CN113702224A - 一种天然气管道内壁冲刷腐蚀实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种天然气管道内壁冲刷腐蚀实验装置及方法，具有密封房，密封房外设有自控单元，所述自控单元包括计算机、电化学工作站以及控制柜，所述密封房内设有气体供应单元、液体气化单元、气液混合单元、温度控制单元、冲刷腐蚀实验单元以及有害气体回收单元，密封房的墙壁和地面均设有有害气体探测仪。本发明通过调节腐蚀性气体种类和含量、湿度、温度等条件，可以高度模仿天然气管道内的冲刷腐蚀过程，另外可以控制流体的流速、实验系统的压力等参数，对金属试样进行冲刷腐蚀实验，并可以进行电化学腐蚀测试。实验结束后可以对金属试样多方位内壁的冲刷腐蚀程度进行形貌观察，通过计算得出金属试样的冲刷腐蚀速率。

Description

一种天然气管道内壁冲刷腐蚀实验装置及方法
技术领域
本发明涉及石油天然气技术领域，尤其是一种天然气管道内壁冲刷腐蚀实验装置及方法。
背景技术
在天然气开采过程中,常常会有一些伴生气体,如二氧化碳、硫化氢、二氧化硫、水蒸气等,这些气体的存在,不但降低了天然气的热值,还会对管道、设备等产生冲刷腐蚀作用,对天然气管道造成穿孔、断裂等，破坏正常平稳供气,影响用户的生产和生活,冲刷腐蚀带来的危害不仅给国家造成很大的经济损失,也威胁工作人员的生命安全。因此,设计一种简易高效、无污染、安全性高的装置，对天然气管道中的冲刷腐蚀机理及影响因素进行研究是非常有必要的。
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，本发明提供一种天然气管道内壁冲刷腐蚀实验装置及实验方法，以解决：(1)不能明确流体中腐蚀性气体种类及含量对管道冲刷腐蚀过程的影响的问题；(2)传统挂片实验中不能充分体现多位置管道内壁冲刷腐蚀程度的问题；(3)含水量(水汽)对冲刷腐蚀过程的影响的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种天然气管道内壁冲刷腐蚀实验装置及方法，具有密封房，密封房外设有自控单元，所述自控单元包括计算机、电化学工作站以及控制柜，所述密封房内设有气体供应单元、液体气化单元、气液混合单元、温度控制单元、冲刷腐蚀实验单元以及有害气体回收单元，密封房的墙壁和地面均设有有害气体探测仪；
气体供应单元：具有气体混合罐，气体混合罐连通有二氧化碳气瓶、硫化氢气瓶及二氧化硫气瓶，在气体混合罐的外底部安装有电磁旋转器，气体混合罐出气端连接气液混合单元；
液体气化单元：具有自动补水器和液体汽化罐，自动补水器进水端与外界自来水管连接，自动补水器出水端连通液体汽化罐，液体汽化罐内底部设有电加热管，液体汽化罐出口端与气液混合单元连接；
气液混合单元：具有气液混合罐，气液混合罐的罐底外部安装有电磁旋转器，气液混合罐左侧与气体混合罐连接而通入腐蚀性混合气体，液体汽化罐出来的水汽从气液混合罐左侧上边口进入气液混合罐，气液混合罐右侧出口端与温度控制单元连接；
温度控制单元：具有与气液混合罐管路连接的恒温水浴箱，恒温水浴箱的出口端连接至冲刷腐蚀实验单元；
冲刷腐蚀实验单元：具有两个相距设置的法兰，所述法兰之间密封安装有金属试样，法兰内径向安装有参比电极、辅助电极及温度探针，恒温水浴箱传送来的气液混合物通入金属试样内；
有害气体回收单元：具有并排设置的两个有害气体回收罐，所述的有害气体回收罐内充装有有害气体吸收液，流经金属试样的气液混合物通入前一个有害气体回收罐内再流入后一个有害气体回收罐内，后一个有害气体回收罐管路连接有净化气体回收罐。
为提高气体混合罐内的空气量，实现气体混合充分，所述的气体混合罐连接有空气压缩机。
为提高气体的混合效果，所述的气体混合罐、气液混合罐的内腔底部均安装有配合电磁旋转器使用的橡胶风扇翅。
所述的恒温水浴箱与金属试样之间通过保温管道连通，以确保所传输的气液混合物温度恒定，满足实验要求。
为提高测试时金属试样的密封性，所述的金属试样两端与法兰之间分别设有橡胶垫圈，在金属试样上套装有工作电极夹套。
所述的有害气体回收罐内部安装有延迟气体流过时间的折流挡板，可使得酸性气体被充分吸收。
一种采用上述实验装置进行天然气管道冲刷腐蚀实验的方法，具有如下步骤：
S1、将金属试样打磨光滑后称重，记录M0；将金属试样密封安装于两个法兰之间，将电化学工作站分别与参比电极、辅助电极以及金属试样线路连接；
S2、根据天然气输送管道内含有的腐蚀性气体成分，在气体混合罐配置实验所用的混合气体，调节好需要模拟的混合气体比例，打开气体混合罐底部的电磁旋转器使气体混合罐内的混合气体充分混合，同时在有害气体回收罐内加入有害气体吸收液；
S3、启动自动补水器向液体汽化罐通入自来水，同时启动电加热管对自来水进行加热，产生的水汽通入气液混合罐；
S4、打开气液混合罐底部的电磁旋转器，使气液混合罐内气体和水汽充分混合，混合后气液混合物从气液混合罐右侧流出；
S5、恒温水浴箱对流过的气液混合物进行温度调节；
S6、温度调节好气液混合物流经金属试样，开始冲刷腐蚀测试，此时记录实验开始时间T0，并打开电化学工作站，进行开路电位的测试；
S7、实验过程中对电位和阻抗进行隔段测试，实验结束时进行塔菲尔曲线测试，记录实验结束时间为T1，关闭所有仪器，通过有害气体探测仪查看密封房内是否含有害气体，如果没有，进房后打开门窗，取下金属试样；
S8、对实验后的金属试样进行形貌观察，然后清除腐蚀产物，接着称重，记录M1，根据下面公式，可以得到试样的平均冲刷腐蚀速率V：
Figure BDA0003195653310000041
本发明的有益效果是：本发明
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是本发明所述冲刷腐蚀测试单元的结构示意图。
图3是本发明所述金属试样的结构示意图。
图4是本发明所述有害气体回收罐的结构示意图。
图中：
1.自控单元，1-1.计算机，1-2.电化学工作站，1-3.控制箱；
2.气体供应单元，2-1.二氧化碳气瓶，2-2.二氧化硫气瓶，2-3.硫化氢气瓶，2-4.气体混合罐，2-5.空气压缩机，2-6.电磁旋转器；
3.液体汽化单元，3-1.自动补水器，3-2.液体汽化罐，3-3.电加热管，
4.气液混合单元，4-1.气液混合罐，4-2.防腐涂层，4-3.电磁旋转器，4-4.气液混输泵；
5.温度控制单元，5-1.恒温水浴箱，5-2.保温管道；
6.冲刷腐蚀测试单元，6-1.法兰，6-2.参比电极，6-3.辅助电极，6-4.金属试样，6-5.橡胶垫圈，6-6.工作电极夹套；
7.有害气体回收单元，7-1.有害气体回收罐，7-2.有害气体吸收液，7-3.折流挡板，7-4.净化气体回收罐；
8.密封房，9.有害气体探测仪。
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～图4所示的一种天然气管道内壁冲刷腐蚀实验装置，安装在密封房8内，位于密封房8外的控制室内设有供操作人员进行实验控制的自控单元1，所述自控单元1包括计算机1-1、电化学工作站1-2以及控制箱1-3。
所述密封房8内安装有两套有害气体探测仪9，其中一套有害气体探测仪9设在密封房8一侧内壁上，另一套有害气体探测仪9设在密封房8另一侧的地面上。
所述的密封房8内设有：气体供应单元2、液体汽化单元3、气液混合单元4、温度控制单元5、冲刷腐蚀测试单元6以及有害气体回收单元7。
所述气体供应单元2：具有二氧化碳气瓶2-1、硫化氢气瓶2-2及二氧化硫气瓶2-3，二氧化碳气瓶2-1、硫化氢气瓶2-2及二氧化硫气瓶2-3依次通过各自管道上的电动阀门、气体增压泵及气体流量计与气体混合罐2-4相连接，空气压缩机2-5依次通过其管道上的气体流量计、止回阀与气体混合罐2-4相连接，气体混合罐2-4内壁涂敷有防腐层，位于气体混合罐2-4的外底部安装有电磁旋转器2-6，气体混合罐2-4内底部具有配合电磁旋转器2-6使用的橡胶风扇翅，在气体混合罐2-4的壁面上安装测定气体混合罐2-4内部压力、温度的压力探针和温度探针。
所述液体汽化单元3：具有连接自来水进水口的自动补水器3-1，自动补水器3-1通过电动阀门与液体汽化罐3-2连通，在液体汽化罐3-2底部安装有电加热管3-3，在液体汽化罐3-2内壁上安装有压力探针和液位探测仪，加热后产生的水汽从液体汽化罐3-2顶部通过电动阀门流向气液混合单元4。
所述气液混合单元4，具有气液混合罐4-1，从气体混合罐2-4出来的腐蚀性混合气体通过止回阀从气液混合罐4-1左侧端进入气液混合罐4-1，液体汽化罐3-2出来的水汽通过止回阀从气液混合罐4-1上边口进入气液混合罐4-1，在气液混合罐4-1内壁涂有防腐涂层4-2，气液混合罐4-1罐底的外部安装电磁旋转器4-3，气液混合罐4-1罐底内部有配合电磁旋转器4-3使用的橡胶风扇翅，位于气液混合罐4-1的壁面上安装湿度探针，气液在气液混合罐4-1内充分混合后，从气液混合罐4-1右侧流出，依次通过电动阀门、气液混输泵4-4传输至温度控制单元5。
所述温度控制单元5：具有恒温水浴箱5-1，从气液混输泵4-4传输来的气液混合物在管道内横穿恒温水浴箱5-1，恒温水浴箱5-1对流经此处的气液混合物进行温度调节，然后流入安装有保温棉的保温管道5-2，保温管道5-2一直连接到对试样进行测试的冲刷腐蚀测试单元6。
所述冲刷腐蚀测试单元6：具有两个相距设置的法兰6-1，两个法兰6-1通过螺丝与螺母连接固定；所述法兰6-1内设有参比电极6-2、辅助电极6-3以及温度探针，以避免重复拆卸导致的损坏和漏气现象，金属试样6-4位于法兰6-1内侧面之间，金属试样6-4两端与法兰6-1之间分别设有橡胶垫圈6-5，在金属试样6-4上套装有工作电极夹套6-6。
所述有害气体回收单元7，具有两套结构相同的有害气体回收罐7-1，实验过后的气液混合物通过止回阀后从罐底流入前一套有害气体回收罐7-1内，所述有害气体回收罐7-1内装有有害气体吸收液7-2(如浓氢氧化钠溶液，可以吸收CO2、SO2、H2S)，且安装有折流挡板7-3，以延迟气体流过的时间，使酸性气体被充分吸收；然后气液混合物从前一套有害气体回收罐7-1上部再次流经后一套有害气体回收罐7-1，最后剩余的非有害气体(空气)进入净化气体回收罐7-4。
一种天然气管道冲刷腐蚀实验装置进行的测试方法，具有如下步骤：
S1、将所述金属试样6-4打磨光滑后称重，记录M0；进入密封房8，将金属试样6-4安装在测试用的法兰6-1上，然后将橡胶垫圈6-5安装在金属试样6-4与法兰6-1接口处，以确定两端密封性良好；将电化学工作站1-2的连接线分别与参比电极6-2、辅助电极6-3以及金属试样6-4相连，关好门窗，去控制室进行操作；
S2、根据天然气输送管道内含有的腐蚀性气体成分，配置实验所需要的混合气体，各气体流量、气体混合罐2-4内压力等数据通过计算机1-1进行数字化显示，以此调节好需要模拟的气体比例；并打开电磁旋转器2-6配合橡胶风扇翅，使气体混合罐2-4内的混合气体充分混合，然后在有害气体回收罐7-1内加入有害气体吸收液7-2(如浓氢氧化钠溶液)。
S3、打开水龙头，启动自动补水器3-1，压力探针根据液体汽化罐3-2内压力大小在计算机1-1上进行数字显示，压力未达到安全值时，泄压阀会打开，释放一定的气体来降压，压力降到安全值时泄压阀关闭；自动补水器3-1会根据液位的高低来自动工作，液位会通过液位探测仪显示，液位达到规定值，自动补水器3-1会停止工作，而液位降低到设定值后，自动补水器3-1又会自动启动，重复进行；同时启动内有电加热丝的电加热管3-3，对水进行加热，产生的水汽经过电动阀门和止回阀进入气液混合罐4-1。
说明：自动补水器3-1会根据液位的高低和液体汽化罐3-2内压力进行工作，当压力过高而又缺水时，先通过泄压阀释放气体来降低压力，然后再进行补水。
S4、打开气液混合罐4-1底部的电磁旋转器4-3，使气液混合罐4-1内气体和液体(水汽)充分混合，气液混合罐4-1内含水量的多少可以通过湿度探针呈现出来，以此调节电动阀门的大小，从而控制气液混合罐4-1内水汽的含量；待充分混合后从气液混合罐4-1右侧流出，对其进行温度控制。
S5、打开恒温水浴箱5-1，对流经的气液混合物进行温度调节和控制，温度恒定的气液混合物通过保温管道5-2传送至金属试样6-4。
S6、气液混合物流经金属试样6-4进入冲刷腐蚀测试段，此时记录实验开始时间T0，并打开电化学工作站1-2，进行开路电位的测试。
S7、实验过程中对金属试样6-4的电位和阻抗进行隔段测试，实验结束时进行塔菲尔曲线测试，实验结束后，记录实验结束时间为T1，关闭所有仪器，通过有害气体探测仪9查看密封房8内是否还存在有害气体，如果没有，进房后打开门窗，取下金属试样6-4。
S8、对实验后的金属试样6-4进行形貌观察，然后清除腐蚀产物，接着称重，记录M1。根据下面公式，可以得到金属试样6-4的平均冲刷腐蚀速率V：
Figure BDA0003195653310000081
拓展：
在机理方面,冲刷腐蚀是由冲刷和腐蚀共同作用的:
T＝C+E
式中，T-总质量损失，C—为腐蚀导致的质量损失，E—为冲刷导致的质量损失，但仅仅考虑冲刷和腐蚀不足够解释冲刷腐蚀的机理，因此，对T进行进一步细分:
T＝C0+CE+E0+EC
其中：C0是纯腐蚀导致的质量损失，E0是纯冲刷导致的质量损失,Ce是冲刷促进腐蚀导致的质量损失(促进效应)，Ec是腐蚀促进冲刷导致的质量损失(协同效应)。
Figure BDA0003195653310000091
式中：J为电流密度，A/cm2；W为原子量，g/mol；A为试样面积，cm2；t为时间，s；F为法拉第常数，取96485C/mol；n为原子数，取2。
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 (7)

1.一种天然气管道内壁冲刷腐蚀实验装置，具有密封房，密封房外设有自控单元，所述自控单元包括计算机、电化学工作站以及控制柜，其特征是：所述密封房内设有气体供应单元、液体气化单元、气液混合单元、温度控制单元、冲刷腐蚀实验单元以及有害气体回收单元，密封房的墙壁和地面均设有有害气体探测仪；
气体供应单元：具有气体混合罐，气体混合罐连通有二氧化碳气瓶、硫化氢气瓶及二氧化硫气瓶，在气体混合罐的外底部安装有电磁旋转器，气体混合罐出气端连接气液混合单元；
液体气化单元：具有自动补水器和液体汽化罐，自动补水器进水端与外界自来水管连接，自动补水器出水端连通液体汽化罐，液体汽化罐内底部设有电加热管，液体汽化罐出口端与气液混合单元连接；
气液混合单元：具有气液混合罐，气液混合罐的罐底外部安装有电磁旋转器，气液混合罐左侧与气体混合罐连接而通入腐蚀性混合气体，液体汽化罐出来的水汽从气液混合罐左侧上边口进入气液混合罐，气液混合罐右侧出口端与温度控制单元连接；
温度控制单元：具有与气液混合罐管路连接的恒温水浴箱，恒温水浴箱的出口端连接至冲刷腐蚀实验单元；
冲刷腐蚀实验单元：具有两个相距设置的法兰，所述法兰之间密封安装有金属试样，法兰内径向安装有参比电极、辅助电极及温度探针，恒温水浴箱传送来的气液混合物通入金属试样内；
有害气体回收单元：具有并排设置的两个有害气体回收罐，所述的有害气体回收罐内充装有有害气体吸收液，流经金属试样的气液混合物通入前一个有害气体回收罐内再流入后一个有害气体回收罐内，后一个有害气体回收罐管路连接有净化气体回收罐。
2.如权利要求1所述的天然气管道内壁冲刷腐蚀实验装置，其特征是：所述的气体混合罐连接有提高气体混合效果的空气压缩机。
3.如权利要求1所述的天然气管道内壁冲刷腐蚀实验装置，其特征是：所述的气体混合罐、气液混合罐的内腔底部均安装有配合电磁旋转器使用的橡胶风扇翅。
4.如权利要求1所述的天然气管道内壁冲刷腐蚀实验装置，其特征是：所述的恒温水浴箱与金属试样之间通过保温管道连通。
5.如权利要求1所述的天然气管道内壁冲刷腐蚀实验装置，其特征是：所述的金属试样两端与法兰之间分别设有橡胶垫圈，在金属试样上套装有工作电极夹套。
6.如权利要求1所述的天然气管道内壁冲刷腐蚀实验装置，其特征是：所述的有害气体回收罐内部安装有延迟气体流过时间的折流挡板。
7.一种如权利要求1所述天然气管道冲刷腐蚀实验装置的实验方法，具有如下步骤：
S1、将金属试样打磨光滑后称重，记录M0；将金属试样密封安装于两个法兰之间，将电化学工作站分别与参比电极、辅助电极以及金属试样线路连接；
S2、根据天然气输送管道内含有的腐蚀性气体成分，在气体混合罐配置实验所用的混合气体，调节好需要模拟的混合气体比例，打开气体混合罐底部的电磁旋转器使气体混合罐内的混合气体充分混合，同时在有害气体回收罐内加入有害气体吸收液；
S3、启动自动补水器向液体汽化罐通入自来水，同时启动电加热管对自来水进行加热，产生的水汽通入气液混合罐；
S4、打开气液混合罐底部的电磁旋转器，使气液混合罐内气体和水汽充分混合，混合后气液混合物从气液混合罐右侧流出；
S5、恒温水浴箱对流过的气液混合物进行温度调节；
S6、温度调节好气液混合物流经金属试样，开始冲刷腐蚀测试，此时记录实验开始时间T0，并打开电化学工作站，进行开路电位的测试；
S7、实验过程中对电位和阻抗进行隔段测试，实验结束时进行塔菲尔曲线测试，记录实验结束时间为T1，关闭所有仪器，通过有害气体探测仪查看密封房内是否含有害气体，如果没有，进房后打开门窗，取下金属试样；
S8、对实验后的金属试样进行形貌观察，然后清除腐蚀产物，接着称重，记录M1，根据下面公式，可以得到试样的平均冲刷腐蚀速率V：
Figure FDA0003195653300000031
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