CN113324865A - 一种液固两相流管路冲刷腐蚀试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属腐蚀防护领域，涉及一种液固两相流管路冲刷腐蚀试验装置，主体结构包括水箱、实验管道、振动平台、测试弯管和电化学工作站，透明的实验管道能够直观的观察固体颗粒的运动情况，可拆卸的测试弯管内壁布置的若干个凹槽测点为测试不同部位的冲刷腐蚀形貌、冲刷腐蚀失重量和冲刷腐蚀电化学特征提供基础，通过多通道电化学工作站获取每个测点位置处的冲刷电化学腐蚀特征，加装高速摄像机可拍摄固体颗粒的运动和碰撞过程；其结构简单，能够测试振动环境中含固体颗粒管路的冲刷腐蚀形貌、冲刷腐蚀失重量和电化学腐蚀特征，当主体结构去除振动平台后，能够适用于非振动环境下的液固两相流管路冲刷腐蚀试验。
Description
技术领域：
本发明属于金属腐蚀防护领域，涉及一种液固两相流管路冲刷腐蚀试验装置，在振动环境中，实现两相流管路中固体颗粒运动观测、弯管不同位置处冲刷腐蚀形貌测试、冲刷腐蚀失重测试和电化学腐蚀特征测试。
背景技术：
含有固体颗粒的腐蚀性流体与材料表面碰撞会导致材料冲刷腐蚀，冲刷腐蚀广泛存在于石油、化工、船舶、水利等行业中，暴露在运动流体中的设备，都会遭到冲刷腐蚀，在含固体颗粒的多相流中，破坏更为严重，造成零部件、管道等损坏，导致设备失效、管道泄漏，严重威胁装备安全。在船舶行业，海水管路系统由主机冷却系统、辅机冷却系统、消防灭火系统管系、舱底疏水系统管系等十多个分系统组成，承担着冷却和消防等重要任务，分布极其广泛，服役环境非常工况复杂多变，动静交替，流速、流态、温度、固体颗粒等均有较大差异。由于船舶航行海域海水环境复杂，特别是航行经过泥沙含量较高的海域时，海水管路中易吸入泥沙等固体杂物，在含固体杂物的海水高流速冲刷下，出现穿孔泄漏，使得船舶不得不回到船坞进行维修，严重影响船舶的远海航行。
船舶高航速、高机动性与高负载性能实现，需要海水管路系统提高供给流量作为保障，对最大允许流速提出了更高的要求。目前以铜镍合金为代表的二代海水管路最大设计流速不超过3.6m/s，但其未考虑海水多因素影响，在动态海水和泥沙共同作用下，即使在较低流速下，紫铜和铜镍合金管路系统也会发生严重的冲刷腐蚀破坏。对于正在发展的第三代钛合金海水管路系统，其耐泥沙海水冲刷腐蚀性能研究几乎处于空白，动态海水环境适应性数据严重匮乏。另外，船舶航行时，船舶因动力装置运转、流体脉动等因素不可避免会产生振动现象，其中低频次周期性振动能量大、传播远，导致海水管内流场变化。细小的固体颗粒透过过滤器被吸入海水系统，形成海水-固体颗粒两相流动，振动壁面与管内流场形成流固耦合，互为激励源，两相流流动特性发生变化，管道磨蚀状况更加复杂，难以预测。壁面振动会改变固体颗粒的运动轨迹和撞击强度，对其冲蚀磨损壁面产生重大影响。一旦海水管路因压力突变或磨损过快而失效，冷却海水无法到达中央冷却器对主机和辅机等装置进行冷却，消防系统和压载调节也无法正常工作，造成全船动力系统瘫痪。由于振动环境下两相流冲刷腐蚀问题严重影响到海水管路系统的使用寿命，威胁船舶的航行安全，亟需设计对海水管路在振动环境下的冲刷腐蚀进行研究试验装置和测试方法，从而预测管路失效部位，进而指导海水管路系统设计，提高海水管路系统安全性和稳定性。
目前，对冲刷腐蚀进行试验研究的试验装置包括旋转式冲刷试验装置、射流式冲刷试验装置和管流式冲刷试验装置：旋转式冲刷试验装置主要针对的是液固两相流，测试用溶液量小、操作简单、测试周期短、稳定性高，但是浆体浓度不均匀，容易产生涡流，数据可信度低；射流式冲刷装置可以很好地控制冲击流速、颗粒冲角和颗粒浓度等参数，但是不能很好地模拟实际工况条件，冲刷腐蚀效果比实际情况更严重；管流式冲刷腐蚀试验装置可以很好地模拟管内实际工况并有良好的流体力学模型支持，但是极少考虑振动工况。另外，对于管道弯头部位冲刷腐蚀速率测试主要是测试整个弯头重量损失或者在弯头外拱中心线、弯头45°部位选取少数几个测点测量试样失重量，无法获取整个弯头的冲刷腐蚀分布，对于弯头附近直管段的冲刷腐蚀试验更是鲜有研究。受测量技术、试验成本和海水-砂粒两相流的自身特点限制，现有技术和文献中还没有可以测量振动环境下液固两相流冲刷腐蚀试验的装置。因此，为了评估冲刷-振动耦合作用下管道两相流冲刷腐蚀性能，设计一种振动环境中液固两相流管路冲刷腐蚀试验装置，以测试弯管在不同位置处的冲刷腐蚀形貌、冲刷腐蚀失重量和冲刷腐蚀电化学腐蚀特征，观测固体颗粒运动、颗粒分布，对于揭示冲刷-振动耦合作用下管道的冲刷腐蚀机理、保障管路安全运行具有重要意义。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，研发设计一种液固两相流管路冲刷腐蚀试验装置，分析和研究金属管路在振动环境中含固体颗粒两相流工况下的冲刷腐蚀问题。
为了实现上述目的，本发明涉及的液固两相流管路冲刷腐蚀试验装置的主体结构包括水箱、实验管道、振动平台、测试弯管和电化学工作站；由水箱引出的实验管道与设置在振动平台上的测试弯管连接后回到水箱形成环形结构，测试弯管与独立设置的电化学工作站连接。
本发明涉及的水箱内设置有搅拌器；水箱与测试弯管之间的实验管道上沿介质方向依次设置有球阀、耐腐耐磨泵、止回阀、电磁流量计和隔膜压力表；实验管道与测试弯管螺栓式连接；测试弯管后端的实验管道上设置有取样阀。
本发明涉及的测试弯管由内拱和外拱组成，内拱和外拱的端部均设置有一半的法兰，一半的法兰与内拱或外拱为一体式结构，测试弯管包括弯头、上游直管段和下游直管段三部分，测试弯管的内壁设置有若干个放置实验试样的凹槽，外拱上开设有参比电极预留孔和辅助电极预留孔；实验管道通过螺栓和法兰与测试弯管实现连接。
本发明涉及的实验试样的长度、宽度和厚度尺寸与凹槽的长度、宽度和厚度尺寸匹配，实验试样粘贴固定在凹槽中后与测试弯管的内壁平齐，确保介质的流动不受影响。
本发明涉及的液固两相流管路冲刷腐蚀试验装置实验时，为了便于分析，根据所处位置对实验试样进行编号；采用电子天平称量实验试样试验前后的重量，根据公式：
计算冲刷腐蚀速率，式中，VEC为冲刷腐蚀速率，单位为mm/a；w0为试验前实验试样的质量，单位为g；w1为冲刷腐蚀后实验试样的质量，单位为g；S为实验试样的工作面积，单位为m2；t为冲刷腐蚀进行的时间，单位为a；ρw为实验试样的密度，单位为kg/m3；通过显微技术研究金属表面的形貌：采用三维视频显微镜观察实验试样冲刷腐蚀后的宏观形貌，并测量最大腐蚀坑深度；采用电子扫描显微镜观察冲刷腐蚀微观形貌；采用多通道电化学工作站测试实验试样的开路电位、极化和阻抗特征。
本发明涉及的液固两相流管路冲刷腐蚀试验装置的主体结构去除振动平台后适用于非振动环境。
本发明与现有技术相比，透明的实验管道能够直观的观察固体颗粒的运动情况，可拆卸的测试弯管内壁布置的若干个凹槽测点为测试不同部位的冲刷腐蚀形貌、冲刷腐蚀失重量和冲刷腐蚀电化学特征提供基础，通过多通道电化学工作站获取每个测点位置处的冲刷电化学腐蚀特征，加装高速摄像机可拍摄固体颗粒的运动和碰撞过程；其结构简单，能够测试振动环境中含固体颗粒管路的冲刷腐蚀形貌、冲刷腐蚀失重量和电化学腐蚀特征。
附图说明：
图1为本发明的主体结构原理示意图。
图2为本发明涉及的测试弯管的结构示意图。
图3为本发明涉及的外拱的结构示意图。
图4为本发明涉及的内拱的结构示意图。
图5为本发明涉及的实验试样与螺杆的连接关系示意图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步描述。
实施例1：
本实施例涉及的液固两相流管路冲刷腐蚀试验装置的主体结构如图1所示，包括水箱1、实验管道2、振动平台3、测试弯管4、搅拌器5、球阀6、耐腐耐磨泵7、止回阀8、电磁流量计9、隔膜压力表10、电化学工作站11和取样阀12；其中，水箱1和搅拌器5配合构成介质贮存混合系统，提供连续稳定的液固两相流介质；可视化的实验管道2、测试弯管4、球阀6、配置有变频电机的可输送固体颗粒的耐腐耐磨泵7、止回阀8和取样阀12配合构成液固两相流输送环道，能够观察两相流的流态和固体颗粒的运动轨迹情况，通过调节耐腐耐磨泵7的转速调节介质的流速；振动平台3作为振动激励系统，使测试弯管4沿垂直或水平方向振动；电化学工作站11作为电化学测试系统，同时测试多个不同部位处的电化学腐蚀特征；外接的计算机、电磁流量计9和隔膜压力表10配合构成数据采集系统，监测参数包括振动工况、流量(转换成流速)和测试弯管4的流动压力；由水箱1引出的实验管道2与设置在振动平台3上的测试弯管4连接后回到水箱1形成环形结构；水箱1内设置有搅拌器5，水箱1与测试弯管4之间的实验管道2上沿介质方向依次设置有球阀6、耐腐耐磨泵7、止回阀8、电磁流量计9和隔膜压力表10，测试弯管4与独立设置的电化学工作站11连接，测试弯管4后端的实验管道2上设置有取样阀12；测试弯管4由内拱41、外拱42和一体式结构的法兰43构成，包括弯头、上游直管段和下游直管段三部分，内拱41的内壁设置有15个凹槽44，外拱42的内壁设置有21个凹槽44，外拱42上还开设有参比电极预留孔45和辅助电极预留孔46；其中，凹槽44用于放置实验试样100，以测试不同位置处的冲刷腐蚀形貌和冲刷腐蚀失重量，将实验试样100与螺杆200连接，螺杆200穿过凹槽44后与螺母300连接。
本实施例涉及的测试弯管4是高耐磨材料(高分子聚乙烯)制作的可重复拆装使用的水平弯管，以防止含固体颗粒试验介质不断冲击测试弯管4造成管壁磨损，使其在实验过程中，形状无明显变化，测试弯管4的公称直径为DN50(内径为54mm)，弯径比为1.33。
实施例2：
本实施例涉及的液固两相流管路冲刷腐蚀试验装置实验时，具体工艺过程分为实验前准备、冲刷腐蚀实验和实验后处理三个阶段：
检查密封性，打开耐腐耐磨泵7向实验管道2注入海水，验证管道连接性是否完好，是否存在泄漏情况，排出空气，防止混入空气形成三相流对耐腐耐磨泵7产生气蚀破坏；同时，将B10铜镍合金切割成的规格为8mm×6mm×5mm的长方体，在长方体上开设供螺杆200穿过的螺孔，用丙酮进行除油，并清理螺孔内的油污，再用240#-1000#水磨砂纸打磨表面，用无水乙醇清洗、脱水后置于真空干燥箱内干燥12h，得到实验试样100；采用精度为0.01mg的电子天平称量实验试样100实验前的质量；然后，使用游标卡尺测量实验试样100的尺寸，实验试样100的工作面积为48mm2；将螺杆200旋入实验试样100，用704硅胶将实验试样100逐个涂封在凹槽44内，将内拱41和外拱42胶装连接成测试弯管4，将测试弯管4置于在通风处至少24h，待硅胶充分固化；
取天然海水为实验用水，取石英砂为实验用砂(对石英砂进行除渣杂、酸洗和干燥操作，用筛子筛选出粒径为100μm的带有棱角的石英砂)；每次实验前，将石英砂加入水箱1，使水箱1中石英砂的质量分数为1％，实验开始时，开启搅拌器5，使天然海水与石英砂混合均匀形成混合物流体，耐腐耐磨泵7将混合物输送进入实验管道2，为保证混合物流体流速的准确性和稳定性，通过调整与耐腐耐磨泵7外接的变频器的参数调节耐腐耐磨泵7的频率，并根据流量、压力、温度进行相应计算，使实验管道2中的介质流速稳定在实验要求的数值；记录冲刷腐蚀开始时间，监测流量和压力参数，观察混合物流体的流动状态，冲刷腐蚀实验时间为72h；
试验内容分为三部分，第一部分是验证振动参数变化对测试弯管4冲刷腐蚀的影响，此时海水-砂粒两相流的流量和流速参数都是固定值，在保证初始值精确度的前提下，逐一改变振动参数，测试每一工况点对应的冲刷腐蚀速率：由于介质循环过程中，砂粒碰撞破碎，粒径变小，在每次试验结束后，更换石英砂和海水；第二部分是验证振动环境中流速变化对测试弯管4冲刷腐蚀速率的影响，此时控制石英砂的质量分数，调节介质的流速，即可分析流速对冲刷腐蚀的影响；第三部分是研究振动环境中石英砂的质量分数，即石英砂流量对测试弯管4冲刷腐蚀的影响，此时控制介质的流速，调节石英砂的质量分数即可；
试验过程中，每隔设定的时间段，开启取样阀12进行取样，分析石英砂的质量分数，确保其在实验过程中保持准确和稳定；使用电磁流量计9测试介质流量，实时采集数据，并在外接的计算机中计算获取实时流速，采用长周期采集数据的平均值作为介质的流速值，通过可视化实验管道2观察石英砂的运动状态和分布情况，分析石英砂碰撞和聚集规律；
实验后，将测试弯管4取下，先用去离子水清除测试弯管4内壁的杂物，按照标号顺序将实验试样100逐一取出，去除实验试样100周围的硅胶，保证硅胶无残留，清除实验试样100背部螺杆200穿越孔内的杂物，再用沾有无水乙醇的脱脂棉擦拭，确保硅胶和杂物清理干净，将实验试样100置于真空干燥箱干燥12h后取出，用电子天平称量实验试样100实验后的重量；为减少实验误差，每组实验工况进行一次平行实验，每次实验结束后更换天然海水和石英砂，取两次实验结果的平均值为冲刷腐蚀速率。
本实施例涉及的液固两相流管路冲刷腐蚀试验装置的失重-腐蚀形貌试验与电化学测试实验分开独立进行，因为电化学测试实验过程会对实验试样100的表面腐蚀形貌造成影响；二者的实验条件和步骤相同，不同的是进行电化学测试实验时，根据实验需求，控制每组实验冲刷腐蚀时间，采用三电极系统，多通道电化学工作站11连接测试弯管4的实验试样100，同时测试不同位置处的电化学腐蚀特征，包括开路电位、极化曲线和阻抗谱；据不同工况环境下的冲刷腐蚀形貌、腐蚀速率、电化学腐蚀特征，分析冲刷腐蚀机理。
Claims (9)
1.一种液固两相流管路冲刷腐蚀试验装置，其特征在于，主体结构包括水箱、实验管道、振动平台、测试弯管和电化学工作站；由水箱引出的实验管道与设置在振动平台上的测试弯管连接后回到水箱形成环形结构，测试弯管与独立设置的电化学工作站连接。
2.根据权利要求1所述的液固两相流管路冲刷腐蚀试验装置，其特征在于，水箱内设置有搅拌器；水箱与测试弯管之间的实验管道上沿介质方向依次设置有球阀、耐腐耐磨泵、止回阀、电磁流量计和隔膜压力表；实验管道与测试弯管螺栓式连接；测试弯管后端的实验管道上设置有取样阀。
3.根据权利要求1或2所述的液固两相流管路冲刷腐蚀试验装置，其特征在于，测试弯管由内拱和外拱组成，内拱和外拱的端部均设置有一半的法兰，一半的法兰与内拱或外拱为一体式结构，测试弯管包括弯头、上游直管段和下游直管段三部分，测试弯管的内壁设置有若干个放置实验试样的凹槽，外拱上开设有参比电极预留孔和辅助电极预留孔；实验管道通过螺栓和法兰与测试弯管实现连接。
4.根据权利要求1所述的液固两相流管路冲刷腐蚀试验装置，其特征在于，测试弯管是耐磨材料制作的可重复拆装使用的水平弯管，测试弯管的公称直径为DN50，弯径比为1.33。
5.根据权利要求3所述的液固两相流管路冲刷腐蚀试验装置，其特征在于，实验试样的长度、宽度和厚度尺寸与凹槽的长度、宽度和厚度尺寸匹配，实验试样粘贴固定在凹槽中后与测试弯管的内壁平齐。
6.根据权利要求5所述的液固两相流管路冲刷腐蚀试验装置，其特征在于，实验时，根据所处位置对实验试样进行编号；采用电子天平称量实验试样试验前后的重量，根据公式：
计算冲刷腐蚀速率，式中，VEC为冲刷腐蚀速率，单位为mm/a；w0为试验前实验试样的质量，单位为g；w1为冲刷腐蚀后实验试样的质量，单位为g；S为实验试样的工作面积，单位为m2；t为冲刷腐蚀进行的时间，单位为a；ρw为实验试样的密度，单位为kg/m3；通过显微技术研究金属表面的形貌：采用三维视频显微镜观察实验试样冲刷腐蚀后的宏观形貌，并测量最大腐蚀坑深度；采用电子扫描显微镜观察冲刷腐蚀微观形貌；采用多通道电化学工作站测试实验试样的开路电位、极化和阻抗特征。
7.根据权利要求1所述的液固两相流管路冲刷腐蚀试验装置，其特征在于，主体结构去除振动平台后适用于非振动环境。
8.根据权利要求6所述的液固两相流管路冲刷腐蚀试验装置，其特征在于，具体工艺过程分为实验前准备、冲刷腐蚀实验和实验后处理三个阶段：
检查密封性，打开耐腐耐磨泵向实验管道注入海水，验证管道连接性是否完好，是否存在泄漏情况，排出空气，防止混入空气形成三相流对耐腐耐磨泵产生气蚀破坏；同时，将B10铜镍合金切割成的规格为8mm×6mm×5mm的长方体，在长方体上开设供螺杆穿过的螺孔，用丙酮进行除油，并清理螺孔内的油污，再用240#-1000#水磨砂纸打磨表面，用无水乙醇清洗、脱水后置于真空干燥箱内干燥12h，得到实验试样；采用精度为0.01mg的电子天平称量实验试样实验前的质量；然后，使用游标卡尺测量实验试样的尺寸，实验试样的工作面积为48mm2；将螺杆旋入实验试样，用704硅胶将实验试样逐个涂封在凹槽内，将内拱和外拱胶装连接成测试弯管，将测试弯管置于在通风处至少24h，待硅胶充分固化；
取天然海水为实验用水，取石英砂为实验用砂；每次实验前，将石英砂加入水箱，使水箱中石英砂的质量分数为1％，实验开始时，开启搅拌器，使天然海水与石英砂混合均匀形成混合物流体，耐腐耐磨泵将混合物输送进入实验管道，通过调整与耐腐耐磨泵外接的变频器的参数调节耐腐耐磨泵的频率，并根据流量、压力、温度进行相应计算，使实验管道中的介质流速稳定在实验要求的数值；记录冲刷腐蚀开始时间，监测流量和压力参数，观察混合物流体的流动状态，冲刷腐蚀实验时间为72h；
试验内容分为三部分，第一部分是验证振动参数变化对测试弯管冲刷腐蚀的影响，此时海水-砂粒两相流的流量和流速参数都是固定值，在保证初始值精确度的前提下，逐一改变振动参数，测试每一工况点对应的冲刷腐蚀速率：由于介质循环过程中，砂粒碰撞破碎，粒径变小，在每次试验结束后，更换石英砂和海水；第二部分是验证振动环境中流速变化对测试弯管冲刷腐蚀速率的影响，此时控制石英砂的质量分数，调节介质的流速，即可分析流速对冲刷腐蚀的影响；第三部分是研究振动环境中石英砂的质量分数，即石英砂流量对测试弯管冲刷腐蚀的影响，此时控制介质的流速，调节石英砂的质量分数即可；
试验过程中，每隔设定的时间段，开启取样阀进行取样，分析石英砂的质量分数，确保其在实验过程中保持准确和稳定；使用电磁流量计测试介质流量，实时采集数据，并在外接的计算机中计算获取实时流速，采用长周期采集数据的平均值作为介质的流速值，通过可视化实验管道观察石英砂的运动状态和分布情况，分析石英砂碰撞和聚集规律；
实验后，将测试弯管取下，先用去离子水清除测试弯管内壁的杂物，按照标号顺序将实验试样逐一取出，去除实验试样周围的硅胶，保证硅胶无残留，清除实验试样背部螺杆穿越孔内的杂物，再用沾有无水乙醇的脱脂棉擦拭，确保硅胶和杂物清理干净，将实验试样置于真空干燥箱干燥12h后取出，用电子天平称量实验试样实验后的重量；为减少实验误差，每组实验工况进行一次平行实验，每次实验结束后更换天然海水和石英砂，取两次实验结果的平均值为冲刷腐蚀速率。
9.根据权利要求6或8所述的液固两相流管路冲刷腐蚀试验装置，其特征在于，失重-腐蚀形貌试验与电化学测试实验分开独立进行；二者的实验条件和步骤相同，不同的是进行电化学测试实验时，根据实验需求，控制每组实验冲刷腐蚀时间，采用三电极系统，多通道电化学工作站连接测试弯管的实验试样，同时测试不同位置处的电化学腐蚀特征，包括开路电位、极化曲线和阻抗谱；据不同工况环境下的冲刷腐蚀形貌、腐蚀速率、电化学腐蚀特征，分析冲刷腐蚀机理。
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