实物电偶腐蚀试验装置及试验方法[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201610806064.X
(22)申请日 2016.09.06
(71)申请人 中国石油天然气股份有限公司
地址 100007 北京市东城区东直门北大街9
号中国石油大厦
(72)发明人 宋文文　赵国仙　常泽亮　薛燕　
谢俊峰　赵密锋　闫峰　周飞　
李岩　毛学强　王鹏　袁静　
孟繁印　周怀光　李丹萍　熊新民　
钟诚　王鹏　王方智　陈庆国　
郭韬　袁媛　
(74)专利代理机构 北京同立钧成知识产权代理
有限公司 11205
代理人 刘丹　黄健
(51)Int.Cl.G01N 27/403(2006.01)G01N 17/02(2006.01)
(54)发明名称实物电偶腐蚀试验装置及试验方法(57)摘要本发明提供一种实物电偶腐蚀试验装置及试验方法，该装置包括：气体供应单元、液体供应单元、压力监测单元、供热单元、第一管路、第一金属容器和第二金属，其中，第二金属容置于第一金属容器中并与第一金属容器接触，供热单元用于向第一金属容器供热，压力监测单元设置在第一管路上；气体供应单元与第一管路的第一接口连通，液体供应单元与第一管路的第二接口连通，第一金属容器与第一管路的第三接口连通；还包括气体阀门、液体阀门、安全阀门，气体阀门设置在第一接口与第二接口之间，液体阀门设置在液体供应单元与第二接口之间，安全阀门设置在第二接口和第三接口之间。

该装置组成简单，易于操作，能够在实验室中使用并且真实还原现
场环境。

权利要求书1页 说明书7页 附图2页CN 107796859 A 2018.03.13
C N 107796859
A
1.一种实物电偶腐蚀试验装置，其特征在于，包括：
气体供应单元、液体供应单元、压力监测单元、供热单元、第一管路、第一金属容器和第二金属，其中，所述第二金属容置于所述第一金属容器中并与所述第一金属容器接触，所述供热单元用于向所述第一金属容器供热，所述压力监测单元设置在所述第一管路上；
所述气体供应单元与所述第一管路的第一接口连通，所述液体供应单元与所述第一管路的第二接口连通，所述第一金属容器与所述第一管路的第三接口连通；
还包括气体阀门、液体阀门、安全阀门，所述气体阀门设置在所述第一接口与所述第二接口之间，所述液体阀门设置在所述液体供应单元与所述第二接口之间，所述安全阀门设置在所述第二接口与所述第三接口之间；
还包括第二管路，所述第二管路的入口与所述第一金属容器连通，所述第二管路的出口设置有取样阀。

2.根据权利要求1所述的实物电偶腐蚀试验装置，其特征在于，所述液体供应单元包括驱替泵和液体储存单元；
所述驱替泵与所述液体储存单元的入口连通，所述液体储存单元的出口与所述第二接口连通。

3.根据权利要求2所述的实物电偶腐蚀试验装置，其特征在于，所述第一金属容器包括两端开口的第一金属管道、第一密封件和第二密封件；所述第一密封件用于封堵所述第一金属管道的一个开口，所述第二密封件用于封堵所述第一金属管道的另一个开口。

4.根据权利求3所述的实物电偶腐蚀试验装置，其特征在于，所述第三接口通过所述第一金属管道或者所述第一密封件与所述第一金属容器连通；
所述第二管路通过所述第一金属管道或者所述第二密封件与所述第一金属容器连通。

5.根据权利要求4所述实物电偶腐蚀试验装置，其特征在于，所述压力检测单元包括第一压力表、第二压力表；
所述第一压力表设置在所述第一接口与所述第二接口之间，所述第二压力表设置在所述第二接口与所述第三接口之间。

6.根据权利要求5所述的实物电偶腐蚀试验装置，其特征在于，还包括第三压力表，所述第三压力表设置在所述第二管路的入口和所述取样阀之间。

7.一种实物电偶腐蚀试验方法，其特征在于，利用上述权利要求1-6任一所述的实物电偶腐蚀试验装置进行试验。

8.根据权利要求7所述的实物电偶腐蚀试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)检验所述实物电偶腐蚀试验装置的气密性；
2)向所述第一金属容器通入流体介质；
3)通过调节所述供热单元的温度控制所述第一金属容器内部的温度为目标温度；
4)通过调节所述气体供应单元的进气压力控制所述第一金属容器内部的压力为目标压力；
5)静置所述实物电偶腐蚀试验装置15-30天后，对所述第一金属容器中的流体介质进行离子浓度检测。

9.根据权利要求8所述的实物电偶腐蚀试验方法，其特征在于，所述流体介质来自于所述气体供应单元或者液体供应单元中的一种或两种。

权　利　要　求　书1/1页CN 107796859 A
实物电偶腐蚀试验装置及试验方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种实物电偶腐蚀试验装置及试验方法，属于石油开采与环保材料技术领域。

背景技术
[0002]在油气田勘探、开发的过程中，由于环境条件复杂苛刻，井下管柱往往需要将两种不同材质的金属连接在一起用于油气等的输送。

但是在同一种输送介质中，由于腐蚀电位不同，很容易发生异种金属的接触腐蚀，即发生电偶腐蚀，这种电偶腐蚀会加速腐蚀地点为材料而导致输送管道发生穿孔甚至断裂的现象，严重影响井下输送作业的进行，甚至会发生极为危险的安全事故。

因此，测试两种不同金属发生电偶腐蚀的具体情况对于油气开采领域具有十分重要的意义。

[0003]目前电偶腐蚀试验一共有两类：实验室试验以及现场试验。

其中，实验室试验可孤立的研究某一因素的作用或几个因素的共同作用。

在不改变实际腐蚀机制的前提下可强化试验条件，加速腐蚀试验，缩短试验周期。

但是，实验室试验的条件环境与现场真实的条件环境差别较大，反映不出真实的现场实测数据。

而现场试验虽然能够在实际环境中进行，并且数据真实、有代表性、参考性。

但是现场试验需要对底下埋置管道进行真实测试，周期较长，试验装置的安装较繁琐，影响生产，甚至当操作不当时会引发安全事故。

发明内容
[0004]本发明提供一种实物电偶腐蚀试验装置及试验方法，该装置组成简单，易于操作，能够在实验室中使用并且真实还原现场环境，如实反映金属间的实际使用状态，为现场防腐工艺提供有力的数据支持。

[0005]本发明提供一种实物电偶腐蚀试验装置，包括：
[0006]气体供应单元、液体供应单元、压力监测单元、供热单元、第一管路、第一金属容器和第二金属，其中，所述第二金属容置于所述第一金属容器中并与所述第一金属容器接触，所述供热单元用于向所述第一金属容器供热，所述压力监测单元设置在所述第一管路上；[0007]所述气体供应单元与所述第一管路的第一接口连通，所述液体供应单元与所述第一管路的第二接口连通，所述第一金属容器与所述第一管路的第三接口连通；
[0008]还包括气体阀门、液体阀门、安全阀门，所述气体阀门设置在所述第一接口与所述第二接口之间，所述液体阀门设置在所述液体供应单元与所述第二接口之间，所述安全阀门设置在所述第二接口与所述第三接口之间；
[0009]还包括第二管路，所述第二管路的入口与所述第一金属容器连通，所述第二管路的出口设置有取样阀。

[0010]在一实施方式中，所述液体供应单元包括驱替泵和液体储存单元；
[0011]所述驱替泵与所述液体储存单元的入口连通，所述液体储存单元的出口与所述第二接口连通。

[0012]在一实施方式中，所述第一金属容器包括两端开口的第一金属管道、第一密封件和第二密封件；所述第一密封件用于封堵所述第一金属管道的一个开口，所述第二密封件用于封堵所述第一金属管道的另一个开口。

[0013]在一实施方式中，所述第三接口通过所述第一金属管道或者所述第一密封件与所述第一金属容器连通；
[0014]所述第二管路通过所述第一金属管道或者所述第二密封件与所述第一金属容器连通。

[0015]在一实施方式中，所述压力检测单元包括第一压力表、第二压力表；
[0016]所述第一压力表设置在所述第一接口与所述第二接口之间，所述第二压力表设置在所述第二接口与所述第三接口之间。

[0017]在一实施方式中，还包括第三压力表，所述第三压力表设置在所述第二管路的入口和所述取样阀之间。

[0018]本发明还提供一种实物电偶腐蚀试验方法，利用上述任一所述的实物电偶腐蚀试验装置进行试验。

[0019]进一步地，包括如下步骤：
[0020]1)检验所述实物电偶腐蚀试验装置的气密性；
[0021]2)向所述第一金属容器通入流体介质；
[0022]3)通过调节所述供热单元的温度控制所述第一金属容器内部的温度为目标温度；[0023]4)通过调节所述气体供应单元的进气压力控制所述第一金属容器内部的压力为目标压力；
[0024]5)静置所述实物电偶腐蚀试验装置15-30天后，对所述第一金属容器中的流体介质进行离子浓度检测。

[0025]进一步地，所述流体介质来自于所述气体供应单元或者液体供应单元中的一种或两种。

[0026]本发明的实物电偶腐蚀试验装置组成简单，能够在实验室中使用，并且实物电偶腐蚀试验方法易于操作，能够真实模拟现场环境并且实现与现场环境相吻合的试验条件，如实的反应金属材料的使用状态，数据真实可靠，同时，本发明提供的实物电偶腐蚀试验方法能够通过该装置轻松实现，为现场防腐工艺提供了有力的数据支持，因此本发明是一种能够有效评价电偶腐蚀的试验装置及试验方法。

附图说明
[0027]图1为本发明实物电偶腐蚀试验装置的模块示意图；
[0028]图2为本发明的实物电偶腐蚀试验装置的具体示意图；
[0029]图3为第一金属容器的具体腐蚀图像。

具体实施方式
[0030]使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出
创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0031]图1为本发明实物电偶腐蚀试验装置的模块示意图，图2为本发明的实物电偶腐蚀试验装置的具体示意图，请参考图1和图2，本发明的实物电偶腐蚀试验装置包括气体供应单元1、液体供应单元2、压力监测单元3、供热单元4、第一管路、第一金属容器5和第二金属6，其中，第二金属6容置于第一金属容器5中并与第一金属容器5接触，供热单元4用于向第一金属容器5供热，压力监测单元3设置在第一管路上；气体供应单元1与第一管路的第一接口连通，液体供应单元2与第一管路的第二接口连通，第一金属容器5与第一管路的第三接口连通；还包括气体阀门11、液体阀门21、安全阀门12，气体阀门11设置在第一接口与第二接口之间，液体阀门21设置在液体供应单元2与第二接口之间，安全阀门12设置在第二接口和第三接口之间。

还包括了第二管路，第二管路的入口与第一金属容器5连通，第二管路的出口设置有取样阀51。

[0032]具体地，第一金属容器5和第二金属6分别为待检测电偶腐蚀的两种金属，其中，第一金属容器5为地下油气输送管路的金属，第二金属6为与地下油气输送管路连接的金属，因此，第一金属容器5为试验电偶的电偶阴极，第二金属6为试验电偶的电偶阳极，并且在本发明中可以通过调整第二金属6的尺寸来模拟现场环境中两种电极的面积比。

[0033]气体供应单元1能够通过气体阀门11和第一管路向第一金属容器5中提供气体，在本发明中，该气体供应单元1可以具体为气瓶，其中，具体供应气体的种类可以根据现场环境中的真实气体介质确定。

[0034]液体供应单元2能够通过液体阀门21和第一管路向第一金属容器5中提供液体，其中，具体供应液体的种类可以根据现场环境中的真实液体介质确定。

[0035]当真实地下环境中的流体介质为气体时，可以通过关闭液体阀门21打开气体阀门11和安全阀门12向第一金属容器5中注入气体直至充满；当真实地下环境中的流体介质为液体时，可以通过关闭气体阀门11打开液体阀门21和安全阀门12向第一金属容器5中注入液体直至充满；当真实地下环境中的流体介质为液体和气体的混合时，可以先关闭气体阀门11打开液体阀门21和安全阀门12向第一金属容器5中注入液体，再关闭液体阀门21打开气体阀门11向第一金属容器5中注入气体，直至充满，其中，气液两种介质的比例根据地下真实环境而定。

[0036]安全阀门12能够防止在试验过程中第一金属容器5中的流体介质发生倒流而返回至液体供应单元2或气体供应单元1中，并且当气体阀门11或者液体阀门21出现故障时，安全阀门12能够作为应急阀门使用。

同时，安全阀门12能够有效提升装置在试验过程中的密闭性。

[0037]另外，压力监测单元3能够实时监测第一金属容器5所处的压力环境从而提供与现场环境一致的压力，供热单元4能够为第一金属容器5和第二金属6提供与现场环境一致的温度。

[0038]本发明的实物电偶腐蚀试验装结构简单，第一金属容器5与第二金属6能够模拟出真实地下环境中用于输送油气的两种不同材质的金属连接在一起的金属管道，气体供应单元1和液体供应单元2能够为第一金属容器5和第二金属6提供与真实地下环境相同的流体介质，供热单元4能够还原出真实地下环境中金属管道所处的温度环境，压力监测单元3能够实时监测第一金属容器5与第二金属6所处的压力环境，当第一金属容器5与第二金属6所
处的压力环境与真实地下环境中金属管道所处的压力不一致时，可以通过调节气体供应单元1的气量使第一金属容器5与第二金属6所处的压力环境与真实地下环境中金属管道所处的压力相同。

综上，本发明能够通过流体介质、温度环境、压力环境和待测金属的种类真实的模拟出地下输送管道所处的工作环境，因此可以如实的反映地下输送管道的实际使用状态，并且还能够根据不同的待检测的地下环境随时进行调整，实用性极强。

[0039]具体使用时，首先需要对上述装置中各个组件的条件按照真实地下环境进行调节控制，随后持续该条件一段时间(一般为0.5-1个月)，取出第一金属容器5和第二金属6进行观察和测量，并对第一金属容器5中的流体介质进行金属离子浓度的检测(由于地下输送油气的主管道一般为钢制材料，因此一般进行铁离子的浓度测量)。

如果当前流体介质中的金属离子浓度与试验前的流体介质中的金属离子浓度相差不多，并且第一金属容器5表面平整未发现明显腐蚀，可以判断当前待检测的两种金属之间在该流体介质中几乎不发生耦合腐蚀。

如果取出的第一金属容器5表面不平整有凹凸现象甚至穿孔，可以通过称量当前第一金属容器5的质量并且根据试验前后的质量差，判断第一金属在当前流体介质中的腐蚀速度；或者通过测量第一金属表面形成坑洞的平均深度，判断第一金属在当前流体介质中的腐蚀速度。

由于本发明装置能够真实模拟地下环境中金属管道所处的环境，因此得到的数据真实可靠，从而能够通过得到的数据评价和预估地下真实管道未来的腐蚀情况，继而根据该腐蚀情况适时的对地下管道进行维护。

[0040]为了便于在试验过程中实时监测第一金属容器5和第二金属6的变化，本发明中的第二管路的入口与第一金属容器5连通，第二管路的出口设置有取样阀51。

在试验进行的过程中，可以通过控制取样阀51使第一金属容器5中的流体介质由第二管路流出，随后对流出的流体介质进行金属离子浓度检测，判断在当前的时间段内是否已经发生电偶腐蚀情况。

为了便于流出的流体介质的盛接，可以将第二管路的出口插设在取样容器7中。

[0041]在本发明中，具体地液体供应单元2可以包括驱替泵22和液体储存单元23，驱替泵22与液体储存单元23的入口连通，液体储存单元23的出口与第二接口连通。

其中液体储存单元23中储存的液体即为地下环境中的真实液体介质，在使用时，可以打开液体阀门21和安全阀门12，通过驱替泵22将液体储存单元23中储存的液体通过第一管路输入至第一金属容器5中，一般的，需要将第一金属容器5注满。

[0042]另外，为了便于第一金属容器5的制作，一般直接将地下输送管道，即第一金属管道52作为第一金属容器5的主体，该第一金属管道52两端开口，因此可以通过第一密封件53和第二密封件54分别将两端开口堵住，从而制作出能够盛装液体的第一金属容器5。

其中，第三接口通过第一金属管道52或者第一密封件53与第一金属容器5连通，第二管路通过第一金属管道52或者第二密封件54与第一金属容器5连通。

由于第一管路、第二管路都会插入第一金属管道52或者密封件上的开口从而使第一管路、第二管路分别与第一金属容器5相通，因此为了防止第一金属容器5中的流体介质泄漏，一般在试验前需要对其气密性进行测试。

具体测试操作为：关闭取样阀51、液体阀门21，打开气体阀门11和安全阀门12，使气体供应单元1向第一金属容器5中充气，如果第一金属容器5的密闭性良好，压力监测单元3的压力会一直持续上升直至气体充满第一金属容器5后停止变化，如果密闭性差，压力监测单元3中的压力几乎不变，从而需要调整连接处以改善密闭性。

[0043]进一步地，为了更好地监测压力，压力监测单元包括第一压力表31、第二压力表
32；第一压力表31设置在第一接口与第二接口之间，第二压力表32设置在第二接口与第三接口之间。

还包括第三压力表33，第三压力表33设置在第二管路的入口和取样阀51之间。

通过三个分布在第一管路、第二管路不同位置的压力表，不仅能够准确监测该装置中各个具体位置的压力便于对压力的调整控制，还能在出现压力问题时快速判断出压力出现问题的具体位置。

[0044]进一步地，可以将供热单元4具体为油浴锅，第一金属容器5容置于油浴锅中。

由于油浴锅供热稳定，在设定温度下温度变化在允许误差范围内，因此能够更加准确的模拟出地下的真实温度环境。

同时，在进行密闭性检测时，如果第一金属容器5密闭性不佳，油浴中会出现冒泡的现象，便于观察。

[0045]本发明还提供了一种实物电偶腐蚀试验方法，该方法是利用上述任一所述的实物电偶腐蚀试验装置进行试验，该试验方法具体包括如下步骤：
[0046]1)检验所述实物电偶腐蚀试验装置的气密性；
[0047]2)向所述第一金属容器通入流体介质；
[0048]3)通过调节所述供热单元的温度控制所述第一金属容器内部的温度为目标温度；[0049]4)通过调节所述气体供应单元的进气压力控制所述第一金属容器内部的压力为目标压力；
[0050]5)静置所述实物电偶腐蚀试验装置15-30天后，对所述第一金属容器中的流体介质进行离子浓度检测。

[0051]在对试验装置组装完成后，首选需要对装置的气密性进行检测，只有当装置的气密性良好后，才能开展后续的试验工作，具体检测气密性的操作在上述内容中已经描述过，此处不再赘述。

[0052]当装置的气密性良好后，可以向第一金属容器中通入流体介质，该流体介质的具体种类根据地下真实环境的流体介质而确定，并且流体介质来自于气体供应单元或者供应单元中的一种或两种。

具体地，当流体介质为液体时，需要关闭气体阀门，打开液体阀门和安全阀门，向第一金属容器中通入相应的液体介质；当流体介质为气体时，需要关闭液体阀门，打开气体阀门和安全阀门，向第一金属容器中通入相应的气体介质；当流体介质为气体和液体的混合物时，需要先关闭气体阀门，打开液体阀门和安全阀门，向第一金属容器中通入相应的液体介质关闭液体阀门，再关闭液体阀门，打开气体阀门，向第一金属容器中通入相应的气体介质。

[0053]流体介质通入完毕后，关闭装置内部的所有阀门，通过调节供热单元的温度以及气体供应单元的进气压力分别控制第一金属容器内部的温度以及第一金属容器内部的压力，直至第一金属容器中的温度为目标温度，第一金属容器中的压力为目标压力。

此处所指的目标温度即为地下真实环境的温度，目标压力为地下真实环境的压力。

[0054]当上述条件就绪后，静置装置15-30天，如果第一金属和第二金属在试验中的流体介质中会发生耦合腐蚀，那么流体介质中的离子浓度会较试验前发生显著的变化(一般为铁离子浓度)并且第一金属容器会出现表面凹凸不平甚至穿孔的现象。

也就是说：如果第一金属容器出现表面凹凸不平甚至穿孔的现象，那么两种金属间必然在当前流体介质中发生耦合腐蚀，可以通过称量当前第一金属容器的质量并且根据试验前后的质量差，判断第一金属在当前流体介质中的腐蚀速度；或者通过测量第一金属表面形成坑洞的平均深度，判
断第一金属在当前流体介质中的腐蚀速度；如果第一金属容器表面未发生明显变化，但是流体介质中的离子浓度会较试验前发生了变化，可以判断在当前试验时长内两种金属在当前流体介质中的耦合腐蚀现象不严重；如果第一金属容器表面未发生明显变化并且流体介质中的离子浓度较试验前也未发生明显变化，可以判断在当前试验时长内两种金属在当前流体介质中不会发生耦合腐蚀。

因此，该方法能够通过得到的数据评价和预估地下真实管道未来的腐蚀情况，继而根据该腐蚀情况适时的对地下管道进行维护。

[0055]实施方式
[0056]以下，通过本发明实物电偶腐蚀试验装置的具体使用方法，使更加清楚的描述本发明装置和方法。

[0057]首先，确定待检测的两种金属，以地下输送管道的金属作为第一金属，以与地下输送管道连接的金属作为第二金属6，当确定完毕后，将第一金属制作成第一金属容器5，并且通过调整第二金属6的尺寸来调节第一金属与第二金属6的电极面积比。

其中，为了便于第一金属容器5的制作，可以直接选用相同于地下输送管道的第一金属管道52作为第一金属容器5的主体，通过两个密封件完成第一金属管道52两端的封堵。

在该实施方式中，第一金属管道52为长500mm的碳钢套管，第二金属6为13Cr型碳钢的油管接箍。

气体供应单元1中的气体为氮气及二氧化碳，液体供应单元2中的液体为水(铁离子浓度为3mg/L)，供热单元4为油浴锅。

[0058]然后，按照图2中的连接关系完成该装置的组装。

[0059]组装完成后，先对第一金属容器5的气密性进行检测，具体操作为：关闭液体阀门21和取样阀51，打开气体阀门11并且使压力与地下环境的压力一致，向第一金属容器5充气，通过检测第一金属容器5的各个连接处在油浴中是否出现气泡判断密闭性是否良好，若未出现气泡则表示密闭性佳，若出现气泡则表示密闭性差，从而做出相应调整直至密闭性良好。

[0060]当检测到第一金属容器5密闭性良好后，由于真实地下环境的流体介质为水，因此关闭气体阀门11，打开液体阀门21，直至第一金属容器5中充满水后，关闭液体阀门21。

[0061]随后，按照真实地下环境的温度调节油浴锅的温度，使第一金属容器5处于目标温度下，再根据真实地下环境的压力打开气体阀门11，当第一压力表31、第二压力表32和第三压力表33均处于目标压力下，关闭气体阀门11。

此时，第一金属容器5和第二金属6便被设置在真实的地下环境中。

[0062]一个月后，打开取样阀51从第二管路的出口取少许液体进行铁离子浓度检测，铁离子浓度为90mg/L，相较于试验前的铁离子浓度(3mg/L)明显增加，可判断第一金属容器5和第二金属6发生严重的电偶腐蚀。

随即关闭所有阀门，取出第一金属容器5和第二金属6观察，图3为第一金属容器的具体腐蚀图像。

[0063]本发明的试验装置组成简单，能够真实还原出地下油气输送管道的工作环境，如实反映金属材料的具体使用状态，数据真实可靠，为现场防腐工艺提供了有力的试验依据。

[0064]最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术。