دانشگاه شیراز

دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز

پایان­ نامه­ ی کارشناسی ارشد در رشته ­ی مهندسی شیمی

مطالعه آزمایشگاهی پدیده ی سایش گاز حاوی شن و قطرات مایع  در خطوط لوله

استادان راهنما

دکتر فریدون اسماعیل زاده

دکتر داریوش مولا

اسفند ماه 1394

چکیده

در این کار، به بررسی پدیده سایش ایجاد شده، به واسطه حرکت سیالات دو فازی و سه فازی در خطوط لوله پرداخته شده است. به این منظور یک دستگاه آزمایش خط لوله شامل: خطوط لوله عمودی و افقی و اتصالات مختلف ساخته شده است. سیال مورد بررسی متشکل از سه فاز گاز، مایع و جامد می­باشد. فاز گاز هوا، فاز مایع، آب می­باشد و ذرات شن نیز فاز جامد را تشکیل می­دهند. در این تحقیق پارامتر­های تأثیر­گذار بر نرخ سایش، از جمله: سرعت سیال گاز، سرعت سیال مایع، اندازه ذرات شن و سختی و دانسیته فلز مورد هدف، مورد مطالعه قرار گرفته است. برای بدست آوردن میزان سایش، از کوپن­های دیسکی از دو جنس آلومینیوم و فولاد در پنج مکان مختلف از جریان (مطابق با شرایط عملیاتی بهره برداری و انتقال مواد نفتی) استفاده شده است. در ابتدا سرعت سایش هوا و ذرات شن (دو فاز) در پنج مکان گفته شده اندازه گرفته می­شود و در مرحله بعد مطالعه سایش هوای حاوی ذرات شن و آب (سه فاز)، مورد بررسی قرار می­گیرد. در هر مرحله نتایج بدست آمده با مقادیر تعیین شده توسط استاندارد­های موجود مقایسه شده و راهکار­هایی ارائه می­شود.

نتایج نشان می دهد که در سرعت ظاهری ثابت هوا، با افزودن مقدار کمی آب به جریان هوا میزان سایش به شدت افت می کند. علاوه بر این سایش در جریان عمودی از جریان افقی بیشتر می باشد. همچنین میزان سایش در زانویی از لوله مستقیم بیشتر شده است.

کلمات کلیدی: سایش دانه­های شن، کوپن، سختی، غلظت شن، نرخ سایش

فهرست مطالب

  عنوان                                                                                                         صفحه

1-مقدمه:. 2

2-مبانی نظری تحقیق  5

2-1- تعریف سایش………………………………………………………………………………..5

2-1-1- نوع فلز هدف و زاویه برخورد 7

2-1-2- اثر سختی فلز هدف.. 9

2-2- تعریف خوردگی…………………………………………………………………………..10

2-2-1- حمله یکنواخت.. 10

2-2-2- خوردگی گالوانیک.. 11

2-2-3- خوردگی شکافی. 11

2-2-4- آبشویی ترجیحی. 11

2-2-5- خوردگی درون دانه ای. 12

2-2-6- خوردگی حفره ای. 12

2-2-7- خوردگی فرسایشی. 12

2-2-8- خوردگی تنشی. 13

2-3- مکانیسم های سایش.….…………………………………………13

2-3-1- سایش قطره ای: 13

2-3-2- سایش ناشی از دانه های شن و ماسه. 14

2-3-3- پدیده کاویتاسیون. 21

2-3-4- خوردگی سایشی. 22

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 کوپنها 26

2-5-2- دستگاههای اندازهگیری اولتراسونیک.. 29

2-5-3- کاوشگرهای مقاومت الکتریکی. 30

2-5-4- کاوشگرهای الکتروشیمیایی. 31

2-6- راهکارهای کاهش سایش………………………………………………………………..31

2-6-1- کاهش دبی تولید. 32

2-6-2- طراحی سیستم لوله کشی. 32

2-6-3- مواد مخصوص مقاوم در برابر سایش… 32

2-6-4- افزایش ضخامت دیواره لوله. 33

2-6-5- ممانعت از تولید شن و جداسازی آن. 33

3-مروری بر تحقیقات گذشته. 36

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 الکترونی. 73

5-7-2-آنالیز کوپن ها با میکروسکوپ الکترونی. 74

6-نتیجه گیری و پیشنهادات   83

6-1- نتیجه گیری.……….…………………………………………..83

6-2- پیشنهادات.…………………………………………………….84

7-منابع.………………………………………………………………86

فهرست شکل ها

عنوان                                                                                                        صفحه

شکل (1): نمایی از پدیده سایش… 5

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 پمپ.. 22

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 کوپن. 28

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 تولسا 46

شکل (24): نمای کلی از دستگاه سنجش سایش… 50

شکل (25): کمپرسور تامین هوا 51

شکل (27): نمایی از کمپرسور آزمایشگاه عملیات.. 51

شکل (28): دبی سنج هوا 52

شکل (29): ورودی سیستم قسمت تزریق آب و شن. 53

شکل (30): نمایی از دبی سنج مایع. 53

شکل (31): نمای لوله عمودی. 54

شکل (32): نمایی از زانویی عمودی. 55

شکل (33): نمایی از لوله افقی. 55

شکل (34): نمایی از زانویی افقی. 56

شکل (35): نمایی از لوله عمودی جریان رو به پایین. 57

شکل (36): الک های شن. 58

شکل (37): شن در اندازه ی 225 میکرون. 58

شکل (38): اندازه کوپن ها 61

شکل (39): نمایی از کوپن ها 61

شکل (40): تصویری از ترازوی با پنج رقم اعشار 62

شکل (41): تاثیر اندازه ذرات بر روی میزان سایش زانویی آلومینیوم عمودی 1اینچ. 65

شکل (42): تاثیر افزایش سرعت ظاهری آب بروی سایش لوله آلومینیوم عمودی 1اینچ. 66

شکل (43): تاثیر افزایش سرعت ظاهری آب بروی سایش لوله آلومینیوم افقی1اینچ. 67

شکل (44): تاثیر افزایش سرعت ظاهری آب بروی سایش زانویی آلومینیوم عمودی 1اینچ. 67

شکل (45): تاثیر افزایش سرعت ظاهری آب بروی سایش زانویی آلومینیوم افقی1اینچ. 68

شکل (46): تاثیر اندازه شن بروی سایش در جریان سه فازی زانویی آلومینیوم 1 اینچ. 69

 شکل (47): مقایسه لوله عمودی و زانویی عمودی آلومینیوم 1 اینچ. 70

شکل (48): مقایسه زانویی عمودی و افقی آلومینیوم 1اینچ. 71

شکل (49): مقایسه جنس مواد 72

شکل(50): کوپن آلومینیومی.  الف) قبل از آزمایش  ب) بعد از آزمایش… 74

شکل (51): تصویر الکترونی از کوپن آلومینیومی قبل از سایش در سه مقیاس.. 75

شکل (52): تصویر الکترونی از کوپن آلومینیومی بعد از سایش در سه مقیاس.. 76

شکل (53): تصویرالکترونی از کوپن فولاد کربن دار قبل از سایش در سه مقیاس.. 77

شکل (54): تصویرالکترونی از کوپن فولاد کربن دار بعد از سایش در سه مقیاس.. 78

شکل (55): کوپن فولادی.  الف) قبل از تست  ب) بعد از تست.. 79

شکل (56): حفرات ایجاد شده در سطح کوپنها با بزرگنمایی بالا. 80

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.