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        薄層液膜下CO2 腐蝕測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置開(kāi)發(fā)

        2021-02-27 03:23:36張玉瑜
        實(shí)驗(yàn)室研究與探索 2021年1期
        關(guān)鍵詞:頂蓋液膜電位

        李 強(qiáng), 張玉瑜, 劉 剛, 唐 曉, 李 焰

        (中國(guó)石油大學(xué)(華東)a.儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院;b.山東省油氣儲(chǔ)運(yùn)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;c.材料科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島266580)

        0 引 言

        管道是天然氣輸送的主要途徑,而腐蝕問(wèn)題始終困擾著天然氣管道的安全運(yùn)行,尤其是濕天然氣管道[1-3]。液膜是濕天然氣管道內(nèi)液相分布的典型狀態(tài),并在持液率、氣液流速和管道傾角等因素的影響下,以不同的形態(tài)和厚度分布在管道內(nèi)壁的不同位置[4-5]。當(dāng)與天然氣并存的CO2等腐蝕性氣體溶于水[6],會(huì)導(dǎo)致不同類(lèi)型的腐蝕破壞[7]。液膜與金屬壁面可形成氣/液/固多相多界面結(jié)構(gòu)[8],發(fā)生復(fù)雜的氣體溶解、物質(zhì)傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)等過(guò)程,這些過(guò)程同時(shí)進(jìn)行、集中分布且又相互關(guān)聯(lián),液膜形態(tài)、厚度等因素的微小變化都可能顯著影響這些過(guò)程,進(jìn)而作用于管道的腐蝕行為和速率。液膜厚度較小,且不均一分布[9],對(duì)液膜表征及腐蝕測(cè)試都帶來(lái)了很大的困難。許偉偉等[10]開(kāi)發(fā)了一套模擬測(cè)試濕天然氣輸氣管道內(nèi)液膜的實(shí)驗(yàn)裝置,并開(kāi)展了管壁上液膜厚度、液膜分布的測(cè)量。Guan 等[11]通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬獲得氣液兩相流動(dòng)下管道內(nèi)壁的液膜厚度分布,并選取其中典型厚度數(shù)值,借助陣列電極研究了液膜厚度對(duì)腐蝕電流分布的影響。Qian 等[12]采用傳統(tǒng)三電極方法研究了X52 鋼在含飽和CO2的模擬凝結(jié)液膜下的腐蝕行為以及液膜厚度、溫度、HAc 濃度、甲醇濃度等因素的影響。對(duì)比分析可知,當(dāng)前模擬管道環(huán)境內(nèi)的實(shí)驗(yàn)研究多采用電導(dǎo)探針?lè)ǎ?3]進(jìn)行液膜厚度的快速測(cè)量,其中用于測(cè)量的螺旋測(cè)微器雖容易實(shí)現(xiàn)但測(cè)量精度較低,且容易引入人為誤差,影響對(duì)液膜形態(tài)、厚度表征的精確度。其次,現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置尚無(wú)法完成多種液膜形態(tài)下的腐蝕電化學(xué)機(jī)制及局部腐蝕行為的測(cè)試。

        本文搭建了一套可開(kāi)展薄層液膜下CO2腐蝕測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置,該裝置可以滿足氣/液/固多相多界面體系下的腐蝕這一前沿科學(xué)問(wèn)題[14]研究的需要,對(duì)不同形態(tài)的薄層液膜進(jìn)行CO2腐蝕測(cè)試,明確腐蝕機(jī)制及行為規(guī)律,為濕天然氣管道的腐蝕防護(hù)提供指導(dǎo)。此外,該裝置還可開(kāi)展本科教學(xué)實(shí)驗(yàn),有助于加深學(xué)生對(duì)氣液兩相流、管道腐蝕與防護(hù)、腐蝕電化學(xué)等課程知識(shí)的理解。

        1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

        薄層液膜下CO2腐蝕測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1 所示,主要包括環(huán)境控制系統(tǒng)、液膜厚度測(cè)量系統(tǒng)和電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)三部分。

        1.1 環(huán)境控制系統(tǒng)

        圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

        環(huán)境控制系統(tǒng)由環(huán)境腔、溫濕度探頭、電加熱帶、微型加濕器、循環(huán)供氣管路等組成。環(huán)境腔整體呈圓柱狀,如圖2 所示,由透明有機(jī)玻璃制成,可提供密閉承壓環(huán)境,且便于實(shí)驗(yàn)過(guò)程的觀察。環(huán)境腔的底座上設(shè)有調(diào)平螺釘,用于裝置水平度的調(diào)節(jié)。底座中心設(shè)有安裝電解池及電極的基座。上頂蓋與下頂蓋通過(guò)螺紋緊固,在需要加裝溶液或測(cè)量液膜厚度時(shí),可方便地將上頂蓋取下。下頂蓋與環(huán)境腔中部筒體的法蘭通過(guò)螺栓緊固,中間裝有O型密封圈。電加熱帶包覆在環(huán)境腔中部筒體的外圍,可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要對(duì)環(huán)境腔進(jìn)行加熱。溫濕度探頭固定在下頂蓋上,可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境腔內(nèi)的溫濕度。環(huán)境腔內(nèi)預(yù)裝蒸餾水,并放入微型加濕器,當(dāng)腔內(nèi)濕度低于設(shè)定值時(shí),加濕器將自動(dòng)開(kāi)啟。另外,在環(huán)境腔中部筒體上設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口,分別用于與氣瓶連接及氣體排出。進(jìn)氣管出口浸入到預(yù)裝蒸餾水中并對(duì)其鼓泡,可起到為環(huán)境腔內(nèi)部加濕的效果。

        采用萬(wàn)向水平泡和雙軸超高精度數(shù)字水平儀(JingyanTLL-90S,精度0.001°,如圖3 所示)協(xié)助開(kāi)展水平度的調(diào)節(jié)與控制。

        圖2 環(huán)境腔實(shí)物圖

        圖3 雙軸超高精度數(shù)字水平儀

        1.2 液膜厚度測(cè)量系統(tǒng)

        液膜厚度的測(cè)量采用電導(dǎo)探針?lè)ǎㄒ?jiàn)圖1),包含串聯(lián)連接的探針、工作電極(WE)、導(dǎo)電實(shí)驗(yàn)溶液、電流表、電源和電阻等。當(dāng)探針向下移動(dòng)依次接觸溶液表面和電極表面時(shí),電流表讀數(shù)均會(huì)發(fā)生突變,記錄兩次電流突變時(shí)探針向下移動(dòng)的距離,計(jì)算其差值,即可得到液膜厚度。

        自行搭建了可同時(shí)實(shí)現(xiàn)X 軸和Y 軸移動(dòng)的電動(dòng)位移平臺(tái),實(shí)物圖如圖4 所示。該平臺(tái)包括支架、2 個(gè)高精度電動(dòng)位移臺(tái)、2 個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)位移臺(tái)內(nèi)的步進(jìn)電機(jī))、CNC 控制板、24 V 電源等。液膜測(cè)厚探針固定在高精度電動(dòng)位移臺(tái)的線性運(yùn)動(dòng)部件上,并隨其線性移動(dòng),最小移動(dòng)步長(zhǎng)為1 μm,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)1 μm的液膜厚度測(cè)量精度。

        圖4 自行搭建的兩軸電動(dòng)位移平臺(tái)

        1.3 電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)

        (1)傳統(tǒng)三電極電化學(xué)測(cè)試。采用傳統(tǒng)三電極電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)測(cè)液膜下的均勻腐蝕情況,選用如圖5(a)所示的三電極作為測(cè)試電極,采用科斯特儀器有限公司的CS310 電化學(xué)工作站(如圖5(b))進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試。三電極中工作電極為純鐵塊(Fe,99.99%),其尺寸為5 mm×5 mm×5 mm,封裝后工作面積為25 mm2;參比電極(RE)為直徑為1 mm 的高純鋅絲(Zn,99.998%),其與純鐵塊的距離為2 mm;鉑絲作為對(duì)電極(CE),在電極外圍環(huán)繞一周設(shè)置。

        圖5 傳統(tǒng)三電極電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)

        (2)陣列電極測(cè)試系統(tǒng)。利用陣列電極測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試非均一液膜下的局部CO2腐蝕情況。所采用的陣列電極如圖6 所示,包括55 根X70 鋼電極絲和11根高純鋅絲。X70 鋼電極絲直徑為1 mm,排列成5 ×11 的矩陣,作為工作電極。高純鋅絲直徑為1 mm,與X70 鋼電極絲并列排成1 排,作為參比電極。同樣將鉑絲作為對(duì)電極,在電極外圍環(huán)繞1 周設(shè)置。所有電極絲相互絕緣,通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂固化封裝,電極絲中心之間的間距為2.5 mm。

        圖6 陣列電極

        采用圖7 所示微電極陣列電偶腐蝕測(cè)試系統(tǒng)對(duì)陣列電極開(kāi)展腐蝕電位和耦合電流測(cè)試。該系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分:硬件包括NI 公司的PXI-2535、PXI-1033、PXI-4022 和PXI-4071 4 個(gè)模塊化儀器,測(cè)控軟件則由LabVIEW軟件(LabVIEW8.5)編寫(xiě)。該系統(tǒng)的具體工作原理可參考文獻(xiàn)[15]。

        圖7 微電極陣列電偶腐蝕測(cè)試系統(tǒng)

        2 試驗(yàn)測(cè)試

        實(shí)驗(yàn)溶液為1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NaCl溶液,由去離子水(電阻率:0.78 MΩ·cm)及分析級(jí)NaCl 試劑配置而成。采用100% CO2氣體對(duì)溶液除氧,并使其在溶液中飽和,除氧時(shí)間不低于4 h。實(shí)驗(yàn)溫度為25 ℃。

        2.1 不同液膜厚度下腐蝕行為試驗(yàn)

        (1)實(shí)驗(yàn)步驟。

        ①準(zhǔn)備工作:制備如圖5(a)所示的三電極,將其工作面用水磨砂紙由200 號(hào)逐級(jí)打磨到1200 號(hào),分別用蒸餾水、丙酮清洗,然后用冷風(fēng)吹干。通過(guò)硅橡膠將電極與電解池固定后放入干燥皿中備用。配制經(jīng)100% CO2氣體除氧并達(dá)到飽和的1% NaCl 溶液,預(yù)制由100 N2或100% CO2氣體充分除氧的蒸餾水。

        ②電極安裝:將裝有實(shí)驗(yàn)氣體的氣瓶與環(huán)境腔進(jìn)氣口相連接,打開(kāi)閥門(mén),向環(huán)境腔內(nèi)通入實(shí)驗(yàn)用100%CO2氣體,將一定量預(yù)先除氧的蒸餾水加入到環(huán)境腔內(nèi),同時(shí)將電極及電解池固定在環(huán)境腔內(nèi)基座上,再用螺栓將下頂蓋與環(huán)境腔中部筒體的法蘭緊固。

        ③電極調(diào)節(jié):開(kāi)展均一液膜下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí),將潔凈的萬(wàn)向水平泡放置于電極表面,利用環(huán)境腔底座的調(diào)平螺栓進(jìn)行調(diào)節(jié),直到電極表面水平。

        ④液膜鋪設(shè)及厚度測(cè)量:將上頂蓋取下,迅速向電解池內(nèi)加入預(yù)先配制好的實(shí)驗(yàn)溶液,同時(shí)利用液膜測(cè)厚系統(tǒng)測(cè)量液膜厚度。液膜鋪設(shè)過(guò)程中盡可能減小上頂蓋處的開(kāi)口大小,并保持實(shí)驗(yàn)用氣體高速通入,以防空氣進(jìn)入。待液膜鋪設(shè)完畢,迅速擰緊上頂蓋。調(diào)節(jié)進(jìn)氣口閥門(mén)開(kāi)度,達(dá)到適宜的通氣速率。

        ⑤濕度控制:設(shè)定溫濕度傳感器的數(shù)值,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)濕度變化,濕度低于設(shè)定值加濕器自動(dòng)開(kāi)啟。25 ℃條件下一般將相對(duì)濕度控制在85%左右。

        ⑥ 電化學(xué)測(cè)試:利用圖5(b)所示電化學(xué)工作站分別開(kāi)展開(kāi)路電位和電化學(xué)阻抗譜(EIS)測(cè)試,其中EIS 測(cè)試的激勵(lì)信號(hào)幅值(相對(duì)于開(kāi)路電位)為10 mV,測(cè)試頻率范圍為10-2~105Hz。采用ZSimpWin軟件對(duì)EIS測(cè)試結(jié)果進(jìn)行擬合分析。

        (2)測(cè)試結(jié)果。圖8 為純鐵電極在100% CO2環(huán)境、不同厚度均一液膜下的EIS 圖。在所測(cè)試的3 個(gè)液膜厚度下,EIS 均由一個(gè)高頻區(qū)容抗弧和一個(gè)低頻區(qū)感抗弧組成。當(dāng)液膜厚度由0.2 mm 增加到1 mm時(shí),容抗弧半徑顯著減小;而當(dāng)液膜厚度由1 mm增大到2 mm時(shí),容抗弧半徑則基本不變。對(duì)圖8 采用R(QR(LR))型等效電路[12]進(jìn)行擬合,擬合結(jié)果如表1所示。表中:Rs為溶液電阻;Q為常相位角元件(其阻抗值計(jì)算式ZQ=Y(jié)0-1(jω)-1);Rct為電荷轉(zhuǎn)移電阻;L為電感;RL為感應(yīng)電阻??梢?jiàn),液膜厚度為1 和2 mm時(shí),其電荷轉(zhuǎn)移電阻基本一致,均遠(yuǎn)小于液膜厚度為0.2 mm時(shí)的電荷轉(zhuǎn)移電阻。由于電荷轉(zhuǎn)移電阻大小與腐蝕速率成反比,可知當(dāng)液膜厚度小于1 mm時(shí),腐蝕速率隨液膜厚度增大而增大,液膜厚度大于1 mm時(shí)則基本保持一致。

        圖8 純鐵在不同厚度均一液膜下的EIS

        表1 不同厚度均一液膜下的EIS擬合結(jié)果

        2.2 非均一液膜下的腐蝕試驗(yàn)

        (1)實(shí)驗(yàn)步驟。與2.1 節(jié)中(1)的實(shí)驗(yàn)步驟及編號(hào)基本類(lèi)似,此處僅介紹存在差異的步驟,分別為:

        ① 準(zhǔn)備工作:制備如圖6(b)所示的6 ×11 陣列電極,然后打磨、清洗并吹干備用。通過(guò)硅橡膠將陣列電極與電解池固定后放入干燥皿中備用。實(shí)驗(yàn)溶液與蒸餾水處理過(guò)程同上。

        ③電極調(diào)節(jié):將清潔的水平儀放置于電極表面,利用裝置底座的調(diào)平螺栓對(duì)電極表面調(diào)平,然后借助雙軸超高精度數(shù)字水平儀,沿電極序號(hào)1 ~11 方向?qū)㈦姌O調(diào)整出一定的傾斜角度,如0.500 0°。

        ④液膜鋪設(shè)及厚度測(cè)量:將上頂蓋取下,迅速向電解池內(nèi)加入預(yù)先配制好的實(shí)驗(yàn)溶液,同時(shí)利用液膜測(cè)厚系統(tǒng)測(cè)量液膜厚度??刂频?0 根電極絲所在橫排的中心處液膜厚度為一定數(shù)值,如200 μm,則傾角為0.500 0°時(shí)第11 排至第1 排的電極絲中心處液膜厚度分別為0、200、418、636、854、1 073、1 291、1 509、1 727、1 945 和2 163 μm。液膜鋪設(shè)完成后迅速擰緊上頂蓋。

        ⑥電化學(xué)測(cè)試:首先采用圖7 所示微電極陣列電偶腐蝕測(cè)試系統(tǒng)對(duì)1 ~55 根電極絲分別開(kāi)展電位和耦合電流測(cè)試,然后再利用電化學(xué)工作站對(duì)特定電極絲開(kāi)展開(kāi)路電位及EIS 測(cè)試,其中EIS 的測(cè)試設(shè)定與分析步驟同上。

        注:實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,除腐蝕測(cè)試步驟以外,應(yīng)全程確保55 根X70 鋼電極絲相互電耦接;11 根高純鋅絲也相互電耦接,但注意與X70 鋼電極絲保持絕緣。

        (2)測(cè)試結(jié)果。圖9 為陣列電極表面的電位與耦合電流分布,其中電位的單位為V vs.SHE(標(biāo)準(zhǔn)氫電極),電流單位為A??梢?jiàn),電極表面的電位和耦合電流都呈現(xiàn)不均勻分布,表明發(fā)生了不均勻腐蝕。電位較正的區(qū)域?qū)?yīng)的耦合電流為負(fù)值,作為陰極區(qū);而電位較負(fù)的區(qū)域?qū)?yīng)的耦合電流為正值,作為陽(yáng)極區(qū)。對(duì)照陣列電極測(cè)試結(jié)果和液膜厚度分布可發(fā)現(xiàn),液膜較厚的地方整體電位偏低,耦合電流為負(fù)值,表現(xiàn)為陽(yáng)極區(qū),液膜較薄的區(qū)域則整體表現(xiàn)為陰極區(qū)。

        選取兩典型位置處的電極絲,即第10 排(液膜厚度為200 μm)和第1 排(液膜厚度為2 163 μm),測(cè)量電極絲的EIS,結(jié)果如圖10 所示。同樣,采用R(QR(LR))型等效電路進(jìn)行擬合,擬合結(jié)果見(jiàn)表2。顯然,非均一液膜下,200 μm 液膜厚度下的容抗弧半徑大于液膜厚度為2 163 μm時(shí)的情況,相應(yīng)的電荷轉(zhuǎn)移電阻也是前者大于后者,因而后者的腐蝕速率大于前者。

        圖9 非均一液膜下陣列電極表面的電位、耦合電流分布

        圖10 非均一液膜下的EIS

        表2 非均一液膜下的EIS擬合結(jié)果

        對(duì)比均一液膜和非均一液膜兩種情況下的電荷轉(zhuǎn)移電阻可知,液膜厚度同為200 μm 時(shí),非均一液膜下的電荷轉(zhuǎn)移電阻更大,對(duì)應(yīng)腐蝕速率更?。灰耗ず穸葹? mm左右時(shí),非均一液膜液膜下的電荷轉(zhuǎn)移電阻更小,腐蝕速率則更大。

        綜上可知,液膜厚度和液膜厚度的均一性都可以影響液膜下的金屬CO2腐蝕行為。

        3 結(jié) 語(yǔ)

        本文開(kāi)發(fā)了一套可開(kāi)展不同形態(tài)的薄層液膜下CO2腐蝕測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置,該裝置主要由環(huán)境控制系統(tǒng)、液膜厚度測(cè)量系統(tǒng)和腐蝕電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)等組成。該裝置為氣/液/固多相多界面體系下的腐蝕前沿研究提供了條件,亦可用于本科教學(xué)實(shí)驗(yàn),具有很好的操作性、研究性和啟發(fā)性。

        環(huán)境控制系統(tǒng)可提供控溫、控濕、承壓以及可視的實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境。液膜厚度測(cè)量系統(tǒng)與水平儀配合,可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同厚度的均一液膜和存在厚度梯度的非均一液膜的形態(tài)控制與表征。腐蝕電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)支持常規(guī)三電極和陣列電極測(cè)試,可獲得不同液膜形態(tài)下的CO2均勻腐蝕/局部腐蝕行為規(guī)律。結(jié)果表明:液膜厚度對(duì)CO2腐蝕行為有顯著影響,液膜厚度相同但均一性不同時(shí),CO2腐蝕行為也有不同。

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