پایان نامه با کلید واژه های نفت و گاز

میدهد که شرکتهای بهرهبرداری تمایل چندانی به انتشار اطلاعات در مورد مشکلات تأسیسات خود ندارد بنابراین آنچه که در مورد معضلات تجربه شده سایش منتشر شدهاست تمام ابعاد صنعت نفت را در برنمیگیرد.
دلیل دیگر برای نبود آمار و اطلاعات طبقهبندی شده در مورد سایش را شاید بتوان در پیچیدگی فرایند سایش جستجو کرد، مکانیزم پیچیده پدیده سایش امکان نتیجهگیری کلاسیک و طبقهبندی شده بر پایه آمار را به صورت میدانی مشکل میکند.

6-2 مکانیزم های سایش

مکانیزمهای بالقوهای که میتواند سبب بروز پدیده سایش به طور چشمگیر گردد عبارتند از:
سایش ناشی از ذرات جامد96
سایش ناشی از برخورد ذرات مایع97
سایش-خوردگی98
پدیده کاویتاسیون99

بطورکلی منبع اصلی ایجاد سایش در سیستم نفت و گاز، ناشی از وجود ذرات جامد (ماسه) در جریان سیال عبوری است اما بهرحال دیگر مکانیزمها نیز در شرایط خاص، نقش تاثیرگذار در پدیده سایش دارند.
در ادامه علاوه بر مرور سایش در زانوییها در سیستمهای تولید هیدروکربن، به تجهیزاتی که بیشتر در معرض سایش قرار دارند و همچنین تأثیر جنس ماده بکار رفته در تجهیزات بر روی سایش، پرداخته میشود سپس مکانیزمهای مختلف سایش به تفصیل بررسی میشود.

6-2-3 آسیب پذیری تجهیزات در برابر پدیده سایش:

در خصوص آسیبهایی که پدیده سایش به چاههای نفتی وارد می آورد، آقای venkatesh تحقیقات خوبی انجام دادهاست]22[. بدون توجه به مکانیزم سایش، قسمتهای از سیستمهای تولید هیدروکربن که در شرایط زیر قرار دارند، مستعد سایش هستند.

تغییر ناگهانی جهت حرکت سیال
سرعت جریان بالا (نرخ تولید حجمی بالا)
سرعت جریان بالا (ایجاد مانع در مسیر جریان)

اجزایی از خط لوله که در بالادست جریان و قبل از تفکیکگرها قراردارند، در معرض مخلوطی از جریان چندفازی شامل گاز، مایع و جامد هستند لذا این قسمتها بیشتر از اجزاء دیگر تحت تأثیر سایش ناشی از ذرات جامد، سایش-خوردگی و سایش ناشی از برخورد ذرات مایع خواهند بود.
آسیبپذیری تجهیزات در مقابل سایش تا حد زیادی به طراحی و شرایط عملیاتی وابسته است. بهرحال تجربیات بدستآمده نشان دادهاست که تجهیزات زیر بترتیب آسیبپذیری بیشتری در مقابل سایش دارند.

کاهندههای جریان(ماسوره ها)
جاههایی از خطلوله که بصورت ناگهانی قطر آن کاهش میابد
شیرهای نیمه بسته100 ، شیرهای یکطرفه و شیرهای که full bore نیستند
زانویی با شعاع استاندارد
سرجوشهایی که به درون لوله راه یافتهاند و قسمتهایی از لوله که در محل اتصال به فلنج، بطور کامل تطابق ندارد
زانویی با شعاع زیاد
کاهندهها101
اتصالات T-شکل و اتصالات مسدودشده102
لولههای مستقیم

6-3-2-1 جنس تجهیزات
نوع متریال نقش اساسی در رفتار سایشی فلز بازی میکند. بطورکلی متریالی که در مقابل یک نوع از مکانیزمهای سایشی از خود مقاومت نشان میدهد در مقابل دیگر مکانیزمها نیز مقاوم است.
در سیستمهای تولید نفت و گاز تقریبا تمامی تجهیزات از فلزات چکشخوار که آلیاژ غالب آنها استیل است، ساخته میشوند. البته موادی از جنس پلاستیکها و ترکیبات مشابه آنها نیز در ساخت تجهیزات کاربرد دارند.
در سیستمهای که پدیده سایش یک معضل اساسی است، استفاده از مواد مقاوم در برابر سایش مثل کربیدتنگستن توصیه میشود.
در این بخش بطور مختصر به چگونگی رفتار مواد مختلف در محیطهای در معرض سایش، پرداخته میشود.

6-3-2-2 فلزات هادی و مواد مرسوم دیگر
استیلها و دیگر فلزات و همچنین پلاستیکها بطورکلی خصوصیات سایشی هادی از خود نشان میدهند. سایش ناشی از ذرات جامد در فلزات هادی در ابتدا توسط فرآیندی کهmicromachinig نامیده میشود، آغاز میشود. در این فرآیند در اثر برخورد ذرات جامد به سطح فلز در یک زاویه برخورد معین، مقداری از فلز در محل برخورد با ذرات از سطح آن جدا میشود. هر چه زاویه برخورد ذرات به سطح فلز مؤثرتر باشد، ذرات تمایل به دگرگون کردن سطح فلز دارند در این حالت مقدار زیادی از سطح فلز جدا نمیشود.
ارتباط بین جنس فلز و مکانیزمهای برخورد ذرات مایع و همچنین سایش ناشی از پدیده کاویتاسیون بعلت پیچیدگی موضوع، بخوبی توسط محققین توسعه داده نشده است.
سختی مواد اولین فاکتور کنترلکننده سایش برای فلزات هادی است. در حالتکلی مواد استیل نسبت به دیگر فلزات نرمتر دارای سختی بیشتری هستند البته استیلهای گوناگون از درجه سختی مختلفی برخوردار هستند. موضوع بحث برانگیز این است که آیا تفاوت در درجه سختی میتواند به تنهایی منشأ تفاوت در رفتار سایشی استیلها باشد یا خیر؟
Haugen و همکاران[23] پیشنهاد دادند که برای سرعتهای برخورد کمتر از 100متر به ثانیه تفاوت در گرید استیلها نمیتواند باعث تفاوت در رفتار سایشی آنها گردد.
بطورکلی پلاستیکها و کمپوزیتها مقاومت کمتری نسبت فلزات دارند اگر چه لاستیکها و بعضی از پلیمرها در مقابل سایش ناشی از ذرات جامد کاملا مقاوم هستند زیرا این گونه مواد میتوانند انرژی جنبشی ذرات برخوردکننده را جذب و خنثی کنند.

6-3-2-3 مواد ویژه مقاوم در برابر سایش
در کاهندههای جریان و دیگر تجهیزات آسیبپذیر در مقابل سایش، از مواد ویژهای مثل کربیدتنگستن، انواع پوششها و سرامیکها استفاده میشود. این مواد عموما بسیار سخت و شکننده هستند. رفتار سایش مواد شکننده بسیار متفاوت است. برخورد ذرات به سطح اینگونه مواد سبب ایجاد شکاف میشود و صدمات سایش بصورت خطی
در امتداد زاویه برخورد گسترش میابد. در صورتی که ذرات بصورت عمودی به سطح مواد شکننده برخورد کنند، شکاف ایجاد شده عمیقتر و سایش گستردهتر خواهد بود.
بسیاری از این مواد از مقاومت سایشی بالاتری نسبت به استیلها برخوردار هستند. در بعضی مواقع زیر لایههای این مواد در اثر اصابت ذرات جامد و یا مایع کارائی خود را از دست داده و در ادامه کل پوشش بسرعت در برابر سایش ناتوان میگردد.

6-4 سایش ناشی از ماسه یا ریز ذرات

مکانیزمهای سایش ناشی از ذرات جامد، بطور گستردهای توسط محققین مورد بررسی قرار گرفته است و موفقیتهای خوبی در زمینه پیشبینی نرخ سایش بدست آمده است.
فاکتورهای مهمی که در تعیین نرخ سایش ناشی از ذرات جامد نقش دارند عبارتند از:
نرخ تولید ماسه و نحوه انتقال آن به خط لوله
سرعت، ویسکوزیته و چگالی سیال جریانی
اندازه، شکل و سختی ذره جامد
6-4-1 تولید ماسه و انتقال آن
خصوصیات ماسه و همچنین نحوه تولید از مخزن و انتقال آن به سیستم تولید هیدروکربنی، بر روی نرخ سایش ایجاد شده تأثیرگذار است. دبی تولید ماسه از یک چاه به فاکتورهای پیچیده زمینشناسی وابسته است و به وسیله تکنیکهای مختلفی قابل تخمین است. از جمله آن میتوان به تکنیکهای که توسط Marchino توصیف شده است، اشاره کرد]24[. معمولا در اوایل تولید از یک چاه نفتی یا گازی احتمال تولید ماسه و ذرات جامد وجود دارد هرچه از عمر چاه میگذرد، نرخ تولید ماسه به یک مقدار نسبتا کم، تنزل پیدا میکند در ادامه هرچه عمر چاه رو به فزونی میگذارد، سازند تولیدی رو به زوال و سستی گذاشته و احتمال تولید مجدد ماسه وجود دارد.
میتوان گفت که غلظت آن در تأسیسات بالادستی قبل از اولین تفکیکگر، بین 1 تا 50 قدم (ppm)103 است]25[. اگر نرخ تولید ماسه در یک چاه کمتر از 5 تا 10 پوند در روز (5-10*2/1 تا 5-10*2/5 کیلوگرم بر ثانیه) باشد، معمولا این چاه را عاری از ماسه در نظر میگیرند البته لازم به ذکر است که همچنان احتمال رخداد پدیدهی سایش برای این گونه چاهها دور از ذهن نیست.
علاوه بر دبی تولید ماسه، مکانیزمی که ماسه تحت آن وارد سیستم میشود نیز در نرخ سایش ایجاد شده تاثیرگذار است. سیستمهای گازی به دلیل سرعتهای بالا (بیشتر از 10 متر بر ثانیه) احتمال رخداد پدیده سایش در آنها بیشتر از سیستمهای مایع است هر چه که در سیستمهای شامل گاز مرطوب (دو فازی)، ذرات جامد میتواند در فاز مایع به دام افتاده و در آن منتقل شود در سیستمهای گازی شکلگیری گندلهها104 و سرعت گرفتن آنها درون سیال جریانی میتواند سبب ایجاد سایشهای قابل توجهی گردد.
اگر سیستم ناپایدار105 باشد و یا شرایط عملیاتی تغییر کند، در زمانهایی که دبی سیال جریانی کم است، ذرات جامد درون سیستم تجمع میکند و در هنگام افزایش دبی سیال جریانی این ذرات تجمع یافته به طور ناگهانی به حرکت درآمده و سبب ایجاد سایش بیشتر در سیستم میشود. بنابراین شرایط عملیاتی و دیگر مکانیزمهای جریانی میتواند سبب تجمع ماسه در سیستمهای انتقال گردیده و نرخ سایش را افزایش دهد.
نرخ سایش به شدت به سرعت برخورد ذرات جامد به دیواره بستگی دارد میتوان گفت که نرخ سایش به طور تناسبی به سرعت برخورد ذرات در یک توان مشخص n (بین 2 تا 3 برای استیلها).
معمولا زمانی که سرعت ذره به سرعت سیال حامل آن نزدیک میشود پدیده سایش جدیتر خواهد بود. در حالت کلی پدیده سایش برای سرعتهای بالای سیال جریانی محتملتر است افزایش ناچیز سرعت سیال جریانی میتواند باعث افزایش قابل توجه نرخ سایش در یک سیستم گردد. در سیالاتی که ویسکوزیته بالایی دارند ذرات جامد معلق تمایل چندانی به ضربه زدن به دیوارهی سیستم حامل جریان ندارند و بیشتر درون سیال به حرکت خود ادامه میدهد. در مقابل، سیالاتی که از ویسکوزیته پایینی برخوردار هستند ذرات معلق در یک خط مستقیم به حرکت خود ادامه میدهند. وقتی مسیر جریان تغییر پیدا کند (مثل زانویی ها)، بیدرنگ به دیواره برخورد میکنند. بنابراین جریانات گازی بدلیل دارا بودن ویسکوزیته و چگالی پایین و سرعت حرکت بالا، در صورتی که حاوی ذرات جامد معلق باشد، پدیده سایش بسیار محتمل است.

6-4-2 اندازه، شکل و سختی ذرات جامد
اندازه ذرات جامد به خصوصیات زمین شناختی سازند تولیدی، غربالهای ماسه درون چاهی و میزان شکستگی آنها در حین انتقال از مخزن به سطح بستگی دارد.
در بعضی مواقع بمنظور جلوگیری از تولید ماسه از غربالهای درون چاهی استفاده میکنند. این غربالها معمولا مانع از انتقال ذرات ماسه با اندازه بیشتر از 100 میکرون به سطح میشوند. اندازه ذرات ماسه معمولا بین 50 تا 500 میکرون است.
یک ذره ماسه بطور متوسط چگالی در حدود 2600 کیلوگرم بر مترمکعب دارد. ذرات بسیار کوچک (کمتر از 10 میکرون) درون سیال حرکت کرده و بندرت به دیواره برخورد میکنند. ذرات بزرگتر در یک مسیر مستقیم حرکت کرده و تنها زمانی که مسیر جریان تغییر کند احتمال برخورد به دیواره وجود دارد. ذرات بسیار بزرگ (بزرگتر از 1میلیمتر)، درون سیال جریانی به آهستگی حرکت میکنند و احتمال تهنشینی و برخورد آنها به دیواره و آسیب رساندن به سیستم بسیار زیاد است.
کاملا واضح است که ذراتی با درجه سختی بالا قدرت تخریب بیشتری نسبت به ذرات نرمتر دارند. همچنین شواهد بسیار زیادی وجود دارد که ذرات ماسه نوک تیز، قدرت سایشی بیشتر نسبت به ذرات گرد دارند.
با این وجود هنوز بطور یقین نمیتوان گفت که تفاوت در میزان سایش در چاههای مختلف ناشی از تفاوت در سختی و شکل
ذرات جامد همراه سیال تولیدی است.

6-5 سایش/ خوردگی

میزان خسارات ناشی سایش-خوردگی را میتوان بوسیله بازرسی از خط لوله آسیبدیده و یا در نظر گرفتن شرایط عملیاتی تخمین زد. تشخیص اینکه آسیب بوجود آمده ناشی از سایش بوده یا خوردگی، چندان مشکل نیست. سایش معمولا به صورت ایجاد شیار، حفره و یا الگوهای مشابه در محلهایی که سرعت جریان زیاد است، نمایان میشود. خوردگی اغلب گستردگی بیشتری داشته و با محصولات خوردگی و زنگزدگی از سایش تمیز داده میشود. و پدیده سایش-خوردگی ناشی از ترکیب اثرات سایش و خوردگی است. Shadley و همکاران]27[ اثبات کردند که میزان تخریب پدیده سایش-خوردگی تا حد زیادی به توازن بین فرآیندهای سایش و خوردگی بستگی دارد.
در سرویسهای خورنده که عاری از ذرات جامد هستند، خوردگی در تأسیسات نو تا هنگامی که یک پوسته شکننده (محصول خوردگی) سطح فلز را بپوشاند، کاهش چشمگیری میابد.
در جریانهای خورندهای که قدرت سایش بالایی دارند، پوسته شکننده106 قبل از اینکه بتوانند در پدیده خوردگی نقش ایفا کند، توسط جریان سایشی از بین می رود بنابراین در این شرایط، عمده صدمات ایجاد شده روی سطح فلز، ناشی از سایش خواهد بود. در شرایط متعادلتر، پدیدههای سایش و خوردگی میتوانند تعامل بیشتری با یکدیگر داشته باشند در این شرایط پوستهها فرصت تشکیل دارند اما بتدریج توسط ذرات سایشی از بین میروند. تعامل بین مکانیزمهای سایشی و خوردگی سبب ایجاد حفرههایی روی سطح فلز میگردد (شکل6). نرخ خوردگی در این شرایط چندین مرتبه بزرگتر از سرویسهای است که تنها تحت تاثیر سایش و یا خوردگی هستند، میباشد. بدلیل پیچیدگی مکانیزمهای سایش-خوردگی، پیشبینی نرخ نفوذ107 فلز بسیار مشکل است. بوسیله کنترل شرایط عملیاتی و حذف یکی از شرایط سایش و یا خوردگی میتوان از بروز پدیده سایش-خوردگی اجتناب کرد (شکل6).

شکل شماره 12: حفره های ایجاد شده در جریان مخلوط آب، دی اکسید کربن و ماسه]27[

6-6 سایش ناشی از اصابت قطرات مایع

مکانیزم این نوع سایش، در مقایسه با سایش ذرات جامد کمتر شناخته شده است. این نوع سایش بطور مشخص در سیستمهای گاز مرطوب و چندفازی اتفاق میافتد در این گونه سیستمها قطرات مایع فرصت شکلگیری پیدا میکنند. در این حالت نرخ سایش به فاکتورهای زیر بستگی دارد:
اندازه قطرات مایع
سرعت برخورد
تداوم اصابت قطرات مایع
چگالی گاز و مایع
از آنجایی که بسیاری از فاکتورهای بالا در شرایط میدانی قابل اندازهگیری نیستند از اینرو پیشبینی نرخ سایش مشکل است، حتی در شرایط آزمایشگاهی نیز کنترل تمامی این فاکتورها مشکل است بنابراین جهت تعمیم نتایج آزمایشگاهی به شرایط میدانی، دقت زیادی لازم است.
در سیستمهای جریان اگر احتمال وقوع سایش ناشی از قطرات مایع وجود داشته باشد، تنها روش کاربردی این است که با ایجاد تغییراتی در شرایط عملیاتی از میزان تاثیر این نوع سایش کم کرد.
Salama و venkatesh جزو اولین محققینی بودند که اظهار داشتند سایش در سیستمهای عاری از ذرات جامد، تنها در سرعتهای بسیار بالا اتفاق میافتد ]26[. در سرعتهای بالا بدلیل ایجاد افت فشار ناخواسته، شرایط برای جدا شدن قطرات مایع از سیال جریانی و برخورد با سطح فلز فراهم است. بمنظور جلوگیری از صدمات سایشی ناشی از اصابت قطرات مایع، سیستمهای بهرهبرداری نفت و گاز میبایست از یک طراحی دقیق و صحیح برخوردار باشند.
فرمول ذیل توسط سالاما و ونکاتش جهت کاهش صدمات

Author: mitra1--javid

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *