一种高温高压环路喷射腐蚀模拟及电化学测试实验装置

摘要

本发明涉及一种高温高压环路喷射腐蚀模拟及电化学测试实验装置，属于电化学领域。特别适用于模拟石油天然气等采集和输送管道中的弯头、三通等复杂部件所出现的冲刷腐蚀情况，以进行输送高温高压多相流体管道部件冲刷腐蚀的模拟实验，以及进行冲刷条件下的高温高压流体冲刷腐蚀的原位电化学信号测试。该装置由高压釜、加热保温系统、环路进水口、三电极体系、管道转接法兰、循环回路、高温高压液体流量计、控制阀门、排液口、旋涡泵、循环冷却系统、测温系统、管道连接法兰、环路出水口、喷头、试样夹具、控制箱、信号传导通路、外接电化学工作站及外接高压气瓶构成。该装置能够很好的模拟油气管线中流体介质的冲刷腐蚀情况，以及测试工作电极在高速喷射条件下的电化学信号，如极化曲线和交流阻抗等，对于进行高温高压流体冲刷腐蚀行为、规律以及机理的研究具有重要的意义。

说明书

技术领域

本发明属于电化学领域，涉及一种高温高压腐蚀介质在高速喷射工况条件下金属材料的冲刷腐蚀行为、规律和机理研究用的实验装置。适用于管道弯头、三通等复杂部件在高温高压流体介质中冲刷腐蚀行为的研究，尤其用于模拟石油天然气等采集和输送管道中的弯头、三通等复杂部件所出现的冲刷腐蚀情况，进行输送高温高压多相流体管道部件冲刷腐蚀的模拟实验，以及进行冲刷条件下的高温高压流体冲刷腐蚀的原位电化学信号测试。

背景技术

高温高压流体冲刷腐蚀是一种电化学腐蚀和机械冲刷相互作用而导致的材料失效现象，例如油气工业采集和输送过程中管道的弯头、三通等复杂部件多以高温高压流体的冲刷腐蚀失效为主。在含有CO₂等酸性气体的油气传输中，由于管道内部压力、温度以及介质的流速较高，在弯头、三通等复杂部件处易形成湍流，在管道内壁产生很大的切应力大大加速了管件部位的损伤。进行高温高压冲刷腐蚀实验是评定高速流动介质条件下材料的耐蚀性、冲蚀行为和机理的重要手段。因此，必须有可以模拟实际条件下的高温高压流体冲刷腐蚀实验以及进行原位电化学腐蚀实验的装置。但由于高温高压以及高速流体的喷射条件下，对管道连接部件、旋涡泵、流量计和控制阀门的承压能力要求以及动态工作电极和参比电极等结构都有很高的要求，且不容易实现电化学信号的测量。通常，在常温常压条件中进行冲刷腐蚀实验，并进行常温常压的原位电化学测试实验。因此，研究动态条件下的冲刷腐蚀机理时，由于缺乏高温高压冲刷腐蚀实验装置以及测量高温高压电化学信号的装置而影响对高温高压冲刷腐蚀行为、规律以及机理的深入研究。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供高温高压流体冲刷腐蚀模拟实验以及原位电化学测试实验装置，为研究管道部件输送高温高压流体而引起冲刷腐蚀的行为、规律、机理和评定材料的耐蚀性能，提供一套模拟高温高压冲刷腐蚀实验及电化学测试实验装置。该实验装置可以方便的模拟管道部件在输送高温高压介质流体过程中所引起的冲刷腐蚀现象。

一种高温高压环路喷射腐蚀模拟及电化学测试实验装置，其特征在于：该装置包括高压釜31、加热保温系统、环路进水口5、三电极体系、管道转接法兰8、循环回路10、高温高压液体流量计11、控制阀门、排液口14、旋涡泵15、循环冷却系统17、测温系统、管道连接法兰20、环路出水口22、喷头25、试样夹具33、控制箱、信号传导通路、外接电化学工作站及外接高压气瓶；高压釜31由进气管1、高压釜上盖2、高压釜体4、高压釜下盖6、氟橡胶密封圈一23、压力传感器26、压力表27、安全阀28及出气口30构成；加热保温系统由高压釜加热保温装置3和循环回路加热保温装置46构成；三电极体系由辅助电极7、工作电极铜棒9和高温高压Ag/AgCl参比电极21构成；控制阀门包括流量计阀门12和旁路阀门13；循环冷却系统17由循环冷却系统出水口16和循环冷却系统进水口19构成；测温系统由循环回路温度传感器18和高压釜内温度传感器29构成；控制箱由釜内温度控制仪表、环路温度控制仪表、循环冷却系统控制开关和旋涡泵控制开关构成；信号传导通路由电化学工作站与三电极之间的导线构成；外接高压气瓶的导气管与高压釜的进气管1通过螺纹连接。高压釜下盖6通过螺栓与高压釜体4连接，并利用氟橡胶密封圈一23密封。循环回路10的进水口22通过焊接与高压釜下盖6相连，并且下端使用管道连接法兰20，方便环路与高压釜拆卸。循环冷却系统17内部通入一定温度的循环冷却水(制冷器循环)，消除高温高压流体介质在喷头25处产生的热量，并结合环路加热保温系统(图1循环回路10中不包含冷却系统的其他部位)和高压釜加热保温系统3保持整个系统温度的稳定性，高压釜31和循环回路10内部液体温度分别通过高压釜内温度传感器29和循环回路温度传感器18进行测量。循环回路10的出水端通过管道转接法兰8改变管道直径，便于与高压釜31相连，出水口5通过卡套式连接件与高压釜下盖6连接，保证气密性。控制箱通过导线与高压釜31、环路加热保温系统、循环冷却系统17以及旋涡泵15相连。装置内的流体介质通过旋涡泵15进行循环，并利用流量计阀门12和旁路阀门13来调节喷头25处介质的流速，通过高温高压液体流量计11显示喷头25处的流量。装置内部的压力通过压力传感器23和压力表24显示，当整个装置压力超过预定值时，可通过出气口30进行调节，一旦超过额定值，安全阀27将自动开启，保证整个系统的安全性。整个装置内的液体通过排液口14排净。

电化学测试装置由辅助电极7，工作电极铜棒9，高温高压Ag/AgCl参比电极21、信号传导通路以及外接电化学工作站构成。辅助电极7和高温高压Ag/AgCl参比电极21与高压釜下盖6利用螺纹连接。工作电极铜棒9的具体结构如图2所示，聚四氟螺栓32将镶有试样24的聚四氟夹具33固定在夹具托盘34上，并利用聚四氟密封圈二36密封，避免内部工作电极铜棒9与液体介质接触，夹具托盘34通过托盘支架38固定在托盘底座39上，托盘支架38与托盘底座39利用螺纹连接，并利用托盘支架38将带锥聚四氟套筒40与铜棒9压紧密封，托盘底座39与高压釜下盖6通过焊接相连，保证其同心度。试样24通过铜弹簧35与铜棒9接触，保证两者接触良好。圆柱铜螺母37与铜棒9连接，保证铜棒在垂直方向承受较高的压力，并且圆柱铜螺母37利用聚四氟垫片二45避免与夹具托盘34接触。铜棒9利用带锥聚四氟套筒40和聚四氟圆锥41保证高压釜下盖6的密封性。聚四氟圆锥41利用聚四氟垫片一44和铜螺母一42锁紧，铜棒9利用铜螺母二43与电化学工作站的工作电极端相连，辅助电极7和高温高压差比电极21分别与电化学工作站的对应接口相连。高压釜容积为8L，整个装置容积为12L，最高工作温度180℃，最大工作压力为2MPa，最大喷射流速为40m/s。

本发明的优点在于可以模拟高温高压流体冲刷腐蚀实验，以及监测工作电极在高温高压流体喷射情况下的原位电化学信号(线性极化、极化曲线和电化学阻抗等)，并且能够提供冲刷腐蚀失重和形貌观察试样，可以用于进行高温高压流体介质的冲刷腐蚀行为、规律以及机理的研究。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，其中，1-进气管，2-高压釜上盖，3-高压釜加热保温装置，4-高压釜体，5-环路进水口，6-高压釜下盖，7-辅助电极，8-管道转接法兰，9-工作电极铜棒，10-循环回路，11-高温高压液体流量计，12-流量计阀门，13-旁路阀门，14-排液口，15-旋涡泵，16-循环冷却系统出水口，17-循环冷却系统，18-循环回路温度传感器，19-循环冷却系统进水口，20-管道连接法兰，21-高温高压参比电极，22-环路出水口，23-氟橡胶密封圈，24-试样，25-喷头，26-压力传感器，27-压力表，28-安全阀，29-高压釜内温度传感器，30-出气口，31-高压釜，46-循环回路加热保温装置；

图2是本发明图1中A区的结构示意图，其中，32-聚四氟螺栓，33-试样夹具，34-夹具托盘，35-铜弹簧，36-氟橡胶密封圈二，37-圆柱铜螺母，38-托盘支架，39-托盘底座，40-带锥聚四氟套筒，41-聚四氟圆锥，42-铜螺母一，43-铜螺母二，44-聚四氟垫片一，45-聚四氟垫片二。

具体实施方式

参照图1、2，这是按照上述技术方案提供的高温高压流体冲刷腐蚀模拟实验和电化学测试实验装置。打开高压釜上盖2拆下喷头25，将所加工的试样24固定在试样夹具33上，利用聚四氟螺栓32将试样夹具33固定在夹具托盘34上，试样24通过铜弹簧35与铜棒9相连，构成三电极体系中的工作电极，安装喷头25。向高压釜31内倒入一定体积的电介质溶液，同时打开循环回路10中的排液口14，将装置内的气体排净，介质溶液的液面高度要高于试样24的上表面，盖上高压釜上盖2。从高压釜进气口1通入气体N₂除氧8h以上，后通入一定压力的实验气体(如CO₂气体)并加热至设定温度。打开控制箱中的旋涡泵15的控制开关，使旋涡泵15运转进行喷射实验，同时打开循环回路10的循环冷却系统17、加热保温系统，保证整个装置处于稳定状态。调节流量计阀门12和旁路阀门13改变通过高温高压液体流量计11的流量，从而改变喷头25处流体的流速，达到预期的冲刷腐蚀模拟实验效果。工作电极铜棒9利用铜螺母二43与电化学工作站的工作电极端相连，辅助电极7和高温高压Ag/AgCl参比电极21通过信号传导通路分别与电化学工作站的对应接口相连。在控制箱上显示高压釜31内的压力、温度以及循环回路10的温度。