一种低速管道内腐蚀和电化学测试的简易模拟装置

摘要

本发明公开了一种低速管道内腐蚀和电化学测试的简易模拟装置，可实现低于75℃密闭不同腐蚀介质环境中小于1m/s流速管道内电化学测试及小于3m/s流速的管道内腐蚀模拟加速腐蚀试验。装置包括腐蚀溶液储循容器、溶液循环计量系统，模拟管道内腐蚀样品室以及电化学测试装置。腐蚀溶液容器主要储存大量溶液，溶液循环计量系统包括变频磁力泵和流量计，流量计可测定试验流速；模拟管道内腐蚀样品室之样品模拟管道内六点方向腐蚀等试验装置，电化学试验室包括电化学测试接口以及参比电极外引盐桥等。本发明大大减少硫化氢及其溶液的泄露，提高试验人员和环境的安全性，可方便准确模拟实际工况下管道内腐蚀及电化学参数测定，适用试验范围较广。

说明书

技术领域

本发明涉及低速流体包括湿硫化氢环境及其混合气体的腐蚀溶液以及油品、 模拟环境腐蚀电化学及腐蚀试验领域，具体为一种低速管道内腐蚀和电化学测试 的简易模拟装置，它可实现低于75℃密闭不同腐蚀介质环境中小于1m/s流速管 道内电化学测试及小于3m/s流速的管道内腐蚀模拟加速腐蚀试验。

背景技术

全球工业的能源供给主体依然是石化资源，随着经济建设的需求，含有不同 浓度的硫化氢、二氧化碳等腐蚀气氛的油田被开采，集输以及各类腐蚀溶液，腐 蚀性原油，成品油，化学试剂等以管道输运的方式送达到全国各地。管道内腐蚀 由于其隐蔽性而难于监控，目前常用的方法有：1，在输运管道上焊一段旁路用于 实验，2，采用旋转电极模拟相应的流速。对于方法1，试验条件和实际具有较好 的关联性，但是对试验条件的控制性相对较弱，介质选择上较为单一，使得对腐 蚀尤其在一定流速，温度以及介质对腐蚀的影响理解缺乏完整性，不利于建构完 整的理论和试验框架。对于方法2，测量电极的旋转所处的线速度并非真实的流 体速度，且釜内的溶液容易出现对流等。因此研究在相关特定设计流动介质中的 管道内腐蚀行为以及电化学表现及其内在规律，积累相关数据，为石油化工装置 的材料选用建构相应的标准具有重大的实际意义。

输运管道内腐蚀是管道运输中最常见，最隐蔽的，因腐蚀初期难于及时发现， 一旦监测到，则腐蚀处于快速发展阶段，管道往往处于失效的边缘，各类弥补措 施发挥的空间极为有限。在流动的腐蚀介质中腐蚀与流速的相关性主要表现在： 一定流速下金属表面的腐蚀产物膜层与金属基体的结合力与流体裹胁颗粒的冲刷 作用之间的对抗，一定流速下物质的输运对微生物生长，温度对于膜层结构、腐 蚀动力学、微生物生长，均具有决定性影响。目前尚未见到相关此类试验模拟装 置的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低速管道内腐蚀和电化学测试的简易模拟装置， 该装置可实现密闭常压条件和不太高温度下（25-75℃）包括湿硫化氢环境及其混 合气体的腐蚀溶液以及油品、模拟环境腐蚀溶液中小于1m/s流速管道内电化学测 试及小于3m/s流速的管道内腐蚀模拟加速腐蚀试验为研究石油化工材料在管道 输运中内腐蚀试验研究提供条件。

本发明的技术方案是：

一种低速管道内腐蚀和电化学测试的简易模拟装置，该装置包括腐蚀溶液储 循容器、模拟管道内腐蚀样品室和电化学测试室，所述腐蚀溶液储循容器为密闭 容器，其上设有出水口，出水管的一端连接有机玻璃管后通过出水口伸入储循容 器底部，出水管的另一端通过三通分成两个支路，两个支路分别连接模拟管道内 腐蚀样品室和电化学测试室后再合并成一路，即回水管，回水管的末端伸入腐蚀 溶液储循容器底部。

所述腐蚀溶液储循容器的上部设有上水管，用于将溶液注入储循容器内，上 水管上设有316L球阀Ⅱ；储循容器的底部设有放空溶液管路，用于排放储循容 器内的溶液；所述腐蚀溶液储循容器通过水浴锅控制其内溶液温度。

所述电化学测试室为长方体中空结构，测试样品、参比电极外引盐桥和对电 极分别通过电化学测试室上部所开的孔置入其内，各个孔通过胶塞密封；电化学 测试室上方和下方分别放置不锈钢板，上方和下方的不锈钢板之间通过螺栓连接 并使不锈钢板对胶塞压紧实现对电化学测试室的密封。

所述模拟管道内腐蚀样品室为筒状结构，筒状腐蚀样品室两端连接的管道内 设有固定螺栓，腐蚀试验样品为多个，相互之间用绳以相互绝缘的编织方式固定 在所述固定螺栓上，以模拟管道内腐蚀最为严重之六点方向的腐蚀状态。

所述出水管上设有变频磁力泵和液位排空管，液位排空管上设置316L球阀 Ⅲ；回水管上设有霍尔流量计。

所述腐蚀溶液储循容器内为常压、温度25-75℃条件下包括湿硫化氢环境及 其混合气体的腐蚀溶液以及油品、模拟环境腐蚀溶液等。

所述腐蚀溶液储循容器为有机玻璃材质，所述模拟管道内腐蚀样品室和电化 学测试室其材质均为有机玻璃；所述出水管和回水管为硅胶管或者PPR管；所述 放空溶液管路为有机玻璃管或PPR管。

所述腐蚀溶液储循容器上端还设有进气管、热电偶和出气管；进气管的一端 伸入储循容器内溶液下部，另一端接气瓶；热电偶的末端伸入储循容器内溶液中； 出气管一端伸入储循容器内但其末端在溶液上方，另一端接废气处理瓶。

所述腐蚀溶液储循容器底部连接放空溶液管路，放空溶液管路穿过水浴锅底 部，并在其末端设置316L球阀Ⅰ，放空溶液管路与水浴锅之间采取螺栓和密封 垫片密封。

所述变频磁力泵采用四氟或工程塑料磁力泵，磁力泵的出口液位至少低于储 循容器内溶液液面10cm，变频磁力泵的流速应控制在150L/min以内。

在连接管路上方2厘米处增加玻璃旋阀，以排空管路内气体使得进入电化学 测试室的石英管内腐蚀溶液和琼脂在石英管内实现电导通。

所述出水管分成的两个支路上，模拟管道内腐蚀样品室两端管路上分别设有 316L球阀Ⅳ，电化学测试室两端管路上分别设有316L球阀Ⅴ。

本发明设计原理如下：

本发明低速管道内腐蚀和电化学测试的简易模拟装置设有腐蚀溶液储循容 器、溶液循环计量系统，模拟管道内腐蚀样品室以及电化学测试装置。该装置的 腐蚀溶液储循容器、模拟管道内腐蚀样品室以及电化学测试室均为有机玻璃制成， 大量常压、温度25-75℃条件下包括湿硫化氢环境及其混合气体的腐蚀溶液以及 油品、模拟环境腐蚀溶液储存在储循容器，保障试验室温度和溶液的稳定，水浴 锅加热溶液实现溶液的温度控制，储循容器中的热电偶实现溶液实际温度的测量。

溶液循环计量系统采用四氟或工程塑料变频磁力泵循环，通往模拟管道内腐 蚀样品室和电化学测试室采用球阀控制。由于采用的溶液容器及其循环系统和模 拟管道内腐蚀样品室和电化学测试室均为绝缘材料构成，电化学测试室在增加外 联盐桥与参比电极连接后可实现不同温度、不同流速、不同介质中的电化学测量。 变频磁力泵没有自吸功能，在满足密闭的条件下，可采用打开液位排空管上316L 球阀实现磁力泵前端全充满腐蚀溶液，霍尔流量计可测定试验流速。模拟管道内 腐蚀样品室单独旁支，可在不中断试验的前提下实现电化学的试样更换。模拟管 道内腐蚀样品室采用相互绝缘的方式排布六点方向腐蚀试样，具备管道内腐蚀的 特征。

在电化学室上方的三个电极的橡胶塞上增加两对不锈钢板，两端采用紧固螺 栓夹紧固定，可实现电化学测试室的密闭性。其气体进口可与气体流量计相连， 亦可与混合气瓶连接实现不同浓度之要求。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明以有机玻璃，硅胶管为材料以及其他耐蚀辅助装置，制作简单方便， 成本低廉，外形美观，可简化实验过程和节省成本。

2、本发明的溶液容器可盛大量溶液，在多个模拟管道内腐蚀样品室串联可同 时实施多个试验，采用溶液串联可有效减少溶液浓度对试验的影响，降低试验数 据的误差，且在封闭循环有利于实现腐蚀溶液的温度稳定，为研究管道内腐蚀研 究创造了条件。

3、本发明的溶液室通过流量计测定气体流量，可以方便控制腐蚀溶液中的湿 硫化氢等腐蚀气氛中的含量，为不同条件的腐蚀研究创造了条件，且节约成本， 制作简单。

4、本发明的体积较小，结合恒温水浴可较为精确的控制模拟溶液的实验温度， 可实现低于75℃，而变频磁力泵在霍尔流量计的监测下，可实现多个速度的控制， 旁支的电化学测试室，在简单的外引盐桥支持下，可容易实现电化学快速评价和 相应电化学数据测试，实验过程非常便捷。

附图说明

图1为低速管道内腐蚀和电化学测试的简易模拟装置整体视图；

图2为管道内腐蚀试验样品排布图；

图3为低速管道内腐蚀和电化学测试的简易模拟装置中电化学测试室的A-A 剖面图；

图4为低速管道内腐蚀和电化学测试的简易模拟装置中电化学测试室的俯视 图；

图5为低速管道内腐蚀和电化学测试的简易模拟装置中参比电极盐桥引出装 置图。

图中：1-316L球阀Ⅰ；2-放空溶液管路；3-密封螺栓；4-密封垫片；5-水浴锅； 6-腐蚀溶液储循容器；7-进气管；8-液位排空管；9-316L球阀Ⅱ；10-上水管；11- 有机玻璃管；12-出气管；13-变频磁力泵；14-316L球阀Ⅲ；15-出水管；16-三通； 17-316L球阀Ⅳ；18-316L球阀Ⅴ；19-电化学测试室；20-胶塞；21-不锈钢板；22- 参比电极外引盐桥；23-回水管；24-连接固定绳；25-铂电极（对电极）；26-工作 电极（测试样品）；27-霍尔流量计；28-模拟管道内腐蚀样品室；29-固定螺栓Ⅰ； 30-试样片（腐蚀试验样品）；31-固定螺栓Ⅱ；32-琼脂；33-玻璃旋阀；34-石英玻 璃管；35-热电偶。

具体实施方式

如图1-5所示，本发明低速管道内腐蚀和电化学测试的简易模拟装置包括腐 蚀溶液储循容器6、模拟管道内腐蚀样品室28和电化学测试室19，腐蚀溶液储循 容器6为密闭容器，其上端设有出水口，有机玻璃管11通过出水口伸入储循容器 6底部，有机玻璃管11外接出水管15的一端，出水管15上依次设置变频磁力泵 13和液位排空管8后通过三通16分成两个支路，两个支路分别连接模拟管道内 腐蚀样品室28和电化学测试室19后再通过三通16合并成一路，即回水管23， 回水管23上设有霍尔流量计27，回水管23的末端伸入腐蚀溶液储循容器6底部。 所述变频磁力泵13采用四氟或工程塑料磁力泵，磁力泵的出口液位至少低于储循 容器6内溶液液面10cm，变频磁力泵的流速应控制在150L/min以内。出水管15 通过一个三通16连接液位排空管8，液位排空管8上设置316L球阀Ⅲ14。所述 出水管15和回水管23为硅胶管或者PPR管；

所述腐蚀溶液储循容器6内为常压、温度25-75℃条件下包括湿硫化氢环境 及其混合气体的腐蚀溶液以及油品、模拟环境腐蚀溶液等。腐蚀溶液储循容器6 为有机玻璃材质，通过水浴锅5控制其内溶液温度。所述腐蚀溶液储循容器6的 上部设有上水管10，用于将溶液注入储循容器6内，上水管10上设有316L球阀 Ⅱ9；放空溶液管路2位于腐蚀溶液储循容器6正下方并与腐蚀溶液储循容器6 底部相连接，用于排放储循容器6内的溶液，放空溶液管路2穿过水浴锅5底部， 通过水浴锅5底部采取密封螺栓3和密封垫片4密封，放空溶液管路2为有机玻 璃管或PPR管，其末端设置316L球阀Ⅰ1。腐蚀溶液储循容器6上部为一体粘结 而成的进气管7、出气管12和温度热电偶测试管口，进气管7的一端伸入储循容 器6内溶液下部，另一端接气瓶；出气管12一端伸入储循容器6内但其末端在溶 液上方，另一端接废气处理瓶。所述温度热电偶测试管口为有机玻璃半空管，底 部伸入溶液内，上部开口插入PT100热电偶35。

所述电化学测试室19为有机玻璃材质的长方体中空结构，测试样品（26）、 参比电极外引盐桥（22）和对电极（25）分别通过电化学测试室（19）上部所开 的孔置入其内，各个孔通过胶塞（20）密封；电化学测试室（19）上方和下方分 别放置不锈钢板（21），上方和下方的不锈钢板（21）之间通过固定螺栓Ⅱ（31） 连接并使不锈钢板（21）对胶塞（20）压紧实现对电化学测试室（19）的密封；

测试样品26通过在其上部所开的孔置于电化学测试室19中，而参比电极外 引盐桥22和对电极25亦是通过在其上部所开的对应的孔置入其中，各个孔通过 各自的胶塞20密封，然后在胶塞20上以及相对应的电化学测试室19的底部放置 不锈钢板21压实密封，上下不锈钢板21之间通过固定螺栓Ⅱ31固定连接，电化 学测试室19两端连接管路上分别设有316L球阀Ⅴ18。在连接管路上2厘米处增 加玻璃旋阀33，以排空管路内气体使得进入电化学测试室19的石英管34内腐蚀 溶液和琼脂32在石英管内实现电导通。

模拟管道内腐蚀样品室28为有机玻璃材质的筒状结构，筒状腐蚀样品室28 两端连接的管道内设有固定螺栓Ⅰ29，腐蚀试验样品30之间用绳24以相互绝缘 的方式编织并固定在两侧管道的固定螺栓Ⅰ29上，以模拟管道内腐蚀最为严重之 六点方向的腐蚀状态，模拟管道内腐蚀样品室28两端管路上分别设有316L球阀 Ⅳ17。

在上述管路连接紧固后，将电化学测试样品安装且固定好相应紧固螺栓31， 随后将参比电极引出盐桥和铂电极插入胶塞后固定在电化学测试室对应的位置且 固定好相应紧固螺栓31。模拟管道内腐蚀样品室28中腐蚀样品30的安装应早于 整体管路的连接，采用样品相互绝缘的方式固定在模拟管道内腐蚀样品室，后连 接两端的硅胶管后用卡箍固定密闭。

在样品安装到位后，关闭腐蚀溶液储循容器6的排空管上的316L球阀Ⅰ1， 打开上水管10上面的316L球阀Ⅱ9注入15-25L溶液，具体由所进行试验的周期 和腐蚀性灵活决定，后关闭除316L球阀Ⅲ14外的所有316L球阀以及玻璃旋阀， 采用从出气口充气增压的方式使得出水管15充满溶液，关闭316L球阀Ⅲ14，将 水浴锅的温度设定相应的温度，插入PT100热电偶，连接相应的气瓶和尾气接收 装置，后根据要求是否除氧，再充入相应比例的气体。

连接霍尔流量计，开启计量，为了试验的连续性，一般会并联2组以上的模 拟管道内腐蚀样品室。实验前开启一组空置的管道内腐蚀样品室，如果当前试验 为电化学测试则打开电化学测试室19两侧的316L球阀17，关闭空置的模拟管道 内腐蚀样品室两边的316L球阀18，调节变频磁力泵以实现要求的流速，开始电 化学试验。对于模拟管道内腐蚀试验是同样的思路。

实施例1：

本实施例中，在安装相应的试样后，在腐蚀溶液储循容器中倒入20L NACE A 溶液(5wt%NaCl+0.5wt%HAc)，将水浴锅设定温度为24℃，关闭316L球阀9， 排空磁力泵前端空气使之充满溶液，通入100-200ml/min N2两小时以除去溶液中 的溶解氧，后根据试验要求采取200ml/min的速度往溶液中充入H2S；以1m/s 的流速开始测试电化学相应的电位时间曲线，动电位极化曲线等，后将模拟管道 内腐蚀样品室两边的球阀打开，关闭电化学测试室两边球阀，开启长时间的1m/s 流速下的腐蚀试验。