高溫高流速環烷酸腐蝕試驗裝置的製作方法
2023-10-08 01:34:04
專利名稱：高溫高流速環烷酸腐蝕試驗裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及環烷酸腐蝕試驗裝置，更具體地說是一種高溫高流速環烷酸腐蝕試驗裝置。
背景技術：
環烷酸是原油中最重要的酸性含氧化合物，其化學性質與脂肪酸相似，是典型的一元羧 酸，其含量約佔總酸性物的90%左右。原油中環垸酸的含量一般在0.02~2.0%。在原油中一 般用酸值的大小來判斷環烷酸的含量，當酸值大於0.5mgKOH/g時就會引起設備的腐蝕。煉 油裝置的環烷酸腐蝕(NAC) —直是煉油廠亟待解決的難題之一。隨著使用高酸值原油的增 加，這一問題變得更為突出，特別是在局部的高溫高流速部位，由此產生事故頻繁發生，嚴 重威脅著煉廠的安全生產。
環烷酸的腐蝕作用受溫度的影響比較大；低於22(TC幾乎沒有腐蝕，隨著溫度的升高， 腐蝕逐漸加劇。從溫度上講，環烷酸有兩個顯著腐蝕階段。第一階段是270 28(TC，環垸酸 發生氣化開始腐蝕。當溫度再升高時，腐蝕作用反而減弱，直到溫度升到350 40(TC時，因 原油中的硫化物分解成硫元素，對金屬設備有劇烈腐蝕作用，在環烷酸、硫元素和H2S的互 相作用下，環垸酸的腐蝕加劇。400'C後，環垸酸氣化完畢，其腐蝕作用減緩。
環烷酸腐蝕還是一種高溫衝蝕，受流動狀態的影響較大，在層流區域內腐蝕性較小，在 液流區域腐蝕性較大；在液流的高湍動區域，液流呈現氣一液混合相時腐蝕性較強，且環垸 酸的腐蝕受液流速度的影響，液流速度越快腐蝕越重。低速部位的腐蝕形態為噴火口狀的尖 銳孔洞，高速部位則順著流向出現溝槽。研究表明高流速和低流速的分界線為100*3 (約 30m/s)，高速區的腐蝕速率在同等條件下提高5倍。
研究揭示環烷酸腐蝕現象的本質，掌握其控制因素，找出有效的抑制或防護方法，對煉 油裝置的安全保障有重要的意義，不僅能為在役煉油裝置確定合理的安全裕度，使煉油裝置 在不發生環烷酸腐蝕破壞的前提下最大限度地煉製低品質原油，降低煉油生產成本；而且能 指導新建煉油裝置選材，使用低成本/高抗蝕性能材料製造煉油設備，節省建廠成本。
然而，由於環烷酸腐蝕的影響因素複雜，且在實驗室開展模擬研究相對困難，迄今對該 腐蝕現象的本質及其控制因素仍缺乏深入的認識。究其主要原因在於
1、 環烷酸腐蝕的影響因素非常複雜，溫度、酸值、流速及設備材料等因素均與這種腐 蝕現象有密切的關係；
2、 絕大部分研究主要局限於腐蝕事例或現場掛片和靜態浸泡得到的數據，在試驗室條件下模擬工業煉油環境的高溫高流速狀態限於試驗條件十分困難，至今仍缺乏有效的試驗室 研究手段，無法模擬真實工業煉油環境條件下循環油的高溫高流速狀態。
實用新型內容
本實用新型是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種高溫高流速環烷酸腐蝕 試驗裝置，以實現高溫高流速條件下的衝刷腐蝕實驗，開展高溫與腐蝕介質共同作用下材料 損傷機理研究，進而對煉油裝置材料在高溫高流速環垸酸介質中的衝刷腐蝕機制和控制規律 進行系統深入的研究。
本實用新型解決技術問題採用如下技術方案
本實用新型高溫高流速環垸酸腐蝕試驗裝置的結構特點是以具有內置預熱器的儲油罐 為中心，油路管道自儲油罐引出，依次經過出油過濾器、管流循環泵或噴射循環泵、外部加 熱系統、管流試驗裝置或噴射試驗裝置之後返回儲油罐構成封閉的試驗循環迴路；在外部加 熱系統的油液出口處設置回油支路，通過回油支路與儲油罐和外部加熱系統構成封閉的回油 循環迴路。
本實用新型的結構特點也在於-
外部加熱系統具有多個加熱單元，其中有一個輔助加熱單元設置為具有內套管的套管式 換熱器，回油支路通過套管式換熱器的內套管接回接至儲油罐。
所述外部加熱系統設置為三個加熱單元，其中，處在加熱系統油液入口處的是具有三組 加熱器的第一加熱單元，處在加熱系統的油液出口處的是具有兩組加熱器的第二加熱單元， 套管式換熱器作為輔助加熱單元設置在第一加熱單元和第二加熱單元之間。
所述管流試驗裝置上同時設置多個監測口，包括腐蝕速度測試儀埠、腐蝕監測探針端 口、金屬測試掛片埠以及其它電化學測試儀器埠。
所述噴射試驗裝置設置有圓錐收縮型噴嘴，用於放置圓盤狀試樣的試樣託盤對應設置在 噴嘴的下方。
本實用新型高溫高流速環烷酸腐蝕試驗裝置的試驗方法按如下步驟進行-
a、 油液在儲油罐中預熱達到5(TC;
b、 開啟回油循環迴路，油液在回油循環迴路中被加熱至試驗所需要的40(TC;
C、關閉回油循環迴路，開啟試驗循環迴路，對試樣進行試驗；
d、完成試驗後，重新開啟回油循環迴路，同時關閉試驗循環迴路，停止加熱，待油液
冷卻後取出試樣；
可以設置儲油罐中油液溫度自5(TC溫升到40(TC的時間為4小時，還可以在封閉的試驗
4循環迴路中充入有N2惰性氣體，氣體壓力《lMPa。 與已有技術相比，本實用新型有益效果體現在
1、 本實用新型模擬工業煉油環境的高溫高流速狀態，集管流法和噴射法功能於一體， 可完全滿足煉油裝置材料在高溫高流速環烷酸介質中的衝刷腐蝕科研試驗的要求，單機可實 現試驗溫度、流速等試驗參數調節與控制單元操作；也適用於其它種類腐蝕介質科研試驗要 求。
2、 本實用新型可達到試驗溫度40(TC、介質流速100m/s，實現了試驗室模擬真實工業
煉油環境條件下循環油的高溫高流速狀態；
3、 本實用新型採用分級加熱，解決了循環油加熱過程中結焦與沸騰汽化問題；
4、 本實用新型以高速射流噴射試驗裝置實現流體衝刷，使裝置能夠充分體現出衝刷腐 蝕過程中因流體衝刷作用而造成的力學損傷以及其對腐蝕的促進作用；
5、 本實用新型全部採用密閉系統，不會有試驗介質逸出。對於在試驗過程中極少量有 可能洩漏出的含H2S等有毒、惡臭氣體，通過廢氣淨化處理裝置淨化處理後排放，完全滿足 廢氣排放標準要求；
6、 本實用新型方法中在儲油罐內提前預熱，可以有效降低循環油粘度、提高其流動性； 外部加熱系統的設置使得不易在加熱器電加熱管表面產生結焦、結垢現象。
圖1為本實用新型裝置結構示意圖。
圖2為本實用新型中管流試驗裝置結構示意圖。
圖3為本實用新型中噴射試驗裝置中噴嘴結構示意圖。
圖中標號l管流循環泵、2噴射循環泵、3第一加熱單元、4套管式換熱器、5第二加熱 單元、6過濾器、7高溫渦流流量計、8試驗段閥門、9噴射試驗裝置、9a圓錐收縮型噴嘴、9b 試樣託盤、IO溫度傳感器、ll壓力表、12管流試驗裝置、12a監測口、 13儲油罐、14排水排 汽閥、15出油過濾器、16止回閥、17安全閥、18回流段閥門、19試樣。
I主供油管路、II-l管流循環泵供油管路、11-2噴射循環泵供油管路、III-l管流循環泵回流
管路、ni-2噴射循環泵回流管路、iv循環油加熱管路、v循環油供油管路、vi循環油回油管 路、vn管流試驗管路、vm噴射試驗管路、ix汙油排油管路。 以下通過具體實施方式
，結合附圖對本實用新型作進一步說明
具體實施方式
參見圖l，本實施例是以具有內置預熱器的儲油罐13為中心，油路管道自儲油罐13引出，依次經過出油過濾器15、管流循環泵1或噴射循環泵2、外部加熱系統、管流試驗裝置12或噴 射試驗裝置9之後返回儲油罐13構成封閉的試驗循環迴路；在外部加熱系統的油液出口處設 置回油支路VI，通過回油支路VI與儲油罐13和外部加熱系統構成封閉的回油循環迴路。
具體實施中，外部加熱系統設置有三個加熱單元， 一個加熱單元設置為具有內套管的套 管式換熱器4，回油支路VI通過套管式換熱器4的內套管接回接至儲油罐13;處在加熱系 統油液入口處的是具有三組加熱器的第一加熱單元3，處在加熱系統的油液出口處的是具有 兩組加熱器的第二加熱單元5，套管式換熱器4作為輔助加熱單元設置在第一加熱單元3和 第二加熱單元5之間。
具體實施中，裝置整體呈框架式結構，各輸油管道、回油管道、排水管道和排汽管道， 以及管道上的各控制閥、調節閥和顯示儀表均呈立面排布在框架上方。
其它相應的結構如圖1所示，包括
循環油供油系統從儲油罐13出發，以管流循環泵1和噴射循環泵2分別為動力源，
由主供油管路I、管流循環泵供油管路II-l 、噴射循環泵供油管路水11-2、循環油供油管路V、 以及依序串聯設置在主供油管道I上的出油過濾器15、止回閥16、循環油供油管路V上的 過濾器6、高溫渦流流量計7、試驗段閥門8、溫度傳感器10和壓力表11構成。
加熱循環系統循環油先在儲油罐13加熱，通過循環油加注系統後，繼續在第一加熱 單元3、套管式換熱器4、第二加熱單元5中加熱，並沿循環油加熱管路IV、循環油回油管 路VI返回儲油罐13。
汙油排出裝置主要包括汙油排油管路IX和各管路上的排水排汽閥14。
洩壓平衡系統管路從循環泵出口，包括管流循環泵回流管路III-1、噴射循環泵回流管
路III-2以及安全閥17和儲油罐13上安裝的安全閥。
試驗段包括噴射試驗管路vm、管流試驗管路vn以及設置在管路上的噴射試驗裝置
9和管流試驗裝置12。
試驗方法按如下步驟進行
1、 以高溫導熱油為基礎油，加入精製的環垸酸，配製成含腐蝕介質油液，加入儲油罐
13中，在儲油罐13中預熱到5(TC開始循環；
2、 循環油在外部加熱系統中繼續得到加熱，當外部加熱系統出口處油液溫度尚未達到 試驗所要求的溫度，則關閉試驗段閥門8，開啟回流段閥門18，使油液經換熱器4回到儲油罐 13，如此通過循環油加熱管路IV和循環油回油管路VI形成循環迴路；
3、 循環油經循環並保持加熱，待外部加熱系統出口處油液溫度達到試驗所需要的400"C時，開啟試驗段閥門8，同時關閉回流段閥門18，使循環油進入循環油供油管路V，油液 即可到達試驗段，根據試驗需要進入管流試驗裝置12循環流動，或進入噴射試驗裝置9以噴 射狀態衝擊試樣，形成高溫高流速衝蝕環境；
4、 試驗結束後，首先開啟外部加熱系統出口處的回流段閥門18，再關閉試驗段閥門8， 同時停止加熱系統工作，待油液降溫後，停止循環，取出試樣，進行分析。
針對管流試驗與噴射試驗所需要的流量與壓力的不同，試驗中根據不同的試驗的要求分 別選用管流循環泵1和噴射循環泵2，以形成相應的試驗工況；管流循環泵l和噴射循環泵 2均可通過變頻器調節驅動電機的轉速來改變油泵的輸出流量。
由於循環介質主要為油品，其加熱時存在兩個問題首先，加熱速度過快，油會發生結 焦，還會逐漸劣化，不僅會改變循環介質的性質，而且產生的積垢影響傳熱效果、妨礙管道 系統的暢通；其次，循環油介質在高溫下易發生沸騰， 一旦達到油的沸點溫度，輸入的熱能 主要用於油的汽化，想進一步提高其溫度十分困難，並且油的汽化也會導致循環介質由純液 相變為氣液雙相。
為解決循環油在加熱過程中的結焦、沸騰與汽化問題，本實施例中採取如下措施
a、 延長加熱時間，系統從5(TC加熱到40(TC所用時間設置為4小時，使循環油溫度在 系統內循環過程中緩慢上升。
b、 全部設備管道系統保溫，並在加熱器之間的管道上釆取套管式換熱器4回收餘熱。 這樣進一步控制加熱速度和利用管道系統內循環油熱量，可以有效地避免加熱過快導致的結 焦問題。
c、 分級加熱。除在儲油罐13內設置一臺10kw插入式內置預熱器以提前預熱，降低循 環油粘度、提高其流動性外；外部加熱系統採用的是三臺25kw加熱器構成的第一加熱單元 3、兩臺25kw加熱器構成的第二加熱單元5，不易在加熱器電加熱管表面產生結焦、結垢現 象。
d.系統增壓。向全部閉式系統內通入惰性氣體N2，氣體壓力《lMPa。增加系統壓力 來提高循環油的沸點，可一定程度下避免沸騰和汽化；而且N2覆蓋系統還可使循環油免遭 溼空氣侵蝕，將循環油的氧化程度降至最低，避免不溶物的形成，引起嚴重的結垢，導致系 統傳熱效率降低。
5、 各加熱單元中加熱器出口管口設置在加熱器的最上方，這樣可以排空加熱器內部的 空氣，避免在加熱器內產生液氣混合現象。
管流試驗裝置
7管流試驗裝置12是模擬管道流體循環流動衝刷腐蝕的實際工況。
系統中設置變頻器用於調節循環泵l的流量變化，並且與流量控制閥一起來控制試驗系 統的流速，提供一個較寬的試驗工況範圍，供不同試驗選擇。試驗系統的流速由高溫渦流流 量計7來指示。
為使試驗結果不受到其他因素的影響，從理想角度來考慮，要求在管流試驗裝置前的循 環油流動儘量平穩，為此留有充足的平滑段。管流試驗裝置設計長度為2000mm，管徑與管 道系統相同，均為DN50mm，通過法蘭與管道系統連接，前後均設置了閥門，便於在不同試 驗時對管流段管徑結構進行調整。因此，如果試驗要考察流態突變與衝刷腐蝕間的關係，在 管流段可以進行變徑或設置急彎等結構來模擬流態變化；還可以設置不同的管徑段，可在相 同的條件下，進行不同流速的試驗，便於研究流速對腐蝕速度的影響規律。
管流試驗裝置12上可以設置多個監測口12a，可以插入腐蝕速度測試儀、各類腐蝕監測 探針、金屬測試掛片以及其它電化學測試儀器，用於在流動狀態下，進行腐蝕速率和電化學 方面的監測與研究。
噴射試驗裝置
本試驗裝置採用噴射衝擊法實現油的高流速狀態，具體通過噴射循環泵2、控制閥門和 流體噴射段9的配合來實現循環介質的高速流動，其中可變頻調節的噴射循環泵2主要驅動循 環介質在系統中流動，並控制系統的最大流量；泵出口處的閥門可調節系統流量；噴射裝置 9產生高速液流，實現流體衝刷。
噴射裝置最關鍵的部件就是噴嘴。本實施例中設置圓錐收縮型噴嘴9a，用於放置圓盤狀 試樣19的試樣託盤9b對應設置在噴嘴9a的下方。根據流體動力學計算，要達到最高流速 100m/s的試驗流速，需要大動能而只需要較小流量一最高出口壓力4.6MPa，最大流量2m3/11。 因此噴嘴必須滿足這種特定的試驗工況，所設計的圓錐收縮型噴嘴特點是內收縮後不需過分 擴張，因此阻力較小，這種噴嘴流速係數較大，出口流速在各類噴嘴中最高，擴張角0=13°， 不但出口速度大，而且有相當的流量，這時的動能達到最大值。這有利於實現高流速的試驗 條件。
影響流體衝刷效果的因素很多，包括流體在噴嘴出口處的速度u、噴嘴直徑d、噴嘴出口
距試樣表面的距離L，試樣相對水平面的傾斜角度e及影響介質粘度的環境溫度等等，改變任
一項參數都可能導致流體流速和流態發生變化，影響衝刷效果。為了利用試驗裝置進行高溫 衝刷腐蝕研究，考察和評價不同材料的抗高溫衝蝕性能，在噴射裝置結構設置時就對流體噴 射參數範圍進行考慮，使裝置能夠充分體現出衝刷腐蝕過程中因流體衝刷作用而造成的力學損傷以及其對腐蝕的促進作用。包括噴嘴直徑d等試驗參數均可以根據不同試驗情況具體調 整，如表1所示。
表一噴射裝置噴射試驗參數範圍
試驗參數範圍備註
噴嘴出口速度u《畫m/s
噴嘴直徑dl~3mm試驗參數均可以在範 圍內調整
噴嘴出口與試樣表面距離L0~25mm (常用10mm以下)試樣的傾斜角度e (相對水平面)0~70°
9
權利要求1、高溫高流速環烷酸腐蝕試驗裝置，其特徵是以具有內置預熱器的儲油罐(13)為中心，油路管道自儲油罐(13)引出，依次經過出油過濾器(15)、管流循環泵(1)或噴射循環泵(2)、外部加熱系統、管流試驗裝置(12)或噴射試驗裝置(9)之後返回儲油罐(13)構成封閉的試驗循環迴路；在所述外部加熱系統的油液出口處設置回油支路(VI)，通過回油支路(VI)與所述儲油罐(13)和外部加熱系統構成封閉的回油循環迴路。
2、 根據權利要求1所述的高溫高流速環垸酸腐蝕試驗裝置，其特徵是所述外部加熱系 統具有多個加熱單元，其中有一個輔助加熱單元設置為具有內套管的套管式換熱器(4)，所 述回油支路(VI)通過套管式換熱器(4)的內套管接回接至儲油罐(13)。
3、 根據權利要求1所述的高溫高流速環烷酸腐蝕試驗裝置，其特徵是所述外部加熱系 統設置為三個加熱單元，其中，處在加熱系統油液入口處的是具有三組加熱器的第一加熱單 元(3)，處在加熱系統的油液出口處的是具有兩組加熱器的第二加熱單元(5)，所述套管式 換熱器(4)作為輔助加熱單元設置在第一加熱單元(3)和第二加熱單元(5)之間。
4、 根據權利要求l所述的高溫高流速環垸酸腐蝕試驗裝置，其特徵是所述管流試驗裝置 (12)上同時設置多個監測口 (12a)，包括腐蝕速度測試儀埠、腐蝕監測探針埠、金屬測試掛片埠以及其它電化學測試儀器埠 。
5、 根據權利要求l所述的高溫高流速環垸酸腐蝕試驗裝置，其特徵是所述噴射試驗裝置 (9)設置有圓錐收縮型噴嘴(9a)，用於放置圓盤狀試樣(19)的試樣託盤(9b)對應設置在噴嘴(9a)的下方。
專利摘要高溫高流速環烷酸腐蝕試驗裝置，其特徵是以具有內置預熱器的儲油罐為中心，油路管道自儲油罐引出，依次經過出油過濾器、管流循環泵或噴射循環泵、外部加熱系統、管流試驗裝置或噴射試驗裝置之後返回儲油罐構成封閉的試驗循環迴路；在外部加熱系統的油液出口處設置回油支路，通過回油支路與儲油罐和外部加熱系統構成封閉的回油循環迴路。本實用新型用於實現高溫高流速條件下的衝刷腐蝕實驗，開展高溫與腐蝕介質共同作用下材料損傷機理研究，進而對煉油裝置材料在高溫高流速環烷酸介質中的衝刷腐蝕機制和控制規律進行系統深入的研究。
文檔編號G01N17/00GK201344892SQ20092014282
公開日2009年11月11日 申請日期2009年1月21日 優先權日2009年1月21日
發明者牧 劉, 鵬 徐, 秦宗川, 陳學東 申請人:合肥通用機械研究所壓力容器檢驗站