本发明涉及冲蚀试验装置，具体地说是涉及用于工业生产中的一种可拆卸环道式单相流冲蚀试验装置。
背景技术：
流体管道作为一种工作在一定压力下运输流体的特种设备，其失效形式多样，机理复杂，常见的失效形式有：材料缺陷、介质腐蚀、外力破坏等，其中冲刷所引起的腐蚀失效是管道系统中最广泛也是常见的破坏形式。冲蚀具有明显的局部性、突发性和风险性，特别在含水、腐蚀性、单相流介质流动作用下引起的冲蚀穿孔已成为困扰流体管道安全运行的关键技术问题。
近年来，在石油化工领域随着重质、含硫原油的加工比例不断增加，石化工业管道及管束型的设备(换热器、空冷器等)冲蚀失效较为常见，例：加氢反应流出物空冷器(reac)失效的事故日益突出，已成为严重制约加氢裂化装置安全、稳定、长周期运行的主要障碍，如不采取相应的技术措施和对策，我国炼油行业将会面临越来越严峻的设备冲蚀失效及装置生产的安全问题。
目前国内各大炼油厂处理原油的劣质化日趋严重，原油中硫、氮含量增高，势必会加剧加氢装置高压空冷器系统的腐蚀，预计reac系统的失效、非计划停工等事故的发生会更加突出。尽管国内外学者进行了大量的reac系统失效的相关研究，如国外的nace、uop、api等机构针对reac系统已经开展了几十年的研究并取得一定的成绩，但是至今为止还没有一套可靠的预测方法来预测加工高硫原油的加氢空冷器系统的冲蚀破坏程度。
针对目前煤化工、石油化工、天然气输送领域存在的冲蚀问题，进一步研究管道的冲蚀机理，一些科研院所设计了一系列的冲蚀试验装置，通过试验研究手段来研究管道的冲蚀机理，以期找到管道冲蚀的临界流速。但目前的冲蚀试验装置存在的一些不足之处主要在于：
(1)常规的冲蚀试验装置常通过称重或测厚的方法测试平均冲蚀速率，无法实现流体冲蚀破坏的临界值和瞬态特性的测试研究。
(2)目前相关设备测试的时间较长，实验结果难以推广工程应用。
技术实现要素：
针对上述背景技术中所存在的问题及国内外冲蚀试验装置存在的不足，本发明的目的在于提供一种可拆卸环道式单相流冲蚀试验装置，适合于腐蚀与流动耦合作用的冲蚀机理、流体动力学的仿真分析、保护膜冲蚀破坏临界特性或瞬态特性的试验研究及冲蚀失效预测工业应用推广等完整的研究体系。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明包括储液罐、加热器、流量控制阀、磁力传动泵、直管管路、第一截止阀、试验段、第二截止阀、自动仪表控制系统、压力控制阀、第二压力表、排气阀、安全阀、进料阀、液位计、放空阀和电化学测试传感器；储液罐内部设有加热器，储液罐底部出口和磁力传动泵的入口端连接，磁力传动泵的出口端经流量控制阀连接到储液罐的中部入口，同时磁力传动泵的出口端经第一截止阀连接到试验段的入口端，试验段的出口端依次经第二截止阀、压力控制阀后连接到储液罐的顶部入口；储液罐顶部连接有用于加入试验原料的进料阀，储液罐侧面布置有液位计，储液罐的顶部布置有安全阀、排气阀和第二压力表，储液罐的顶部布置有放空阀，主要用于排空装置残留液。
还包括自动仪表控制系统，第二截止阀和压力控制阀之间的管路上设有第一压力表、温度计和流量表，自动仪表控制系统分别连接第二压力表、第一压力表、温度计和流量表。
所述的磁力传动泵分别和第一截止阀、流量控制阀之间均通过直管管路连接，第二截止阀和压力控制阀之间通过直管管路连接。
试验原料自进料阀进入储液罐中，经加热器加热，通过磁力传动泵输出分成两路，一路经流量控制阀回流到储液罐中，另一路经第一截止阀进入试验段，试验段输出后经第二截止阀和压力控制阀后流回储液罐，第二截止阀和压力控制阀之间的沿途通过温度计、第一压力表、流量表采集数据传输至自动仪表控制系统。
所述的试验段为1/4圆弧管道结构，上面布置有电化学测试传感器，具体布置方式为：试验段分为各自对应圆心角为30°度的三段子圆弧段，每段子圆弧段的内边沿弧线的中点处的试验段管道表面均设有电化学测试传感器，每段子圆弧段的外边沿弧线中点处以及相邻子圆弧段的外边沿弧线相接处的试验段管道表面均电化学测试传感器；在试验段管道表面的内边沿弧线分别到两侧的侧边沿弧线之间的中间各作一条平行弧线，作为内平行弧线，两条内平行弧线中点处的试验段管道表面设置有电化学测试传感器；在试验段管道表面的外边沿弧线分别到两侧的侧边沿弧线之间的中间各作一条平行弧线，作为外平行弧线，两条外平行弧线均分为各自对应圆心角为30°度的三段子圆弧线，每段子圆弧线中点处的试验段管道表面均设有电化学测试传感器。
所述的试验段的入口端和出口端分别安装第一截止阀和第二截止阀，通过连接到管路中，由此通过第一截止阀和第二截止阀实现了试验段的可拆卸。
圆心角为试验段的1/4圆弧所对应的圆心角。
本发明具有的有益效果是：
本发明实现了试验管道在工业环境中的实际真实模拟工况，实时检测材料冲蚀破坏瞬态特性和临界值的冲蚀试验装置，能够实现流体冲蚀破坏的临界值和瞬态特性的测试研究，研究在实际工况下高压单相流冲蚀作用管路系统的冲刷腐蚀规律。
本发明能进行更真实的实际工作状态模拟，能通过与冲蚀装置的试验过程进行流体动力学仿真分析所得的结果对比分析，得到冲刷腐蚀临界条件，构建冲刷腐蚀临界腐蚀数据库，为煤化工、石油化工管道的冲蚀预测、优化设计、风险检验、安全评估及寿命预测提供理论基础。
本发明可以模拟加氢空冷系统管束等一系列实际工程冲蚀失效案例，进行冲蚀破坏的失效研究、冲蚀预测、优化设计、风险检验、安全评估及寿命预测等管道及管束类设备的安全保障技术研究。另外，本发明结构简单，易于推广。
附图说明
图1是本发明的结构原理示意图。
图2是图1区域a(试验段7)的放大图。
图3是试验段7的左视图。
图4是试验段7的右视图。
图中：包括1、储液罐，2、加热器，3、流量控制阀，4、磁力传动泵，5、直管管路，6、第一截止阀，7、试验段，8、第二截止阀，9、自动仪表控制系统，10、温度计，11、第一压力表，12、流量表，13、压力控制阀，14、第二压力表，15、排气阀，16、安全阀，17、进料阀，18、液位计，19、放空阀，20-35、电化学测试传感器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明具体实施包括储液罐1、加热器2、流量控制阀3、磁力传动泵4、直管管路5、第一截止阀6、试验段7、第二截止阀8、自动仪表控制系统9、压力控制阀13、第二压力表14、排气阀15、安全阀16、进料阀17、液位计18、放空阀19和电化学测试传感器20-35；储液罐1内部设有加热器2，储液罐1底部出口和磁力传动泵4的入口端连接，磁力传动泵4的出口端经流量控制阀3连接到储液罐1的中部入口，同时磁力传动泵4的出口端经第一截止阀6连接到试验段7的入口端，试验段7的出口端依次经第二截止阀8、压力控制阀13后连接到储液罐1的顶部入口；储液罐1顶部连接有用于加入试验原料的进料阀17，储液罐1侧面布置有液位计18，储液罐1的顶部布置有安全阀16、排气阀15和第二压力表14，储液罐的顶部布置有放空阀19。
具体实施还设置有自动仪表控制系统9，第二截止阀8和压力控制阀13之间的管路上设有第一压力表11、温度计10和流量表12，自动仪表控制系统9分别连接第二压力表14、第一压力表11、温度计10和流量表12。
自动仪表控制系统9采集试验段对温度计10、第一压力表11、流量表11的实时数据，并传输至自动控制系统9进行储存，并在实验结束时自动打印实时实验报告。自动仪表控制系统9通过对温度计10、第一压力表11、流量表11的数据采集与控制，调整对应参数实现了对试验段7实际工况的自动实时调节。
磁力传动泵4分别和第一截止阀6、流量控制阀3之间均通过直管管路5连接，第二截止阀8和压力控制阀13之间通过直管管路5连接。
试验原料自进料阀17进入储液罐1中，经加热器2加热，通过磁力传动泵4泵入直管管路5后输出分成两路，一路经流量控制阀3回流到储液罐1中，另一路经第一截止阀6进入试验段7，试验段7输出后经第二截止阀8、直管管路5和压力控制阀13后流回储液罐1，第二截止阀8和压力控制阀13之间的沿途通过温度计10、第一压力表11、流量表12采集数据传输至自动仪表控制系统9。
本发明工作原理：
如图1所示，安装好可拆卸单相流冲蚀试验装置，试验前首先打开进料阀17引入现场实际工况原料至合适液位，后根据预设试验条件调制好流量控制阀3、加热器2、压力控制阀13的控制参数，打开第一截止阀6、第二截止阀8，试验原料在储液罐1中，经加热器2加热至预设值后，通过磁力传动泵4加压进入直管管路5，后分成两路，一路经流量控制阀3回流到储液罐1中，保证另一路以实验预定流量值进入试验段7后经第二截止阀8沿管路流回储液罐1，沿途温度计10采集试验段实时温度数值，通过与预定值对比，经自动控制系统判断是否开启加热器2；温度计10、第一压力表11、流量表12采集试验段实时流量数值，并传输至自动控制系统9储存，实验结束是自动打印；流量表12采集试验段实时流量数值，传输至自动控制系统9储存，实验结束是自动打印实时实验数据。
为在线测试流动腐蚀瞬态特性和冲蚀临界特性，本发明采用了电化学在线测试传感器，实时监测腐蚀产物保护膜的电化学特性，通过计算分析捕捉腐蚀产物保护膜状态发生突变的临界状态。
试验段7上的三电极电化学在线测试传感器安装方式如下，见图2-4：试验段7为1/4圆弧管道结构，将试验段7分为各自对应圆心角为30°度的三段子圆弧段，如图2所示，每段子圆弧段的内边沿弧线71的中点处的试验段7管道表面均设有电化学测试传感器20,21,22，每段子圆弧段的外边沿弧线72中点处以及相邻子圆弧段的外边沿弧线72相接处的试验段7管道表面均电化学测试传感器25,26,27,28,29；如图3所示，在试验段7管道表面的内边沿弧线71分别到两侧的侧边沿弧线73之间的中间各作一条平行弧线，作为内平行弧线74，两条内平行弧线74中点处的试验段7管道表面设置有电化学测试传感器23,24；如图4所示，在试验段7管道表面的外边沿弧线72分别到两侧的侧边沿弧线73之间的中间各作一条平行弧线，作为外平行弧线75，两条外平行弧线75均分为各自对应圆心角为30°度的三段子圆弧线，每段子圆弧线中点处的试验段7管道表面均设有电化学测试传感器30,33,31,34,32,35。
自动控制系统9的plc控制方案：控制系统硬件采用西门子1214c先进可靠的微处理器，控制代码自行编译。本发明中的温度控制方法为：温度计10实时温度数据传输至自动控制系统9，该系统中使用的a/d转换模块，将由温度值标定的4～20ma电流信号转换成0-12000的数字量，通过与预设门槛值对比，经判断，对加热器2发出加热或停止加热指令。
本发明中的压力控制方法为：第一压力表11将实时压力数据传输至自动控制系统9，该系统中使用的a/d转换模块，将由压力值标定的4～20ma电流信号转换成0-12000的数字量，通过与预设门槛值对比，经判断，对压力控制阀13发出开启或关闭指令。
本发明中的流速控制方法为：流量表12将实时流量数据传输至自动控制系统9，该系统中使用的a/d转换模块，将由流量值标定的4～20ma电流信号转换成0-12000的数字量，通过与预设门槛值对比，经判断，对流量控制阀3发出开启或关闭指令。
本发明具体实施中，采用实际的腐蚀介质并利用温度、压力、流量控制调节系统进行较为真实的实际工作状态模拟。实验装置的功能实现过程具体如下：气密性试验→系统除氧→温度调节→压力调节→配液→电化学传感器预腐蚀过程→实验。
(1)气密性试验：为保证系统压力、介质含量稳定，同时保证实验安全性，实验前检验实验装置气密性。关闭所有出口阀门，通过进气口向装置内通氮气至10kgf·cm-2，用肥皂水检验所有可能的泄露点，保压1小时后，泄至常压，向装置内加4/5容积的水，再充氮气至1kgf·cm-2，采用同样的方法检验气密性。
(2)装置除氧：为保证实验为无氧状态，气密合格后，继续充氮将系统压力升至10kgf·cm-2，泄至常压，重复上述过程10次。而后，将40kg蒸馏水通过耐腐蚀自吸泵通入到系统中，加热至60℃，从容器底部鼓氮，至压力为5kgf·cm-2，将容器内压力泄至常压，如此反复10次，认为此时装置内为无氧状态。
(3)温度调节：通过电加热器和自动控制系统同时控制温度，当温度上升到指定值后，加热器自动跳断，停止加热，温度降低后，加热器自动加热，实现控温过程。
(4)压力调节：通过压力控制阀和自动控制系统同时控制压力，当压力上升到指定值后，阀门自动关闭，压力降低后，阀门自动缓缓开启，实现控压过程。
(5)溶液配制：在试验中，拟定两套实验方案。
方案一：直接在工厂厂区安全区接引物料管线，进实验装置，以实际物料介质直接进行实验。但需遵照现场安全管理要求，根据现场实际情况考虑操作方式。
方案二：自行配制实验溶液。采用液氨、h2s气体和蒸馏水中配置nh4hs溶液。
配制溶液的原理如下：nh3+h2s→nh4hs
冲蚀实验装置总容积vtotal＝50l，设定实验介质总体积vliquid＝36.00l，m为nh4hs物质的量，原料浓度计算公式如下：
式中，c表示原料浓度，wnh4hs表示nh4hs的质量，wh2o表示h2o的质量，wnh3表示nh3的质量，wh2s表示h2s的质量。
装置内通入定量蒸馏水并除氧，将排气管中的空气排空后，先后加入定量nh3和h2s气体，操作过程中采用质量计量法，精确度为0.01kg。由于nh3和h2s在水中的溶解过程为放热反应，因此在溶液配制过程中系统的温度将升高。nh3极易溶于水，在水中的溶解度为1：700(体积比)，因此通入nh3后会形成氨水。h2s易溶于水，在水中溶解度为1：2.6(体积比)，然而，氨水的存在增大了h2s的溶解度，当氨水中溶解的h2s达到饱和后，多余的h2s全部存在于气相中，使装置内气相的压力升高。待温度降低到室温后，h2s完全溶于氨水，压力降至常压。
(6)预膜实验：先用水砂纸将预膜探头待测面逐级打磨至800#，先后用丙酮和去离子水冲洗，无水乙醇擦洗，经冷风吹干置入干燥器，干燥后将预膜探头安装到预膜装置上，安装过程中，准确定位，保证预膜探头工作表面与预膜装置内壁平齐。
实施例利用扫描电子显微镜(sem)、x射线光能子谱(xps)、x射线衍射(xrd)观察腐蚀形貌，分析腐蚀产物特性，通过与冲蚀装置的试验过程进行流体动力学仿真分析所得的结果对比分析，研究在实际工况下高压单相流冲蚀作用管路系统的冲刷腐蚀规律，得到冲刷腐蚀临界条件，构建冲刷腐蚀临界腐蚀数据库。冲蚀临界特性具体测试顺序如下：样品制备→实验准备→冲蚀临界特性测试。
(1)试样准备：在进行腐蚀试验之前，先用水砂纸将电化学测试传感器待测面逐级打磨至800#，先后用丙酮和去离子水冲洗，无水乙醇擦洗，经冷风吹干后置入干燥器内备用。
(2)实验准备：将镶嵌有待测试样的电化学测试传感器安装到试验段对应位置，准确定位，使待测端面与内壁齐平，试件安装好后，按照上述功能实现方法来操作，包括气密性试验、系统除氧、配液、二次除氧过程，电化学传感器预腐蚀过程与实际实验预膜过程相同，腐蚀环境相同。腐蚀产物膜制备完毕后，正式开始实验，进行不同控制因素下的冲蚀瞬态特性测试。
(3)冲蚀临界特性测试：待腐蚀试样在指定腐蚀环境下预腐蚀，完毕后按照实验方案，进行电化学测试，测试不同控制因素下腐蚀产物膜的开路电位、tafel曲线、交流阻抗谱，通过对比分析以上电化学参数，得出腐蚀产物膜发生冲蚀破坏的临界特性。
本发明实施中根据前期计算分析结果，在上述典型的腐蚀高风险区域布置传感器能实现在少量传感器布置的情况下，能精准、经济地实行试验段的数据采集。