一种多相流冲蚀特性实验分析装置

1.本发明涉及石油化工技术领域，更具体地说是涉及一种多相流冲蚀特性实验分析装置。


背景技术：

2.在油气集输过程中，由于流体中存在有固体颗粒，会对管道及其附属元件造成冲蚀，尤其在弯管、阀门或者计量装置处，这种现象尤为严重。这是金属表面被流体冲刷引起的局部金属腐蚀，当流体存在固体颗粒或者流速较大时，会加速冲蚀缺陷的产生。当管道表面存在缺陷时，易造成应力集中，引发管道系统发生冲蚀失效事故，严重影响油气田的生产和安全。
3.因此，开展管路系统冲蚀研究显得非常重要，而其中实验研究是一种有效的研究方法。国内外学者为进行冲蚀的实验研究，搭建了旋转式、射流式、以及管流式实验装置。但是，大多装置只能测试以气体为主或以液体为主的两相流动冲蚀，适用于油气水多相流动冲蚀研究的装置相对较少。同时，大部分实验装置的实验介质不能循环利用，增加了研究成本。
4.为了研究多相流动的冲蚀规律，完善冲蚀分析理论，建立更为准确的冲蚀预测模型，设计合理、经济的多相实验装置就非常有必要。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种多相流冲蚀特性实验分析装置，以解决上述存在的技术问题。本发明的多相流冲蚀特性实验分析装置能够探测并分析冲蚀作用下管道形成缺陷的深度、大小和分布状态，研究多相流体对管道及元件额定冲蚀作用，从而为提高流体输送效率、防止管道冲蚀和优化管道完整性管理提供实验数据。
6.为解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案：
7.一种多相流冲蚀特性实验分析装置，包括：
8.混合模块；所述混合模块包括多相物流混合器；所述多相物流混合器上设有与所述多相物流混合器连通的固体颗粒储存舱、液体进液管、气体进口管和螺旋出料管；所述固体颗粒储存舱上设有固体颗粒进料口；
9.冲蚀模块；所述冲蚀模块的进口与所述螺旋出料管的出口相连；
10.分离模块；所述分离模块包括旋风分离器、湿料粗分离箱、固体颗粒烘干器、固体颗粒传送带和卧式两相分离器；所述冲蚀模块的出口与所述旋风分离器的进口相连；所述卧式两相分离器的进口通过分离气相出口管与所述旋风分离器的顶部出口相连；所述卧式两相分离器的顶部出口与所述气体进口管的进口相连；所述湿料粗分离箱的顶部进口与所述旋风分离器的底部出口相连；所述卧式两相分离器的底部出口与所述湿料粗分离箱的侧壁出口均与所述液体进液管的进口相连；所述固体颗粒烘干器的顶部进口与所述湿料粗分离箱的底部出口相连；所述固体颗粒传送带的进料端设置于所述固体颗粒烘干器的底部出
口下方，且所述固体颗粒传送带的出料端通过送料板与所述固体颗粒进料口相连。
11.优选地，所述多相物流混合器包括混合器主体、固体颗粒发射口、液相喷淋器、气体喷射器、搅拌桨和倾斜下平板；所述固体颗粒发射口设置于所述混合器主体的内腔顶部；所述固体颗粒储存舱设置于所述混合器主体上方，且所述固体颗粒储存舱通过固体颗粒进料管与所述固体颗粒发射口相连；所述液相喷淋器设置于所述混合器主体的内腔上部，且所述液相喷淋器与所述液体进液管相连；所述气体喷射器垂直设置于所述混合器主体的内腔底部，且所述气体喷射器与所述气体进口管的出口相连；所述搅拌桨设置于所述气体喷射器的外壁上；所述倾斜下平板倾斜设置于所述混合器主体的内腔底部；所述螺旋出料管设置于所述混合器主体的底部外壁上，且所述螺旋出料管正对于所述倾斜下平板的底端设置。
12.优选地，所述液相喷淋器上设有喷淋孔；所述气体喷射器上设有喷气孔；所述固体颗粒发射口、所述喷淋孔和所述喷气孔上均覆盖有单向透过膜。
13.优选地，所述液相喷淋器为中空环形管；中空环形管的内环面均布有多个所述喷淋孔；各个所述喷淋孔的中轴线的交点位于中心环形管的中轴线上；每个所述喷淋孔的中轴线与中心环形管的中轴线的夹角均为45
°
。
14.优选地，所述气体喷射器为中空柱形结构，且所述气体喷射器底部呈椭圆球状。
15.优选地，所述固体颗粒进料管上设有物料流量控制阀门。
16.优选地，所述冲蚀模块包括依次串联的第一冲蚀管段、冲蚀测试管段、透明监测管段、冲蚀测试弯头、第二冲蚀管段、冲蚀测试阀门、第三冲蚀管段、冲蚀测试流量计和第四冲蚀管段；所述第一冲蚀管段的进口连接于所述螺旋出料管的出口；所述第四冲蚀管段的出口连接于所述旋风分离器的进口；所述冲蚀测试弯头上设有监测探头。
17.优选地，所述卧式两相分离器的顶部出口连接有出气管；所述出气管的出口连接有储气罐；所述气体进口管的进口连接于所述储气罐的出口；所述出气管上设有第一控制阀门；所述气体进口管上设有第二控制阀门和压缩机。
18.优选地，所述卧式两相分离器的底部出口连接有第一出液管；所述第一出液管的出口连接有储水箱；所述液体进液管的进口连接于所述储水箱的出口；所述液体进液管上设有第三控制阀门和水泵；所述湿料粗分离箱的侧壁出口连接有第二出液管；所述第二出液管的出口连接于所述第一出液管上；所述第二出液管上设有第四控制阀门；所述第一出液管上设有第五控制阀门和第六控制阀门；所述第五控制阀门和所述第六控制阀门分别设置于所述第二出液管的两侧。
19.优选地，所述固体颗粒烘干器设置于所述湿料粗分离箱的正下方；所述固体颗粒烘干器的进口与所述湿料粗分离箱的底部出口之间设有出料管；所述出料管上设有第七控制阀门。
20.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
21.1)本发明具有测试流程布局紧凑、结构简单、操作方便的优点；通过检测、记录和分析管道冲蚀缺陷的形状、大小和分布状态，为研究管道冲蚀作用机理奠定了基础。
22.2)本发明可以通过分离模块的再分离和混合单元的再混合，实现流体的循环利用，从而节省实验成本。
23.3)本发明冲蚀模块的部分区域使用可拆卸管段及管道元件，从而可实现对不同金
属材料管道及元件进行冲蚀特征研究；本发明冲蚀模块设置透明监测管段，可以在不停运状态下观察流体的运动状态及管道内部情况。
24.4)本发明利用监测探头可以精准检测冲蚀缺陷状态，并可以实施将数据反馈给计算机，为深入研究冲蚀缺陷的形成过程提供了数据基础。
25.5)本发明能够探测并分析冲蚀作用下管道形成缺陷的深度、大小和分布状态，研究多相流体对管道及元件额定冲蚀作用，从而为提高流体输送效率、防止管道冲蚀和优化管道完整性管理提供准确的实验数据。
附图说明
26.图1为本发明一种多相流冲蚀特性实验分析装置的结构示意图；
27.图2为多相物流混合器的结构示意图；
28.图中：1、多相物流混合器；101、混合器主体；102、固体颗粒发射口；103、液相喷淋器；104、气体喷射器；105、搅拌桨；106、倾斜下平板；2、固体颗粒储存舱；3、液体进液管；4、气体进口管；5、螺旋出料管；6、固体颗粒进料口；7、旋风分离器；8、湿料粗分离箱；9、固体颗粒烘干器；10、固体颗粒传送带；11、卧式两相分离器；12、分离气相出口管；13、固体颗粒进料管；14、物料流量控制阀门；15、第一冲蚀管段；16、冲蚀测试管段；17、透明监测管段；18、冲蚀测试弯头；19、第二冲蚀管段；20、冲蚀测试阀门；21、第三冲蚀管段；22、冲蚀测试流量计；23、第四冲蚀管段；24、监测探头；25、出气管；26、储气罐；27、第一控制阀门；28、第二控制阀门；29、压缩机；30、第一出液管；31、储水箱；32、第三控制阀门；33、水泵；34、第二出液管；35、第四控制阀门；36、第五控制阀门；37、第六控制阀门；38、出料管；39、第七控制阀门。
具体实施方式
29.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，所描述的实施例仅仅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。
30.实施例
31.参照图1-2所示，本发明公开了一种多相流冲蚀特性实验分析装置，包括：混合模块、冲蚀模块和分离模块；混合模块包括多相物流混合器1；多相物流混合器1上设有与多相物流混合器1连通的固体颗粒储存舱2、液体进液管3、气体进口管4和螺旋出料管5；螺旋出料管5通过自身的螺旋状结构，可以对流体进行二次混合，使混合更充分；固体颗粒储存舱2上设有固体颗粒进料口6；冲蚀模块的进口与螺旋出料管5的出口相连；分离模块包括旋风分离器7、湿料粗分离箱8、固体颗粒烘干器9、固体颗粒传送带10和卧式两相分离器11；冲蚀模块的出口与旋风分离器7的进口相连；卧式两相分离器11的进口通过分离气相出口管12与旋风分离器7的顶部出口相连；卧式两相分离器11的顶部出口与气体进口管4的进口相连；湿料粗分离箱8设置于旋风分离器7的正下方；湿料粗分离箱8的顶部进口与旋风分离器7的底部出口相连；卧式两相分离器11的底部出口与湿料粗分离箱8的侧壁出口均与液体进液管3的进口相连；固体颗粒烘干器9的顶部进口与湿料粗分离箱8的底部出口相连；固体颗粒传送带10的进料端设置于固体颗粒烘干器9的底部出口下方，且固体颗粒传送带10的出
料端通过送料板与固体颗粒进料口6相连。
32.在实验时，多相物流混合器1内的气液固多相流体通过螺旋出料管5进入冲蚀模块进行冲蚀实验后，气液固多相流体进入分离模块中的旋风分离器7；在分离模块中，通过旋风分离器7对气液固多相流体进行粗分离，从旋风分离器7中分离出的固液混合物进入湿料粗分离箱8再次脱水，湿料粗分离箱8侧壁出口与液体进液管3相连，经湿料粗分离箱8脱除的液体进入液体进液管3，湿料粗分离箱8底部出口与固体颗粒烘干器9的顶部进口相连，脱水后的固体进入固体颗粒烘干器9干燥后，掉落在固体颗粒传送带10上，由固体颗粒传送带10输送至固体颗粒进料口6，固体颗粒落入固体颗粒储存舱2，并最终进入多相物流混合器1，从而实现固相的循环利用；从旋风分离器7中分离出的气液混合物经分离气相出口管12进入卧式两相分离器11，通过卧式两相分离器11对气液混合物进行分离；从卧式两相分离器11分离出的气体通过卧式两相分离器11的顶部出口进入气体进口管4，并最终进入多相物流混合器1，从而实现气相的循环使用；卧式两相分离器11的底部出口与湿料粗分离箱8的侧壁出口均与液体进液管3的进口相连，从卧式两相分离器11及湿料粗分离箱8分离出的液体分别通过卧式两相分离器11的底部出口和湿料粗分离箱8的侧壁出口进入液体进液管3，并最终进入多相物流混合器1，从而实现液相的循环使用。
33.在本实施例中，多相物流混合器1包括混合器主体101、固体颗粒发射口102、液相喷淋器103、气体喷射器104、搅拌桨105和倾斜下平板106；固体颗粒发射口102设置于混合器主体101的内腔顶部；固体颗粒储存舱2设置于混合器主体101正上方，且固体颗粒储存舱2通过固体颗粒进料管13与固体颗粒发射口102相连；液相喷淋器103设置于混合器主体101的内腔上部，且液相喷淋器103与液体进液管3相连；气体喷射器104垂直设置于混合器主体101的内腔底部，且气体喷射器104与气体进口管4的出口相连；搅拌桨105设置于气体喷射器104的外壁上，搅拌桨105通过摆动使气液固三相混合更充分；倾斜下平板106倾斜设置于混合器主体101的内腔底部；螺旋出料管5设置于混合器主体101的底部外壁上，且螺旋出料管5正对于倾斜下平板106的底端设置。
34.在本实施例中，混合器主体101为圆柱状结构；气体喷射器104与混合器主体101同轴设置。
35.在本实施例中，液相喷淋器103上设有喷淋孔；气体喷射器104上设有喷气孔；固体颗粒发射口102、喷淋孔和喷气孔上均覆盖有单向透过膜；其中固体颗粒发射口102上的单向透过膜只允许固体颗粒单向出，喷淋孔上的单向透过膜只允许液体单相出，喷气孔上的单向透过膜只允许气体单相出。
36.在本实施例中，喷淋孔和喷气孔均为微小细孔。
37.在本实施例中，液相喷淋器103为中空环形管，且中空环形管与混合器主体101同轴设置；中空环形管的内环面均布有多个喷淋孔；各个喷淋孔的中轴线的交点位于中心环形管的中轴线上；每个喷淋孔的中轴线与中心环形管的中轴线的夹角均为45
°
。
38.在本实施例中，气体喷射器104为中空柱形结构，且气体喷射器104底部呈椭圆球状，方便接收固体颗粒喷射，防止固体颗粒在气体喷射器底部聚集。
39.在本实施例中，固体颗粒进料管13上设有物料流量控制阀门14。
40.在本实施例中，固体颗粒储存舱2内设有用于与物料流量控制阀门14连接的感应系统，感应系统可根据物料重量或物料高度控制物料流量控制阀门14的开度，从而控制固
体颗粒的喷射速度。
41.在本实施例中，冲蚀模块包括依次串联的第一冲蚀管段15、冲蚀测试管段16、透明监测管段17、冲蚀测试弯头18、第二冲蚀管段19、冲蚀测试阀门20、第三冲蚀管段21、冲蚀测试流量计22和第四冲蚀管段23；第一冲蚀管段15的进口连接于螺旋出料管5的出口；第四冲蚀管段23的出口连接于旋风分离器7的进口；冲蚀测试弯头18上设有监测探头24；监测探头24可以采集因冲蚀形成的管道及管道元件的缺陷数据，可用于实时分析冲蚀的分布状态及缺陷的严重程度；流体由螺旋出料管5二次混合后经第一冲蚀管段15流入冲蚀模块，并由第四冲蚀管段23流入分离模块，在此过程中可以监测管道及管道元件的冲蚀分布状态及作用机理。
42.在本实施例中，第一冲蚀管段15、冲蚀测试管段16、透明监测管段17、冲蚀测试弯头18、第二冲蚀管段19、冲蚀测试阀门20、第三冲蚀管段21、冲蚀测试流量计22和第四冲蚀管段23通过连接法兰依次串联在一起，方便安装与拆卸；通过连接法兰可以将冲蚀测试弯头18、冲蚀测试阀门20、冲蚀测试流量计22拆下，以观察、记录及分析管道元件处的冲蚀作用特征。
43.在本实施例中，冲蚀测试管段16可以拆卸更换，以更换不同材料的金属管道进行实验；透明监测管段17可以在不停运状态下实时监测流体运动状态及管道内部冲蚀缺陷的分布情况；冲蚀测试阀门20可拆卸更换，方便更换不同类型、材质的阀门进行测试。
44.在本实施例中，卧式两相分离器11的顶部出口连接有出气管25；出气管25的出口连接有储气罐26；气体进口管4的进口连接于储气罐26的出口；出气管25上设有第一控制阀门27；气体进口管4上设有第二控制阀门28和压缩机29。
45.在本实施例中，卧式两相分离器11的底部出口连接有第一出液管30；第一出液管30的出口连接有储水箱31；液体进液管3的进口连接于储水箱31的出口；液体进液管3上设有第三第一控制阀门27和水泵33；湿料粗分离箱8的侧壁出口连接有第二出液管34；第二出液管34的出口连接于第一出液管30上；第二出液管34上设有第四控制阀门35；第一出液管30上设有第五控制阀门36和第六控制阀门37；第五控制阀门36和第六控制阀门37分别设置于第二出液管34的两侧。
46.在本实施例中，固体颗粒烘干器9设置于湿料粗分离箱8的正下方；固体颗粒烘干器9的进口与湿料粗分离箱8的底部出口之间设有出料管38；出料管38上设有第七控制阀门39。
47.在本实施例中，固体颗粒烘干器9由烘干器两侧面进行加热烘干；固体颗粒烘干器9内设有感应装置，当固体颗粒达到一定重量时，固体颗粒烘干器9底部出口自动打开，使干燥的固体颗粒落至固体颗粒传送带10上。
48.在另外一些实施例中，监测探头24可以根据测试需要布置在冲蚀模块上的任意管道上。
49.在另外一些实施例中，监测探头24的数量可以根据测试需要进行设计。
50.工作原理：打开冲蚀测试阀门20，使冲蚀模块中管道内流体流动，利用透明监测管段17、监测探头24监测、记录并分析冲蚀缺陷的产生及特征；打开第七控制阀门39，经过湿料粗分离箱8分离的固体将进入固体颗粒烘干器9干燥，当固体颗粒烘干器9中的干燥固体颗粒重量达到一定数值时，固体颗粒烘干器9底部开口将自动打开，将干燥固体颗粒送到固
体颗粒传送带10上，固体颗粒传送带10将燥固体颗粒送至固体颗粒进料口6，干燥固体颗粒落入固体颗粒储存舱2内，并最终进入多相物流混合器1中，从而实现固相的循环利用；打开第一控制阀门27使得卧式两相分离器11分离出的气相流入储气罐26，打开第二控制阀门28，气体通过压缩机29增压进入气体进口管4，并最终进入多相物流混合器1中，从而实现气相的循环利用；打开第四控制阀门35、第五控制阀门36和第六控制阀门37使得卧式两相分离器11及湿料粗分离箱8分离出的液相流入储水箱31，打开第三控制阀门32和水泵33，使液相通过液体进液管3进入多相物流混合器1，从而实现液相的循环使用。
51.以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。