CN118329746A - 超临界co2湿气环境腐蚀实验过程中的原位取样装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及油气田开采工程技术领域，其公开了一种超临界CO2湿气环境腐蚀实验过程中的原位取样装置，包括依次连接的高压反应釜、高压磁力驱动球阀和高压取样釜，高压反应釜用以模拟超临界CO2湿气环境条件，其底部设有可拆卸的试样夹具；所述试样夹具上设置试样；高压磁力驱动球阀，用于连通或隔绝所述高压反应釜与高压取样釜；高压取样釜，用于将所述试样夹具从所述高压反应釜内取至所述高压取样釜内。本发明提供的原位取样装置，采用高压磁力驱动球阀将反应装置与取样装置分开，可实现腐蚀模拟试验与取样操作同时进行，取样过程不影响反应体系的稳定，避免长周期实验过程中多次降压泄放对实验试样腐蚀过程的影响。
Description
技术领域
本发明涉及油气田开采工程技术领域，尤其涉及一种超临界CO2湿气环境腐蚀实验过程中的原位取样装置。
背景技术
随着人类对化石能源需求的不断增长，CO2排放引起的全球气候变化问题日益凸显。目前，碳捕集、利用与封存(Carbon Capture,Utilization and Storage,简称CCUS)技术在有效减排的方面已得到了广泛的认可。然而，捕集得到的超临界CO2流体通常携带有微量的腐蚀性杂质(例如H2O、O2、H2S、SO2、NO2等)，这严重威胁到输送管线的服役安全，已成为制约CCUS技术安全实施的瓶颈。
与传统油气田水介质腐蚀环境不同，超临界CO2输送管道内为湿气环境，管线钢主要发生薄液膜下的腐蚀，其腐蚀过程主要受水相沉积特征与微量杂质影响。
目前，已有的超临界CO2腐蚀研究多采用传统高压釜装置进行模拟实验，实验过程中试样和腐蚀介质处于同一高压密闭环境，若取出试样则需进行降压泄放。虽然采用泄放的方式可以及时取出试样，但这一方面造成釜内CO2相态发生剧烈的波动，体系中的水分与杂质组分分布发生改变，严重影响腐蚀实验的准确性；另一方面，泄放后取出部分试样，高压釜内必将再次引入空气，在重新除氧的过程中，釜内残存的O2将会影响剩余试样表面腐蚀产物的组成，影响实验结果的可靠性。尤其进行长周期试验时，若为取出各时间节点的试样而进行多次降压泄放操作，这必将影响实验结果的准确度。而若补充多周期离位实验首先增加了实验的工作强度，其次多组离位实验间的操作误差也会导致结果的连续性与一致性降低。可见，采用传统高压釜装置开展长期腐蚀实验研究会极大影响结果的精确，无法准确获得管道的腐蚀演变规律。
因此，对于超临界CO2湿气环境中的腐蚀模拟实验装置的设计，需要充分考虑上述问题。
发明内容
为了克服或缓解以上一个或多个技术问题，本发明目的是提供一种超临界CO2湿气环境腐蚀实验过程中的原位取样装置，该原位取样装置可在任意时间点取出实验样品，并可保证剩余试样所在反应体系的稳定。该套装置解决了传统高压釜长周期实验无法在维持超临界CO2湿气体系稳定的同时及时取出样品的问题，其既保证了实验准确性也减少了模拟实验的总工作时长。
本发明提供了如下的技术方案：
超临界CO2湿气环境腐蚀实验过程中的原位取样装置，包括依次连接的高压反应釜(100)、高压磁力驱动球阀(200)和高压取样釜(300)，高压反应釜(100)，用于承载超临界CO2流体和其他杂质，以模拟超临界CO2湿气环境条件，其底部设有可拆卸的试样夹具(105)；所述试样夹具(105)上设置试样；高压磁力驱动球阀(200)，用于连通或隔绝所述高压反应釜(100)与高压取样釜(300)；高压取样釜(300)，用于将所述试样夹具(105)从所述高压反应釜(100)内取至所述高压取样釜(300)内。
根据一些实施方式，所述高压反应釜(100)包括第一釜体(101)，所述第一釜体(101)通过其上方的第一釜盖(102)密闭，所述第一釜体(101)向一侧设有开口，所述开口用于连接所述高压磁力驱动阀(200)；
所述第一釜体(101)的底部设有转轴(104)，所述转轴(104)由第一磁力驱动电机(106)驱动，所述转轴(104)与所述试样夹具(105)相连；
第一加热器(103)设于所述第一釜体(101)内，所述第一釜盖(102)上设有第一进气口(108)、第一出气口(109)、第一压力表(110)和第一温度计(111)。
根据一些实施方式，所述试样夹具(105)包括锥形的活动插头(1051)，活动插头(1051)后端设有安装块(1052)，安装块(1052)两侧设有用于挂设试样的挂轴(1053)，安装块(1052)后端固定于安装柱(1054)上；所述转轴(104)顶端设有托盘(112)，所述托盘(112)上部环形外侧开有若干通槽，所述通槽用于装设安装柱(1054)，所述托盘(112)由所述转轴(104)驱动转动。
根据一些实施方式，所述高压取样釜(300)包括第三釜体(302)，所述第三釜体(302)为倒T字型开口，直通的一端与高压磁力驱动球阀(200)密闭相连，直通的另一端外侧密闭设有第三磁力驱动电机(301)，所述第三磁力驱动电机(301)驱动位于所述第三釜体(302)直通通道内的推杆(304)自所述高压反应釜(100)内，穿过所述高压磁力驱动球阀(200)，至所述高压取样釜(300)内自由伸缩移动，所述推杆(304)末端固定设有取样夹具(307)；
所述第三釜体(302)旁通侧出口设有第三釜盖(303)，所述第三釜盖(303)上设有第三加热器(305)、第三温度计(311)、第三压力表(310)、第三进气口(308)和第三出气口(309)。
根据一些实施方式，所述取样夹具(307)包括夹具外壳(3071)，所述夹具外壳(3071)内，滑块插销底座(3074)和弹簧挡块(3075)之间设有弹簧(3072)，所述弹簧(3072)伸缩，两个滑块插销(3073)向内合拢卡住所述活动插头(1051)，将带有试样的所述试样夹具(105)自所述托盘(112)取下。
根据一些实施方式，所述高压磁力驱动球阀(200)包括阀体(202)，所述阀体(202)内设有阀芯(203)，所述阀体(202)出入口分别密封连接所述高压反应釜(100)和所述高压取样釜(300)，所述第二磁力驱动电机(201)用于驱动所述阀芯(203)转动，控制所述高压磁力驱动球阀(200)的通断。
根据一些实施方式，所述高压反应釜(100)、所述高压磁力驱动球阀(200)和所述高压取样釜(300)均通过法兰盘密闭连接。
相比于现有技术，本发明具备以下有益效果：
本发明提供的超临界CO2湿气环境腐蚀实验过程中的原位取样装置，采用高压磁力驱动球阀将反应装置与取样装置分开，可实现腐蚀模拟试验与取样操作同时进行，取样过程不影响反应体系的稳定，避免长周期实验过程中多次降压泄放对实验试样腐蚀过程的影响。
本发明操作便捷，可有效降低传统高压釜长周期实验的工作总时长。
本发明适用于包括超临界CO2输送环境在内的高压湿气环境中材料腐蚀实验时与实时取样，也可用于超临界CO2湿气环境下的管线钢腐蚀机理研究。
附图说明
图1为本发明实施例提供的超临界CO2湿气环境腐蚀实验过程中的原位取样装置示意图。
图2为本发明实施例提供的高压反应釜的示意图。
图3为本发明实施例提供的活动插头三视图与三维图。
图4为本发明实施例提供的试样夹具装配细节图。
图5为本发明实施例提供的高压磁力驱动球阀。
图6为本发明实施例提供的高压取样釜装置。
图7为本发明实施例提供的取样夹具与活动插头连接图。
图中：高压反应釜100；第一釜体101；第一釜盖102；第一加热器103；转轴104；试样夹具105；活动插头1051；安装块1052；挂轴1053；安装柱1054；第一磁力驱动电机106；第一法兰盘107；第一进气口108；第一出气口109；第一压力表110；第一温度计111；托盘112；
高压磁力驱动球阀200；第二磁力驱动电机201；阀体202；阀芯203；垫圈204；第二法兰盘205；
高压取样釜300；第三磁力驱动电机301；第三釜体302；第三釜盖303；推杆304；第三加热器305；第三法兰盘306；取样夹具307；夹具外壳3071；弹簧3072；滑块插销3073；滑块插销底座3074；弹簧挡块3075；第三进气口308；第三出气口309；第三压力表310；第三温度计311。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“前”，“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
实施例1
(一)构造说明
如图1，本实施例提供的超临界CO2湿气环境腐蚀实验过程中的原位取样装置，包括依次连接的高压反应釜100、高压磁力驱动球阀200和高压取样釜300。
其中：
高压反应釜100，用于承载超临界CO2流体和其他杂质，模拟超临界CO2湿气环境条件。其底部配有磁力驱动电机，实现试样夹具105的转动，试样夹具105上设置试样。
高压磁力驱动球阀200，用于连通或隔绝高压反应釜与高压取样釜。
高压取样釜300，用于取出各周期下的实验样品，配备有磁力驱动电机推杆。其可将对应试样夹具105从高压反应釜取至高压取样釜。
各个部分之间的主要连接关系如下：
如图1～2所示，高压反应釜100底部装有第一磁力驱动电机106驱动高压反应釜100内转轴104转动。转轴104顶端放置试样夹具105，跟随转轴104转动。高压反应釜100右侧通过法兰盘与磁力驱动球阀200连接。磁力驱动球阀200顶端配备第二磁力驱动电机201，第二磁力驱动电机201用于驱动阀芯203转动，实现球阀的开关。磁力驱动球阀200右侧通过法兰盘与高压取样釜300连接，高压取样釜300的右侧装入伸缩取样的推杆304，推杆304前端装有取样夹具307用于卡住试样夹具105，高压取样釜300右侧的法兰盘外连接第三磁力驱动电机301，第三磁力驱动电机301用于驱动取样夹具307取出试样夹具105，连带取出试样。上述装配关系，用于确保装置密封性良好，高压反应釜100无需泄压，可灵活取样的同时，确保高压实验过程中不产生漏气问题。
各部分具体描述如下：
如图2所示，高压反应釜100用于进行腐蚀模拟实验，同时保证在设定时间点将被取试样转至正对取样通道的方向。高压反应釜100主要包括第一釜盖102、第一釜体101、第一加热器103、试样夹具105、转轴104、第一磁力驱动电机106、第一法兰盘107、第一进气口108、第一出气口109、第一压力表110以及第一温度计111。
第一釜体101开口向上，使用第一釜盖102进行密闭，第一釜体101上向右侧设有开口，开口设有第一法兰盘107；第一加热器103设于第一釜体101的侧壁内，第一釜盖102上设有第一进气口108、第一出气口109、第一压力表110和第一温度计111，第一加热器103用于加热第一釜体101内气体至实验设定温度并维持。试样夹具105用于固定试样，其安装于第一釜体101底部内侧的转轴104上的托盘112上，并随转轴104转动。第一磁力驱动电机106用于为转轴104提供旋转动力。第一法兰盘107用于连接第一磁力驱动球阀200与高压反应釜100。第一进、出气口用于实验所需杂质以及CO2的通入与排出。第一压力表110与第一温度计111用于监测釜内压力与温度。通过上述作用关系，实现腐蚀实验模拟。
如图3～4，试样夹具105包括锥形的活动插头1051，活动插头1051后端设有安装块1052，安装块1052两侧设有用于挂设试样的挂轴1053，安装块1052后端固定于安装柱1054上。转轴顶端设有托盘112，托盘112上部环形区域对称开有8个长方形通槽，用于安装安装柱1054。托盘112底部方形轴用于嵌入第一磁力驱动电机106的转轴104的方形槽，保证托盘112可与转轴104保持同步转动，从而实现各取样周期下将试样转动至取样位置。试样夹具105各部分零件均由聚四氟乙烯材质制成。
具体安装流程如下：
首先，将处理好的试样安装于活动插头1051后侧两侧挂轴上并固定。其次，将安装好试样的活动插头1051依次插入托盘1052长方形通槽中。最后，将安装好试样和活动插头1051的托盘安装在转轴104上。
如图5所示，高压磁力驱动球阀200作为左右两个高压釜体的连接装置，用于截断或联通两釜体内的高压气体。其包括阀体202，阀体202内设有阀芯203，阀体202出入口设有用于连接的第二法兰盘205，第二法兰盘205内设有垫圈204用于密封。第二磁力驱动电机201设于所述阀体202的上方。
第二法兰盘205用于连接高压反应釜100与高压取样釜300，配备紧固螺栓保证装置的气密性。第二磁力驱动电机201用于提供阀芯203转动动力，保证高压状态下阀芯203可截断或连通两釜内的高压流体。阀体202内与高压腐蚀性气体接触的部件均需采用耐蚀材料。
如图6所示，高压取样釜300用于操作取出实验样品，其包括第三釜体302、第三釜盖303、第三压力表310、第三加热器305、第三温度计311、第三压力表310、第三进气口308、第三出气口309、第三磁力驱动电机301、推杆304、第三法兰盘306以及取样夹具307。第三釜体302为倒T字型开口，直通的左端通过第三法兰盘306与高压磁力驱动球阀200连接，右端通过第三法兰盘306与第三磁力驱动电机301相连，侧方出口设有第三釜盖303，第三釜盖303上设有第三加热器305、第三温度计311、第三压力表310、第三进气口308和第三出气口309。
第三加热器305用于加热釜内气体至实验设定温度并维持。
取样夹具307用于卡住试样夹具的活动插头1051，其安装于推杆304之上并随推杆304往复移动及时将活动插头1051上的试样取出。第三磁力驱动电机301用于为推杆304提供往复移动动力。两侧的第三法兰盘205用于连接高压磁力驱动球阀200和第三磁力驱动电机301。第三进、出气口用于实验所需杂质以及高压CO2的通入与排出。第三压力表310与第三温度计311用于监测釜内压力与温度，均需采用耐蚀材料制作。
图7示出取样夹具307与活动插头1051的连接关系图。其中图3.a为试样夹具105的正视图，图3.b为侧视图，图3.c为俯视图，图3.d为三维视图。取样夹具307包括夹具外壳3071、弹簧3072、滑块插销3073、滑块插销底座3074以及弹簧挡块3075。夹具外壳3071内，滑块插销底座3074和弹簧挡块3075之间设有弹簧3072，弹簧3072伸缩，使得两个滑块插销3073向内合拢卡住活动插头1051。
取样夹具307的滑块插销3071通过弹簧3072与活动插头1051锁住，从而实现取样夹具307与活动插头1051的连接，取样时拉动推杆304带动取样夹具307将对应活动插头1051上的试样取至高压取样釜300。夹具外壳3071、滑块插销3073、滑块插销底座3074以及弹簧挡块3075均采用聚四氟乙烯材料制作，弹簧需采用耐蚀材料。
(二)超临界CO2湿气环境腐蚀实验过程中的原位取样装置的操作方法如下：
(1)利用输气管线连接好各个实验装置，将试样夹具105与取样夹具307分别安装于高压反应釜100内的转轴104与高压取样釜300的推杆304上，封闭高压反应釜和高压取样釜300，启动高压磁力驱动球阀200并保持两高压釜处于连通状态。
(2)开启高压反应釜100的第一进气口108，第一出气口109保持关闭；开启高压取样釜300的第三出气口309，第三进气口308保持关闭。利用高纯干燥CO2除去装置内的空气和水分，除氧时间为2小时。
(3)除氧完成后，关闭所有进气口、出气口，调节第一加热器103和第三加热器305使高压反应釜100和高压取样釜300的温度升至设定温度。
(4)温度达到设定值后，按照实验参数要求向高压反应釜100和高压取样釜300中添加气体至实验压力。
(5)达到取样周期后，启动高压反应釜100的第一磁力驱动电机106带动转轴104和试样夹具105将需取出的试样对准反应釜右侧通道口，随后启动第三磁力驱动电机301，推动推杆304将取样夹具307送入高压反应釜100内。
(6)在取样夹具307与活动插头1051连接锁住后，将推杆304收回高压取样釜300内。随后关闭高压磁力驱动球阀200，断开高压取样釜300与高压反应釜100的连接。泄放取样釜内流体，取出试样。
(7)取出对应周期的试样后，再次封闭高压取样釜300并除氧，随后向釜内添加与高压反应釜100相同条件的超临界CO2流体，打开高压磁力驱动球阀200保持两高压釜连通。
(8)再次取样时则重复(5)～(7)步骤，直到腐蚀实验结束。
以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种超临界CO2湿气环境腐蚀实验过程中的原位取样装置，包括依次连接的高压反应釜(100)、高压磁力驱动球阀(200)和高压取样釜(300)；
高压反应釜(100)，用于承载超临界CO2流体和其他杂质，以模拟超临界CO2湿气环境条件，其底部设有可拆卸的试样夹具(105)；所述试样夹具(105)上设置试样；
高压磁力驱动球阀(200)，用于连通或隔绝所述高压反应釜(100)与高压取样釜(300)；
高压取样釜(300)，用于将所述试样夹具(105)从所述高压反应釜(100)内取至所述高压取样釜(300)内。
2.根据权利要求1所述超临界CO2湿气环境腐蚀实验过程中的原位取样装置，其特征在于：所述高压反应釜(100)包括第一釜体(101)，所述第一釜体(101)通过其上方的第一釜盖(102)密闭，所述第一釜体(101)向一侧设有开口，所述开口用于连接所述高压磁力驱动阀(200)；
所述第一釜体(101)的底部设有转轴(104)，所述转轴(104)由第一磁力驱动电机(106)驱动，所述转轴(104)与所述试样夹具(105)相连；
第一加热器(103)设于所述第一釜体(101)内，所述第一釜盖(102)上设有第一进气口(108)、第一出气口(109)、第一压力表(110)和第一温度计(111)。
3.根据权利要求2所述超临界CO2湿气环境腐蚀实验过程中的原位取样装置，其特征在于：所述试样夹具(105)包括锥形的活动插头(1051)，活动插头(1051)后端设有安装块(1052)，安装块(1052)两侧设有用于挂设试样的挂轴(1053)，安装块(1052)后端固定于安装柱(1054)上；所述转轴(104)顶端设有托盘(112)，所述托盘(112)上部环形外侧开有若干通槽，所述通槽用于装设安装柱(1054)，所述托盘(112)由所述转轴(104)驱动转动。
4.根据权利要求3所述超临界CO2湿气环境腐蚀实验过程中的原位取样装置，其特征在于：
所述高压取样釜(300)包括第三釜体(302)，所述第三釜体(302)为倒T字型开口，直通的一端与高压磁力驱动球阀(200)密闭相连，直通的另一端外侧密闭设有第三磁力驱动电机(301)，所述第三磁力驱动电机(301)驱动位于所述第三釜体(302)直通通道内的推杆(304)自所述高压反应釜(100)内，穿过所述高压磁力驱动球阀(200)，至所述高压取样釜(300)内自由伸缩移动，所述推杆(304)末端固定设有取样夹具(307)；
所述第三釜体(302)旁通侧出口设有第三釜盖(303)，所述第三釜盖(303)上设有第三加热器(305)、第三温度计(311)、第三压力表(310)、第三进气口(308)和第三出气口(309)。
5.根据权利要求4所述超临界CO2湿气环境腐蚀实验过程中的原位取样装置，其特征在于：
所述取样夹具(307)包括夹具外壳(3071)，所述夹具外壳(3071)内，滑块插销底座(3074)和弹簧挡块(3075)之间设有弹簧(3072)，所述弹簧(3072)伸缩，两个滑块插销(3073)向内合拢卡住所述活动插头(1051)，将带有试样的所述试样夹具(105)自所述托盘(112)取下。
6.根据权利要求5所述超临界CO2湿气环境腐蚀实验过程中的原位取样装置，其特征在于：所述高压磁力驱动球阀(200)包括阀体(202)，所述阀体(202)内设有阀芯(203)，所述阀体(202)出入口分别密封连接所述高压反应釜(100)和所述高压取样釜(300)，所述第二磁力驱动电机(201)用于驱动所述阀芯(203)转动，控制所述高压磁力驱动球阀(200)的通断。
7.根据权利要求1～6任一所述超临界CO2湿气环境腐蚀实验过程中的原位取样装置，其特征在于：所述高压反应釜(100)、所述高压磁力驱动球阀(200)和所述高压取样釜(300)均通过法兰盘密闭连接。
Priority Applications (1)
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| CN202410480171.2A CN118329746A (zh) | 2024-04-22 | 2024-04-22 | 超临界co2湿气环境腐蚀实验过程中的原位取样装置 |
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