孔 為，文 磊，陳迎鋒，張玉楠，金 瑩

（北京科技大學(xué)國家材料服役安全科學(xué)中心，北京?100083）

石油石化行業(yè)將管道作為輸送油、氣、液等介質(zhì)的主要方式。但在輸送過程中往往伴隨著高溫高壓環(huán)境，易造成對管道內(nèi)壁的多相流腐蝕，從而產(chǎn)生安全隱患，甚至?xí)l(fā)生安全事故及由此帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。目前，國內(nèi)外已研發(fā)出的管道多相流腐蝕試驗(yàn)裝置基本為1英寸的小尺寸環(huán)路，不能同時(shí)滿足高溫高壓（140℃、10 MPa）的實(shí)際工況環(huán)境，且存在非封閉運(yùn)行所造成的高成本等問題[4-8]。這滿足不了對實(shí)際大尺寸管道工況的試驗(yàn)?zāi)M要求。基于此，本課題組設(shè)計(jì)出了一系列專有的技術(shù)方案，研發(fā)出了可以模擬高溫高壓條件的大尺寸管道（4英寸）多相流腐蝕的試驗(yàn)裝置。

1 試驗(yàn)裝置的主要功能

為滿足對高溫高壓條件下大尺寸管道多相流腐蝕的實(shí)際工況模擬[9-11]，試驗(yàn)裝置需具備如下功能：

（1）4英寸大尺寸管道，介質(zhì)在環(huán)路中封閉運(yùn)行。

（2）試驗(yàn)溫度為：室溫至140℃之間，壓力最高為10 MPa。

（3）氣（包含CO2、H2S等酸性氣體）、水及油的多相流工況，液體流速最高為4 m/s，氣體流速最高為20 m/s。

2 裝置設(shè)計(jì)方案

為達(dá)到上述的試驗(yàn)裝置功能，將裝置整體分成多個(gè)子系統(tǒng)，分別為環(huán)路運(yùn)行子系統(tǒng)、介質(zhì)供應(yīng)子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)及監(jiān)檢測子系統(tǒng)。裝置的設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.1 環(huán)路運(yùn)行子系統(tǒng)

環(huán)路運(yùn)行子系統(tǒng)是裝置的主體部分，其主要包括哈氏合金材質(zhì)的4英寸試驗(yàn)管道環(huán)路（包括由法蘭連接的可拆換試驗(yàn)段）、介質(zhì)分離器（外套加熱控制器）、離心液體循環(huán)泵、高壓氣體壓縮機(jī)及管道冷卻控溫系統(tǒng)等。其中試驗(yàn)段包括1段透明可視段，采用藍(lán)寶石玻璃材質(zhì)。

圖1 ??高溫高壓大尺寸管道多相流腐蝕試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)圖

該子系統(tǒng)的工藝流程為氣體供應(yīng)壓力儲罐輸出液態(tài)氣體，通過柱塞泵加壓，然后通過加熱器汽化成高壓氣體，最終經(jīng)高壓管道進(jìn)入管道環(huán)路，為整套試驗(yàn)系統(tǒng)提供壓力。液體介質(zhì)在介質(zhì)配制罐中配好后泵入介質(zhì)分離器，開啟離心液體循環(huán)泵，單相液體介質(zhì)在管道與介質(zhì)分離器形成的環(huán)路中封閉運(yùn)行，在外套加熱控制器的作用下達(dá)到室溫至140℃之間的試驗(yàn)溫度。同時(shí)開啟高壓氣體壓縮機(jī)將氣體泵入正在封閉循環(huán)運(yùn)行的液體流中，從而形成氣液兩相流，流經(jīng)試驗(yàn)段后進(jìn)入介質(zhì)分離器進(jìn)行氣液分離，再進(jìn)入下一個(gè)封閉循環(huán)。使用泵的變頻調(diào)節(jié)器對液體和氣體流量進(jìn)行控制，為達(dá)到液體流速最高為4 m/s，氣體流速最高為20 m/s的要求，設(shè)計(jì)的離心液體循環(huán)泵和高壓氣體壓縮機(jī)的技術(shù)指標(biāo)如表1、表2所示。

表1 ??離心液體循環(huán)泵的技術(shù)參數(shù)

表2 ??高壓氣體壓縮機(jī)的技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)結(jié)束后，液體通過管道冷卻控溫系統(tǒng)降至室溫，然后開放空閥使氣體經(jīng)過濾后放空，之后將液體介質(zhì)通過廢液回收系統(tǒng)后排出。最后要對管道進(jìn)行清洗和吹掃，將高溫純水加入閉路循環(huán)系統(tǒng)中，開循環(huán)泵對管道進(jìn)行清洗，清洗完畢后排出系統(tǒng)；再使用加熱后的惰性氣體對管道進(jìn)行吹掃除濕。

通過上述設(shè)計(jì)，其物料消耗及綜合能耗與同類裝置相比，具有明顯的優(yōu)勢[12]，如表3、表4所示。

表3 ??高溫高壓大尺寸管道多相流腐蝕試驗(yàn)裝置的單次試驗(yàn)物料消耗

表4 ??高溫高壓大尺寸管道多相流腐蝕試驗(yàn)裝置的單次試驗(yàn)綜合能耗

2.2 介質(zhì)供應(yīng)子系統(tǒng)

介質(zhì)供應(yīng)子系統(tǒng)用于對試驗(yàn)所用氣、液多相腐蝕介質(zhì)的配置及供應(yīng)，主要包括介質(zhì)配置罐、氣體供應(yīng)壓力儲罐及純水制備系統(tǒng)。

在介質(zhì)配置罐中，配置油、水、鹽水等液體介質(zhì)，還可加入各種緩蝕劑，加入后使用攪拌泵將液體介質(zhì)混合均勻，然后泵入介質(zhì)分離器中待用。

純水制備系統(tǒng)用于為系統(tǒng)提供配液的基礎(chǔ)水及試驗(yàn)結(jié)束后對管道的清洗，首先將市政水通過過濾砂及活性炭，使處理后的水的一級電導(dǎo)率≤8μS/cm，泵入儲存罐。試驗(yàn)前儲存罐中的水再次泵入二級過濾的混床樹脂，過濾后的純水滿足電阻率≥16 MΩcm，可為介質(zhì)配置罐實(shí)時(shí)供應(yīng)足量純水。

將氣體供應(yīng)壓力儲罐設(shè)計(jì)為每次充滿可滿足5次的試驗(yàn)用量（約2個(gè)月時(shí)間），氣體供應(yīng)壓力儲罐的技術(shù)參數(shù)如表5所示。如上所述，為了滿足試驗(yàn)壓力的要求，儲罐中的液態(tài)氣體需經(jīng)柱塞增壓泵進(jìn)行加壓，為快速地達(dá)到10 MPa的功能要求，設(shè)計(jì)使用的泵的技術(shù)參數(shù)如表6所示。

表5 ??氣體供應(yīng)壓力儲罐技術(shù)參數(shù)

2.3 控制子系統(tǒng)

試驗(yàn)裝置組成復(fù)雜，各類閥門及開關(guān)較多，且空間尺度大，因此專門為整套裝置設(shè)計(jì)了集中控制系統(tǒng)。

表6 ??柱塞增壓泵技術(shù)參數(shù)

控制子系統(tǒng)采用國產(chǎn)化分布式控制系統(tǒng)，配制控制機(jī)柜1臺，安全柵柜1套，控制工作站1套等。工作站采用高性能圖形處理工作站，1正/1副，為避免斷電對系統(tǒng)造成的影響，工作站配置了UPS電源（10 kVA），見表7。本套分布式控制子系統(tǒng)可同時(shí)對主要閥門、加熱控制器、各泵體、高壓氣體壓縮機(jī)、壓力、溫度、液位、管道中的液體、氣體、多相流流量等參數(shù)進(jìn)行工作狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)采集、處理及遠(yuǎn)程控制，共設(shè)控制點(diǎn)68個(gè)，總計(jì)儀表數(shù)為82臺。

表7 ??分布式控制系統(tǒng)的組成

2.4 監(jiān)檢測子系統(tǒng)

監(jiān)檢測子系統(tǒng)主要用于對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集及監(jiān)測，主要包括離子檢測系統(tǒng)、元素分析儀、氣體分析儀、有機(jī)物分析儀、流場測速系統(tǒng)、電化學(xué)工作站、應(yīng)力應(yīng)變測試系統(tǒng)、多通道測厚系統(tǒng)、腐蝕監(jiān)測探針系統(tǒng)等。整套子系統(tǒng)以在線測試為主，搭配少部分離線測試手段，可以檢測試驗(yàn)介質(zhì)中的陰、陽離子、有機(jī)物及元素的組成和含量，測量管道透明試驗(yàn)段的多相流流場，監(jiān)測管道內(nèi)腐蝕數(shù)據(jù)及管道所承受的靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。此系統(tǒng)可連入分布式控制系統(tǒng)的工作站，從而進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)收集及處理。

2.5 裝置的空間布置

為保證進(jìn)入試驗(yàn)段時(shí)介質(zhì)流動的穩(wěn)定性，這就要求管道要滿足一定的長度，且管道直徑、高壓氣體壓縮機(jī)、介質(zhì)分離器、純水儲存罐等本身的尺寸較大，因此對整套裝置所安放實(shí)驗(yàn)室的平面及高度尺寸均有一定的要求。實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)為實(shí)驗(yàn)車間（廠房）布置，總寬度為25 m（南北方向），總長度為60 m（東西方向），高度10 m，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)室耐火等級為二級，泄壓面積與車間體積之比為0.08。試驗(yàn)管道環(huán)路整體托置于2 m高的鋼平臺架上；離心液體循環(huán)泵、加熱控制器、各排污口等布置在鋼平臺下方，放空閥、安全閥、介質(zhì)配置罐入料口等布置于鋼平臺上方；高壓氣體壓縮機(jī)、介質(zhì)配制罐及介質(zhì)分離器布置于管道環(huán)路的東側(cè)；廢液回收系統(tǒng)、純水供應(yīng)系統(tǒng)及介質(zhì)配置罐布置在管道環(huán)路的北側(cè)；廢氣處理系統(tǒng)及氣體供應(yīng)壓力儲罐布置在實(shí)驗(yàn)室車間室外的南側(cè)。并將控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)到設(shè)備西側(cè)加高的操作平臺上（管道環(huán)路鋼平臺上方3 m），以便操作時(shí)隨時(shí)關(guān)注裝置的運(yùn)行狀態(tài)。配電間、備品備件存放間設(shè)置于控制子系統(tǒng)下方。

3 環(huán)境影響控制

所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置的外排廢氣主要為CO2、H2S和惰性氣體，其中CO2及惰性氣體直接對空排放，H2S經(jīng)過廢氣處理系統(tǒng)后（兩級堿液處理，如圖1所示）外放，滿足地方排放標(biāo)準(zhǔn)，每年總體排放量不大于1000 Nm3。

液體排放物主要為水、鹽水、白油、油水混合物，水及鹽水每年總體排放量不大于5 m3，含油液體每年總體排放量不大于0.5 m3。所有液體排放物均經(jīng)過廢液回收系統(tǒng)，如圖1所示，符合地方排放標(biāo)準(zhǔn)的水直接通過地漏排放，含油液體聯(lián)系專業(yè)回收公司定期定量處理。

試驗(yàn)裝置運(yùn)行時(shí)會產(chǎn)生一定的噪聲，主要是由高壓氣體壓縮機(jī)、離心液體循環(huán)泵、氣體放空所產(chǎn)生，其噪聲值為70～80 dB。設(shè)計(jì)中對主要的噪聲單元進(jìn)行單獨(dú)布置，并采取有效的隔音手段，對周圍環(huán)境不會造成影響。

4 結(jié)束語

該套設(shè)備已按照上述設(shè)計(jì)完成了具體安裝，并通過初步調(diào)試、試驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)設(shè)的技術(shù)指標(biāo)要求，順利通過了專家工藝驗(yàn)收。該套大型設(shè)備的成功研發(fā)具有一定的先進(jìn)性及首創(chuàng)性，可為相關(guān)科研單位及企業(yè)提供試驗(yàn)服務(wù)，發(fā)揮國家科學(xué)中心的社會服務(wù)功能。