پايان نامه کارشناسي ارشد در رشته مهندسي شيمي (بدون گرايش)
مطالعه آزمايشگاهي پديده ي سايش مايع حاوي شن در خطوط لوله
به کوشش
مهدي محمدي رهقي
اساتيد راهنما:
دکتر فريدون اسماعيل زاده
دکتر داريوش مولا
زمستان 1393

تقديم به:
آناني که از قيد دنيا گذشتند
به آن شقايق هاي آتش گرفته
به آن ياس هاي چيده شده
به آن سر هاي جدا شده
به آن پيکر هاي پاره شده
و

به آناني که با لبان تشنه عند ربهم يرزقون گشتند.
سپاسگزاري
حمد و سپاس يکتاي بي همتا را که لطفش بر ما عيان است، اداي شکرش را هيچ زبان و درياي فضلش را هيچ کران نيست و اگر در اين وادي هستيم، همه محبت اوست.
الهي اي مهربانتر از ما به ما، از تو مي خواهم همه کساني را که حتي ذره اي در انجام اين امر مرا ياري نموده اند، در سايه لطف و محبت بي کرانت، سلامت، شادکام و موفق بداري.
اما به تبعيت از مولا و ولي نعمتمان، آقا امام رضا(ع) که فرمودند: ” مَنْ لَمْ يَشْکُرِ الْمُنْعِمَ مِنَ الْمَخْلُوقِينَ لَمْ يَشْکُرِ اللَّهَ عَزَّ وَ جَلَّ”، بر خود لازم ميدانم از زحمات اساتيد گرانقدر جناب آقاي دکتر اسماعيل زاده و دکتر مولا تشکر و قدرداني نمايم.
همچنين از جناب آقاي دکتر رخشنده رو و مجموعه معاونت دانشجويي که در طول دو سال مانند پدري مهربان و دلسوز يار و ياور من و دوستانم در خوابگاه شهيد مفتح بودند، کمال تشکر و قدرداني و مهرباني را دارم.
در اينجا جا دارد از جناب آقاي هاشم اسماعيلي و ساير دوستانشان در مجموعه کارگاه دانشکده و جناب آقايان مهندس مصلايي و مهندس پروا در شرکت استاندارد صنعتي استان فارس صميمانه تشکر نمايم.
سپاس آخر را به مهربانترين همراهان زندگيم، به پدر و مادر فداکار و مهربانم، دو خواهر گلم و همسر عزيزم تقديم مي کنم که حضورشان در فضاي زندگيم مصداق بي رياي سخاوت بوده است.
پدر و مادر عزيزم، از زحمات بي دريغ و بي منت شما متشکرم. هميشه نيازمند محبت، لطف و دعاي خير شما هستم.
چکيده
مطالعه آزمايشگاهي پديده ي سايش مايع حاوي شن در خطوط لوله
به کوشش
مهدي محمدي رهقي
در اين کار، به بررسي پديدهي سايش ايجاد شده به واسطهي حرکت سيالات دو فازي در خطوط لوله پرداخته شده است. سيال مورد بررسي متشکل از دو فاز مايع و جامد ميباشد. فاز مايع، آب ميباشد، ذرات شن نيز فاز جامد را تشکيل ميدهند. در اين تحقيق پارامترهاي تأثيرگذار بر نرخ سايش، از جمله: سرعت سيال، اندازهي ذرات شن، غلظت ذرات شن و سختي و دانسيتهي فلز مورد هدف، مورد مطالعه قرار گرفته است. براي بدست آوردن ميزان سايش، از کوپنهاي ديسکي از دو جنس آلومينيوم و فولاد در شش مکان مختلف از جريان (مطابق با شرايط عملياتي بهره برداري و انتقال مواد نفتي) استفاده شده است. در ابتدا سرعت سايش مايع (تک فاز) در شش مکان گفته شده اندازه گرفته ميشود و در مرحلهي بعد مطالعه سايش مايع حاوي ذرات جامد شن مورد بررسي قرار ميگيرد. در هر مرحله نتايج بدست آمده با مقادير تعيين شده توسط استانداردهاي موجود مقايسه شده و راهکارهايي ارائه ميشود. سپس با استفاده از دادههاي آزمايش و بهره گيري از الگوريتم ژنتيک در نرم افزار متلب (روش تفاضل تکاملي Differential Evolution)، يک مدل رياضي مناسب جهت محاسبهي نرخ سايش ارائه ميشود. مقايسهي مدل رياضي و داده هاي آزمايشگاهي نشان ميدهد که اين مدل توانايي خوبي جهت بيان دادههاي آزمايشي دارد.
کلمات کليدي: سايش دانههاي شن، کوپن، نرخ سايش، الگوريتم ژنتيک
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول1
مقدمه1
مقدمه2
1-1- اهميت سايش و خوردگي در صنعت2
1-2- سايش و خوردگي در صنايع نفت و گاز3
فصل دوم7
تئوري تحقيق7
2-1- تعاريف سايش و خوردگي8
2-2- انواع خوردگي10
2-2-1- خوردگي گالوانيک11
2-2-2- خوردگي يکنواخت11
2-2-3- خوردگي پيل غلظتي12
2-2-4- خوردگي حفره اي12
2-2-5- خوردگي بين دانه اي12
2-2-6- خوردگي تحت تنشي12
2-2-7- خوردگي سايشي13
2-3- مکانيسم هاي سايش14
2-4- انواع سايش16
2-4-1- سايش ناشي از دانه‌هاي شن و ماسه16
2-4-1-1- اثر دبي توليد شن و روش انتقال آن17
2-4-1-2- سرعت، گرانروي و چگالي سيال18
2-4-1-3- شکل، اندازه و سختي ذرات شن20
2-4-1-4- ترکيب و ماهيت اجزاي سيال22
2-4-1-5- پيکربندي مسير جريان نظير لوله هاي مستقيم، زانويي يا سه راهي23
2-4-1-6- ميزان سختي و مقاومت سطح مورد هدف25
2-4-1-7- زاويهي برخورد ذرات شن25
2-4-1-8- دما و فشار26
2-4-2- سايش ناشي از قطره هاي مايع27
2-4-3- خوردگي سايشي29
2-4-4- پديدهي کاويتاسيون31
2-5- رابطهي تئوري براي محاسبهي نرخ سايش……………………………………………………………………..32
2-5-1- گزارش نرخ سايش ………………………………………………………………………………………………………………………..32
2-6- ارزيابي و محاسبهي نرخ سايش33
2-6-1- اندازه گيري كاهش وزن ناشي از خوردگي و ساييدگي34
2-6-2- پروب هاي مقاومت الکتريکي37
2-6-3- دستگاه هاي اندازه گيري اولتراسونيک39
2-6-4- پروب هاي الکتروشيميايي40
2-6-5- پرتونگاري با اشعهي ايکس و گاما40
2-7- راهکارهاي کاهش سايش41
2-7-1- کاهش دبي توليد41
2-7-2- طراحي سيستم لوله کشي41
2-7-3- مواد مخصوص مقاوم در برابر سايش42
2-7-4- افزايش ضخامت ديوارهي لوله42
2-7-5- ممانعت از توليد شن و جداسازي آن43
فصل سوم44
مروري بر کارهاي انجام شده44
3-1- مقدمه45
3-2- مدل سازي46
3-2-1- دسته بندي مدل هاي موجود47
3-3- مروري بر کارهاي گذشته48
3-4- مدل هاي ارائه شده50
3-4-1- مدل فيني50
3-4-2- مدل هاسر – ورنولد51
3-4-3- مدل سالاما- ونکاتش52
3-4-4- مدل سالاما52
3-4-5- مدل مرکز مطالعات سايش و خوردگي دانشگاه تولسا55
3-4-6- مدل شيرازي و همکاران55
3-4-7- مدل فيزيکي56
فصل چهارم57
سيستم آزمايشگاهي و نحوهي انجام آزمايش ها57
سيستم آزمايشگاهي و نحوهي انجام آزمايش ها58
4-1- طراحي سيستم آزمايشگاهي58
4-1-1- تجهيزات اصلي58
4-1-2- تجهيزات جانبي59
4-1-3- ذرات شن و ماسه63
4-1-4- اندازه گيري وزن63
4-2- نحوهي انجام آزمايش64
4-3- طراحي آزمايش ها66
4-3-1- متغيرهاي مورد مطالعه در آزمايش67
فصل پنجم68
نتايج و بررسي داده هاي آزمايش68
نتايج و بررسي داده هاي آزمايش69
5-1- فرآيند تحقيق69
5-2- روند آزمايش70
5-3- طراحي آزمايش با استفاده از نرم افزار70
5-4- آناليز و بررسي داده ها72
5-4-1- بررسي سرعت سايش سيال فاقد شن73
5-4-2- بررسي تأثير سرعت سيال حاوي ذرات شن75
5-4-3- بررسي مکان هاي مختلف در خط لوله77
5-4-4- بررسي اندازهي ذرات شن78
5-4-5- بررسي تأثير غلظت شن79
5-4-6- تأثير سختي و دانسيته کوپن80
5-5- آناليز ظاهري83
5-5-1- ميکروسکوپ الکتروني84
5-5-2-آناليز کوپن ها با ميکروسکوپ الکتروني85
5-6- مدل سازي92
5-6-1- الگوريتم ژنتيک92
5-6-2- روش تفاضل تکاملي (DE)94
5-6-3- جزئيات پياده سازي الگوريتم ژنتيک براي مدل سازي94
5-6-4- نتايج مدل سازي96
فصل ششم99
نتيجه گيري و پيشنهادات99
نتيجه گيري و پيشنهادات100
6-1- نتيجه گيري100
6-2- پيشنهادات101
منابع103
فهرست شکلها
عنوان صفحه
شکل (2-1). مکانيسم فرآيند سايش8
شکل (2-2). خوردگي يكنواخت سطح لوله هاي حفاري11
شکل(2-3). سايش در اثر برخورد مستقيم14
شکل(2-4). سايش در اثر برخورد اتفاقي14
شکل (2- 5). تأثير سايز ذرات و دانسيته و ويسکوزيتهي سيال بر رژيم جريان در داخل زانويي22
شکل (2-6). شماتيکي از يک سه راهي مسدود24
شکل (2-7). تأثير زاويهي برخورد ذرات براي مواد نرم و ترد26
شکل (2-8). مکانيسم خوردگي سايشي30
شکل (2-9). انواع کوپن ها35
شکل (2-10). نحوهي قرار گرفتن کوپن ها در لوله هاي جريان36
شکل (2-11). نحوهي اتصال کوپن به هولدر37
شکل (2-12). مکانيزم عملکرد يک پروب38
شکل(2-13). نمونه اي از پروب هاي صنعتي38
شکل(2-14). نحوهي عملکرد پروب آلتراسونيک39
شکل(2-15). استفاده از اشعه ايکس و گاما براي تعيين ميزان شن توليدي40
شکل (3-1).SET UP آزمايشگاهي دانشگاه تولسا49
شکل(3-2). تابعيت F(?) از زاويهي برخورد ذرات براي مواد نرم و مواد شکننده51
شکل (3-3). مقايسه ميزان سايش براي آب و نفت طبق رابطه سالاما54
شکل(4-1). دستگاه سيکل جريان سيال براي اندازه گيري سايش در خطوط لوله59
شکل(4-2). کوپن هاي استفاده شده در آزمايشات59
شکل (4-4). نحوه اتصال بست، پيچ و واشر به يکديگر61
شکل (4-5). سوار شدن کوپن روي پيچ نگهدارنده61
شکل (4-6). نحوه قرار گرفتن کوپن در: الف) زانويي، و ب) لوله عمودي62
شکل (4-7). محل و نحوهي قرار دادن کوپن ها در جريان62
شکل (4-8). ذرات شن در سايزهاي مختلف63
شکل(4-9). ترازوي استفاده شده براي توزين کوپن ها با دقت پنج رقم اعشار64
شکل (4-10). سيستم آزمايش و مکان نصب کوپن ها65
شکل (5-1). مقايسه ميزان سايش سيال فاقد شن در سرعت هاي مختلف براي هر شش کوپن73
شکل (5-2). تأثير سرعت سيال بر مقدار سايش زانويي عمودي به افقي74
شکل (5-3). تأثير سرعت سيال حاوي ذرات شن با غلظت بالا بر مقدار سايش کوپن آلومينيوم76
شکل (5-4). مقايسه سايش در دو حالت سيال فاقد شن و سيال با مقدار شن زياد76
شکل(5-5). نحوهي توزيع شن در جريان درون لوله، الف) لوله افقي. ب) لوله عمودي77
شکل (5-7). تأثير اندازهي ذرات بر مقدار سايش79
شکل (5-8). تأثير غلظت ذرات شن بر ميزان سايش80
شکل (5-9). تأثير جنس (سختي) کوپن بر ميزان سايش81
شکل (5-10). تأثير دانسيتهي کوپن بر ميزان سايش82
شکل(5-11). کوپن آلومينيومي. الف) قبل از تست ب) بعد از تست85
شکل(5-12). تصوير الکتروني از کوپن آلومينيومي قبل از سايش در سه مقياس86
شکل (5-13). تصوير الکتروني از کوپن آلومينيومي بعد از سايش در سه مقياس87
شکل (5-14). تصويرالکتروني از کوپن فولاد کربن دار قبل از سايش در سه مقياس88
شکل (5-15). تصويرالکتروني از کوپن فولاد کربن دار بعد از سايش در سه مقياس89
شکل (5-16). کوپن فولادي. الف) قبل از تست ب) بعد از تست90
شکل (5-17). حفرات ايجاد شده در سطح کوپن ها با بزرگنمايي بالا91
شکل(5-18). ساختار الگوريتم ژنتيک93
فهرست جدولها
عنوان صفحه
جدول (2-1). تأثير غلظت شن بر روي سرعت بحراني براي شيرهاي مختلف 20
جدول (2-2). تأثير جنس فلز بر روي سرعت سايش25
جدول (2-3). سرعت سايش براي سيستم هاي گاز ميعاني با نسبت هاي مختلف ميعانات به گاز 28
جدول (3-1). ميزان خوردگي براي جريانهاي گاز، مايع و نفت در سرعتهاي مختلف 53
جدول (3-2). ضريب تيزي دانههاي شن 56
جدول (5-1). فاکتورهاي بررسي شده در آزمايشات 71
جدول (5-2). تستهاي گرفته شده 71
جدول (5-3). سايش هر شش کوپن، در سرعتهاي مختلف سيال فاقد شن براي کوپن آلومينيوم75
جدول (5-4). دادههاي بدست آمده از مرحله دوم آزمايش82
فصل اول
مقدمه
مقدمه
1-1- اهميت سايش و خوردگي در صنعت
پديدههاي خوردگي1 و سايش2 به عنوان يکي از آسيبها و چالشهاي مهم در صنايع نفت، گاز و پتروشيمي به حساب ميآيند. پديدهي خوردگي طبق تعريف، واكنش شيميايي يا الكتروشيميايي بين يك ماده، معمولأ يك فلز و محيط اطراف آن مي‌باشد كه به تغيير خواص ماده منجر خواهد شد. فرايند خوردگي در صنعت، آثار زيان بار اقتصادي عظيمي را موجب ميشود و براي کاهش آن کارهاي زيادي ميتوان انجام داد. برخي خسارتهاي ناشي از خوردگي عبارتند از: ظاهر نامطلوب (مثلأ خوردگي رنگ خودرو)، مخارج تعميرات و نگهداري و بهره برداري، تعطيلي کارخانه، آلوده شدن محصولات، نشت يا از بين رفتن محصولات با ارزش مثل مواد هيدروکربني و يا نشت مخازن حاوي اورانيوم و … با توجه به اينكه از لحاظ ترموديناميكي مواد اكسيد شده نسبت به مواد در حالت معمولي در سطح پايين‌تري از انرژي قرار دارند، بنابراين تمايل رسيدن به سطح انرژي پايين‌تر سبب اكسيد (خورده) شدن فلز مي‌گردد. خوردگي يک فرايند خودبخودي است، يعني به زبان ترموديناميکي در جهتي پيش مي‌‌رود که به حالت پايدار برسد.
پديدهي خوردگي در تمامي دسته‌هاي اصلي مواد، شامل فلزات، سراميكها، پليمرها و كامپوزيتها اتفاق ميافتد، اما وقوع آن در فلزات آنقدر شايع و فراگير بوده و اثرات مخربي بجاي مي‌گذارد كه هرگاه صحبت از خوردگي به ميان ميآيد، ناخودآگاه خوردگي يك فلز به ذهن متبادر مي‌شود.
سايش، به فرايند جدا شدن ماده از سطح فلز در اثر واکنش مکانيکي گويند. مانند ضربهي ذرات جامد همراه با گاز و مايع، يا در اثر برخورد قطرات مايع به ديواره داخلي مجراي عبوري سيال. سايش ناشي از خطوط لوله حاوي دوغاب جهت انتقال مواد خام جامد نظير سنگ آهن، ذغالسنگ و پتاس يک مشکل بزرگ در صنايع معدني است. سايش خطوط لوله جهت انتقال دانههاي خوراکي و ذرت به عنوان جايگزين حمل و نقل با تسمه و نقاله، از موضوعات مورد بررسي در صنعت کشاورزي است. مواردي در صنعت که پديدهي سايش ملموستر ميباشد، عبارتند از: توربينهاي گازي، کمپرسورها و پمپها، نازلها، لوله و تيوبهاي انتقال، پرههاي هليکوپتر و هواپيماها، موتور وسايل حمل و نقل و …[1]
1-2- سايش و خوردگي در صنايع نفت و گاز
سايش خطوط لوله و تجهيزات مورد استفاده جهت انتقال سيالات حاوي ذرات جامد يک مشکل اساسي در بسياري از صنايع از جمله صنعت نفت و گاز ميباشد. سايش براي مدت زمان طولاني بعنوان يک منبع ايجاد مشکل در سيستمهاي توليد و بهره‌برداري هيدروکربنها شناخته شده است. بسياري از خرابيهاي خطرناک مربوط به زانوييها در سکوهاي بهره‌برداري، واحدهاي حفاري و ديگر تأسيسات زيردريايي در دهههاي قبل در نتيجه سايش بوده است. اين مشکلات و خرابيها، هم شامل هزينهي تعويض بخشهاي فرسوده شده و هم مشکلات محيط زيستي و مسائل ايمني را به دنبال دارد. زمانيکه نفت و گاز از مخازن داراي مقاومت نسبتأ پايين توليد ميشود (کمتر از 2000 psi) با کاهش فشار مخزن، ذرات شن ميتوانند از سنگ مخزن جدا شده و تعدادي از ذرات همراه با سيالات توليد شوند. اين ذرات شن ميتوانند سبب سايش خطوط لوله و تجهيزات شده و در نتيجه منجر به توقف توليد شوند، و از اينرو ضررهاي اقتصادي قابل ملاحظهاي متوجه توليدکنندگان نفت و گاز شود [2و7].
سايش علاوه بر اينکه موجب خرابي تجهيزات و افزايش هزينه هاي برآورد شده به علت خريد و جابجايي تجهيزات ميشود، ميتواند باعث آلودگي محيط و يا آتشسوزي به دليل سوراخ و پاره شدن مجراي عبور مواد هيدروکربني شود. ميزان خرابيها و از بين رفتن تجهيزات دريايي خيلي بيشتر از تجهيزات سطحي و زميني است. به دليل نياز جهان به انرژي (که بيشتر از سوختهاي فسيلي تأمين ميشود) بايد توليد هرچه بيشتر نفت و گاز (حداکثر ظرفيت توليد) توسط شرکتهاي مربوطه مد نظر قرار گيرد. اما براي رسيدن به توليد بيشتر، مشکلات زيادي از جمله سايش به وجود ميآيد. وقتي سرعت استخراج از چاه زياد باشد و ذرات ريز شن و ماسه و حتي خاک در سيستم وجود داشته باشد، سايش مخربتر خواهد بود. کاهش دبي توليدي چاه به عنوان راهکاري جهت کاهش سايش، مناسب به نظر نميرسد. عمدهي مخازن زير زميني شامل نفت و گاز و آب هستند. عمليات بهره برداري ممکن است به صورت تک فازي باشد و هم ميتواند چند فازي باشد. ميزان سايش در جريانهاي چند فازي در شرايط مشابه ظرفيت توليد، به مراتب بيشتر از جريانهاي تک فازي است [3].
تعمير و جايگزين کردن قطعات و تجهيزات خراب شده سر چاهي و سطحي، به مراتب آسانتر و کم هزينهتر از تجهيزات درون چاهي و زيرزميني است. تجهيزات سر چاه بايد طوري طراحي شوند تا در طول مدت بهرهبرداري (بعضأ 50 سال) تحمل و مقاومت کافي را داشته باشند. سايز بندي خطوط لوله، آناليز صدمات و خرابيها، ميزان بهينه بهره برداري و … از مواردي هستند که قبل از آنها بايد ميزان و نرخ سايش مشخص شده باشد. پديدههاي سايش و خوردگي به علت محيط مساعد، و حرکت و جنبشي که در هر سيستم است، هميشه و در همه جا وجود دارند. نميتوان فرايندي را يافت که از اين دو پديده در امان باشد. حتي در سرعتهاي بسيار کم و غلظت ناچيز ذرات جامد همراه با سيال، سايش وجود دارد. بايد راهکاري ابداع کرد که نرخ اين سايش و خوردگي را به حداقل برساند [4].
مواد هيدروکربني خروجي از چاهها با مخلوط پيچيدهي چند فازي همراه است. که ممکن است شامل موارد زير باشد [24]:
هيدروکربنهاي مايع: نفت و ميعانات گازي3
هيدروکربنهاي جامد: واکس4 و هيدرات5 و غيره
هيدروکربنهاي گازي: گاز طبيعي6
گازهاي ديگر: هيدروژن سولفيد7، کربن دي اکسيد، نيتروژن و غيره
آب همراه نمک
شن و ديگر ذرات
سايش ذرات که به ذرات شن و ماسه وابسته است، مهمترين عامل سايش در سيستمهاي توليدي هيدروکربنها بشمار ميرود، به اين دليل که حضور مقدار کمي ذرات شن در جريان توليد موجب سايش و خوردگي سايشي قابل ملاحظهاي ميشود. سايش با شن و ماسه ميتواند موجب از بين رفتن پوششهاي جلوگيري از خوردگي شده و به تشديد خوردگي سايشي منجر شود. با اين وجود ديگر مکانيسمهاي سايشي ميتوانند در شرايط عملياتي خاص خسارات جبران ناپذيري به سيستم توليد وارد کنند. در بيشتر موارد شناسايي سايش به راحتي ممکن نيست و اين مورد مديريت سايش را با مشکلات فراواني مواجه ساخته است.
عوامل مؤثر بر سايش عبارتند از: سرعت جريان، رژيم جريان، تعداد فازهاي جريان، ميزان و يا غلظت فاز جامد در جريان (غلظت دانه هاي شن معلق در فاز مايع يا گاز)، اندازهي ذرات جامد، اندازهي قطرات مايع معلق در گاز، ميزان تيزي دانههاي شن و ماسه، زاويهي برخورد ذرات با ديوارهي تجهيزات، ژئومتري و هندسه مجراي عبوري جريان، ميزان سختي ذرات جامد، ميزان سختي قطعات و تجهيزات و … [5].
فصل دوم
تئوري تحقيق
تئوري تحقيق
2-1- تعاريف سايش و خوردگي
همانطور که در قسمت قبل اشاره شد، سايش به فرآيند جدا شدن ماده از سطح لوله و تجهيزات در اثر واکنش مکانيکي گفته ميشود. هنگاميکه ذرات جامد موجود در سيال با ديوارهي داخلي لولهها و ساير تجهيزات انتقال برخورد ميکنند، چنانچه داراي سرعت و قدرت مناسب باشند، مطابق شکل زير، باعث ساييده شدن مجراي عبور سيال ميشوند.
شکل (2-1). مکانيسم فرايند سايش
سايش به عنوان يکي از مهمترين مشکلات موجود در فرايند توليد بشمار ميآيد. سايش در زانوييها، واحدهاي متهزني، و ديگر تجهيزات سر چاه ميتواند اتفاق بيفتد. متغيرهاي ذاتي پديدهي سايش، استفاده از زانوييها را در طراحي و توسعهي تجهيزات توليد هيدروکربن را با مشکل روبه رو ساخته است [3].
خوردگي طبق تعريف، واكنش شيميايي يا الكتروشيميايي بين يك ماده، معمولأ يك فلز، و محيط اطراف آن مي‌باشد كه به تغيير 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. فرآيند خوردگي و يکي از مهمترين آن خوردگي سايشي در صنعت، آثار زيان بار اقتصادي عظيمي را موجب ميشود و يکي از دلايل شروع آن، سايش ميباشد و براي کاهش آن کارهاي زيادي ميتوان انجام داد. با توجه به اينكه از لحاظ ترموديناميكي مواد اكسيد شده نسبت به مواد در حالت معمولي در سطح پايين‌تري از انرژي قرار دارند، بنابراين تمايل رسيدن به سطح انرژي پايين‌تر سبب اكسيد (خورده) شدن فلز مي‌گردد. خوردگي يک فرايند خودبهخودي است، يعني به زبان ترموديناميکي در جهتي پيش مي‌‌رود که به حالت پايدار 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 گونهي فلزي هستند[29].
خوردگي معمولأ فرايندي زيان‌آور است، ليكن گاهي اوقات مفيد واقع مي‌شود. بطور مثال آلودگي‌ محيط به محصولات خوردگي و آسيب ديدن عملكرد يك سيستم از جنبه‌هاي زيان آور خوردگي، و توليد انرژي الكتريكي در يك باطري و حفاظت كاتدي سازه‌هاي مختلف از فوايد آن ميباشد. اما تأثيرات مخرب و هزينه‌هاي به بار آمده بواسطهي اين فرآيند به مراتب بيشتر است. با نگاهي به آمار منتشر شده از خسارات مستقيم و غير مستقيم خوردگي به اقتصاد كشورها مي‌توان به هزينه‌هاي سرسام‌آور اين پديده پيبرد. در ايران نيز پديده خوردگي خسارات قابل توجهي را در صنايع گوناگون بوجود آورده است. بر اساس برخي بررسي‌هاي غير رسمي، زيان اقتصادي مستقيم ناشي از خوردگي در ايران در سال 1373 حدود 5000 ميليارد ريال، در سال 1375 حدود 9000 ميليارد ريال و در سال 1379 حدود 27500 ميليارد ريال برآورد شده است.
2-2- انواع خوردگي
خوردگي را به دو دستهي 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 معرفي انواع خوردگي پرداخته ميشود[29].
تقسيم بندي جزئيتر انواع خوردگي به طور خلاصه شامل موارد زير ميشود:
1- خوردگي گالوانيک
2- خوردگي يکنواخت
3- خوردگي پيل غلظتي
4- خوردگي حفرهاي
5- خوردگي بين دانهاي
6- خوردگي تحت تنشي
7- خوردگي سايشي
2-2-1- خوردگي گالوانيک8
خوردگي گالوانيک وقتي رخ ميدهد که دو فلز يا آلياژ متفاوت ( يا دو مادهي متفاوت ديگر همانند الياف کربن و فلز ) در حضور يک ذرهي خورنده با يکديگر تماس پيدا کنند. در منطقه تماس، فرايندي الکتروشيميايي به وقوع ميپيوندد که در آن مادهاي به عنوان کاتد عمل کرده و مادهي ديگر آند ميشود. در اين فرآيند کاتد در برابر اکسيداسيون محافظت شده و آند اکسيد ميشود.
2-2-2- خوردگي يکنواخت9
در خوردگي يکنواخت سطح اغلب فلزات در محيط خورنده به صورت يكنواختي دچار خوردگي ميشود. اين نوع خوردگي در اثر تغيير پيوسته مكان كاتد و آند در سطح فلز، به علت پولاريزاسيون10 ايجاد ميشود. قدرت تخريب و اهميت اين نوع خوردگي از انواع ديگر كمتر است. خوردگي فولاد در هواي مرطوب اغلب از اين نوع است.
شکل (2-2). خوردگي يكنواخت سطح لوله هاي حفاري [29]
2-2-3- خوردگي پيل غلظتي11
به خوردگي پيل غلظتي، خوردگي زير رسوبات نيز ميگويند. خوردگي اكسيژني نيز از انواع خوردگي غلظتي به شمار ميآيد. پوشيده شدن قسمتي از سطح لولههاي حفاري توسط گل، محصولات خوردگي و لاستيك حلقوي محافظ لولهها باعث ايجاد اين نوع خوردگي ميشود. اختلاف غلظت اكسيژني ناحيه پوشيده شده توسط رسوبات و ناحيهي آزاد باعث شده كه سطح زير اين رسوبات آند و بقيهي لوله كاتد شود.
2-2-4- خوردگي حفره اي12
خوردگي حفره اي تقريبأ هميشه به وسيله يونهاي کلر و کلريد ايجاد ميشود و به ويژه براي فولاد ضد زنگ13 بسيار مخرب است؛ چون در اين خوردگي، سازه با چند درصد کاهش وزن نسبت به وزن واقعياش، به راحتي دچار شکست ميشود. معمولأ عمق اين حفرات برابر يا بيشتر از قطر آنهاست و با رشد حفرات، ماده سوراخ ميشود.
2-2-5- خوردگي بين دانه اي14
خوردگي بين دانهاي وقتي رخ ميدهد که مرز دانهها در يک فلز پلي کريستال به صورت ترجيحي مورد حمله قرار ميگيرد. چندين عامل ميتواند آلياژي مثل فولاد ضد زنگ را مستعد اين نوع خوردگي سازد؛ از جمله حضور ناخالصيها و غني بودن يا تهي بودن مرزدانه از يکي از عناصر آلياژي.
2-2-6- خوردگي تحت تنشي15
خوردگي تحت تنشي وقتي رخ ميدهد که مادهاي تحت تنش کششي در معرض يک محيط خورنده قرار گيرد. ترکيب اين عوامل با هم، ترکهايي را در قطعه تحت تنش ايجاد ميکند.
2-2-7- خوردگي سايشي16
اين نوع خوردگي وقتي رخ ميدهد که محيطي نسبت به يک محيط ثابت ديگر حرکت کند. ( به عنوان نمونه مايعي که درون يک لوله جريان دارد.) يک پديدهي مرتبط با اين گونه خوردگي، فرتينگ17 است که هنگام تماس دو ماده با يکديگر و حرکت نسبي آنها از جمله ارتعاش به وجود ميآيد. اين عمل ميتواند پوششهاي ضد خوردگي را از بين برده و باعث آغاز خوردگي شود. خوردگي سايشي يکي از انواع مختلف سايش است که بطور کامل در قسمتهاي بعد مورد بررسي قرار خواهد گرفت [29].
2-3- مکانيسمهاي سايش
دو نوع مکانيسم اوليه سايش وجود دارد. اولين مورد در اثر برخورد مستقيم بوجود مي‌آيد. معمولأ بيشترين خسارت در اتصالاتي نظير زانوييها و سه‌راهيها ( اتصالات T شکل) که جهت جريان را تغيير مي‌دهند، اتفاق مي‌افتد. ذرات موجود در سيال مي‌توانند انرژي کافي بدست آورده و خطوط جريان را قطع نموده و به ديوارهي لوله برخورد نمايند. ديگر مکانيسم، سايش ناشي از برخورد اتفاقي است. در اين نوع سايش با وجود آنکه مؤلفهي سرعت متوسطي که سيال را به سمت ديوارهي لوله هدايت کند وجود ندارد، با اين وجود تلاطمهاي موجود در جريان مي‌توانند ذراتي با مومنتوم در جهت شعاعي ايجاد نموده و آنها را به سمت ديوارهي لوله حرکت دهد. اما تلاطمهاي آشفته يک فرآيند اتفاقي بوده و از اينرو با نام برخورد اتفاقي ناميده مي‌شود. اين دو نوع مکانيسم مي‌توانند انواع مختلفي از سايش را سبب شوند [24].
شکل(2-3). سايش در اثر برخورد مستقيم
شکل(2-4). سايش در اثر برخورد اتفاقي
دو مکانيسم فوق ميتوانند انواع مختلفي از سايش را در ترکيبات مختلف سيال، سرعت، اشکال مختلف لوله کشي ايجاد نمايند.
بدون توجه به نوع مکانيسم سايش، آسيب پذيرترين بخشهاي يک سيستم توليدي مي‌تواند شامل مواردي باشد که در آنها:
1- جهت جريان به صورت ناگهاني تغيير مي‌نمايد.
2- سرعتهاي بالاي جريان که خود در نتيجه دبيهاي توليد بالاي سيال است.
3- سرعتهاي بالاي جريان، که در نتيجهي محدوديت سطح مقطع حرکت سيال ايجاد مي‌شود.
اجزاء و سيستمهاي لوله کشي بالادستي جداکننده‌هاي اوليه، حاوي مخلوطهاي چندفازي گاز، مايع و ذرات جامد بوده و در نتيجه احتمال سايش ناشي از برخورد ذرات جامد، خوردگي سايشي و سايش قطره‌اي ( ناشي از برخورد قطرات مايع ) زيادتر است. همچنين آسيب پذيري بخشهاي خاص در برابر سايش، به ميزان زيادي به طراحي آنها و شرايط عملکرد آنها بستگي دارد. با اين وجود، ليست زير اجزائي را نشان ميدهد که بيشترين آسيب پذيري را در برابر سايش دارند [2]:
چوکها18
انقباض ناگهاني
شيرهاي نيمه بسته، شيرهاي يک طرفه و شيرهايي که قطر آنها با قطر لوله برابر نيست19
زانوييها20 با شعاع استاندارد
کاهندهها21
زانوييها با شعاع بلند، ميترها22
سهراهيهاي مسدود
لوله‌هاي صاف
2-4- انواع سايش
مکانيسمهاي بالقوه‌اي که ميتوانند باعث آسيبهاي سايشي شوند عبارتند از[6]:
1- سايش ناشي از دانههاي شن و ماسه23
2- سايش ناشي از قطرات مايع24
3- خوردگي سايشي25
4- پديدهي کاويتاسيون26
2-4-1- سايش ناشي از دانه‌هاي شن و ماسه
سايش ناشي از دانه‌هاي شن و ماسه معمولترين و مهمترين منبع مشکلات سايشي در سيستمهاي هيدروکربني است، زيرا وجود مقدار جزئي از شن و ماسه همراه با سيال توليدي مي‌تواند سبب سايش و خوردگي سايشي قابل ملاحظه‌اي گردد. حتي در سيال توليدي عاري از شن و يا در مواقعي که دبي توليد شن بسيار کم و در حدود چند پوند در روز است، صدمات ناشي از سايش ميتواند در سرعتهاي بالا شديد باشد. سايش ناشي از شن و ماسه مي‌تواند سبب ايجاد سايش محلي به مواد محافظت کنندهي خوردگي روي ديوارهي لوله‌ها شده و در نتيجه شتاب دهنده به پديده خوردگي سايشي شود.
نرخ سايش ناشي از شن و سيال توسط عوامل زير تعيين مي‌شود[3]:
دبي توليد شن و نحوهي انتقال آن
سرعت، گرانروي و چگالي سيال
اندازه، شکل و سختي ذرات شن
ترکيب و ماهيت اجزاي سيال
پيکربندي مسير جريان نظير لولههاي مستقيم، زانويي يا سهراهي
ميزان سختي و مقاومت سطح مورد هدف
زاويهي برخورد ذرات شن
دما و فشار
براي درک بهتر اثرات بالا به توضيح آنها ميپردازيم.
2-4-1-1- اثر دبي توليد شن و روش انتقال آن
طبيعت شن و روش توليد و انتقال آن، يکي از عوامل مهم و تعيين کنندهي نرخ خوردگي و سايش در يک سيستم توليدي است. نرخ توليد شن در يک چاه توسط ترکيب پيچيده‌اي از عوامل زمين‌شناسي تعيين مي‌شود و مي‌توان آنرا توسط روشهاي مختلفي تخمين زد. بطور طبيعي چاههاي جديد هنگام تميزسازي، مقدار زيادي شن توليد ميکنند. سپس توليد شن در يک نرخ نسبتأ پايين، قبل از افزايش مجدد توليد شن بدليل افزايش عمر مخزن، تثبيت ميشود. نرخ توليد شن پايدار نبوده و اگر چاه بيش از 5 الي10 پوند در روز توليد شن داشته باشد، اغلب بعنوان چاه بدون توليد شن شناخته مي‌شود. با اين وجود، اين امر احتمال حذف سايشي را که قرار است اتفاق بيافتد، نمي‌گيرد.
مکانيسم انتقال شن فاکتور مهمي در کنترل سايش شن است. سيستمهاي گازي معمولأ داراي سرعتهاي بالا هستند (بيشتر از 10 متر بر ثانيه) و همين امر سبب مي‌شود سايش در سيستمهاي گازي نسبت به سيستمهاي نفتي بيشتر باشد. با اين وجود در سيستمهاي گاز مرطوب، ذرات شن مي‌توانند توسط فاز مايع به تله افتاده و توسط همين فاز انتقال داده شوند. در حالت خاص که جريان بصورت لخته‌اي27 درآيد بصورت دوره‌اي مي‌تواند توليد سرعتهاي بالاتر نمايد که بطور قابل ملاحظه‌اي نرخ سايش را افزايش مي‌دهد. اگر جريان ناپايدار بوده يا شرايط عملياتي تغيير نمايد ممکن است ذرات شن در هنگام سرعتهاي پايين جريان تجمع يافته و در هنگام سرعتهاي بالاي جريان توسط سيال شسته شده و خارج شوند. مکانيسم جريان ممکن است بگونه‌اي عمل کند که غلظت شن زياد شده و در بعضي بخشهاي خاص سيستم بهره‌برداري سبب افزايش نرخ سايش شود.
با توجه به اطلاعات عملياتي بدست آمده از واحدهاي بهرهبرداري در مکانهاي مختلف و همچنين نتايج آزمايشگاهي که توسط محققين گزارش شده است، مشخص شده که با افزايش ميزان شن توليدي (افزايش غلظت شن28)، در ابتدا مقدار سايش افزايش مييابد. اما اگر مقدار شن از حدي تجاوز کند که ديگر سيال اصلي قادر به حمل آن نباشد، سايش کاهش خواهد يافت. که در اين حالت تجمعي از شن را در سيستم خواهيم داشت. البته بايد اشاره کرد که چنين وضعيتي بيشتر در آزمايشگاه اتفاق ميافتد، و در حالت طبيعي در واحد بهرهبرداري به ندرت ميتوان مشاهده کرد.
2-4-1-2- سرعت29، گرانروي30 و چگالي31 سيال
ميزان سايش ناشي از شن وابستگي بالايي به سرعت سيال داشته و با سرعت برخورد ذره متناسب است. هر چه سرعت زيادتر باشد، نرخ سايش نيز بيشتر خواهد بود. هنگامي که سرعت سيال به اندازهي کافي زياد باشد ذرات را حمل نموده و سايش با ذرات شن عامل اصلي خواهد بود. زمانيکه سرعت سيال به اندازه کافي بالا باشد، سرعت برخورد شن به سرعت سيال نزديک بوده و سايش يک امر محتمل است. از اينرو زمانيکه سرعت سيال در بيشترين مقدار خود قرار دارد احتمالأ سايش به بيشترين مقدار خود مي‌رسد. افزايشهاي جزئي در سرعت سيال در صورتيکه شرايط مهيا باشد، مي‌تواند سبب افزايش بيشتر نرخ سايش شود. ممکن است در سرعتهاي خيلي زياد (نزديک به سرعت صوت)، افزايش سرعت تأثيري در ميزان سايش نداشته باشد، زيرا در اين حالت مقاومت سطح هدف تقريبأ از بين ميرود.
همانطور که قبلأ گفته شد، در سرعتهاي کم نيز سايش وجود دارد ولي مقدار آن به قدري کم است که ميتوان از آن صرف نظر کرد. حداکثر سرعتي را که ميتوان در يک سيستم به کار برد و ميزان سايش مقدار مجاز است، سرعت آستانه32 يا سرعت بحراني33 ميگويند.
اين سرعت، توسط شرکتهاي مختلف و تحت عنوان استانداردهاي طراحي، براي سيستمهاي مختلف ارائه شده است، که در قسمتهاي بعدي به آن اشاره خواهد شد.
در سيالات گرانرو، ذرات جامد بجاي برخورد با جدارهي اتصالات تمايل دارند در مسير حرکت سيال حرکت نمايند. در حاليکه در سيالات با گرانروي و جرم ويژهي کم، ذرات جامد تمايل دارند در مسيرهاي مستقيم حرکت نمايند و در هنگام تغيير جهت مسير جريان، به ديواره‌ها برخورد نمايند. از اينرو در جريانات گازي بدليل گرانروي و جرم مخصوص کمتر و سرعتهاي بالاتر، احتمال سايش توسط ذرات شن بيشتر است. و يا به عبارت ديگر: در سيالهايي با دانسيتهي بالا و ويسکوز، شن به همراه خط جريان حمل شده و برخورد کمتري با ديوارهها داشته و در نتيجه سايش کمي خواهيم داشت. اما در جريانهاي با دانسيته و ويسکوزيتهي پايين، دانههاي شن خطوط جريان را قطع ميکنند و در زانوييها به صورت مستقيم حرکت کرده و برخوردهاي شديدي را ايجاد ميکنند و سايش زيادي ايجاد ميکنند. در جدول (2-1) سرعتهاي مجاز براي انواع شيرها در غلظتهاي مختلف شن توسط آقاي راسل34 [16] آورده شده است. ملاحظه ميشود که افزايش غلظت موجب کم شدن سرعت بحراني يا به عبارت ديگر افزايش ميزان سايش شده است [16].
جدول(2-1). تأثير غلظت شن بر روي سرعت بحراني براي شيرهاي مختلف[16]
Water Russell RussellRussell53 micron53 micron53 micron
Sand Concentration
3.5 Valve
Casing ID
3.5 Valve
Valve ID
3.5 Valve
ID Flow Port(ppm)V (ft/s)V (m/s)V (ft/s)V (m/s)V (ft/s)V (m/s) 2.9 95 29 73 22 66 64 20 5.7 78 24 60 18 52 53 16 8.6 69 21 53 16 46 47 14 11 64 19 49 15 43 43 13 14 60 18 46 14 39 41 12 17 57 17 44 13 39 39 12 20 54 17 42 13 36 37 11 23 52 16 40 12



قیمت: تومان


پاسخ دهید