پایان نامه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی شیمی (بدون گرایش)
مطالعه آزمایشگاهی پدیده ی سایش مایع حاوی شن در خطوط لوله
اساتید راهنما:
دکتر فریدون اسماعیل زاده
دکتر داریوش مولا
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
چکیده
در این کار، به بررسی پدیدهی سایش ایجاد شده به واسطه حرکت سیالات دو فازی در خطوط لوله پرداخته شده است. سیال مورد بررسی متشکل از دو فاز مایع و جامد میباشد. فاز مایع، آب میباشد، ذرات شن نیز فاز جامد را تشکیل میدهند. در این تحقیق پارامترهای تأثیرگذار بر نرخ سایش، از جمله: سرعت سیال، اندازه ذرات شن، غلظت ذرات شن و سختی و دانسیتهی فلز مورد هدف، مورد مطالعه قرار گرفته است. برای بدست آوردن میزان سایش، از کوپنهای دیسکی از دو جنس آلومینیوم و فولاد در شش مکان مختلف از جریان (مطابق با شرایط عملیاتی بهره برداری و انتقال مواد نفتی) استفاده شده است. در ابتدا سرعت سایش مایع (تک فاز) در شش مکان گفته شده اندازه گرفته می شود و در مرحله بعد مطالعه سایش مایع حاوی ذرات جامد شن مورد بررسی قرار میگیرد. در هر مرحله نتایج بدست آمده با مقادیر تعیین شده توسط استانداردهای موجود مقایسه شده و راهکارهایی ارائه می شود. سپس با بهره گرفتن از داده های آزمایش و بهره گیری از الگوریتم ژنتیک در نرم افزار متلب (روش تفاضل تکاملی Differential Evolution)، یک مدل ریاضی مناسب جهت محاسبهی نرخ سایش ارائه می شود. مقایسه مدل ریاضی و داده های آزمایشگاهی نشان میدهد که این مدل توانایی خوبی جهت بیان داده های آزمایشی دارد.
کلمات کلیدی: سایش دانه های شن، کوپن، نرخ سایش، الگوریتم ژنتیک
فهرست مطالب
عنوان صفحه
1-1- اهمیت سایش و خوردگی در صنعت… 2
1-2- سایش و خوردگی در صنایع نفت و گاز. 3
2-2-5- خوردگی بین دانه ای.. 12
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
2-4-2- سایش ناشی از قطره های مایع.. 27
2-5- رابطه تئوری برای محاسبهی نرخ سایش…….32
2-6- ارزیابی و محاسبهی نرخ سایش…. 33
2-6-1- اندازه گیری كاهش وزن ناشی از خوردگی 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
2-7-2- 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
3-2-1- دسته بندی مدل های موجود. 47
3-3- مروری بر کارهای گذشته.. 48
3-4-3- مدل سالاما- ونکاتش…. 52
3-4-5- مدل مرکز مطالعات سایش و خوردگی دانشگاه تولسا 55
3-4-6- مدل شیرازی و همکاران.. 55
سیستم آزمایشگاهی و نحوه انجام آزمایش ها. 57
سیستم آزمایشگاهی و نحوه انجام آزمایش ها. 58
4-1- طراحی سیستم آزمایشگاهی… 58
4-2- نحوهی انجام آزمایش…. 64
4-3-1- متغیرهای مورد مطالعه در آزمایش…. 67
نتایج و بررسی داده های آزمایش…. 68
نتایج و بررسی داده های آزمایش…. 69
5-3- طراحی آزمایش با بهره گرفتن از نرم افزار. 70
5-4- آنالیز و بررسی داده ها. 72
5-4-1- بررسی سرعت سایش سیال فاقد شن.. 73
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 اندازه ذرات شن.. 78
5-4-5- بررسی تأثیر غلظت شن.. 79
5-4-6- تأثیر سختی و دانسیته کوپن.. 80
5-5-1- میکروسکوپ الکترونی.. 84
5-5-2-آنالیز کوپن ها با میکروسکوپ الکترونی.. 85
5-6-2- روش تفاضل تکاملی (DE). 94
5-6-3- جزئیات پیاده سازی الگوریتم ژنتیک برای مدل سازی.. 94
– اهمیت سایش و خوردگی در صنعت
پدیدههای خوردگی[1] و سایش[2] به عنوان یکی از آسیبها و چالشهای مهم در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی به حساب میآیند. پدیده خوردگی طبق تعریف، واكنش شیمیایی یا الكتروشیمیایی بین یک ماده، معمولأ یک فلز و محیط اطراف آن میباشد كه به تغییر خواص ماده منجر خواهد شد. فرایند خوردگی در صنعت، آثار زیان بار اقتصادی عظیمی را موجب می شود و برای کاهش آن کارهای زیادی میتوان انجام داد. برخی خسارتهای ناشی از خوردگی عبارتند از: ظاهر نامطلوب (مثلأ خوردگی رنگ خودرو)، مخارج تعمیرات و نگهداری و بهره برداری، تعطیلی کارخانه، آلوده شدن محصولات، نشت یا از بین رفتن محصولات با ارزش مثل مواد هیدروکربنی و یا نشت مخازن حاوی اورانیوم 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.
پدیده خوردگی در تمامی دسته های 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 یک 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 دانه های 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 پدیده 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 هزینه 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 می شود (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 می شود، می تواند 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 می شود) 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 می تواند 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 بهره برداری (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 پیچیده 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 می شود. سایش با شن و ماسه می تواند موجب از بین رفتن پوشش های 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)، اندازه ذرات جامد، اندازه قطرات مایع معلق در گاز، میزان تیزی دانه های 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].
تعداد صفحه :122
قیمت :14700 تومان
بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد
و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.
پشتیبانی سایت : * serderehi@gmail.com
در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.
14,700 تومانافزودن به سبد خرید