溫度、角度、流速和時間可控型衝蝕試驗裝置及方法與流程
2023-11-10 12:33:03
本發明涉及一種試驗裝置及試驗方法，尤其是涉及一種溫度、角度、流速和時間可控型衝蝕試驗裝置及方法。
背景技術：
壓力管道輸送應用領域廣泛，在石油化工、煤化工、生物製藥等流程型工業中具有普遍應用。壓力管道通常具有工藝過程複雜、運行工況苛刻、運行周期長的特點，且輸送介質往往易燃、易爆、有毒、有害，特別是含腐蝕性介質的多相流介質輸送系統，涉及多相流動、冷卻相變、傳熱傳質等過程，在複雜流動環境下極易引發壓力管道衝蝕穿孔、洩漏爆管的非計劃停工事故，損失慘重。
衝蝕是在腐蝕與力學交互作用下引發金屬損傷/損失的過程，主要演化機制是金屬在腐蝕性介質的作用下形成腐蝕產物保護膜，流體動力學作用加速腐蝕產物膜破壞從而使腐蝕加劇，特別是在存在腐蝕性介質和固相介質的工況下，管道材質的衝蝕損傷效應更加嚴重。現有研究表明：多相流的衝蝕機理受工藝過程、運行工況、流體力學等因素影響，與多相流介質的溫度、衝擊角度、流速以及衝蝕時間等因素直接相關。針對流程型工業中普遍性存在的腐蝕性介質衝蝕引發的管道損傷及設備損壞問題，現已有一系列的衝蝕磨損試驗裝置，例如旋轉式衝蝕試驗裝置，優點是投資小，佔地面積小，缺點是與真實工業中的管道流動存在較大的偏差。大部分衝蝕磨損試驗裝置可控的因素有限，不能全面的開展衝蝕磨損試驗，自動化程度低，同時對腐蝕性介質不能循環利用，資源浪費較嚴重。
技術實現要素：
為了克服現有衝蝕試驗裝置存在的不足，本發明提供了一種溫度、角度、流速和時間可控型衝蝕試驗裝置及方法，能夠自動控制衝蝕溫度、角度、流速和衝蝕時間，並能循環利用腐蝕性試劑，減少資源浪費，同時可對管路中的壓力進行實時狀態監控，避免爆管事故，提高試驗的安全性能。
本發明採用的技術方案是：
一、一種溫度、角度、流速和時間可控式衝蝕試驗裝置：
裝置包括從下到上布置的第一操作平臺、第二操作平臺和第三操作平臺，第一操作平臺上安裝有第二液壓傳感器、導流閥和導流泵，第二操作平臺上安裝有恆溫瓶和衝蝕器，第三操作平臺上安裝有離心泵和兩相閥；試劑瓶的出口端依次經加劑泵、止回閥與緩衝瓶的第一入口端相連通，緩衝瓶出口端依次經離心泵與兩相閥的第一入口端相連通，兩相閥的第二入口端與外界大氣相連通，兩相閥的出口端依次經第一液壓傳感器、流速傳感器與衝蝕器的入口端相連通；角度控制器連接安裝在衝蝕器上，衝蝕器內側壁固定安裝有溫度傳感器，衝蝕器的出口端經第二液壓傳感器後與導流閥的入口端相連通，導流閥第一出口端經導流泵與試劑瓶入口端相連通，導流閥第二出口端通過管路回流至緩衝瓶的第二入口端；試劑瓶、加劑泵、止回閥和緩衝瓶均放置在恆溫瓶內，恆溫瓶內設置有加熱器。
所述緩衝瓶的出口端和第一入口端位於下部，出口端與離心泵進口相連通，緩衝瓶的第一入口端與止回閥相連接，緩衝瓶的第二入口端位於頂部，第二入口端與導流閥的出口相連通。
所述衝蝕器分為衝蝕器上部和衝蝕器的上、下兩部分，衝蝕器上部和衝蝕器下部經法蘭通過螺栓連接並作防水處理，衝蝕器上部頂面通孔與流速傳感器出口管路連通，衝蝕器下部底面通孔與第二液壓傳感器的進口管路連通，角度控制器安裝連接於衝蝕器下部。
所述的角度控制器包括壓板、衝蝕試件臺、角度傳感器、橡膠軸套、傳動軸、第一、二齒輪和步進電機，壓板和衝蝕試件臺的四角均開設有四個通孔，被測試件安裝在壓板和衝蝕試件臺之間並通過穿過四個通孔的螺栓壓緊，衝蝕試件臺底面平行固定有角度傳感器；衝蝕試件臺一端設有固定軸，固定軸嵌入衝蝕器下部的盲孔中使得衝蝕試件臺鉸接在衝蝕器內，衝蝕試件臺另一端與傳動軸一端同軸固定連接，傳動軸另一端穿過衝蝕器下部的通孔後與第一齒輪同軸固定連接，第一齒輪與第二齒輪嚙合，第二齒輪與步進電機輸出軸同軸固定連接，第一齒輪和衝蝕器外側壁之間的傳動軸上套有橡膠軸套；橡膠軸套呈錐形，橡膠軸套朝向衝蝕器的一端為大端，並緊貼衝蝕器外側壁，橡膠軸套朝向第一齒輪的一端為小端，並與傳動軸相固定構成密封連接。
所述兩相閥的第二入口端位於頂端，第二入口端經豎直管件與外界空氣連通，第二入口端的端面高於離心泵進出口所在的水平面。
所述橡膠軸套的大端與衝蝕器下部的外側壁之間、小端與傳動軸之間均為水密封，橡膠軸套的中部採用柔性材料，具有能使傳動軸的兩端沿相反方向旋轉90°後恢復原狀的柔性。
所述的第二操作平臺上安裝有步進驅動器、顯示器和單片機；所述的第三操作平臺上安裝有第一、第二PWM控制器，所述步進電機與步進驅動器電氣連接，加熱器經第一PWM控制器與單片機電氣連接，離心泵經第二PWM控制器與單片機電氣連接，溫度傳感器、止回閥、兩相閥、導流閥、加劑泵、流速傳感器、角度傳感器、步進電機、第一、第二液壓傳感器、步進驅動器、按鍵和顯示器均與單片機電氣連接。
二、一種溫度、角度、流速和時間可控式衝蝕試驗方法，具體方法包括以下步驟：
步驟1)首次試驗時，擰開螺栓打開衝蝕器上下部，通過螺栓將被測試件固定於壓板和衝蝕試驗臺中間，然後關閉衝蝕器；
步驟2)將兩相閥的第一入口端、第二入口端和出口端均導通，將導流閥的入口端與第二出口端之間導通，且第一出口端不導通，試劑瓶內添加適量試劑，向恆溫瓶中添加適量水；
步驟3)打開加劑泵和止回閥，直至兩相閥的空氣管口將要溢出試劑，關閉加劑泵和止回閥，同時將兩相閥的第一入口端和出口端之間導通，第二入口端不導通；
步驟4)通過按鍵輸入所需試驗角度α、溫度T、流速v和試驗時間t等參數；
步驟5)通過按鍵開啟衝蝕試驗，用角度控制器控制被測試件旋轉至預設角度α，通過加熱器加熱恆溫瓶內的水至預設溫度值；
步驟6)根據所設試劑溫度T和溫度傳感器反饋的實際試劑溫度，單片機控制第一PWM控制器控制加熱器的加熱功率；
步驟7)待溫度傳感器檢測到的試劑溫度穩定在預設溫度T後，開啟離心泵進行衝蝕試驗；
步驟8)根據所設試劑流速v與流速傳感器所反饋的流速值，單片機通過第二PWM控制器控制離心泵的流量，並進行校準；
步驟9)當試驗時間t結束後，加熱器和離心泵自動停止工作，角度控制器恢復控制被測試件旋轉至水平位置；
步驟10)將兩相閥的第二入口端和出口端之間導通，第二入口端不導通，將導流閥的入口端和第一出口端之間導通，第二出口端不導通，開啟導流泵，將衝蝕器內的試劑導入試劑瓶內，關閉導流泵；
步驟11)打開衝蝕器，擰開壓板和衝蝕試驗臺間的螺栓，取出被測試件，運用天平測試被測試件的失重量β。
試驗過程中，若所述第一、第二液壓傳感器反饋的管道內壓力過高，釋放壓力並用單片機控制加熱器和離心泵停止工作，並發出警報，試驗終止。
本發明的有益效果是：
本發明利用步進電機旋轉衝蝕試件臺從而實現試件衝蝕角度的連續性控制，同時利用角度傳感器自動測試衝蝕角度，自動化程度高，避免人工測量造成的誤差，降低人工成本，簡化操作過程；還利用PWM控制方式控制離心泵的功率從而控制流速，並利用流速傳感器進行校準；通過水浴加熱的方式，使腐蝕性介質試劑受熱均勻。同時利用液壓傳感器檢測環路中的壓力，避免水壓過高引發爆管，具有較高的安全性能。
附圖說明
圖1是本發明實施例的結構示意圖；
圖2是角度控制器的三維結構示意圖；
圖3是本發明的電氣連接框圖；
圖4是本發明試驗方法的流程圖。
圖中：第一、二、三操作平臺100、200、300，恆溫瓶400，試劑瓶500，加劑泵600，止回閥700，緩衝瓶800，離心泵900，兩相閥1000，第一、二液壓傳感器1100、1200，流速傳感器1300，衝蝕器1400，衝蝕器上部1401，衝蝕器下部1402，角度控制器1500，壓板1501，衝蝕試件臺1502，角度傳感器1503，橡膠軸套1504，傳動軸1505，第一、第二齒輪1506、1507，步進電機1508，導流閥1600，導流泵1700，加熱器1800，溫度傳感器1900，第一、二PWM控制器2000、2100，步進驅動器2200，按鍵2300，顯示器2400，單片機2500。
具體實施方式
結合圖1至圖4，對本發明技術方案進行詳細說明：
如圖1所示，本發明包括從下到上布置的第一操作平臺100、第二操作平臺200和第三操作平臺300，第一操作平臺100上安裝有第二液壓傳感器1200、導流閥1600和導流泵1700，第二操作平臺200上安裝有恆溫瓶400和衝蝕器1400，第三操作平臺300上安裝有離心泵900和兩相閥1000。
試劑瓶500的出口端依次經加劑泵600、止回閥700與緩衝瓶800的第一入口端相連通，緩衝瓶800出口端依次經離心泵900與兩相閥1000的第一入口端相連通，兩相閥1000的第二入口端與外界大氣相連通，兩相閥1000的出口端依次經第一液壓傳感器1100、流速傳感器1300後與衝蝕器1400的入口端相連通；角度控制器1500連接安裝在衝蝕器1400上，衝蝕器1400內側壁固定安裝有溫度傳感器1900，衝蝕器1400的出口端經第二液壓傳感器1200後與導流閥1600的入口端相連通，導流閥1600第一出口端經導流泵1700與試劑瓶500入口端相連通，導流閥1600第二出口端通過管路回流至緩衝瓶800的第二入口端；試劑瓶500、加劑泵600、止回閥700和緩衝瓶800均放置在恆溫瓶400內，恆溫瓶400內設有用於保持恆溫度的加熱器1800，兩相閥1000和導流閥1600均為三通閥。
其中，緩衝瓶800的出口端和第一入口端位於下部，出口端與離心泵900進口相連通，緩衝瓶800的第一入口端與止回閥700的出口相連接，緩衝瓶800的第二入口端位於頂部，第二入口端與導流閥1600的出口相連通，這樣保證溫度較高的試劑從下方流出，溫度較低的試劑從上方進，形成對流，有利於緩衝瓶800內的試劑受熱均勻。
衝蝕器1400分為衝蝕器上部1401和衝蝕器下部1402的上、下兩部分，衝蝕器上部1401和衝蝕器下部1402經法蘭通過螺栓連接並作防水處理，衝蝕器上部1401頂面通孔與流速傳感器1300出口管路連通，衝蝕器下部1402底面通孔與第二液壓傳感器1200的進口管路連通，角度控制器1500安裝連接於衝蝕器下部1402。
如圖1所示，兩相閥1000的第二入口端位於頂端，第二入口端經豎直管段與外界空氣連通，第二入口端的端面高於離心泵900進出口所在的水平面，使得試驗過程中流體液面高於離心泵900進出口，以保證裝置內部試劑循環過程中不混入空氣。
如圖2所示，角度控制器1500包括壓板1501、衝蝕試件臺1502、角度傳感器1503、橡膠軸套1504、傳動軸1505、第一、二齒輪1506、1507和步進電機1508；壓板1501和衝蝕試件臺1502的四角均開設有四個通孔，被測試件安裝在壓板1501和衝蝕試件臺1502之間並通過穿過四個通孔的螺栓壓緊，衝蝕試件臺1502底面平行固定有角度傳感器1503；衝蝕器下部1402一側內壁開有盲孔，盲孔對稱的另一側的內壁開有通孔，衝蝕試件臺1502一端設有固定軸，固定軸嵌入衝蝕器下部1402的盲孔中使得衝蝕試件臺1502鉸接在衝蝕器1400內，衝蝕試件臺1502另一端與傳動軸1505一端同軸固定連接，傳動軸1505另一端穿過衝蝕器下部1402的通孔後與第一齒輪1506同軸固定連接，第一齒輪1506與第二齒輪1507嚙合，第二齒輪1507與步進電機1508輸出軸同軸固定連接，步進電機1508固定在第二操作平臺200上，第一齒輪1506和衝蝕器1400外側壁之間的傳動軸1505上套有用於密封的橡膠軸套1504；橡膠軸套1504呈錐形，橡膠軸套1504朝向衝蝕器1400的一端為大端，並緊貼衝蝕器1400外側壁，橡膠軸套1504朝向第一齒輪1506的一端為小端，並與傳動軸1505相固定構成密封連接。
橡膠軸套1504的大端與衝蝕器下部1402的外側壁之間、小端與傳動軸1505之間均為水密封，橡膠軸套1504的中部採用柔性材料，具有能使傳動軸1505的兩端沿相反方向旋轉90°後恢復原狀的柔性，以保證調節衝蝕角度所需。
如圖3所示，第二操作平臺200上還安裝有步進驅動器2200、顯示器2400和單片機2500；第三操作平臺300上還安裝有第一、第二PWM控制器2000、2100，顯示器2400上設有用於用戶輸入的按鍵2300；步進電機1508與步進驅動器2200電氣連接；加熱器1800經第一PWM控制器2000與單片機2500電氣連接，離心泵900經第二PWM控制器2100與單片機2500電氣連接，溫度傳感器1900、止回閥700、兩相閥1000、導流閥1600、加劑泵600、流速傳感器1300、角度傳感器1503、步進電機1508、第一、第二液壓傳感器1100、1200、步進驅動器2200、按鍵2300和顯示器2400均與單片機2500電氣連接。
單片機2500實時監測溫度傳感器1900反饋的溫度數據、流速傳感器1300反饋的衝蝕速度和第二液壓傳感器1200反饋的環路中壓力，並調整加熱器1800、離心泵900的輸出功率，控制衝蝕試驗裝置的工作狀態。衝蝕試驗裝置環形迴路設置有安全閥，當第二液壓傳感器1200反饋的水壓過高時，開啟安全閥進行卸壓，避免出現超壓爆管事故，同時自動終止試驗過程，並切斷裝置的供電電源，發出警報。
如圖4所示，本發明的具體試驗過程如下：
步驟1)首次試驗時，擰開螺栓打開衝蝕器上下部1401、1402，通過螺栓將被測試件固定於壓板1501和衝蝕試驗臺1502中間，然後關閉衝蝕器1400；
步驟2)將兩相閥1000置於狀態a，使得其第一入口端、第二入口端和出口端均導通，將導流閥1600置於狀態d，使其入口端與第二出口端之間導通，且第一出口端不導通，試劑瓶500內添加適量的腐蝕性試劑，例如HCl水溶液或H2S水溶液等，向恆溫瓶400中添加適量水；
步驟3)打開加劑泵600和止回閥700，直至兩相閥1000的空氣管口將要溢出試劑，排空管道迴路中的氣相，然後關閉加劑泵600和止回閥700，同時兩相閥1000置於狀態b，使得兩相閥1000第一入口端和出口端之間導通，第二入口端不導通；
步驟4)通過按鍵2300輸入所需試驗角度α、溫度T、流速v和試驗時間t等參數，例如試驗角度α可分別設置為0°、30°、60°、90°等，溫度T可分別設置為30℃、60℃、90℃等，流速可分別設置為1m/s、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s等，衝蝕試驗時間t可按照需要以小時為單位進行設置；
步驟5)通過按鍵2300開啟衝蝕試驗，用角度控制器1500控制被測試件旋轉至所設角度α；通過加熱器1800加熱恆溫瓶400內的水至預設溫度值，實現對環路中的介質溫度加熱；被測試件可選擇不同的材料，例如碳鋼、不鏽鋼、雙相鋼2205或Incoloy 825等。
步驟6)根據所設腐蝕性試劑溫度T和溫度傳感器1900反饋的實際腐蝕性試劑溫度，基於單片機2500控制第一PWM控制器2000實現對加熱器1800的加熱功率；
步驟7)待溫度傳感器1900檢測到的試劑溫度穩定在所設溫度T後，開啟離心泵900進行衝蝕試驗；
步驟8)根據所設試劑流速v與流速傳感器1300所反饋的流速值，基於單片機2500控制第二PWM控制器2100實現對離心泵900的流量控制，並進行校準；
步驟9)當試驗時間t結束後，加熱器1800和離心泵900自動停止工作，角度控制器1500恢復至水平位置；
步驟10)將兩相閥1000置於狀態c，使其第二入口端和出口端之間導通，第二入口端不導通；將導流閥1600置於狀態e，使其入口端和第一出口端之間導通，第二出口端不導通；開啟導流泵1700，將衝蝕器1400內的試劑導入試劑瓶500內，關閉導流泵1700；
步驟11)打開衝蝕器1400，擰開壓板1501和衝蝕試驗臺1502間的螺栓，取出被測試件，運用天平測試被測試件的失重量β。本次試驗完成，若要繼續試驗，跳轉步驟1)繼續重複所有步驟完成不同流速序列、不同溫度序列、不同衝蝕角度序列、不同衝蝕時間序列的衝蝕試驗，最終建立被測試件失重量β與角度、流速、溫度、時間之間的關聯關係β～f(α,T,v,t)。
試驗過程中，若所述第一、第二液壓傳感器1100、1200反饋的管道內壓力過高，通過安全閥釋放壓力，並用單片機2500控制加熱器1800和離心泵900停止工作，並發出警報，試驗終止。
上述具體實施方式用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護範圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護範圍。