自适应反馈调整的精准冲刷腐蚀系统及测试方法与流程

本发明涉及流动腐蚀风险的量化技术，尤其是涉及一种自适应反馈调整的精准冲刷腐蚀系统及测试方法。

背景技术：

随着生产过程的国际化、全球化，流程工业特别是石(煤)化工实际生产过程中的安全问题日益成为各行各业重点关注的对象。在石油化工、煤电工业、海洋工程等流程工业中，含固相颗粒的腐蚀性多相流体的输运过程，极易造成管道设备系统的流动腐蚀失效。而在实际生产过程中，通常难以定量检测腐蚀性多相流体对管道系统的流动腐蚀影响，难以量化评价。

目前，传统的冲刷腐蚀试验系统存在的不足之处主要在于：冲刷位置与待测试件之间的距离、冲刷腐蚀角度及冲刷速度往往是固定的，无法实现精准调节；特别是在变工况条件下，可能会因试验装置误差远远超出流动腐蚀计量误差。因此，迫切需要一种能够自适应反馈调整的精准冲刷腐蚀系统及测试方法。

技术实现要素：

为了克服背景技术领域中现有方法存在的问题，本发明的目的在于提供一种自适应反馈调整的精准冲刷腐蚀系统及测试方法，该系统可以精确的模拟不同冲刷速度及角度下含固腐蚀性流体对试件的影响，同时自适应反馈调节使多相流体始终冲刷在试件的正中心；此外还能在停止试验时防止管道内残余液体继续冲刷腐蚀试件。

本发明采用的技术方案是：

一、自适应反馈调整的精准冲刷腐蚀系统：

本发明中空的卡槽形冲刷头外圆柱面四周等距均布有卡槽，通过与卡槽啮合的调整轮与步进电机相连接；卡槽形冲刷头上端与电磁阀一端相连接，卡槽形冲刷头下端竖直向下穿入到反应罐体内，并与嵌入u形试件平台上部的试件相向布置；电磁阀另一端与上压力传感器相连接；在中空的u形试件平台内部装有两个微型电机、两根主动杆、四根从动杆、两根滑杆和内载物台；两根从动杆的一端与焊接在第1微型电机上的表面开有螺纹的第1主动杆螺纹连接，两根从动杆的另一端通过通孔套在第1滑杆上；另外两根从动杆的一端与焊接在第2微型电机上的表面开有螺纹的第2主动杆螺纹连接，两根从动杆的另一端通过通孔套在第2滑杆上；一对相互平行的从动杆与另一对相互平行的从动杆相互垂直且上下分布，四根从动杆分别贴合在活动的内载物台的四个侧面上，反应罐体的一组相对的侧面相对应的位置各开有通孔，u形试件平台通过通孔分别连接有舵机与电位器；电磁阀、电磁铁、舵机、电位器、上压力传感器、下压力传感器、感压元件和两个微型电机均通过导线与控制台相连。

所述反应罐体上不开有通孔的一个侧面的中上部并与载物台相对位置开有圆孔，圆孔的法兰四周均布有与罐盖配合的法兰孔，且反应罐体底部呈漏斗状。

所述u形试件平台，包括两个u形支架、两根连接杆件和载物台；两根连接杆件通过各自的u形支架同轴安装在载物台两端面，载物台中心安装试件。两根连接杆件轴线与试件形心在同一直线上。

所述u形试件平台、载物台上方的电磁铁下表面的压力传感器、并与位于电磁铁上表面的感压元件组成流速控制系统。

所述舵机、电位器和角度控制电路组成角度控制系统。

所述角度控制电路，包括电阻r2、电容c1、三极管q1、三极管q2和三极管q3；三极管q1基极经电阻r4和电容c1接地，并同时连接在电阻r2与电阻r3之间，电阻r3的另一端连接到电源正极，电阻r2另一端接地；电阻r1与电阻r4之间引出接到电位器的一端，电位器另一端接电源正极；三极管q2基极经电阻r6后一路连接到三极管q1的发射极，另一路经电阻r5接地，三极管q2发射极接地，三极管q2集电极一路经电阻r7接电源正极，另一路经电阻r8接三极管q3基极；三极管q3集电极接电源正极，发射极经电阻r9接地；电容c1和电容c2分别并联在电阻r1和电阻r9的两端且c2两端作为输出端引出接控制台adc采集口。

二、自适应反馈调整的精准冲刷腐蚀系统的测试方法，该方法包括以下步骤：

步骤1)打开罐盖，在载物台上中心位置放置试件，合上罐盖，调节控制台输出高电平，控制电磁阀打开，开始预冲刷腐蚀；

步骤2)感压元件检测记录压力值并得到f1-f8共8组数据，筛选并得到8组数据的最大值fmax和8组数据的最小值fmin，并计算两者的比值β，即：β＝fmax/fmin；

步骤3)若β＜1.3，则使控制台发出低电平关断电磁阀，等待冲刷腐蚀参数设置；若β＞1.3，则控制微型电机通过主动杆带动从动杆将内载物台向最大压力值的感压元件方向移动一个单位长度δs，回到步骤2)，直至β＜1.3；

步骤4)连接角度控制电路，并初始化以下参数，m＝n＝0，m，n分别表示步进电机工作参数；

步骤5)在控制台设定β，v，δh，其中β表示试件与水平面的夹角角度，v表示冲刷腐蚀速度，δh表示卡槽型冲刷头的下降高度；

步骤6)控制台输出设定的pwm波调节舵机转过相应的角度α，在转动u形试件平台的同时带动电位器转过角度α，通过角度控制电路将电位器的电阻量转化为电压量接入控控制台22adc采集口，计算输出修正量γ，输出修正后的pwm波，如此反复，完成冲刷腐蚀角度的设定；

步骤7)向控制台重新输入m，此时m＝δh/k，k为单位脉冲下步进电机带动卡槽形冲刷头4下降的高度；

步骤8)步进电机带动调整轮，调整轮通过卡槽形冲刷头上的卡槽带动卡槽形冲刷头下降单位高度，此时将步进电机工作参数n赋值+1，直到n＝m；

步骤9)将下压力传感器检测到的数据发送至控制台，控制台计算得到实际的流速v1，与设定速度v进行对比，计算得到冲刷腐蚀高度修正量δh’；

步骤10)控制台将δh’转化成步进电机工作参数修正量△m；

步骤11)将n重新赋值为0；

步骤12)若n小于△m的绝对值|△m|，则n赋值+1，否则流速调节完毕，确定最终冲刷腐蚀高度；

步骤13)判断△m的正负，若△m>0，则步进电机前转一个单位，反之则后转一个单位，跳回步骤12)；

步骤14)当完成角度与高度预置后，上压力传感器将感应到的压力p与设定速度v时对应的压力f进行比较，若p＜f，则上压力传感器继续感应压力p，同时调节实际流体流速；当p≥f，则认为已开始冲刷腐蚀；打开电磁阀，开始冲刷腐蚀，至此完成整个系统高度、角度、流速的精准调节；

如前所述，步骤9)中所述的冲刷腐蚀高度修正量δh’按照下式计算：

其中：w为修正因子，取值为9.4m/s²～10.2m/s²。

本发明具有的有益效果是：

本发明利用几何学特性，有效实现了试件在随试件平台运动过程中使腐蚀性多相流体始终冲刷腐蚀在试件中心；利用电位器的电阻特性，将微小的角度变化量转化为可检测的电压量，实现了角度控制系统的精确调节；同时利用高精度的压力传感器精确控制流速大小。本发明智能化程度高，能精确控制流速，角度，高度等试验条件，提高试验效果与可信度。

附图说明

图1是本发明实施例的结构图。

图2是u形试件平台的结构示意图。

图3是u形试件平台的分层展开图。

图4是u形试件平台的内部结构图。

图5是卡槽形冲刷头结构的局部放大图。

图6是角度控制电路的原理图。

图7是本发明控制方法的流程图。

图8是本发明控制方法的流程图。

图9是本发明控制方法的补充图。

图中：1、角度控制系统，2、流速控制系统，3、反应罐体，4、卡槽形冲刷头，5、调整轮，6、步进电机，7、电磁阀，8、上压力传感器，9、u形试件平台，10试件，11、电磁铁，12、下压力传感器，13、舵机，14、电位器，15、角度控制电路，16、圆孔，17、通孔，18、法兰孔，19、两个u形支架，20、两根连接杆件，21、载物台，22、控制台，23、罐盖，24、感压元件，25、两个微型电机，26、两根主动杆，27、两根从动杆，28、两根滑杆，29、内载物台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1、图5所示，本发明的中空的卡槽形冲刷头4外圆柱面四周均布有卡槽，通过啮合的调整轮5与步进电机6相连接；卡槽形冲刷头4上端与电磁阀7一端相连，卡槽形冲刷头4的下端竖直向下穿入到反应罐体3内，并与嵌入u形试件平台9上部的试件10相向布置；电磁阀7的另一端与上压力传感器8相连接。反应罐体3的一组相对的侧面相对应的位置各开有通孔17，u形试件平台9通过通孔17分别连接有舵机13与电位器14。反应罐体3上不开有通孔17的一个侧面的中上部并与载物台21相对位置开有圆孔16，圆孔16的法兰四周均布有与罐盖23配合的法兰孔18，且反应罐体3底部呈漏斗状。

如图1、图3、图4所示，在中空的u形试件平台9内部装有两个微型电机25、两根主动杆26、四根从动杆27、两根滑杆28和内载物台29；两根从动杆27的一端与焊接在第1微型电机25上的表面开有螺纹的第1主动杆26螺纹连接，两根从动杆27的另一端通过通孔套在第1滑杆28上；另外两根从动杆27的一端与焊接在第2微型电机25上的表面开有螺纹的第2主动杆26螺纹连接，两根从动杆27的另一端通过通孔套在第2滑杆28上；一对相互平行的从动杆与另一对相互平行的从动杆相互垂直且上下分布，四根从动杆分别贴合在活动的内载物台29的四个侧面上。电磁阀7、电磁铁11、舵机13、电位器14、上压力传感器8、下压力传感器12、感压元件24和两个微型电机25均通过导线与控制台22相连。

如图1、图2所示，所述u形试件平台9，包括两个u形支架19、两根连接杆件20和载物台21；两根连接杆件20通过各自的u形支架19同轴安装在载物台21两端面，载物台21中心安装试件10。两根连接杆件20轴线与试件10的形心在同一直线上。u形试件平台9、载物台21上方的电磁铁11下表面的下压力传感器12、并与位于电磁铁11上表面的感压元件24组成流速控制系统2。

如图1、图6所示，舵机13、电位器14和角度控制电路15组成角度控制系统1。角度控制电路15，包括电阻r2、电容c1、三极管q1、三极管q2和三极管q3；三极管q1基极经电阻r4和电容c1接地，并同时连接在电阻r2与电阻r3之间，电阻r3的另一端连接到电源正极，电阻r2另一端接地；电阻r1与电阻r4之间引出接到电位器的一端，电位器另一端接电源正极；三极管q2基极经电阻r6后一路连接到三极管q1的发射极，另一路经电阻r5接地，三极管q2发射极接地，三极管q2集电极一路经电阻r7接电源正极，另一路经电阻r8接三极管q3基极；三极管q3集电极接电源正极，发射极经电阻r9接地；电容c1和电容c2分别并联在电阻r1和电阻r9的两端且c2两端作为输出端引出接控制台adc采集口。

如图3所示，为u形试件平台的分层展开图。其中内载物台29上表面的几何中心开设有具有一定深度的中心沉孔，沉孔中心放置下压力传感器12，沉孔内嵌入圆柱形的感压元件承载体，在该承载体上表面的轴向均布有8只感压元件24，试件10与感压元件同轴，且置于感压元件承载体正上方。

如图7、图8、图9所示，该方法包括以下步骤：

步骤1)打开罐盖23，在载物台21上中心位置放置试件10，合上罐盖23，调节控制台22输出高电平，控制电磁阀7打开，含固的腐蚀性多相流体经卡箍形冲刷头4进入罐体3内，开始预冲刷腐蚀，冲刷腐蚀后的多相流体通过漏斗状的罐底流出罐体3；

步骤2)感压元件24检测记录压力值并得到f1-f8共8组数据，筛选并得到8组数据的最大值fmax和8组数据的最小值fmin，并计算两者的比值β，即：β＝fmax/fmin；

步骤3)若β＜1.3，则认为含固腐蚀性多相流体冲刷腐蚀在试件10正中心，控制台22发出低电平关断电磁阀7，等待参数设置；若β＞1.3，则控制微型电机25通过主动杆26带动从动杆27将内载物台向最大压力值的感压元件24方向移动一个单位长度δs，回到步骤2，直至β＜1.3；

步骤4)连接角度控制电路15，并初始化以下参数，m＝n＝0，m，n分别表示步进电机6工作参数；

步骤5)在控制台22设定β，v，δh，其中β表示试件与水平面的夹角角度，v表示冲刷腐蚀速度，δh表示卡槽型冲刷头4的下降高度；其中定义初始位置卡箍形冲刷头4下端距离试件10所在平面的竖直距离为h，则实际冲刷腐蚀距离为h±δh；

步骤6)控制台22输出设定的pwm波调节舵机13转过相应的角度α，在转动u形试件平台9的同时带动电位器14转过角度α，因为两根连接杆件20与试件10的形心在同一直线上，在绕连接杆件20为旋转轴过程中试件10的形心始终在此旋转轴上，使得含固腐蚀性多相流体始终冲刷腐蚀试件10正中心；通过角度控制电路15将电位器14的电阻量转化为电压量接入控控制台22的adc采集口，计算输出修正量γ，输出修正后的pwm波，如此反复，完成冲刷腐蚀角度的设定；

步骤7)向控制台22重新输入m，此时m＝δh/k，k为单位脉冲下步进电机6带动卡槽形冲刷头4下降的高度；

步骤8)步进电机6带动调整轮5，调整轮5通过卡槽形冲刷头4上的卡槽带动卡槽形冲刷头4下降单位高度，此时将步进电机6工作参数n赋值+1，直到n＝m；

步骤9)打开电磁阀7，将下压力传感器12检测到的数据发送至控制台22，控制台22计算得到实际的流速v1，与设定速度v进行对比，计算得到冲刷腐蚀高度修正量δh’；

步骤10)控制台22将δh’转化成步进电机6工作参数修正量△m；

步骤11)将n重新赋值为0；

步骤12)若n小于△m的绝对值|△m|，则n赋值+1，否则流速调节完毕，确定最终冲刷腐蚀高度；

步骤13)判断△m的正负，若△m>0，则步进电机6前转一个单位，反之则后转一个单位，跳回步骤12；

步骤14)当完成角度与高度预置后，上压力传感器8将感应到的压力p与设定速度v时对应的压力f进行比较，若p＜f，则上压力传感器8继续感应压力p，同时调节实际流体流速；当p≥f，则认为已开始冲刷腐蚀；打开电磁阀7，开始冲刷腐蚀，至此完成整个系统高度、角度、流速的精准调节；

如前所述，步骤9)中所述的冲刷腐蚀高度修正量δh’按照下式计算：

其中：w为修正因子，取值为9.4m/s²～10.2m/s²。

由此，本发明利用了几何学特性，有效实现了试件在随试件平台运动过程中使含固腐蚀性多相流体始终冲刷腐蚀在在试件中心；利用了电位器的电阻特性，将微小的角度变化量转化为可检测的电压量，实现了角度控制系统的精确调节；同时利用高精度的压力传感器精确控制流速大小。智能化程度高，能精确控制流速，角度，高度等试验条件，提高试验效果与结果的可信度。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。