CN106501162A - 一种高温高压动态电偶腐蚀实验方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温高压动态电偶腐蚀实验方法及装置，其要点在于实现循环动态高温高压气相、液相腐蚀介质中偶接在一起的两种金属材料的电偶腐蚀性能评价，检测电偶腐蚀速率大小，检验两种金属连接的适用性、螺纹连接的密封性。根据两种金属材料的使用状态和服役环境，使用连接杆和螺纹连接的方式将其连接并加载一定大小的扭矩，整体置于循环动态高温高压气相、液相腐蚀环境中，利用该实验方法和装置可检测两种金属材料偶接后各自的电偶腐蚀速率数值大小，定量分析两种金属偶接后的电偶腐蚀损伤及其敏感性因子大小，检验两种金属材料连接方式的适用性、螺纹密封的可靠性，对其发生电偶腐蚀、缝隙腐蚀的风险进行综合评估。
Description
技术领域
本发明涉及一种高温高压动态电偶腐蚀实验方法及装置，更具体地说，它涉及一种用于石油、化工、材料领域高温高压动态电偶腐蚀实验方法，本发明还涉及使用该方法进行高温高压电偶腐蚀实验的装置。
背景技术
针对服役于石油工业、化学工业、材料领域腐蚀环境中的金属材料，需要对两种金属材料偶接的结构、功能部件、设备等进行高温高压电偶腐蚀性能评价，掌握两种金属连接时的电偶腐蚀速率、电偶腐蚀作用机理以及发生缝隙腐蚀的风险，对电偶偶接的两种金属材料进行优选，检验两种金属连接的适用性。目前国内外电偶腐蚀实验方法一般是电化学方法或普通连接的试样方法，无法评价石油工业、化学工业中高温高压气相、液相腐蚀性环境中两种金属的电偶腐蚀速率，也不能分析两种金属通过螺纹连接是否存在电偶腐蚀、缝隙腐蚀风险，无法评估电偶腐蚀机理以及螺纹端密封性失效进程，不能为优选电偶偶接的两种金属材料以及金属连接的适用性提供可靠依据。
在石油和化工行业中，大多设备、管道、装置都需要使用两种或多种金属材料，连接方式包括焊接、铆接、螺纹连接等，局部承受应力或扭矩，在一定的温度、压力和腐蚀性环境中服役。目前电偶腐蚀评价在学术上和工程技术上具有极其重要的价值，由于缺乏相应的电偶腐蚀实验方法和装置，导致电偶腐蚀的评价结果偏离工程实际。常规的电偶腐蚀实验运用电化学实验方法，借助电化学工作站测试电流、电位数值大小的变化考察电偶腐蚀作用的严重程度，或者通过导线将两种金属材料连接起开展浸泡实验。无法实现两种金属材料在扭矩作用下，处于循环动态高温高压气相、液相腐蚀介质中的电偶腐蚀性能评价，评价结果与工程实际相差甚远，用常规方法对需要偶接的两种金属材料进行选材和适用性评价往往给工程施工带来巨大经济损失以及长期的腐蚀防护难题。
目前，常规的电偶腐蚀实验方法存在以下不足：
(A)两种金属材料连接方式受限，无法精确加载一定数值大小的扭矩；
(B)电偶试样结构、腐蚀环境与工程实际存在差异，不能为现场金属材料的优选和适用性评价提供可靠保证；
(C)只能检测两种金属材料偶接后是否存在电偶腐蚀，无法检验偶接后所存在的电偶腐蚀损伤及缝隙腐蚀风险，无法评价两种金属材料偶接的适用性。
为解决常规电偶腐蚀实验不能满足工程实际对于两种金属材料偶接时的选材问题，本发明借助高温高压釜，提出了新型动态电偶腐蚀实验方法，设计了电偶试样及其夹持装置，形成了适用于高温高压动态电偶腐蚀的新型实验方法，能够很好的解决上述问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种能够准确反映电偶腐蚀实际工况、用于高温高压动态电偶腐蚀实验的方法。
本发明要解决的另一技术问题是提供一种贴近实际、便于操作、稳定可靠、能够同时进行多组平行实验、用于开展高温高压动态电偶腐蚀实验所用的装置。
本发明的前一技术方案是这样实现的：一种高温高压动态电偶腐蚀实验方法主要包括：(A)测定动态高温高压气相、液相腐蚀环境中两种金属材料在扭矩作用下偶接时的电偶腐蚀速率大小；(B)分析两种金属材料偶接后，发生电偶腐蚀、缝隙腐蚀以及其他腐蚀作用的风险；(C)评价两种金属材料电偶腐蚀损伤机理，检验两种金属偶接的适用性、螺纹密封的可靠性；根据实验结果计算两种金属材料在服役环境中的电偶腐蚀速率大小，分析电偶腐蚀损伤、腐蚀形迹、腐蚀进程及密封接触面的损伤，检验一定扭矩偶接的两种金属材料在高温高压腐蚀环境中的适用性、螺纹密封可靠性，进行电偶腐蚀、缝隙腐蚀风险评估。
上述的一种高温高压恒载荷应力腐蚀实验方法中，具体测定步骤是：(A)根据所测试两种金属材料的服役环境，计算气相腐蚀介质(6)的分压，配置液相腐蚀介质(8)并确定实验过程中高温高压釜(1)的温度和压力；(B)根据实际工程两种金属材料的连接方式，确定所采用的试样结构和所需加载的扭矩大小；(C)按照电偶试样I(10)、电偶试样II(22)装配金属试样A(18)和金属试样B(19)，调整预置式扭力扳手至设计扭矩，分别对电偶试样I(10)、电偶试样II(22)进行加载；(D)将电偶试样编号并放入试样夹持装置(9)中，使用定位销钉(16)将其固定；(E)将试样夹持装置(9)安装在磁力旋转系统(4)上，并使用固定器(17)固定；(F)关闭进气口(11)和出气口(12)，将配置好的液相腐蚀介质(8)加入高温高压釜(1)中；(G)关闭釜盖(13)，打开出气口(12)和出气口(11)，持续通入N2进行充分除氧；(H)加入气相腐蚀介质(6)，使气相腐蚀介质分压、高温高压釜(1)总压力与所测试两种金属材料的服役环境一致；(I)关闭进气口(11)，调整磁力旋转系统(4)转速，保障腐蚀实验周期内液相腐蚀介质(8)均一且保持循环流动后，记录实验开始时间；(J)实验周期根据实际需求及相关标准设置，实验结束后，降温卸压，打开釜盖(13)，取出电偶试样I(10)、电偶试样II(22)；(K)观察腐蚀发生部位、腐蚀产物形态，观察空腔(23)中pH试纸的变色情况、判定金属试样(18)与金属试样(19)螺纹连接密封性是否失效；(L)分析腐蚀产物组分及腐蚀机制和进程，计算电偶腐蚀速率、电偶腐蚀敏感因子，评估电偶腐蚀、缝隙腐蚀风险，分析得出两种金属材料连接适用性、密封可靠性的检验结果。
本发明与现有技术相比，具有下述优点：
(A)能够根据工程实际选择所测两种金属材料的偶接方式，可根据金属材料服役工况条件任意设置扭矩大小，并进行精准加载；
(B)两种不同的电偶试样结构可分别测试纯电偶腐蚀速率大小，电偶腐蚀、缝隙腐蚀协同加速后的腐蚀速率大小，对电偶腐蚀及引发缝隙腐蚀的风险、螺纹密封性进行风险评估；
(C)高温高压动态电偶腐蚀实验条件贴近工程实际，能够检测电偶腐蚀方式及发生机制，检验两种金属材料偶接后的适用性、螺纹密封可靠性以及螺纹密封接触面的损伤特征，对工程选材、螺纹密封性以及电偶腐蚀机理的研究提供更加稳定、可靠的实验方法。
附图说明
下面结合附图和实验方法对本发明作进一步地详细说明，本发明包含所有能够实现该方法的实验装置，不仅限于附图所示结构，该装置不构成对本发明的任何限制。
图1是实现本发明的高温高压动态电偶腐蚀实验装置示意图。
图2是实现本发明的试样夹持装置示意图。
图3是实现本发明的纯电偶试样I示意图。
图4是实现本发明的螺纹连接电偶试样II示意图。
具体实施方式
参阅图1所示，本发明中一种高温高压动态电偶腐蚀实验装置，主要包括高温高压釜(1)、加热系统(2)、保温系统(3)、磁力旋转系统(4)、温度压力传感器(5)、气相腐蚀介质(6)、气液界面(7)、液相腐蚀介质(8)、试样夹持装置(9)、电偶试样I(10)、进气口(11)、出气口(12)、釜盖(13)、电流连接杆(14)、内六角孔(15)、定位销钉(16)、固定器(17)、金属试样A(18)、金属试样B(19)、绝缘垫圈(20)、绝缘连接杆(21)、电偶试样II(22)、空腔(23)；所述的高温高压釜(1)设置有加热系统(2)、保温系统(3)、温度压力传感器(5)、气相腐蚀介质(6)、液相腐蚀介质(8)、试样夹持装置(9)、电偶试样I(10)、电偶试样II(22)、进气口(11)和出气口(12)，保障高温高压釜(1)内部的温度、压力达到实验要求；所述的电偶试样I(10)、电偶试样II(22)，通过定位销钉(16)固定在试样夹持装置(9)上；所述的试样夹持装置(9)通过固定器(17)固定在磁力旋转系统(4)上，整体在磁力旋转系统(4)所设定的速度下持续转动，保障高温高压釜(1)内部的气相腐蚀介质(6)、液相腐蚀介质(8)处于动态循环状态。
本发明中一种高温高压动态电偶腐蚀实验方法如下。
(A)电偶腐蚀实验条件，具体方法如下：
(a)根据所测试两种金属材料的服役环境，确定温度、压力、腐蚀性气体的组分、计算气相腐蚀介质(6)的分压，根据服役环境中离子含量配置液相腐蚀介质(8)或直接使用所测金属材料服役的实际腐蚀介质，取样过程应符合要求并与空气完全隔离；
(b)根据所测试两种金属材料的服役环境，确定液相腐蚀介质(8)的流速，测量电偶试样I(10)、电偶试样II(22)轴线与试样夹持装置(9)中心点的距离，计算不同位置安装的电偶试样I(10)、电偶试样II(22)的线速度，该速度在数值上等于腐蚀介质对电偶试样的冲刷速度，实验过程中将其视作液相腐蚀介质(8)的流速。
(c)根据工程实际确定两种金属材料的面积比、连接方式、电偶试样类型及扭矩大小；
(d)分别测试金属试样A(18)、金属试样B(19)的重量，分别记为MA、MB，单位为g；
(e)根据上述工况条件，按照常规静态挂片腐蚀实验测试金属试样A(18)、金属试样B(19)的腐蚀失重，分别记为MA'、MB'，单位为g；
(f)使用电偶试样II(22)时，需测量金属试样A(18)、金属试样B(19)偶接后接触部位径截面的直径，计算其接触面积大小，分别记为SA，SB，单位为cm2。
(B)电偶腐蚀性能测试，具体方法如下：
(a)按照电偶试样I(10)、电偶试样II(22)装配金属试样A(18)和金属试样B(19)，在空腔(23)中放置pH试纸；
(b)调整预置式扭力扳手至设计扭矩数值大小，分别对电偶试样I(10)、电偶试样II(22)进行加载；
(c)将电偶试样编号并插入试样夹持装置(9)中，使用定位销钉(16)将其固定；
(d)将试样夹持装置(9)安装在磁力旋转系统(4)上，并使用固定器(17)固定；
(e)关闭进气口(11)和出气口(12)，将配置好的液相腐蚀介质(8)加入高温高压釜(1)中；
(f)关闭釜盖(13)，打开出气口(12)和出气口(11)，持续通入N2进行充分除氧；
(g)加入气相腐蚀介质(6)，使气相腐蚀介质分压、高温高压釜(1)总压力与所测试两种金属材料的服役环境一致；
(h)关闭进气口(11)，调整磁力旋转系统(4)转速，保障电偶试样I(10)、电偶试样II(22)的线速度与其服役工况腐蚀介质流速一致，同时保障腐蚀实验周期内液相腐蚀介质(8)均一且保持循环流动；
(i)记录实验开始时间，实验周期根据实际需求及相关标准设置；
(j)实验结束后，降温、卸压，打开釜盖(13)，取出电偶试样I(10)、电偶试样II(22)；
(k)观察腐蚀发生部位、记录腐蚀产物形态，分析腐蚀产物组分及腐蚀机制和进程。
(C)电偶腐蚀结果分析，具体方法如下：
(a)清洗电偶试样I(10)、电偶试样II(22)，取出空腔(23)中的pH试纸，试纸变色较干燥，说明螺纹连接气密封失效，试纸变色且湿润，说明螺纹连接气密封、液密封均失效；
(b)将金属试样A(18)和金属试样B(19)风干、称重，分别记为MA"、MB"，单位为g；
(c)使用六角扳手将金属试样A(18)、金属试样B(19)分离，借助显微放大技术分别统计金属试样A(18)、金属试样B(19)接触部位径截面的面积，分别记为SA'，SB'，单位为cm2；
(d)计算电偶腐蚀速率、评估缝隙腐蚀速率，给出所测试两种金属试样A(18)和金属试样B(19)偶接的适用性、螺纹密封的完整性检验结果，综合判断两种金属材料在一定扭矩作用下、高温高压动态电偶腐蚀的适用性检验结果。
(D)对于电偶试样I(10)和电偶试样II(22)，电偶腐蚀计算方法如下：
(a)计算腐蚀速率：
其中，CRA、CRB分别为金属试样A(18)、金属试样B(19)的腐蚀速率，单位mm/a；ρA、ρB分别为金属试样A(18)、金属试样B(19)的密度，单位g/cm3；T为腐蚀实验时间，单位h。
(b)计算电偶腐蚀速率：
其中，GRA、GRB分别为金属试样A(18)、金属试样B(19)的电偶腐蚀速率，单位mm/a。
(E)计算电偶腐蚀敏感因子，计算方法如下：
(a)以腐蚀速率为评价依据的电偶腐蚀敏感因子：
其中，γA、γB分别为金属试样A(18)、金属试样B(19)的电偶腐蚀敏感因子。(b)以接触面损失率为评价依据的电偶腐蚀敏感因子：
其中，δA、δB分别为金属试样A(18)、金属试样B(19)的电偶腐蚀敏感因子。
Claims (12)
1.一种高温高压动态电偶腐蚀实验方法及装置，其特征在于能够评价循环动态高温高压气相、液相腐蚀环境中两种金属材料偶接在一起时的电偶腐蚀性能，检测两种金属材料偶接后各自的电偶腐蚀速率数值大小，定量分析两种金属偶接后的电偶腐蚀损伤及其敏感性因子大小，检验两种金属材料连接方式的适用性、螺纹密封的可靠性，对其发生电偶腐蚀、缝隙腐蚀的风险进行综合评估。
2.根据权利要求1所述的一种高温高压动态电偶腐蚀实验方法，其特征在于实验内容包括：(A)测定动态高温高压气相、液相腐蚀环境中两种金属材料在扭矩作用下偶接时的电偶腐蚀速率大小；(B)分析两种金属材料偶接后，发生电偶腐蚀、缝隙腐蚀以及其他腐蚀作用的风险；(C)评价两种金属材料电偶腐蚀损伤机理，检验两种金属偶接的适用性、螺纹密封的可靠性；根据实验结果计算两种金属材料在服役环境中的电偶腐蚀速率大小，分析电偶腐蚀损伤、腐蚀形迹、腐蚀进程及密封接触面的损伤，检验一定扭矩偶接的两种金属材料在高温高压腐蚀环境中的适用性、螺纹密封可靠性，进行电偶腐蚀、缝隙腐蚀风险评估。
3.根据权利要求1所述的一种高温高压动态电偶腐蚀实验装置，其特征在于包括高温高压釜(1)、加热系统(2)、保温系统(3)、磁力旋转系统(4)、温度压力传感器(5)、气相腐蚀介质(6)、气液界面(7)、液相腐蚀介质(8)、试样夹持装置(9)、电偶试样I(10)、进气口(11)、出气口(12)、釜盖(13)、电流连接杆(14)、内六角孔(15)、定位销钉(16)、固定器(17)、金属试样A(18)、金属试样B(19)、绝缘垫圈(20)、绝缘连接杆(21)、电偶试样II(22)、空腔(23)；所述的高温高压釜(1)设置有加热系统(2)、保温系统(3)、温度压力传感器(5)、气相腐蚀介质(6)、液相腐蚀介质(8)、试样夹持装置(9)、电偶试样I(10)、电偶试样II(22)、进气口(11)和出气口(12)，保障高温高压釜(1)内部的温度、压力达到实验要求；所述的电偶试样I(10)、电偶试样II(22)，通过定位销钉(16)固定在试样夹持装置(9)上；所述的试样夹持装置(9)通过固定器(17)固定在磁力旋转系统(4)上，整体在磁力旋转系统(4)所设定的速度下持续转动，保障高温高压釜(1)内部的气相腐蚀介质(6)、液相腐蚀介质(8)处于动态循环状态。
4.根据权利要求3所述的一种高温高压动态电偶腐蚀实验装置，其特征在于高温高压釜(1)、磁力旋转系统(4)、温度压力传感器(5)、进气口(11)、出气口(12)、釜盖(13)、定位销钉(16)、电流连接杆(14)均由耐腐蚀性能良好的哈氏合金加工成型；试样夹持装置(9)、固定器(17)、绝缘垫圈(20)、绝缘连接杆(21)是由绝缘材料聚四氟乙烯加工成型。
5.根据权利要求3所述的一种高温高压动态电偶腐蚀实验装置，其特征在于电偶试样I(10)、电偶试样II(22)通过定位销钉(16)固定在试样夹持装置(9)上，试样夹持装置(9)通过固定器(17)固定在磁力旋转系统(4)上，通过设定磁力旋转系统(4)转速，控制电偶试样I(10)、电偶试样II(22)随试样夹持装置(9)一起在气相腐蚀介质(6)、液相腐蚀介质(8)中持续旋转，在高温高压釜(1)中形成循环动态腐蚀环境，计算不同温度、压力和不同介质流速的高温高压动态腐蚀环境中金属试样A(18)、金属试样B(19)的电偶腐蚀速率，评价两种金属材料电偶腐蚀的损伤机理。
6.根据权利要求3所述的一种高温高压动态电偶腐蚀实验装置，其特征在于电偶试样I(10)、电偶试样II(22)试样端部加工有内六角孔(15)，通过使用预置式扭力扳手对金属试样A(18)、金属试样B(19)加载一定大小的扭矩，通过改变高温高压釜(1)中温度、压力条件、磁力旋转系统(4)转速以及气相腐蚀介质(6)、液相腐蚀介质(8)环境参数，模拟现场工况条件检测两种金属材料连接的适用性，计算螺纹密封面的损伤率、电偶腐蚀速率数值大小，评估电偶腐蚀、缝隙缝隙的损伤风险。
7.根据权利要求3所述的一种高温高压动态电偶腐蚀实验装置，其特征在于电偶试样I(10)由电流连接杆(14)、内六角孔(15)、定位销钉(16)、金属试样A(18)、金属试样B(19)、绝缘垫圈(20)、绝缘连接杆(21)组成，电流连接杆(14)依次穿过绝缘连接杆(21)、绝缘垫圈(20)，两端通过外螺纹分别与金属试样A(18)和金属试样B(19)内螺纹连接，整体通过定位销钉(16)固定在试样夹持装置(9)上，检测金属试样A(18)和金属试样B(19)偶接后的纯电偶腐蚀速率大小，分析电偶腐蚀引发的表面腐蚀特征。
8.根据权利要求3所述的一种高温高压动态电偶腐蚀实验装置，其特征在于电偶试样II(22)由内六角孔(15)、定位销钉(16)、金属试样A(18)、金属试样B(19)、空腔(23)组成，金属试样B(19)两端加工有内螺纹，分别与同种或异种的两个金属试样A(18)的外螺纹连接，然后通过定位销钉(16)固定在试样夹持装置(9)上，检测两种或三种金属材料的电偶腐蚀速率大小，分析其连接适用性及其螺纹密封可靠性。
9.根据权利要求3所述的一种高温高压动态电偶腐蚀实验装置，其特征在于在电偶试样II(22)中金属试样A(18)、金属试样B(19)螺纹连接所形成的空腔(23)中放入pH试纸，根据实验后pH试纸的变色情况，可判定由金属试样A(18)、金属试样B(19)螺纹连接的密封性。
10.根据权利要求3所述的一种高温高压动态电偶腐蚀实验装置，其特征在于通过将电偶试样I(10)、电偶试样II(22)安装在试样夹持装置(9)的不同位置，测量试样轴线与试样夹持装置(9)中心点的距离，可实现电偶试样I(10)、电偶试样II(22)在气相腐蚀介质(6)、液相腐蚀介质(8)以不同线速度转动，可检测气相腐蚀介质(6)、液相腐蚀介质(8)不同流速下的电偶腐蚀速率、电偶腐蚀和缝隙腐蚀风险以及两种金属材料的连接适用性、螺纹连接的可靠性。
11.根据权利要求3所述的一种高温高压动态电偶腐蚀实验装置，其特征在于通过改变金属试样A(18)、金属试样B(19)的长度可改变电偶试样I(10)、电偶试样II(22)的面积比，研究面积比对电偶腐蚀速率大小的影响，通过计算金属试样A(18)、金属试样B(19)的电偶腐蚀敏感性因子的数值大小，判定电偶腐蚀、缝隙腐蚀的风险。
12.根据权利要求3所述的一种高温高压动态电偶腐蚀实验装置，其特征在于通过对电偶试样I(10)、电偶试样II(22)中金属试样A(18)、金属试样B(19)表面及其螺纹连接部位进行显微形貌观察，根据接触面损伤率判定是否存在电偶腐蚀、缝隙腐蚀风险，检验异种金属连接的适用性、螺纹密封的可靠性，为异种金属的连接提供选材依据。
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