2-3- مکانیسم های سایش.….…………………………………………13
2-3-1- سایش قطره ای:13
2-3-2- سایش ناشی از دانه های شن و ماسه14
2-3-3- پدیده کاویتاسیون21
2-3-4- خوردگی سایشی22
2-4- سایش ناشی از جریان هوا، شن و آب…………….……………………24
2-5- روشهای مورد استفاده برای اندازه گیری و گزارش سرعت سایش……….….26
2-5-1- روش اندازه گیری توسط کوپنها26
2-5-2- دستگاههای اندازهگیری اولتراسونیک29
2-5-3- کاوشگرهای مقاومت الکتریکی30
2-5-4- کاوشگرهای الکتروشیمیایی31
2-6- راهکارهای کاهش سایش………………………………………………………………..31
2-6-1- کاهش دبی تولید32
2-6-2- طراحی سیستم لوله کشی32
2-6-3- مواد مخصوص مقاوم در برابر سایش32
2-6-4- افزایش ضخامت دیواره لوله33
2-6-5- ممانعت از تولید شن و جداسازی آن33
3-مروری بر تحقیقات گذشته36
3-1- مروری بر فرمول استاندارد ……………………………..………API38
3-2- معادله مناسب برای شن..……………………….…………………39
3-3- معادلات مرکز تحقیقات خوردگی و سایش دانشگاه تولسا..………………..42
3-4- شبیه سازی با نرم افزار..………….……………………………….44
4-روش تحقیق..………………………………………………………..49
4-1- دستگاه آزمایش..…….…………………………………………..49
4-2- آماده سازی شن..…….………………………………………….58
4-3- مراحل انجام آزمایش ها:.……….…………………………………59
4-4-آنالیز..…………………………………………………………..60
5-نتایج.………………………………………………………………64
5-1- اثر اندازه شن بروی سایش در جریان دو فازی..………….……………..65
5-2- اثر میزان آب تزریقی در جریان سه فازی..…………………………….66
5-3- تاثیر اندازه ذرات در جریان سه فازی..…………….………………….68
5-4- مقایسه سایش در زانویی و لوله عمودی.…………….………………..69
5-5- مقایسه زانویی افقی و عمودی..………….………………………….70
5-6- مقایسه ی جنس کوپن ها.………….……………………………..71
5-7- آنالیز ظاهری..……….………………………………………….72
5-7-1-میکروسکوپ الکترونی73
5-7-2-آنالیز کوپن ها با میکروسکوپ الکترونی74
6-نتیجه گیری و پیشنهادات83
6-1- نتیجه گیری.……….…………………………………………..83
6-2- پیشنهادات.…………………………………………………….84
7-منابع.………………………………………………………………86
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل (1): نمایی از پدیده سایش5
شکل (2): تاثیر فشار بر سایش] 6 [7
شکل (3): مکانیسم فرایند سایش برای مواد ترد و رسانای فلزی] 1 [8
شکل (4): مقایسه میزان سایش با زاویه برخورد ذره] 1 [8
شکل (5): تاثیر اندازه شن بروی سایش شن و هوا] 26 [17
شکل (6): تاثیر شکل ذرات بر روی سایش شن] 11 [18
شکل (7): عبور ذرات شن در زانویی] 28 [21
شکل (8): بروز پدیده ی کاویتاسیون در لبه ی پروانه ی پمپ22
شکل(9): شماتیک جریان عمودی (آنولار)] 21 [25
شکل (10): شماتیک جریان افقی (اسلاگ)] 21 [25
شکل (11): انواع مختلف کوپنها و نگهدارنده آنها ] 31 [27
شکل (12): نحوه ی نصب کوپن بروی کوپن هولدر ] 31 [27
شکل (13): نحوه ی قرار گرفتن کوپن ها در جریان ] 31 [28
شکل (14): نمایی از اندازه کوپن28
شکل (15): نمونه حسگر مقاومت الکتریکی صنعتی] 21 [31
شکل (16): تاثیر اندازه ذرات بر سایش شن] 26 [40
شکل (17): تاثیر سرعت هوا بروی سایش] 25 [40
شکل (18): تاثیر افزایش قطر بروی سایش] 25 [41
شکل (19): ضریب F(α) برای مواد ترد و رسانای فلزی] 33 [41
شکل (20): تاثیر افزایش دبی مایع و گاز بروی سایش] 21 [43
شکل (21): مقایسه پیش بینی با داده ی آزمایشگاهی] 29 [44
شکل (22): مقایسه مدلسازی با داده های تجربی] 25 [45
شکل (23): مقایسه مدلسازی با داده آزمایشگاهی دانشگاه تولسا46
شکل (24): نمای کلی از دستگاه سنجش سایش50
شکل (25): کمپرسور تامین هوا51
شکل (27): نمایی از کمپرسور آزمایشگاه عملیات51
شکل (28): دبی سنج هوا52
شکل (29): ورودی سیستم قسمت تزریق آب و شن53
شکل (30): نمایی از دبی سنج مایع53
شکل (31): نمای لوله عمودی54
شکل (32): نمایی از زانویی عمودی55
شکل (33): نمایی از لوله افقی55

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

شکل (34): نمایی از زانویی افقی56
شکل (35): نمایی از لوله عمودی جریان رو به پایین57
شکل (36): الک های شن58
شکل (37): شن در اندازه ی 225 میکرون58

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب(به صورت کاملا تصادفی و به صورت نمونه) با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود-این مطالب صرفا برای دمو می باشد

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

شکل (38): اندازه کوپن ها61
شکل (39): نمایی از کوپن ها61
شکل (40): تصویری از ترازوی با پنج رقم اعشار62
شکل (41): تاثیر اندازه ذرات بر روی میزان سایش زانویی آلومینیوم عمودی 1اینچ65
شکل (42): تاثیر افزایش سرعت ظاهری آب بروی سایش لوله آلومینیوم عمودی 1اینچ66
شکل (43): تاثیر افزایش سرعت ظاهری آب بروی سایش لوله آلومینیوم افقی1اینچ67
شکل (44): تاثیر افزایش سرعت ظاهری آب بروی سایش زانویی آلومینیوم عمودی 1اینچ67
شکل (45): تاثیر افزایش سرعت ظاهری آب بروی سایش زانویی آلومینیوم افقی1اینچ68
شکل (46): تاثیر اندازه شن بروی سایش در جریان سه فازی زانویی آلومینیوم 1 اینچ69
شکل (47): مقایسه لوله عمودی و زانویی عمودی آلومینیوم 1 اینچ70
شکل (48): مقایسه زانویی عمودی و افقی آلومینیوم 1اینچ71
شکل (49): مقایسه جنس مواد72
شکل(50): کوپن آلومینیومی. الف) قبل از آزمایش ب) بعد از آزمایش74
شکل (51): تصویر الکترونی از کوپن آلومینیومی قبل از سایش در سه مقیاس75
شکل (52): تصویر الکترونی از کوپن آلومینیومی بعد از سایش در سه مقیاس76
شکل (53): تصویرالکترونی از کوپن فولاد کربن دار قبل از سایش در سه مقیاس77
شکل (54): تصویرالکترونی از کوپن فولاد کربن دار بعد از سایش در سه مقیاس78
شکل (55): کوپن فولادی. الف) قبل از تست ب) بعد از تست79
شکل (56): حفرات ایجاد شده در سطح کوپنها با بزرگنمایی بالا80
فصل اول
مقدمه
مقدمه
در صنایع نفت و گاز، استخراج از چاه ناگزیر با ناخالصی هایی از قبیل شن، ذرات جامد و مایعات هیدروکربنی و آب همراه است که مشکلات عدیده ای در سیستم های بهره برداری ایجاد می کنند. یکی از مشکلات مهم این مواد همراه سایش است. سایش برای مدت زمان طولانی به عنوان یک منبع ایجاد مشکل در سیستم های تولید و بهره‌برداری هیدروکربن شناخته شده است. بسیاری از خرابی های خطرناک مربوط به زانویی ها، لوله ها، چوک ها و ابزارهای سنجش و کنترل در سکوهای بهره‌برداری، واحدهای حفاری و دیگر تاسیسات زیردریایی در دهههای قبل در نتیجه سایش بوده است. این مشکلات و خرابی ها هم شامل هزینه تعویض بخشهای فرسوده شده و هم مشکلات محیط زیستی و مسائل ایمنی میباشد. تمامی رشته لوله درون چاه در معرض خوردگی و سایش قرار دارد اما بعضی از مکانها که دارای انحراف از مسیر اصلی هستند یا دچار تغییر سطح مقطع میشوند نظیر چوک ها، زانویی ها، سه راهی ها و شیرهای ایمنی زیرسطحی در معرض خطر فراوانی قرار دارند. و در نهایت اگر سایش در طی فرایند تولید بطور مرتب پایش، پیش بینی و کنترل نشود می تواند موجب مختل شدن و یا حتی بسته شدن و تعطیلی کامل چاه برای یک دوره ی طولانی و یا خسارات جبران ناپذیر جانی و مالی شود.
دانش و آگاهی لازم در مورد میزان سایش در مواد تشکیل دهنده لوله ها و ابزار کنترل موجب انتخاب مواد مقاوم در برابر سایش و طراحی پیکربندی مناسب برای حفاظت لوله ها و تجهیزات در برابر این تهدید بالقوه خواهد بود. در طراحی یک خط لوله یا سیستم بهره برداری ابتدا می بایست میزان سایش مورد بررسی و پیش بینی قرار گیرد تا بواسطه ی آن در مکان های مورد تهدید سایش اقداماتی مثل انتخاب مواد مناسب با سایش مورد نظر، افزایش اندازه لوله ها، جلوگیری از تشکیل و هدایت شن و مایع و … صورت پذیرد.
در برخی موارد زمانیکه نفت و گاز از مخازن دارای مقاومت نسبتا پایین سازند تولید می شود ( کمتر از psia 2000) 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 می شود.
در مواردی که در یک سیستم بهره برداری نیازمند افزایش تولید باشیم به دلیل افزایش سرعت سیال پیش بینی سایش در سرعت های بالاتر لازم خواهد بود. که هم اکنون این پروژه در چاه های کنگان، آغار و شانول در حال اجرا می باشد.
به دلایل ذکر شده نیازمند کنترل و پیش بینی پدیده ی سایش هستیم. پیش بینی سایش گاز حامل شن و مایع در جریان چند فازی یک پدیده پیچیده است و در این شرایط چندین عامل بر روی سایش تاثیر گذارند که می توان به سرعت برخورد، زاویه برخورد، اندازه ذرات ، خصوصیات ذرات و مایع، درصد شن ومایع ، شکل ذرات و خصوصیات فلز مورد نظر اشاره کرد. همچنین چندین روش هم جهت جلوگیری از تولید شن و ورود آنها بدرون لولههای تولیدی وجود دارد که در ادامه در مورد آنها توضیحاتی داده خواهد شد.
تاکنون در کشور ما در زمینه آزمایشگاهی پدیده ی سایش پژوهش خاصی انجام نشده است. با توجه به نیاز به پیش بینی نرخ سایش در این تحقیق با طراحی و ساخت یک سیستم کامل آزمایشگاهی برای بیش بینی نرخ سایش و در ادامه ی این راه ارایه ی یک رابطه ی مناسب در پدیده ی سایش گاز همراه با شن و گاز همراه با قطرات مایع کمبود یاد شده را تا حد امکان مرتفع سازیم
فصل دوم
مبانی نظری تحقیق
مبانی نظری تحقیق
تعریف سایش:
در یک جمله سایش1 به فرایند جدا شدن ماده از سطح فلزات در اثر کنش مکانیکی مثل برخورد ذرات جامد یا قطرات مایع گفته می شود. در شکل (1) نمای شماتیک از فرآیند سایش قبل و بعد از برخورد ذرات با سطح فلز آورده شده است. ذرات قهوه ای که می توانند مولکول های سیال یا ذرات و قطرات مایع همراه سیال باشند، در برخورد با سطح فلز موجب از بین رفتن قسمتی از آن شوند.
شکل (1): نمایی از پدیده ی سایش
در سرعت های بالا، سیال به تنهایی نیز می تواند موجب سایش شود البته سایش ناشی از سیال تک فاز آن چنان قابل توجه نیست. برای تجهیزات و ابزار کنترل که در معرض جریان سیال قرار دارند مقدار مشخصی از سایش را به عنوان سایش مجاز تعیین می کنند. به کمترین سرعتی که در آن سایش که سایش از حد مجاز تعیین شده تجاوز کند سرعت بحرانی گفته می شود. در مواردی تولیدات هیدروکربنی خروجی از چاه ها با مخلوط پیچیده ی چند فازی همراه است که این مواد همراه موجب تشدید پدیده سایش و تخریب هر چه بیشتر تجهیزات خواهند شد و در نتیجه سرعت بحرانی را به شدت کاهش می دهد که ممکن است شامل موارد زیر باشد:
هیدروکربن های مایع: نفت، میعانات گازی
هیدروکربن جامد: واکس، هیدرات
هیدروکربن گازی: گاز طبیعی
گازهای دیگر: هیدروژن سولفید، کربن دی اکسید، نیتروژن و غیره.
آب همراه نمک
شن و دیگر ذرات
سایش به عنوان یکی از مهمترین مشکلات موجود در فرایند تولید بشمار می آید. سایش در زانوییها، واحدهای مته زنی، و دیگر تجهیزات سر چاه می تواند اتفاق بیفتد. متغیر های ذاتی پدیده ی سایش استفاده از زانویی ها را در طراحی و توسعه ی تجهیزات تولید هیدروکربن را با مشکل روبه رو ساخته است.
قبل از هر چیز باید عنوان کرد که فشار سیال تاثیر چندانی روی سایش ندارد بلکه می توان از فشارهای کمتر از 70 بار صرف نظر نمود. شکل (2) که توسط مرکز سایش و خوردگی دانشگاه تولسا2 بیانگر این مطلب است که برای شن با اندازه های مختلف در فشارهای بالاتر از 70 بار فشار عامل تاثیر گذار در سرعت بحرانی سایش می باشد و در کمتر از این فشار تاثیری ندارد.
شکل (2): تاثیر فشار بر سایش ] 6 [
پدیده ی سایش از نقطه نظر فلزی که تحت تنش قرار می گیرد به عوامل زیر وابسته است:
نوع فلز هدف و زاویه برخورد
اثر سختی فلز
در زیر به بررسی پارامتر های فوق می پردازیم
نوع فلز هدف و زاویه برخورد:
مکانیسم فرایند سایش برای مواد ترد3 و فلزات رسانا4 در شکل (3) نشان داده شده است. برای مواد و فلزات رسانا سایش در اثر فرایند حرکت ذرات بر روی سطح و جداره لوله انجام می‌گیرد و با افزایش زاویه تا 90 درجه میزان سایش کاهش می یابد (شکل (4)). در مقابل برای مواد ترد با افزایش زاویه برخورد میزان شدت سایش افزایش یافته به نحوی که ذرات ریز با سرعت های پایین نیز باعث سایش در سطح ماده می شوند. نتایج نشان داده است مواد رسانا فلزی در زاویه های پایین و مواد ترد در زاویه های نزدیک به قائم حداکثر میزان سایش را داریم.
شکل (3): مکانیسم فرایند سایش برای مواد ترد و رسانای فلزی ] 1 [
.

شکل (4): مقایسه میزان سایش با زاویه برخورد ذره ] 1 [
شکل 4
مکانیسم سایش برای مواد نرم در ابتدا توسط فانی5 و بعد از آن توسط بیتر6 بیان شد. برای این منظور فانی میزان فلز جدا شده را متناسب با انرژی برخورد ذرات در نظر گرفت :
(2-1)(dh/dt A_(IMPACT ) )p=((Q_p ρ_p ) V_p^2)/2 f(θ)dh/dt A_(IMPACT ): نرخ حجمی سایش دیواره بر حسب (m3 / s )
p: فشار تنشی بر حسب (kpsi)
V_p^ : سرعت ذره بر حسب (m/s)
Q_p ρ_p: مقدار جریان جرمی ذرات جامد بر حسب (kg/s)
f(θ): تابع زاویه برخورد
بیتر مدل فوق را برای مواد ترد با وارد کردن پارامتر های فیتینگ مدل گسترش بخشید. این پارامتر ها به کمک داده های آزمایشگاهی بدست آمد.
اثر سختی فلز هدف7
برای فلزاتی که معمولاً در تجهیزات نفت و گاز استفاده می شوند (مانند نیکل، آهن و استیل) سختی فلز اثر بسیار کمی بر روی نرخ سایش دارد. بدیهی است که در شرایط فوق با افزایش میزان سختی فلز شدت سایش کاهش می یابد. در جدول(1) سرعت های بحرانی آورده شده است که بیانگر این مطلب است که بالا بودن سختی فلز موجب کم شدن میزان سایش آن فلز خواهد بود.
جدول(1): تاثیر جنس فلز روی سایش] 1 [
Critical Velocity (Ft/s)Flow Stress kpsiHardnessMaterial501123 BrinellAluminum 110010047100 Brinell99.67 % Ni125128270 Vickers316 SS125180280Ti 6A1- 4v315346730 VickersCast Iron
تعریف خوردگی
خوردگی8، اثر تخریبی محیط بر فلزات و آلیاژها می باشد. خوردگی، پدیده ای خود به خودی است و همه مردم در زندگی روزمره خود، از بدو پیدایش فلزات با آن روبرو هستند. در واقع واکنش اصلی در انهدام فلزات، عبارت از اکسیداسیون فلز است. فلزات در اثر اصطکاک، سایش و نیروهای وارده دچار تخریب می شوند که تحت عنوان خوردگی مورد نظر ما نیست.
همان طور که گفته شد خوردگی یک فرایند خودبخودی است، یعنی به زبان ترمودینامیکی در جهتی پیش می رود که به حالت پایدار برسد. اگر آهن را در اتمسفر هوا قرار دهیم، زنگ می زند که یک نوع خوردگی و پدیده ای خودبه خودی است. انواع مواد هیدروکسیدی و اکسیدی نیز می توانند محصولات جامد خوردگی باشند که همگی گونه فلزی هستند.
خوردگی را به دو دسته تر و خشک میتوان تقسیم نمود. مکانیزم خوردگی تر، الکتروشیمیایی است. خوردگی خشک به واکنش های گاز جامد و در درجه حرارت های بالا گفته می شود. درصنعت حفاری خوردگی تر مورد بحث می باشد. خوردگی آهن در الکترولیت گل حفاری و سیالات دیگر از انواع خوردگی تر می باشد. هرچه قدرت هدایت الکتریکی سیال بالاتر باشد، جریان عبوری بیشتر و میزان خوردگی بالاتر خواهد بود .در ادامه به طور خلاصه به معرفی انواع خوردگی پرداخته می شود. ] 58 [
تقسیم بندی جزئی تر انواع خوردگی به طور خلاصه شامل موارد زیر می شود:
حمله یکنواخت9
در این نوع خوردگی که متداول ترین نوع خوردگی محسوب می شود، خوردگی به صورتی یکنواخت به سطح فلز حمله می کند و به این ترتیب نرخ آن از طریق آزمایش قابل پیش بینی است .
خوردگی گالوانیک10
این نوع خوردگی وقتی رخ می دهد که دو فلز یا آلیاژ متفاوت (یا دو ماده متفاوت دیگر همانند الیاف کربن و فلز) در حضور یک ذره خورنده با یکدیگر تماس پیدا کنند. در منطقه تماس، فرایندی الکترو شیمیایی به وقوع می پیوندد که در آن ماده ای به عنوان کاتد عمل کرده و ماده دیگر آند می شود. در این فرآیند کاتد در برابر اکسیداسیون محافظت شده و آند اکسید می شود.
خوردگی شکافی11
این ساز و کار وقتی رخ می دهد که یک ذره خورنده در فاصله ای باریک، بین دو جزء گیر کند. با پیشرفت واکنش، غلظت عامل خورنده افزایش می یابد. بنابراین واکنش با نرخ فزاینده ای پیشروی می کند.
آبشویی ترجیحی12
این نوع خوردگی انتخابی وقتی رخ می دهد که عنصری از یک آلیاژ جامد از طریق یک فرآیند خوردگی ترجیحی و عموما با قرار گرفتن آلیاژ در معرض اسیدهای آبی خورده می شود. متداول ترین مثال جدا شدن روی از آلیاژ برنج است. ولی آلومینیوم، آهن، کبالت و زیرکونیم نیز این قابلیت را دارند.
خوردگی درون دانه ای13
این نوع خوردگی وقتی رخ می دهد که مرز دانه ها در یک فلز پلی کریستال به صورت ترجیحی مورد حمله قرار می گیرد. چندین عامل می تواند آلیاژی مثل فولاد زنگ نزن آستنیتی را مستعد این نوع خوردگی سازد؛ از جمله حضور ناخالصی ها و غنی بودن یا تهی بودن مرزدانه از یکی از عناصر آلیاژی.
خوردگی حفره ای14
این نوع خوردگی تقریبا همیشه به وسیله یون های کلر و کلرید ایجاد می شود و به ویژه برای فولاد ضد زنگ بسیار مخرب است؛ چون در این خوردگی، سازه با چند درصد کاهش وزن نسبت به وزن واقعی اش، به راحتی دچار شکست می شود. معمولا عمق این حفرات برابر یا بیشتر از قطر آنهاست و با رشد حفرات، ماده سوراخ می شود.
خوردگی فرسایشی15
این نوع خوردگی وقتی رخ می دهد که محیطی نسبت به یک محیط ثابت دیگر حرکت کند یک پدیده مرتبط با این گونه خوردگی، خراشیدن فلز است که هنگام تماس دو ماده با یکدیگر و حرکت نسبی آنها از جمله ارتعاش به وجود می آید. این عمل می تواند پوشش های ضد خوردگی را از بین برده و باعث آغاز خوردگی شود.
خوردگی تنشی16
این نوع خوردگی وقتی رخ می دهد که ماده ای تحت تنش کششی در معرض یک محیط خورنده قرار گیرد. ترکیب این عوامل با هم، ترک هایی را در قطعه تحت تنش آغاز می کند.
مکانیسم های سایش
سایش با توجه به نوع سیال و ترکیبات همراه آن به مکانیسم های مختلفی تقسیم می شود. مکانیسم های احتمالی که می تواند سایش قابل توجهی ایجاد کند عبارتند از:
سایش قطره ای17
ناشی از دانههای شن و ماسه18
پدیده کاویتاسیون19
خوردگی سایشی20
همه موارد بالا سایش قابل توجهی ایجاد می کنند، اما مشاهدات در مورد مکانیسم های سایش نشان می دهد که سایش ناشی از شن و ماسه تهدید جدی تری نسبت به دیگر موارد محسوب می شود.
سایش قطره ای:
این نوع سایش در سیستم های گاز مرطوب یا جریان چندفازی که در آن قطره‌های مایع شکل می‌گیرد اتفاق می‌افتد. به سایش ناشی از برخورد مایعات موجود در جریان های گازی به ادوات بهره برداری سایش قطره ای گفته می شود. این نوع سایش در مقابل سایش ناشی از شن اندک می باشد.
نرخ سایش قطره ای به عواملی نظیر اندازه قطره، سرعت برخورد، تعداد برخوردها و گرانروی و جرم ویژه گاز و مایع بستگی دارد. پیش بینی نرخ سایش قطره ای به دلیل نامشخص بودن برخی از این متغیرها، با مشکل جدی روبه رو است.
نتایج آزمایشگاهی نشان می‌دهد تحت گستره وسیعی از شرایط، از بین رفتن مواد توسط سایش قطره‌ای با زمان متغیر است. در ابتدا قطرات برخورد کننده بدلیل وجود لایه‌های محافظ بر روی سطح لوله باعث خوردگی نمی‌شوند. با این وجود بعد از گذشت یک دوره زمانی سایش سریع اتفاق افتاده و کاهش وزن بسیار قابل ملاحظه شده و بصورت خطی با زمان افزایش می‌یابد.
سایش ناشی از دانههای شن و ماسه:
سایشی که در اثر برخورد ذرات شن به ادوات بهره برداری ایجاد می شود را سایش در اثر شن گویند. این مکانیسم سایش مهمترین عامل سایش در سیستم های تولیدی هیدروکربن ها بشمار میرود، به این دلیل که حضور مقدار کمی ذرات شن در جریان تولید موجب سایش و خوردگی سایشی قابل ملاحظه ای می شود. سایش با شن میتواند موجب از بین رفتن پوشش های جلوگیری خوردگی شود و به تشدید خوردگی سایشی منجر خواهد شد. با این وجود دیگر مکانیسم های 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.
سایش ناشی از دانه‌های شن و ماسه معمول ترین منبع مشکلات سایشی در سیستم های هیدروکربنی است زیرا وجود مقدار جزئی از شن و ماسه همراه با سیال تولیدی می‌تواند سبب سایش و خوردگی سایشی قابل ملاحظه‌ای گردد. حتی در سیال تولیدی عاری از شن و یا در مواقعی که دبی تولید شن بسیار کم و در حدود چند پوند در روز است، صدمات ناشی از سایش میتواند در سرعتهای بالا شدید باشد. سایش ناشی از شن و ماسه می‌تواند سبب ایجاد سایش محلی به مواد محافظت کننده خوردگی روی دیواره‌ لوله‌ها شده و در نتیجه شتاب داده به پدیده خوردگی سایشی شود. ] 48 [
نرخ سایش ناشی از مشخصات شن و سیال توسط عوامل زیر تعیین می‌شود:
دبی تولید شن و نحوه‌ی انتقال آن
سرعت، گرانروی و چگالی سیال و سرعت برخورد ذرات
اندازه، شکل و سختی ذرات (شن)
پیکربندی مسیر جریان نظیر لوله های مستقیم، زانویی یا سهراهی
برای درک بهتر اثرات بالا به توضیح آنها می پردازیم.
اثر دبی تولید شن و روش انتقال آن:
طبیعت شن و روش تولید و انتقال آن، یکی از عوامل مهم و تعیین کننده نرخ سایش در یک سیستم تولیدی است. نرخ تولید شن در یک چاه توسط ترکیب پیچیده‌ای از عوامل زمین‌شناسی تعیین می‌شود و می‌توان آنرا توسط روش های مختلفی تخمین زد. بطور طبیعی چاه های جدید هنگام تمیزسازی آنها، مقدار زیادی شن تولید میکنند. سپس تولید شن در یک نرخ نسبتا پایین، قبل از افزایش مجدد تولید شن بدلیل افزایش عمر مخزن یا تخریب سازند مخزن، تثبیت میشود. نرخ تولید شن پایدار نبوده و اگر چاه بیش از 5 الی10 پوند در روز تولید شن داشته باشد، اغلب بعنوان چاه بدون تولید شن شناخته می‌شود. با این وجود، این امر احتمال حذف سایشی را که قرار است صورت پذیرد، را کم نمی کند.
مکانیسم انتقال شن فاکتور مهمی در کنترل سایش شن است. سیستم های گازی معمولا دارای سرعت های بالا هستند (بیشتر از 10 متر بر ثانیه) و همین امر سبب می‌شود سایش در سیستم های گازی نسبت به سیستم های نفتی بیشتر باشد. با این وجود در سیستم های گاز مرطوب، ذرات شن می‌توانند توسط فاز مایع به تله افتاده و توسط همین فاز انتقال داده شوند. در حالت خاص که جریان بصورت لخته‌ای در آید بصورت دوره‌ای می‌تواند تولید سرعت های بالاتر نماید که بطور قابل ملاحظه‌ای نرخ سایش را افزایش می‌دهد. اگر جریان ناپایدار بوده یا شرایط عملیاتی تغییر نماید ممکن است ذرات شن در هنگام سرعت های پایین جریان تجمع یافته و در هنگام سرعتهای بالای جریان توسط سیال شسته شده و خارج شوند. مکانیسم جریان ممکن است به گونه‌ای عمل کند که غلظت شن زیاد شده و در بعضی بخش های خاص سیستم بهره‌برداری سبب افزایش نرخ سایش شود.
سرعت، گرانروی و چگالی سیال و سرعت برخورد ذرات
میزان سایش ناشی از شن وابستگی بالایی به سرعت سیال داشته و با سرعت برخورد ذره متناسب است. هنگامی که سرعت سیال به اندازه ی کافی زیاد باشد ذرات را حمل نموده و سایش با ذرات شن عامل اصلی خواهد بود.
در سیال های با دانسیته بالا و ویسکوز شن به همراه خط جریان حمل شده و برخورد کمتری با دیواره ها داشته و در نتیجه سایش کمی خواهیم داشت. اما در جریان های با دانسیته و ویسکوزیته ی پایین دانه های شن خطوط جریان را قطع می کنند و در زانوها به صورت مستقیم حرکت کرده و برخورد های شدیدی را ایجاد می کنند و سایش زیادی ایجاد می کنند. با این توضیحات سایش با شن و قطرات مایع بیشتر در جریان های گازی اتفاق می افتد که موضوع این پایان نامه را شکل می دهد.
همانطور که اشاره شد سرعت سیال یکی از فاکتور های مهم در پدیده ی سایش است. سایش وابستگی بالایی به سرعت سیال داشته تا جاییکه یک تغییر کوچک در سرعت سیال موجب تغییرات قابل توجهی در نرخ سایش می شود. نتایج آزمایشگاهی حاکی از افزایش نرخ سایش بواسطه ی افزایش سرعت گاز می باشد.
شکل، اندازه و سختی ذرات شن
اثر اندازه ذرات
اندازه ذرات در جریان های تولید هیدروکربنی به خواص زمین شناسی و غربال کننده های شن درون مخزن بستگی دارد. اگر ممانعت کننده ای برای ذرات در نظر گرفته شده باشد اندازه این ذرات نباید از 100میکرون تجاوز کند و همچنین دانسیته حدود 2600 کیلوگرم بر متر مکعب قابل قبول است.
با توجه به آزمایش های مک لاری21 ] 26 [که در شکل (5) نشان داده شده است میتوان گفت که افزایش اندازه شن تا 300 میکرون موجب افزایش میزان سایش شده و بالاتر از 300
شکل (5): تاثیر اندازه شن بر سایش شن و هوا ] 26 [
شکل 5
میکرون تاثیری روی میزان سایش ندارد. توجیه این موضوع هم واضح است چراکه افزایش اندازه ذره موجب افزایش تکانه22 برخورد شده و سایش را زیاد میکند. اما افزایش زیاد از حد موجب کم شدن سرعت به دلیل سنگین شدن ذرات می شود که مقدار تکانه و در نتیجه میزان سایش را می کاهد. ] 26 [
اثر سختی و شکل ذرات
شکل ذرات یکی از عوامل تاثیر گذار در نرخ سایش ذرات شن به شمار می آیند. ذرات به شکل های مختلف گرد، تیز و بی نظم وجود دارند. عموما ذرات تیز سایش بیشتری نسبت به ذرات گرد دارند. ذرات تیز برنده تر و دارای توانایی بالاتر در اعمال فشار بر سطح فلز هستند و همین خصوصیت ها موجب بالاتر بودن سایش ذرات تیز و لبه دار می باشد.
شکل (6): تاثیر شکل ذرات بر سایش شن ] 11 [
همانطور که از گزارش های چن23 ] 11 [که در شکل (6) نشان داده شده می توان گفت که ذرات تیز و بی نظم سایش بیشتری نسبت به ذرات گرد بدون لبه دارند.] 11 [
به طور عادی با افزایش سختی ذره میزان سایش نیز افزایش می یابد. اما سختی و تیز بودن ذرات مکمل یکدیگرند. اگر ذرات سخت ولی کاملا بدون لبه باشند نباید انتظار سایش زیادی را داشته باشیم. همچنان که ذرات تیز و نرم هم سایش قابل توجهی را نشان نمی دهند. پس ذرات سخت لبه دار سایش بالاتری اعمال می کنند.
پیکربندی مسیر عبور جریان
بدون توجه به نوع مکانیزم سایش، آسیب پذیرترین بخش های یک سیستم تولیدی می‌تواند شامل مواردی باشد که در آنها
الف. جهت جریان صورت ناگهانی تغییر می‌نماید.
ب. سرعت های بالای جریان که خود در نتیجه دبی های تولید بالای سیال است.
ج. سرعت های بالای جریان که در نتیجه محدودیت سطح حرکت سیال ایجاد می‌شود.
اجزاء و سیستم های لوله کشی بالادستی جداکننده‌های اولیه حاوی مخلوطهای چندفازی گاز، مایع و ذرات جامد بوده و در نتیجه احتمال سایش ناشی از برخورد ذرات جامد، خوردگی سایشی و سایش قطره‌ای (ناشی از برخورد قطرات مایع) زیادتر است. همچنین آسیب پذیری بخشهای خاص در برابر سایش، به میزان زیادی به طراحی آنها و شرایط عملکرد آنها بستگی دارد. با این وجود، لیست پایین اجزائی را نشان می دهد که بیشترین آسیب پذیری را در برابر سایش دارند، توصیه می‌گردد.
چوک ها
انقباض ناگهانی
شیرهای نیمه بسته، شیرهای یک طرفه و شیرهایی که قطر آنها با قطر لوله برابر نیست نیستند.
زانویی ها با شعاع استاندارد
کاهنده ها
زانویی ها با شعاع بلند، میترها
سهراهی های مسدود
لوله های مستقیم
با توجه به آزمایش های انجام شده در پایانامه به برسی لوله های مستقیم و زانویی ها می پردازیم. در لوله های مستقیم سایش زیادی مشاهده نمی شود و دلیل آن این است که تغییر جهت برای سیال در طول لوله اتفاق نمی افتد. میزان سایش در جریان های تک فاز در لوله های افقی و عمودی باهم برابر است. اما در جریان های چند فازی میزان سایش در لوله های عمودی بیشتر از لوله های افقی خواهد بود.
بیشترین میزان سایش در تجهیزات با تغییر ناگهانی جهت جریان اتفاق می افتد و زانویی در میان تجهیزات تولید و خطوط انتقال هیدروکربن بیشترین تغییر جهت جریان را داراست. شکل (7) نحوی عبور ذرات در اندازه های مختلف در زانویی را نشان می دهد. نحوه ی عبور جریان به وزن ذرات و سهم نیروی دراگ که از طرف سیال به ذرات وارد می شود وابسته است.
شکل (a) برای ذرات کوچک (کمتر از 10 میکرون)، شکل (b) ذرات متوسط (حدود 200 میکرون) در جریان مایع را نشان می دهد، کوچک و متوسط بودن ذرات و همچنین ویسکوز بودن سیال موجب برخورد کمتر ذرات به دیواره زانو داشته و با جریان سیال در راستای خطوط جریان حمل شده و در نتیجه سایش کمتری را خواهیم داشت . شکلc) ) ذرات سنگین و بزرگ در جریان گاز است، بزرگ بودن ذرات و کم بودن دانسیته و ویسکوزیته سیال موجب خارج شدن از خطوط جریان شده و به دیواره ها برخورد داشته که موجب افزایش سایش در زانو می شود.] 28 [
شکل (7): عبور ذرات شن در زانویی ] 28 [
پدیده کاویتاسیون:
این نوع ترکیب یک نوع بسیار متداول و معروف از خوردگی سایشی در پروانه پمپ ها شکل (8) و قسمت های داخلی توربین های هیدرولیک می باشد. خوردگی حبابی، در اثر تخریب و انفجار حباب های گاز در فشارهای بالا و ایجاد شوکهای موج مانند بر روی سطح فلزی صورت می گیرد. این نوع خوردگی بصورت حفرات بزرگ بروز می کند که سطح فلز را زبر کرده (اسفنج مانند) و باعث تغییر فرم مکانیکی فلز می شود. به عنوان یک قاعده کلی، قطعات ریخته گری شده خیلی بیشتر از قطعات نورد شده (با ترکیب یکسان)، نسبت به خوردگی حبابی حساسند. مواد رسانا مثل فولاد زنگ نزن آستنیتی نورد شده، بهترین مقاومت را در برابر خوردگی حبابی دارند. خسارت در این نوع خوردگی بوسیله تغییر مواد ساخت، تغییر طراحی و استفاده از بازدارنده ها، کاهش می یابد. سطح صاف در پمپ ها باعث کاهش خسارت می شوند. برخی از پوشش ها نیز مفید و سودمندند تغییر طراحی برای کاهش گردایان فشار در جریان محلول ها، موثرترین راه است.
شکل (8): بروز پدیده ی کاویتاسیون در لبه ی پروانه ی پمپ
خوردگی سایشی
آسیب ناشی از سایش و خوردگی را معمولا میتوان با بازرسی لوله آسیب دیده و بررسی شرایط عملیاتی، از همدیگر تشخیص داد. سایش با کنده شدن یا خراش خوردن سطح فلز نمایان میشود، اما خوردگی معمولا به صورت پخش شده است و با زنگ زدگی سطح فلز قابل تشخیص است. خوردگی سایشی ترکیبی از سایش و خوردگی در یک مکان مشخص بوده و خوردگی سایشی می تواند مورد توجه قرار نگیرد چون نشانی از خوردگی یا سایش در آن دیده نمی شود.
در جریان سیال خورنده بدون وجود ذرات جامد در آن، زمانی که لوله های جدید مورد استفاده قرار می گیرند، نرخ خوردگی بالا بوده و بعد از زمان کوتاهی به دلیل ایجاد یک لایه ی خورده شده که به عنوان لایه ی مقاوم عمل می کند، کاهش می یابد. اما در زمانی که یک جریان سایش دهنده قوی داشته باشیم این لایه خورده شده را کنار زده و سیال خورنده را با لایه های داخلی فلز تماس می دهد. این سایش و خوردگی به صورت پشت سر هم و دوره ای اتفاق می افتد که نرخ تخریب لوله ها بیشتر از سایش یا خوردگی خواهد بود.
مکانیسم های خوردگی سایشی بسیار پیچیدهاند. از این رو پیش بینی نرخ های نفوذ خوردگی سایشی برای وضعیت خاص بسیار دشوار است. میتوان با کنترل شرایط عملیاتی و جلوگیری از رخ دادن سایش یا خوردگی از خورگی سایشی جلوگیری نمود.
افزایش سرعت خوردگی یا از بین رفتن یک فلز در اثر حرکت نسبی بین یک سیال خورنده و سطح فلز را خوردگی سایشی گویند (مثل عبور سیال از درون یک لوله). محصولات جامد حاصل از خوردگی از سطح فلز به طریق مکانیکی کنده می‌شوند.
گاهی اوقات حرکت باعث تقلیل سرعت خوردگی موضعی می‌گردد. مخصوصاً موقعی که تحت شرایط ساکن خوردگی موضعی اتفاق افتاده باشد. چرا که حرکت باعث از بین رفتن رسوبات روی سطح فلز شده و نواحی مرده از بین میروند و خوردگی موضعی متوقف می‌شود. لیکن این خوردگی سایشی نیست، زیرا سرعت خوردگی افزایش نیافته است.
خوردگی سایشی دارای ظاهری شیاردار، موجی شکل یا سوراخ دار و ناهموار می باشد و معمولا این اشکال درجهت خاصی قرار دارند. در اکثر موارد خوردگی سایشی در زمانهای کوتاهی اتفاق می‌افتد و غیره منتظره بودن آنها عمدتا به این دلیل است که آزمایش های خوردگی تحت شرایط ساکن و یا بدون در نظر گرفتن اثرات سایشی انجام گرفته است.
اکثر فلزات و آلیاژها مستعد خوردگی سایشی هستند، در بسیاری از آنها مقاومت در مقابل خوردگی بستگی به نوع لایه های سطحی دارد. هر چه این لایه ها مقاومتر، چسبنده تر، همگن تر و متراکم‌تر باشند. مقاومت فلز به خوردگی سایشی بیشتر خواهد بود. اگر این پوسته های محافظ سطحی صدمه ببینند یا ساییده شوند، خوردگی سایشی اتفاق می افتد و در نتیجه فلز یا آلیاژ با سرعت بالایی خورده می‌شود. فلزاتی که سختی پایینی دارند و به سهولت صدمه می‌بینند یا از طریق مکانیکی زود ساییده می شوند، نسبت به این نوع خوردگی مستعدتر هستند.

دسته بندی : پایان نامه

پاسخ دهید