CN111323323A - 一种海水-冰晶两相流管路冲刷腐蚀实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属腐蚀防护领域，涉及一种海水‑冰晶两相流管路冲刷腐蚀实验装置，主体结构包括实验管道、水箱、耐腐耐磨泵、电磁流量计、隔膜压力表和测试弯管，可拆卸的测试弯管内侧布置数量较多的测点，能够实现弯管局部不同位置处冲刷腐蚀失重量的测量，从而绘出弯管不同位置处冲刷腐蚀速率分布，通过透明管道能观察天然海水和冰晶流动及冰晶分布情况，另外，加装高速摄像机后可拍摄冰晶在透明管道内的运动和碰撞过程；其原理科学、结构合理，具有很高的推广和应用价值，能够完成铜镍合金海水管路在含冰晶的天然海水工况下的冲刷腐蚀实验，实现两相流管路中固体颗粒运动观测、颗粒分布观测、弯管不同位置处冲刷腐蚀形貌测试和冲刷腐蚀失重测试。

Description

一种海水-冰晶两相流管路冲刷腐蚀实验装置

技术领域：

本发明属于金属腐蚀防护领域，涉及一种海水-冰晶两相流管路 冲刷腐蚀实验装置，以实现两相流管路中固体颗粒运动观测、颗粒分 布观测、弯管不同位置处冲刷腐蚀形貌测试和冲刷腐蚀失重测试。

背景技术：

北极拥有非常重要的航道资源，在地理位置上连接太平洋和大西 洋，可以提供沿着欧亚大陆海岸线分别穿越喀拉海、拉普捷夫海、东 西伯利亚海和楚科奇海等区域的航道。北极航道主要包括东北航道和 西北航道。随着全球气候变化，北冰洋海冰快速退缩，每年夏季东北 航道和西北航道都会出现历时不同的无冰窗口。北极变暖使得海冰加 速融化，碎冰越来越多。如果北极航道能够成功商业利用，就可以构 建形成包括东亚、俄罗斯、北欧、北美在内的环北极经济圈。所以， 北极航道的商业价值、常态化运营逐渐进入人们视线。东北航道从东 亚的白令海峡沿着俄罗斯的西伯利亚海岸到达欧洲，航程在2200海 里到2500海里之间；西北航道主要穿过加拿大北极群岛到达戴维斯 海峡，岛域众多，大部分时间有冰雪覆盖，航道比较复杂，除科考船 外很少有船舶航行，如果西北航道开通，可以使船舶到达北美的航程 减少约20％。同时，北极航道的开通还可以减少船舶对于传统航线的依赖，使商船可以绕开马六甲海峡和索马里海域等政治敏感或者海盗 出没的区域，并且可以通行巴拿马运河和苏伊士运河无法通过的超大 型货船，为全球的交通货运、海洋开发、商业贸易带来巨大的经济效 益，从而改变世界的航运格局和贸易格局。同时，北极地区拥有丰富 的矿产渔业资源，油气资源储量十分巨大，待发现的石油资源超过 4000亿桶，相当于世界上未探明储量的1/4，天然气资源估计在44 万亿立方米，77％的储量蕴藏在北极区域的俄罗斯巴伦支海和喀拉海 的浅水陆架区。

海水管路系统是船舶推进系统、电力系统和辅助系统的重要组成 部分，承担着冷却主辅机、消防、压载、清洗等任务，在保证船舶主 要设备正常运行、安全及平衡等方面起着重要作用。极地船舶从港口 码头至极地航行过程中，会穿过不同的气候区带，不同区带海水中含 有的固体颗粒物是不同的，比如：舟山港口的泥沙含量较高，若船舶 由此海域出发，海水管道中会进入较多的细小泥沙颗粒(微米级)， 在靠近极地航道时，由于温度较低，海洋中漂浮的大量细小冰晶会混 入船舶海水管道，渤海海域在冬季严寒时会出现较大规模的结冰现 象，海洋中也会漂浮大量冰晶，若船舶由天津或者大连港口出发，同 样面临冰晶问题，冰晶的存在不仅会影响海水管道的正常工作，并且 由于冰晶对海水管道的不断冲击碰撞还会导致海水管道产生冲刷腐 蚀破坏，严重影响船舶运行安全。

目前，对于含冰晶海水管路的冲刷腐蚀实验鲜有研究，对于含其 他固体颗粒(如砂粒)的冲刷腐蚀的实验研究主要采用旋转式冲刷实 验装置、射流式冲刷实验装置和管流式冲刷实验装置完成。旋转式冲 刷实验装置是旋转圆盘上的试样在含颗粒的浆体中转动引发冲刷腐 蚀，主要针对的是液固两相流的冲刷腐蚀，稳定性高、操作简单、测 试用溶液量小，但是浆体浓度不均匀，圆筒中易产生涡流，数据可信 度低。射流式冲刷实验装置主要应用于研究颗粒对材料机械的冲刷腐 蚀作用，能够很好地控制冲击速度、颗粒冲击角度、颗粒浓度等参数。 但是不能很好地模拟实际工况，冲刷腐蚀结果比实际情况要严重。以 上两种实验工况与实际管路工况差别较大，管流式冲刷腐蚀实验装置 能够很好地模拟管路实际工况，主要应用于气液流动工况或者含砂粒 液固两相流工况，未见含冰晶液固两相流冲刷腐蚀工况相关研究。同 含砂流动相比，含冰晶的液固两相流动更加难以控制，冲刷腐蚀研究 难度较大。现有技术未见海水管道弯头部位冰晶冲刷腐蚀速率测试的 相关文献。关于其他固体颗粒对弯头部位的冲刷腐蚀实验则主要集中 在弯头外拱中心线、弯头45°部位或者弯头表面几个特殊位测点， 获得的数据少且分散，无法获取整个弯头的冲刷腐蚀分布，并且忽略 了弯头附近直管段部分的冲刷腐蚀速率(此位置处的冲刷腐蚀速率也 较大)，对于弯头附近直管段的冲刷腐蚀实验更是鲜有研究。因此， 设计一种海水-冰晶两相流管路冲刷腐蚀实验装置，测试弯管在不同 位置处的冲刷腐蚀形貌和冲刷腐蚀失重，观测冰晶颗粒运动、冰晶分 布，对于揭示含冰晶海水流动下管道的冲刷腐蚀机理和保障北极航行 船舶海水管路安全运行具有重要意义。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，研发设计一种海水 -冰晶两相流管路冲刷腐蚀实验装置，测试含冰晶的天然海水冲刷条 件下弯管段的冲刷腐蚀形貌和冲刷腐蚀失重量。

为了实现上述目的，本发明涉及的海水-冰晶两相流管路冲刷腐 蚀实验装置的主体结构包括实验管道、水箱、耐腐耐磨泵、电磁流量 计、隔膜压力表和测试弯管；实验管道由水箱引出后依次连接耐腐耐 磨泵、电磁流量计、隔膜压力表和测试弯管后接回水箱，其中，测试 弯管位于实验管道的第一个转弯处。

本发明涉及的实验管道上还设置有球阀和止回阀，球阀位于水箱 与耐腐耐磨泵之间，止回阀位于耐腐耐磨泵与电磁流量计之间；水箱 置于冰箱中，水箱上方设置有搅拌器；耐腐耐磨泵与变频器连接。

本发明涉及的测试弯管由内拱和外拱拼接构成，包括弯头、上游 直管段和下游直管段，内拱和外拱两端均设置有法兰，法兰上开有螺 栓孔，测试弯管通过螺栓孔和螺栓与实验管道相连；测试弯管的内壁 设置有若干个放置实验试样的凹槽，测试弯管上还设置有若干个与凹 槽联通的螺杆孔，凹槽中放置有实验试样，实验试样与螺杆连接，螺 杆穿过螺杆孔后与螺母连接。

本发明涉及的实验管道和测试弯管的外侧均包裹两层保冷材料 层，以确保实验介质的温度稳定，第一保冷层的材料为聚氨酯泡沫， 第二保冷层的材料为泡沫玻璃。

本发明涉及的凹槽的数量与螺杆孔的数量相同。

本发明涉及的螺母用于固定实验试样，实验试样的长度、宽度和 厚度尺寸与凹槽的长度、宽度和厚度尺寸匹配，实验试样粘贴固定在 凹槽中后与测试弯管的内壁平齐，防止实验介质流动状态受到影响。

本发明涉及的海水-冰晶两相流管路冲刷腐蚀实验装置实验时， 采用差分接线方式，以消除共模噪声的影响，输出的电压信号或电流 信号转换为电压信号输入接线盒中的端子上；使用Labview软件编制 设定的采集程序实现数据的采集和分析；采用精度为0.01mg的电子 天平称量实验试样在实验前后的重量，根据公式：

计 算冲刷腐蚀速率，式中，ER为冲刷腐蚀速率，单位为mm/a；w₀为实 验试样实验前的质量，单位为g；w₁为实验试样实验后的质量，单位 为g；S为实验试样的工作面积，单位为m²；t为冲刷腐蚀进行的时间， 单位为h；ρ_w为金属实验试样材料的密度，单位为g/cm³；采用三维 视频显微镜观察实验试样在冲刷腐蚀后的宏观形貌并测量腐蚀坑深 度，采用扫描电子显微镜观察实验试样的微观冲刷腐蚀形貌。

本发明与现有技术相比，可拆卸的测试弯管内侧布置数量较多的 测点，能够实现弯管局部不同位置处冲刷腐蚀失重量的测量，从而绘 出弯管不同位置处冲刷腐蚀速率分布，通过透明管道能观察天然海水 和冰晶流动及冰晶分布情况，另外，加装高速摄像机后可拍摄冰晶在 透明管道内的运动和碰撞过程；其原理科学、结构合理，具有很高的 推广和应用价值，能够完成铜镍合金海水管路在含冰晶的天然海水工 况下的冲刷腐蚀实验。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意图。

图2为本发明涉及的实验管道和测试弯管外侧的保冷材料层示 意图。

图3为本发明涉及的测试弯管的主体结构示意图。

图4为本发明涉及的测试弯管的截面结构示意图。

图5为本发明涉及的测试弯管的轴向角度示意图。

图6为本发明涉及的测试弯管的环向角度示意图。

图7为本发明涉及的实验试样与螺杆的连接关系示意图。

图8为本发明涉及的是实验试样的分布示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1：

本实施例涉及的海水-冰晶两相流管路冲刷腐蚀实验装置的主体 结构如图1所示，包括实验管道1、水箱2、耐腐耐磨泵3、电磁流 量计4、隔膜压力表5和测试弯管6；实验管道1由水箱2引出后依 次连接耐腐耐磨泵3、电磁流量计4、隔膜压力表5和测试弯管6形 成环形结构后接回水箱2，其中，测试弯管6位于实验管道1的第一 个转弯处；实验管道1上还设置有球阀7和止回阀8，球阀7位于水 箱2与耐腐耐磨泵3之间，止回阀8位于耐腐耐磨泵3与电磁流量计 4之间；水箱2置于冰箱9中，水箱2上方设置有搅拌器10；耐腐耐 磨泵3与变频器11连接；测试弯管6由内拱61和外拱62拼接构成， 包括弯头、上游直管段和下游直管段，内拱61和外拱62两端均设置 有法兰63，法兰63上开有螺栓孔64，测试弯管6通过螺栓孔64和 螺栓与实验管道1相连；测试弯管6的内壁设置有36个放置实验试 样的凹槽65，其中，内拱61上设置有15个凹槽65，外拱62上设置 有21个凹槽65，以测试不同位置处的冲刷腐蚀形貌和冲刷腐蚀失重 量，测试弯管6上还设置有36个与凹槽65联通的螺杆孔66，凹槽 65用于放置实验试样，实验试样与螺杆67连接，螺杆67穿过螺杆 孔66后与螺母68连接。

本实施例涉及的实验管道1是内径为40mm的有机玻璃管；水箱 2为透明水箱，便于观察内部实验介质(液体与冰晶)的混合情况， 水箱2的内壁均布2个挡板，以使水箱2内的冰晶分布均匀，水箱2 的容积为300L；冰箱9为电脑控温冰箱；电磁流量计4为液相电磁 流量计，用于测量实验介质的流量，输出信号，信号被多通道高速数 据采集卡采集；隔膜压力表5为隔膜抗震压力表，用于测量实验介质 的压力；测试弯管6的内径为40mm，弯径比为1.5；测试弯管6是选 用高耐磨材料(高分子聚乙烯)制作的可拆卸式结构的水平弯管，操作方便，能重复使用，实验过程中，测试弯管6的内侧形状无明显变 化，测试弯管6上游的实验管道1的直管段长度为2m，下游的实验 管道1的直管段长度为1m，以使实验管道1中形成稳定流动；冰箱9 用于控制实验管道1中实验介质的温度，确保冰晶融化-结冰处于动 态平衡状态；搅拌器10用于搅拌实验介质；变频器11用于调节实验 介质的流速。

实施例2：

本实施例涉及的海水-冰晶两相流管路冲刷腐蚀实验装置实验 时，具体工艺过程分为实验前准备、冲刷腐蚀实验和实验后处理三个 阶段：

将B10铜镍合金切割成的规格为8mm×6mm×5mm的长方体，在长 方体上开设供螺杆67穿过的螺孔，用丙酮进行除油，并清理螺孔内 的油污，再用240#-1000#水磨砂纸打磨表面，用无水乙醇清洗、脱 水后置于真空干燥箱内干燥12h，得到实验试样；采用精度为0.01mg 的电子天平称量实验试样实验前的质量；(称量时，为使称量数据更 加准确，每次称量前，调平天平并进行预热，待天平稳定后记录称量 数据，如此重复3次取平均值)，然后，使用游标卡尺测量实验试样 尺寸，实验试样的工作面积为48mm²；将螺杆67旋入实验试样，用 704硅胶将实验试样逐个涂封在凹槽65内，将内拱61和外拱62胶 装连接成测试弯管6，将测试弯管6置于在通风处至少24h，待硅胶 充分固化；为了便于分析，对实验试样进行编号，例如，21号实验 试样所处位置的轴向角θ＝0°，环向角

取天然海水为实验用水，造冰机制出符合设定要求的人造冰晶为 实验用冰晶，实验前，将冰晶加入水箱2，实验开始时，开启搅拌器 10，使天然海水与冰晶混合均匀形成混合物流体，耐磨耐蚀泵3将混 合物输送进入实验管道1，为保证混合物流体流速的准确性和稳定性， 通过变频器11调节耐磨耐蚀泵3的频率，并根据流量、压力和温度 进行相应计算，使实验管道1中的混合物流体流速稳定在实验要求的 数值；记录冲刷腐蚀开始时间，监测流量和压力参数，观察混合物流 体的流动状态，冲刷腐蚀实验时间为72h；

实验后，将测试弯管6取下，先用去离子水清除测试弯管6内壁 的杂物，按照标号顺序将实验试样逐一取出，去除实验试样周围的硅 胶，保证硅胶无残留，清除实验试样100背部供螺杆67穿过的螺孔 内的杂物，再用沾有无水乙醇的脱脂棉擦拭，确保硅胶和杂物清理干 净，将实验试样置于真空干燥箱干燥12h后取出，用电子天平称量实 验试样实验后的重量；为减少实验误差，每组实验工况进行一次平行 实验，每次实验结束后更换天然海水和冰晶，取两次实验结果的平均 值为冲刷腐蚀速率。

Claims (8)

1.一种海水-冰晶两相流管路冲刷腐蚀实验装置，其特征在于主体结构包括实验管道、水箱、耐腐耐磨泵、电磁流量计、隔膜压力表和测试弯管；实验管道由水箱引出后依次连接耐腐耐磨泵、电磁流量计、隔膜压力表和测试弯管后接回水箱，其中，测试弯管位于实验管道的第一个转弯处。

2.根据权利要求1所述的海水-冰晶两相流管路冲刷腐蚀实验装置，其特征在于实验管道上还设置有球阀和止回阀，球阀位于水箱与耐腐耐磨泵之间，止回阀位于耐腐耐磨泵与电磁流量计之间；水箱置于冰箱中，水箱上方设置有搅拌器；耐腐耐磨泵与变频器连接。

3.根据权利要求1所述的海水-冰晶两相流管路冲刷腐蚀实验装置，其特征在于测试弯管由内拱和外拱拼接构成，包括弯头、上游直管段和下游直管段，内拱和外拱两端均设置有法兰，法兰上开有螺栓孔，测试弯管通过螺栓孔和螺栓与实验管道相连；测试弯管的内壁设置有若干个放置实验试样的凹槽，测试弯管上还设置有若干个与凹槽联通的螺杆孔，凹槽中放置有实验试样，实验试样与螺杆连接，螺杆穿过螺杆孔后与螺母连接。

4.根据权利要求1所述的海水-冰晶两相流管路冲刷腐蚀实验装置，其特征在于实验管道和测试弯管的外侧均包裹两层保冷材料层，以确保实验介质的温度稳定，第一保冷层的材料为聚氨酯泡沫，第二保冷层的材料为泡沫玻璃。

5.根据权利要求1所述的海水-冰晶两相流管路冲刷腐蚀实验装置，其特征在于螺母用于固定实验试样，实验试样的长度、宽度和厚度尺寸与凹槽的长度、宽度和厚度尺寸匹配，实验试样粘贴固定在凹槽中后与测试弯管的内壁平齐。

6.根据权利要求1所述的海水-冰晶两相流管路冲刷腐蚀实验装置，其特征在于实验管道是内径为40mm的有机玻璃管；水箱为透明水箱，便于观察内部实验介质的混合情况，水箱的内壁均布2个挡板，以使水箱内的冰晶分布均匀，水箱的容积为300L；冰箱为电脑控温冰箱；电磁流量计为液相电磁流量计，用于测量实验介质的流量，输出信号，信号被多通道高速数据采集卡采集；隔膜压力表为隔膜抗震压力表，用于测量实验介质的压力；测试弯管的内径为40mm，弯径比为1.5；测试弯管是选用高耐磨材料制作的可拆卸式结构的水平弯管，操作方便，能重复使用，实验过程中，测试弯管的内侧形状无明显变化，测试弯管上游的实验管道的直管段长度为2m，下游的实验管道的直管段长度为1m，以使实验管道中形成稳定流动；冰箱用于控制实验管道中实验介质的温度，确保冰晶融化-结冰处于动态平衡状态；搅拌器用于搅拌实验介质；变频器用于调节实验介质的流速。

7.根据权利要求3所述的海水-冰晶两相流管路冲刷腐蚀实验装置，其特征在于凹槽的数量与螺杆孔的数量相同。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的海水-冰晶两相流管路冲刷腐蚀实验装置，其特征在于实验时，采用差分接线方式，以消除共模噪声的影响，输出的电压信号或电流信号转换为电压信号输入接线盒中的端子上；使用Labview软件编制设定的采集程序实现数据的采集和分析；采用精度为0.01mg的电子天平称量实验试样在实验前后的重量，根据公式：

计算冲刷腐蚀速率，式中，ER为冲刷腐蚀速率，单位为mm/a；w₀为实验试样实验前的质量，单位为g；w₁为实验试样实验后的质量，单位为g；S为实验试样的工作面积，单位为m²；t为冲刷腐蚀进行的时间，单位为h；ρ_w为金属实验试样材料的密度，单位为g/cm³；采用三维视频显微镜观察实验试样在冲刷腐蚀后的宏观形貌并测量腐蚀坑深度，采用扫描电子显微镜观察实验试样的微观冲刷腐蚀形貌。

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