的频率，开展试验时调节到指定频率实现流速的精确控制；然后在试验射流喷头(7)的流速调试完成后进行含砂量的调试及标定，首先将试验射流喷头(7)的流速控制在试验所需流速，然后在试验射流喷头(7)处接取一定量的混合溶液，静置沉淀后称量总重量，然后去掉水分，取出砂子进行烘干称量，由此得到含砂量，通过多次添加储液装置中的砂及取样标定，最终确定向储液装置中添加的水量及砂量；

步骤2，按照标定的水量及砂量加注到储液罐(12)中，然后打开砂浆泵(4)和流量计(18)，将试验溶液调节到指定流速；

步骤3，关闭电机，进行试样(13)的安装，将试样(13)安装到所述试验夹具(14)上，调整试样(13)的角度，然后将装有试样(13)的试验夹具(14)安装到冲刷工作平台，调整试样(13)与试验射流喷头(7)的距离；

步骤4，关闭复合材料防护罩，打开砂浆泵(4)的电机开始试验，试验过程中每天观察试样(13)的表面，实际试验周期以观察到试样表面有明显变化为准；

步骤5，试验结束后，取下试样(13)，对试样(13)进行宏观形貌观察和统计分析，并采用扫描电镜，体式显微镜分析记录冲刷腐蚀形貌特征及测算腐蚀深度；

步骤6，根据3PE管道的冲刷腐蚀结果，选择典型参数条件重复步骤2)-5)进行管道金属基体的冲刷腐蚀试验，所述典型参数条件为在合理设备参数，使该流动环路可实现不同含砂率、砂粒尺寸、流速、作用距离及冲击角度的模拟。

本发明的有益效果：

通过3PE涂层及钢基体耐冲蚀模拟试验成果结果以及软件模拟分析模型以及模拟结果得到冲蚀的建立，管道耐冲蚀能力、规律及机理，并且得到3PE管道冲蚀风险识别图谱，以冲蚀形貌和冲蚀速率为判据，构建3PE防腐管道在不同冲蚀工况下以流速和其余主要影响因素为基准的风险边界图谱，通过图谱的构建可快速识别风险工况及非风险工况，为公司后续更有效的管理类似冲蚀风险提供依据。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：

图1为根据本发明实施例的防腐管道耐冲蚀能力试验系统及试验方法的实现技术路线图；

图2为根据本发明实施例的防腐管道耐冲蚀能力试验系统主体结构示意图；

图3为根据本发明实施例的防腐管道耐冲蚀能力试验系统试样试验工作平台，储液罐、试样夹持系统以及试验射流喷头部分结构示意图；

图4为根据本发明实施例的PE管道冲蚀模型的建立(从现场到模型)示意图；

图5为根据本发明实施例的砂粒粒径对冲蚀影响的Fluent模拟示例图；

图6为根据本发明实施例的入射角度对冲蚀影响的Fluent模拟示例图；

图7为根据本发明实施例的3PE涂层冲蚀模拟实验流程图；

图8为根据本发明实施例的涂层受冲刷临界冲蚀时间确定示意图；

图9为根据本发明实施例的所绘制3D冲蚀形貌图；

图10为根据本发明实施例的3PE管道冲蚀机理模型建立方法流程图。

具体实施方式

本实施例为申请人的实际工程项目，广东大鹏液化天然气有限公司(以下简称大鹏公司)是广东LNG接收站和输气干线项目的建设和经营实体，目前共运营共约441km的在役长输天然气管道，管道贯穿深圳市，东莞市，惠州市，广州市，佛山市，并途经包括人口稠密的城区及山地，丘陵，水网等多种地形区，累积穿越大中河流40多处，铁路20处，等级以上公路200多处，是目前珠三角地区重要的天然气骨干管网。为提升管道本质安全管理水平，拟对含砂流体对管道冲蚀影响进行试验研究，获取含砂流体对管道3层PE防腐层及钢管本体的冲蚀影响参数，为公司后续更有效的管理类似冲蚀风险提供依据，特提出本项目。搭建冲蚀试验环路，并利用该试验环路，开展多因素组合模拟工况条件下的冲蚀试验，研究3PE涂层管道耐冲蚀能力，通过对3PE涂层冲蚀破坏的临界时间的分析，不同阶段3PE冲蚀形貌及冲蚀深度测量分析，探究3PE涂层冲蚀破坏的发展规律及主要控制因素。通过多因素组合模拟工况条件下3PE涂层耐冲蚀试验研究，分析冲蚀最严重的参数组合，开展管道钢基体耐冲蚀试验，研究涂层破坏后管道基体耐冲蚀能力，通过不同阶段管道基体冲蚀形貌及深度测试分析，总结管道基体冲蚀破坏发展规律，并结合数值模拟计算进行冲蚀表面物料分布及剪切力等分布状态，为后续更有效的管理类似冲蚀风险提供依据。

参见图1，为了对管道冲蚀泄露失效情况进行准确模拟以及相关试验参数选择需要业主协助对相关参数进行收集和调研，主要包括：

1)管道基本参数，如：防腐层情况，现场冲蚀情况，管道基体性能，管道铺设时间等；

2)管道周围土壤参数，如：土壤颗粒组成，砂粒直径等；

3)市政水管参数，如：水质成分，管道压力，自来水流速等参数；

4)水管破损点参数，如：破损点与输气管冲蚀点相对位置参数、破损点形状、破损面积等。

参见图2-3，本实施例的防腐管道耐冲蚀能力试验系统，包括：试验工作平台，储液罐12、模拟环路管道、试样夹持系统以及试验射流喷头7，其中试验工作平台上承载储液罐12、模拟环路管道、试样夹持系统以及试验射流喷头7，试验射流喷头7采用高强耐磨钢制作，本实施例中喷头直径为10mm，储液罐12内装有试验溶液及一定质量分数的砂子组成的试验流体，固液两相混合介质作为试验流体。试验工作平台及储液罐12通过导液槽进行连接，实现溶液及砂粒的回收，使试验溶液能够循环使用，并且在试验系统外部设置复合材料防护罩，形成观察及喷射防护子系统，用于观察试验过程，防止喷射造成的潜在危险。

模拟环路管道用于供试验流体流动，采用不锈钢材质搭建，包括：由不锈钢管、阀门及法兰组成的主体支撑管路子系统；砂浆子系统，包括砂浆泵4、砂浆泵冷却水泵9以及变频控制器10，砂浆泵4为带有内衬的变频砂浆泵，砂浆泵4作为动力驱动试验流体通过阀门17与试验射流喷头7连通，砂浆泵冷却水泵9与砂浆泵4连接并提供工作状态下所述砂浆泵4的冷却，变频控制器10与砂浆泵4连接以调节砂浆泵4的工作频率；补水子系统，包括补水口5，设置并沿模拟环路管道外侧面伸出；以及冷却水子系统，包括冷却水进水口1、冷却水出水口2以及冷却水管3，冷却水管3缠绕在模拟环路管道下方的系统水箱的外部，冷却水持续通过可以保证系统水箱的水温控制在一定温度以下，本实施例中，将一定温度为40℃，当然本领域技术人员可以选择其他适合环境的温度范围或者温度点。

试样夹持系统包括：试样夹具14以及试样座15，试样13被夹持在试样夹具14上，试样夹具14角度可调，试样夹具14底座带有滑轨，试样夹具14采用不锈钢制作，可通过调节试样夹具14的角度以获取不同的冲蚀角度，试样座15可移动，试样夹具14通过底座上的滑轨垂直且可移动的安装在试样座15上，由试样座15带动试样夹具14移动，以灵活调节与喷头的距离，以获取不同的作用距离。

如图3所示，储液罐12顶端悬置搅拌机16，搅拌机16的搅拌叶片伸入储液罐12内的试验流体内进行混合和搅拌，促进试验溶液及一定质量分数的砂子的固液两相充分混合。

如图2所示，系统还设置预留口6，作为冗余设计规则的实践，用于试验系统工作过程中的备用液体进出口。

系统还包括流量计18，流量计18设置在储液罐12与砂浆泵4之间，用于监测并控制砂浆的流速。

如图1所示，还包括压力表11，压力表11设置在试验系统外侧管路上，对试验系统内的压力进行监测，保证工作压力在设定值内，防止发生爆炸危险，还包括通风口8，通风口8设置在模拟环路管道顶部，用于试验过程中与外界环境的连通。

本试验系统的建立过程包括：

一、流体力学数值模拟计算

1、3PE管道冲蚀模型的建立

市政水管出现破损点，在内部高压流体作用下，自来水会从破损点泄露形成高速射流，当混合管道周围土壤中的固体颗粒后，高速含砂流体就可能会对附近一定范围内的输气管线产生巨大的冲蚀威胁。Fluent是目前国际上比较流行的计算流体力学(CFD)软件包，具有高效、省时、稳定、准确的优点。如图4所示，在文献调研及现场资料收集的基础上，提取管道有效信息，建立现场三维模型图，应用Fluent软件对固液两相流射流对管道外部冲蚀流体动力学参数进行模拟计算，获取射流相关力学特征参数及管道外壁的受力分布情况。

2、射流对3PE管道冲蚀的影响因素研究

依次调节相关参数，快速计算研究射流各个参数对3PE管道冲蚀的影响规律，为实验参数的准确选取及最终冲蚀机理的合理解释提供数据支撑及理论支持。具体包括以下几个因素：

1)含砂率的影响

计算当含砂率(质量分数)分别为5％及10％时(或更高)，管壁所受冲击程度及剪切力分布情况，总结含砂率与3PE管道冲蚀剧烈程度的关系。

2)砂粒粒径的影响

根据失效现场实际工况，选取多种砂粒粒径(初步拟选取粒径为300μm、400μm，或按照现场砂粒尺寸选取合适粒径)，计算不同砂粒粒径时管壁所受冲击程度及剪切力分布情况，总结砂粒粒径与3PE管道冲蚀剧烈程度的关系，如图5所示。

3)流速的影响

根据现场实际泄露情况，建立泄漏点模型，利用CFD软件计算出射流的大致流速。并根据计算结果，上下进行2m/s的梯度改变模拟流速，计算不同流速工况下管壁所受冲击程度及剪切力分布情况，总结射流速度与3PE管道冲蚀剧烈程度的关系。

4)作用距离的影响

参照现场市政水管与输气管线相对位置情况，选取多个作用距离(初步选取5cm、10cm，或根据现场实际距离进行上下5cm的梯度改变作用距离)，计算不同作用距离下管壁所受冲击程度及剪切力分布情况，总结作用距离与3PE管道冲蚀剧烈程度的关系。

5)冲击角度的影响

改变射流的入射角度(30°、45°、60°、90°)，计算不同冲蚀角度下管壁所受冲击程度及剪切力分布情况，总结冲蚀角度与3PE管道冲蚀剧烈程度的关系，如图6所示。

3、冲蚀实验环路平台建设

1)试样制备：试样取自大鹏公司提供的2根管径610mm的3PE防腐层管道。根据管径和冲刷腐蚀实验工作台尺寸，对管道进行切割取样，试样尺寸：100mm×100mm×原厚，每组试验准备三个平行试样，共需要试样个数为48*3＝144个；

2)环路搭建：如图3所示，根据模拟工况需求，基于前期数值模拟结果，设计搭建如下图所示的液固两相冲蚀流动环路。环路管道采用不锈钢材质搭建，射流喷头采用高强耐磨钢。其基本设计思路如下：

A、采用带有内衬的变频砂浆泵作为动力驱动试验流体，并控制流速，采用流量计监控流速；

B、储液容器，内部装有试验溶液及相应质量分数的砂子，可添加搅拌系统，促进固液两相充分混合；

C、选用2寸的不锈钢管、阀门及法兰作为实验环路的主体支撑管路系统；

D、混合溶液喷头选用高强度耐磨材料制作，喷头直径为10mm；

E、试样夹具采用不锈钢制作，可通过调节夹具角度以获取不同的冲蚀角度，同时，该夹具底座带有滑轨，可灵活调节与喷头的距离，以获取不同的作用距离；

F、将试验工作平台及储液装置通过导液槽进行连接，实现溶液及砂粒的回收，使试验溶液能够循环使用，并且在外部设置复合材料防护罩，形成观察及喷射防护系统。

选择合理的设备参数，使该流动环路可实现不同含砂率、砂粒尺寸、流速、作用距离及冲击角度的模拟。

3)试验系统调节及操作步骤：本实施例还提供一种防腐管道耐冲蚀能力试验方法，包括：

步骤1，搭建试验管路系统并进行试验前准备：首先进行试验射流喷头7的流速调试，利用砂浆泵4驱动混合的试验溶液，通过流量计18观察流量，并根据公式：流量＝喷头截面积×流速，换算出试验射流喷头7出口位置混合溶液的流速，调节砂浆泵4的工作频率使流速达到试验所需流速，并记录此时的频率，开展试验时调节到指定频率实现流速的精确控制；然后在试验射流喷头7的流速调试完成后进行含砂量的调试及标定，首先将试验射流喷头7的流速控制在试验所需流速，然后在试验射流喷头7处接取一定量的混合溶液，静置沉淀后称量总重量，然后去掉水分，取出砂子进行烘干称量，由此得到含砂量，通过多次添加储液装置中的砂及取样标定，最终确定向储液装置中添加的水量及砂量；

步骤2，按照标定的水量及砂量加注到储液罐12中，然后打开砂浆泵4和流量计18，将试验溶液调节到指定流速；

步骤3，关闭电机，进行试样13的安装，将试样13安装到试验夹具14上，调整试样13的角度，然后将装有试样13的试验夹具14安装到冲刷工作平台，调整试样13与试验射流喷头7的距离；

步骤4，关闭复合材料防护罩，打开砂浆泵4的电机开始试验，试验过程中每天观察试样13的表面，本实施例中试验周期暂定15天，当然实际试验周期以观察到试样表面有明显变化为准，本领域技术人员可以根据实际情况以及经验设定；

步骤5，试验结束后，取下试样13，对试样13进行宏观形貌观察和统计分析，并采用扫描电镜，体式显微镜等技术手段分析记录冲刷腐蚀形貌特征及测算腐蚀深度；

步骤6，根据3PE管道的冲刷腐蚀结果，选择典型参数条件重复步骤2)-5)进行管道金属基体的冲刷腐蚀试验，所述典型参数条件为在合理设备参数，使该流动环路可实现不同含砂率、砂粒尺寸、流速、作用距离及冲击角度的模拟。

4)3PE涂层冲蚀实验

液固两相流中材料的冲蚀行为与材料本身的性质密切相关。脆性材料与韧性材料往往表现出极为不同的冲蚀行为及机理。因此，拟分别针对带3PE涂层的管道试样及不带涂层的管道基体试样进行冲蚀实验。

其中，3PE涂层冲蚀实验参照如图7所示流程图进行。

采用不同的控制因素的组合开展冲刷试验，模拟工况参数根据实际工况及流体力学数值模拟计算进一步确定，初步工况参数选择如下所示。每组试验周期暂定15天，但试验过程中应以观察到样品表面状态发生明显变化，判断试验结束时间。

●含砂率(质量分数)：5％，10％；

●砂粒粒径：细砂及粗砂(大鹏公司将提供现场收集到的砂粒样本给承包商，以便承包商完成砂粒粒径选取)；

●流速：1m/s，3m/s(根据业主现场实际情况进行详细设计)；

●作用距离：5cm，10cm；

●冲击角度：30°，60°，90°。

实验结果的表征与分析：

1)实验过程中，定时观察并记录3PE涂层表面形貌变化情况，记录开始出现明显冲蚀特征及露出金属基体的时间，即临界冲蚀时间，如图8所示。

2)从开始出现冲蚀特征开始，利用激光扫描共聚焦显微镜，进行若干时间梯度下的冲蚀形貌观察，得到3D形貌轮廓图，分析冲蚀发展规律，如图9所示。

3)根据不同时间点的冲蚀形貌，记录相应的冲蚀深度并计算冲蚀速率。

4)裸露出管道基体后，继续实验并记录形貌信息及点蚀发展速率。

5)实验结束后，进行3D形貌观察，并利用SEM进行微观形貌观察，结合EDS进行腐蚀产物膜分析，以便于冲蚀机理的建立。

4、管道基体冲蚀实验

由于管道基体的力学性能与3PE涂层的力学性能差异巨大，因此其耐冲蚀能力与PE涂层也有着本质的差别。因此，还需要进行管道基体的冲蚀实验，以获得涂层破损后基体的冲蚀规律及机理，便于管道风险的识别与管理工作的开展。

1)试验参数：选取3PE涂层耐冲蚀试验中冲蚀最严重的参数条件，开展金属基体冲蚀试验。

2)试验样品：100mm×100mm×原厚，取自实际管道去除3PE涂层。

3)试验周期：初步设定15天，具体以观察到明显的形貌变化判断结束时间。

4)管道基体冲蚀特征分析：

a)形貌分析：取不同冲蚀时间点进行冲蚀形貌观察，记录不同时间点的3D冲蚀形貌，包括冲蚀坑尺寸及深度，试验结束后，采用SEM进行微观形貌观察；

b)冲蚀貌分析：根据不同时间点的冲蚀深度测试结果，计算不同时间点的冲蚀速率，并绘制冲蚀速率与时间的关系曲线。

二、管道耐冲蚀能力、规律及机理

1、3PE管道耐冲蚀规律研究：通过实验室模拟多因素组合工况条件下3PE涂层及管道钢基体冲蚀试验结果，结合Fluent数值模拟计算结果，得到3PE涂层及管道基体的冲蚀规律，包括含砂率、砂粒粒径、流速、作用距离、冲击角度对冲蚀规律的影响，明确主控因素及促进因素，明确最危险的工况组合。

2、3PE管道耐冲蚀机理研究：通过不同工况条件下3PE涂层及管道钢基体冲蚀试验结果所得冲蚀形貌特征，明确固体颗粒物对3PE涂层及管道基体的切削作用机制，通过对腐蚀产物的进一步分析，揭示涂层破坏后，管道基体在冲蚀——腐蚀耦合作用下的冲蚀失效机制。同时，通过Fluent数值模拟计算结果，得到3PE管道受力特征，直接显示管道表面剪切力分布特征及颗粒物冲击特征，并与实际管道冲蚀形貌特征以及实验室模拟结果进行比对，从而在本质上揭示固液两相射流对管壁的冲蚀磨损作用机制，如图10所示。

3、3PE管道耐冲蚀能力研究：通过上述大量实验结果，以及规律性结论和冲蚀机理模型，结合文献调研，预计可建立如下形式的典型工况下3PE管道冲蚀速率预测模型。

其中，E_L为冲蚀速率；m_p为砂粒质量；K为材料常数，与材料有关；U_p为固体颗粒冲击速度；F(α)为材料延展性特征函数，与材料的延展性有关；C_unit为单位换算系数，ρ_t为混合流体密度；A_t为受冲击的暴露面积。

4、3PE管道冲蚀风险识别图谱建立

以冲蚀形貌和冲蚀速率为判据，构建3PE防腐管道在不同冲蚀工况下以流速和其余主要影响因素为基准的风险边界图谱。

通过图谱的构建可快速识别风险工况及非风险工况，为公司后续更有效的管理类似冲蚀风险提供依据。

本实施例通过3PE涂层及钢基体耐冲蚀模拟试验成果结果以及软件模拟分析模型以及模拟结果得到冲蚀的建立，管道耐冲蚀能力、规律及机理，并且得到3PE管道冲蚀风险识别图谱，以冲蚀形貌和冲蚀速率为判据，构建3PE防腐管道在不同冲蚀工况下以流速和其余主要影响因素为基准的风险边界图谱，通过图谱的构建可快速识别风险工况及非风险工况，为公司后续更有效的管理类似冲蚀风险提供依据。

虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。

Claims (10)

1.一种防腐管道耐冲蚀能力试验系统，其特征在于包括：试验工作平台，储液罐(12)、模拟环路管道、试样夹持系统以及试验射流喷头(7)，其中试验工作平台上承载所述储液罐(12)、模拟环路管道、试样夹持系统以及试验射流喷头(7)，所述储液罐(12)内装有试验溶液及一定质量分数的砂子组成的试验流体，固液两相混合介质作为所述试验流体，所述模拟环路管道用于供试验流体流动，采用不锈钢材质搭建，包括：

由不锈钢管、阀门及法兰组成的主体支撑管路子系统；

砂浆子系统，包括砂浆泵(4)、砂浆泵冷却水泵(9)以及变频控制器(10)，砂浆泵(4)为带有内衬的变频砂浆泵，所述砂浆泵(4)作为动力驱动试验流体通过阀门(17)与所述试验射流喷头(7)连通，所述砂浆泵冷却水泵(9)与所述砂浆泵(4)连接并提供工作状态下所述砂浆泵(4)的冷却，所述变频控制器(10)与所述砂浆泵(4)连接以调节所述砂浆泵(4)的工作频率；

补水子系统，包括补水口(5)，设置并沿所述模拟环路管道外侧面伸出；以及

冷却水子系统，包括冷却水进水口(1)、冷却水出水口(2)以及冷却水管(3)，所述冷却水管(3)缠绕在所述模拟环路管道下方的系统水箱的外部，冷却水持续通过可以保证所述系统水箱的水温控制在一定温度以下；

所述试样夹持系统包括：

试样夹具(14)以及试样座(15)，试样(13)被夹持在所述试样夹具(14)上，所述试样夹具(14)角度可调，所述试样夹具(14)底座带有滑轨，试样夹具(14)采用不锈钢制作，可通过调节所述试样夹具(14)的角度以获取不同的冲蚀角度，所述试样座(15)可移动，所述试样夹具(14)通过底座上的滑轨垂直且可移动的安装在所述试样座(15)上，由所述试样座(15)带动所述试样夹具(14)移动，以灵活调节与喷头的距离，以获取不同的作用距离。

2.根据权利要求1所述的一种防腐管道耐冲蚀能力试验系统，其特征在于：所述储液罐(12)顶端悬置搅拌机(16)，所述搅拌机(16)的搅拌叶片伸入所述储液罐(12)内的所述试验流体内进行混合和搅拌，促进试验溶液及一定质量分数的砂子的固液两相充分混合。

3.根据权利要求1所述的一种防腐管道耐冲蚀能力试验系统，其特征在于：还包括预留口(6)，用于试验系统工作过程中的备用液体进出口。

4.根据权利要求1所述的一种防腐管道耐冲蚀能力试验系统，其特征在于：还包括流量计(18)，所述流量计(18)设置在所述储液罐(12)与所述砂浆泵(4)之间用于监测并控制所述砂浆的流速。

5.根据权利要求1所述的一种防腐管道耐冲蚀能力试验系统，其特征在于：还包括压力表(11)，所述压力表(11)设置在所述试验系统外侧管路上，对所述试验系统内的压力进行监测，保证工作压力在设定值内，防止发生爆炸危险。

6.根据权利要求1所述的一种防腐管道耐冲蚀能力试验系统，其特征在于：还包括通风口(8)，所述通风口(8)设置在模拟环路管道顶部，用于试验过程中与外界环境的连通。

7.根据权利要求1所述的一种防腐管道耐冲蚀能力试验系统，其特征在于：所述试验射流喷头(7)采用高强耐磨钢制作，直径为10mm。

8.根据权利要求1所述的一种防腐管道耐冲蚀能力试验系统，其特征在于：所述一定温度为40℃。

9.根据权利要求4所述的一种防腐管道耐冲蚀能力试验系统，其特征在于：还包括导液槽，用于将所述试验工作平台及所述储液罐(12)通过所述导液槽进行连接，实现溶液及砂粒的回收，使试验溶液能够循环使用，并且在所述试验系统外部设置复合材料防护罩，形成观察及喷射防护子系统，用于观察试验过程，防止喷射造成的潜在危险。

10.一种防腐管道耐冲蚀能力试验方法，其特征在于包括：

步骤1，搭建如权利要求9所述的试验管路系统并进行试验前准备：首先进行试验射流喷头(7)的流速调试，利用砂浆泵(4)驱动混合的试验溶液，通过所述流量计(18)观察流量，并根据公式：流量＝喷头截面积×流速，换算出试验射流喷头(7)出口位置混合溶液的流速，调节砂浆泵(4)的工作频率使流速达到试验所需流速，并记录此时的频率，开展试验时调节到指定频率实现流速的精确控制；然后在试验射流喷头(7)的流速调试完成后进行含砂量的调试及标定，首先将试验射流喷头(7)的流速控制在试验所需流速，然后在试验射流喷头(7)处接取一定量的混合溶液，静置沉淀后称量总重量，然后去掉水分，取出砂子进行烘干称量，由此得到含砂量，通过多次添加储液装置中的砂及取样标定，最终确定向储液装置中添加的水量及砂量；

步骤2，按照标定的水量及砂量加注到储液罐(12)中，然后打开砂浆泵(4)和流量计(18)，将试验溶液调节到指定流速；

步骤3，关闭电机，进行试样(13)的安装，将试样(13)安装到所述试验夹具(14)上，调整试样(13)的角度，然后将装有试样(13)的试验夹具(14)安装到冲刷工作平台，调整试样(13)与试验射流喷头(7)的距离；

步骤4，关闭复合材料防护罩，打开砂浆泵(4)的电机开始试验，试验过程中每天观察试样(13)的表面，实际试验周期以观察到试样表面有明显变化为准；

步骤5，试验结束后，取下试样(13)，对试样(13)进行宏观形貌观察和统计分析，并采用扫描电镜，体式显微镜分析记录冲刷腐蚀形貌特征及测算腐蚀深度；

步骤6，根据3PE管道的冲刷腐蚀结果，选择典型参数条件重复步骤2)-5)进行管道金属基体的冲刷腐蚀试验，所述典型参数条件为在合理设备参数，使该流动环路可实现不同含砂率、砂粒尺寸、流速、作用距离及冲击角度的模拟。

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