CN114935536B - 一种带压变径管段动态原位电化学测试实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带压变径管段动态原位电化学测试实验装置，包括电化学工作站和变径管，变径管上设有多个内外贯穿的检测孔，多个检测孔处分别安装有检测机构；电化学工作站可通过线缆与其中任意一个检测机构连接。本发明的有益效果是结构简单，设计合理，拆装方便，其可实时监测带压冲刷腐蚀环路中变径管段不同位置工作电极的动态原位电化学测试信号，如开路电位、极化曲线、电化学阻抗等，以便为变径管段的高压冲刷腐蚀机理提供一定的理论基础。
Description
技术领域
本发明涉及电化学测试技术领域，具体涉及一种带压变径管段动态原位电化学测试实验装置。
背景技术
石油和天然气化工工业中，油气集输管线的高压冲刷腐蚀广泛存在，高压冲刷腐蚀是高压条件下电化学腐蚀和机械冲刷共同作用而导致的材料失效行为。尤其是腐蚀性流体流经集输管线的薄弱环境变径管时，管径在变径管段处发生改变，管内压力和流体动力学性质发生变化，变径管段的冲刷腐蚀损伤较直管更严重，不同位置的电化学腐蚀性行为也存在较大差异。
目前，高压电化学腐蚀测试一般采用高压反应釜，配合商业的测量电极对油气田高压环境的金属材料进行电化学腐蚀测试。但采用高压釜通常是对静态条件下材料的腐蚀行为进行模拟监测，动态条件下的电化学腐蚀行为有别于静态条件。即使采用高压釜模拟动态条件下的腐蚀行为，冲刷流动仅靠外圆筒和转子之间较小缝隙实现，转子高速旋转带动该部分介质旋转流动，与油气田集输管线的实际冲刷腐蚀工况差别很大。固体颗粒因重力作用而沉积在转子底部，冲刷腐蚀过程中并没有真实发挥冲击材料表面的作用。因而高压转子旋转系统并不能精确的反应集输管线内的物种传质过程和流体动力学特征。另外，采用商用测量电极如美国CORTEST公司或者日本东伸公司提供的电极价格比较高。因此，有必要在高压冲刷腐蚀管路中进行动态原位电化学测试以真实模拟变径管段处的冲刷腐蚀及电化学腐蚀行为及规律。但在高压环路中实现动态原位电化学测试对电化学测试结构设计的密封性以及耐高压性能要求更严苛，现有的电化学测试装置无法完全满足高压、易拆换和严密封性条件，测试数据与实际数据存在偏差，导致测量装置获取电化学数据准确度低，且无法简便重复使用，因而不容易实现环路中电化学信号的测量。另外，对变径管不同位置实现固液两相流下的动态原位电化学测试对电极结构提出了更高的要求。因此，高压环路中电化学信号装置的缺乏影响了对变径管段高压冲刷腐蚀行为及机理的深入研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种带压变径管段动态原位电化学测试实验装置，旨在解决现有技术中的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种带压变径管段动态原位电化学测试实验装置，包括电化学工作站和变径管，所述变径管上设有多个内外贯穿的检测孔，多个所述检测孔处分别安装有检测机构；所述电化学工作站可通过线缆与其中任意一个所述检测机构连接。
本发明的有益效果是：测试时，首先，可人工手动将其中任意一个检测机构通过线缆与电化学工作站连接；然后，电化学工作站通过对应的检测机构检测变径管对应位点处的相关参数如开路电位；检测完成后，手动断开该检测机构与电化学工作站之间的连接，按照上述的操作步骤对下一个检测位点处的相关参数进行检测，依次类推，完成变径管多个检测位点相关参数的检测；最后，根据检测的相关参数分析判断变径管不同部位的腐蚀情况。本发明结构简单，设计合理，拆装方便，其可实时监测带压冲刷腐蚀环路中变径管段不同位置工作电极的动态原位电化学测试信号，如开路电位、极化曲线、电化学阻抗等，以便为变径管段的高压冲刷腐蚀机理提供一定的理论基础。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，每个所述检测机构均包括连接座，所述连接座安装在对应的所述检测孔处，其内间隔固定安装有工作电极、参比电极和辅助电极；所述工作电极、所述参比电极和所述辅助电极可分别通过线缆与所述电化学工作站连接。
采用上述进一步方案的有益效果是测试时，首先，可人工手动将工作电极、参比电极和辅助电极分别通过线缆与电化学工作站连接；然后，电化学工作站通过工作电极、参比电极和辅助电极分别检测变径管对应位点处的相关参数如开路电位；检测完成后，手动断开工作电极、参比电极和辅助电极与电化学工作站之间的连接，按照上述的操作步骤对下一个检测位点处的相关参数进行检测，依次类推，完成变径管多个检测位点相关参数的检测；最后，根据检测的相关参数分析判断变径管不同部位的腐蚀情况，操作简便，省时省力。
进一步，多个所述检测孔分别对应的与多个固定套的一端固定连接，多个所述固定套的另一端分别延伸至所述变径管外；所述连接座插入对应的所述固定套内并可拆卸连接。
采用上述进一步方案的有益效果是安装时，连接座直接插入对应的固定套内并与该固定套可拆卸连接，密封性良好，且拆装方便，省时省力。
进一步，所述连接座的一端插入对应的所述固定套内并延伸至对应的所述检测孔处，且其一端呈与所述变径管内壁外形匹配的弧形结构。
采用上述进一步方案的有益效果是结构简单，设计合理，进一步提高连接座与变径管之间的密封性，保证实验的正常进行。
进一步，所述连接座的一端插入对应的所述固定套内，另一端固定套设有螺帽，所述螺帽与对应所述固定套的另一端螺纹连接。
采用上述进一步方案的有益效果是安装时，连接座通过螺帽与对应的固定套连接，拆装方便是，省时省力。
进一步，所述连接座的另一端固定套设有密封垫套，所述密封垫套位于所述螺帽内，且其紧贴对应所述固定套另一端的端面。
采用上述进一步方案的有益效果是结构简单，设计合理，连接座通过螺帽与对应的固定套连接，并通过密封垫套做进一步密封，密封效果较佳，进一步提高连接座与变径管之间的密封性，保证实验的正常进行。
进一步，每个所述固定套均呈一端细、另一端粗的结构，其细端与所述变径管对应所述检测孔处的部位固定连接，所述螺帽与所述固定套的粗端螺纹连接。
采用上述进一步方案的有益效果是结构简单，设计合理，方便与连接座上的螺帽配合，实现连接座的快速拆装，同时可保证该检测孔处的密封性，保证实验的正常进行。
进一步，所述连接座内设有三个两端均敞口的通道，所述工作电极、所述参比电极和所述辅助电极分别固定安装在三个所述通道内并靠近所述连接座的一端，其一端分别呈弧形结构并贴近所述变径管的内壁，另一端分别与三根所述线缆的一端连接，三根所述线缆的另一端分别延伸至所述连接座另一端的端部外。
采用上述进一步方案的有益效果是结构简单，设计合理，方便安装工作电极、参比电极和辅助电极，以便完成变径管多个检测位点处相关参数的检测。
进一步，多个所述检测孔沿所述变径管的轴向两两相对分布。
采用上述进一步方案的有益效果是结构简单，分布合理，方便对变径管不同检测位点处的相关参数进行检测，方便获知变径管各个部位的腐蚀情况。
进一步，所述变径管的管径沿其轴向逐渐变小或变大。
采用上述进一步方案的有益效果是结构简单，方便多个检测机构的分布。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中检测机构的透视图；
图3为本发明中检测机构的端部结构示意图；
图4为本发明中检测机构的内部结构示意图；
图5为本发明中流速4m/s压力1MPa温度60℃下碳钢电极的线性极化；
图6为本发明中流速4m/s压力1MPa温度60℃下碳钢电极的电化学交流阻抗。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、电化学工作站；2、变径管；3、连接座；4、工作电极；5、参比电极；5-1、多孔陶瓷；5-2、液体室；6、辅助电极；7、线缆；8、固定套；9、螺帽；10、密封垫套。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
如图1至图6所示，本实施例提供一种带压变径管段动态原位电化学测试实验装置，包括电化学工作站1和变径管2，变径管2上设有多个内外贯穿的检测孔，多个检测孔处分别安装有检测机构；电化学工作站1可通过线缆与其中任意一个检测机构连接。
测试时，首先，可人工手动将其中任意一个检测机构通过线缆与电化学工作站1连接；然后，电化学工作站1通过对应的检测机构检测变径管2对应位点处的相关参数如开路电位；检测完成后，手动断开该检测机构与电化学工作站1之间的连接，按照上述的操作步骤对下一个检测位点处的相关参数进行检测，依次类推，完成变径管2多个检测位点相关参数的检测；最后，根据检测的相关参数分析判断变径管2不同部位的腐蚀情况。
应用时，变径管2的两端分别外接供气钢瓶用于给环路提供腐蚀性气体及给定的压力。
需要说明的是，上述电化学工作站1采用的是现有技术中的corrTest电化学测试软件，其具体结构及原理在此不再进行赘述。
另外，上述变径管2是指将直径不同的管段按顺序串联连接起来的管道。
本实施例结构简单，设计合理，拆装方便，其可实时监测带压冲刷腐蚀环路中变径管段不同位置工作电极的动态原位电化学测试信号，如开路电位、极化曲线、电化学阻抗等，以便为变径管段的高压冲刷腐蚀机理提供一定的理论基础。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例中，每个检测机构均包括连接座3，连接座3安装在对应的检测孔处，其内间隔固定安装有工作电极4、参比电极5和辅助电极6，工作电极4、参比电极5和辅助电极6的一端分别贴近变径管2的内壁，以便进行检测；工作电极4、参比电极5和辅助电极6可分别通过线缆7与电化学工作站1连接。
测试时，首先，可人工手动将工作电极4、参比电极5和辅助电极6分别通过线缆与电化学工作站1连接；然后，电化学工作站1通过工作电极4、参比电极5和辅助电极6分别检测变径管2对应位点处的相关参数如开路电位；检测完成后，手动断开工作电极4、参比电极5和辅助电极6与电化学工作站1之间的连接，按照上述的操作步骤对下一个检测位点处的相关参数进行检测，依次类推，完成变径管2多个检测位点相关参数的检测；最后，根据检测的相关参数分析判断变径管不同部位的腐蚀情况，操作简便，省时省力。
优选地，本实施例中，上述多根线缆7外固定套设有防护套。
上述工作电极4、参比电极5和辅助电极6的工作原理：
电化学测试时需构成三电极体系，即工作电极4、参比电极5、辅助电极6三个电极。其中，工作电极4是被测量电极，通过电化学测试获得工作电极4的电化学数据，如开路电位、电化学交流阻抗、线性极化以及极化曲线等，本实施例中工作电极4为碳钢试样。
参比电极5在对工作电极4的电化学信号测量过程中起到电位参考作用，其电位固定不变且已知，以参比电极5为电位基准获得工作电极4的电位，本实施例中参比电极5为Ag/AgCl参比电极。辅助电极6在对工作电极4的电化学信号测量过程中与工作电极4形成闭合回路，传输电子而获得电流信号，因此电化学交流阻抗、线性极化和极化曲线等电化学信号的获取必须使用辅助电极6。在电化学测试过程中辅助电极6一般选用化学性质比较稳定的材料，本实施例中辅助电极6选用铂材料。
实施例3
在实施例2的基础上，本实施例中，多个检测孔分别对应的与多个固定套8的一端固定连接，多个固定套8的另一端分别延伸至变径管2外；连接座3插入对应的固定套8内并可拆卸连接。
安装时，连接座3直接插入对应的固定套8内并与该固定套8可拆卸连接，密封性良好，且拆装方便，省时省力。
除上述实施方式外，每个连接座3也可以直接与变径管2对应的检测孔处的部位固定连接，但是这种方案无法实现连接座3的快速拆装，拆卸时需要破坏连接座3，费时费力。
实施例4
在实施例3的基础上，本实施例中，连接座3的一端插入对应的固定套8内并延伸至对应的检测孔处，且其一端呈与变径管2内壁外形匹配的弧形结构。
该方案结构简单，设计合理，进一步提高连接座3与变径管2之间的密封性，保证实验的正常进行。
除上述实施方式外，上述连接座3的一端也可以呈平面结构，但是这种方案变径管2的密封性不如上述方案。
实施例5
在实施例3至实施例4任一项的基础上，本实施例中，连接座3的一端插入对应的固定套8内，另一端固定套设有螺帽9，螺帽9与对应固定套8的另一端螺纹连接。
安装时，连接座3通过螺帽9与对应的固定套8连接，拆装方便是，省时省力。
优选地，本实施例中，连接座3呈一端粗、另一端细的结构，其细端延伸至对应的固定套8内。
上述螺帽9为两端均敞口的环状结构，其固定套设在连接座3的粗端上，并可与固定套8的另一端螺纹连接，即固定套8的另一端上设有与螺帽3上的内螺纹螺纹配合的外螺纹。
除上述实施方式外，连接座3也可以采用其他方式与对应的固定套8可拆卸连接，例如连接座3的粗端上固定套设有固定帽，固定帽套在对应的固定套8外，并通过螺栓与对应的固定套固定连接，此时固定套8和固定帽上分别设有与螺栓配合的螺孔。
实施例6
在实施例5的基础上，本实施例中，连接座3的另一端固定套设有密封垫套10，密封垫套10位于螺帽9内，且其紧贴对应固定套8另一端的端面。
该方案结构简单，设计合理，连接座3通过螺帽9与对应的固定套8连接，并通过密封垫套10做进一步密封，密封效果较佳，进一步提高连接座3与变径管2之间的密封性，保证实验的正常进行。
优选地，本实施例中，上述密封垫套10呈环状结构，其固定套设在连接座3的粗端上。
或者，连接座3的粗端上设有环形槽，密封垫套10套设在环形槽内，且其外侧延伸至环形槽外。
实施例7
在实施例5至实施例6任一项的基础上，本实施例中，每个固定套8均呈一端细、另一端粗的结构，其细端与变径管2对应检测孔处的部位固定连接，螺帽9与固定套8的粗端螺纹连接。
该方案结构简单，设计合理，方便与连接座3上的螺帽9配合，实现连接座3的快速拆装，同时可保证该检测孔处的密封性，保证实验的正常进行。
实施例8
在上述各实施例的基础上，本实施例中，连接座3内设有三个两端均敞口的通道，工作电极4、参比电极5和辅助电极6分别固定安装在三个通道内并靠近连接座3的一端，其一端分别呈弧形结构并贴近变径管2的内壁，另一端分别与三根线缆7的一端连接，三根线缆7的另一端分别延伸至三个通道靠近连接座3另一端的端部外。
该方案结构简单，设计合理，方便安装工作电极4、参比电极5和辅助电极6，以便完成变径管多个检测位点处相关参数的检测。
优选地，本实施例中，上述工作电极4为的碳钢圆柱，单侧的裸露面积为π×42mm2。
优选地，本实施例中，辅助电极6为的铂柱，单侧的裸露面积为π×2.52mm2。
优选地，本实施例中，参比电极5包括多孔陶瓷5-1，多孔陶瓷5-1固定安装在对应通道靠近变径管2的一端处，且其紧贴对应通道的内壁；另外，对应通道内还设有密封的液体室5-2，液体室5-2位于多孔陶瓷5-1远离变径管2的一端，液体室5-2内装有氯化钾溶液，氯化钾溶液仅封装在变径管上端四个聚四氟乙烯夹具的液体室内，下端四个聚四氟乙烯夹具的液体室不封装氯化钾溶液；对应线缆7的一端延伸至液体室5-2中的氯化钾溶液内。
需要说明的是，上述线缆7指的是银丝，且在银丝外包裹有一层氯化银。
优选地，本实施例中，多孔陶瓷5-1的尺寸为银丝直径为1mm；
需要说明的是，变径管2以附图1中所示水平放置时，位于变径管2上侧的四个检测机构中分别同时设置工作电极4、参比电极5和辅助电极6，而由于位于变径管2下侧的四个检测机构是倒着设置的，此时若设置参比电极5则液体室5-2内的氯化钾溶液在自身的重力作用下向下移动并与多孔陶瓷5-1分离导致无法导通，因此位于变径管2下侧的四个检测机构中分别只设置工作电极4和辅助电极6。
实施例9
在上述各实施例的基础上，本实施例中，多个检测孔沿变径管2的轴向两两相对分布。
该方案结构简单，分布合理，方便对变径管2不同检测位点处的相关参数进行检测，方便获知变径管各个部位的腐蚀情况。
优选地，本实施例中，上述检测孔的数量优选八个，八个检测孔沿变径管2的轴向两两相对分布。
另外，相邻两个检测孔之间的间距可以相等，也可以不等。
实施例10
在上述各实施例的基础上，本实施例中，变径管2的管径沿其轴向逐渐变小或变大，结构简单，方便多个检测机构的分布。
本发明的工作原理如下：
测试时，首先，可人工手动将工作电极4、参比电极5和辅助电极6分别通过线缆与电化学工作站1连接；然后，电化学工作站1通过工作电极4、参比电极5和辅助电极6分别检测变径管2对应位点处的相关参数如开路电位；检测完成后，手动断开工作电极4、参比电极5和辅助电极6与电化学工作站1之间的连接，按照上述的操作步骤对下一个检测位点处的相关参数进行检测，依次类推，完成变径管2多个检测位点相关参数的检测；最后，根据检测的相关参数分析判断变径管不同部位的腐蚀情况，操作简便，省时省力。
以检测位于变径管2上侧的四个位点为例，利用科思特的corrTest电化学测试软件获得如图5和图6所示的折线图，具体结果如下：
图5为流速4m/s压力1MPa温度60℃下变径管段处碳钢电极的线性极化。图6为流速4m/s压力1MPa温度60℃下变径管段处碳钢电极的电化学交流阻抗。然后，以图5和图6为基础，获得如下表1所示的极化电阻和电荷传递电阻的检测数据：
表1拟合所得的极化电阻和电荷传递电阻
从图和表中看出，极化电阻沿流动方向逐渐降低，则腐蚀速率逐渐增大。
电荷传递电阻沿流动方向逐渐降低，则腐蚀速率逐渐增大，该规律与极化电阻沿流动方向的规律一致，同一位置电荷传递电阻数值与极化电阻接近，说明利用该带压变径管段动态原位电化学测试实验装置可有效获取变径管段不同位置的腐蚀电化学数据，以比较变径管段不同位置的腐蚀速率。
本发明的电化学测试实验装置可监测带压冲刷腐蚀环路中变径管段不同位置工作电极的动态原位电化学测试信号，如开路电位、极化曲线、电化学阻抗等，可用于变径管段的高压冲刷腐蚀机理研究。由于是冲刷腐蚀环路中对材料进行原位电化学测试，相比高压釜内的电化学测试，更能反映油气田变径管段冲刷腐蚀实际工况。本电化学测试实验装置结构简单易制作，价格便宜，密封性能好，三电极易拆装，便于更换。三电极夹具采用聚四氟乙烯材质，便于实现电极之间及电极与管路的绝缘。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种带压变径管段动态原位电化学测试实验装置，其特征在于：包括电化学工作站（1）和变径管（2），所述变径管（2）上设有多个内外贯穿的检测孔，多个所述检测孔处分别安装有检测机构；所述电化学工作站（1）可通过线缆与其中任意一个所述检测机构连接；
每个所述检测机构均包括连接座（3），所述连接座（3）安装在对应的所述检测孔处，其内间隔固定安装有工作电极（4）、参比电极（5）和辅助电极（6）；所述工作电极（4）、所述参比电极（5）和所述辅助电极（6）可分别通过线缆（7）与所述电化学工作站（1）连接；多个所述检测孔分别对应的与多个固定套（8）的一端固定连接，多个所述固定套（8）的另一端分别延伸至所述变径管（2）外；所述连接座（3）插入对应的所述固定套（8）内并可拆卸连接；
所述连接座（3）的一端插入对应的所述固定套（8）内，另一端固定套设有螺帽（9），所述螺帽（9）与对应所述固定套（8）的另一端螺纹连接；所述连接座（3）的另一端固定套设有密封垫套（10），所述密封垫套（10）位于所述螺帽（9）内，且其紧贴对应所述固定套（8）另一端的端面；
所述连接座（3）内设有三个两端均敞口的通道，所述工作电极（4）、所述参比电极（5）和所述辅助电极（6）分别固定安装在三个所述通道内并靠近所述连接座（3）的一端，其一端分别呈弧形结构并贴近所述变径管（2）的内壁，另一端分别与三根所述线缆（7）的一端连接，三根所述线缆（7）的另一端分别延伸至所述连接座（3）另一端的端部外。
2.根据权利要求1所述的带压变径管段动态原位电化学测试实验装置，其特征在于：所述连接座（3）的一端插入对应的所述固定套（8）内并延伸至对应的所述检测孔处，且其一端呈与所述变径管（2）内壁外形匹配的弧形结构。
3.根据权利要求1所述的带压变径管段动态原位电化学测试实验装置，其特征在于：每个所述固定套（8）均呈一端细、另一端粗的结构，其细端与所述变径管（2）对应所述检测孔处的部位固定连接，所述螺帽（9）与所述固定套（8）的粗端螺纹连接。
4.根据权利要求1-3任一项所述的带压变径管段动态原位电化学测试实验装置，其特征在于：多个所述检测孔沿所述变径管（2）的轴向两两相对分布。
5.根据权利要求1-3任一项所述的带压变径管段动态原位电化学测试实验装置，其特征在于：所述变径管（2）的管径沿其轴向逐渐变小或变大。
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