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【干货】多相流腐蚀解决方案详解

2018-02-08 10:08:52
作者:陈冰川
来源: 多相流在线

多相流的现象普遍存在于能源电力、石油化工、制冷、低温、介质输运、环境保护及航天技术等许多工业部门。多相流问题复杂,涉及流体力学、物理化学、传热传质学、燃烧学等多个学科,在近几十年里,由于油气水多相流检测技术的研究具有重要的理论和工程意义,迅速发展起来成为一门新兴学科。我国在多相流的研究紧跟世界潮流,在近二十年来,由于生产实际的迫切需求,油气水多相流腐蚀研究在我国得到了高度重视,国内已经有多家研究机构开展了相关领域的基础理论和试验研究,并成功得到了工程应用。

    1. 多相流腐蚀问题


    多相流的现象普遍存在于能源电力、石油化工、制冷、低温、介质输运、环境保护及航天技术等许多工业部门。多相流问题复杂,涉及流体力学、物理化学、传热传质学、燃烧学等多个学科,在近几十年里,由于油气水多相流检测技术的研究具有重要的理论和工程意义,迅速发展起来成为一门新兴学科。我国在多相流的研究紧跟世界潮流,在近二十年来,由于生产实际的迫切需求,油气水多相流腐蚀研究在我国得到了高度重视,国内已经有多家研究机构开展了相关领域的基础理论和试验研究,并成功得到了工程应用。


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多相流腐蚀问题


    工业生产中的许多腐蚀问题是由多相介质流动所造成。例如,石油管道的多相流主要是气相、液相(包括水相和烃相)和固相(固体沙粒)多相共存且流动的多相流,而且往往还处在高温和高压的流动状态。与单相介质腐蚀相比,多相介质腐蚀情况更为复杂,腐蚀速率一般比单相流要高很多。为了对多相流腐蚀进行有效的监测,逐渐由以往简单的腐蚀挂片定期测量失重的方法而发展出一批先进的在线监测技术。


    2. 多相流腐蚀在线监测技术


    随着腐蚀监测技术的发展,越来越多先进的技术已经在多相流腐蚀监测领域得到了应用,由于多相流腐蚀涉及的流体介质和流型较为复杂,从而影响了腐蚀动力学过程,所以在线监测技术一般采用直接侵入管道内部来进行测量的方法来实时监测腐蚀速率的变化。


    侵入式在线监测方法一般又可以根据测量原理细分为物理方法和电化学方法。物理方法主要是从最早的离线式腐蚀挂片失重法发展而来,所反映的是试样在腐蚀介质中的金属损失情况,主流的实时在线监测方法包括电阻探针法和电感探针法。而电化学方法主要是测量试样的腐蚀电流或电化学噪声等,从而反映实时腐蚀速率变化,目前工程上最常见的是采用线性极化电阻法。


    多相流腐蚀在线监测系统一般由微机控制的自动现场腐蚀监测仪器和对应的腐蚀探针(包括电阻探针、电感探针、电化学探针等)组成。最常用的腐蚀探针有电阻探针、电感探针、线性极化电阻探针,一般可根据监测的介质环境和测量精度等要求进行选择或者搭配使用。下面简单介绍下这几种适合于多相流腐蚀的在线监测技术。


    a) 电阻探针


    电阻探针测量金属腐蚀速率的原理是根据金属试样由于腐蚀作用使横截面积减小,从而导致电阻增大的原理。金属材料在某一温度下电阻值即:


    R=ρ×L/S


    其中,ρ为材料的电阻率、L为材料的长度、S为材料的截面积。


    在腐蚀性介质中,作为测量元件的金属丝被腐蚀后,金属丝长度不变、直径减小,电阻增大,通过测试电阻的变化来换算出金属丝的腐蚀减薄量。当所用金属丝的材质与所测量的设备材质相同时,就可用金属丝的腐蚀率近似地代表设备的腐蚀率。


    利用该原理己经研制出较多的电阻探针用于监测设备的腐蚀情况,能较准确地反映出设备运行各阶段的腐蚀率及其变化,且能适用于各种不同的介质,不受介质导电率的影响,其使用温度仅受制作材料的限制。与腐蚀挂片失重法相比,不需要从腐蚀介质中取出试样,也不必除去腐蚀产物,测量速度快,灵敏方便,其测量精度可达到微米级别。


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电阻探针的结构示意图


    电阻探针腐蚀监测系统是由腐蚀电阻探针、紧固件、腐蚀数据采集器、连接电缆、数据转换器、计算机和在线监测软件系统组成。


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电阻探针腐蚀监测系统


    b) 电感探针


    在上世纪九十年代,为了提高腐蚀监测精度,科研人员在电阻法技术的发展基础上,根据电感法研发出现了电感探针。电感法也称磁阻法,是通过检测电磁场强度的变化来测试金属试样腐蚀减薄。当交流信号加至线圈两端时,在线圈周围就会产生电磁场。而置于其中的金属导磁材料就会影响磁场强度,间接影响线圈电感量⊿L。金属试样厚度及材质不同,对磁场强度影响也不同,带来的线圈电感量⊿L也不同。由于电感法相比电阻法,具有测试精度更高、对微小的腐蚀速率变化敏感,且适用于各种介质、响应快、抗干扰性强等特点,所以近些年发展较快。


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    c) 线性极化电阻探针


    电化学探针一般采用线性极化法,对腐蚀情况变化响应快,通过测量腐蚀电流,获得瞬间腐蚀速率。根据M·Stern等人的研究,如果在金属的腐蚀电位附近(±10mV左右)通过外加微小电流使金属极化,则△E/△I (即极化电阻Rp)和在被测系统中所发生的金属腐蚀速度成如下关系:


18.png

    式中:Fp--腐蚀速度(mdd);


    Cp--换算因数(mdd·Ω/cm2);


    Rp--极化电阻(Ω/cm2);


    线性极化电阻法一般采用三电极系统(探头)测量极化电阻Rp。探头的三个电极中,一个作参比电极,其余两个分别为工作电极和辅助电极。


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线性极化电阻原理


    由于线性极化法能及时地反映设备操作条件的变化,是一种非常适用于在多相流介质中进行在线监测的方法。但它不适于在导电性差的介质中应用,这是由于金属表面如果有大量腐蚀产物堆积,将产生假电容而引起测量误差,所以在一些特殊的条件下检测金属腐蚀速率通常需要与其它测试方法进行比较以确保其监测结果的准确性。


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线性极化电阻探针


    d) 几种多相流腐蚀在线监测技术的比较

 
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责任编辑:王元


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标签: 多相流, 腐蚀, 在线监测

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