CN113358316A - 一种掺氢天然气管道流动规律研究及腐蚀模拟试验装置及方法 - Google Patents

一种掺氢天然气管道流动规律研究及腐蚀模拟试验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种掺氢天然气管道流动规律研究及腐蚀模拟试验装置及方法，属于石油与天然气工程技术领域，可以真实还原掺氢天然气管道单相或气液两相流流动状态，并模拟山地管道起伏变化，有效研究掺氢天然气管道流动规律，掌握管材在含氢气环境下的力学性能变化和腐蚀规律，可以为实际掺氢天然气管道的安全运行和工艺设施的设计及操作提供指导。

Description

一种掺氢天然气管道流动规律研究及腐蚀模拟试验装置及 方法
技术领域
本发明涉及一种基于试验环道的多功能掺氢天然气管道流动规律研究及腐蚀模拟试验装置及方法，属于石油与天然气工程技术领域。
背景技术
目前，我国提出了碳中和的目标，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和；氢能具有来源广泛、能量转化率高、清洁无污染、可储存可再生等优点，是实现能源可持续供给和循环的重要能源载体。但现有氢气管网、储运设施建设滞后，市场发展受约束；因此利用已有成熟的天然气管道设施，向管道中掺入氢气具有重要意义。
然而天然气管道掺入氢气后会改变原有输送介质的水力、热力流动性质，同时会对管道材料产生氢脆、氢鼓泡、脱碳及氢腐蚀等风险。
为了合理的研究掺氢天然气管道流动规律，掌握管材在含氢气环境下的力学性能变化和腐蚀规律，就需要还原掺氢天然气管道流动工况，并对温度、压力等工况进行准确的控制；然而对于掺氢天然气管道流动规律的研究主要都是在反应釜内进行的，不能真实还原管道流动状态，与实际流动工况差距较远；对于含氢气环境中的材料力学性能测试则通常是对材料采用电化学预充氢或将材料在含氢气环境中放置一段时间后再在空气中开展力学试验；类似的试验结果无法真实的表征材料在环境气体中氢气对其的劣化作用和载荷作用耦合下的实时力学性能，测得的数据并不能真实反映材料在真实服役环境中的性能。
发明内容
本发明的目的是：提供一种掺氢天然气管道流动规律研究及腐蚀模拟试验装置及方法，可以真实还原掺氢天然气管道单相或气液两相流流动状态，并模拟山地管道起伏变化，有效研究掺氢天然气管道流动规律，掌握管材在含氢气环境下的力学性能变化和腐蚀规律；为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种掺氢天然气管道流动规律研究及腐蚀模拟试验装置及方法，包括气体储存调配系统(A)、增压控温系统(B)、液相注入系统(C)、测试系统(D)、分离系统(E)和放空系统(F)；
所述气体储存调配系统(A)用于将天然气、氢气按照试验所需比例混合，所得试验气体依次通过增压控温系统(B)、和测试系统(D)进行气体循环；所述增压控温系统(B)用于使试验气体达到试验所需的压力和温度工况；所述液相注入系统(C)的出口设置于增压控温系统(B)的出口处，用于按照试验所需向试验气体注入缓蚀剂和水；所述测试系统(D)对试验气体流动、腐蚀状态进行在线监测；所述分离系统(E)的入口设置于测试系统(D)的出口处，分离系统(E)的出口分两路，气相继续回到试验环道，液相出口与液相注入系统(C)的污水罐(20)相连接；所述放空系统(F)用于在超压等紧急状态下进行紧急放空和试验完成后尾气的处理。
气体储存调配系统(A)包括天然气储罐(1)、天然气源(2)、氢气储罐(3)、氢气源(4)、氮气储罐(5)、电动阀(6)、压缩机(7)、压力表(8)、气体流量计(9)和混合器(10)。
控温增压系统(B)包括压缩机(12)和水浴夹套(13)；用于使试验气体达到试验所需的压力和温度工况；所述压缩机(12)对气体储存调配系统(A)输出的试验气体进行增压；所述水浴夹套(13)通过对保温层和外层进行包裹形成夹套式水浴，实现对试验气体的加热和冷却。
液相注入系统(C)包括水罐(15)、缓蚀剂储罐(16)、水泵(17)、缓蚀剂雾化注入装置(18)和污水罐(20)。
测试系统(D)包括a、b、c、d四个区域，a区包括四个测试段，可同时用于不同管径、壁厚及材质的管材、焊缝在不同掺氢比例、不同工况下的管道及焊缝腐蚀试验、缓蚀剂评价试验和天然气流动规律研究；b区测试段设置有一个弯头，用于真实模拟弯头在掺氢天然气冲蚀作用下的腐蚀情况；c区测试段设置挂片试验装置(28)；d区测试段设置氢探针装置(29)，用于测定氢的渗入倾向和渗氢破坏。
上述测试系统(D)a区，除四个测试段外，预留多个管径接口，可根据试验需要安装相应的测试管段。
上述测试段(21)包括支柱(2101)、底座(2102)、可透视窗口(2103)、支撑板(2104)、电流入口端(2105)、检测电极(2106)、焊缝(2107)、对照板(2108)、电流出口端(2109)、参考电极(2110)、试验管段(2111)、固定管托(2112)和软管(2113)；
所述试验管段(2111)与软管(2113)通过法兰相连，通过固定管托(2112)固定在支撑板(2103)上；所述支撑板(2104)与支柱(2101)通过底座(2102)相连，底座(2102)的轴通过电动机驱动，用于调整试验管段倾角；所述电流入口端(2105)、检测电极(2106)、对照板(2108)、电流出口端(2109)、参考电极(2110)共同组成电场指纹法腐蚀检测系统，用于精准确定局部和均匀腐蚀，监测管道本体及焊缝的局部和均匀腐蚀规律。
传统的腐蚀检测方法，包括腐蚀挂片、电阻探针、线性极化探针等，仅能在线监测输送介质的平均腐蚀速率，难以有效检出内腐蚀的准确部位和腐蚀程度，不能全面反映管线和设备的腐蚀情况；采用电场指纹法腐蚀检测系统不仅监测管道的均匀腐蚀和局部腐蚀，而且能定位各个局部腐蚀发生的具体位置。
上述电场指纹法腐蚀检测系统，对照板(2108)材质与试验管段(2111)材质相同，且与试验管段(2110)外壁之间填充有绝缘材料。
上述电场指纹法腐蚀检测系统中检测电极(2106)采用行、列等距布置，间距选取管道壁厚的2～3倍。
上述电场指纹法腐蚀检测系统设置于a区和b区的测试段。
通过可透视窗口(2103)，可使用高速摄像机观察记录测试管段流型情况。
上述挂片试验装置(28)在一定试验周期进行挂片实验得到的挂片，需要经过处理进行扫描电镜、能谱分析仪、慢应变速率拉伸、疲劳裂纹扩展以及低周疲劳寿命等试验，分析表面腐蚀产物，确定腐蚀类型，确定氢气对其的劣化作用和载荷作用耦合下的力学性能。
分离系统(E)包括分离器(31)。
放空系统(F)包括阻火器(32)和放空火炬(33),用于在超压等紧急状态下进行紧急放空和试验完成后尾气的处理；阻火器(32)设置在放空火炬(33)前，用于防止回火事故。
一种掺氢天然气管道流动规律研究及腐蚀模拟试验方法包括但不限于：掺氢天然气单相流管道流动规律研究方法、掺氢天然气气液两相流管道流动规律研究方法、不加注缓蚀剂掺氢天然气管道腐蚀模拟试验方法和加注缓蚀剂掺氢天然气管道腐蚀模拟试验方法；
所述掺氢天然气单相流管道流动规律研究方法，具体步骤为：
J1、准备工作：在试验开始之前，将氮气从氮气储罐(5)吹入试验环道内运行约半个小时，并对设备设施进行检查、调零；
J2、通入试验气体：所述气体储存调配系统(A)按照试验所需，天然气从天然气储罐(1)流出，通过电动阀(6)调节流量，进入压缩机(7)增压后，经气体流量计(9)计量进入所述混合器(10)内；氢气同样按照上述步骤进入所述混合器(10)内；天然气与氢气在混合气内按照试验所需气体中各组分的配比混合；
J3、控温增压：将上述试验气体通入试验环道内，所述控温增压系统(B)中的压缩机(12)对气体进行增压，水浴夹套(13)对试验气体进行加热或冷却，使试验气体达到试验所需的压力和温度工况；
J4、缓蚀剂注入：根据试验所需，可通过液相注入系统(C)向试验气体注入缓蚀剂；
J5、流动规律研究：待试验环道正常运行一段时间，达到试验所需工况，通过数据采集系统对测试管段温度、压力数据进行采集；
J6、调整倾角进行多组试验：通过调节测试管段倾角，重复步骤J5；
J7、调整温度、压力工况进行多组试验：通过调节控温增压系统(B)，调整至试验所需的压力和温度工况，重复步骤J5～J6；
J8、调整掺氢比例进行多组试验：通过调节气体储存调配系统(A)，逐步提高试验气体掺氢比例，重复步骤J5～J7；
J9、尾气处理：待试验完成后，通过放空系统(F)对环道内尾气进行燃烧放空；
所述掺氢天然气气液两相流管道流动规律研究方法，具体步骤为：
K1、重复步骤J1～J3；
K2、缓蚀剂及液相注入：根据试验所需，通过液相注入系统(C)向试验气体注入试验所需的液相和缓蚀剂；
K3、流动规律研究：待试验环道正常运行一段时间，达到试验所需工况，通过数据采集系统对测试管段温度、压力数据进行采集，通过高速摄像机观察记录测试管段流型情况
K4、调整倾角进行多组试验：通过调节测试管段倾角，重复步骤K3；
K5、调整温度、压力工况进行多组试验：通过调节控温增压系统(B)，调整至试验所需的压力和温度工况，重复步骤K3～K4；
K6、调整液量进行多组试验：通过调节液相注入系统(C)，逐步提高试验液量，重复步骤K3～K5；
K7、液相分离回收：通过分离系统(E)对实验介质进行分离回收，气相继续回到试验环道，液相注入污水罐(20)；
K8、调整掺氢比例进行多组试验：通过调节气体储存调配系统(A)，逐步提高试验气体掺氢比例，重复步骤K2～K7；
K9、尾气处理：待试验完成后，通过放空系统(F)对环道内尾气进行燃烧放空；
所述不加注缓蚀剂掺氢天然气管道腐蚀模拟试验方法，具体步骤为：
L1、重复步骤J1～J3；
L2、液相注入：根据试验所需，通过液相注入系统(C)向试验气体注入试验所需的液量；
L3、腐蚀测试：在一定测试周期内，通过测试系统(D)进行不同管径、壁厚及材质的管材、焊缝在不同掺氢比例、不同工况下的管道及焊缝腐蚀试验；
L4、调整温度、压力工况进行多组试验：通过调节控温增压系统(B)，调整至试验所需的压力和温度工况，重复步骤L3；
L5、调整液量进行多组试验：通过调节液相注入系统(C)，逐步提高试验液量，重复步骤L3～L4；
L6、液相分离回收：通过分离系统(E)对实验介质进行分离回收，气相继续回到试验环道，液相注入污水罐(20)；
L7、调整掺氢比例进行多组试验：通过调节气体储存调配系统(A)，逐步提高试验气体掺氢比例，重复步骤L2～L6；
L8、尾气处理：待试验完成后，通过放空系统(F)对环道内尾气进行燃烧放空；
所述加注缓蚀剂掺氢天然气管道腐蚀模拟试验方法，具体步骤为：
M1、重复步骤J1～J3；
M2、缓蚀剂及液相注入：根据试验所需，通过液相注入系统(C)向试验气体注入试验所需的液量和缓蚀剂；
M3、重复步骤L3～L8。
附图说明
图1是本发明中一种掺氢天然气管道流动规律研究及腐蚀模拟试验装置示意图，其中：A—气体储存调配系统；B—增压控温系统；C—液相注入系统；D—测试系统；E—分离系统；F—放空系统；1—天然气储罐；2—天然气源；3—氢气储罐；4—氢气源；5—氮气储罐；6—电动阀；7—压缩机；8—压力表；9—气体流量计；10—混合器；11—试验环道；31—分离器；32—阻火器；33—放空火炬。
图2是本发明中增压控温系统示意图，其中：12—压缩机；13—水浴夹套；14—去放空火炬。
图3是本发明中液相注入系统示意图，其中：15—水罐；16—缓蚀剂储罐；17—水泵；18—缓蚀剂雾化注入装置；19—来自分离系统所得污水；20—污水罐。
图4是本发明中测试系统示意图，其中：21～27—测试段；28—挂片试验装置；29—氢探针装置。
图5、图6是本发明中测试段示意图，其中：2101—支柱；2102—底座；2103—可透视窗口；2104—支撑板；2105—电流入口端；2106—检测电极；2107—焊缝；2108—对照板；2109—电流出口端；2110—参考电极；2111—试验管段；2112—固定管托；2113—软管。
具体实施方式
掺氢天然气管道流动规律研究及腐蚀模拟试验方法包括但不限于：掺氢天然气单相流管道流动规律研究方法、掺氢天然气气液两相流管道流动规律研究方法、不加注缓蚀剂掺氢天然气管道腐蚀模拟试验方法和加注缓蚀剂掺氢天然气管道腐蚀模拟试验方法；
所述掺氢天然气单相流管道流动规律研究方法，具体步骤为：
J1、准备工作：在试验开始之前，将氮气从氮气储罐(5)吹入试验环道内运行约半个小时，并对设备设施进行检查、调零；
J2、通入试验气体：所述气体储存调配系统(A)按照试验所需，天然气从天然气储罐(1)流出，通过电动阀(6)调节流量，进入压缩机(7)增压后，经气体流量计(9)计量进入所述混合器(10)内；氢气同样按照上述步骤进入所述混合器(10)内；天然气与氢气在混合气内按照试验所需气体中各组分的配比混合；
J3、控温增压：将上述试验气体通入试验环道内，所述控温增压系统(B)中的压缩机(12)对气体进行增压，水浴夹套(13)对试验气体进行加热或冷却，使试验气体达到试验所需的压力和温度工况；
J4、缓蚀剂注入：根据试验所需，可通过液相注入系统(C)向试验气体注入缓蚀剂；
J5、流动规律研究：待试验环道正常运行一段时间，达到试验所需工况，通过数据采集系统对测试管段温度、压力数据进行采集；
J6、调整倾角进行多组试验：通过调节测试管段倾角，重复步骤J5；
J7、调整温度、压力工况进行多组试验：通过调节控温增压系统(B)，调整至试验所需的压力和温度工况，重复步骤J5～J6；
J8、调整掺氢比例进行多组试验：通过调节气体储存调配系统(A)，逐步提高试验气体掺氢比例，重复步骤J5～J7；
J9、尾气处理：待试验完成后，通过放空系统(F)对环道内尾气进行燃烧放空；
所述掺氢天然气气液两相流管道流动规律研究方法，具体步骤为：
K1、重复步骤J1～J3；
K2、缓蚀剂及液相注入：根据试验所需，通过液相注入系统(C)向试验气体注入试验所需的液相和缓蚀剂；
K3、流动规律研究：待试验环道正常运行一段时间，达到试验所需工况，通过数据采集系统对测试管段温度、压力数据进行采集，通过高速摄像机观察记录测试管段流型情况
K4、调整倾角进行多组试验：通过调节测试管段倾角，重复步骤K3；
K5、调整温度、压力工况进行多组试验：通过调节控温增压系统(B)，调整至试验所需的压力和温度工况，重复步骤K3～K4；
K6、调整液量进行多组试验：通过调节液相注入系统(C)，逐步提高试验液量，重复步骤K3～K5；
K7、液相分离回收：通过分离系统(E)对实验介质进行分离回收，气相继续回到试验环道，液相注入污水罐(20)；
K8、调整掺氢比例进行多组试验：通过调节气体储存调配系统(A)，逐步提高试验气体掺氢比例，重复步骤K2～K7；
K9、尾气处理：待试验完成后，通过放空系统(F)对环道内尾气进行燃烧放空；
所述不加注缓蚀剂掺氢天然气管道腐蚀模拟试验方法，具体步骤为：
L1、重复步骤J1～J3；
L2、液相注入：根据试验所需，通过液相注入系统(C)向试验气体注入试验所需的液量；
L3、腐蚀测试：在一定测试周期内，通过测试系统(D)进行不同管径、壁厚及材质的管材、焊缝在不同掺氢比例、不同工况下的管道及焊缝腐蚀试验；
L4、调整温度、压力工况进行多组试验：通过调节控温增压系统(B)，调整至试验所需的压力和温度工况，重复步骤L3；
L5、调整液量进行多组试验：通过调节液相注入系统(C)，逐步提高试验液量，重复步骤L3～L4；
L6、液相分离回收：通过分离系统(E)对实验介质进行分离回收，气相继续回到试验环道，液相注入污水罐(20)；
L7、调整掺氢比例进行多组试验：通过调节气体储存调配系统(A)，逐步提高试验气体掺氢比例，重复步骤L2～L6；
L8、尾气处理：待试验完成后，通过放空系统(F)对环道内尾气进行燃烧放空；
所述加注缓蚀剂掺氢天然气管道腐蚀模拟试验方法，具体步骤为：
M1、重复步骤J1～J3；
M2、缓蚀剂及液相注入：根据试验所需，通过液相注入系统(C)向试验气体注入试验所需的液量和缓蚀剂；
M3、重复步骤L3～L8。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，此外本领域技术人员在参考了说明书内容的基础上所做出的不必付出创造性劳动的改动也应落入本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种掺氢天然气管道流动规律研究及腐蚀模拟试验装置及方法，其特征在于：包括气体储存调配系统(A)、增压控温系统(B)、液相注入系统(C)、测试系统(D)、分离系统(E)和放空系统(F)；
所述气体储存调配系统(A)用于将天然气、氢气按照试验所需比例混合，所得试验气体依次通过增压控温系统(B)、和测试系统(D)进行气体循环；所述增压控温系统(B)用于使试验气体达到试验所需的压力和温度工况；所述液相注入系统(C)的出口设置于增压控温系统(B)的出口处，用于按照试验所需向试验气体注入缓蚀剂和水；所述测试系统(D)对试验气体流动、腐蚀状态进行在线监测；所述分离系统(E)的入口设置于测试系统(D)的出口处，分离系统(E)的出口分两路，气相继续回到试验环道，液相出口与液相注入系统(C)的污水罐(20)相连接；所述放空系统(F)用于在超压等紧急状态下进行紧急放空和试验完成后尾气的处理。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述气体储存调配系统(A)包括天然气储罐(1)、天然气源(2)、氢气储罐(3)、氢气源(4)、氮气储罐(5)、电动阀(6)、压缩机(7)、压力表(8)、气体流量计(9)和混合器(10)。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述控温增压系统(B)包括压缩机(12)和水浴夹套(13)；用于使试验气体达到试验所需的压力和温度工况；所述压缩机(12)对气体储存调配系统(A)输出的试验气体进行增压；所述水浴夹套(13)通过对保温层和外层进行包裹形成夹套式水浴，实现对试验气体的加热和冷却。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述液相注入系统(C)包括水罐(15)、缓蚀剂储罐(16)、水泵(17)、缓蚀剂雾化注入装置(18)和污水罐(20)。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：测试系统(D)包括a、b、c、d四个区域，a区包括四个测试段，可同时用于不同管径、壁厚及材质的管材、焊缝在不同掺氢比例、不同工况下的管道及焊缝腐蚀试验、缓蚀剂评价试验和天然气流动规律研究；b区测试段设置有一个弯头，用于真实模拟弯头在掺氢天然气冲蚀作用下的腐蚀情况；c区测试段设置挂片试验装置(28)；d区测试段设置氢探针装置(29)，用于测定氢的渗入倾向和渗氢破坏。
6.根据权利要求5所述的装置，上述测试系统(D)的a区，其特征在于：除四个测试段外，预留多个管径接口，可根据试验需要安装相应的测试管段。
7.根据权利要求5所述的装置，上述测试段(21)其特征在于：包括支柱(2101)、底座(2102)、可透视窗口(2103)、支撑板(2104)、电流入口端(2105)、检测电极(2106)、焊缝(2107)、对照板(2108)、电流出口端(2109)、参考电极(2110)、试验管段(2111)、固定管托(2112)和软管(2113)；
所述试验管段(2111)与软管(2113)通过法兰相连，通过固定管托(2112)固定在支撑板(2104)上；所述支撑板(2104)与支柱(2101)通过底座(2102)相连，底座(2102)的轴通过电动机驱动，用于调整试验管段倾角；所述电流入口端(2105)、检测电极(2106)、检测电极(2106)、对照板(2108)、电流出口端(2109)、参考电极(2110)共同组成电场指纹法腐蚀检测系统，用于精准确定局部和均匀腐蚀，监测管道本体及焊缝的局部和均匀腐蚀规律。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：分离系统(E)包括分离器(31)。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：放空系统(F)包括阻火器(32)和放空火炬(33),用于在超压等紧急状态下进行紧急放空和试验完成后尾气的处理；阻火器(32)设置在放空火炬(33)前，用于防止回火事故。
10.根据权利要求1所述的一种掺氢天然气管道流动规律研究及腐蚀模拟试验装置及方法，其特征在于：一种掺氢天然气管道流动规律研究及腐蚀模拟试验方法包括但不限于：掺氢天然气单相流管道流动规律研究方法、掺氢天然气气液两相流管道流动规律研究方法、不加注缓蚀剂掺氢天然气管道腐蚀模拟试验方法和加注缓蚀剂掺氢天然气管道腐蚀模拟试验方法。
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