CN111474110A - 弯管可视化图像监测流动腐蚀试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种弯管可视化图像监测流动腐蚀试验装置，包括弯管上游直管段、弯管流动腐蚀管段、弯管下游直管段、高速摄像仪和电化学测试相关电极。本发明通过高速摄像仪可以对弯管内进行跟踪拍摄，通过电化学测试相关电极可在弯管段构建三电极系统，利用电化学测试法和重量法对管道弯管多相流局部流动腐蚀进行测试研究，能有效模拟并对弯管内流体的流动腐蚀过程进行直观的监测、研究，开展不同介质、不同流速、弯管轴向不同环向截面和弯管环向截面不同位置处的管流流动腐蚀测试，对管道内的多相流流型、流态、腐蚀状态和流体流动腐蚀过程进行全程监控；各部件及相关电极易于拆卸、安装和更换，且电化学测试相关电极结构简单，插入电极数量少。

Description

弯管可视化图像监测流动腐蚀试验装置

技术领域

本发明涉及流动腐蚀研究技术领域，尤其涉及一种弯管可视化图像监测流动腐蚀试验装置。

背景技术

流动腐蚀是金属表面与腐蚀性流体之间由于高速相对运动而引起的金属损坏现象，是材料受机械冲刷和电化学腐蚀协同作用的结果，是一种危害性较大的局部腐蚀。在多相流混输管道中，输送介质为气、液、固多相介质，管内流体的流态复杂，在流体流速较高时，管件的流动腐蚀失效问题尤为突出。管道流动腐蚀失效是腐蚀与流动耦合作用的结果，是一个十分复杂的过程，它与管道流量、管道几何构造、管壁材料、流体性质及流动状态、固体颗粒含量、颗粒形状、颗粒粒径等诸多因素均有关系。弯管是流体输送管线中不可或缺的零部件，但由于其几何形状的复杂性，造成流体流态及固体颗粒的运动在弯管处发生明显变化，导致弯管受流动腐蚀的破坏程度远远大于直管段，并且在弯管不同部位的腐蚀行为存在较大差异。流体动力学参数作为影响流动腐蚀的主要因素，在弯管位置其影响更为显著。流体流经弯管产生二次流现象，导致大量旋涡产生；在弯管不同位置，流速、固体沙粒的浓度和冲击角度存在差异。这些因素相互作用，使弯管的流动腐蚀机理变得相当复杂。因此，弄清流体动力学因素对弯管段流动腐蚀的作用机理，对建立有效的防护措施、提高输送管道的安全性具有重要意义。

在实验室内开展模拟工艺条件下的实验研究是当前获得管道流动腐蚀行为规律行之有效的方法。目前，应用较多的实验装置包括旋转式流动腐蚀实验装置、管流式实验装置和射流式实验装置。各类实验装置都有各自的优缺点，适合于特定工况的研究。其中管流式实验装置由于其实验参数容易控制，能较好地模拟管道流动腐蚀的实际工况，而且还可模拟多种多相流流态形式，并有良好的流体力学模型支持，实验结果与工程实际最为接近，有利于深入开展理论分析和研究，因此近年来在流动腐蚀研究领域得到了广泛的使用。

近年来，电化学测量技术已经广泛应用于腐蚀研究领域之中，电化学测量法可在较短时间内测得金属腐蚀过程中的动力学参数及腐蚀速率，为揭示金属腐蚀的微观机理提供有价值的信息。同时将高速摄像技术应用于腐蚀研究领域可以在短时间内对冲刷流体的流动情况进行记录监测，实现多相流管道输送条件下管道近壁流动状态的定量测量，并分析流型、流速等流体力学因素对多相流流动腐蚀的影响规律。但是，在流体输送管道的弯管部位，由于弯管几何形状的复杂性将电化学测量法与高速摄像技术相结合进行弯管部位的多相流流动腐蚀研究较为困难。因此，采用管道流动实验思路，借助电化学测量技术和高速摄像技术，发明了一种弯管可视化图像监测流动腐蚀试验装置，可从流体力学和电化学两方面及其耦合效应深入地研究多相流流动腐蚀机理，从而为管道多相流流动腐蚀的预测和预防提供理论支撑。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术之不足，本发明提供一种能较好的模拟管道流动腐蚀的实际工况，有效的对弯管内流体的流动腐蚀过程进行直观的监测、研究，以实现多相流管道输送条件下的流动腐蚀实验以及管道近壁流场的定量监测，并分析流型、流速等流体力学因素对多相流流动腐蚀的影响规律，便于结合电化学测试技术与数值模拟技术，从流体力学和电化学两方面及其耦合效应深入地研究多相流流动腐蚀机理的弯管可视化图像监测流动腐蚀试验装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种弯管可视化图像监测流动腐蚀试验装置，包括依次管路连接的弯管上游直管段、弯管流动腐蚀管段和弯管下游直管段，所述的弯管流动腐蚀管段上沿流体流动方向间隔设有若干个弯管环向截面，每个弯管环向截面的外周面的弯管流动腐蚀管段的管壁上间隔插入有若干个电化学测量电极安装管，所述的电化学测量电极安装管内插入有电化学测试相关电极，所述的弯管可视化图像监测流动腐蚀试验装置还包括用于监测弯管流动腐蚀管段内流体流动的高速摄像仪。

进一步的，所述的弯管环向截面以弯管流动腐蚀管段入口为0°起始进行环向截面，按等间隔度数沿弯管流动腐蚀管段进行环向截面，所述的弯管环向截面上沿环向截面的外周圆上均匀间隔插入电化学测量电极安装管；同一弯管环向截面上的电化学测量电极安装管的直径相同且轴线位于同一平面上，并垂直于弯管流动腐蚀管段的轴线。

优选的，所述的弯管环向截面以弯管流动腐蚀管段入口为0°起始、并以22.5°等间隔进行环向截面。

进一步的，所述的电化学测试相关电极包括工作参比复合电极和辅助电极，所述的工作参比复合电极包括工作电极和参比电极；所述的工作电极为棒形结构插接在电化学测量电极安装管内，所述的工作电极外径与电化学测量电极安装管内径相适配、下端为弧面，该弧面为工作面并与弯管流动腐蚀管段的内径弧度相同；所述的参比电极为探针形状的Ag/AgCl参比电极，所述的参比电极同心插入在工作电极内且参比电极下端面与工作电极下端面齐平；所述的辅助电极与工作电极外形相同并插接在电化学测量电极安装管内；同一弯管环向截面内的电化学测量电极安装管以截面圆心为中心按180°两两成对设置，每对电化学测量电极安装管中包括一个插接有工作参比复合电极的电化学测量电极安装管和一个插接有辅助电极的电化学测量电极安装管。

优选的，同一弯管换向截面内具有4对电化学测量电极安装管，相邻两电化学测量电极安装管之间的角度为45°。

更进一步的，所述的工作电极从上至下具有依次连接的上电极段、中电极段和下电极段，所述的下电极段外径与电化学测量电极安装管内径相适配并插接在电化学测量电极安装管内，所述的中电极段外径大于下电极段，所述的上电极段外径小于中电极段，所述的电化学测量电极安装管顶部外周面上具有外螺纹，所述的电化学测量电极安装管外对应外螺纹配合螺纹连接有电极安装螺帽，所述的电极安装螺帽中心具有供上电极段贯穿伸出的通孔且电极安装螺帽将中电极段下端面压接在电极安装管端面上，所述的中电极段下端面与电化学测量电极安装管端面之间还压接有垫片。

相应的，所述的电化学测试相关电极包括简单工作电极，所述的简单工作电极为棒形结构插接在电化学测量电极安装管内，所述的简单工作电极外径与电化学测量电极安装管内径相适配、下端为弧面，该弧面为工作面并与弯管流动腐蚀管段的内径弧度相同。

进一步的，所述的简单工作电极从上至下具有依次连接的上简单电极段、中简单电极段和下简单电极段，所述的下简单电极段外径与电化学测量电极安装管内径相适配并插接在电化学测量电极安装管内，所述的中简单电极段外径大于下简单电极段，所述的上简单电极段外径小于中简单电极段，所述的电化学测量电极安装管顶部外周面上具有外螺纹，所述的电化学测量电极安装管外对应外螺纹配合螺纹连接有电极安装螺帽，所述的电极安装螺帽中心具有供上简单电极段贯穿伸出的通孔且电极安装螺帽将中简单电极段下端面压接在电极安装管端面上，所述的中简单电极段下端面与电化学测量电极安装管端面之间还压接有垫片。

本发明的有益效果是，本发明提供的弯管可视化图像监测流动腐蚀试验装置，既能较好的模拟管道流动腐蚀的实际工况，有效的对弯管内流体的流动腐蚀过程进行直观的监测、研究，可实现多相流管道输送条件下的弯管流动腐蚀实验，可进行弯管环向截面不同位置和弯管轴向不同环向截面不同位置的腐蚀量测量以及管道近壁流场的定量监测，并分析流型、流速等流体力学因素对多相流流动腐蚀的影响规律。同时再结合电化学测试技术与数值模拟技术，从流体力学和电化学两方面及其耦合效应深入地研究弯管部位多相流流动腐蚀机理。同时，该装置流动腐蚀试件及相关电极易于拆卸、安装和更换，可模拟不同材料的流动腐蚀情况，采用的工作参比复合电极巧妙的将工作电极和参比电极相结合，从而同辅助电极一起构成一种特殊的三电极结构，既保证了电化学测量的精度又减少了插入电极的数量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明实施例一的结构示意图。

图2是图1中弯管环向截面的截面示意图。

图3是本发明实施例一中工作参比复合电极的分解结构示意图。

图4是本发明实施例一中工作参比复合电极的结构示意图。

图5是本发明实施例一中辅助电极的结构示意图。

图中1、弯管上游直管段2、弯管下游直管段3、弯管流动腐蚀管段4、电化学测量电极安装管5、工作参比复合电极6、工作电极7、参比电极8、辅助电极9、电极安装螺帽10、垫片11、高速摄像仪。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示的一种弯管可视化图像监测流动腐蚀试验装置，是本发明实施例一。弯管可视化图像监测流动腐蚀试验装置，包括依次管路连接的弯管上游直管段1、弯管流动腐蚀管段3和弯管下游直管段2，还包括用于监测弯管流动腐蚀管段3内流体流动的高速摄像仪11。弯管上游直管段1、弯管流动腐蚀管段3和弯管下游直管段2均采用有机玻璃管材制作管道，有机玻璃管材的内径与前后连接管路的内径相同，有机玻璃管材的两端由法兰或者活接头连接至循环式管道流动实验装置。多相流流体介质由循环式管道流动实验装置接入管路一端流入，经弯管上游直管段1稳定流速和流态后，进入弯管流动腐蚀管段3进行相关流动腐蚀实验和测试，最后由弯管下游直管段2流出回到循环式管道流动实验装置。

弯管流动腐蚀管段3上沿流体流动方向间隔设有五个弯管环向截面，每个弯管环向截面的外周面的弯管流动腐蚀管段3的管壁上等间隔插入有八个电化学测量电极安装管4，电化学测量电极安装管4为有机玻璃材质制成。所述的电化学测量电极安装管4内插入有电化学测试相关电极。

弯管环向截面以弯管流动腐蚀管段3入口为0°起始进行环向截面，间隔22.5°取环向截面，环向截面沿弯管均匀布置。弯管环向截面上沿环向截面的外周圆上间隔45°均匀插入电化学测量电极安装管4；同一弯管环向截面上的电化学测量电极安装管4的直径相同且轴线位于同一平面上，并垂直于弯管流动腐蚀管段3的轴线。每一环向截面上需布置8个电化学测量电极安装管4，整个弯管流动腐蚀管段3共布置了40个电化学测量电极安装管4。

在本实施例中，弯管流动腐蚀管段3用于腐蚀量电化学测量的特殊三电极系统的电化学测试相关电极包括工作参比复合电极5和辅助电极8。所述的工作参比复合电极5包括工作电极6和参比电极7，所述的工作电极6为棒形结构插接在电化学测量电极安装管4内，工作电极6由待试验材料加工而成。所述的工作电极6外径与电化学测量电极安装管4内径相适配、下端为弧面，该弧面为工作面并与弯管流动腐蚀管段3的内径弧度相同。所述的参比电极7为探针形状的Ag/AgCl参比电极7，所述的参比电极7同心插入在工作电极6内且参比电极7下端面与工作电极6下端面齐平。组装时，参比电极7同心插入至工作电极6内，与工作电极6复合构成工作参比电极7后，再以竖棒的形式插入电化学测量电极安装管4内。所述的辅助电极8与工作电极6外形相同并插接在电化学测量电极安装管4内；同一弯管环向截面内的电化学测量电极安装管4以截面圆心为中心按180°两两成对设置，每对电化学测量电极安装管4中包括一个插接有工作参比复合电极5的电化学测量电极安装管4和一个插接有辅助电极8的电化学测量电极安装管4。

如图2所示，试验装置的工作参比复合电极5和辅助电极8可以根据试验需求互换位置，从而实现多相流流动腐蚀实验时弯管环向截面间隔45°不同位置的腐蚀试样开路电位、电化学阻抗谱、极化曲线、极化电阻等电化学测量，进而可以分析相应位置处的流动腐蚀机理。若实验时，实验装置同时插入4对工作参比复合电极5和辅助电极8时，可以实现一次实验同时进行弯管环向截面4个不同位置处的腐蚀量电化学测量。

在实际设计中，为了便于电化学测试相关电极安装插接在电化学测量电极安装管4内，所述的工作电极6从上至下具有依次连接的上电极段、中电极段和下电极段，所述的下电极段外径与电化学测量电极安装管4内径相适配并插接在电化学测量电极安装管4内，所述的中电极段外径大于下电极段，所述的上电极段外径小于中电极段，所述的电化学测量电极安装管4顶部外周面上具有外螺纹，所述的电化学测量电极安装管4外对应外螺纹配合螺纹连接有电极安装螺帽9，所述的电极安装螺帽9中心具有供上电极段贯穿伸出的通孔且电极安装螺帽9将中电极段下端面压接在电极安装管端面上，所述的中电极段下端面与电化学测量电极安装管4端面之间还压接有垫片10。在实际组装过程中，电化学测量电极安装管4的管壁具有一定厚度，垫片10的外径小于电化学测量电极安装管4的外径，被嵌入压接在电化学测量电极安装管4顶部，同时中电极段的外径与电化学测量电极安装管4的外径相同，电极安装螺帽9即可下压在中电极段上顶面上，通过螺纹将电化学测试相关电极与电化学测量电极安装管4锁紧。

当单纯采用重量法进行腐蚀测量时，还具有实施例二。在实施例二中，与实施例一相比，仅在电化学测试相关电极部分中与实施例一存在区别。电化学测试相关电极包括简单工作电极，可以通过一次实验同时测量弯管轴向不同环向截面的不同位置的腐蚀量。所述的简单工作电极为棒形结构插接在电化学测量电极安装管4内，简单工作电极与工作电极6外形也相同，即简单工作电极外径与电化学测量电极安装管4内径相适配、下端为弧面，该弧面为工作面并与弯管流动腐蚀管段3的内径弧度相同。

简单工作电极也从上至下具有依次连接的上简单电极段、中简单电极段和下简单电极段，所述的下简单电极段外径与电化学测量电极安装管4内径相适配并插接在电化学测量电极安装管4内，所述的中简单电极段外径大于下简单电极段，所述的上简单电极段外径小于中简单电极段，所述的电化学测量电极安装管4顶部外周面上具有外螺纹，所述的电化学测量电极安装管4外对应外螺纹配合螺纹连接有电极安装螺帽9，所述的电极安装螺帽9中心具有供上简单电极段贯穿伸出的通孔且电极安装螺帽9将中简单电极段下端面压接在电极安装管端面上，所述的中简单电极段下端面与电化学测量电极安装管4端面之间还压接有垫片10。在实际组装过程中，简单工作电极与电机安装螺帽9、垫片10的结构和安装方式与实施例一中工作电极6的结构和安装方式基本相同。

同时，也可在电化学测量电极安装管4内安装除工作参比复合电极5、辅助电极8和简单工作电极6以外的其他电极。当测量弯管环向截面某一点处的腐蚀状态及弯管内多相流流型、流态和流体流动腐蚀过程时，用有机玻璃加工成和简单工作电极6同样形状和尺寸的密封件密封除安装工作参比复合电极5、辅助电极8以外的电极安装管，采用高速摄像仪11拍摄流动腐蚀工作试样监测区域，监测流体流动腐蚀过程及腐蚀工作试样腐蚀变化状态，结合高速摄像仪11配套软件分析弯管流动腐蚀管段3内部多相流流型、流态和流速等流体力学参数与流动腐蚀行为规律之间的关系。同时可采用数值模拟软件，基于弯管形状构建相关模拟模型，根据多相流介质、流速等参数设定边界条件，可以获得弯管截面不同位置处的流速、壁面剪切力、流动腐蚀量等信息。将试验结果同数值模拟结果相对照，从流体力学和电化学两方面及其耦合效应深入地研究多相流流动腐蚀机理。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种弯管可视化图像监测流动腐蚀试验装置，包括依次管路连接的弯管上游直管段(1)、弯管流动腐蚀管段(3)和弯管下游直管段(2)，其特征在于：所述的弯管流动腐蚀管段(3)上沿流体流动方向间隔设有若干个弯管环向截面，每个弯管环向截面的外周面的弯管流动腐蚀管段(3)的管壁上间隔插入有若干个电化学测量电极安装管(4)，所述的电化学测量电极安装管(4)内插入有电化学测试相关电极，所述的弯管可视化图像监测流动腐蚀试验装置还包括用于监测弯管流动腐蚀管段(3)内流体流动的高速摄像仪(11)。

2.如权利要求1所述的弯管可视化图像监测流动腐蚀试验装置，其特征在于：所述的弯管环向截面以弯管流动腐蚀管段(3)入口为0°起始进行环向截面，按等间隔度数沿弯管流动腐蚀管段(3)进行环向截面，所述的弯管环向截面上沿环向截面的外周圆上均匀间隔插入电化学测量电极安装管(4)；同一弯管环向截面上的电化学测量电极安装管(4)的直径相同且轴线位于同一平面上，并垂直于弯管流动腐蚀管段(3)的轴线。

3.如权利要求2所述的弯管可视化图像监测流动腐蚀试验装置，其特征在于：所述的弯管环向截面以弯管流动腐蚀管段(3)入口为0°起始、并以22.5°等间隔进行环向截面。

4.如权利要求2所述的弯管可视化图像监测流动腐蚀试验装置，其特征在于：所述的电化学测试相关电极包括工作参比复合电极(5)和辅助电极(8)，所述的工作参比复合电极(5)包括工作电极(6)和参比电极(7)；所述的工作电极(6)为棒形结构插接在电化学测量电极安装管(4)内，所述的工作电极(6)外径与电化学测量电极安装管(4)内径相适配、下端为弧面，该弧面为工作面并与弯管流动腐蚀管段(3)的内径弧度相同；所述的参比电极(7)为探针形状的Ag/AgCl参比电极(7)，所述的参比电极(7)同心插入在工作电极(6)内且参比电极(7)下端面与工作电极(6)下端面齐平；所述的辅助电极(8)与工作电极(6)外形相同并插接在电化学测量电极安装管(4)内；同一弯管环向截面内的电化学测量电极安装管(4)以截面圆心为中心按180°两两成对设置，每对电化学测量电极安装管(4)中包括一个插接有工作参比复合电极(5)的电化学测量电极安装管(4)和一个插接有辅助电极(8)的电化学测量电极安装管(4)。

5.如权利要求4所述的弯管可视化图像监测流动腐蚀试验装置，其特征在于：同一弯管环向截面内具有4对电化学测量电极安装管(4)，相邻两电化学测量电极安装管(4)之间的角度为45°。

6.如权利要求4所述的弯管可视化图像监测流动腐蚀试验装置，其特征在于：所述的工作电极(6)从上至下具有依次连接的上电极段、中电极段和下电极段，所述的下电极段外径与电化学测量电极安装管(4)内径相适配并插接在电化学测量电极安装管(4)内，所述的中电极段外径大于下电极段，所述的上电极段外径小于中电极段，所述的电化学测量电极安装管(4)顶部外周面上具有外螺纹，所述的电化学测量电极安装管(4)外对应外螺纹配合螺纹连接有电极安装螺帽(9)，所述的电极安装螺帽(9)中心具有供上电极段贯穿伸出的通孔且电极安装螺帽(9)将中电极段下端面压接在电极安装管端面上，所述的中电极段下端面与电化学测量电极安装管(4)端面之间还压接有垫片(10)。

7.如权利要求2所述的弯管可视化图像监测流动腐蚀试验装置，其特征在于：所述的电化学测试相关电极包括简单工作电极，所述的简单工作电极为棒形结构插接在电化学测量电极安装管(4)内，所述的简单工作电极外径与电化学测量电极安装管(4)内径相适配、下端为弧面，该弧面为工作面并与弯管流动腐蚀管段(3)的内径弧度相同。

8.如权利要求7所述的弯管可视化图像监测流动腐蚀试验装置，其特征在于：所述的简单工作电极从上至下具有依次连接的上简单电极段、中简单电极段和下简单电极段，所述的下简单电极段外径与电化学测量电极安装管(4)内径相适配并插接在电化学测量电极安装管(4)内，所述的中简单电极段外径大于下简单电极段，所述的上简单电极段外径小于中简单电极段，所述的电化学测量电极安装管(4)顶部外周面上具有外螺纹，所述的电化学测量电极安装管(4)外对应外螺纹配合螺纹连接有电极安装螺帽(9)，所述的电极安装螺帽(9)中心具有供上简单电极段贯穿伸出的通孔且电极安装螺帽(9)将中简单电极段下端面压接在电极安装管端面上，所述的中简单电极段下端面与电化学测量电极安装管(4)端面之间还压接有垫片(10)。

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