一種高溫高壓環路噴射腐蝕模擬及電化學測試實驗裝置的製作方法

2023-06-24 06:58:16

專利名稱：一種高溫高壓環路噴射腐蝕模擬及電化學測試實驗裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於電化學領域，涉及一種高溫高壓腐蝕介質在高速噴射工況條件下金屬材料的衝刷腐蝕行為、規律和機理研究用的實驗裝置。適用於管道彎頭、三通等複雜部件在高溫高壓流體介質中衝刷腐蝕行為的研究，尤其用於模擬石油天然氣等採集和輸送管道中的彎頭、三通等複雜部件所出現的衝刷腐蝕情況，進行輸送高溫高壓多相流體管道部件衝刷腐蝕的模擬實驗，以及進行衝刷條件下的高溫高壓流體衝刷腐蝕的原位電化學信號測試。
技術背景 高溫高壓流體衝刷腐蝕是一種電化學腐蝕和機械衝刷相互作用而導致的材料失效現象，例如油氣工業採集和輸送過程中管道的彎頭、三通等複雜部件多以高溫高壓流體的衝刷腐蝕失效為主。在含有CO2等酸性氣體的油氣傳輸中，由於管道內部壓力、溫度以及介質的流速較高，在彎頭、三通等複雜部件處易形成湍流，在管道內壁產生很大的切應力大大加速了管件部位的損傷。進行高溫高壓衝刷腐蝕實驗是評定高速流動介質條件下材料的耐蝕性、衝蝕行為和機理的重要手段。因此，必須有可以模擬實際條件下的高溫高壓流體衝刷腐蝕實驗以及進行原位電化學腐蝕實驗的裝置。但由於高溫高壓以及高速流體的噴射條件下，對管道連接部件、旋渦泵、流量計和控制閥門的承壓能力要求以及動態工作電極和參比電極等結構都有很高的要求，且不容易實現電化學信號的測量。通常，在常溫常壓條件中進行衝刷腐蝕實驗，並進行常溫常壓的原位電化學測試實驗。因此，研究動態條件下的衝刷腐蝕機理時，由於缺乏高溫高壓衝刷腐蝕實驗裝置以及測量高溫高壓電化學信號的裝置而影響對高溫高壓衝刷腐蝕行為、規律以及機理的深入研究。
發明內容針對上述問題，本實用新型的目的在於提供高溫高壓流體衝刷腐蝕模擬實驗以及原位電化學測試實驗裝置，為研究管道部件輸送高溫高壓流體而引起衝刷腐蝕的行為、規律、機理和評定材料的耐蝕性能，提供一套模擬高溫高壓衝刷腐蝕實驗及電化學測試實驗裝置。該實驗裝置可以方便的模擬管道部件在輸送高溫高壓介質流體過程中所引起的衝刷腐蝕現象。一種高溫高壓環路噴射腐蝕模擬及電化學測試實驗裝置，其特徵在於該裝置包括高壓釜31、加熱保溫系統、環路進水口 5、三電極體系、管道轉接法蘭8、循環迴路10、高溫高壓液體流量計11、控制閥門、排液口 14、旋渦泵15、循環冷卻系統17、測溫系統、管道連接法蘭20、環路出水口 22、噴頭25、試樣夾具33、控制箱、信號傳導通路、外接電化學工作站及外接高壓氣瓶；高壓釜31由進氣管1、高壓釜上蓋2、高壓釜體4、高壓釜下蓋6、氟橡膠密封圈一 23、壓力傳感器26、壓力表27、安全閥28及出氣口 30構成；加熱保溫系統由高壓釜加熱保溫裝置3和循環迴路加熱保溫裝置46構成；三電極體系由輔助電極7、工作電極銅棒9 和高溫高壓Ag/AgCl參比電極21構成；控制閥門包括流量計閥門12和旁路閥門13;循環冷卻系統17由循環冷卻系統出水口 16和循環冷卻系統進水口 19構成；測溫系統由循環迴路溫度傳感器18和高壓釜內溫度傳感器29構成；控制箱由釜內溫度控制儀表、環路溫度控制儀表、循環冷卻系統控制開關和旋渦泵控制開關構成；信號傳導通路由電化學工作站與三電極之間的導線構成；外接高壓氣瓶的導氣管與高壓釜的進氣管1通過螺紋連接。高壓釜下蓋6通過螺栓與高壓釜體4連接，並利用氟橡膠密封圈一 23密封。循環迴路10的進水口 22通過焊接與高壓釜下蓋6相連，並且下端使用管道連接法蘭20，方便環路與高壓釜拆卸。循環冷卻系統17內部通入一定溫度的循環冷卻水(製冷器循環)，消除高溫高壓流體介質在噴頭25處產生的熱量，並結合環路加熱保溫系統(圖1循環迴路10中不包含冷卻系統的其他部位)和高壓釜加熱保溫系統3保持整個系統溫度的穩定性，高壓釜31和循環迴路10內部液體溫度分別通過高壓釜內溫度傳感器29和循環迴路溫度傳感器18進行測量。循環迴路10的出水端通過管道轉接法蘭8改變管道直徑，便於與高壓釜31相連，出水口 5通過卡套式連接件與高壓釜下蓋6連接，保證氣密性。控制箱通過導線與高壓釜31、 環路加熱保溫系統、循環冷卻系統17以及旋渦泵15相連。裝置內的流體介質通過旋渦泵 15進行循環，並利用流量計閥門12和旁路閥門13來調節噴頭25處介質的流速，通過高溫高壓液體流量計11顯示噴頭25處的流量。裝置內部的壓力通過壓力傳感器23和壓力表 24顯示，當整個裝置壓力超過預定值時，可通過出氣口 30進行調節，一旦超過額定值，安全閥27將自動開啟，保證整個系統的安全性。整個裝置內的液體通過排液口 14排淨。 電化學測試裝置由輔助電極7，工作電極銅棒9，高溫高壓Ag/AgCl參比電極21、信號傳導通路以及外接電化學工作站構成。輔助電極7和高溫高壓Ag/AgCl參比電極21與高壓釜下蓋6利用螺紋連接。工作電極銅棒9的具體結構如圖2所示，聚四氟螺栓32將鑲有試樣24的聚四氟夾具33固定在夾具託盤34上，並利用聚四氟密封圈二 36密封，避免內部工作電極銅棒9與液體介質接觸，夾具託盤34通過託盤支架38固定在託盤底座39上， 託盤支架38與託盤底座39利用螺紋連接，並利用託盤支架38將帶錐聚四氟套筒40與銅棒9壓緊密封，託盤底座39與高壓釜下蓋6通過焊接相連，保證其同心度。試樣24通過銅彈簧35與銅棒9接觸，保證兩者接觸良好。圓柱銅螺母37與銅棒9連接，保證銅棒在垂直方向承受較高的壓力，並且圓柱銅螺母37利用聚四氟墊片二 45避免與夾具託盤34接觸。 銅棒9利用帶錐聚四氟套筒40和聚四氟圓錐41保證高壓釜下蓋6的密封性。聚四氟圓錐 41利用聚四氟墊片一 44和銅螺母一 42鎖緊，銅棒9利用銅螺母二 43與電化學工作站的工作電極端相連，輔助電極7和高溫高壓差比電極21分別與電化學工作站的對應接口相連。 高壓釜容積為8L，整個裝置容積為12L，最高工作溫度180°C，最大工作壓力為2MPa，最大噴射流速為40m/s。本實用新型的優點在於可以模擬高溫高壓流體衝刷腐蝕實驗，以及監測工作電極在高溫高壓流體噴射情況下的原位電化學信號(線性極化、極化曲線和電化學阻抗等)，並且能夠提供衝刷腐蝕失重和形貌觀察試樣，可以用於進行高溫高壓流體介質的衝刷腐蝕行為、規律以及機理的研究。

圖1是本實用新型的結構示意圖，其中，1-進氣管，2-高壓釜上蓋，3-高壓釜加熱保溫裝置，4-高壓釜體，5-環路進水口，6-高壓釜下蓋，7-輔助電極，8-管道轉接法蘭，9-工作電極銅棒，10-循環迴路，11-高溫高壓液體流量計，12-流量計閥門，13-旁路閥門， 14-排液口，15-旋渦泵，16-循環冷卻系統出水口，17-循環冷卻系統，18-循環迴路溫度傳感器，19-循環冷卻系統進水口，20-管道連接法蘭，21-高溫高壓參比電極，22-環路出水口，23-氟橡膠密封圈，24-試樣，25-噴頭，26-壓力傳感器，27-壓力表，28-安全閥，29-高壓釜內溫度傳感器，30-出氣口，31-高壓釜，46-循環迴路加熱保溫裝置；圖2是本實用新型圖1中A區的結構示意圖，其中，32-聚四氟螺栓，33-試樣夾具， 34-夾具託盤，35-銅彈簧，36-氟橡膠密封圈二，37-圓柱銅螺母，38-託盤支架，39-託盤底座，40-帶錐聚四氟套筒，41-聚四氟圓錐，42-銅螺母一，43-銅螺母二，44-聚四氟墊片一， 45-聚四氟墊片二。
具體實施方式
參照圖1、2，這是按照上述技術方案提供的高溫高壓流體衝刷腐蝕模擬實驗和電化學測試實驗裝置。打開高壓釜上蓋2拆下噴頭25，將所加工的試樣24固定在試樣夾具 33上，利用聚四氟螺栓32將試樣夾具33固定在夾具託盤34上，試樣24通過銅彈簧35與銅棒9相連，構成三電極體系中的工作電極，安裝噴頭25。向高壓釜31內倒入一定體積的電介質溶液，同時打開循環迴路10中的排液口 14，將裝置內的氣體排淨，介質溶液的液面高度要高於試樣24的上表面，蓋上高壓釜上蓋2。從高壓釜進氣口 1通入氣體N2除氧8h 以上，後通入一定壓力的實驗氣體(如CO2氣體)並加熱至設定溫度。打開控制箱中的旋渦泵15的控制開關，使旋渦泵15運轉進行噴射實驗，同時打開循環迴路10的循環冷卻系統 17、加熱保溫系統，保證整個裝置處於穩定狀態。調節流量計閥門12和旁路閥門13改變通過高溫高壓液體流量計11的流量，從而改變噴頭25處流體的流速，達到預期的衝刷腐蝕模擬實驗效果。工作電極銅棒9利用銅螺母二 43與電化學工作站的工作電極端相連，輔助電極7和高溫高壓Ag/AgCl參比電極21通過信號傳導通路分別與電化學工作站的對應接口相連。在控制箱上顯示高壓釜31內的壓力、溫度以及循環迴路10的溫度。
權利要求1.一種高溫高壓環路噴射腐蝕模擬及電化學測試實驗裝置，其特徵在於包括高壓釜 (31)、加熱保溫系統、環路進水口(5)、三電極體系、管道轉接法蘭(8)、循環迴路(10)、高溫高壓液體流量計(11)、控制閥門、排液口(14)、旋渦泵(15)、循環冷卻系統(17)、測溫系統、 管道連接法蘭(20)、環路出水口(22)、噴頭(25)、試樣夾具(33)、控制箱、信號傳導通路、夕卜接電化學工作站及外接高壓氣瓶；高壓釜(31)由進氣管(1)、高壓釜上蓋(2)、高壓釜體(4)、高壓釜下蓋(6)、氟橡膠密封圈一(23)、壓力傳感器(26)、壓力表(27)、安全閥(28)及出氣口(30)構成；加熱保溫系統由高壓釜加熱保溫裝置⑶和循環迴路加熱保溫裝置(46)構成；三電極體系由輔助電極(7)、工作電極銅棒(9)和高溫高壓Ag/AgCl參比電極(21)構成；控制閥門包括流量計閥門(12)和旁路閥門(13)；循環冷卻系統(17)由循環冷卻系統出水口 (16)和循環冷卻系統進水口(19)構成；測溫系統由循環迴路溫度傳感器(18)和高壓釜內溫度傳感器(29) 構成；控制箱由釜內溫度控制儀表、環路溫度控制儀表、循環冷卻系統控制開關和旋渦泵控制開關構成；信號傳導通路由電化學工作站與三電極之間的導線構成；高壓氣瓶的導氣管與高壓釜的進氣管(1)之間利用螺紋連接；控制箱通過導線與高壓釜(31)、環路加熱保溫系統、循環冷卻系統(17)以及旋渦泵(15)相連；循環迴路進水口 (22)和出水口(5)與高壓釜下蓋(6)分別通過焊接和螺栓卡套連接；循環迴路(10)與高壓釜(31)利用管道連接法蘭(20)和管道轉接法蘭(8)連接；循環迴路的出水端通過管道轉接法蘭(8)改變管路直徑；循環迴路(10)管道外壁裝有循環冷卻系統(17)和加熱保溫系統；循環冷卻系統(17)與循環迴路(10)之間利用螺栓連接；噴頭(25)處的流速通過流量計閥門(12)和旁路閥門(13)調節；輔助電極(7)和高溫高壓參比電極(21)與高壓釜下蓋(6)為螺紋連接；試樣(24)鑲嵌在試樣夾具(33)上，試樣夾具(33)與夾具託盤(34)利用聚四氟螺栓(32)緊固，氟橡膠密封圈二(36)進行密封；試樣(24)與銅棒(9)之間利用銅彈簧(35)相連，銅棒(9)通過圓柱狀銅螺母(37)與夾具託盤(34)緊固，並與高壓釜下蓋(6)之間利用帶錐聚四氟套筒(40)和聚四氟圓錐(41)進行密封，銅螺母一(42)和聚四氟墊片一(44)緊固；高壓釜的壓力傳感器(26)測量釜內環境壓力，精度為0. OlMPa;高壓釜內溫度傳感器(29)測量釜內溶液溫度，循環迴路溫度傳感器(18)測量環路溶液溫度，精度為0. 1°C。
2.如權利要求1所述的一種高溫高壓環路噴射腐蝕模擬及電化學測試實驗裝置，其特徵在於循環冷卻系統(17)利用製冷器消除噴頭(25)處產生的熱量，並結合循環迴路 (10)的加熱保溫系統和高壓釜的加熱保溫系統(3)保證整個裝置處於穩定狀態；循環迴路 (10)通過管道連接法蘭(20)和管道轉接法蘭(8)與高壓釜(31)連接，方便拆卸；試樣夾具 (33)與夾具託盤(34)之間利用聚四氟螺栓(32)緊固，並使用氟橡膠密封圈二(36)進行密封，保證銅棒(9)不與溶液介質接觸；銅棒(9)與試樣(24)通過銅彈簧(35)相連，保證銅棒與試樣兩者接觸良好；銅棒(9)利用圓柱銅螺母(37)、銅螺母一(42)、託盤立柱(38)、帶錐聚四氟套筒(40)以及聚四氟錐(41)進行緊固密封；噴頭(25)通過螺紋與管道連接。
專利摘要本實用新型涉及一種高溫高壓環路噴射腐蝕模擬及電化學測試實驗裝置，屬於電化學領域。特別適用於模擬石油天然氣等採集和輸送管道中的彎頭、三通等複雜部件所出現的衝刷腐蝕情況，以進行輸送高溫高壓多相流體管道部件衝刷腐蝕的模擬實驗，以及進行衝刷條件下的高溫高壓流體衝刷腐蝕的原位電化學信號測試。該裝置由高壓釜、加熱保溫系統、環路進水口、三電極體系、管道轉接法蘭、循環迴路、高溫高壓液體流量計、控制閥門、排液口、旋渦泵、循環冷卻系統、測溫系統、管道連接法蘭、環路出水口、噴頭、試樣夾具、控制箱、信號傳導通路、外接電化學工作站及外接高壓氣瓶構成。該裝置能夠很好的模擬油氣管線中流體介質的衝刷腐蝕情況，以及測試工作電極在高速噴射條件下的電化學信號，如極化曲線和交流阻抗等，對於進行高溫高壓流體衝刷腐蝕行為、規律以及機理的研究具有重要的意義。
文檔編號G01N17/02GK201984019SQ20102069699
公開日2011年9月21日 申請日期2010年12月23日 優先權日2010年5月28日
發明者俞曼麗, 劉太元, 常煒, 李新仲, 柳偉, 樊學華, 王建豐, 王振國, 王春升, 蔡峰, 路民旭, 鄭利軍, 郭宏 申請人:中國海洋石油總公司, 中海石油研究中心, 北京安科管道工程科技有限公司, 北京科技大學