JP2020531815A - 高圧／高温動的多相腐食−侵食シミュレータ - Google Patents

Abstract

腐食速度および腐食−侵食速度を高温高圧多相動的環境において測定するためのシステムは、試験容器内に互いに対して垂直な配設で配置される複数のリング状試験クーポンを含む。試験流体混合物が容器に付加され、温度および圧力は、混合物が垂直成層を有する多相状態で存在するように維持され、各試験クーポンが流体の異なる相および／または相の組み合わせに曝露されるようになる。インペラを使用して流体を撹拌し、動的環境を提供することができる。流体は、粒子状物質を含み、実際の試験条件をシミュレートすることができる。セパレータプレートは、容器内の異なる垂直位置に配置されて、流体の様々な相の間の分離を維持することができ、粒子状物質が試験システムのセクションの間を移動するのをさらに制限することができる。

Description

本特許出願は概して、腐食試験に関し、より具体的には、高圧高温多相試験に関するシステムに関する。

腐食測定を行うことは多くの場合、腐食測定が通常、試験サンプルを腐食環境に長時間にわたって曝露し、続いて試験サンプルの腐食量を測定する必要があるので、多大な時間を要するプロセスである。通常、１つの環境条件が各試験プロセス中に試験される。したがって、種々環境が評価されることになる場合は、幾つかの個別の腐食試験が行われる必要がある。さらに、粒子状物質は多くの場合、試験システム全体を汚染するので、腐食試験を粒子状物質で行うのは困難である。さらに、多くの過酷な環境試験は、環境試験が、試験流体を撹拌する、または掻き混ぜる能力に欠けているという点で動的ではない。

本発明は、解決策をこれらの問題および他の問題に対して提供する。

本発明の１つの態様では、システム内の異なる位置で異なる相になっており、複数のリング状試験クーポンに対して囲繞関係にある試験流体混合物を提供することにより、腐食性環境および腐食性−侵食性環境を試験する高圧高温動的多相試験システムが提供される。試験システムは、内側セクションを画定するケーシングを含む。複数のスペーサリングが互いに対して垂直に配置され、ケーシングにより支持される。複数のリング状試験クーポンの中の少なくとも第１、第２、および第３のリング状試験クーポンは、複数のスペーサリングのうちの少なくとも２つの間に各々配置される。第１、第２、および第３のリング状試験クーポンは、それぞれのケーシングの上側セクション、中央セクション、および下側セクションに配置される。複数のセパレータプレートが提供される。複数のセパレータプレートのうちの１つは、ケーシングの上側セクションと中央セクションとの間に配置され、複数のセパレータプレートのうちの別のものは、ケーシングの中央セクションと下側セクションとの間に配置される。セパレータプレートは、多相試験流体の相の各々の間の分離を維持して、リング状試験クーポンの各々が、試験流体混合物の異なる相に、または相の組み合わせに曝露されるように構成される。

さらなる態様によれば、ロータシャフトは、ハウジング内に配置され、試験流体内で回転するように配設される。

前述の態様の１つ以上に従って構成される実施形態において組み合わせることができるさらに追加の態様によれば、第１および第２のインペラは、ロータシャフトにより支持され、試験流体をハウジング内で撹拌するように位置決めされる。

これまでの態様のうちの１つ以上の態様に従って構成される実施形態において組み合わせることができるさらに追加の態様によれば、第１および第２のインペラの一方のインペラは、ケーシングの下側セクションに配置されて試験流体の１つの相を撹拌し、第１および第２のインペラの他方のインペラは、ケーシングの中央セクションに配置されて試験流体の別の相を撹拌する。

これまでの態様のうちの１つ以上の態様に従って構成される実施形態において組み合わせることができるさらなる態様によれば、バッフルはケーシングにより支持され、流体の内部に延在しており、バッフルは、ケーシング内の流体中の渦形成を低減するように形状設定および配設される。

これまでの態様のうちの１つ以上の態様に従って構成される実施形態において組み合わせることができる別の態様によれば、粒子状物質が試験流体中に配置され、追加の腐食条件および腐食−侵食条件をシミュレートする。

これまでの態様のうちの１つ以上の態様に従って構成される実施形態において組み合わせることができるさらに追加の態様によれば、試験流体の１つの相中に配置される第１の粒子状物質であり、試験流体の別の相中に配置される第２の粒子状物質である。

これまでの態様のうちの１つ以上の態様に従って構成される実施形態において組み合わせることができるさらに追加の態様によれば、第１の粒子状物質は砂であり、第２の粒子状物質は硫黄である。

これまでの態様のうちの１つ以上の態様に従って構成される実施形態において組み合わせることができるさらなる態様によれば、セパレータプレートは、ケーシングのそれぞれのセクションの間で移動する第１および第２の粒子状物質の移動を制限するように位置決めされる。

別の態様によれば、腐食性環境および腐食性−侵食性環境を試験容器内で試験する高圧高温動的多相試験システムを実施する方法が提供される。方法は、試験システムを調製するステップを含む。試験システムは、複数のリング状試験クーポンと、内側セクションを画定するケーシングと、を含む。複数のスペーサリングは、互いに対して垂直に配置され、ケーシングにより支持される。複数のリング状試験クーポンの中の少なくとも第１、第２、および第３のリング状試験クーポンは、複数のスペーサリングのうちの少なくとも２つの間に各々配置される。第１、第２、および第３のリング状試験クーポンは、ケーシングの上側セクション、中央セクション、および下側セクションにそれぞれ配置される。複数のセパレータプレートであり、複数のセパレータプレートのうちの１つは、ケーシングの上側セクションと中央セクションとの間に配置され、複数のセパレータプレートのうちの別のものは、ケーシングの中央セクションと下側セクションとの間に配置される。方法は、システム内の異なる位置で異なる相になっており、複数のリング状試験クーポンに対して囲繞関係にある試験流体混合物を提供するステップをさらに含む。セパレータプレートは、多相試験流体の相の各々の間の分離を維持して、リング状試験クーポンの各々が、試験流体混合物の異なる相に、または相の組み合わせに曝露されるように構成される。温度および圧力は、所定期間にわたって試験容器内で維持され、温度および圧力で過酷な環境をシミュレートする。複数のリング状試験クーポンが検査される。

添付の図面は、例示的な実施形態を示しており、本発明を限定することを意図するものではない。

本発明の一実施形態による試験システムの概略側面図を示している。

ここで、本発明は、本明細書の一部を形成し、例として、本発明の例示的な実施態様および／または実施形態を示す添付の図面を参照して説明される。本発明の趣旨から逸脱することなく、他の実施形態を実現することができ、構造上の変更を行うことができることを理解されたい。とりわけ、例えば開示される主題は、方法、デバイス、コンポーネント、またはシステムとして具体化することができる。

さらに、用語は、明確に記載される意味を超えて文脈において示唆または暗示される微妙な意味を持つことができることを理解できるであろう。同様に、本明細書において使用される「ｉｎ ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ（一実施形態では）」という語句は、必ずしも同じ実施形態を指している訳ではなく、本明細書において使用される「ｉｎ ａｎｏｔｈｅｒ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ（別の実施形態では）」という語句は、必ずしも異なる実施形態を指している訳ではない。例えば、特許請求される主題は、個々の例示的な実施形態の組み合わせ、または個々の例示的な実施形態の一部の組み合わせに基づくことができることが意図されている。

本出願によれば、高圧および高温における動的多相酸性環境下で材料および腐食防止剤のスクリーニングおよび評価を提供するためのシステムおよびデバイスに関する実施形態が提供される。１つの例として、特定の実施形態では、システムは、６９０バール（１０，０００ｐｓｉ）および２６０℃（５００°Ｆ）を最大とする過酷な試験条件で動作することができる。他の例では、システムは、約５，０００ｐｓｉ〜１０，０００ｐｓｉ、および２５０°Ｆ〜５００°Ｆの範囲の条件を上回る過酷な条件を試験するように動作することができる。これらの過酷な条件は、５リットルのサイズのオートクレーブ反応器で試験することができる。試験は、動的条件で行うことができ、これは、ラジアルインペラを使用して試験溶液を撹拌することにより行うことができる。インペラは、試験容器の中心領域に位置させることができ、リング状試験標本は、中心領域を囲繞するように配設することができ、リング状標本は、容器内で静止している。試験溶液は、懸濁粒子（例えば、砂および／もしくは元素状硫黄）、ならびに炭化水素（液体および／もしくはガス）、ならびに／または水性流体および気相流体（例えば、硫化水素、二酸化炭素、および酸素）の様々な組み合わせを含むことができる。腐食試験リング標本は、非金属製インサートに取り付けることができ、容器内に垂直に配設して、それぞれの試験リング標本を試験容器の下側セクション、中央セクション、および上側セクションに露出させることができるようにする。試験容器のそれぞれのセクションの間の懸濁粒子の移動を制限する（例えば、砂粒子および／または硫黄固体が１つのセクションから別のセクションに移動するのを制限する）ことができる膜をそれぞれのセクションの間に配置することができる。膜はまた、特に試験流体の動的撹拌中の試験流体内の渦形成を最小限に抑えることができる。試験システムは、例えば砂および元素状硫黄を試験容器の中央セクション内に配置するように構成することができる。

試験システムは、撹拌回転を行うためにインペラが取り付けられる取り付け先の回転シャフトをさらに含むことができる。システムは２つのインペラを含むことができ、一方のインペラは、シャフトの下側セクションで支持されて、容器の下側セクションを撹拌し、別のインペラは、シャフトの中央セクションで支持されて、容器の中央セクションを撹拌する。インペラの回転は、例えば高い壁せん断応力を試験流体内に容器の下側セクションで発生させることができ、試験流体の液体−ガス境界にある流動パターンを容器の中央セクションでシミュレートすることができる。容器内のシャフトに沿ったインペラの垂直位置は調整可能である。（長方形の平坦な試験標本とは異なり）リング状試験標本の使用により、試験標本が、掘削孔管状の表面流線および幹線に通常見られる残留応力を確実に保持することに役立ち、したがって実際の条件のより正確なシミュレーションを提供することができる。

ここで図１を参照すると、上に説明した試験システムの実施形態の１つの例が示されている。試験システム１００は、外側ケーシング１０２を含む。ケーシング１０２は、例えばポリアミドイミド（例えば、Ｔｏｒｌｏｎ（トーロン：登録商標））のような非金属材料とすることができる。ケーシングは、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ Ｃ２７６（登録商標）のような耐腐食性材料から作製されるオートクレーブ試験容器（図示せず）に挿入することができる。ケーシング１０２は、スペース１０４（図１のケーシングの上方の破線スペースで表わされる）がケーシング１０２の上部とオートクレーブヘッド（例えば、図示されないカバー）との間に提供されるようにサイズ設定および形状設定することができる。ケーシング１０２は、リング状試験標本１０６を支持するアセンブリの一部を形成する。３つの試験標本１０６は、１つの試験片がケーシングの下側セクションおよびケーシングの中央セクション、ならびにケーシングの上側セクションに位置するように含めることができ、これらのセクションは、試験容器の下側セクション、中央セクション、および上側セクションにそれぞれ対応する。非金属リング１０８（例えば、ポリアミドイミド材料）は、隣接する試験標本の間のスペーサとして機能することができる試験標本１０６の間に散在させることができる。ケーシング１０２の下部セクションは、以下により詳細に説明されるように、下側試験リング１０６用のスペースを提供し、これに対して、試験リング１０６およびスペーサリング１０８が着座され得る支持面も提供する肩部１１０を含むことができる。非金属ワッシャ１１２（例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ））は、各試験標本１０６の上側および下側に配置することができる。

上側セパレータ１１４および下側セパレータ１１６は、ケーシング内に配置されて（例えば、隣接するリング１０８の間に挟まれて）、試験容器の下側セクション、中央セクション、および上側セクションの間の境界を画定することができる。したがって、図１に示すように、容器の下側セクションは試験流体の水相１１８を含むことができ、容器の中央セクションは試験流体の水相１１８および炭化水素相１２０の組み合わせを含むことができ、容器の上側セクションは試験流体の炭化水素相１２０およびガス相１２２の組み合わせを含むことができる。容器内の他の相分布を提供することができる。上側セパレータ１１４および下側セパレータ１１６は、ＰＥＥＫまたはＨａｓｔｅｌｌｏｙ Ｃ２７６のような耐腐食性材料から作製することができる。

特定の配設において、試験流体は、試験容器内の様々な位置の流体の様々な相中に懸濁されている粒子状物質の組み合わせを含むことができる。例えば、図１に示すように、下側セクションは、砂粒子１２４を試験流体の水相１１８中に含み、上側セクションは固体元素状硫黄１２６（例えば、ペレットまたは結晶）を流体の炭化水素相１２０中に含む。図示のように、上側セパレータ１１４は、例えば上側セクションから中央セクションに移動する硫黄１２６の移動を制限することに役立つ。下側セパレータ１１６は、例えば下側セクションから中央セクションに移動する砂粒子１２４の移動を制限することに役立つ。

ケーシングアセンブリを完成させるために、留め具１２８（例えば、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ Ｃ２７６のような耐腐食性材料から作製されるスタッドボルト）は、ケーシング１０２の上側セクションから貫通してケーシングの底部まで延びている。ワッシャ１３０（例えば、金属製、耐腐食性Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ Ｃ２７６）は、留め具１２８の上側セクションおよび下側セクションに配置される。非金属ワッシャ１３２（例えば、ＰＥＥＫ）は、上側ワッシャ１３０の下に提供することができる。試験リング１０６、スペーサリング１０８、およびセパレータ１１４、１１６の組み合わせは、ケーシング１０２の下側肩部１１０に対して着座され得、留め具１２８およびワッシャ１３０、１３２は、これらの要素を組み付け形態に維持することに役立つ。

ロータシャフト１３４は、容器内の中心に配置することができ、第１のインペラ１３６および第２のインペラ１３８を支持することができる。特定の実施形態では、第１のインペラ１３６は、第２のインペラ１３８よりも大きくすることができる。第１のインペラ１３６は、ロータシャフト１３４の下側セクションに配置されるように配設することができる。第２のインペラ１３８は、ロータシャフトの中央セクションに配置されるように配設することができる。インペラを試験流体に対して好適に位置決めしながら異なる配設を構成することができる。したがって、第１のインペラ１３６は、試験流体の水相１１８を含む容器の下側セクションを撹拌するように位置決めすることができ、第２のインペラ１３８は、試験流体の炭化水素相１２０を含む容器の中央セクションを撹拌するように位置決めすることができる。１つの実施形態では、第１のインペラおよび第２のインペラは、６フラットブレードディスクタービンとすることができ、耐腐食性材料（例えば、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ Ｃ２７６）から作製することができる。ロータシャフト１３４の回転により、第１のインペラおよび第２のインペラの回転が生じるようになり、これにより、試験流体の制御された撹拌が提供される。バッフル１４０（破線で示されている）は、ケーシングから試験流体の内部に延在することができる。バッフル１４０は、試験結果を信頼性のないものにし得る、撹拌中の流体中に渦形成を防止することに役立つ。

システムは、試験流体のｐＨレベルを測定するｐＨ電極１４２と、試験流体中の溶存酸素の量を測定する酸素電極と、をさらに含むことができる。ディップ／パージチューブ１４４を設けることもできる。

したがって、リング状の試験サンプル、撹拌インペラ、多相試験流体、分離膜、および懸濁粒子の組み合わせは、高圧高温環境における腐食および侵食試験サンプルの効率的なシステムを提供する。リング状の試験サンプルは、実際の構造（例えば、パイプ）により近いので、試験結果はより正確になる。インペラは、試験流体の撹拌を提供し、これにより、より正確な試験を行うための実際の条件により厳密に近づけることができる動的環境を提供する。流体中に様々な固体粒子を含めることにより、試験をさらに強化することができる。砂固体粒子を使用して、侵食および侵食−腐食プロセスをシミュレートすることができる一方、元素状硫黄粒子を使用して、掘削孔管およびケーシングに堆積した硫黄による積極的な腐食をシミュレートすることができる。さらに、セパレータプレートと組み合わせた多相環境により腐食試験を、様々な条件で、１回の試験で行うことができる。リング状試験片およびスペーサを含む試験システム１００は、試験システム１００を収容し、高温高圧の過酷な試験条件下で動作することができるサイズおよび形状に設定される試験容器の内部に配置することができる。試験流体および固体粒子を、試験容器に付加することができる。温度および圧力を上昇させて、過酷な環境条件（例えば、５，０００〜１０，０００ｐｓｉ、および２５０°Ｆ〜５００°Ｆ）をシミュレートすることができる。インペラを使用して、混合流体を撹拌して動的条件をシミュレートすることができる。所定期間後、リング状試験片を取り出すことができ、腐食および／または腐食−侵食の速度を評価することができる。

特に、添付の図（複数可）および上の例は、他の実施態様が、説明または例示される要素のうちの幾つかのまたは全ての要素を入れ替えることにより可能であるため、本出願の範囲を単一の実施態様に限定することを意味するものではない。さらに、本出願の特定の要素を既知の構成要素を使用して部分的に実現するか、または全て実現することができる場合、このような既知の構成要素のうち、本出願の理解に必要なこれらの部分のみが説明されており、このような既知の構成要素のうちの他の部分の詳細な説明は、本出願を不明瞭にしないように省略されている。本明細書では、単一の構成要素を示す実施態様は、本明細書において特に明記しない限り、複数の同じ構成要素を含む他の実施態様に必ずしも限定される必要はなく、逆もまた同様である。さらに、本出願人らは、そのようなものとして明示的に記載されていない限り、本明細書または特許請求の範囲における用語が一般的でない意味、または特殊な意味に属することを決して意図していない。さらに、本出願は、例示として本明細書において言及される既知の構成要素の現在の既知の等価物、および将来既知になる等価物を包含する。

特定の実施態様のこれまでの説明は、本出願の一般的性質を完全に明らかにしているので、他者は、関連技術分野（参照により本明細書において引用されて組み込まれる文献の内容を含む）の技能に収まる知識を適用することにより、様々な出願に関して、このような特定の実施態様を、過度の実験を行うことなく、本出願の一般的なコンセプトから逸脱することなく、容易に変更する、および／または適合させることができる。したがって、このような適合化および変更は、開示される実施態様の等価物の意味および範囲に、本明細書において提示される教示および指針に基づいて含まれるものとする。本明細書における表現または専門用語は、説明目的であり、限定するものではないので、本明細書の専門用語または表現は、当業者により、本明細書において提示される教示および指針に照らして、関連技術分野の当業者の知識と組み合わせて解釈されるべきであることを理解されたい。図面に説明または例示される寸法は、１つの例に応じて例示されており、他の寸法を本発明から逸脱することなく使用することができることを理解されたい。

本出願の様々な実施態様を上に説明してきたが、これらの実施態様は、限定ではなく例として提示されていることを理解すべきである。関連技術分野の当業者には、形態および詳細の様々な変更を本出願の趣旨および範囲から逸脱することなく行うことができることは明らかであろう。したがって、本出願は、上に説明した例示的な実施態様のうちのいずれによっても限定されるべきではない。

１００ ・・・試験システム
１０２ ・・・外側ケーシング
１０４ ・・・スペース
１０６ ・・・試験標本
１０８ ・・・非金属リング
１１０ ・・・肩部
１１２ ・・・非金属ワッシャ
１１４ ・・・上側セパレータ
１１６ ・・・下側セパレータ
１１８ ・・・水相
１２０ ・・・炭化水素相
１２４ ・・・砂粒子
１２６ ・・・固体元素状硫黄
１２８ ・・・留め具
１３０ ・・・ワッシャ
１３２ ・・・非金属ワッシャ
１３４ ・・・ロータシャフト
１３６ ・・・第１のインペラ
１３８ ・・・第２のインペラ
１４０ ・・・バッフル
１４２ ・・・ｐＨ電極

Claims (10)

1. システム内の異なる位置で異なる相になっており、複数のリング状試験クーポンに対して囲繞関係にある試験流体混合物を提供することにより、腐食性環境および腐食性−侵食性環境を試験する高圧高温動的多相試験システムであって、
   内側セクションを画定するケーシングと、
   互いに対して垂直に配置され、前記ケーシングにより支持される複数のスペーサリングであって、
   前記複数のリング状試験クーポンの中の少なくとも第１、第２、および第３のリング状試験クーポンが、前記複数のスペーサリングのうちの少なくとも２つの間に各々配置され、前記第１、第２、および第３のリング状試験クーポンは、前記ケーシングの上側セクション、中央セクション、および下側セクションにそれぞれ配置される、複数のスペーサリングと、
   複数のセパレータプレートであって、前記複数のセパレータプレートのうちの１つは、前記ケーシングの前記上側セクションと中央セクションとの間に配置され、前記複数のセパレータプレートのうちの別のものは、前記ケーシングの前記中央セクションと下側セクションとの間に配置され、
   前記セパレータプレートは、前記多相試験流体の前記相の各々の間の分離を維持して、前記リング状試験クーポンの各々が、前記試験流体の異なる相に、または相の組み合わせに曝露されるように構成される、複数のセパレータプレートと、を備える、高圧高温動的多相試験システム。
2. 前記ハウジング内に配置され、前記試験流体内で回転するように配設されるロータシャフトをさらに備える、請求項１に記載の試験システム。
3. 前記ロータシャフトにより支持され、前記試験流体を前記ハウジング内で撹拌するように位置決めされる、第１および第２のインペラをさらに備える、請求項２に記載の試験システム。
4. 前記第１および第２のインペラの一方は、前記ケーシングの前記下側セクションに配置されて、前記試験流体の１つの相を撹拌し、前記第１および第２のインペラの他方は、前記ケーシングの前記中央セクションに配置されて、前記試験流体の別の相を撹拌する、請求項３に記載の試験システム。
5. 前記ケーシングにより支持され、前記流体の内部に延在するバッフルをさらに備え、前記バッフルは、前記ケーシング内の前記流体中の渦形成を低減するように形状設定および配設される、請求項３に記載の試験システム。
6. 追加の腐食条件および腐食−侵食条件をシミュレートするように前記試験流体中に配置される粒子状物質をさらに含む、請求項１に記載の試験システム。
7. 前記試験流体の１つの相中に配置される第１の粒子状物質と、前記試験流体の別の相中に配置される第２の粒子状物質と、をさらに含む、請求項１に記載の試験システム。
8. 前記第１の粒子状物質は、砂であり、前記第２の粒子状物質は、硫黄である、請求項７に記載の試験システム。
9. 前記セパレータプレートは、前記第１および第２の粒子状物質の移動が、前記ケーシングのそれぞれのセクションの間を移動することを制限するように位置決めされる、請求項７に記載の試験システム。
10. 腐食性環境および腐食性−侵食性環境を試験容器内で試験する高圧高温動的多相試験システムを実施する方法であって、
    試験システムを調製するステップであって、前記試験システムが、
    複数のリング状試験クーポンと、
    内側セクションを画定するケーシングと、
    互いに対して垂直に配置され、前記ケーシングにより支持される複数のスペーサリングであって、
    前記複数のリング状試験クーポンの中の少なくとも第１、第２、および第３のリング状試験クーポンがそれぞれ、前記複数のスペーサリングのうちの少なくとも２つの間に配置され、前記第１、第２、および第３のリング状試験クーポンが、それぞれの前記ケーシングの上側セクション、中央セクション、および下側セクションに配置される、複数のスペーサリングと、
    複数のセパレータプレートであって、前記複数のセパレータプレートのうちの１つは、前記ケーシングの前記上側セクションと中央セクションとの間に配置され、前記複数のセパレータプレートのうちの別のものは、前記ケーシングの前記中央セクションと下側セクションとの間に配置される、複数のセパレータプレートと、を含む、調製するステップと、
    前記システム内の異なる位置で異なる相になっており、前記複数のリング状試験クーポンに対して囲繞関係にある試験流体混合物を提供するステップであって、前記セパレータプレートが、前記多相試験流体の前記相の各々の間の分離を維持して、前記リング状試験クーポンの各々が、前記試験流体の異なる相に、または相の組み合わせに曝露されるように構成される、提供するステップと、
    所定期間にわたって、前記試験容器内の温度および圧力を維持するステップであって、前記温度および圧力で、過酷な環境をシミュレートする、維持するステップと、
    腐食性の影響および腐食性−侵食性の影響について、前記複数のリング状試験クーポンを検査するステップと、を含む、方法。

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