温度、角度、流速和时间可控型冲蚀试验装置及方法与流程

本发明涉及一种试验装置及试验方法，尤其是涉及一种温度、角度、流速和时间可控型冲蚀试验装置及方法。

背景技术：

压力管道输送应用领域广泛，在石油化工、煤化工、生物制药等流程型工业中具有普遍应用。压力管道通常具有工艺过程复杂、运行工况苛刻、运行周期长的特点，且输送介质往往易燃、易爆、有毒、有害，特别是含腐蚀性介质的多相流介质输送系统，涉及多相流动、冷却相变、传热传质等过程，在复杂流动环境下极易引发压力管道冲蚀穿孔、泄漏爆管的非计划停工事故，损失惨重。

冲蚀是在腐蚀与力学交互作用下引发金属损伤/损失的过程，主要演化机制是金属在腐蚀性介质的作用下形成腐蚀产物保护膜，流体动力学作用加速腐蚀产物膜破坏从而使腐蚀加剧，特别是在存在腐蚀性介质和固相介质的工况下，管道材质的冲蚀损伤效应更加严重。现有研究表明：多相流的冲蚀机理受工艺过程、运行工况、流体力学等因素影响，与多相流介质的温度、冲击角度、流速以及冲蚀时间等因素直接相关。针对流程型工业中普遍性存在的腐蚀性介质冲蚀引发的管道损伤及设备损坏问题，现已有一系列的冲蚀磨损试验装置，例如旋转式冲蚀试验装置，优点是投资小，占地面积小，缺点是与真实工业中的管道流动存在较大的偏差。大部分冲蚀磨损试验装置可控的因素有限，不能全面的开展冲蚀磨损试验，自动化程度低，同时对腐蚀性介质不能循环利用，资源浪费较严重。

技术实现要素：

为了克服现有冲蚀试验装置存在的不足，本发明提供了一种温度、角度、流速和时间可控型冲蚀试验装置及方法，能够自动控制冲蚀温度、角度、流速和冲蚀时间，并能循环利用腐蚀性试剂，减少资源浪费，同时可对管路中的压力进行实时状态监控，避免爆管事故，提高试验的安全性能。

本发明采用的技术方案是：

一、一种温度、角度、流速和时间可控式冲蚀试验装置：

装置包括从下到上布置的第一操作平台、第二操作平台和第三操作平台，第一操作平台上安装有第二液压传感器、导流阀和导流泵，第二操作平台上安装有恒温瓶和冲蚀器，第三操作平台上安装有离心泵和两相阀；试剂瓶的出口端依次经加剂泵、止回阀与缓冲瓶的第一入口端相连通，缓冲瓶出口端依次经离心泵与两相阀的第一入口端相连通，两相阀的第二入口端与外界大气相连通，两相阀的出口端依次经第一液压传感器、流速传感器与冲蚀器的入口端相连通；角度控制器连接安装在冲蚀器上，冲蚀器内侧壁固定安装有温度传感器，冲蚀器的出口端经第二液压传感器后与导流阀的入口端相连通，导流阀第一出口端经导流泵与试剂瓶入口端相连通，导流阀第二出口端通过管路回流至缓冲瓶的第二入口端；试剂瓶、加剂泵、止回阀和缓冲瓶均放置在恒温瓶内，恒温瓶内设置有加热器。

所述缓冲瓶的出口端和第一入口端位于下部，出口端与离心泵进口相连通，缓冲瓶的第一入口端与止回阀相连接，缓冲瓶的第二入口端位于顶部，第二入口端与导流阀的出口相连通。

所述冲蚀器分为冲蚀器上部和冲蚀器的上、下两部分，冲蚀器上部和冲蚀器下部经法兰通过螺栓连接并作防水处理，冲蚀器上部顶面通孔与流速传感器出口管路连通，冲蚀器下部底面通孔与第二液压传感器的进口管路连通，角度控制器安装连接于冲蚀器下部。

所述的角度控制器包括压板、冲蚀试件台、角度传感器、橡胶轴套、传动轴、第一、二齿轮和步进电机，压板和冲蚀试件台的四角均开设有四个通孔，被测试件安装在压板和冲蚀试件台之间并通过穿过四个通孔的螺栓压紧，冲蚀试件台底面平行固定有角度传感器；冲蚀试件台一端设有固定轴，固定轴嵌入冲蚀器下部的盲孔中使得冲蚀试件台铰接在冲蚀器内，冲蚀试件台另一端与传动轴一端同轴固定连接，传动轴另一端穿过冲蚀器下部的通孔后与第一齿轮同轴固定连接，第一齿轮与第二齿轮啮合，第二齿轮与步进电机输出轴同轴固定连接，第一齿轮和冲蚀器外侧壁之间的传动轴上套有橡胶轴套；橡胶轴套呈锥形，橡胶轴套朝向冲蚀器的一端为大端，并紧贴冲蚀器外侧壁，橡胶轴套朝向第一齿轮的一端为小端，并与传动轴相固定构成密封连接。

所述两相阀的第二入口端位于顶端，第二入口端经竖直管件与外界空气连通，第二入口端的端面高于离心泵进出口所在的水平面。

所述橡胶轴套的大端与冲蚀器下部的外侧壁之间、小端与传动轴之间均为水密封，橡胶轴套的中部采用柔性材料，具有能使传动轴的两端沿相反方向旋转90°后恢复原状的柔性。

所述的第二操作平台上安装有步进驱动器、显示器和单片机；所述的第三操作平台上安装有第一、第二PWM控制器，所述步进电机与步进驱动器电气连接，加热器经第一PWM控制器与单片机电气连接，离心泵经第二PWM控制器与单片机电气连接，温度传感器、止回阀、两相阀、导流阀、加剂泵、流速传感器、角度传感器、步进电机、第一、第二液压传感器、步进驱动器、按键和显示器均与单片机电气连接。

二、一种温度、角度、流速和时间可控式冲蚀试验方法，具体方法包括以下步骤：

步骤1)首次试验时，拧开螺栓打开冲蚀器上下部，通过螺栓将被测试件固定于压板和冲蚀试验台中间，然后关闭冲蚀器；

步骤2)将两相阀的第一入口端、第二入口端和出口端均导通，将导流阀的入口端与第二出口端之间导通，且第一出口端不导通，试剂瓶内添加适量试剂，向恒温瓶中添加适量水；

步骤3)打开加剂泵和止回阀，直至两相阀的空气管口将要溢出试剂，关闭加剂泵和止回阀，同时将两相阀的第一入口端和出口端之间导通，第二入口端不导通；

步骤4)通过按键输入所需试验角度α、温度T、流速v和试验时间t等参数；

步骤5)通过按键开启冲蚀试验，用角度控制器控制被测试件旋转至预设角度α，通过加热器加热恒温瓶内的水至预设温度值；

步骤6)根据所设试剂温度T和温度传感器反馈的实际试剂温度，单片机控制第一PWM控制器控制加热器的加热功率；

步骤7)待温度传感器检测到的试剂温度稳定在预设温度T后，开启离心泵进行冲蚀试验；

步骤8)根据所设试剂流速v与流速传感器所反馈的流速值，单片机通过第二PWM控制器控制离心泵的流量，并进行校准；

步骤9)当试验时间t结束后，加热器和离心泵自动停止工作，角度控制器恢复控制被测试件旋转至水平位置；

步骤10)将两相阀的第二入口端和出口端之间导通，第二入口端不导通，将导流阀的入口端和第一出口端之间导通，第二出口端不导通，开启导流泵，将冲蚀器内的试剂导入试剂瓶内，关闭导流泵；

步骤11)打开冲蚀器，拧开压板和冲蚀试验台间的螺栓，取出被测试件，运用天平测试被测试件的失重量β。

试验过程中，若所述第一、第二液压传感器反馈的管道内压力过高，释放压力并用单片机控制加热器和离心泵停止工作，并发出警报，试验终止。

本发明的有益效果是：

本发明利用步进电机旋转冲蚀试件台从而实现试件冲蚀角度的连续性控制，同时利用角度传感器自动测试冲蚀角度，自动化程度高，避免人工测量造成的误差，降低人工成本，简化操作过程；还利用PWM控制方式控制离心泵的功率从而控制流速，并利用流速传感器进行校准；通过水浴加热的方式，使腐蚀性介质试剂受热均匀。同时利用液压传感器检测环路中的压力，避免水压过高引发爆管，具有较高的安全性能。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是角度控制器的三维结构示意图；

图3是本发明的电气连接框图；

图4是本发明试验方法的流程图。

图中：第一、二、三操作平台100、200、300，恒温瓶400，试剂瓶500，加剂泵600，止回阀700，缓冲瓶800，离心泵900，两相阀1000，第一、二液压传感器1100、1200，流速传感器1300，冲蚀器1400，冲蚀器上部1401，冲蚀器下部1402，角度控制器1500，压板1501，冲蚀试件台1502，角度传感器1503，橡胶轴套1504，传动轴1505，第一、第二齿轮1506、1507，步进电机1508，导流阀1600，导流泵1700，加热器1800，温度传感器1900，第一、二PWM控制器2000、2100，步进驱动器2200，按键2300，显示器2400，单片机2500。

具体实施方式

结合图1至图4，对本发明技术方案进行详细说明：

如图1所示，本发明包括从下到上布置的第一操作平台100、第二操作平台200和第三操作平台300，第一操作平台100上安装有第二液压传感器1200、导流阀1600和导流泵1700，第二操作平台200上安装有恒温瓶400和冲蚀器1400，第三操作平台300上安装有离心泵900和两相阀1000。

试剂瓶500的出口端依次经加剂泵600、止回阀700与缓冲瓶800的第一入口端相连通，缓冲瓶800出口端依次经离心泵900与两相阀1000的第一入口端相连通，两相阀1000的第二入口端与外界大气相连通，两相阀1000的出口端依次经第一液压传感器1100、流速传感器1300后与冲蚀器1400的入口端相连通；角度控制器1500连接安装在冲蚀器1400上，冲蚀器1400内侧壁固定安装有温度传感器1900，冲蚀器1400的出口端经第二液压传感器1200后与导流阀1600的入口端相连通，导流阀1600第一出口端经导流泵1700与试剂瓶500入口端相连通，导流阀1600第二出口端通过管路回流至缓冲瓶800的第二入口端；试剂瓶500、加剂泵600、止回阀700和缓冲瓶800均放置在恒温瓶400内，恒温瓶400内设有用于保持恒温度的加热器1800，两相阀1000和导流阀1600均为三通阀。

其中，缓冲瓶800的出口端和第一入口端位于下部，出口端与离心泵900进口相连通，缓冲瓶800的第一入口端与止回阀700的出口相连接，缓冲瓶800的第二入口端位于顶部，第二入口端与导流阀1600的出口相连通，这样保证温度较高的试剂从下方流出，温度较低的试剂从上方进，形成对流，有利于缓冲瓶800内的试剂受热均匀。

冲蚀器1400分为冲蚀器上部1401和冲蚀器下部1402的上、下两部分，冲蚀器上部1401和冲蚀器下部1402经法兰通过螺栓连接并作防水处理，冲蚀器上部1401顶面通孔与流速传感器1300出口管路连通，冲蚀器下部1402底面通孔与第二液压传感器1200的进口管路连通，角度控制器1500安装连接于冲蚀器下部1402。

如图1所示，两相阀1000的第二入口端位于顶端，第二入口端经竖直管段与外界空气连通，第二入口端的端面高于离心泵900进出口所在的水平面，使得试验过程中流体液面高于离心泵900进出口，以保证装置内部试剂循环过程中不混入空气。

如图2所示，角度控制器1500包括压板1501、冲蚀试件台1502、角度传感器1503、橡胶轴套1504、传动轴1505、第一、二齿轮1506、1507和步进电机1508；压板1501和冲蚀试件台1502的四角均开设有四个通孔，被测试件安装在压板1501和冲蚀试件台1502之间并通过穿过四个通孔的螺栓压紧，冲蚀试件台1502底面平行固定有角度传感器1503；冲蚀器下部1402一侧内壁开有盲孔，盲孔对称的另一侧的内壁开有通孔，冲蚀试件台1502一端设有固定轴，固定轴嵌入冲蚀器下部1402的盲孔中使得冲蚀试件台1502铰接在冲蚀器1400内，冲蚀试件台1502另一端与传动轴1505一端同轴固定连接，传动轴1505另一端穿过冲蚀器下部1402的通孔后与第一齿轮1506同轴固定连接，第一齿轮1506与第二齿轮1507啮合，第二齿轮1507与步进电机1508输出轴同轴固定连接，步进电机1508固定在第二操作平台200上，第一齿轮1506和冲蚀器1400外侧壁之间的传动轴1505上套有用于密封的橡胶轴套1504；橡胶轴套1504呈锥形，橡胶轴套1504朝向冲蚀器1400的一端为大端，并紧贴冲蚀器1400外侧壁，橡胶轴套1504朝向第一齿轮1506的一端为小端，并与传动轴1505相固定构成密封连接。

橡胶轴套1504的大端与冲蚀器下部1402的外侧壁之间、小端与传动轴1505之间均为水密封，橡胶轴套1504的中部采用柔性材料，具有能使传动轴1505的两端沿相反方向旋转90°后恢复原状的柔性，以保证调节冲蚀角度所需。

如图3所示，第二操作平台200上还安装有步进驱动器2200、显示器2400和单片机2500；第三操作平台300上还安装有第一、第二PWM控制器2000、2100，显示器2400上设有用于用户输入的按键2300；步进电机1508与步进驱动器2200电气连接；加热器1800经第一PWM控制器2000与单片机2500电气连接，离心泵900经第二PWM控制器2100与单片机2500电气连接，温度传感器1900、止回阀700、两相阀1000、导流阀1600、加剂泵600、流速传感器1300、角度传感器1503、步进电机1508、第一、第二液压传感器1100、1200、步进驱动器2200、按键2300和显示器2400均与单片机2500电气连接。

单片机2500实时监测温度传感器1900反馈的温度数据、流速传感器1300反馈的冲蚀速度和第二液压传感器1200反馈的环路中压力，并调整加热器1800、离心泵900的输出功率，控制冲蚀试验装置的工作状态。冲蚀试验装置环形回路设置有安全阀，当第二液压传感器1200反馈的水压过高时，开启安全阀进行卸压，避免出现超压爆管事故，同时自动终止试验过程，并切断装置的供电电源，发出警报。

如图4所示，本发明的具体试验过程如下：

步骤1)首次试验时，拧开螺栓打开冲蚀器上下部1401、1402，通过螺栓将被测试件固定于压板1501和冲蚀试验台1502中间，然后关闭冲蚀器1400；

步骤2)将两相阀1000置于状态a，使得其第一入口端、第二入口端和出口端均导通，将导流阀1600置于状态d，使其入口端与第二出口端之间导通，且第一出口端不导通，试剂瓶500内添加适量的腐蚀性试剂，例如HCl水溶液或H₂S水溶液等，向恒温瓶400中添加适量水；

步骤3)打开加剂泵600和止回阀700，直至两相阀1000的空气管口将要溢出试剂，排空管道回路中的气相，然后关闭加剂泵600和止回阀700，同时两相阀1000置于状态b，使得两相阀1000第一入口端和出口端之间导通，第二入口端不导通；

步骤4)通过按键2300输入所需试验角度α、温度T、流速v和试验时间t等参数，例如试验角度α可分别设置为0°、30°、60°、90°等，温度T可分别设置为30℃、60℃、90℃等，流速可分别设置为1m/s、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s等，冲蚀试验时间t可按照需要以小时为单位进行设置；

步骤5)通过按键2300开启冲蚀试验，用角度控制器1500控制被测试件旋转至所设角度α；通过加热器1800加热恒温瓶400内的水至预设温度值，实现对环路中的介质温度加热；被测试件可选择不同的材料，例如碳钢、不锈钢、双相钢2205或Incoloy 825等。

步骤6)根据所设腐蚀性试剂温度T和温度传感器1900反馈的实际腐蚀性试剂温度，基于单片机2500控制第一PWM控制器2000实现对加热器1800的加热功率；

步骤7)待温度传感器1900检测到的试剂温度稳定在所设温度T后，开启离心泵900进行冲蚀试验；

步骤8)根据所设试剂流速v与流速传感器1300所反馈的流速值，基于单片机2500控制第二PWM控制器2100实现对离心泵900的流量控制，并进行校准；

步骤9)当试验时间t结束后，加热器1800和离心泵900自动停止工作，角度控制器1500恢复至水平位置；

步骤10)将两相阀1000置于状态c，使其第二入口端和出口端之间导通，第二入口端不导通；将导流阀1600置于状态e，使其入口端和第一出口端之间导通，第二出口端不导通；开启导流泵1700，将冲蚀器1400内的试剂导入试剂瓶500内，关闭导流泵1700；

步骤11)打开冲蚀器1400，拧开压板1501和冲蚀试验台1502间的螺栓，取出被测试件，运用天平测试被测试件的失重量β。本次试验完成，若要继续试验，跳转步骤1)继续重复所有步骤完成不同流速序列、不同温度序列、不同冲蚀角度序列、不同冲蚀时间序列的冲蚀试验，最终建立被测试件失重量β与角度、流速、温度、时间之间的关联关系β～f(α,T,v,t)。

试验过程中，若所述第一、第二液压传感器1100、1200反馈的管道内压力过高，通过安全阀释放压力，并用单片机2500控制加热器1800和离心泵900停止工作，并发出警报，试验终止。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。