CN111678859A - 一种模拟湿气输送管道内顶部局部腐蚀测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及管道内腐蚀测试领域，尤其涉及一种模拟湿气输送管道内顶部局部腐蚀测试装置：上部开口并盖有密封盖体的箱体；安装在密封盖体上且伸入箱体内的阵列电极，阵列电极上设置有微通道孔，阵列电极与电化学工作站连接；微通道孔、微量进液泵、第一密封容器依次连接；设置于箱体侧壁上的嵌入式观察窗，其与箱体内的阵列电极对准；包裹在箱体的外围的水浴夹套，该夹套与循环恒温水装置连接，第一密封容器位于循环恒温水装置中；液滴收集器，设置于箱体内阵列电极正下方；液滴收集器与放置在分析天平上的第二密封容器连通；与箱体连通的气压控制装置。该装置能够模拟湿天然气管道的动态凝结液滴工况，并对液滴下的局部腐蚀行为开展电化学测试。

Description

一种模拟湿气输送管道内顶部局部腐蚀测试装置

技术领域

本发明涉及管道内腐蚀测试领域，尤其涉及一种模拟湿气输送管道内顶部局部腐蚀测试装置。

背景技术

本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

在湿气输送过程中，由于管道内外温差的存在，水蒸气将在管道内壁上半部分凝结形成液滴，当与天然气伴生存在的腐蚀性气体(如CO₂、H₂S等)溶于液滴则将造成管道腐蚀，即顶部腐蚀。由于顶部腐蚀常表现为一种局部腐蚀破坏，而添加缓蚀剂的方法常常无法到达管道顶部并实现有效的防护，使得顶部腐蚀成为湿气管道的重要安全威胁。顶部腐蚀本质上是一种动态凝结液滴下的管道腐蚀破坏，研究确定局部腐蚀的萌生、发展机制及主导因素的影响规律对顶部腐蚀的控制与防护具有重要价值。

研究表明，冷凝率、温度、CO₂分压、H₂S分压、HAc浓度和甲醇/乙二醇浓度等都对顶部腐蚀行为与机制有重要影响。其中，冷凝率是最具主导作用的影响因素。此前的研究中，人们主要通过控制温差实现对冷凝率的调节，并在此基础上开展实验研究。这种做法尽管可以较好地呈现管道内顶部腐蚀的发生过程，但却不便于局部腐蚀机制的深入研究。首先，单纯通过温差无法实现冷凝率的精确控制；其次，冷凝率的数值实为统计平均值，无法追踪某一时刻、某一具体位置处的具体凝结状况；另外，凝结过程伴随液滴体积、形状及内部水化学环境的周期性动态变化，可显著作用于液滴下的腐蚀电化学过程，而冷凝率并不足以充分地表征这些变化，在建立与局部腐蚀行为的关联中表现出极大的局限性。

凝结液滴会与金属壁面形成复杂的多相多界面结构，液滴下的腐蚀过程具有高度局部化且随时间不断发展演变的特点，对腐蚀电化学测试方法提出了较高的要求。目前，常采用的腐蚀测试表征方法存在仅能获得时间与空间上的统计平均结果或测试参数有限等问题，由此导致的局部位置实时电化学证据的缺失已经成为限制局部腐蚀机制认知的最主要问题。此外，液滴的动态变化还可影响到常规电化学测试结果的可靠性，对结果的解析也带来较大困难。

发明内容

针对上述的问题，本发明提出一种模拟湿气输送管道内顶部局部腐蚀测试装置，其能够模拟湿天然气管道的动态凝结液滴工况，并对液滴下的局部腐蚀行为开展电化学测试。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种模拟湿气输送管道内顶部局部腐蚀测试装置，包括：

箱体，其具有腔室，该箱体的上部开口并盖有密封盖体；

阵列电极，其安装在所述密封盖体上且伸入箱体内，所述阵列电极上设置有微通道孔，所述阵列电极与电化学工作站连接。所述微通道孔、微量进液泵、第一密封容器依次连接；

嵌入式观察窗，其设置于所述箱体侧壁上，且与箱体内的阵列电极对准；

水浴夹套，其包裹在箱体的外围，水浴夹套与循环恒温水装置之间形成循环连接，所述第一密封容器位于循环恒温水装置中；需要进行模拟检测时，在水浴夹套内设恒温流体，使箱体、第一密封容器的温度维持在设定值；

液滴收集器，设置于箱体内阵列电极正下方，用于收集跌落的液滴；液滴收集器与放置在分析天平上的第二密封容器连通；

气压控制装置，其与箱体连通，以便于为箱体输入测试所需干气体并提供需要的压力。

进一步地，所述密封盖体上开设有电极安装孔和温湿度探头安装孔，所述阵列电极安装在所述电极安装孔中，所述温湿度传感器安装在所述温湿度传感器安装孔中；

进一步地，所述嵌入式观察窗内设置有便携式显微镜，以便于对阵列电极工作面上的液滴进行观测；

进一步地，所述阵列电极包括阵列分布的同心圆三电极，所述微通道孔位于同心圆三电极之间；所述同心圆三电极与电化学工作站连接；

进一步地，所述同心圆三电极包括工作电极、参比电极和辅助电极，工作电极经由高速切换开关连接到电化学工作站的工作电极接头，参比电极和辅助电极则分别连接到电化学工作站的参比电极和辅助电极接头，各电极之间由绝缘环氧树脂隔开；

进一步地，所述液滴收集器为漏斗形结构，其通过管道与第二密封容器连通；

进一步地，所述第一密封容器、第二密封容器为通过塞子密封的锥形瓶等，其主要用于盛放测试用的模拟凝结液；

进一步地，所述气压控制装置包括：出气管、气瓶、气体干燥罐、进气管，所述出气管的一端与箱体连通，出气管的另一端分为两条支路，一条支路与气体干燥罐的进口、气瓶的出气口连通，另外一条支路连通大气；气体干燥罐的出口通过进气管与箱体连通；

进一步地，所述气压控制装置还包括循环风机，循环风机设置在出气管上用于将箱体内的气体抽出后送入气体干燥罐中，干燥后再送入箱体中；

进一步地，所述箱体还包括箱体底座；所述箱体底座上固定设置有调平装置，包括第一螺杆、第二螺杆和第三螺杆，螺杆固定在箱体的底部且螺杆两端延伸至箱体壳体外；所述箱体底座为等边三角形，所述第一螺杆、第二螺杆、第三螺杆分别安装在箱体底座的三个角上且中心对称；调平装置用于调节阵列电极的工作面的水平度和倾斜度。

与现有技术相比，本发明的一种或多种实施方式具有以下有益效果：

(1)本发明的模拟装置既可实现以可控的方式实现液滴的生成，从而模拟顶部腐蚀的发生过程，而且可以方便地开展液滴状态表征以及液滴下局部位置的腐蚀电化学测试，从而获得充分的电化学证据用于局部腐蚀机制及主导因素影响规律的研究，为湿天然气管道的腐蚀防护提供指导和参考。

(2)本发明设置有嵌入式观察窗，并放入与之配套的便携式显微镜，从而能够实时、连续观测液滴的体积、形状的动态变化。

(3)本发明通过微通道孔、微量进液泵、第一密封容器的联合使用，能够以可控的方式模拟再现凝结液滴的生成、跌落等动态变化过程。

(4)本发明通过由阵列分布的同心圆三电极做成的阵列电极能够开展特定液滴形态下局部位置的腐蚀电化学测试。

(5)本发明结合模拟凝结液滴的生成控制以及局部位置的腐蚀电化学测试，能够更好地建立局部腐蚀行为与凝结液滴动态变化过程的关联，进而深入探讨局部腐蚀机制。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例中模拟湿气输送管道内顶部局部腐蚀测试装置的结构示意图。

图2为本发明实施例中同心圆三电极及微通道孔的结构示意图。

图3为本发明实施例中同心圆三电极的结构示意图。

图4为箱体底座的俯视图。

图中标记分别代表：1-箱体、2-密封盖体、3-阵列电极、4-电化学工作站、5-微量进液泵、6-第一密封容器、7-嵌入式观察窗、8-水浴夹套、9-循环恒温水装置、10-液滴收集器、11-第二密封容器、12-温湿度传感器、13-出气管、14-气瓶、15-气体干燥罐、16-进气管、17-循环风机、18-箱体底座、19-第一螺杆、20-第二螺杆、21-第三螺杆、301-同心圆三电极、3011-工作电极、3012-参比电极、3013-辅助电极、3014-环氧树脂、401高速切换开关、602分析天平、701-便携式显微镜。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件需要具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如前文所述，目前，常采用的腐蚀测试表征方法存在仅能获得时间与空间上统计平均结果或测试参数有限等问题，由此导致的局部位置实时电化学证据的缺失已经成为限制局部腐蚀机制认知的最主要问题。此外，液滴的动态变化还可影响到常规电化学测试结果的可靠性，对结果的解析也带来较大困难。因此，本发明提出一种模拟湿气输送管道内顶部局部腐蚀测试装置；现结合说明书附图和具体实施例对本发明进一步说明。

参考图1-4，一种模拟湿气输送管道内顶部局部腐蚀测试装置，包括：箱体1、密封盖体2、阵列电极3、微通道孔302、电化学测试系统4、微量进液泵5、第一密封容器(锥形瓶)6、嵌入式观察窗7、水浴夹套8、循环恒温水装置9、液滴收集器10、第二密封容器(锥形瓶)11、温湿度传感器12、出气管13、气瓶14、气体干燥罐15、进气管16、循环风机17、箱体底座18、第一螺杆19、第二螺杆20和气压控制装置。另外，图1中V1-V11均为阀门，其安装在相应的管路上以控制各管路。

对于所述箱体1，其为具有腔室的结构，该箱体的上部开口，底部为一体化设计的箱体底座18，所述开口处设置有法兰。该法兰与可拆卸设置的密封盖体2配合，之间设有密封垫片，并通过螺钉紧固。

对于密封盖体2，其上开设有电极安装孔和温湿度探头安装孔，所述阵列电极3安装在所述电极安装孔中且伸入箱体1内，所述温湿度传感器12安装在所述电极安装孔中且伸入箱体1内。

对于阵列电极3，参考图2，其包括阵列分布的同心圆三电极301和微通道孔302，微通道孔302位于同心圆三电极301之间。所述阵列电极3所述微通道孔302、微量进液泵5、第一密封容器6依次连接。所述同心圆三电极301包括工作电极3011、参比电极3012和辅助电极3013，各电极之间由绝缘环氧树脂3014隔开。所述工作电极3011经由高速切换开关401连接到电化学工作站4的工作电极接头，所述参比电极3012和辅助电极3013则分别连接到电化学工作站的参比电极和辅助电极接头。

对于所述嵌入式观察窗7，其设置于所述箱体1侧壁上，且与箱体1内的阵列电极3对准；嵌入式观察窗7中还设置有便携式显微镜701，以便于对阵列电极3上的液滴进行观察。

对于所述水浴夹套8，其包裹在箱体的外围，水浴夹套8与循环恒温水装置9之间形成循环连接，所述第一密封容器6位于循环恒温水装置9中。需要进行模拟检测时，在水浴夹套内设恒温流体，使箱体、第一密封容器6的温度维持在设定值。

对于所述液滴收集器10，其为漏斗形结构设置于箱体内阵列电极3正下方，用于收集跌落的液滴；液滴收集器10与放置在分析天平602上的第二密封容器(锥形瓶)11之间通过管道连通。

对于所述气压控制装置，包括：出气管13、气瓶14、气体干燥罐15、进气管16，所述出气管13的一端与箱体1连通，出气管13的另一端与分为两条支路，分别与气瓶14的出气口、气体干燥罐15的进口连通，气体干燥罐15的出口通过进气管16与箱体1连通。所述气压控制装置还包括循环风机17，循环风机设置在出气管13上用于将箱体内的气体抽出后送入气体干燥罐15中，干燥后再送入箱体中，以便为箱体输入测试所需干气体并提供需要的压力。

所述第一密封容器6为通过塞子密封的锥形瓶等，第一密封容器6用于盛放测试用的模拟凝结液，锥形瓶用于盛放从阵列电极3上收集的模拟凝结液。

参考图4，所述箱体底座18上还固定设置有调平装置，其包括第一螺杆19、第二螺杆20、第三螺杆21，所述箱体底座18为等边三角形，所述第一螺杆19、第二螺杆20、第三螺杆21分别安装在箱体底座18的三个角上且中心对称。阵列电极3安装时确保其某一排或某一列与第二螺杆20和第三螺杆21所在的边平齐；固定第三螺杆21，结合水平仪，调节第一螺杆19、第二螺杆20的旋进旋出量，调节使阵列电极3工作面的水平。此时，还可结合水平仪调节第一螺杆19的旋进旋出量，调整阵列电极3工作面的倾斜度。水平度与倾斜度的调节可为模拟凝结液滴在水平和倾斜条件下的局部腐蚀测试提供条件。

进一步地，采用图1-4所述的模拟湿气输送管道内顶部局部腐蚀测试装置进行模拟测试，具体如下：

一、实验前：

组装设备，并进行相应的电路连接，具体为：预先制备阵列电极3，将阵列电极3安装到密封盖体2上，同样将温湿度传感器12安装到密封盖体2上；阵列电极3上的工作电极3011经由高速切换开关401连接到电化学工作站4的工作电极接头，参比电极3012和辅助电极3013分别连接到电化学工作站4的参比电极和辅助电极接头；阵列电极3上微通道孔302与微量进液泵5及第一密封容器6连接；第一密封容器6内预先配置模拟凝结液，并在恒温循环水装置9中加热到指定的温度；循环恒温水装置9预先加热到指定温度，并与水浴夹套8连通，实现对箱体1循环恒温加热；打开气瓶14的气阀及沿程管线阀门V1、V2、V3，通过进气管16向箱体1内供实验用气体；箱体1内预装一定量预先除氧并加热到指定温度的蒸馏水，迅速将密封盖体2安装到箱体1上，紧固螺钉以实现箱体1内密封；打开阀门V4、V5、V6，使实验气体充满管路；调节阀门V1、V2、V3直至最终关闭V1、V3并使压力表达到设定压力；关闭阀门V5，开启循环风机17，使气体在箱体1及管路内循环起来；分别调节调整螺杆19-21，配合水平仪，使阵列电极3的工作面设置为水平或指定角度；嵌入式观察窗7内装入便携式显微镜701，调整其位置以便观察阵列电极3表面的情况。

以上步骤前后顺序不是本发明所保护的，具体的设备组装顺序由使用者的习惯顺序决定。

二、实验中：

打开阀门V9，并调节微量进液泵5的流量，使模拟凝结液按照设定流量在阵列电极3的表面形成液滴，通过便携式显微镜701观察液滴的形状大小及周期性变化；利用电化学工作站4结合高速切换开关401分别开展阵列电极3整体或局部位置的腐蚀电化学测试；通过温湿度传感器12监测箱体1内的温度及湿度，当温度低于设定值时，及时调整循环恒温装置9，当湿度高于设定值时，开启阀门V5，关闭阀门V6，由气体干燥罐15去除气体中的湿气；周期性地打开V1，对箱体1补充实验气体；当有凝结液滴从阵列电极3的工作面滴下并进入到液滴收集器10，先打开阀门V7，再关闭V7打开V8，待液体流入锥形瓶11，再关闭V8；通过分析天平602称量凝结液滴的质量，换算出液滴的体积；还可从锥形瓶11内对液体取样，开展水化学分析。

三、实验结束：

关闭循环风机17、微量进液泵5和阀门V3，使气体排出；断开阵列电极与电化学工作站4及微量进液泵5的连接。

四、重复实验：

更换阵列电极3，改变微量进液泵5流量或预设温度或预设压力，重复实验。

最后，需要说明的是，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种模拟湿气输送管道内顶部局部腐蚀测试装置，其特征在于，包括：

箱体，其具有腔室，所述箱体的上部开口并盖有密封盖体；

阵列电极，其安装在所述密封盖体上且伸入箱体上，所述阵列电极上设置有微通道孔，所述阵列电极与电化学工作站连接；所述微通道孔、微量进液泵、第一密封容器依次连接；

嵌入式观察窗，其设置于所述箱体侧壁上，且与箱体内的阵列电极对准；

水浴夹套，其包裹在箱体的外围，水浴夹套与循环恒温水装置之间形成循环连接，所述第一密封容器位于循环恒温水装置中；

液滴收集器，设置于箱体内阵列电极正下方；所述液滴收集器与放置在分析天平上的第二密封容器连通；以及

气压控制装置，其与箱体连通。

2.根据权利要求1所述的模拟湿气输送管道内顶部局部腐蚀测试装置，其特征在于，还包括便携式显微镜，其设置在嵌入式观察窗中。

3.根据权利要求1所述的模拟湿气输送管道内顶部局部腐蚀测试装置，其特征在于，所述密封盖体上开设有电极安装孔，所述阵列电极安装在所述电极安装孔中。

4.根据权利要求1所述的模拟湿气输送管道内顶部局部腐蚀测试装置，其特征在于，所述箱体的侧壁设有温湿度探头安装孔，其中安装有温湿度传感器。

5.根据权利要求1所述的模拟湿气输送管道内顶部局部腐蚀测试装置，其特征在于，所述气压控制装置包括：出气管、气瓶、气体干燥罐和进气管，所述出气管的一端与箱体连通，出气管的另一端分为两条支路，一条支路与气体干燥罐的进口、气瓶的出气口连通，另外一条支路连通大气；气体干燥罐的出口通过进气管与箱体连通。

6.根据权利要求5所述的模拟湿气输送管道内顶部局部腐蚀测试装置，其特征在于，所述气压控制装置还包括循环风机，循环风机设置在出气管上。

7.根据权利要求1所述的模拟湿气输送管道内顶部局部腐蚀测试装置，其特征在于，所述箱体还包括箱体底座，所述箱体底座上固定设置有调平装置，包括第一螺杆、第二螺杆、第三螺杆，螺杆固定在箱体的底部且螺杆两端延伸至箱体壳体外；

优选地，所述箱体底座为等边三角形，所述第一螺杆、第二螺杆、第三螺杆分别安装在箱体底座的三个角上且中心对称。

8.根据权利要求1-7任一项所述的模拟湿气输送管道内顶部局部腐蚀测试装置，其特征在于，所述阵列电极包括阵列分布的同心圆三电极，所述微通道孔位于同心圆三电极之间；所述同心圆三电极与电化学工作站连接；

优选地，所述同心圆三电极包括工作电极、参比电极和辅助电极，各电极之间由绝缘环氧树脂隔开，工作电极经由高速切换开关连接到电化学工作站的工作电极接头，参比电极和辅助电极则分别连接到电化学工作站的参比电极和辅助电极接头。

9.根据权利要求1-7任一项所述的模拟湿气输送管道内顶部局部腐蚀测试装置，其特征在于，所述液滴收集器为漏斗形结构，其通过管道与第二密封容器连通。

10.根据权利要求1-7任一项所述的模拟湿气输送管道内顶部局部腐蚀测试装置，其特征在于，所述第一密封容器、第二密封容器为通过塞子密封的锥形瓶。

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