فهرست مطالب

فصل اول.

پدیده­های خوردگی[1] و سایش[2] به عنوان یکی از آسیب­ها و چالش­های مهم در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی به حساب می­آیند. پدیده­ی خوردگی طبق تعریف، واكنش شیمیایی یا الكتروشیمیایی بین یك ماده، معمولأ یك فلز و محیط اطراف آن می‌باشد كه به تغییر خواص ماده منجر خواهد شد. فرایند خوردگي در صنعت، آثار زيان بار اقتصادي عظيمي را موجب می­شود و براي کاهش آن کارهاي زيادي مي­توان انجام داد. برخي خسارت­های ناشي از خوردگي عبارتند از: ظاهر نامطلوب (مثلأ خوردگي رنگ خودرو)، مخارج تعميرات و نگهداري و بهره برداري، تعطیلی کارخانه، آلوده شدن محصولات، نشت يا از بين رفتن محصولات با ارزش مثل مواد هیدروکربنی و یا نشت مخازن حاوي اورانيوم و … با توجه به اینكه از لحاظ ترمودینامیكی مواد اكسید شده نسبت به مواد در حالت معمولی در سطح پایین‌تری از انرژی قرار دارند، بنابراین تمایل رسیدن به سطح انرژی پایین‌تر سبب اكسید (خورده) شدن فلز می‌گردد. خوردگی یک فرایند خودبخودی است، یعنی به زبان ترمودینامیکی در جهتی پیش می‌‌رود که به حالت پایدار برسد.پدیده­ی خوردگی در تمامی دسته‌های اصلی مواد، شامل فلزات، سرامیك­ها، پلیمرها و كامپوزیت­ها اتفاق می­افتد، اما وقوع آن در فلزات آنقدر شایع و فراگیر بوده و اثرات مخربی بجای می‌گذارد كه هرگاه صحبت از خوردگی به میان می­آید، ناخودآگاه خوردگی یك فلز به ذهن متبادر می‌شود.

سایش، به فرایند جدا شدن ماده از سطح فلز در اثر واکنش مکانیکی گویند. مانند ضربه­ی ذرات جامد همراه با گاز و مایع، یا در اثر برخورد قطرات مایع به دیواره داخلی مجرای عبوری سیال. سایش ناشی از خطوط لوله حاوی دوغاب جهت انتقال مواد خام جامد نظیر سنگ آهن، ذغال­سنگ و پتاس یک مشکل بزرگ در صنایع معدنی است. سایش خطوط لوله جهت انتقال دانه­های خوراکی و ذرت به عنوان جایگزین حمل و نقل با تسمه و نقاله، از موضوعات مورد بررسی در صنعت کشاورزی است. مواردی در صنعت که پدیده­ی سایش ملموس­تر می­باشد، عبارتند از: توربین­های گازی، کمپرسور­ها و پمپ­ها، نازل­ها، لوله و تیوب­های انتقال، پره­های هلیکوپتر و هواپیماها، موتور وسایل حمل و نقل و …[1]

1-2- سایش و خوردگی در صنایع نفت و گاز

سایش خطوط لوله و تجهیزات مورد استفاده جهت انتقال سیالات حاوی ذرات جامد یک مشکل اساسی در بسیاری از صنایع از جمله صنعت نفت و گاز می­باشد. سایش برای مدت زمان طولانی بعنوان یک منبع ایجاد مشکل در سیستم­های تولید و بهره­‌برداری هیدروکربن­ها شناخته شده است. بسیاری از خرابی­های خطرناک مربوط به زانویی­ها در سکوهای بهره‌­برداری، واحد­های حفاری و دیگر تأسیسات زیردریایی در دهه­­های قبل در نتیجه سایش بوده است. این مشکلات و خرابی­ها، هم شامل هزینه­ی تعویض بخش­های فرسوده شده و هم مشکلات محیط زیستی و مسائل ایمنی را به دنبال دارد. زمانیکه نفت و گاز از مخازن دارای مقاومت نسبتأ پایین تولید می­شود (کمتر از 2000 psi) با کاهش فشار مخزن، ذرات شن می­توانند از سنگ مخزن جدا شده و تعدادی از ذرات همراه با سیالات تولید شوند. این ذرات شن می­توانند سبب سایش خطوط لوله و تجهیزات شده و در نتیجه منجر به توقف تولید شوند، و از این­رو ضررهای اقتصادی قابل ملاحظه­ای متوجه تولیدکنندگان نفت و گاز شود [2و7].سایش علاوه بر اینکه موجب خرابی تجهیزات و افزایش هزینه های برآورد شده به علت خرید و جابجایی تجهیزات می­شود، می­تواند باعث آلودگی محیط و یا آتش­سوزی به دلیل سوراخ و پاره شدن مجرای عبور مواد هیدروکربنی شود. میزان خرابی­ها و از بین رفتن تجهیزات دریایی خیلی بیشتر از تجهیزات سطحی و زمینی است. به دلیل نیاز جهان به انرژی (که بیشتر از سوخت­های فسیلی تأمین می­شود) باید تولید هرچه بیشتر نفت و گاز (حداکثر ظرفیت تولید) توسط شرکت­های مربوطه مد نظر قرار گیرد. اما برای رسیدن به تولید بیشتر، مشکلات زیادی از جمله سایش به وجود می­آید. وقتی سرعت استخراج از چاه زیاد باشد و ذرات ریز شن و ماسه و حتی خاک در سیستم وجود داشته باشد، سایش مخرب­تر خواهد بود. کاهش دبی تولیدی چاه به عنوان راهکاری جهت کاهش سایش، مناسب به نظر نمی­رسد. عمده­ی مخازن زیر زمینی شامل نفت و گاز و آب هستند. عملیات بهره برداری ممکن است به صورت تک فازی باشد و هم می­تواند چند فازی باشد. میزان سایش در جریان­های چند فازی در شرایط مشابه ظرفیت تولید، به مراتب بیشتر از جریان­های تک فازی است [3].تعمیر و جایگزین کردن قطعات و تجهیزات خراب شده سر چاهی و سطحی، به مراتب آسان­تر و کم هزینه­تر از تجهیزات درون چاهی و زیر­زمینی است. تجهیزات سر چاه باید طوری طراحی شوند تا در طول مدت بهره­برداری (بعضأ 50 سال) تحمل و مقاومت کافی را داشته باشند. سایز بندی خطوط لوله، آنالیز صدمات و خرابی­ها، میزان بهینه بهره برداری و … از مواردی هستند که قبل از آن­ها باید میزان و نرخ سایش مشخص شده باشد. پدیده­های سایش و خوردگی به علت محیط مساعد، و حرکت و جنبشی که در هر سیستم است، همیشه و در همه جا وجود دارند. نمی­توان فرایندی را یافت که از این دو پدیده در امان باشد. حتی در سرعت­های بسیار کم و غلظت ناچیز ذرات جامد همراه با سیال، سایش وجود دارد. باید راهکاری ابداع کرد که نرخ این سایش و خوردگی را به حداقل برساند [4].مواد هیدروکربنی خروجی از چاه­ها با مخلوط پیچیده­ی چند فازی همراه است. که ممکن است شامل موارد زیر باشد [24]:

  • هیدروکربن­های مایع: نفت و میعانات گازی[3]
  • هیدروکربن­های جامد: واکس[4] و هیدرات[5] و غیره
  • هیدروکربن­های گازی: گاز طبیعی[6]
  • گازهای دیگر: هیدروژن سولفید[7]، کربن دی اکسید، نیتروژن و غیره
  • آب همراه نمک
  • شن و دیگر ذرات

سایش ذرات که به ذرات شن و ماسه وابسته است، مهمترین عامل سایش در سیستم­های تولیدی هیدروکربن­ها بشمار می­رود، به این دلیل که حضور مقدار کمی ذرات شن در جریان تولید موجب سایش و خوردگی سایشی قابل ملاحظه­ای می­شود. سایش با شن و ماسه می­تواند موجب از بین رفتن پوشش­های جلوگیری از خوردگی شده و به تشدید خوردگی سایشی منجر شود. با این وجود دیگر مکانیسم­های سایشی می­توانند در شرایط عملیاتی خاص خسارات جبران ناپذیری به سیستم تولید وارد کنند. در بیشتر موارد شناسایی سایش به راحتی ممکن نیست و این مورد مدیریت سایش را با مشکلات فراوانی مواجه ساخته است.عوامل مؤثر بر سایش عبارتند از: سرعت جریان، رژیم جریان، تعداد فاز­های جریان، میزان و یا غلظت فاز جامد در جریان (غلظت دانه های شن معلق در فاز مایع یا گاز)، اندازه­ی ذرات جامد، اندازه­ی قطرات مایع معلق در گاز، میزان تیزی دانه­های شن و ماسه، زاویه­ی برخورد ذرات با دیواره­ی تجهیزات، ژئومتری و هندسه مجرای عبوری جریان، میزان سختی ذرات جامد، میزان سختی قطعات و تجهیزات و … [5].

مقدمه………………………………………………………………………………….. 1

مقدمه…………………………………………………………………………………… 2

1-1-  اهمیت سایش و خوردگی در صنعت…………………………………………. 2

1-2- سایش و خوردگی در صنایع نفت و گاز………………………………………… 3

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فصل دوم.

همانطور که در قسمت قبل اشاره شد، سایش به فرآیند جدا شدن ماده از سطح لوله و تجهیزات در اثر واکنش مکانیکی گفته می­شود. هنگامیکه ذرات جامد موجود در سیال با دیواره­ی داخلی لوله­ها و سایر تجهیزات انتقال برخورد می­کنند، چنانچه دارای سرعت و قدرت مناسب باشند، مطابق شکل زیر، باعث ساییده شدن مجرای عبور سیال می­شوندسایش به عنوان یکی از مهمترین مشکلات موجود در فرایند تولید بشمار می­آید. سایش در زانویی­ها، واحدهای مته­زنی، و دیگر تجهیزات سر چاه می­تواند اتفاق بیفتد. متغیر­های ذاتی پدیده­ی سایش، استفاده از زانویی­ها را در طراحی و توسعه­ی تجهیزات تولید هیدروکربن را با مشکل روبه رو ساخته است [3].  خوردگی طبق تعریف، واكنش شیمیایی یا الكتروشیمیایی بین یك ماده، معمولأ یك فلز، و محیط اطراف آن می‌باشد كه به تغییر خواص ماده منجر خواهد شد. خوردگي، اثر تخريبي محيط بر فلزات و آلياژها مي­باشد. خوردگي، پديده­اي خود­به­خودي است و همه مردم در زندگي روزمره خود، از بدو پيدايش فلزات با آن روبرو هستند. در واقع واکنش اصلي در انهدام فلزات، عبارت از اکسيداسيون فلز است. فرآیند خوردگي و یکی از مهمترین آن خوردگی سایشی در صنعت، آثار زيان بار اقتصادي عظيمي را موجب می­شود و یکی از دلایل شروع آن، سایش می­باشد و براي کاهش آن کارهاي زيادي مي­توان انجام داد. با توجه به اینكه از لحاظ ترمودینامیكی مواد اكسید شده نسبت به مواد در حالت معمولی در سطح پایین‌تری از انرژی قرار دارند، بنابراین تمایل رسیدن به سطح انرژی پایین‌تر سبب اكسید (خورده) شدن فلز می‌گردد. خوردگی یک فرایند خودبه­خودی است، یعنی به زبان ترمودینامیکی در جهتی پیش می‌‌رود که به حالت پایدار برسد. به طور مثال اگر آهن را در اتمسفر هوا قرار دهيم، زنگ مي­زند که يک نوع خوردگي و پديده­اي خودبه­خودي است. انواع مواد هيدروکسيدي و اکسيدي نيز مي­توانند محصولات جامد خوردگي باشند که همگي گونه­ی فلزي هستند[29].

خوردگی معمولأ فرایندی زیان‌آور است، لیكن گاهی اوقات مفید واقع می‌شود. بطور مثال آلودگی‌ محیط به محصولات خوردگی و آسیب دیدن عملكرد یك سیستم از جنبه‌های زیان آور خوردگی، و تولید انرژی الكتریكی در یك باطری و حفاظت كاتدی سازه‌های مختلف از فواید آن می­باشد. اما تأثیرات مخرب و هزینه­‌های به بار آمده بواسطه­ی این فرآیند به مراتب بیشتر است. با نگاهی به آمار منتشر شده از خسارات مستقیم و غیر مستقیم خوردگی به اقتصاد كشورها می‌توان به هزینه‌های سرسام‌آور این پدیده پی­برد. در ایران نیز پدیده خوردگی خسارات قابل توجهی را در صنایع گوناگون بوجود آورده است. بر اساس برخی بررسی‌های غیر رسمی، زیان اقتصادی مستقیم ناشی از خوردگی در ایران در سال 1373 حدود 5000 میلیارد ریال، در سال 1375 حدود 9000 میلیارد ریال و در سال 1379 حدود 27500 میلیارد ریال برآورد شده است.

2-2- انواع خوردگي

خوردگي را به دو دسته­ی تر و خشك مي‌توان تقسيم نمود. مكانيزم خوردگي تر، الكتروشيميايي است. خوردگي خشك به واكنش­هاي گاز جامد و در درجه حرارت­هاي بالا گفته مي­شود. در صنعت حفاري خوردگي تر مورد بحث مي­باشد. خوردگي آهن در الكتروليت گل حفاري و سيالات ديگر از انواع خوردگي تر مي‌باشد. هرچه قدرت هدايت الكتريكي سيال بالاتر باشد، جريان عبوري بيشتر و ميزان خوردگي بالاتر خواهد بود. در ادامه به طور خلاصه به معرفی انواع خوردگی پرداخته می­شود[29].در سیستم­های بهره ­برداری نفت و گاز، تقریبأ تمامی قطعات از فلزات نرم ساخته می­شوند. اگرچه دیگر مواد نظیر پلاستیک­ها و لاستیک­ها نیز در قسمت­های مختلف مورد استفاده قرار می­گیرند. خواص مواد دارای اثرات قابل ملاحظه­ای بر روی مسئله­ی سایش می­باشد. یک روش بسیار خوب جهت جلوگیری از سایش، استفاده از مواد مقاوم در برابر سایش و خوردگی به عنوان روکش محافظ می­باشد. از موادی که به عنوان پوشش حفاظتی در برابر خوردگی و ساییدگی به کار می­روند، می­توان کاربید تنگستن[1] را نام برد.نخستین عامل مهم در مورد کنترل سایش فلزات نرم، سختی آن­هاست. در نتیجه فولادها نسبت به سایر فلزات نرم­تر، مقاوم­ترند. در اجزاء آسیب­­پذیر، مواد ویژه نظیرکاربید تنگستن، پوشش­ها و سرامیک­ها اغلب مورد استفاده قرار می­گیرد. این مواد عمومأ سخت و شکننده بوده و نسبت به فولاد دارای مقاومت بسیار بالایی در برابر سایش هستند (اغلب ده­ها بار مقاوم­ترند). با این وجود، مقاومت تعدادی از مواد پوششی داده شده ممکن است بدلیل از بین رفتن پوشش یا زیرلایه­ی آن، سریعأ کاهش یابد [4و8].

2-7-4- افزایش ضخامت دیواره­ی لوله

هرچه ضخامت لوله و سایر تجهیزات انتقال جریان بیشتر باشد مدت عمر آن نیز افزایش می­یابد. اما از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نخواهد بود. همچنین ضخامت زیاد برای دیواره­های لوله، سبب کاهش اندازه­ی سطح مقطع جریان شده و در نتیجه سبب افزایش سرعت­های جریان و افزایش شدت سایش می­شود.

2-7-5- ممانعت از تولید شن و جداسازی آن

بیشتر از بسترهای شنی ته چاهی جهت جلوگیری از ورود شن به درون سیستم بهره­برداری استفاده می­شود. این پیشگیری­ها معمولأ برای چاه­های تازه حفاری شده که تولید شن در آن­ها تشخیص داده شده است، مورد استفاده قرار می­گیرد. عمومأ غشاهای شنی از ورود ذراتی با قطر بیش از 100 میکرون به درون جریان تولیدی جلوگیری می­کنند. با این وجود این غشاها باعث افزایش مقاومت در برابر جریان سیال ورودی به چاه می­شوند و در نتیجه شاخص تولید چاه را کاهش می­دهند. همچنین در صورتیکه شن کافی تولید شود حتی اگر ابعاد آن­ها بسیار ریز باشد، می­توانند باعث ایجاد میزان سایش زیادی شوند، از این­رو استفاده از غربا­ل­ها و بسترهای شنی نمی­تواند تضمینی بر تولید سیال بدون شن باشد. در کل استفاده از تجهیزات شن­زدایی در سیستم بهره­برداری بر روی اقتصادی بودن طرح تأثیر معکوس دارد. بعلاوه میزان لوله­کشی مورد نیاز در سیستم را افزایش می­دهد و از این­رو سطح بیشتری در معرض مشکلات مربوط به سایش قرار می­گیرد.

 

سایش در اثر برخورد اتفاقی

سایش در اثر برخورد اتفاقی

تئوری تحقیق…………………………………………………………………………. 7

2-1-  تعاریف سایش و خوردگی……………………………………………………. 8

2-2- انواع خوردگي…………………………………………………………………… 9

2-2-1-  خوردگي گالوانیک………………………………………………………….. 10

2-2-2-  خوردگی یکنواخت…………………………………………………………. 11

2-2-3-  خوردگي پیل غلظتی……………………………………………………… 11

2-2-4-  خوردگي حفره ای………………………………………………………….. 12

2-2-5-  خوردگي بین دانه ای……………………………………………………… 12

2-2-6-  خوردگي تحت تنشی……………………………………………………… 12

2-2-7-  خوردگی سایشی………………………………………………………….. 12

2-3-  مکانیسم های سایش……………………………………………………….. 14

2-4- انواع سایش…………………………………………………………………….. 15

2-4-1-  سایش ناشی از دانه‌های شن و ماسه…………………………………. 16

2-4-1-1- اثر دبی تولید شن و روش انتقال آن.. ……………………………………17

2-4-1-2- سرعت، گرانروی و  چگالی  سیال………………………………………. 18

2-4-1-3- شکل، اندازه و سختی ذرات شن……………………………………….. 20

2-4-1-4- ترکیب و ماهیت اجزای سیال……………………………………………… 22

2-4-1-5- پیکربندی مسیر جریان نظیر لوله های مستقیم، زانویی یا سه راهی.. 23

2-4-1-6- میزان سختی و مقاومت سطح مورد هدف………………………………. 25

2-4-1-7- زاویه­ی برخورد ذرات شن………………………………………………….. 25

2-4-1-8- دما و فشار………………………………………………………………… 26

2-4-2- سایش ناشی از قطره های مایع…………………………………………. 27

2-4-3-  خوردگي سايشي…………………………………………………………. 29

2-4-4-  پدیده­ی کاویتاسیون………………………………………………………. 31

2-5- رابطه­ی تئوری برای محاسبه­ی نرخ سایش…………………………………32

2-5-1- گزارش نرخ سایش …………………………………………………………32

2-6- ارزیابی و محاسبه­ی نرخ سایش…………………………………………… 33

2-6-1- اندازه گيري كاهش وزن ناشي از خوردگي و ساییدگی……………….. 34

2-6-2- پروب های مقاومت الکتریکی……………………………………………… 37

2-6-3- دستگاه های اندازه گیری اولتراسونیک…………………………………. 39

2-6-4- پروب های الکتروشیمیایی………………………………………………. 40

2-6-5- پرتونگاری با اشعه­ی ایکس و گاما……………………………………… 40

2-7- راهکارهای کاهش سایش………………………………………………… 41

2-7-1- کاهش دبی تولید………………………………………………………. 41

2-7-2-  طراحی سیستم لوله کشی…………………………………………. 41

2-7-3- مواد مخصوص مقاوم در برابر سایش…………………………………… 42

2-7-4- افزایش ضخامت دیواره­ی لوله…………………………………………. 42

2-7-5- ممانعت از تولید شن و جداسازی آن…………………………………. 43

فصل سوم.

توانایی پیش بینی نرخ سایش در خطوط تولید و انتقال نفت و گاز از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است‌. نرخ سایش به طور مستقیم بر روی عواملی همچون اندازه­ی خطوط، آنالیز و بررسی عیوب خط و همچنین در تعیین نرخ محدودکننده­ی تولید نقش دارد. بدین منظور منابع و مرجع­های متفاوتی برای مشخص کردن این محدوده سرعت در دسترس می­باشد که یکی از مهم‌ترین آن­ها استفاده از استاندارد API – RP – 14E  است. این استاندارد در برخی مواقع توانایی لازم برای پیش بینی دقیق این محدوده را ندارد. به عنوان مثال در برخی محاسبات استفاده از این استاندارد میزان صحیح و دقیق نرخ سایش را گزارش نمی­کند و به نحوی در فرآیند‌ها با نرخی بیشتر از مقدار بدست آمده رو­به­رو می‌شویم که باعث صدمات جبران ناپذیری می­شود. همچنین در برخی دیگر از محاسبات این استاندارد به طور قابل ملاحظه­ای از میزان تولید کاسته که باز هم از نظر اقتصادی بسیار مهم می­باشد. در این تحقیق برآنیم تا به بررسی معادلات و روابط دیگری که برای بدست آوردن نرخ سایش توسط محققین مختلف ارائه شده، بپردازیم.

3-2- مدل سازی

شناخت خطر سایش تأسیسات به منظور بهینه­سازی مدیریت چاه جهت جلوگیری از تولید شن دارای بیشترین اهمیت است. بصورت معمول مدل­های سایش توسط شن، فرآیند سایش را در سه مرحله در نظر می‌گیرند. در ابتدا جریان سیال در زانویی و دیگر تجهیزات مدل شده یا بطریقی تقریب زده می‌شود. سپس این پیش بینی جریان جهت بدست آمدن نیروهای دراگ اعمال شده بوسیله­ی­ سیال بر روی شن بکار می‌رود. از این­رو مسیرهای حرکت تعداد زیادی از ذرات پیش­بینی می‌شود. زمانیکه ذرات مستقل به دیواره برخورد می­کنند صدمات حاصله با استفاده از مدل­های تجربی خاص یا مدل­های تئوری برخورد، محاسبه می­شوند. سپس متوسط صدمات برخورد تعداد زیادی از ذرات را می­توان جهت محاسبه­ی عمق صدمه ناشی از سایش روی یک سطح به کار برد [14].در بیشتر موارد مدل­های آسیب ناشی از برخورد دارای اساسی مشابه هستند. با این ­وجود چند روش جهت محاسبه­ی مسیرهای حرکت ذرات استفاده می­شود. نرم­افزارهای CFD به­ میزان زیادی جهت مدل­سازی جریان سیال و مسیرهای حرکت ذرات مورد استفاده قرار گرفته است. نشان داده شده است که این نرم­افزارها بخوبی می‌توانند محل­های سایش را پیش­بینی کنند. این نرم­افزارها مخصوصأ در قطعات با هندسه­ی پیچیده نظیر شیرها که مسیرهای حرکت ذرات بسیار پیچیده هستند، مفید هستند.زانویی­ها دارای شکل­های ساده­ای هستند و از این­رو چندین روش تجربی و تئوری جهت تعیین مسیرهای حرکت ذرات بجای مدل­های CFD ارائه شده است. ساده­ترین این مدل­ها فرض می­کند ذرات در زانویی در یک مسیر مستقیم حرکت می­کنند و اولین برخورد به دیواره بیشترین صدمه را وارد می­کند.در مرحله­ی بعد صدمه ناشی از برخورد ذرات مستقل بر روی یک دیواره با استفاده از یک مدل تئوری یا رابطه تجربی محاسبه می‌شود. در نهایت متوسط صدمات ناشی از برخورد تعداد زیادی از ذرات را می‌توان جهت پیش­بینی توزیع و عمق آسیب ناشی از سایش بر روی یک سطح، بکار برد. با این وجود درک فرآیندی فیزیکی آن تا حدودی میسر شده است و پیش­بینی شرایط بحرانی به مدل­های تجربی یا نیمه تجربی بستگی دارد. بر اساس نتایج تجربی، نرخ سایش شن را می‌توان با استفاده از انرژی جنبشی اجزاء شن از طریق پارامترهای زیر بیان نمود:

1- سرعت سیال

2- چگالی سیال

3- اندازه­ی شن

4- شدت تولید شن

5- قطر لوله یا هر وسیله­ی انتقال دیگر

6- هندسه­ی سیستم

7- سختی فلز (مقاومت در برابر سایش)

3-2-1- دسته بندی مدل­های موجود

به طور کلی مدل­های موجود برای پیش­بینی میزان سایش و همچنین سرعت سایش به سه دسته تقسیم می­شوند [13و14]:

1- مدل­های تجربی

2- مدل­های نیمه تجربی

3- مدل­های CFD [1]

مدل­های تجربی بر اساس پارامتر­های دینامیکی مثل سرعت، بنا نهاده شده­اند. مدل ارائه شده توسط API یک مدل کاملأ تجربی است. در مدل­های نیمه تجربی اثر پارامتر­هایی مثل زاویه­ی برخورد و انرژی جنبشی ذرات و … علاوه بر پارامتر­های تجربی دیگر در نظر گرفته می­شود. مدل CFD به بررسی دقیق مکان برخورد­ها، تعداد برخورد­ها و … می­پردازد و در واقع دو مدل دیگر را کامل­تر می­سازد. این مدل با نرم افزار­هایی مثل FLUENT, ANSYS, COMSOL ارائه می­شود.

3-3- مروری بر کار­های گذشته

تحقیق و پژوهش بر روی پدیده­ی سایش به صورت مطالعات آزمایشگاهی و علمی، اولین بار در سال 1960 میلادی توسط آقای فینی[2] آغاز شد [23]. ایشان به بررسی سایش جریان گاز حاوی ذرات شن بر روی صفحات فلزی پرداختند. در سال 1963 آقای بیتر[3] [26] به اصلاح مدل ارائه شده قبلی توسط آقای فینی پرداخت. در سال 1966 آقایان فینی و شلدون[4] [27] تأثیر تفاوت مواد شکننده[5] و مواد انعطاف پذیر[6] (فلزات) را بر سایش مورد مطالعه قرار دادند [13].  بعد از آن و در سال های 1975 تا 1982 استاندار­د­های API  و دیگر شرکت­ها ارائه شد[11]. آقایان سالاما[7] و ونکاتش[8] [9] در سال 1983 براساس مدل API (   ) فاکتور C را 80 تا 100 برای جریان گاز فاقد شن و ضریب 300 را برای گاز همراه با قطرات مایع ارایه دادند، و در سال 1986 سایش چاه­های نفت و گاز را اندازه گرفتند و روابط و اطلاعات مفیدی استخراج نمودند[24].  از سال 1986 تا سال 1998 محققین متعددی بر روی پارامتر­های مختلف سایش مطالعات چشمگیری را انجام داده و روابط نیمه متمرکزی نیز ارائه دادند. از این محققین می­توان به نام آقایان بورگین[9] [5]، ونگ[10] [28]، اشاره کرد.با روی کار آمدن نرم افزار­های شبیه سازی در اوایل قرن 21، موج مطالعات جدید سایش توسط محققین دانشگاه تولسا[11] در ایالت اوکلاهامای آمریکا آغاز شد. مطالعات کاملأ جامع و فراگیر، بررسی نتایج شیبه سازی و مقایسه با داده­های آزمایشگاهی، راه اندازی مرکز مطالعات خوردگی و سایش[12] در این دانشگاه از سال 2000 به بعد، توجه تمام محققین را به خود جلب نمود. در سال 2004 آقایان شیرازی[13][22 و 16] و راسل[14] [16] رابطه­ای را برای تصحیح ضریب C در فرمول API ارائه دادند. در سال 2006 نرم افزار سنجش سایش با نام (SPPS)[15] توسط شیرازی و مک لاری[16] [7] ساخته شد. در سال 2008 آقای ژانگ[17] [7] و همکارانش با داده­هایی که از شبیه سازی CFD بدست آورده بود نرم افزار SPPS را کالیبره نمود. در شکل زیر قسمتی از Set up اندازه گیری سایش در دانشگاه تولسا نشان داده شده است.

دستگاه سیکل جریان سیال برای اندازه گیری سایش در خطوط لوله

دستگاه سیکل جریان سیال برای اندازه گیری سایش در خطوط لوله

مروری بر کارهای انجام شده………………………………………………….. 44

3-1- مقدمه. ……………………………………………………………………….45

3-2- مدل سازی………………………………………………………………….. 45

3-2-1- دسته بندی مدل های موجود. ………………………………………….47

3-3- مروری بر کارهای گذشته…………………………………………………. 47

3-4- مدل های ارائه شده……………………………………………………….. 50

3-4-1- مدل فینی…………………………………………………………………. 50

3-4-2-  مدل هاسر – ورنولد……………………………………………………… 51

3-4-3- مدل سالاما- ونکاتش……………………………………………………. 52

3-4-4- مدل سالاما ………………………………………………………………..52

3-4-5- مدل مرکز مطالعات سایش و خوردگی دانشگاه تولسا ………………55

3-4-6- مدل شیرازی و همکاران…………………………………………………. 55

3-4-7- مدل فیزیکی……………………………………………………………… 56

فصل چهارم

دانسیته، سختی و سطح ویژه، از مشخصه­های اصلی هر کوپن می­باشد. برای کوپن­های آلومینیومی استفاده شده، میزان سختی برابر با   و دانسیته،  اندازه­گیری شده است. در حالی که سختی کوپن­های فولادی برابر با  و دانسیته آن­ها  می­باشد. مساحت سطح مقطع هر دو نوع کوپن نیز برابر با  می­باشد. کوپن­ها طوری در سیستم قرار داده می­شوند که فقط سطح مقطع مذکور مورد سایش قرار می­گیرد. در ادامه به شرح آن می­پردازیم.

کوپن­ها توسط یک پیچ که نقش نگهدارنده[1] را دارد، در سیستم قرار می­گیرند. این پیچ به یک بست[2] متصل می­شود. بست، یک نیم­لوله می­باشد که سایز آن یک شماره از سایز لوله­های اصلی بزرگتر است تا بتواند به طور کامل روی آن قرار گیرد. یک واشر کشسانی نیز بین بست و لوله جهت آب­بندی سیستم قرار می­گیرد. هر بست نیز توسط دو گیره روی لوله محکم می­شود. شکل­های زیر بیان کننده این توضیحات هستند.

سیستم آزمایشگاهی و نحوه­ی انجام آزمایش ها…………………………… 57

سیستم آزمایشگاهی و نحوه­ی انجام آزمایش ها……………………………. 58

4-1- طراحی سیستم آزمایشگاهی…………………………………………….. 58

4-1-1- تجهیزات اصلی……………………………………………………………. 58

4-1-2- تجهیزات جانبی………………………………………………………….. 59

4-1-3- ذرات شن و ماسه………………………………………………………. 63

4-1-4- اندازه گیری  وزن…………………………………………………………. 63

4-2- نحوه­­ی انجام آزمایش……………………………………………………… 64

4-3- طراحی آزمایش ها……………………………………………………….. 66

4-3-1-  متغیرهای مورد مطالعه در آزمایش………………………………….. 67

فصل پنجم.

در ابتدا کوپن­ها شستشو داده شده و بعد از خشک شدن، وزن می­شوند. و بعد به ترتیب نشان داده شده در فصل قبل روی سیستم قرار می­گیرند. مرحله­ی بعدی اضافه کردن 50 لیتر آب به مخزن اصلی است. ( این مقدار به جهتی انتخاب شده است که به الکترو موتور هم زننده فشار زیادی وارد نشود ). بعد از اضافه شدن آب، نوبت افزودن ذرات شن به داخل مخزن می­باشد. به توجه به میزان غلظت، شن موجود وزن شده و به آن اضافه می­گردد. بعد از آن، همزن الکتریکی به کار می­افتد. در قسمت زیرین مخزن چهار خروجی قرار داده شده که قابلیت قرار گرفتن چهار پمپ به طور همزمان را فراهم می­کند. با توجه به دبی مورد نیاز برای آزمایش مربوطه، تعداد مشخصی از این پمپ­ها در مدار قرار می­گیرد و تست آغاز می­شود. همانطور که قبلأ گفته شد؛ به علت افزایش دمای پمپ­ها در صورت کار بیش از دو ساعت، تست­ها در ساعات اولیه روز در زمستان با میانگین دمای هوای 10 درجه سانتیگراد انجام شد. هر تستی در متوسط زمان 150 دقیقه گرفته شده است. بعد از اتمام هر تست، سیستم با آب شستشو داده شده و بعد کوپن­ها باز شده و مجددأ شسته می­شوند. کوپن­ها یکبار با آب و صابون و بار دیگر با الکل شستشو داده می­شوند و بعد از خشک شدن، دوباره توزین می­شوند و به این ترتیب کاهش وزن آن­ها بدست می­آید. چون مقدار سایش بدست آمده در طول این زمان اندک، مقدار بسیار کمی می­باشد، در نسبت یکسال ضرب شده تا با مقدار ملموس­تر و واضح­تر بیان شود. طول یکسال معادل 350 روز کاری لحاظ شده است.

نتایج و بررسی داده های آزمایش………………………………………………. 68

نتایج و بررسی داده های آزمایش………………………………………………. 69

5-1- فرآیند تحقیق……………………………………………………………….. 69

5-2- روند آزمایش…………………………………………………………………. 69

5-3- طراحی آزمایش با استفاده از نرم افزار……………………………………. 70

5-4- آنالیز و بررسی داده ها……………………………………………………… 72

5-4-1- بررسی سرعت سایش سیال فاقد شن……………………………….. 72

5-4-2- بررسی تأثیر سرعت سیال حاوی ذرات شن………………………….. 75

5-4-3- بررسی مکان های مختلف در خط لوله………………………………… 77

5-4-4- بررسی اندازه­ی ذرات شن……………………………………………. 78

5-4-5- بررسی تأثیر غلظت شن………………………………………………… 79

5-4-6- تأثیر سختی و دانسیته کوپن………………………………………….. 80

5-5- آنالیز ظاهری……………………………………………………………….. 83

5-5-1- میکروسکوپ الکترونی………………………………………………….. 84

5-5-2-آنالیز کوپن ها با میکروسکوپ الکترونی……………………………….. 85

5-6- مدل سازی…………………………………………………………………. 92

5-6-1- الگوریتم ژنتیک………………………………………………………….. 92

5-6-2- روش تفاضل تکاملی (DE)……………………………………………… 94

5-6-3- جزئیات پیاده سازی الگوریتم ژنتیک برای مدل سازی………………. 94

5-6-4- نتایج مدل سازی……………………………………………………….. 96

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فصل ششم..

نتیجه گیری و پیشنهادات………………………………………………………… 99

نتیجه گیری و پیشنهادات………………………………………………………… 99

6-1- نتیجه گیری………………………………………………………………….. 100

6-2- پیشنهادات………………………………………………………………….. 101

منابع.. ……………………………………………………………………………….102

 

Abstract

In this work the created erosion by the movement of two phase fluids in pipelines has been investigated. The main fluid is consisted of liquid and solid phase. The liquid phase is water, and the solid phase is sand particles. In this work, the effective parameters on erosion rate such as: fluid velocity, sand size, sand concentration, hardness and density of metal, have been studied. To find out the erosion rate, ring coupons of two kind of carbon steel and aluminium in six different location in pipe line (in accordance with operational production and oil material transition) have been employed.At first, liquid erosion velocities (single phase) are measured in six locations. And in next stage, erosion of two phase fluid has been evaluated. In each stages, the data which are obtained from experiments are compared with available standard data and some recommendations are proposed. Then a mathematical model for evaluation of erosion rate by means of experimental data and use of genetic algorithm in MATLAB software (differential evolution method) has been presented. By comparison of mathematical model with experimental data, we find out that the proposed model is able to predict the experimental data with good Satisfaction.



بلافاصله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

خرید فایل word

قیمت35000تومان