一种评价缓蚀剂扩散行为的装置及方法与流程

1.本发明涉及一种评价缓蚀剂扩散行为的装置及方法，属于缓蚀剂性能评价技术领域。


背景技术：

2.缓蚀剂作为抑制金属腐蚀的重要手段之一在诸多行业中有着广泛的应用。缓蚀剂应用前需要对其性能进行评价，通常缓蚀剂的评价指标中最为关键的是缓蚀率，其表征了缓蚀剂的防腐效果。
3.但是，实际应用过程中，由于缓蚀剂，尤其是有机缓蚀剂其自身结构及组分较为复杂，加注后需要一定的时间才能在腐蚀介质中得到充分的分散，而依据现有技术，实验室还缺乏有效的手段对其分散，尤其是扩散能力进行评估测试。
4.通俗的讲，缓蚀剂的分散、扩散行为可以这样理解：如长达几公里，甚至几十公里的油气管道，通常在管道的上游设置缓蚀剂加注口，进行缓蚀剂定期加注，缓蚀剂可以在流体(油、水、气)的流动作用下，被从上游携带至下游，对整个管道起到防腐保护作用。不难理解，缓蚀剂从上游加注口到达下游的时间与管道内的介质及流速等参数有着极大的关系，但是目前还很难计算或者预估其到达下游的准确时间，往往只能依据经验统计进行估算。此外，当流体流速很小或者静止时，缓蚀剂从加注口到达下游的时间将严重依赖于缓蚀剂自身的扩散性能。若扩散性能很差，或者说缓蚀剂的扩散速率很慢，将给实际生产过程中的缓蚀剂防腐作业带来不利的影响，可能会造成缓蚀剂长时间浓度分布不均，上游局部浓度很高，下游浓度又很低，进而影响缓蚀剂加注方案制定人员对加注周期、加注量等技术参数的确定，也无法及时优化调整缓蚀剂加注量。
5.由此看来，缓蚀剂在管道介质中的扩散性能是其实际应用过程中一项较为关键的参数指标，因此对缓蚀剂扩散性能的评价显得至关重要。目前，本领域用于评价缓蚀剂扩散性能的装置及方法极少，如中国专利cn107907496a公开了一种缓蚀剂浓度分布测试现场试验装置，但是该装置还不能对缓蚀剂扩散性能指标进行实验室评价，其仍然为传统的大型环道装置，操作复杂，维护运行成本极高，也未给出具体的计算分析方法。
6.因此，提供一种新型的评价缓蚀剂扩散行为的装置及方法已经成为本领域亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

7.为了解决上述的缺点和不足，本发明的一个目的在于提供一种评价缓蚀剂扩散行为的装置。
8.本发明的另一个目的还在于提供一种评价缓蚀剂扩散行为的方法。本发明所提供的装置及方法适用于实验室评价对比不同种类缓蚀剂的扩散行为，还可用于不同流体介质、流速、角度、温度等工况下，缓蚀剂扩散行为评价，进而可用作筛选合适的缓蚀剂。
9.为了实现以上目的，一方面，本发明提供了一种评价缓蚀剂扩散行为的装置，其
中，所述装置包括：试验管道、流体介质存储设备、集样-送样单元、样品分析及数据处理单元；
10.所述流体介质存储设备的出口通过管路与所述试验管道的入口相连，所述试验管道于靠近其入口端处设置有定量加注装置，所述定量加注装置与所述试验管道出口端之间的试验管道还设置有若干取样探头，所述取样探头用于从试验管道中取样并将所取样品转移至集样-送样单元，所述集样-送样单元用于收集取样探头所取样品并将所述样品输送至样品分析及数据处理单元；
11.所述试验管道为能够沿任一支撑点进行旋转且使其与竖直方向呈任意角度的试验管道。
12.在以上所述的装置中，优选地，所述试验管道活动固定且所述试验管道能够以固定点为中心进行旋转，以使所述试验管道与竖直方向呈任意角度。
13.优选地，所述装置还包括支架，所述试验管道活动固定于所述支架。
14.优选地，所述装置还包括角度测量仪，其设置于所述试验管道的旋转轴处。
15.在以上所述的装置中，使所述试验管道能够以固定点为中心进行旋转，以使所述试验管道与竖直方向呈任意角度是为了模拟管道在山区之间铺设时管道可能会有不同程度倾斜的情况。其中，试验管道与竖直方向所呈的任意角度可通过角度测量仪读出。
16.在以上所述的装置中，优选地，所述试验管道的两端分别设置有入口端阀门及出口端阀门，所述定量加注装置设置于两阀门之间且靠近入口端阀门处。
17.在以上所述的装置中，优选地，所述试验管道还设置有温度计及流量计，分别用于监测试验管道内流体介质的温度以及流速。
18.在以上所述的装置中，优选地，所述试验管道的外壁包覆有保温层，用以对试验管道进行控温。
19.优选地，所述装置还包括计量泵，用于将所述流体介质存储设备中存储的流体介质泵入所述试验管道。
20.优选地，所述装置还包括废液收集箱，所述试验管道的出口通过管路与所述废液收集箱的入口相连。
21.在以上所述的装置中，优选地，所述管路为柔性软管。
22.在以上所述的装置中，所述试验管道、流体介质存储设备、集样-送样单元、样品分析及数据处理单元、阀门、定量加注装置、温度计、流量计、计量泵以及角度测量仪等均为常规设备。
23.其中，所述试验管道用于模拟油气工业中所用缓蚀剂在现场管道中的应用环境；
24.所述流体介质存储设备可为控温源流体介质存储设备，用于盛装流体介质(油气田管道中的水、原油等管道输送流体介质)并对所述流体介质进行温度控制；
25.所述计量泵用于将流体介质从流体介质存储设备泵送至试验管道内，为了模拟现场输送介质的不同流速，计量泵可事先根据需要调整流量大小；
26.所述柔性软管可以更好地适应试验管道在不同试验角度下进行缓蚀剂扩散行为评价；
27.待评价的缓蚀剂通过定量加注装置以定量、定周期的形式加注到试验管道中，以研究加注量及加注周期等对缓蚀剂扩散作用效果的影响；
28.试验管道上所设置的若干取样探头用于从试验管道中定时取样，其中，若干所述取样探头的数量以及其于试验管道上的分布位置可以根据作业需要合理设置，只要保证可以实现研究目标缓蚀剂在长距离管道中的不同分布状况即可；
29.所述试验管道的两端分别设置的入口端阀门及出口端阀门可以根据需要进行开关，阀门打开时可研究流动状态下的目标缓蚀剂扩散行为，阀门关闭时可研究静止状态下的目标缓蚀剂扩散行为；
30.所述取样探头用于从试验管道中取样并将所取样品转移至集样-送样单元，所述集样-送样单元集样品收集及送样两种功能于一体，可自动化地收集取样探头所取样品并将所述样品输送至样品分析及数据处理单元；
31.所述样品分析及数据处理单元用于对取样探头所取样品中的缓蚀剂浓度进行分析，根据样品分析及数据处理单元所提供的缓蚀剂浓度分析结果可获取缓蚀剂在不同条件下的分布规律，根据浓度随时间变化信息可评估计算缓蚀剂的扩散行为；
32.所述流体介质进入试验管道并完成缓蚀剂扩散行为评价后最终进入废液收集箱。
33.另一方面，本发明还提供了一种评价缓蚀剂扩散行为的方法，其中，所述评价缓蚀剂扩散行为的方法包括以下步骤：
34.(1)将流体介质装入流体介质存储设备并调节至预设温度，将试验管道调节至预设角度后，将所述流体介质按照预设流速泵入试验管道中；
35.(2)将待评价的缓蚀剂通过定量加注装置按照预设加注量、预设加注时间以及预设加注周期注入到所述试验管道中并进行缓蚀剂缓释模拟试验；
36.(3)试验过程中，通过预设位置处的若干取样探头按照预设样品采集量、预设采集周期及采集时间进行取样；集样-送样单元收集取样探头所取样品后将所述样品输送至样品分析及数据处理单元进行样品分析及数据处理；
37.(4)根据样品分析及数据处理结果评价缓蚀剂扩散行为。
38.优选地，所述方法还包括通过设置于所述试验管道的温度计及流量计分别实时监测试验管道内流体介质的温度以及流速，以确认温度及流速是否符合试验要求。
39.在以上所述的方法中，优选地，步骤(4)根据样品分析及数据处理结果评价缓蚀剂扩散行为，包括：
40.根据若干取样探头所取样品中缓蚀剂的浓度以及时间，绘制缓蚀剂的浓度-时间变化曲线，根据所述缓蚀剂的浓度-时间变化曲线判断试验管道中与缓蚀剂加注点不同距离处的缓蚀剂浓度随时间的变化关系，进而评价缓蚀剂扩散行为。
41.在以上所述的方法中，优选地，步骤(4)根据样品分析及数据处理结果评价缓蚀剂扩散行为，包括：
42.根据任一预设位置的取样探头于不同时间所取样品中缓蚀剂的浓度，按照如下公式1)计算试验管道任一预设位置处缓蚀剂浓度随时间的变化率，再绘制试验管道任一预设位置处缓蚀剂浓度随时间的变化率与时间之间的关系曲线图，根据该曲线图评价缓蚀剂扩散行为；
[0043][0044]
公式1)中，dn为试验管道任一预设位置处缓蚀剂浓度随时间的变化率，单位为
ppm/s，cn是时间为tn时试验管道该预设位置处缓蚀剂的浓度，单位为ppm，c
n-1
是时间为t
n-1
时试验管道该预设位置处缓蚀剂的浓度，单位为ppm，tn及t
n-1
的单位为s，n为正整数。
[0045]
在以上所述的方法中，优选地，步骤(4)根据样品分析及数据处理结果评价缓蚀剂扩散行为，包括：
[0046]
根据任意两处预设位置的取样探头于同一时间所取样品中缓蚀剂的浓度，按照如下公式2)计算同一时间试验管道不同预设位置处缓蚀剂浓度的变化率，进而评价缓蚀剂扩散行为；
[0047]
ηn＝(c
n-c
n-1
)/(l
n-l
n-1
)
ꢀꢀꢀ
公式2)；
[0048]
公式2)中，ηn为同一时间试验管道不同预设位置处缓蚀剂浓度的变化率，单位为ppm/m，cn是试验管道的预设位置n处的缓蚀剂浓度，单位为ppm，c
n-1
是试验管道的预设位置n-1处的缓蚀剂浓度，单位为ppm，ln为试验管道的预设位置n处与缓蚀剂加注点之间的距离，单位为m，l
n-1
为试验管道的预设位置n-1处与缓蚀剂加注点之间的距离，单位为m，n为正整数。
[0049]
本发明所提供的评价缓蚀剂扩散行为的装置及方法可获取缓蚀剂在不同工况条件下的扩散行为及在管道设备中的分布规律，进而为缓蚀剂的研发提供评价手段及方法，为现场腐蚀控制方案中缓蚀剂加注量、加注周期，加注时间等参数的确定提供依据。
附图说明
[0050]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0051]
图1为本发明实施例1所提供的评价缓蚀剂扩散行为的装置的结构示意图。
[0052]
图2为本发明具体实施例中5个取样探头所取样品中缓蚀剂的浓度-时间变化曲线图。
[0053]
图3为本发明具体实施例中缓蚀剂浓度随时间的变化率与时间之间的关系曲线。
[0054]
主要附图标号说明：
[0055]
1、试验管道；
[0056]
2、出口端阀门；
[0057]
3、取样探头；
[0058]
4、集样-送样单元；
[0059]
5、样品分析及数据处理单元；
[0060]
6、废液收集箱；
[0061]
7、角度测量仪；
[0062]
8、保温层；
[0063]
9、智能定量加注装置；
[0064]
10、试验管道入口端的柔性软管；
[0065]
11、计量泵；
[0066]
12、流体介质存储设备；
[0067]
13、入口端阀门；
[0068]
14、试验管道出口端的柔性软管；
[0069]
15、流量计；
[0070]
16、温度计；
[0071]
17、支架。
具体实施方式
[0072]
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合以下具体实施例对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
[0073]
实施例1
[0074]
本实施例提供了一种评价缓蚀剂扩散行为的装置，其中，所述评价缓蚀剂扩散行为的装置的结构示意图如图1所示，从图1中可以看出，所述装置包括试验管道1、流体介质存储设备(其为控温源流体介质存储设备)12、集样-送样单元4、样品分析及数据处理单元5、废液收集箱6以及支架17；
[0075]
所述试验管道1的入口及出口分别连接有柔性软管，所述流体介质存储设备12的出口与所述试验管道入口端的柔性软管10相连；
[0076]
所述装置还包括计量泵11，用于将所述流体介质存储设备12中存储的流体介质泵入所述试验管道1；
[0077]
所述试验管道1的两端分别设置有入口端阀门13及出口端阀门2，两阀门之间且靠近入口端阀门13的试验管道1设置有智能定量加注装置9；
[0078]
所述智能定量加注装置9与出口端阀门2之间的试验管道1还设置有若干取样探头3，所述取样探头3用于从试验管道1中取样并将所取样品转移至集样-送样单元4，所述集样-送样单元4用于收集取样探头3所取样品并将所述样品输送至样品分析及数据处理单元5；
[0079]
所述试验管道1的中心活动固定于所述支架17且所述试验管道1能够以固定点为中心进行旋转，以使所述试验管道1与竖直方向呈任意角度；所述试验管道1的旋转轴处设置有角度测量仪7，用于读取试验管道1与竖直方向所呈的角度值；
[0080]
所述试验管道1还设置有温度计16及流量计15，分别用于监测试验管道1内流体的温度以及流速；
[0081]
所述试验管道1的外壁包覆有保温层8；
[0082]
所述试验管道出口端的柔性软管14与所述废液收集箱6的入口相连。
[0083]
实施例2
[0084]
本实施例提供了一种评价缓蚀剂扩散行为的方法，其中，所述评价缓蚀剂扩散行为的方法是利用实施例1提供的评价缓蚀剂扩散行为的装置实现的，所述方法包括以下具体步骤：
[0085]
(1)将流体介质装入流体介质存储设备并调节至预设温度，将试验管道调节至预设角度后，通过计量泵将所述流体介质按照预设流速泵入试验管道中；通过设置于所述试验管道的温度计及流量计分别实时监测试验管道内流体介质的温度以及流速，以确认温度
及流速是否符合试验要求；
[0086]
(2)将待评价的缓蚀剂通过智能定量加注装置按照预设加注量、预设加注时间以及预设加注周期注入到所述试验管道中并进行缓蚀剂缓释模拟试验；
[0087]
(3)试验过程中，通过预设位置处的若干取样探头按照预设样品采集量、预设采集周期及采集时间进行取样；集样-送样单元收集取样探头所取样品后将所述样品输送至样品分析及数据处理单元进行样品分析及数据处理；
[0088]
(4)根据若干取样探头所取样品中缓蚀剂的浓度以及时间，绘制缓蚀剂的浓度-时间变化曲线，根据所述缓蚀剂的浓度-时间变化曲线判断试验管道中与缓蚀剂加注点不同距离处的缓蚀剂浓度随时间的变化关系，进而评价缓蚀剂扩散行为；
[0089]
根据任一预设位置的取样探头于不同时间所取样品中缓蚀剂的浓度，按照如下公式1)计算试验管道任一预设位置处缓蚀剂浓度随时间的变化率，再绘制试验管道任一预设位置处缓蚀剂浓度随时间的变化率与时间之间的关系曲线图，根据该曲线图评价缓蚀剂扩散行为；
[0090][0091]
公式1)中，dn为试验管道任一预设位置处缓蚀剂浓度随时间的变化率，单位为ppm/s，cn是时间为tn时试验管道该预设位置处缓蚀剂的浓度，单位为ppm，c
n-1
是时间为t
n-1
时试验管道该预设位置处缓蚀剂的浓度，单位为ppm，tn及t
n-1
的单位为s，n为正整数；
[0092]
根据任意两处预设位置的取样探头于同一时间所取样品中缓蚀剂的浓度，按照如下公式2)计算同一时间试验管道不同预设位置处缓蚀剂浓度的变化率，进而评价缓蚀剂扩散行为；
[0093]
ηn＝(c
n-c
n-1
)/(l
n-l
n-1
)
ꢀꢀꢀ
公式2)；
[0094]
公式2)中，ηn为同一时间试验管道不同预设位置处缓蚀剂浓度的变化率，单位为ppm/m，cn是试验管道的预设位置n处的缓蚀剂浓度，单位为ppm，c
n-1
是试验管道的预设位置n-1处的缓蚀剂浓度，单位为ppm，ln为试验管道的预设位置n处与缓蚀剂加注点之间的距离，单位为m，l
n-1
为试验管道的预设位置n-1处与缓蚀剂加注点之间的距离，单位为m，n为正整数。
[0095]
下面将以一组流体介质及缓蚀剂为例，具体说明本发明所提供的评价缓蚀剂扩散行为的方法。
[0096]
本具体实施例中，流体介质为5wt％的nacl水溶液，缓蚀剂为中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司天然气研究院自主研制的ct2-19咪唑啉缓蚀剂，试验温度为40℃，液体流速为0.2m/s，试验管道预设角度为85
°
，缓蚀剂的理论设计加注浓度为500ppm(依据静置状态下，试验管道内的液体流体介质的体积计算得到)，加注方式为一次性加注。于试验管道上设置5个取样探头，从试验管道入口端至出口端，这5个取样探头位置依次记为l1、l2、l3、l4、l5，这5个取样探头于不同时间所取样品中缓蚀剂浓度数据如下表1所示，5个取样探头所取样品中缓蚀剂的浓度-时间变化曲线如图2所示。
[0097]
表1
[0098][0099]
以位置l1处为例，按照以上公式1)计算试验管道任一预设位置处缓蚀剂浓度随时间的变化率，通常可以计算两种变化率，一种为瞬时变化率，即两个相邻时间点之间的缓蚀剂浓度随时间的变化率，记为d’；另一种为累积变化率，即从初始时间至当前时间之间的缓蚀剂浓度随时间的变化率，记为d”，本具体实施例中所计算得到的缓蚀剂浓度随时间的变化率如下表2所示，缓蚀剂浓度随时间的变化率与时间之间的关系曲线如图3所示。
[0100]
表2
[0101]
序号时间t/sd’(ppm/s)d”(ppm/s)d
11
000d
21
108.68.6d
31
2013.611.1d
41
302114.4d
51
4045.722.225d
61
50-18.314.12d
71
60-16.39.05d
81
80-14.153.25d
91
100-7.551.09d
101
120-1.550.65d
111
150-0.770.367d
121
200-0.840.065d
131
25000d
141
30000
[0102]
从表1以及根据表1所绘制的如图2所示的缓蚀剂浓度-时间变化曲线可以直观看出：一次性加注后，缓蚀剂在试验管道中不同位置处的浓度变化规律，具体而言，从缓蚀剂浓度-时间变化曲线可看出，五个位置处的缓蚀剂浓度都呈现出先快速增长然后逐渐衰减的过程。以位置l1为例，加注缓蚀剂后，在短时间内缓蚀剂浓度就达到了最高值，而且该最高值超过了设计的理论加注值，这是由于位置l1离加注点最近，在短时间内缓蚀剂浓度迅速升高进而造成局部浓度过高；而由于缓蚀剂为一次性加注，随着流体流动，缓蚀剂又迅速被携带至试验管道下游，从如图2所示的曲线图上也就反映出在缓蚀剂浓度达到峰值浓度后，缓蚀剂浓度又迅速下降。而距离加注点稍远的位置l2，缓蚀剂浓度-时间变化曲线的上升阶段显然不及位置l1，且缓蚀剂峰值浓度也不及位置l1，但是其衰减阶段的缓蚀剂浓度变化趋势却较位置l1平缓，这说明距离加注点越远的位置，缓蚀剂实际峰值浓度与缓蚀剂理论加注值之间的差距越小，相对来说曲线也更加平缓。
[0103]
从表2以及图3中可以看出，瞬时变化率d’曲线上升反映了当前缓蚀剂浓度处于快速增长阶段，而下降甚至变为负值则反映了当前缓蚀剂浓度处于快速降低阶段。而累积变化率d”则是累积时间内的变化率，从图3中所示的累积变化率d”曲线变化趋势同样可以说明缓蚀剂浓度的增长速率是先增大后降低的。
[0104]
结合缓蚀剂现场实际应用，如设定该缓蚀剂的最低有效保护浓度为200ppm，显然从图2所示的缓蚀剂浓度-时间变化曲线上看，每个位置处缓蚀剂能维持高于200ppm的有效时间是不一样的。那么就需要根据图2及图3的变化曲线规律结果对缓蚀剂加注浓度、加注方式(分次加注)、加注周期等参数进行研究调整，以确定该缓蚀剂的实际加注方案。当然，也可通过对比不同的缓蚀剂的扩散行为，以比选不同种类的缓蚀剂。
[0105]
以时间60s为节点，按照如上所述公式2)计算同一时间试验管道不同预设位置处缓蚀剂浓度的变化率，其中，位置l1、l2、l3、l4、l5与加注点之间的距离分别为2m、4m、6m、8m及10m，本具体实施例中所计算得到的同一时间试验管道不同预设位置处缓蚀剂浓度的变化率数据如下表3所示。
[0106]
表3
[0107][0108]
从表3中可以看出：首先，在某一特定的时间点，整条试验管道中的缓蚀剂浓度分布，显然当时间到达60s时，整个试验管道各个位置的缓释浓度分布相对较为均匀，也就是说在一定时间后整个试验管道的各个位置的缓蚀剂浓度均得以大于200ppm；其次，实际上试验管道的各位置处的缓蚀剂浓度值仍然有差别，如60s时，位置l2和l3处的缓蚀剂浓度相对较高；此外，通过计算得到的各位置处的ηn数据可以看出，当前缓蚀剂浓度随距离的变化趋势，ηn为正值代表缓蚀剂浓度距离梯度相对增加，负值代表缓蚀剂浓度距离梯度相对减少。通过该参数的大量获取可以有助于掌握缓蚀剂在试验管道内的有效保护距离，为缓蚀剂实际应用过程中试验管道上缓蚀剂加注点的设置提供支撑依据。
[0109]
综上，通过以上实施例所提供的系列试验，可以研究的内容包括但不限于以下几
个方面：
[0110]
1)确定试验管道上缓蚀剂加注点的设置，缓蚀剂加注方式、加注周期、加注量等缓蚀剂防腐方案中所需核心参数。
[0111]
2)研究外界工况条件对缓蚀剂性能的影响，所述外界工况条件包括温度、流速、试验管道倾角、介质等。
[0112]
3)进行缓蚀剂种类的比选研究，进而确定符合要求的缓蚀剂。
[0113]
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术发明之间、技术发明与技术发明之间均可以自由组合使用。