کلمات کلیدی: سایش دانه های شن، کوپن، نرخ سایش، الگوریتم ژنتیکفهرست مطالبعنوان صفحهفصل اول.. 1مقدمه.. 1مقدمه.. 21-1- اهمیت سایش و خوردگی در صنعت.. 21-2- سایش و خوردگی در صنایع نفت و گاز.. 3فصل دوم.. 7تئوری تحقیق.. 72-1- تعاریف سایش و خوردگی.. 82-2- انواع خوردگي.. 102-2-1- خوردگي گالوانیک.. 112-2-2- خوردگی یکنواخت.. 112-2-3- خوردگي پیل غلظتی.. 122-2-4- خوردگي حفره ای.. 122-2-5- خوردگي بین دانه ای.. 122-2-6- خوردگي تحت تنشی.. 122-2-7- خوردگی سایشی.. 132-3- مکانیسم های سایش.. 142-4- انواع سایش.. 162-4-1- سایش ناشی از دانههای شن و ماسه.. 162-4-1-1- اثر دبی تولید شن و روش انتقال آن.. 172-4-1-2-سرعت، گرانروی و چگالی سیال.. 182-4-1-3- شکل، اندازه و سختی ذرات شن.. 202-4-1-4- ترکیب و ماهیت اجزای سیال.. 222-4-1-5- پیکربندی مسیر جریان نظیر لوله های مستقیم، زانویی یا سهراهی 232-4-1-6- میزان سختی و مقاومت سطح مورد هدف.. 252-4-1-7- زاویهی برخورد ذرات شن.. 252-4-1-8- دما و فشار.. 262-4-2- سایش ناشی از قطره های مایع.. 272-4-3- خوردگيسايشي.. 292-4-4- پدیدهی کاویتاسیون.. 312-5- رابطهی تئوری برای محاسبهی نرخ سایش................................................................................322-5-1- گزارش نرخ سایش .........................................................................................................................................322-6- ارزیابی و محاسبهی نرخ سایش.. 332-6-1- اندازه گيري كاهش وزن ناشي از خوردگي و ساییدگی.. 342-6-2- پروب های مقاومت الکتریکی.. 372-6-3- دستگاههای اندازهگیری اولتراسونیک.. 392-6-4- پروبهای الکتروشیمیایی.. 402-6-5- پرتونگاری با اشعهی ایکس و گاما.. 402-7- راهکارهای کاهش سایش.. 412-7-1- کاهش دبی تولید.. 412-7-2- طراحی سیستم لولهکشی.. 412-7-3- مواد مخصوص مقاوم در برابر سایش.. 422-7-4- افزایش ضخامت دیوارهی لوله.. 422-7-5- ممانعت از تولید شن و جداسازی آن.. 43فصل سوم.. 44مروری بر کارهای انجام شده.. 443-1- مقدمه.. 453-2- مدل سازی.. 463-2-1- دسته بندی مدل های موجود.. 473-3- مروری بر کارهای گذشته.. 483-4- مدلهای ارائه شده.. 503-4-1- مدل فینی.. 503-4-2- مدل هاسر - ورنولد.. 513-4-3- مدل سالاما- ونکاتش.. 523-4-4- مدل سالاما.. 523-4-5- مدل مرکز مطالعات سایش و خوردگی دانشگاه تولسا.. 553-4-6- مدل شیرازی و همکاران.. 553-4-7- مدل فیزیکی.. 56فصل چهارم.. 57سیستم آزمایشگاهی و نحوهی انجام آزمایشها.. 57سیستم آزمایشگاهی و نحوهی انجام آزمایشها.. 584-1- طراحی سیستم آزمایشگاهی.. 584-1-1- تجهیزات اصلی.. 584-1-2- تجهیزات جانبی.. 594-1-3- ذرات شن و ماسه.. 634-1-4- اندازه گیری وزن.. 634-2- نحوهی انجام آزمایش.. 644-3- طراحی آزمایشها.. 664-3-1- متغیرهای مورد مطالعه در آزمایش.. 67فصل پنجم.. 68نتایج و بررسی دادههای آزمایش.. 68نتایج و بررسی دادههای آزمایش.. 695-1- فرآیند تحقیق.. 695-2- روند آزمایش.. 705-3- طراحی آزمایش با استفاده از نرم افزار.. 705-4- آنالیز و بررسی دادهها.. 725-4-1- بررسی سرعت سایش سیال فاقد شن.. 735-4-2- بررسی تأثیر سرعت سیال حاوی ذرات شن.. 755-4-3- بررسی مکانهای مختلف در خط لوله.. 775-4-4- بررسی اندازهی ذرات شن.. 785-4-5- بررسی تأثیر غلظت شن.. 795-4-6- تأثیر سختی و دانسیته کوپن.. 805-5- آنالیز ظاهری.. 835-5-1- میکروسکوپ الکترونی.. 845-5-2-آنالیز کوپنها با میکروسکوپ الکترونی.. 855-6- مدل سازی.. 925-6-1- الگوریتم ژنتیک.. 925-6-2- روش تفاضل تکاملی (DE).. 945-6-3- جزئیات پیاده سازی الگوریتم ژنتیک برای مدل سازی.. 945-6-4- نتایج مدل سازی.. 96فصل ششم.. 99نتیجه گیری و پیشنهادات.. 99نتیجه گیری و پیشنهادات.. 1006-1- نتیجه گیری.. 1006-2- پیشنهادات.. 101منابع.. 103 فهرست شکلها عنوان صفحهشکل (2-1). مکانیسم فرآیند سایش 8شکل (2-2). خوردگی يكنواخت سطح لوله هاي حفاري 11شکل(2-3). سایش در اثر برخورد مستقیم 14شکل(2-4). سایش در اثر برخورد اتفاقی 14شکل (2- 5). تأثیر سایز ذرات و دانسیته و ویسکوزیتهی سیال بر رژیم جریان در داخل زانویی 22شکل (2-6). شماتیکی از یک سه راهی مسدود 24شکل (2-7). تأثیر زاویهی برخورد ذرات برای مواد نرم و ترد 26شکل (2-8). مکانیسم خوردگی سایشی 30شکل (2-9). انواع کوپن ها 35شکل (2-10). نحوهی قرار گرفتن کوپنها در لولههای جریان 36شکل (2-11). نحوهی اتصال کوپن به هولدر 37شکل (2-12). مکانیزم عملکرد یک پروب 38شکل(2-13). نمونه ای از پروبهای صنعتی 38شکل(2-14). نحوهی عملکرد پروب آلتراسونیک 39شکل(2-15). استفاده از اشعه ایکس و گاما برای تعیین میزان شن تولیدی 40شکل (3-1).Set up آزمایشگاهی دانشگاه تولسا 49شکل(3-2). تابعیت از زاویهی برخورد ذرات برای مواد نرم و مواد شکننده 51شکل (3-3). مقایسه میزان سایش برای آب و نفت طبق رابطه سالاما 54شکل(4-1). دستگاه سیکل جریان سیال برای اندازه گیری سایش در خطوط لوله 59شکل(4-2). کوپنهای استفاده شده در آزمایشات 59شکل (4-4). نحوه اتصال بست، پیچ و واشر به یکدیگر 61شکل (4-5). سوار شدن کوپن روی پیچ نگهدارنده 61شکل (4-6). نحوه قرار گرفتن کوپن در: الف) زانویی، و ب) لوله عمودی 62شکل (4-7). محل و نحوهی قرار دادن کوپنها در جریان 62شکل (4-8). ذرات شن در سایزهای مختلف 63شکل(4-9). ترازوی استفاده شده برای توزین کوپنها با دقت پنج رقم اعشار 64شکل (4-10). سیستم آزمایش و مکان نصب کوپنها 65شکل (5-1). مقایسه میزان سایش سیال فاقد شن در سرعتهای مختلف برای هر شش کوپن 73شکل (5-2). تأثیر سرعت سیال بر مقدار سایش زانویی عمودی به افقی 74شکل (5-3). تأثیر سرعت سیال حاوی ذرات شن با غلظت بالا بر مقدار سایش کوپن آلومینیوم 76شکل (5-4). مقایسه سایش در دو حالت سیال فاقد شن و سیال با مقدار شن زیاد 76شکل(5-5). نحوهی توزیع شن در جریان درون لوله، الف) لوله افقی. ب) لوله عمودی 77شکل (5-7). تأثیر اندازهی ذرات بر مقدار سایش 79شکل (5-8). تأثیر غلظت ذرات شن بر میزان سایش 80شکل (5-9). تأثیر جنس (سختی) کوپن بر میزان سایش 81شکل (5-10). تأثیر دانسیتهی کوپن بر میزان سایش 82شکل(5-11). کوپن آلومینیومی. الف) قبل از تست ب) بعد از تست 85شکل(5-12). تصویر الکترونی از کوپن آلومینیومی قبل از سایش در سه مقیاس 86شکل (5-13). تصویر الکترونی از کوپن آلومینیومی بعد از سایش در سه مقیاس 87شکل (5-14). تصویرالکترونی از کوپن فولاد کربن دار قبل از سایش در سه مقیاس 88شکل (5-15). تصویرالکترونی از کوپن فولاد کربن دار بعد از سایش در سه مقیاس 89شکل (5-16). کوپن فولادی. الف) قبل از تست ب) بعد از تست 90شکل (5-17). حفرات ایجاد شده در سطح کوپنها با بزرگنمایی بالا 91شکل(5-18). ساختار الگوریتم ژنتیک 93 فهرست جدولها عنوان صفحه جدول (2-1). تأثیر غلظت شن بر روی سرعت بحرانی برای شیرهای مختلف 20جدول (2-2). تأثیر جنس فلز بر روی سرعت سایش 25جدول (2-3). سرعت سایش برای سیستمهای گاز میعانی با نسبت های مختلف میعانات بهگاز 28جدول (3-1). میزان خوردگی برای جریانهای گاز، مایع و نفت در سرعتهای مختلف 53جدول (3-2).ضریبتیزیدانههایشن 56جدول (5-1). فاکتورهای بررسی شده در آزمایشات 71جدول (5-2). تستهای گرفته شده 71جدول (5-3). سایش هر شش کوپن، در سرعتهای مختلف سیال فاقد شن برای کوپن آلومینیوم 75جدول (5-4). دادههای بدست آمده از مرحله دوم آزمایش 82 مقدمه 1-1- اهمیت سایش و خوردگی در صنعتپدیدههای خوردگی[1] و سایش[2] به عنوان یکی از آسیبها و چالشهای مهم در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی به حساب میآیند. پدیدهی خوردگی طبق تعریف، واكنش شیمیایی یا الكتروشیمیایی بین یك ماده، معمولأ یك فلزو محیط اطراف آن میباشد كه به تغییر خواص ماده منجر خواهد شد. فرایند خوردگي در صنعت، آثار زيان بار اقتصادي عظيمي را موجب میشود و براي کاهش آن کارهاي زيادي ميتوان انجام داد. برخي خسارتهای ناشي از خوردگي عبارتند از: ظاهر نامطلوب (مثلأ خوردگي رنگ خودرو)، مخارج تعميرات و نگهداري و بهره برداري، تعطیلی کارخانه، آلوده شدن محصولات، نشت يا از بين رفتن محصولات با ارزش مثل مواد هیدروکربنی و یا نشت مخازن حاوي اورانيوم 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. پدیدهی خوردگی در تمامی دسته‌های 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 یك 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 دانههای 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 پدیدهی 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 گازسایش 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 هزینهی 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 میشود (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 میشود، میتواند 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 میشود) 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 میتواند 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 بهرهبرداری (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].