CN113376053B - 一种材料表面结垢行为模拟在线监测试验系统和试验方法 - Google Patents

Abstract

一种材料表面结垢行为模拟在线监测试验系统和试验方法，系统包括设置结垢液存储单元、运输管道单元、加热单元、控制单元和移动支架单元，还包括试样管路单元和参数测控单元，运输管道单元包括设置在同一个垂直面的矩形主管回路与矩形旁管回路。方法包括清洗、置入试样、试验和结束。结构合理，操作方便，可控性强。可模拟各种温度、结垢液、流体流量等多因素综合影响下的结垢环境，可简便快速、科学合理地模拟在线监测不同润湿性、不同表面特性的管状试样或片状试样的包括结垢量、结垢速率和结垢厚度变化的表面结垢行为，并测试评价试样材料的结垢/防结垢性能，为在结垢环境下监测防结垢自清洁材料表面结垢行为提供创新的试验系统与试验方法。

Description

一种材料表面结垢行为模拟在线监测试验系统和试验方法

技术领域

本发明涉及材料表面结垢监测，特别是涉及一种材料表面结垢行为模拟在线监测试验系统和试验方法。

背景技术

在涉及流体介质换热过程的系统与设备中，由于流体介质的品质不良，材料表面结垢行为难以避免，不但降低系统与设备的工作效能，甚至损坏部件引发安全事故，造成重大经济损失，而且直接或间接影响自然环境。现有的实验室小型材料表面结垢行为模拟试验装置，操作不便，可控性弱。难以合理模拟包括但不限于温度、结垢流体、流场以及表界面特性的结垢环境，与实际状况存在明显偏差，尤其是不能在线监测结垢过程中结垢量、结垢速率和结垢厚度的变化，相关监测数据的可比较性欠差。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是弥补现有技术存在的缺陷，提供一种材料表面结垢行为模拟在线监测试验系统。

本发明所要解决的另一个技术问题是弥补现有技术存在的缺陷，提供一种材料表面结垢行为模拟在线监测试验方法。

本发明材料表面结垢行为模拟在线监测试验系统的技术问题通过以下技术方案予以解决。

这种材料表面结垢行为模拟在线监测试验系统，包括设置在系统的底部的结垢液存储单元、运输管道单元、加热单元、控制单元和移动支架单元，所述结垢液存储单元用于存储和回收结垢液，所述运输管道单元用于运输结垢液并且控制结垢液的流量，所述加热单元用于将结垢液的温度加热至试验设定值，所述控制单元用于控制运输管道单元、加热单元的启停和运行以及显示试验参数，所述移动支架单元用于支撑固定系统的各个单元和方便系统的移动。

这种材料表面结垢行为模拟在线监测试验系统的特点是，

还包括试样管路单元和参数测控单元。

所述试样管路单元包括尼龙/有机玻璃试验管、密封垫圈和快接法兰，用于镶嵌不同基材、润湿性、表面粗糙度及表面特性的管状试样或片状试样，并测试试样在管道流体的模拟环境下的结垢行为及性能，以及实现结垢过程的可视化监控。

所述参数测控单元包括第一探针式温度传感器、第二探针式温度传感器、贴片式温度传感器、第一压差传感器、第二压差传感器、电导率传感器和流量计，所述第一探针式温度传感器设置在加热单元与试样管路单元之间，用于测定进入试样管路单元前结垢液的温度，所述第二探针式温度传感器设置在结垢液存储单元中，用于测定流出试样管路单元后结垢液的温度，所述贴片式温度传感器设置在试样管路单元的尼龙/有机玻璃试验管的内、外表面，用于测定试验管壁内外温度和测定垢层厚度，所述第一压差传感器和第二压差传感器分别设置在试样管路单元的前端和后端，用于测定结垢液流经试样管路单元的压差；所述电导率传感器设置在试样管路单元后端的第二压差传感器的后面，用于测定结垢液的离子浓度；所述流量计设置在加热单元的前端，用于测量结垢液的流量。

所述运输管道单元包括设置在同一个垂直面的矩形主管回路与矩形旁管回路，所述矩形主管回路由进口端浸没在所述结垢液存储单元的90°下弯管、第一流量控制阀、法兰、动力泵、法兰、左下角的90°上弯管、三通管、第二流量控制阀、竖直直管、流量计、左上角的90°下弯管、加热单元、水平直管、试样管路单元、90°上弯管、右上角的П型弯管、出口端插入所述结垢液存储单元的垂直管依次连通组成，用于输运和循环结垢液，控制结垢液的流量，右上角的П型弯管用于抬高所述矩形旁管回路的右上角，确保所述矩形主管回路中的试样管路单元完全充满结垢液，所述矩形旁管回路由进口端浸没在所述结垢液存储单元的90°弯管、第一流量控制阀、法兰、动力泵、法兰、左下角的90°弯管、三通管、第三流量控制阀、出口端插入所述结垢液存储单元的右上角的90°下弯管依次连通组成，用于为避免出现汽蚀现象在试验过程中将动力泵输送的结垢液部分回流至结垢液存储单元，以保证动力泵长时间在额定工况下稳定运行。

本发明材料表面结垢行为模拟在线监测试验系统的技术问题通过以下进一步技术方案予以解决。

所述尼龙/有机玻璃试验管，是沿直径方向分为上下两个半圆管、由密封垫圈和螺栓组装成用于置入试样和取出试样的圆管；

所述第一探针式温度传感器、第二探针式温度传感器和贴片式温度传感器是B级Pt100铂热电阻，量程为﹣200℃~﹢450℃；

所述第一压差传感器、第二压差传感器是型号为FK-P300的压差传感器，量程为0MPa ~1Mpa；

所述电导率传感器是型号为RMD-ISEP10的投入式电导率传感器，量程为0 μs/cm~20000 μs/cm；

所述流量计是PVC转子流量计，包括锥形管和位于锥形管中的转子，量程为100 L/h ~1000 L/h；

所述结垢液存储单元是带密封盖的储液箱，可以严密防止试验过程中外界环境中的杂质污染结垢液。

所述矩形主管回路与矩形旁管回路中的弯管、直管和三通管是有良好的可塑性和耐腐蚀性的PP-R材质的弯管、直管和三通管，外表面包覆有保温层，耐热保温，导热系数约为金属管导热系数的0.005，规格为DN32，壁厚为5.4 mm，公称压力PN为1.6 Mpa。

所述动力泵是自吸增压水动力泵，额定电压为220V，功率为950W，最大流量为3.5m³/h，扬程为55 m，最大吸程为9 m，用于提供动力输送，保证系统长时间稳定运行。

所述第一流量控制阀、第二流量控制阀以及第三流量控制阀是有良好的可塑性和耐腐蚀性的PP-R材质的流量控制截止阀，用于分流调节并稳定控制结垢液的流量。

本发明材料表面结垢行为模拟在线监测试验系统的技术问题通过以下再进一步技术方案予以解决。

所述加热单元设置在试样管路单元的前端，包括试样管路单元前端的一段不锈钢管道以及设置在不锈钢管道表面的加热器，直接将电能转化为热能加热管道内的结垢液，使结垢液的温度达到试验设定值；

所述控制单元是数显控制单元，用于控制总开关、加热单元和运输管道单元的启停和运行参数，以及显示参数测控单元所测的温度、试样管路单元内外温差、压差、电导率及流量；

所述移动支架单元，包括带脚轮的底盘和垂直竖立在所述底盘的框架。

所述结垢液是根据试验要求配制或者就地取用的不同浓度和离子成分的结垢液，用于模拟实际工况环境下管路的流体，且在一组试验过程中不再向结垢液存储单元中补充结垢液；

所述储液箱是容积内结垢液的量不少于容积的1/3且浸没矩形主管回路进口端的储液箱，其容积由系统整体管路容积所决定；

所述储液箱是防腐蚀、防结垢的PVC材质的储液箱，可长期盛放结垢液。

所述尼龙/有机玻璃试验管的内侧，沿直径方向设有0°~90°的可调节角度的槽位，用于置入并固定管状试样或片状试样。

所述加热器是型号为KZ1085的注塑机炮筒式加热器，功率为500W。

所述控制单元是型号为XMT5266S的数显控制仪，供电电源为220 V，采用双屏数码管显示，带三位控制或上限报警、下限报警，适配DC 4mA~20 mA输入信号。

所述框架是铝型材质的框架，用于支撑固定系统的各个单元，所述底盘是铝型材质的底盘，用于支撑固定框架，所述脚轮是万向脚轮，用于移动框架。

所述根据试验要求配制的结垢液，包括但不限于反应型结垢液Ca²+-H₂O-HCO₃ ^-、Ca(OH)₂-H₂O-CO₂和Ca²⁺-H₂O-SO₄ ^2-，用于模拟实际工况环境下管路的过饱和CaCO₃溶液或者CaSO₄溶液；

所述反应型结垢液Ca²+-H₂O-HCO₃ ^-，由氯化钙CaCl₂与碳酸氢钠NaHCO₃按质量比1:1.5配制；

所述反应型结垢液Ca(OH)₂-H₂O-CO₂，是在一定浓度Ca(OH)₂溶液中持续通入CO₂气体制备；

所述反应型结垢液Ca²⁺-H₂O-SO₄ ^2-，由四水硝酸钙Ca(NO₃)₂·4H₂O与硫酸钠Na₂SO₄按质量比1.7:1配制；

所述根据试验要求就地取用的结垢液，包括但不限于地热水、油井采出水。

本发明材料表面结垢行为模拟在线监测试验方法的技术问题通过以下技术方案予以解决。

这种材料表面结垢行为模拟在线监测试验方法，采用上述材料表面结垢行为模拟在线监测试验系统。

这种材料表面结垢行为模拟在线监测试验方法的特点是：

依次有以下步骤：

1）清洗

每次测试前先用清洗液清洗储液箱，并在管路中循环20 min ~30 min后将管路及储液箱完全排空，以去除储液箱内和管路中沉积的污垢；

后用蒸馏水清洗储液箱，并在管路中循环20min~30 min后将管路及储液箱完全排空，以进一步去除储液箱内和管路中沉积的污垢；

最后加入用蒸馏水稀释至试验设定的硬度值的结垢液，充分搅拌后待用；

2）置入试样

手动取下并打开试样管路单元置入试样，所述试样是不同基材、润湿性、表面粗糙度及表面特性的管状试样或片状试样，固定后用快接法兰和密封垫圈重新组装试样管路单元，然后连接矩形主管回路，将各螺栓上紧后打开结垢液存储单元出口的第一流量控制阀和矩形旁管回路的第三流量控制阀，依次启动总开关和动力泵工作开关，调节矩形主管回路的第二流量控制阀和矩形旁管回路的第三流量控制阀，使结垢液的流量从0增至最大，测试矩形主管回路和矩形旁管回路的密封性，如有渗漏，重新组装；

3）试验

打开结垢液存储单元出口的第一流量控制阀和矩形旁管回路的第三流量控制阀，依次启动总开关、动力泵工作开关、参数测控单元工作开关以及加热单元工作开关，使结垢液的温度达到试验设定值，调节矩形主管回路的第二流量控制阀和矩形旁管回路的第三流量控制阀，控制结垢液的流量稳定在试验设定值，待温度恒定后进行结垢试验，实时监测结垢液流经试样管路单元的压差，并在分别稳定运行试验设定的多个时段后都取出试样称重，再置入试样管路单元，并记录试验数据，所述试验数据包括但不限于试样表面结垢量、结垢速率和结垢厚度；

4）结束

试验结束后先关闭加热单元工作开关，使结垢液在管路中继续循环5 min ~10min，再关闭参数测控单元工作开关、动力泵工作开关以及总开关，完全打开结垢液存储单元出口的第一流量控制阀、矩形主管回路的第二流量控制阀和矩形旁管回路的第三流量控制阀，使结垢液自动排出管路，结垢液完全排空后，手动取下试样管路单元两端的法兰以及试样管路单元，晾干后打开尼龙/有机玻璃试验管，取出试样，进行下一步分析。用浓度为0.001 mol/L 的盐酸溶液和蒸馏水依次清洗储液箱和整体管路，清洗完后，将管路及储液箱完全排空并密封备用。

本发明材料表面结垢行为模拟在线监测试验方法的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。

所述清洗液是浓度为0.001 mol/L 的盐酸、丙烯酸和柠檬酸中的一种；

所述结垢液是根据试验要求配制或者就地取用的不同浓度和离子成分的结垢液，用于模拟实际工况环境下管路的流体，且在一组试验过程中不再向结垢液存储单元中补充结垢液。

本发明材料表面结垢行为模拟在线监测试验方法的技术问题通过以下再进一步的技术方案予以解决。

所述根据试验要求配制的结垢液，包括但不限于反应型结垢液Ca²⁺-H₂O-HCO₃ ^-、Ca(OH)₂-H₂O-CO₂和Ca²⁺-H₂O-SO₄ ^2-，用于模拟实际工况环境下管路的过饱和CaCO₃溶液或者CaSO₄溶液；

所述反应型结垢液Ca²+-H₂O-HCO₃ ^-，由氯化钙CaCl₂与碳酸氢钠NaHCO₃按质量比1:1.5配制；

所述反应型结垢液Ca(OH)₂-H₂O-CO₂，是在一定浓度Ca(OH)₂溶液中持续通入CO₂气体制备；

所述反应型结垢液Ca²⁺-H₂O-SO₄ ^2-，由四水硝酸钙Ca(NO₃)₂·4H₂O与硫酸钠Na₂SO₄按质量比1.7:1配制；

所述根据试验要求就地取用的结垢液，包括但不限于地热水、油井采出水。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

结构合理，操作方便，可控性强。可模拟各种温度、结垢液、流体流量等多因素综合影响下的结垢环境，可简便快速、科学合理地模拟在线监测不同润湿性、不同表面特性的管状试样或片状试样的包括结垢量、结垢速率和结垢厚度的变化的表面结垢行为，并测试评价试样的结垢/防结垢性能，为在结垢环境下监测防结垢自清洁材料表面结垢行为提供一种创新的试验系统与试验方法。

本发明可以广泛用于测试不同基材、润湿性、表面粗糙度及表面特性的试样表面的垢层厚度、管道流动阻力、结垢介质离子浓度的变化；并且根据测试前后试样重量变化，测试评价不同基材、润湿性、表面粗糙度及表面特性的试样的结垢与防结垢性能。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的整体示意图；

图2是图1中的试样管路单元11的结构示意图；

图3是本发明实施例1测试的结垢时间为240h的试样表面结垢照片；

图4是本发明实施例1测试的试样表面结垢时间-结垢量曲线图；

图5是本发明实施例2测试的结垢时间为240h的试样表面结垢照片；

图6是本发明实施例2测试的结垢时间为240h的试样-结垢量条形图。

图1中的附图标记如下：1-结垢液存储单元、2-第一流量控制阀、3-动力泵、4-第二流量控制阀、5-矩形旁管回路、6-第三流量控制阀、7-流量计、8-加热单元、9-第一探针式温度传感器、10-第一压差传感器、11-试样管路单元、12-贴片式温度传感器、13-第二压差传感器、14-电导率传感器、15-П型弯管、16-控制单元、17-第二探针式温度传感器；

图2中的附图标记如下：18-试样。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参照图1~图6，将描述非限制性和非排他性的实施例，其中相同的附图标记表示相同的部件，除非另外特别说明。

实施例1：一种如图1~图4所示的用于核电站的汽轮机叶片结垢模拟在线监测试验系统，包括设置在系统的底部的结垢液存储单元1、运输管道单元、加热单元8、控制单元16和移动支架单元，还包括试样管路单元11和参数测控单元。

试样管路单元11包括尼龙/有机玻璃试验管、密封垫圈和快接法兰。

参数测控单元包括第一探针式温度传感器9、第二探针式温度传感器17、贴片式温度传感器12、第一压差传感器10、第二压差传感器13、电导率传感器14和流量计7，第一探针式温度传感器9设置在加热单元8与试样管路单元11之间，第二探针式温度传感器17设置在结垢液存储单元1中，贴片式温度传感器12设置在试样管路单元11的尼龙/有机玻璃试验管的内、外表面，第一压差传感器10和第二压差传感器13分别设置在试样管路单元11的前端和后端，电导率传感器14设置在试样管路单元11后端的第二压差传感器13的后面，流量计7设置在加热单元8的前端。

运输管道单元包括设置在同一个垂直面的矩形主管回路与矩形旁管回路5。矩形主管回路由进口端浸没在结垢液存储单元1的90°下弯管、第一流量控制阀2、法兰、动力泵3、法兰、左下角的90°上弯管、三通管、第二流量控制阀4、竖直直管、流量计7、左上角的90°下弯管、加热单元8、水平直管、试样管路单元11、90°上弯管、右上角的П型弯管15、出口端插入结垢液存储单元1的垂直管依次连通组成，П型弯管用于抬高矩形旁管回路的右上角200 mm，确保矩形主管回路中的试样管路单元11完全充满结垢液。矩形旁管回路5由进口端浸没在结垢液存储单元的90°弯管、第一流量控制阀2、法兰、动力泵3、法兰、左下角的90°弯管、三通管、第三流量控制阀6、出口端插入结垢液存储单元1的右上角的90°下弯管依次连通组成。

矩形主管回路与矩形旁管回路5中的弯管、直管和三通管是有良好的可塑性和耐腐蚀性的PP-R材质的弯管、直管和三通管，外表面包覆有保温层，耐热保温，导热系数约为金属管导热系数的0.005，规格为DN32，壁厚为5.4 mm，公称压力PN为1.6 Mpa。

动力泵3是自吸增压水动力泵，额定电压为220V，功率为950W，最大流量为3.5 m³/h，扬程为55 m，最大吸程为9 m。

第一流量控制阀2、第二流量控制阀4以及第三流量控制阀6是有良好的可塑性和耐腐蚀性的PP-R材质的流量控制截止阀。

尼龙/有机玻璃试验管，是沿直径方向分为上下两个半圆管、由密封垫圈和螺栓组装成用于置入试样和取出试样的圆管。尼龙/有机玻璃试验管的内侧，沿直径方向设有0°~90°的可调节角度的槽位。

第一探针式温度传感器9、第二探针式温度传感器17和贴片式温度传感器12是B级Pt100铂热电阻，量程为﹣200℃~﹢450℃。

第一压差传感器10和第二压差传感器13是型号为FK-P300的压差传感器，量程为0MPa ~1Mpa。

电导率传感器14是型号为RMD-ISEP10的投入式电导率传感器，量程为0 μs/cm ~20000 μs/cm，

流量计7是PVC转子流量计，包括锥形管和位于锥形管中的转子，量程为100 L/h ~1000 L/h。

结垢液存储单元1是带密封盖的容积为24 L的防腐蚀、防结垢的PVC材质的储液箱，容积内结垢液的量不少于容积的1/3且浸没矩形主管回路进口端。

加热单元8设置在试样管路单元11的前端，包括试样管路单元11前端的一段不锈钢管道以及设置在不锈钢管道表面的型号为KZ1085的注塑机炮筒式加热器，功率为500W。

控制单元16是型号为XMT5266S的数显控制仪，供电电源为220 V，采用双屏数码管显示，带三位控制或上限报警、下限报警，适配DC 4mA~20 mA输入信号。

移动支架单元，包括带万向脚轮的铝型材质的底盘和垂直竖立在底盘的铝型材质的框架。

结垢液是根据试验要求配制的模拟实际工况环境下管路流体的结垢液，且在一组试验过程中不再向结垢液存储单元中补充结垢液。

根据试验要求配制的结垢液，是反应型结垢液Ca²+-H₂O-HCO₃，由氯化钙CaCl₂与碳酸氢钠NaHCO₃按质量比1:1.5配制。

本实施例在线监测试验系统的在线监测试验方法，依次有以下步骤：

1）清洗

每次测试前先用清洗液清洗储液箱，并在管路中循环20 min ~30 min后将管路及储液箱完全排空，以去除储液箱内和管路中沉积的污垢；先用10 L浓度为0.001 mol/L 的盐酸清洗液清洗储液箱，打开第一流量控制阀2和第三流量控制阀6，以及控制单元16的电源总开关和动力泵3的工作开关。调节第二流量控制阀4和第三流量控制阀6使得盐酸清洗液流量稳定在1000 L/h，并在管路中循环30 min后关闭动力泵3的工作开关，待盐酸清洗液全部回流至储液箱后关闭第一流量控制阀2、第二流量控制阀4和第三流量控制阀6，将管路及储液箱完全排空，以去除储液箱内和管路中沉积的污垢；

再用蒸馏水清洗储液箱，打开第一流量控制阀2和第三流量控制阀6，以及控制单元16的电源总开关和动力泵3的工作开关。调节第二流量控制阀4和第三流量控制阀6使得蒸馏水流量稳定在1000 L/h，并在管路中循环30 min后关闭动力泵3的工作开关，待蒸馏水全部回流至储液箱后关闭第一流量控制阀2、第二流量控制阀4和第三流量控制阀6，将管路及储液箱完全排空，以进一步去除储液箱内和管路中沉积的污垢；

最后，加入用5 L蒸馏水稀释至试验设定的硬度值为400 mg/L±10 mg/L的反应型结垢液Ca²⁺-H₂O-HCO₃ ^-，充分搅拌后待用；

硬度值为400 mg/L±10 mg/L的反应型结垢液Ca²⁺-H₂O-HCO₃ ^-是根据试验要求配制的结垢液，且在一组试验过程中不再向结垢液存储单元1中补充结垢液；

硬度值为400 mg/L±10 mg/L的反应型结垢液Ca²⁺-H₂O-HCO₃ ^-的配制是将8.8g的氯化钙CaCl₂和13.4g的碳酸氢钠NaHCO₃分别溶解在5L的蒸馏水中，缓慢混合，再加入蒸馏水调和至质量比为CaCO₃:H₂O=1:2500；

2）置入试样

手动取下并打开试样管路单元11置入一片沿着管路角度为0°的试样18，试样18包括裸铝片状试样、裸铜片状试样和PVC片状试样，尺寸为50 mm×50 mm×1 mm，裸铝片状试样和裸铜片状试样在试验前采用240^#金相砂纸打磨，并用丙酮超声清洗、晾干，试验前用电子分析天平称重；

固定后用快接法兰和密封垫圈重新组装试样管路单元，注意将各螺栓上紧，保证试样管路单元11密封，不渗漏，然后连接矩形主管回路，将各螺栓上紧后打开结垢液存储单元1出口的第一流量控制阀2和矩形旁管回路5的第三流量控制阀6，依次启动总开关和动力泵3的工作开关，调节矩形主管回路的第二流量控制阀4和矩形旁管回路5的第三流量控制阀6，使结垢液的流量从100 L/h逐步上升到1000 L/h，稳定运行5 min，测试矩形主管回路和矩形旁管回路5的密封性，如有渗漏，重新组装；

3）试验

打开结垢液存储单元1出口的第一流量控制阀2和矩形旁管回路5的第三流量控制阀6，依次启动总开关、动力泵3的工作开关、参数测控单元的工作开关以及加热单元8的工作开关，使结垢液的温度达到试验设定值60℃，调节矩形主管回路的第二流量控制阀4和矩形旁管回路5的第三流量控制阀6，控制结垢液的流量稳定在试验设定值1000 L/h，待温度恒定后进行结垢试验，实时监测结垢液流经试样管路单元11的压差，并在分别稳定运行120h、240 h、360 h、480 h和600 h后都取出试片18称重，再置入试样管路单元11，分别计算结垢时间为120 h、240 h、360 h、480 h和600 h测试的相应的结垢量、结垢速率和结垢厚度，并记录试验数据；

4）结束

试验结束后先关闭加热单元8的工作开关，使结垢液在管路中继续循环10 min，再关闭参数测控单元的工作开关、动力泵3的工作开关以及总开关，完全打开结垢液存储单元1出口的第一流量控制阀2、矩形主管回路的第二流量控制阀4和矩形旁管回路5的第三流量控制阀6，使结垢液自动排出管路，结垢液完全排空后，手动取下试样管路单元11两端的法兰以及试样管路单元11，晾干后打开尼龙/有机玻璃试验管，取出试样18，进行下一步分析，用浓度为0.001 mol/L 的盐酸溶液和蒸馏水依次清洗储液箱和整体管路，清洗完后，将管路及储液箱完全排空并密封备用。

图3是本实施例1测试的结垢时间为240h的试样表面结垢照片；

图4是本实施例1测试的试样表面结垢时间-结垢量曲线图，横坐标轴是结垢时间，单位：h，纵坐标轴是结垢量标，单位：mg/cm²；

图3、图4表明，在测试环境下的结垢240 h过程中，裸铝片、裸铜片和PVC片的表面结垢量不断增加，裸铝片、裸铜片和PVC片的表面不断产生新垢体，结垢240 h~600 h过程中，裸铝片、裸铜片和PVC表面的结垢量达到最大，并基本不变，结垢行为已达到动态平衡；结垢0~600h过程中，裸铝表面结垢最大，裸铜次之，PVC最小；表明本系统可监测不不同润湿性试样表面的结垢行为过程，包括结垢速率、结垢结束时刻及最大结垢量。

实施例2：系统与方法对比实施例1的系统与方法，主要不同之处是加热单元的8加热温度设置为60℃；试样18包括铝合金片状试样、接触角（Contact Angle）θ为92°的基材为铝的涂覆有疏水性高分子涂层的片状试样A、接触角（Contact Angle）θ为120°的基材为铝的涂覆有疏水性高分子涂层的片状试样B，接触角θ是材料润湿性的量度。

图5是实施例2测试的结垢时间为240h的试样表面结垢照片；

图6是本实施例2测试的结垢时间为240h的试样-结垢量条形图，横坐标轴是试样，纵坐标轴是结垢量，单位：mg/cm²；

图5、图6表明，在测试环境下结垢时间为240h的铝合金片状试样的表面结垢量为1.42 mg/cm²，片状试样A、片状试样B的表面结垢量分别为0.71 mg/cm²、0.62 mg/cm²，约为铝合金片状试样的表面结垢量的二分之一。

上述实施例表明，本发明的材料表面结垢行为模拟在线监测试验系统和试验方法可以广泛用于测试不同基材、润湿性及表面特性的管状试样或片状试样，并测试试样在管道流体的模拟环境下的结垢行为及性能。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (1)

1.一种材料表面结垢行为模拟在线监测试验系统的试验方法，

所述材料表面结垢行为模拟在线监测试验系统包括设置在系统的底部的结垢液存储单元、运输管道单元、加热单元、控制单元和移动支架单元，所述结垢液存储单元用于存储和回收结垢液，所述运输管道单元用于运输结垢液并且控制结垢液的流量，所述加热单元用于将结垢液的温度加热至试验设定值，所述控制单元用于控制运输管道单元、加热单元的启停和运行以及显示试验参数，所述移动支架单元用于支撑固定系统的各个单元和方便系统的移动，其特征在于：所述材料表面结垢行为模拟在线监测试验系统还包括试样管路单元和参数测控单元；

所述试样管路单元包括尼龙/有机玻璃试验管、密封垫圈和快接法兰，用于镶嵌不同基材、润湿性、表面粗糙度及表面特性的管状试样或片状试样，并测试试样在管道流体的模拟环境下的结垢行为及性能，以及实现结垢过程的可视化监控；

所述参数测控单元包括第一探针式温度传感器、第二探针式温度传感器、贴片式温度传感器、第一压差传感器、第二压差传感器、电导率传感器和流量计，所述第一探针式温度传感器设置在加热单元与试样管路单元之间，用于测定进入试样管路单元前结垢液的温度，所述第二探针式温度传感器设置在结垢液存储单元中，用于测定流出试样管路单元后结垢液的温度，所述贴片式温度传感器设置在试样管路单元的尼龙/有机玻璃试验管的内、外表面，用于测定试验管壁内外温度和测定垢层厚度，所述第一压差传感器和第二压差传感器分别设置在试样管路单元的前端和后端，用于测定结垢液流经试样管路单元的压差；所述电导率传感器设置在试样管路单元后端的第二压差传感器的后面，用于测定结垢液的离子浓度；所述流量计设置在加热单元的前端，用于测量结垢液的流量；

所述运输管道单元包括设置在同一个垂直面的矩形主管回路与矩形旁管回路，所述矩形主管回路由进口端浸没在所述结垢液存储单元的90°下弯管、第一流量控制阀、法兰、动力泵、法兰、左下角的90°上弯管、三通管、第二流量控制阀、竖直直管、流量计、左上角的90°下弯管、加热单元、水平直管、试样管路单元、90°上弯管、右上角的П型弯管、出口端插入所述结垢液存储单元的垂直管依次连通组成，用于输运和循环结垢液，控制结垢液的流量，右上角的П型弯管用于抬高所述矩形主管回路的右上角，确保所述矩形主管回路中的试样管路单元完全充满结垢液，所述矩形旁管回路由进口端浸没在所述结垢液存储单元的90°弯管、第一流量控制阀、法兰、动力泵、法兰、左下角的90°上弯管、三通管、第三流量控制阀、出口端插入所述结垢液存储单元的右上角的90°下弯管依次连通组成，用于为避免出现汽蚀现象在试验过程中将动力泵输送的结垢液部分回流至结垢液存储单元，以保证动力泵长时间在额定工况下稳定运行；

所述尼龙/有机玻璃试验管，是沿直径方向分为上下两个半圆管、由密封垫圈和螺栓组装成用于置入试样和取出试样的圆管；

所述第一探针式温度传感器、第二探针式温度传感器和贴片式温度传感器是B级Pt100铂热电阻，量程为﹣200℃~﹢450℃；

所述第一压差传感器、第二压差传感器是型号为FK-P300的压差传感器，量程为0 MPa~1Mpa；

所述电导率传感器是型号为RMD-ISEP10的投入式电导率传感器，量程为0 μS/cm ~20000 μS/cm；

所述流量计是PVC转子流量计，包括锥形管和位于锥形管中的转子，量程为100 L/h ~1000 L/h；

所述结垢液存储单元是带密封盖的储液箱，可以严密防止试验过程中外界环境中的杂质污染结垢液；

所述矩形主管回路与矩形旁管回路中的弯管、直管和三通管是有良好的可塑性和耐腐蚀性的PP-R材质的弯管、直管和三通管，外表面包覆有保温层，耐热保温，导热系数约为金属管导热系数的0.005，规格为DN32，壁厚为5.4 mm，公称压力PN为1.6 Mpa；

所述动力泵是自吸增压水动力泵，额定电压为220V，功率为950W，最大流量为3.5 m³/h，扬程为55 m，最大吸程为9 m，用于提供动力输送，保证系统长时间稳定运行；

所述第一流量控制阀、第二流量控制阀以及第三流量控制阀是有良好的可塑性和耐腐蚀性的PP-R材质的流量控制截止阀，用于分流调节并稳定控制结垢液的流量；

所述加热单元设置在试样管路单元的前端，包括试样管路单元前端的一段不锈钢管道以及设置在不锈钢管道表面的加热器，直接将电能转化为热能加热管道内的结垢液，使结垢液的温度达到试验设定值；

所述控制单元是数显控制单元，用于控制总开关、加热单元和运输管道单元的启停和运行参数，以及显示参数测控单元所测的温度、试样管路单元内外温差、压差、电导率及流量；

所述移动支架单元，包括带脚轮的底盘和垂直竖立在所述底盘的框架；

所述储液箱是容积内结垢液的量不少于容积的1/3且浸没矩形主管回路进口端的储液箱，其容积由系统整体管路容积所决定；

所述储液箱是防腐蚀、防结垢的PVC材质的储液箱，可长期盛放结垢液；

所述尼龙/有机玻璃试验管的内侧，沿直径方向设有0°~90°的可调节角度的槽位，用于置入并固定管状试样或片状试样；

所述框架是铝型材质的框架，用于支撑固定系统的各个单元，所述底盘是铝型材质的底盘，用于支撑固定框架，所述脚轮是万向脚轮，用于移动框架；

试验方法，依次有以下步骤：

1）清洗

每次测试前先用清洗液清洗储液箱，并在管路中循环20 min ~30 min后将管路及储液箱完全排空，以去除储液箱内和管路中沉积的污垢；

后用蒸馏水清洗储液箱，并在管路中循环20min~30 min后将管路及储液箱完全排空，以进一步去除储液箱内和管路中沉积的污垢；

最后加入用蒸馏水稀释至试验设定的硬度值的结垢液，充分搅拌后待用；

2）置入试样

手动取下并打开试样管路单元置入试样，所述试样是不同基材、润湿性及表面粗糙度的管状试样或片状试样，固定后用快接法兰和密封垫圈重新组装试样管路单元，然后连接矩形主管回路，将各螺栓上紧后打开结垢液存储单元出口的第一流量控制阀和矩形旁管回路的第三流量控制阀，依次启动总开关和动力泵工作开关，调节矩形主管回路的第二流量控制阀和矩形旁管回路的第三流量控制阀，使结垢液的流量从0增至最大，测试矩形主管回路和矩形旁管回路的密封性，如有渗漏，重新组装；

3）试验

打开结垢液存储单元出口的第一流量控制阀和矩形旁管回路的第三流量控制阀，依次启动总开关、动力泵工作开关、参数测控单元工作开关以及加热单元工作开关，使结垢液的温度达到试验设定值，调节矩形主管回路的第二流量控制阀和矩形旁管回路的第三流量控制阀，控制结垢液的流量稳定在试验设定值，待温度恒定后进行结垢试验，实时监测结垢液流经试样管路单元的压差，并在分别稳定运行试验设定的多个时段后都取出试样称重，再置入试样管路单元，并记录试验数据，所述试验数据包括试样表面结垢量、结垢速率和结垢厚度；

4）结束

试验结束后先关闭加热单元工作开关，使结垢液在管路中继续循环5 min ~10 min，再关闭参数测控单元工作开关、动力泵工作开关以及总开关，完全打开结垢液存储单元出口的第一流量控制阀、矩形主管回路的第二流量控制阀和矩形旁管回路的第三流量控制阀，使结垢液自动排出管路，结垢液完全排空后，手动取下试样管路单元两端的法兰以及试样管路单元，晾干后打开尼龙/有机玻璃试验管，取出试样，进行下一步分析；用浓度为0.001mol/L 的盐酸溶液和蒸馏水依次清洗储液箱和整体管路，清洗完后，将管路及储液箱完全排空并密封备用；

所述清洗液是浓度为0.001 mol/L 的盐酸、丙烯酸和柠檬酸中的一种；

所述结垢液是根据试验要求配制或者就地取用的不同浓度和离子成分的结垢液，用于模拟实际工况环境下管路的流体，且在一组试验过程中不再向结垢液存储单元中补充结垢液；

所述根据试验要求配制的结垢液，包括反应型结垢液Ca²⁺-H₂O-HCO₃ ^-、Ca(OH)₂-H₂O-CO₂和Ca²⁺-H₂O-SO₄ ^2-，用于模拟实际工况环境下管路的过饱和CaCO₃溶液或者CaSO₄溶液；

所述反应型结垢液Ca²+-H₂O-HCO₃ ^-，由氯化钙CaCl₂与碳酸氢钠NaHCO₃按质量比1:1.5配制；

所述反应型结垢液Ca(OH)₂-H₂O-CO₂，是在一定浓度Ca(OH)₂溶液中持续通入CO₂气体制备；

所述反应型结垢液Ca²⁺-H₂O-SO₄ ^2-，由四水硝酸钙Ca(NO₃)₂·4H₂O与硫酸钠Na₂SO₄按质量比1.7:1配制；

所述根据试验要求就地取用的结垢液，包括地热水、油井采出水。

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