[发明专利]一种材料表面结垢行为模拟在线监测试验系统和试验方法

权利要求书

1.一种材料表面结垢行为模拟在线监测试验系统的试验方法，

所述材料表面结垢行为模拟在线监测试验系统包括设置在系统的底部的结垢液存储单元、运输管道单元、加热单元、控制单元和移动支架单元，所述结垢液存储单元用于存储和回收结垢液，所述运输管道单元用于运输结垢液并且控制结垢液的流量，所述加热单元用于将结垢液的温度加热至试验设定值，所述控制单元用于控制运输管道单元、加热单元的启停和运行以及显示试验参数，所述移动支架单元用于支撑固定系统的各个单元和方便系统的移动，其特征在于：所述材料表面结垢行为模拟在线监测试验系统还包括试样管路单元和参数测控单元；

所述试样管路单元包括尼龙/有机玻璃试验管、密封垫圈和快接法兰，用于镶嵌不同基材、润湿性、表面粗糙度及表面特性的管状试样或片状试样，并测试试样在管道流体的模拟环境下的结垢行为及性能，以及实现结垢过程的可视化监控；

所述参数测控单元包括第一探针式温度传感器、第二探针式温度传感器、贴片式温度传感器、第一压差传感器、第二压差传感器、电导率传感器和流量计，所述第一探针式温度传感器设置在加热单元与试样管路单元之间，用于测定进入试样管路单元前结垢液的温度，所述第二探针式温度传感器设置在结垢液存储单元中，用于测定流出试样管路单元后结垢液的温度，所述贴片式温度传感器设置在试样管路单元的尼龙/有机玻璃试验管的内、外表面，用于测定试验管壁内外温度和测定垢层厚度，所述第一压差传感器和第二压差传感器分别设置在试样管路单元的前端和后端，用于测定结垢液流经试样管路单元的压差；所述电导率传感器设置在试样管路单元后端的第二压差传感器的后面，用于测定结垢液的离子浓度；所述流量计设置在加热单元的前端，用于测量结垢液的流量；

所述运输管道单元包括设置在同一个垂直面的矩形主管回路与矩形旁管回路，所述矩形主管回路由进口端浸没在所述结垢液存储单元的90°下弯管、第一流量控制阀、法兰、动力泵、法兰、左下角的90°上弯管、三通管、第二流量控制阀、竖直直管、流量计、左上角的90°下弯管、加热单元、水平直管、试样管路单元、90°上弯管、右上角的П型弯管、出口端插入所述结垢液存储单元的垂直管依次连通组成，用于输运和循环结垢液，控制结垢液的流量，右上角的П型弯管用于抬高所述矩形主管回路的右上角，确保所述矩形主管回路中的试样管路单元完全充满结垢液，所述矩形旁管回路由进口端浸没在所述结垢液存储单元的90°弯管、第一流量控制阀、法兰、动力泵、法兰、左下角的90°上弯管、三通管、第三流量控制阀、出口端插入所述结垢液存储单元的右上角的90°下弯管依次连通组成，用于为避免出现汽蚀现象在试验过程中将动力泵输送的结垢液部分回流至结垢液存储单元，以保证动力泵长时间在额定工况下稳定运行；

所述尼龙/有机玻璃试验管，是沿直径方向分为上下两个半圆管、由密封垫圈和螺栓组装成用于置入试样和取出试样的圆管；

所述第一探针式温度传感器、第二探针式温度传感器和贴片式温度传感器是B级Pt100铂热电阻，量程为﹣200℃~﹢450℃；

所述第一压差传感器、第二压差传感器是型号为FK-P300的压差传感器，量程为0 MPa~1Mpa；

所述电导率传感器是型号为RMD-ISEP10的投入式电导率传感器，量程为0 μS/cm ~20000 μS/cm；

所述流量计是PVC转子流量计，包括锥形管和位于锥形管中的转子，量程为100 L/h ~1000 L/h；

所述结垢液存储单元是带密封盖的储液箱，可以严密防止试验过程中外界环境中的杂质污染结垢液；

所述矩形主管回路与矩形旁管回路中的弯管、直管和三通管是有良好的可塑性和耐腐蚀性的PP-R材质的弯管、直管和三通管，外表面包覆有保温层，耐热保温，导热系数约为金属管导热系数的0.005，规格为DN32，壁厚为5.4 mm，公称压力PN为1.6 Mpa；

所述动力泵是自吸增压水动力泵，额定电压为220V，功率为950W，最大流量为3.5 m³/h，扬程为55 m，最大吸程为9 m，用于提供动力输送，保证系统长时间稳定运行；

所述第一流量控制阀、第二流量控制阀以及第三流量控制阀是有良好的可塑性和耐腐蚀性的PP-R材质的流量控制截止阀，用于分流调节并稳定控制结垢液的流量；

所述加热单元设置在试样管路单元的前端，包括试样管路单元前端的一段不锈钢管道以及设置在不锈钢管道表面的加热器，直接将电能转化为热能加热管道内的结垢液，使结垢液的温度达到试验设定值；

所述控制单元是数显控制单元，用于控制总开关、加热单元和运输管道单元的启停和运行参数，以及显示参数测控单元所测的温度、试样管路单元内外温差、压差、电导率及流量；

所述移动支架单元，包括带脚轮的底盘和垂直竖立在所述底盘的框架；

所述储液箱是容积内结垢液的量不少于容积的1/3且浸没矩形主管回路进口端的储液箱，其容积由系统整体管路容积所决定；

所述储液箱是防腐蚀、防结垢的PVC材质的储液箱，可长期盛放结垢液；

所述尼龙/有机玻璃试验管的内侧，沿直径方向设有0°~90°的可调节角度的槽位，用于置入并固定管状试样或片状试样；

所述框架是铝型材质的框架，用于支撑固定系统的各个单元，所述底盘是铝型材质的底盘，用于支撑固定框架，所述脚轮是万向脚轮，用于移动框架；

试验方法，依次有以下步骤：

1）清洗

每次测试前先用清洗液清洗储液箱，并在管路中循环20 min ~30 min后将管路及储液箱完全排空，以去除储液箱内和管路中沉积的污垢；

后用蒸馏水清洗储液箱，并在管路中循环20min~30 min后将管路及储液箱完全排空，以进一步去除储液箱内和管路中沉积的污垢；

最后加入用蒸馏水稀释至试验设定的硬度值的结垢液，充分搅拌后待用；

2）置入试样

手动取下并打开试样管路单元置入试样，所述试样是不同基材、润湿性及表面粗糙度的管状试样或片状试样，固定后用快接法兰和密封垫圈重新组装试样管路单元，然后连接矩形主管回路，将各螺栓上紧后打开结垢液存储单元出口的第一流量控制阀和矩形旁管回路的第三流量控制阀，依次启动总开关和动力泵工作开关，调节矩形主管回路的第二流量控制阀和矩形旁管回路的第三流量控制阀，使结垢液的流量从0增至最大，测试矩形主管回路和矩形旁管回路的密封性，如有渗漏，重新组装；

3）试验

打开结垢液存储单元出口的第一流量控制阀和矩形旁管回路的第三流量控制阀，依次启动总开关、动力泵工作开关、参数测控单元工作开关以及加热单元工作开关，使结垢液的温度达到试验设定值，调节矩形主管回路的第二流量控制阀和矩形旁管回路的第三流量控制阀，控制结垢液的流量稳定在试验设定值，待温度恒定后进行结垢试验，实时监测结垢液流经试样管路单元的压差，并在分别稳定运行试验设定的多个时段后都取出试样称重，再置入试样管路单元，并记录试验数据，所述试验数据包括试样表面结垢量、结垢速率和结垢厚度；

4）结束

试验结束后先关闭加热单元工作开关，使结垢液在管路中继续循环5 min ~10 min，再关闭参数测控单元工作开关、动力泵工作开关以及总开关，完全打开结垢液存储单元出口的第一流量控制阀、矩形主管回路的第二流量控制阀和矩形旁管回路的第三流量控制阀，使结垢液自动排出管路，结垢液完全排空后，手动取下试样管路单元两端的法兰以及试样管路单元，晾干后打开尼龙/有机玻璃试验管，取出试样，进行下一步分析；用浓度为0.001mol/L 的盐酸溶液和蒸馏水依次清洗储液箱和整体管路，清洗完后，将管路及储液箱完全排空并密封备用；

所述清洗液是浓度为0.001 mol/L 的盐酸、丙烯酸和柠檬酸中的一种；

所述结垢液是根据试验要求配制或者就地取用的不同浓度和离子成分的结垢液，用于模拟实际工况环境下管路的流体，且在一组试验过程中不再向结垢液存储单元中补充结垢液；

所述根据试验要求配制的结垢液，包括反应型结垢液Ca²⁺-H₂O-HCO₃^-、Ca(OH)₂-H₂O-CO₂和Ca²⁺-H₂O-SO₄^2-，用于模拟实际工况环境下管路的过饱和CaCO₃溶液或者CaSO₄溶液；

所述反应型结垢液Ca²+-H₂O-HCO₃^-，由氯化钙CaCl₂与碳酸氢钠NaHCO₃按质量比1:1.5配制；

所述反应型结垢液Ca(OH)₂-H₂O-CO₂，是在一定浓度Ca(OH)₂溶液中持续通入CO₂气体制备；

所述反应型结垢液Ca²⁺-H₂O-SO₄^2-，由四水硝酸钙Ca(NO₃)₂·4H₂O与硫酸钠Na₂SO₄按质量比1.7:1配制；

所述根据试验要求就地取用的结垢液，包括地热水、油井采出水。