CN112268853B - 一种高温地热蒸汽冲刷腐蚀实验装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高温地热蒸汽冲刷腐蚀实验装置及其测试方法，具有气体供应组件、蒸汽发生组件、固相颗粒供应组件、腐蚀实验段组件、固相回收组件、有害气体吸收装置、蒸汽冷凝循环装置以及输送管道，将实验所用的腐蚀性气体、固相颗粒及蒸汽通过腐蚀实验管件的实验管段，对实验管段内壁处理后的腐蚀产物进行检测并对腐蚀形貌进行观察。本发明可最大程度还原地热蒸汽环境中多相流体在管道中的流动状态，实现循环性实验，通过调节腐蚀性气体、蒸汽、固相颗粒在多相流体中的占比，以及控制流体的流速、实验系统的压力等参数，计算出实验管段的腐蚀速率并对材料的耐腐蚀性能进行评价，或者对涂层、缓蚀剂等防腐手段的有效性进行评价。

Description

一种高温地热蒸汽冲刷腐蚀实验装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及地热资源技术领域，尤其是一种高温地热蒸汽冲刷腐蚀实验装置及其测试方法。

背景技术

我国地热资源丰富，地热田的温度一般高于150℃，是以温蒸汽为主的高温地热资源，可通过在表面建设地热发电厂的方式进行发电，是一种具有广阔前景的清洁能源。但是，地热蒸汽往往包含硫化氢、二氧化碳等腐蚀性气体，并且由于高温地热资源在开采过程中会产生以二氧化硅为主体成份的硅垢，并进而形成具有一定硬度的二氧化硅晶体，这些晶体会随着流动的蒸汽被携带至地面，不可避免地会对井下管柱以及地面管道造成冲刷腐蚀，从而损坏金属管道，造成能源损失。

为了对这种地热环境中多相流冲蚀行为进行研究，以便开发合适的防护手段，需要开发一种能够对地热环境下多相流冲刷腐蚀机理进行深入研究的实验装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中之不足，本发明提供一种高温地热蒸汽冲刷腐蚀实验装置及其测试方法，以模拟在蒸汽环境下多相流体对管道的冲刷腐蚀过程，并且能够调节腐蚀性气体、蒸汽、固相颗粒在多相流体中的占比，在一定程度上控制流体的流速、实验系统的压力等参数，通过计算腐蚀速率以及利用表面工程手段对材料的耐腐蚀性能进行评价，或者对涂层、缓蚀剂等防腐手段的有效性进行评价。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高温地热蒸汽冲刷腐蚀实验装置，具有气体供应组件、蒸汽发生组件、固相颗粒供应组件、腐蚀实验段组件、固相回收组件、有害气体吸收装置、蒸汽冷凝循环装置以及输送管道。

气体供应组件：具有CO₂储气瓶、H₂S储气瓶、腐蚀性气体混合室、蒸汽-气体混合室以及N₂储气瓶，CO₂储气瓶、H₂S储气瓶分别通过输送管道与腐蚀性气体混合室的两个入口相连，腐蚀性气体混合室出口与蒸汽-气体混合室上端入口相连，N₂储气瓶与蒸汽-气体混合室下端入口相连；

蒸汽发生组件：具有蒸汽发生器，蒸汽发生器与蒸汽-气体混合室下端入口相连；

固相颗粒供应组件：包括封闭性容器和与封闭性容器出料口连通的多相混合室，多相混合室左端入口与蒸汽-气体混合室右端出口相连；

腐蚀实验管件：包括三个可拆卸的、装载在三条并联输送管道上的实验管段，多相混合室右端出口与实验管段入口相连；

固相回收组件：包括气固旋流分离器、固相颗粒回收罐，气固旋流分离器的固相排料口与固相颗粒回收罐入口相连，实验管段的出口与气固旋流分离器的气固两相流入口相连，气固旋流分离器气相出口与有害气体吸收装置入口相连；

蒸汽冷凝回收装置：包括冷凝器、冷凝液收集容器以及水泵，冷凝器出口与冷凝液收集容器入口相连，冷凝液收集容器出口与水泵入口相连，水泵出口与蒸汽发生器液相入口相连。

为方便连接及实验时流量的控制调节，所述的实验管段两端分别与输送管道螺纹连接，三个相同型号的控制阀门对应设在所述实验管段的前端输送管道上，三个相同型号的流量表对应设在所述实验管段的后端输送管道上。

优选地，所述的有害气体吸收装置为管道状，有害气体吸收装置两端与输送管道采用橡胶圈密封，有害气体吸收装置内填装有用于吸收有害气体的活性炭。

进一步地，所述的固相颗粒回收罐中装有用于吸收泄漏的二氧化硫气体的氢氧化钠溶液。

一种采用上述高温地热蒸汽冲刷腐蚀实验装置进行的测试方法，具有如下步骤：

步骤1，将所述三个重量已知的实验管段依次装在输送管道上，设实验前单个实验管段的质量为M1，确定两端密封性良好，根据测试地区地热流体组分配置模拟地热溶液，将溶液倒入所述蒸汽发生器内胆中，启动所述蒸汽发生器对溶液进行预热，产生的蒸汽通入蒸汽-气体混合室；

步骤2，待蒸汽发生器的蒸汽稳定产生后，由CO₂储气瓶向腐蚀性气体混合室内充入CO₂气体、由H₂S储气瓶向腐蚀性气体混合室内充入H₂S，将腐蚀性气体混合室产生的腐蚀性气体通入蒸汽-气体混合室，多相流体中二氧化碳浓度以及硫化氢含量计算公式如下：

步骤3，将封闭性容器中的固相颗粒以均匀速度流入多相混合室内；

步骤4，接通蒸汽-气体混合室与多相混合室，记录实验开始时间为T1；

步骤5，将多相混合室内的混合多相流体流过实验管段进行实验，经过实验管段的混合多相流体进入气固旋流分离器分离，分离后的固相颗粒进入固相颗粒回收罐回收，分离后的气相流体通过有害气体吸收装置过滤硫化氢后进入冷凝器，冷凝器将气相流体冷却成冷凝液后通入冷凝液收集容器，冷凝液经水泵泵入蒸汽发生器，开始循环；

步骤6，实验结束后，记录实验结束时间为T2，关闭蒸汽发生器及输送管道上的阀门，拆除实验管段，称重试验后实验管段的质量为M2，对实验管段内壁处理后的腐蚀产物进行检测并对腐蚀形貌进行观察，腐蚀速率V_corr计算可采用如下公式：

进一步地，步骤5中，实验过程中，可开启储气瓶利用内装的高压氮气对整个系统的压力和多相流体流速进行调节。

本发明的有益效果是：本发明具有操作简单，安全性强、效能高的特点，能够最大程度还原地热蒸汽环境中多相流体在管道中的流动状态，装置的环状设计可以实现实验的循环性，可以保证至少三组实验同时进行，可以有效调节腐蚀性气体、蒸汽、固相颗粒在多相流体中的占比，通过计算腐蚀速率以及利用表面工程手段对材料的耐腐蚀性能进行评价，或者对涂层、缓蚀剂等防腐手段的有效性进行评价。

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是本发明的结构示意图。

图2是本发明所述蒸汽发生器的结构示意图。

图中：1.气体供应组件，1-1.CO₂储气瓶，1-2.电磁流量表①，1-3.旋拧阀门①，1-4.H₂S储气瓶，1-5.电磁流量表②，1-6.旋拧阀门②，1-7.腐蚀性气体混合室，1-8.止回阀②，1-9.蒸汽-气体混合室，1-10.N₂储气瓶，1-11.电磁流量表③，1-12.旋拧阀门③，2.蒸汽发生组件，2-1.蒸汽发生器，2-1-1.进水口，2-1-2.蒸汽出口，2-1-3.储液内胆，2-1-4.电加热丝，2-1-5.泄压阀门，2-1-6.压力表，2-2.温度表，2-3.压力表，2-4.电磁流量表④，2-5.旋钮阀门④，2-6止回阀①，3.固相颗粒供应组件，3-1.封闭性容器，3-2.球阀，3-3.多相混合室，4.腐蚀实验段组件，4-1.控制阀门，4-2实验管段，4-3.流量表，5.固相回收组件，5-1.气固旋流分离器，5-2.固相颗粒回收罐，6.有害气体吸收装置，7.蒸汽冷凝循环装置，7-1.冷凝器，7-2.冷凝液收集容器，7-3.水泵。

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，一种高温地热蒸汽冲刷腐蚀实验装置，具有气体供应组件1、蒸汽发生组件2、固相颗粒供应组件3、腐蚀实验段组件4、固相回收组件5、有害气体吸收装置6、蒸汽冷凝循环装置7以及采用不锈钢制作的保温的输送管道。

所述气体供应组件1的蒸汽-气体混合室1-9下端入口通过输送管道与蒸汽发生组件2中的蒸汽发生器2-1相连；所述蒸汽-气体混合室1-9右方出口与固相颗粒供应组件3的多相混合室3-3左端入口相连；所述多相混合室3-3右端出口与所述腐蚀实验管道组件4入口相连；所述腐蚀实验管道组件4出口与固相回收组件5中气固旋流分离器5-1的气固两相流入口相连；所述气固旋流分离器5-1气相出口与所述有害气体吸收装置6入口相连；所述有害气体吸收装置6出口与所述蒸汽冷凝循环装置7中冷凝器7-1入口相连；所述蒸汽冷凝循环装置7的水泵7-3与所述蒸汽发生组件2中蒸汽发生器2-1液相入口相连。

所述气体供应组件1中，装有二氧化碳气体的CO₂储气瓶1-1和装有硫化氢气体的H₂S储气瓶1-4分别通过管道与腐蚀性气体混合室1-7的两个入口相连，实验中，二氧化碳气体和硫化氢气体在腐蚀性气体混合室1-7进行混合，在中间输送管道上分别装有旋拧阀门①1-3和旋拧阀门②1-6以及电磁流量表①1-2和电磁流量表②1-5，分别用于控制和监测二氧化碳气体和硫化氢气体流量；所述腐蚀性气体混合室1-7出口与蒸汽-气体混合室1-9上端入口相连，中间连接管道上装有止回阀②1-8，所述止回阀②1-8保证腐蚀性气体只向所述蒸汽-气体混合室1-9流动，装有高压氮气的N₂储气瓶1-10与蒸汽-气体混合室1-9下端入口相连，中间连接管道上装有电磁流量表③1-11和旋拧阀门③1-12用于控制和监测氮气流量。

所述蒸汽发生组件2中蒸汽发生器2-1蒸汽出口外接输送管道上依次装有温度表2-2、压力表2-3，用于监测实验系统的温度和压力，以及电磁流量表④2-4、旋钮阀门④2-5，用于控制和监测蒸汽的流量，此外还装有止回阀①2-6保证蒸汽只朝所述蒸汽-气体混合室1-9方向流动。

如图2所示，所述蒸汽发生器2-1壳体顶部安装有泄压阀门2-1-5和压力表2-1-6，蒸汽发生器2-1壳体内部设有储液内胆2-1-3，所述储液内胆2-1-3下侧安装有用于加热内置溶液的电加热丝2-1-4，蒸汽发生器2-1壳体左侧壁设有与水泵7-3出液端连接的进水口2-1-1，蒸汽发生器2-1壳体右侧壁设有与蒸汽-气体混合室1-9下端入口连通的蒸汽出口2-1-2。

所述固相颗粒供应组件3中装有固相颗粒的封闭性容器3-1与多相混合室3-3相连，中间连接管道上装有球阀3-2用于控制固体颗粒朝实验系统投放速度。

所述腐蚀实验管件4具有三个可拆卸的实验管段4-2，三个实验管段4-2装载在三条并联的输送管道上，方便最多同时进行三组对比实验，所述的实验管段4-2两端分别与输送管道螺纹连接。

三个相同型号的控制阀门4-1组成控制阀门组，对应设在所述实验管段4-2的前端输送管道上，用于控制调节对应的实验管段4-2上流体的流量；三个相同型号的流量表4-3组成的流量表组，对应设在所述实验管段4-2的后端输送管道上，用于监测对应的实验管段4-2的流量。

所述固相回收组件5中的气固旋流分离器5-1固相排料口与固相颗粒回收罐5-2入口相连，固相颗粒回收罐5-2中装有氢氧化钠溶液，用于吸收部分可能泄漏的二氧化硫气体，固相回收组件5保证固相颗粒被回收，防止进行下一环节，影响实验的循环。

所述的有害气体吸收装置6为管道状，有害气体吸收装置6两端与输送管道采用橡胶圈密封，有害气体吸收装置6内填装有用于吸收有害气体的活性炭。

所述蒸汽冷凝回收装置7中，冷凝器7-1出口与冷凝液收集容器7-2入口相连，所述冷凝液收集容器7-2出口与水泵7-3入口相连，该组件通过所述冷凝器7-1将蒸汽冷凝至液态并收集于所述冷凝液收集容器7-2内，并通过所述水泵7-3将液体重新输送至蒸汽发生器2-1。

一种采用上述实验装置进行高温地热蒸汽多相流冲刷腐蚀实验的测试方法，包括如下步骤：

步骤1：将所述三个重量已知的实验管段4-2依次装在输送管道上，设实验前实验管段4-2的质量为M1，确定两端密封性良好，根据测试地区地热流体组分配置模拟地热溶液，将溶液倒入所述蒸汽发生器2-1的储液内胆2-1-3中，启动所述蒸汽发生器2-1对溶液进行预热，产生的蒸汽通入蒸汽-气体混合室1-9；

步骤2：观察温度表2-2以及蒸汽发生器2-1上指示灯状况，待蒸汽稳定产生后，打开所述旋拧阀门①1-3和所述旋拧阀门②1-6，根据电磁流量表①1-2和电磁流量表②1-5示数调节，由CO₂储气瓶1-1向腐蚀性气体混合室1-7内充入CO₂气体、由H₂S储气瓶1-4向腐蚀性气体混合室1-7内充入H₂S，将腐蚀性气体混合室1-7产生的腐蚀性气体通入蒸汽-气体混合室1-9，并根据电磁流量表④2-4调节输入蒸汽流量Q_vapour，多相流体中二氧化碳浓度以及硫化氢含量计算公式如下：

式中，C_gas为所需计算组分的浓度；Q_gas为相应气体的流量，ml/min；

为硫化氢气体流量,ml/min；

为二氧化碳气体流量,ml/min；Q_vapour为蒸汽流量,ml/min；所述止回阀①2-6防止蒸汽回流，所述止回阀②1-8防止腐蚀性气体回流；

步骤3：打开球阀3-2，固相颗粒从(本实例采用二氧化硅颗粒)装有该颗粒的封闭性容器3-1中以均匀速度流入作为实验系统的多相混合室3-3内；

步骤4：根据测试要求，选择性打开腐蚀实验管件4中的控制阀门4-1，并根据流量表4-3中的示数进行调节，

步骤5：将多相混合室3-3内的混合多相流体流过实验管段4-2进行实验，经过实验管段4-2的混合多相流体进入气固旋流分离器5-1分离，分离后的固相颗粒进入固相颗粒回收罐5-2回收，分离后的气相流体通过有害气体吸收装置6过滤硫化氢后进入冷凝器7-1，冷凝器7-1将气相流体冷却成冷凝液后通入冷凝液收集容器7-2，冷凝液经水泵7-3泵入蒸汽发生器2-1，开始循环；

实验过程中，可选择性地打开旋拧阀门③1-12，注意压力表2-3的示数，利用装有高压氮气的N₂储气瓶1-10对整个系统的压力和多相流体流速进行调节，并通过电磁流量表③1-11控制输入的高压氮气流量；

步骤6：实验结束后，记录实验结束时间为T2，关闭蒸汽发生器2-1及输送管道上的阀门，拆除实验管段4-2，称重试验后单个实验管段4-2的质量为M2，对实验管段4-2内壁处理后的腐蚀产物，利用金属材料表面工程技术手段进行检测并对腐蚀形貌进行观察，腐蚀速率V_corr计算可采用如下公式：

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 (4)

1.一种高温地热蒸汽冲刷腐蚀实验装置，具有气体供应组件、蒸汽发生组件、固相颗粒供应组件、腐蚀实验段组件、固相回收组件、有害气体吸收装置、蒸汽冷凝循环装置以及输送管道，其特征是：

气体供应组件：具有CO₂储气瓶、H₂S储气瓶、腐蚀性气体混合室、蒸汽-气体混合室以及N₂储气瓶，CO₂储气瓶、H₂S储气瓶分别通过输送管道与腐蚀性气体混合室的两个入口相连，腐蚀性气体混合室出口与蒸汽-气体混合室上端入口相连，N₂储气瓶与蒸汽-气体混合室下端入口相连；

蒸汽发生组件：具有蒸汽发生器，蒸汽发生器与蒸汽-气体混合室下端入口相连；

固相颗粒供应组件：包括封闭性容器和与封闭性容器出料口连通的多相混合室，多相混合室左端入口与蒸汽-气体混合室右端出口相连；

腐蚀实验段组件：包括三个可拆卸的、装载在三条并联输送管道上的实验管段，多相混合室右端出口与实验管段入口相连；所述的实验管段两端分别与输送管道螺纹连接，三个相同型号的控制阀门对应设在所述实验管段的前端输送管道上，用于控制调节对应的实验管段上流体的流量，三个相同型号的流量表对应设在所述实验管段的后端输送管道上，用于监测对应的实验管段的流量；

固相回收组件：包括气固旋流分离器、固相颗粒回收罐，气固旋流分离器的固相排料口与固相颗粒回收罐入口相连，实验管段的出口与气固旋流分离器的气固两相流入口相连，气固旋流分离器气相出口与有害气体吸收装置入口相连；

有害气体吸收装置：为管道状，有害气体吸收装置两端与输送管道采用橡胶圈密封，有害气体吸收装置内填装有用于吸收有害气体的活性炭；

蒸汽冷凝循环装置：包括冷凝器、冷凝液收集容器以及水泵，冷凝器出口与冷凝液收集容器入口相连，冷凝液收集容器出口与水泵入口相连，水泵出口与蒸汽发生器液相入口相连。

2.如权利要求1所述的高温地热蒸汽冲刷腐蚀实验装置，其特征是：所述的固相颗粒回收罐中装有氢氧化钠溶液。

3.一种利用权利要求1所述高温地热蒸汽冲刷腐蚀实验装置的测试方法，其特征是：具有如下步骤：

步骤1，将三个重量已知的所述实验管段依次装在输送管道上，设实验前单个实验管段的质量为M1，确定两端密封性良好，根据测试地区地热流体组分配置模拟地热溶液，将溶液倒入所述蒸汽发生器的内胆中，启动所述蒸汽发生器对溶液进行预热，产生的蒸汽通入蒸汽-气体混合室；

步骤2，待蒸汽发生器的蒸汽稳定产生后，由CO₂储气瓶向腐蚀性气体混合室内充入CO₂气体、由H₂S储气瓶向腐蚀性气体混合室内充入H₂S，将腐蚀性气体混合室产生的腐蚀性气体通入蒸汽-气体混合室，多相流体中二氧化碳浓度以及硫化氢含量计算公式如下：

C_gas=Q_gas/Q_混合×100%

Q_混合=Q_H2S+Q _CO2+Q_vapour

式中，C_gas为所需计算组分的浓度；Q_gas为相应气体的流量，ml/min；Q _H2S为硫化氢气体流量,ml/min；Q_CO2为二氧化碳气体流量,ml/min；Q_vapour为蒸汽流量,ml/min；

步骤3，将封闭性容器中的固相颗粒以均匀速度流入多相混合室内；

步骤4，接通蒸汽-气体混合室与多相混合室，记录实验开始时间为T1；

步骤5，将多相混合室内的混合多相流体流过实验管段进行实验，经过实验管段的混合多相流体进入气固旋流分离器分离，分离后的固相颗粒进入固相颗粒回收罐回收，分离后的气相流体通过有害气体吸收装置过滤硫化氢后进入冷凝器，冷凝器将气相流体冷却成冷凝液后通入冷凝液收集容器，冷凝液经水泵泵入蒸汽发生器，开始循环；

步骤6，实验结束后，记录实验结束时间为T2，关闭蒸汽发生器及输送管道上的阀门，拆除实验管段，称重试验后实验管段的质量为M2，对实验管段内壁处理后的腐蚀产物进行检测并对腐蚀形貌进行观察，腐蚀速率V_corr计算可采用如下公式：V_corr=｜M1-M2｜/（T2-T1）。

4.如权利要求3所述高温地热蒸汽冲刷腐蚀实验装置的测试方法，其特征是：步骤5中，实验过程中，可开启储气瓶利用内装的高压氮气对整个系统的压力和多相流体流速进行调节。

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