CN113340801A - 一种多功能腐蚀磨损多相流冲刷腐蚀实验装置及测试方法 - Google Patents

一种多功能腐蚀磨损多相流冲刷腐蚀实验装置及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多功能腐蚀磨损多相流冲刷腐蚀实验装置及测试方法，包括密封实验腔体盖的实验腔体，在实验腔体盖上设与电机连接的旋转主轴，旋转主轴连接固定有试样的旋转试样盘伸入实验腔体内，测试系统设于实验腔体盖上并连通于实验腔体内；控制系统分别连接测试系统、电机和加热集成块，驱动电机带动旋转试样盘旋转，获取试样在实验腔体内设定温度下的油气腐蚀试验的腐蚀、冲刷磨损表面形貌。该方法能够准确模拟不同含砂比、不同流速、不通过时间等条件下管材、涂层试样的腐蚀磨损速率、形貌特征，为多相流介质条件下管材、涂层的腐蚀磨损速率、形貌特征以及行为、机理的研究提供可靠的数据。

Description

一种多功能腐蚀磨损多相流冲刷腐蚀实验装置及测试方法
技术领域
本发明涉及油气开发涂镀层等管材的性能测试领域，特别是一种多功能腐蚀磨损多相流冲刷腐蚀实验装置及测试方法。
背景技术
油气田钻井、压裂、开发生产中实施井下工具、油管、抽油杆、管线、反应容器等管材或装备会面临如天然气携带液体或砂粒与井下金属管柱、地面输送金属管道内表面形成高速相对运动，对采气管柱内壁进行冲刷而引起金属表面损坏，同时往往会受到潮湿天然气介质中侵蚀性介质CO2和H2S的腐蚀作用，而在管道变径、弯头以及表面缺陷处的冲蚀破坏尤为明显。在采油、输油过程中同样存在类似的装备、管柱、管道因产出液中含有大量侵蚀性物质如CO2、H2S、溶解O2、Cl-以及SRB细菌等发生严重腐蚀现象，而产出液中含有一些地层中的砂石颗粒、注水带入的固体杂质等会对材料内壁表面形成磨损力学破坏作用，严重时导致管材腐蚀失效，事故频繁发生，带来巨大经济损失，导致油田安全和环保的隐患。
目前，研究油气管材的冲蚀腐蚀普遍采用在高压反应釜内或腐蚀环路实验装置开展挂片失重试验，根据形貌特征和失重来判断腐蚀、磨损规律和行为。前者尽管能较好模拟移动温度和压力条件下试验，但往往釜体内壁不是耐磨材质，不能有效加入砂石颗粒来模拟冲刷现象，并且一般釜体较小，也会影响流体流动状态；后者虽然能满足在一定温度和压力试验条件，具有直观且更符合实际情况的特点，但因环路实验装置往往庞大，管线不能采用耐磨材料，单次试验投入的介质和能耗巨大，稳定性也较差，最终因巨大投入造成科研不能有效长期开展。
因此，开发一种在模拟油气田工况生产条件下开展材料的耐蚀耐磨多相流的冲刷腐蚀实验装置，并说明其测试方法，以获得各模拟条件下管材、涂层试样的腐蚀磨损速率、形貌特征以及行为、机理，对油气田开展管材、涂镀层在恶劣的地层环境和地面输送环境下的耐蚀耐磨性能以及提出有效的冲刷腐蚀控制措施具有极其重要的学术价值和工程意义。
发明内容
为解决现有测试评估方法中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种多功能腐蚀磨损多相流冲刷腐蚀实验装置及测试方法，用于模拟油气钻井、压裂、开发生产工况条件下开展模拟不同含砂比、不同流速、不通过时间等条件下管材、涂层试样的腐蚀磨损速率、形貌特征以及行为、机理的研究，从而为油气生产过程中金属管材、装备的腐蚀磨损控制以及耐蚀耐磨涂镀层的筛选评估提供重要参考依据。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
根据本发明实施例提供的一种多功能腐蚀磨损多相流冲刷腐蚀实验装置，包括实验腔体、支撑架、旋转试样盘、固液废料托盘、电机、测试系统和控制系统；实验腔体滑动连接于支撑架上，固液废料托盘设于实验腔体下方；
实验腔体上密封有实验腔体盖，实验腔体盖上连接有与电机连接的旋转主轴，旋转主轴连接固定有试样的旋转试样盘伸入实验腔体内，旋转试样盘中设有控制实验腔体测试介质温度的加热集成块；测试系统设于实验腔体盖上，并连通于实验腔体内；
控制系统分别连接测试系统、电机和加热集成块，控制系统驱动电机带动旋转试样盘旋转，获取试样在实验腔体内设定温度下的油气腐蚀试验的腐蚀、冲刷磨损表面形貌。
上述方案中，实验腔体盖上设有连接主杆，连接主杆顶部与支撑架固定连接，底部连接旋转主轴，旋转主轴连接旋转试样盘位于实验腔体内。
上述方案中，旋转试样盘的外周上设有若干个等间距分布的圆弧形试样盘槽口，在每个试样盘槽口内圆弧面上设有多个相邻角度为15°的槽口。
上述方案中，试样盘槽口上镶装有与之对应的试样，试样上切割有试样槽口，试样槽口与试样盘槽口通过键将试样与旋转试样盘固定相连；在试样圆柱侧面还设有试样工作面，试样工作面与旋转试样盘的外周圆弧面平滑相接。
上述方案中，实验腔体安装于支撑架上，通过移动滑轨滑动连接在支撑架上。
上述方案中，所述实验腔体包括实验腔外壳、实验腔内衬体和实验腔体盖，实验腔内衬体内衬PVD硬质塑料板镶装于实验腔外壳内，实验腔体盖密封于实验腔内衬体上。
上述方案中，实验腔内衬体上带有密封圈、定位槽和把柄；实验腔体盖边缘安装有若干个均匀分布的密封卡扣，与实验腔内衬体连接。
上述方案中，所述测试系统包括气阀、热电偶、压力表和电化学测试电极，电化学测试电极由固体Ag/AgCl参比电极、Pt丝辅助电极集成构成，电化学测试电极由耐蚀耐磨护套包裹。
相应地，本发明实施例提供一种基于上述装置的腐蚀磨损多相流冲刷腐蚀实验测试方法，包括：
将实验腔外壳沿支撑架下滑至一定位置，试样按设定的冲刷角度，固定在旋转试样盘上；
将一定含砂比的固液介质按设计量加入实验腔内衬体中，将实验腔体盖与实验腔内衬体密闭；
将N2气驱替腔体内的空气，通入设计含量的CO2、H2S、O2少量侵蚀性气体，再通入N2达到设计模拟实验总压；
控制系统设定实验温度值、试样转速、测试时间，启动加热集成块达到温度设计值后，启动电机转动，试样随旋转试样盘旋转；
测试段电化学测试电极探头紧靠试样表面1～2mm，控制系统在线获取电化学测试电极测试的试样在不同腐蚀磨损阶段的试样电化学特性。
上述方案中，实验腔体的固液介质通过实验腔体底部流经固液废料托盘进入废料收集桶；实验腔内气体通过导管排放进入尾气吸收槽内。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
1)本发明由于采用了金属实验腔内衬PVD硬质塑料板，解决了在模拟含泥沙颗粒条件下直接采用金属实验腔的易磨损问题和良好抗弱酸或近中性的油气生产流体介质特点，同时实现了实验腔内衬体一旦被磨损失效情形下能低成本且便捷更换，确保其长期安全开展耐蚀耐磨试验。
2)本发明由于采用了0°、30°、45°、60°等多冲刷角度的试样键槽口设计，解决了常规腐蚀测试设备的流体冲击试样角度设计问题，实现了可以模拟油气生产中不同管线弯头条件下的冲刷腐蚀试验，确保耐蚀耐磨研究的科学性。
3)本发明由于加装了电化学测试系统模块设计，解决了常规多相流冲刷腐蚀测试设备仅开展较单一的失重法腐蚀挂片问题，实现了开展模拟油气环境下材料在线原位电化学腐蚀行为研究，为油气管材的防护技术开发提供切合实际的基础研究数据。
本发明可适用于模拟油气钻井、压裂、开发生产的井下管柱、地面管线等采集、返排、输送的油、气、水、固体颗粒多相流介质工况条件下，各类金属、有机高分子以及涂镀层等管材在油田高温高压、高腐蚀性离子介质、砂粒杂质冲刷条件下抗腐蚀、抗磨损的性能测试与研究，该方法能够准确模拟不同含砂比、不同流速、不通过时间等条件下管材、涂层试样的腐蚀磨损速率、形貌特征，为多相流介质条件下管材、涂层的腐蚀磨损速率、形貌特征以及行为、机理的研究提供可靠的数据。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为多功能腐蚀磨损多相流冲刷腐蚀实验装置结构整体示意图；
图2为多功能腐蚀磨损多相流冲刷腐蚀实验装置结构示意图；
图3为实验腔体盖和旋转试样盘结构示意图；
图4为实验旋转试样盘的试样槽口分布示意图；
图5为实验旋转试样盘的试样槽口结构示意图；
图6为试样结构示意图；
图7(a)、7(b)分别为不同含砂比、流速影响下模拟实验的腐蚀磨损速率对比图。
图中：1-支撑架，2-固液废料托盘，3-实验腔体，4-移动滑轨，5-连接主杆，6-实验腔内衬体，7-旋转试样盘，8-实验腔体盖，9-密封卡扣，10-密封连接件，11-气阀，12-热电偶，13-压力表，14-电化学测试电极，15-密封圈，16-定位槽，17-把柄，18-旋转主轴，19-定位键，20-加热集成块，21-试样盘槽口，22-试样槽口，23-试样。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1、2所示，为多功能腐蚀磨损多相流冲刷腐蚀实验装置结构整体示意图，包括支撑架1、实验腔体、旋转试样盘7及试样23、电化学测试电极系统14、固液废料托盘2和控制系统。其中，旋转试样盘7及试样23、电化学测试电极14是装置的关键测试部件。
其中，实验腔体3安装于支撑架1上，可通过移动滑轨4调节固定在支撑架1上的不同高度位置，以方便测试前后安装和卸取试样操作；在其实验腔体3下方设有固液废料托盘2，用于测试结束后腔体内固液液料的泄放，再进入废料收集桶。
其中，实验腔体3包括实验腔外壳、实验腔内衬体6和实验腔体盖8，实验腔内衬体6镶装于实验腔外壳内，实验腔体盖8密封于实验腔内衬体6上。实验腔外壳是采用Q235结构钢材质，起到承力作用，而腔外壳的内径为Φ55cm，是为了保证流体流型的稳定性，降低流体的紊乱现象。实验腔内衬体6是采用PVC硬质塑料材质，其内径为Φ50cm，将其内嵌于实验腔外壳内，主要是有利于不同模拟实验环境下减少含砂石的固体介质对腔内壁面的磨损和腐蚀，同时内衬体易于拆解更换，经济实用。实验腔内衬体6上带有密封圈15、定位槽16和把柄17，其中密封圈采用丁腈橡胶材质加工；实验腔体盖8采用是耐蚀合金316L不锈钢材质，保证试验介质对盖内壁的腐蚀影响。
如图3所示，实验腔体盖8边缘安装有八个均匀分布的密封卡扣9，用于与实验腔内衬体6连接，密封和维持实验腔体内模拟环境的试验压力。
如图2所示，实验腔体盖8上分别安装有气阀11、热电偶12、压力表13和电化学测试电极14；其中，气阀11是为了满足不同油气腐蚀试验条件的需要，一般在试验前需通过耐蚀金属导管连接气瓶，通入一定含量的CO2、H2S、O2等侵蚀性气体，通过压力表13反映，而在测试结束后排放实验腔体内压力，确保腔内达常压后再卸取试样。其中，电化学测试电极14是由固体Ag/AgCl参比电极、Pt丝辅助电极集成构成，并通过耐蚀耐磨护套包裹，其测试段探头紧靠试样表面约1～2mm，可实时原位在线测试试样在不同腐蚀磨损阶段的试样电化学特性。实验腔内介质通过热电偶12来控制模拟设计的试验温度。
如图1、2所示，实验腔体盖8上设有连接主杆5，连接主杆5底部连接旋转主轴18，连接主杆5通过密封连接件10将旋转主轴18连接于实验腔体盖8上；旋转主轴18下方连接旋转试样盘7，旋转试样盘7位于实验腔内衬体6腔体内，连接主杆5顶部与支撑架主体1固定连接。
如图3所示，实验腔体盖8上设有定位键19，用以实现与内衬体6上的定位槽16配合，起到装置实验腔的稳定性。其中，旋转试样盘7由316L不锈钢材质制成，旋转试样盘7下表面均匀分布了三组加热集成块20，加热集成块20与控制系统连接，通过控制系统控制加热集成块20实现将测试介质的温度控制到试验设计温度值。
如图4所示，沿旋转试样盘7的外周上设有四个等间距分布的试样盘槽口21，试样盘槽口21为四个对称的圆弧形试样安装孔，在每个试样键槽口内圆弧面上加工多个相邻角度为15°槽口，见图5所示，以满足不同流体冲击角的模拟生产工况实验要求。
其中，试样盘槽口21是在实验装置的旋转试样盘7上切割出半槽口，试样盘槽口21上镶装有与之对应的试样23，见图6所示，试样23上切割有试样槽口22，试样槽口22与试样盘槽口21通过键将试样23与旋转试样盘7相连固定，使试样在受到不同角度冲蚀作用时不会发生角度偏转，实现模拟生产弯头管线如0°、30°、45°、60°等多角度的冲刷腐蚀试验。
其中，在冲刷腐蚀磨损装置中使用的试样，采用油气现场用的金属或涂镀层材料，在试样圆柱侧面还设有试样工作面，在直径为Φ20mm圆柱体的一侧铣出一平面作为冲刷腐蚀研究的试样工作面，试样的转动是通过旋转主轴18相连接的驱动电机来实现。
其中，试样除了工作面外，其余面均采用耐磨耐蚀聚合陶瓷材料涂层处理，防止其余面发生腐蚀磨损影响研究腐蚀磨损速率的精确性。
软件控制系统主要在本发明中图例中没有反映，控制模块装载于实验装置相连接的电脑内，通过传输线路与其相连。主要是控制和记录实验腔体内工作压力、介质温度、介质含砂比、试样转速、测试时间等。
下面给出本发明针对腐蚀磨损多相流冲刷腐蚀实验的实施过程：
首先，通过移动滑轨4将实验腔外壳3沿支撑架1向下滑动至一定位置，将处理好的四个试样按设计好的某一冲刷角度，如0°、30°、45°、60°等，通过键将试样盘槽口21与试样槽口22连固定；将试样23固定在旋转试样盘7上。
将实验腔内衬体6清洗干净后，将一定含砂比的固液介质按设计量加入其中，再放入再调节移动滑轨4，并通过密封卡扣9将实验腔体盖8与密闭。
其次，将N2气瓶与实验腔体盖8上的气阀11连通，检查装个装置的阀门所处的关闭状态，打开N2气瓶减压阀，以达到检查安装好的实验腔体是否有良好气密封性以及驱替腔体内的空气的作用；再根据不同油气腐蚀试验条件的需要，通过气瓶通入设计含量的CO2、H2S、O2等少量侵蚀性气体，再通过通入N2达到设计模拟实验总压的要求，本实施例实验腔体设计工作压力为1MPa，工作温度为90℃，关闭所有阀门。
再次，将操作平台的软件控制系统打开，输入设计好的实验温度值、试样转速、测试时间等参数，设置好后，启动加热控制键，达到温度设计值后，再启动驱动电机，保证试样按确定好的转速运作。
最后，待实验结束后，关闭加热系统，待自然冷却1～2h后，打开气阀11缓缓排放实验腔内气体通过导管进入尾气吸收槽内。打开实验腔体盖8取出四个试样，立即进行处理防止暴露大气造成二次腐蚀带来的影响，再开展腐蚀磨损数据分析和表面形貌标准分析。将实验腔体的固液介质通过实验腔体底部的物料口阀打开，流经固液废料托盘2进入废料收集桶。
下面通过一个实施例来进一步说明本发明实验方法的效果。
以某油田地面输油管线生产条件为例，试样材质为20#和3Cr钢级，将“某油田产出水(沉淀后)+不同量细沙石(粒径0.05～0.25mm)”作为实验固液介质。第一组含砂比影响的实验条件：实验腔体内先通入CO2气体0.05MPa，再通入N2气体使腔内总压达0.5MPa，加热至实验设计温度28℃，转速为0.1m/s，测试周期为48h，其中含砂比分别0、1:50、1:20。第二组转速影响的实验条件：实验腔体内先通入CO2气体0.05MPa，再通入N2气体使腔内总压达0.5MPa，加热至实验设计温度28℃，含砂比为1:50，测试周期为48h，转速分别为0、0.1m/s、0.5m/s。实验结束后，计算两组模拟实验条件下20#和3Cr钢试样的腐蚀磨损速率，如图7(a)、(b)所示。
上述实施例的实验结果显示：第一组含砂比影响的实验中，两种地面管线钢的腐蚀磨损速率均随含砂比增大而增大，且含砂比为1:20时增大尤为明显；第二组转速影响的实验中，两种地面管线钢的腐蚀磨损速率均随转速增大而增大，且0.5/m/s时比0.1m/s时的腐蚀磨损速率大幅提高，可说明此时细砂石对试样的腐蚀磨损协同作用时，固液介质在达到一定流速时磨损作用占主导影响。进一步的研究可通过试样工作面的腐蚀磨损形貌来表征与分析。
从以上实施例可以看出，本发明对于油气中含一定沙石、地层杂质的腐蚀性地层水介质环境下各类管材抗腐蚀抗磨损性能的基础研究具有重要作用。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多功能腐蚀磨损多相流冲刷腐蚀实验装置，其特征在于，包括实验腔体(3)、支撑架(1)、旋转试样盘(7)、固液废料托盘(2)、电机、测试系统和控制系统；所述实验腔体(3)滑动连接于支撑架(1)上，固液废料托盘(2)设于实验腔体(3)下方；
实验腔体(3)上密封有实验腔体盖(8)，实验腔体盖(8)上连接有与电机连接的旋转主轴(18)，旋转主轴(18)连接固定有试样(23)的旋转试样盘(7)伸入实验腔体(3)内，旋转试样盘(7)中设有控制实验腔体测试介质温度的加热集成块(20)；测试系统设于实验腔体盖(8)上，并连通于实验腔体(3)内；
控制系统分别连接测试系统、电机和加热集成块(20)，控制系统驱动电机带动旋转试样盘(7)旋转，获取试样(23)在实验腔体(3)内设定温度下的油气腐蚀试验的腐蚀、冲刷磨损表面形貌。
2.根据权利要求1所述的一种多功能腐蚀磨损多相流冲刷腐蚀实验装置，其特征在于，所述实验腔体盖(8)上设有连接主杆(5)，连接主杆(5)顶部与支撑架(1)固定连接，底部连接旋转主轴(18)，旋转主轴(18)连接旋转试样盘(7)位于实验腔体(3)内。
3.根据权利要求1所述的一种多功能腐蚀磨损多相流冲刷腐蚀实验装置，其特征在于，旋转试样盘(7)的外周上设有若干个等间距分布的圆弧形试样盘槽口(21)，在每个试样盘槽口内圆弧面上设有多个相邻角度为15°的槽口。
4.根据权利要求3所述的一种多功能腐蚀磨损多相流冲刷腐蚀实验装置，其特征在于，试样盘槽口(21)上镶装有与之对应的试样(23)，试样(23)上切割有试样槽口(22)，试样槽口(22)与试样盘槽口(21)通过键将试样与旋转试样盘(7)固定相连；在试样圆柱侧面还设有试样工作面，试样工作面与旋转试样盘(7)的外周圆弧面平滑相接。
5.根据权利要求1所述的一种多功能腐蚀磨损多相流冲刷腐蚀实验装置，其特征在于，实验腔体(3)安装于支撑架(1)上，通过移动滑轨(4)滑动连接在支撑架(1)上。
6.根据权利要求1所述的一种多功能腐蚀磨损多相流冲刷腐蚀实验装置，其特征在于，所述实验腔体(3)包括实验腔外壳、实验腔内衬体(6)和实验腔体盖(8)，实验腔内衬体(6)内衬PVD硬质塑料板镶装于实验腔外壳内，实验腔体盖(8)密封于实验腔内衬体(6)上。
7.根据权利要求6所述的一种多功能腐蚀磨损多相流冲刷腐蚀实验装置，其特征在于，实验腔内衬体(6)上带有密封圈(15)、定位槽(16)和把柄(17)；实验腔体盖(8)边缘安装有若干个均匀分布的密封卡扣(9)，与实验腔内衬体(6)连接。
8.根据权利要求1所述的一种多功能腐蚀磨损多相流冲刷腐蚀实验装置，其特征在于，所述测试系统包括气阀(11)、热电偶(12)、压力表(13)和电化学测试电极(14)，电化学测试电极(14)由固体Ag/AgCl参比电极、Pt丝辅助电极集成构成，电化学测试电极(14)由耐蚀耐磨护套包裹。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述装置的多功能腐蚀磨损多相流冲刷腐蚀实验测试方法，其特征在于，包括：
将实验腔外壳沿支撑架下滑至一定位置，试样按设定的冲刷角度，固定在旋转试样盘上；
将一定含砂比的固液介质按设计量加入实验腔内衬体中，将实验腔体盖与实验腔内衬体密闭；
将N2气驱替腔体内的空气，通入设计含量的CO2、H2S、O2少量侵蚀性气体，再通入N2达到设计模拟实验总压；
控制系统设定实验温度值、试样转速、测试时间，启动加热集成块达到温度设计值后，启动电机转动，试样随旋转试样盘旋转；
测试段电化学测试电极探头紧靠试样表面1～2mm，控制系统在线获取电化学测试电极测试的试样在不同腐蚀磨损阶段的试样电化学特性。
10.根据权利要求9所述的多功能腐蚀磨损多相流冲刷腐蚀实验测试方法，其特征在于，实验腔体的固液介质通过实验腔体底部流经固液废料托盘进入废料收集桶；实验腔内气体通过导管排放进入尾气吸收槽内。
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