پایان نامه با کلید واژگان نفت و گاز

لوله 4 متر بر ثانیه و برای گازها 20 متر بر ثانیه است. در صورتیکه جریان مایع و گاز حاوی مقدار کمی از ذرات شن باشند (چندفازی باشند)، سرعت مجاز جریان مایع به یک متر بر ثانیه و جریان گاز به 5 متر بر ثانیه تقلیل مییابد. در جریانهای چندفازی میزان سایش به جزء غالب سیال بستگی بیشتری دارد، و حتی ماهیت سیال میتواند مکانیسم سایش را تغییر دهد. هر سیالی از یک سری مواد تشکیل شده است. بعضأ این مواد خورنده هستند و باعث خوردگی سیستم میشوند [10 و3].
2-4-1-5- پیکربندی مسیر جریان نظیر لوله های مستقیم، زانویی یا سهراهی
در زانوییها و سهراهیها مکانیسم سایش برخورد مستقیم ذرات با دیواره است در صورتیکه در لولههای صاف مکانیسم برخورد اتفاقیست. به طور حتم میزان سایش در زانوییها و سهراهیها بیشتر از لولههای صاف است. بیشترین میزان سایش در تجهیزات با تغییر ناگهانی جهت جریان اتفاق میافتد و زانویی در میان تجهیزات تولید و خطوط انتقال هیدروکربن بیشترین تغییر جهت جریان را دارا است. شکل(2-5) مسیر حرکت ذرات را در یک زانویی نشان می‌دهد. مسیرهای حرکت سیال به وزن و میزان اصطکاک41 اعمال شده بر روی ذرات توسط سیال در هنگام حرکت از درون زانویی بستگی دارد. شکل(2-5- الف) مسیرهای حرکت مشاهده شده برای ذرات ریز ( در حدود 10 میکرون) در یک سیال مایع را نشان می‌دهد. شکل(2-5- ب) بیانگر ذرات شن دارای ابعاد متوسط ( در حدود 200 میکرون) در جریان مایع و شکل (2-5- ج) نشان دهنده ذرات شن با ابعاد بزرگ در جریانهای گازی است. ذرات جامد کوچک نیازمند نیروی دراگ کمی جهت تغییر جهت می‌باشند. از اینرو این ذرات مسیر طی شده توسط سیال را می‌پیمایند. این شکل همچنین بیانگر حالتی است که ذرات در یک سیال بسیارگرانرو و بسیار چگال حرکت می‌کنند. شکل(2-5-ج) نشان دهندهی مسیر حرکت ذرات سنگین و بزرگ در یک زانویی است. ذرات سنگین و بزرگ دارای مومنتوم نسبتأ بالایی بوده و به سختی توسط جریان سیال منحرف میشوند و از اینرو تمایل دارند در مسیرهای مستقیم حرکت نموده و در حین حرکت، دیواره‌های زانویی را مورد اصابت قرار داده و کمانه نموده و مجددأ به دیواره‌های دیگر برخورد نمایند. همچنین شکل (2-5-ج) نشان دهنده حالتی است که ذرات جامد در سیال با گرانروی پایین و جرم ویژهی پایین جریان دارند.
در لولههای مستقیم سایش زیادی مشاهده نمیشود و دلیل آن این است که تغییر جهت برای سیال در طول لوله اتفاق نمیافتد. رژیمهای جریان در لولههای مستقیم به سرعت سیال و مقدار شن بستگی دارد. مثل تمام موارد سایش افزایش سرعت موجب افزایش نرخ سایش در لوله خواهد شد. اما در یک سرعت ثابت با افزایش مقدار شن، میزان سایش کاهش مییابد. چون سیال با سرعت مشخص در درصدهای شن بالا توانایی حمل ذرات شن را دارا نیست و
نیروی وزن ذرات موجب حرکت شن در کف لوله میشود.
مشاهده شده است سهراهیهای مسدود، عمومأ در معرض سایش کمتری نسبت به زانوییهای استاندارد با شعاع 5/1 برابر قطر زانویی، قرار دارند و از اینرو بعضی از اپراتورها در مواردی که احتمال وجود مشکلات ناشی از سایش را پیشبینی کنند، زانوییها را با سهراهیهای سنگین وزن جایگزین مینمایند.
اگر یک سهراهی مسدود بصورت صحیح قرار داده شود و شرایط جریان اجازه دهد، میتوان یک مجرابند شنی42 در شاخهی مردهی سهراهی ایجاد نمود. ذرات جامد عبور کننده از سهراهی تمایل دارند بجای دیوارهها به این مجرابند برخورد نمایند و در نتیجه میزان سایش کاهش مییابد. با اینحال، این مجرابند همچنین ممکن است از رسیدن مواد ضدخوردگی به دیوارهها جلوگیری نموده و سبب ایجاد مشکلات ناشی از خوردگی شود. در بعضی موارد ذرات جامد تغلیظ شده و در شاخهی مردهی سهراهی به چرخش در آمده، باعث ساییدن سطح داخلی و ایجاد سایش قابل ملاحظهای میگردد. یک نوع خاص از سهراهی (سهراهی هدف) نیز بکار گرفته میشود که در آن شاخهی مرده، شامل یک لایه از یک فلز نرم نظیر آلومینیوم بوده تا انرژی ضربات ذرات جامد را جذب کند [20].
شکل (2-6). شماتیکی از یک سه راهی مسدود[20]
2-4-1-6- میزان سختی و مقاومت سطح مورد هدف
وقتی ذرات شن به سطح یک فلز برخورد میکنند باعث از بین رفتن سطح فلز میشوند. نرخ این سایش به عوامل مختلفی مثل نرمی و سختی فلز بستگی دارد. مکانیسم سایش برای فلزات و یا مواد نرم با مواد سخت تفاوت دارد. مواد نرم در ابتدا به آرامی خراشیده میشوند و این خراشیدگی در مدت زمان زیاد به ساییدگی منجر میشود. اما وقتی ذرات شن به مواد سفت و شکننده برخورد میکنند، در لحظهی برخورد مولکولهای سطح را جدا کرده و با خود میبرند. برای فلزاتی که معمولأ در تجهیزات نفت و گاز استفاده میشوند (مانند نیکل43، آهن44 و فولاد کربن دار45، فولاد ضد زنگ و …) سختی فلز اثر کمی بر روی نرخ سایش دارد. بدیهی است که در شرایط فوق با افزایش میزان سختی فلز شدت سایش کاهش مییابد. در جدول زیر سرعتهای بحرانی سیال برای فلزات هدف مختلف آورده شده است که بیانگر این مطلب میباشد [19].
جدول (2-2). تأثیر جنس فلز بر روی سرعت سایش[19]
Critical Velocity Ft/s
Flow Stress (kpsi)
Hardness
Material
50
11
23 Brinell
Aluminum 1100
100
47
100 Brinell
99.67 % Ni
125
128
270 Vickers
316 ss
125
180
280 Vickers
Ti 6A1- 4v
315
346
730 Vickers
Cast Iron
2-4-1-7- زاویهی برخورد ذرات شن
مکانیسم فرایند سایش برای مواد ترد46 و نرم47 در اثر برخورد ذرهی جامد تحت زاویهی کمتر از 90 درجه در شکل (2-7) نشان داده شده است. برای مواد و فلزات نرم سایش در اثر فرایند حرکت ذرات بر روی سطح و جداره لوله انجام می‌گیرد و با افزایش زاویه تا 90 درجه میزان سایش کاهش مییابد. در مقابل برای مواد ترد با افزایش زاویهی برخورد میزان شدت سایش افزایش یافته به نحوی که ذرات ریز با سرعتهای پایین نیز باعث سایش در سطح ماده میشوند. نتایج نشان داده است مواد نرم در زاویههای پایین و مواد ترد در زاویههای نزدیک به قائم حداکثر میزان سایش را دارند[3].
شکل (2-7). تأثیر زاویه برخورد ذرات برای مواد نرم و ترد [3]
2-4-1-8- دما و فشار
بیشتر آزمایشات انجام شده در فشارهای معمولی (اتمسفر) و دماهای محیط صورت گرفته است و اطلاعات زیادی در فشارهای بالاتر موجود نیست. در واقع پارامترهای دما و فشار بیشتر بر روی گرانروی و چگالی جریان نقش دارند تا اینکه خود تأثیر مستقیمی داشته باشند. در بعضی از منابع نشان داده شده که با افزایش دما، سایش زیاد میشود. اما در برخی دیگر نتیجهای معکوس درج شده است.
2-4-2- سایش ناشی از قطره های مایع
این نوع سایش در سیستمهای گاز مرطوب48 یا جریان چندفازی که در آن قطره‌های مایع شکل می‌گیرد اتفاق می‌افتد. نرخ سایش به عواملی نظیر اندازهی قطره، سرعت برخورد، تعداد برخوردها و گرانروی و جرم ویژهی گاز و مایع بستگی دارد.
نتایج آزمایشگاهی نشان می‌دهد تحت گسترهی 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. هیدرودینامیک مخلوطهای چندفازی درون لوله نیز درجهی ترشوندگی دیواره‌های لوله و توزیع مواد ضد خوردگی تزریق شده به درون سیستم لوله کشی را تحت تأثیر قرار می‌دهد.
وقتی یک مایع در داخل جریان گاز قرار میگیرد (حالت دو فازی گاز و مایع)، به صورت قطرههای معلق در خواهد آمد. این قطرات توسط گاز حمل شده و با دیوارهها برخورد کرده و منجر به سایش میشوند. با توجه به دبی تولید مایع، نرخ سایش تغییر خواهد کرد. در ابتدا با افزایش مقدار مایع، سایش زیادتر میشود، اما تا جایی ادامه پیدا میکند که فاز گازی قادر به حمل قطرات مایع باشد. اگر مقدار مایع از حد خود تجاوز کند به صورت فیلم نازکی در میآید که دیگر توسط گاز حمل نخواهد شد، در این حالت سایش به حداقل مقدار ممکن میرسد. برای سایش با قطرات مایع نیز سرعت آستانه تعریف میشود که طبق استاندارد مهندسین نفت آمریکا49 از رابطه زیر محاسبه میشود [11].
V_erosion= C/√ρ
در این رابطه V_erosion سرعت سایش بر حسب فوت بر ثانیه، ρ جرم ویژه مخلوط بر حسب پوند بر فوت مکعب و C مقدار ثابتی است که مقدار آن از جداول بدست می‌آید. رابطهی بالا یک رابطهی کلی است که برای مکانیسمهای دیگر سایش نیز کاربرد دارد. شرکتهایی که در این زمینه فعال هستند یک سری استانداردها را برای محدوده مقدار C بدست آوردهاند. چند استاندارد معروف عبارتند از:
American Petroleum Institute, Recommended Practice (API – RP – 14E)
Det Norsok Veritas, (DNV – RP – 0501)
M.M. Salama, E.S. Venkatesh, (S &V)
(IPS – E – PI – 140)
جدول زیر مقادیر سرعتهای سایش مختلف ارائه شده توسط محققین مختلف را نشان می‌دهد.
جدول (2-3 ). سرعت سایش برای سیستم های گاز میعانی با نسبت های مختلف میعانات به گاز [24]
بر اساس استاندارد API جهت جلوگیری از زدوده شدن فیلم محافظ خوردگی ایجاد شده بر روی دیوارهی لوله‌ها، حداکثر سرعت جریان گاز نباید از 15 متر بر ثانیه تجاوز کند [11]. با این وجود به نظر می‌رسد این استاندارد خیلی محافظه کارانه باشد. بر اساس پیشنهاد ارائه شده در DNV-RP-O501 احتمال ایجاد سایش قطره‌ای و سایش ناشی از برخورد قطرات در قطعات فولادی در سرعت های کمتر از 70 تا 80 متر بر ثانیه پایین بوده و این فرض بیشتر به واقعیت نزدیک است [21]، اگرچه مشخص نیست این مقادیر از کجا آورده شده‌اند. شینوگایا50 [11] و همکاران دادههای تجربی سرعت های آستانه به میزان 110، 100 و 80 متر بر ثانیه را برای برخورد قطرات آب به سطوح فولاد ضد زنگ، آهن خالص و آلومینیوم را ارائه نمودهاند [11].
برای آب در شرایط استاندارد این معادله با ثابت C برابر با 300، مقدار سرعت آستانه را به میزان 6/11 متر بر ثانیه یا 38 فوت بر ثانیه میدهد که مقداری محافظهکارانه است. سالاما51 و ونکاتش52 [9] سرعتهای آستانهی سایش ناشی از برخورد قطرات مایع را برای فولادهای مختلف بدست آوردهاند. این مقادیر از 26 تا 118 متر بر ثانیه متغیرند. آرنولد53 [25] بیان نموده است که در سرعت های سایش کمتر از 100 فوت بر ثانیه، سایش قطرهای اتفاق نمیافتد.
اما طبق استاندارد IPS-E-PI-140 سرعت مجاز گاز باید در محدوده 5 تا 10 متر بر ثانیه و برای جریان مایع در محدوده 1 تا 2 متر بر ثانیه باشد. حداکثر سرعت گاز در لوله نباید از 20 و مایع نباید از 4 متر بر ثانیه بیشتر باشد. در صورت وجود ذرات جامد در جریان گاز و مایع، سرعت گاز باید کمتر از 5 متر بر ثانیه و سرعت مایع کمتر از 1 متر بر ثانیه باشد. بر اساس تجربه در اغلب خطوط لوله، سرعت پیشنهادی گاز بین 40 تا 50 درصد سرعت سایش میباشد [10].
2-4-3- خوردگی سایشی
خوردگی سایشی عبارت است از افزایش سرعت خوردگی و یا از بین رفتن فلز در اثر حرکت نسبی بین یک سیال خورنده و سطح فلز. معمولأ این حرکت بسیار سریع بوده و اثرات سایش مکانیکی وجود دارد. ظاهر خوردگی سایشی، شیاردار و موجیشکل و یا به صورت سوراخهای کروی و ناهمواره بوده که معمولأ در جهت خاصی قرار گرفتهاند. اکثر تخریبهای ناشی از این نوع خوردگی در زمانهای کوتاه رخ میدهد. اکثر فلزات و آلیاژها مستعد به این خوردگی بوده و مقاومت به آن، بستگی به نوع پوستهی سطحی دارد. مانند؛ آلومینیوم54، سرب55 و فولاد ضدزنگ. در بسیاری از آنها مقاومت در مقابل خوردگی بستگی به نوع لایههای سطحی دارد. هر چه این لایهها مقاومتر، چسبندهتر، همگنتر

مطلب مرتبط :   پایان نامه رایگان دربارهکارشناسی ارشد، دانشگاه شیراز، تجزیه واریانس

دیدگاهتان را بنویسید