ميدهد که شرکتهاي بهرهبرداري تمايل چنداني به انتشار اطلاعات در مورد مشکلات تأسيسات خود ندارد بنابراين آنچه که در مورد معضلات تجربه شده سايش منتشر شدهاست تمام ابعاد صنعت نفت را در برنميگيرد.
دليل ديگر براي نبود آمار و اطلاعات طبقهبندي شده در مورد سايش را شايد بتوان در پيچيدگي فرايند سايش جستجو کرد، مکانيزم پيچيده پديده سايش امکان نتيجهگيري کلاسيک و طبقهبندي شده بر پايه آمار را به صورت ميداني مشکل ميکند.

6-2 مکانيزم هاي سايش

مکانيزمهاي بالقوهاي که ميتواند سبب بروز پديده سايش به طور چشمگير گردد عبارتند از:
سايش ناشي از ذرات جامد96
سايش ناشي از برخورد ذرات مايع97
سايش-خوردگي98
پديده کاويتاسيون99

بطورکلي منبع اصلي ايجاد سايش در سيستم نفت و گاز، ناشي از وجود ذرات جامد (ماسه) در جريان سيال عبوري است اما بهرحال ديگر مکانيزمها نيز در شرايط خاص، نقش تاثيرگذار در پديده سايش دارند.
در ادامه علاوه بر مرور سايش در زانوييها در سيستمهاي توليد هيدروکربن، به تجهيزاتي که بيشتر در معرض سايش قرار دارند و همچنين تأثير جنس ماده بکار رفته در تجهيزات بر روي سايش، پرداخته ميشود سپس مکانيزمهاي مختلف سايش به تفصيل بررسي ميشود.

6-2-3 آسيب پذيري تجهيزات در برابر پديده سايش:

در خصوص آسيبهايي که پديده سايش به چاههاي نفتي وارد مي آورد، آقاي venkatesh تحقيقات خوبي انجام دادهاست]22[. بدون توجه به مکانيزم سايش، قسمتهاي از سيستمهاي توليد هيدروکربن که در شرايط زير قرار دارند، مستعد سايش هستند.

تغيير ناگهاني جهت حرکت سيال
سرعت جريان بالا (نرخ توليد حجمي بالا)
سرعت جريان بالا (ايجاد مانع در مسير جريان)

اجزايي از خط لوله که در بالادست جريان و قبل از تفکيکگرها قراردارند، در معرض مخلوطي از جريان چندفازي شامل گاز، مايع و جامد هستند لذا اين قسمتها بيشتر از اجزاء ديگر تحت تأثير سايش ناشي از ذرات جامد، سايش-خوردگي و سايش ناشي از برخورد ذرات مايع خواهند بود.
آسيبپذيري تجهيزات در مقابل سايش تا حد زيادي به طراحي و شرايط عملياتي وابسته است. بهرحال تجربيات بدستآمده نشان دادهاست که تجهيزات زير بترتيب آسيبپذيري بيشتري در مقابل سايش دارند.

کاهندههاي جريان(ماسوره ها)
جاههايي از خطلوله که بصورت ناگهاني قطر آن کاهش ميابد
شيرهاي نيمه بسته100 ، شيرهاي يکطرفه و شيرهاي که full bore نيستند
زانويي با شعاع استاندارد
سرجوشهايي که به درون لوله راه يافتهاند و قسمتهايي از لوله که در محل اتصال به فلنج، بطور کامل تطابق ندارد
زانويي با شعاع زياد
کاهندهها101
اتصالات T-شکل و اتصالات مسدودشده102
لولههاي مستقيم

6-3-2-1 جنس تجهيزات
نوع متريال نقش اساسي در رفتار سايشي فلز بازي ميکند. بطورکلي متريالي که در مقابل يک نوع از مکانيزمهاي سايشي از خود مقاومت نشان ميدهد در مقابل ديگر مکانيزمها نيز مقاوم است.
در سيستمهاي توليد نفت و گاز تقريبا تمامي تجهيزات از فلزات چکشخوار که آلياژ غالب آنها استيل است، ساخته ميشوند. البته موادي از جنس پلاستيکها و ترکيبات مشابه آنها نيز در ساخت تجهيزات کاربرد دارند.
در سيستمهاي که پديده سايش يک معضل اساسي است، استفاده از مواد مقاوم در برابر سايش مثل کربيدتنگستن توصيه ميشود.
در اين بخش بطور مختصر به چگونگي رفتار مواد مختلف در محيطهاي در معرض سايش، پرداخته ميشود.

6-3-2-2 فلزات هادي و مواد مرسوم ديگر
استيلها و ديگر فلزات و همچنين پلاستيکها بطورکلي خصوصيات سايشي هادي از خود نشان ميدهند. سايش ناشي از ذرات جامد در فلزات هادي در ابتدا توسط فرآيندي کهmicromachinig ناميده ميشود، آغاز ميشود. در اين فرآيند در اثر برخورد ذرات جامد به سطح فلز در يک زاويه برخورد معين، مقداري از فلز در محل برخورد با ذرات از سطح آن جدا ميشود. هر چه زاويه برخورد ذرات به سطح فلز مؤثرتر باشد، ذرات تمايل به دگرگون کردن سطح فلز دارند در اين حالت مقدار زيادي از سطح فلز جدا نميشود.
ارتباط بين جنس فلز و مکانيزمهاي برخورد ذرات مايع و همچنين سايش ناشي از پديده کاويتاسيون بعلت پيچيدگي موضوع، بخوبي توسط محققين توسعه داده نشده است.
سختي مواد اولين فاکتور کنترلکننده سايش براي فلزات هادي است. در حالتکلي مواد استيل نسبت به ديگر فلزات نرمتر داراي سختي بيشتري هستند البته استيلهاي گوناگون از درجه سختي مختلفي برخوردار هستند. موضوع بحث برانگيز اين است که آيا تفاوت در درجه سختي ميتواند به تنهايي منشأ تفاوت در رفتار سايشي استيلها باشد يا خير؟
Haugen و همكاران[23] پيشنهاد دادند که براي سرعتهاي برخورد کمتر از 100متر به ثانيه تفاوت در گريد استيلها نميتواند باعث تفاوت در رفتار سايشي آنها گردد.
بطورکلي پلاستيکها و کمپوزيتها مقاومت کمتري نسبت فلزات دارند اگر چه لاستيکها و بعضي از پليمرها در مقابل سايش ناشي از ذرات جامد کاملا مقاوم هستند زيرا اين گونه مواد ميتوانند انرژي جنبشي ذرات برخوردکننده را جذب و خنثي کنند.

6-3-2-3 مواد ويژه مقاوم در برابر سايش
در کاهندههاي جريان و ديگر تجهيزات آسيبپذير در مقابل سايش، از مواد ويژهاي مثل کربيدتنگستن، انواع پوششها و سراميکها استفاده ميشود. اين مواد عموما بسيار سخت و شکننده هستند. رفتار سايش مواد شکننده بسيار متفاوت است. برخورد ذرات به سطح اينگونه مواد سبب ايجاد شکاف ميشود و صدمات سايش بصورت خطي
در امتداد زاويه برخورد گسترش ميابد. در صورتي که ذرات بصورت عمودي به سطح مواد شکننده برخورد کنند، شکاف ايجاد شده عميقتر و سايش گستردهتر خواهد بود.
بسياري از اين مواد از مقاومت سايشي بالاتري نسبت به استيلها برخوردار هستند. در بعضي مواقع زير لايههاي اين مواد در اثر اصابت ذرات جامد و يا مايع کارائي خود را از دست داده و در ادامه کل پوشش بسرعت در برابر سايش ناتوان ميگردد.

6-4 سايش ناشي از ماسه يا ريز ذرات

مکانيزمهاي سايش ناشي از ذرات جامد، بطور گستردهاي توسط محققين مورد بررسي قرار گرفته است و موفقيتهاي خوبي در زمينه پيشبيني نرخ سايش بدست آمده است.
فاکتورهاي مهمي که در تعيين نرخ سايش ناشي از ذرات جامد نقش دارند عبارتند از:
نرخ توليد ماسه و نحوه انتقال آن به خط لوله
سرعت، ويسکوزيته و چگالي سيال جرياني
اندازه، شکل و سختي ذره جامد
6-4-1 توليد ماسه و انتقال آن
خصوصيات ماسه و همچنين نحوه توليد از مخزن و انتقال آن به سيستم توليد هيدروکربني، بر روي نرخ سايش ايجاد شده تأثيرگذار است. دبي توليد ماسه از يک چاه به فاکتورهاي پيچيده زمينشناسي وابسته است و به وسيله تکنيکهاي مختلفي قابل تخمين است. از جمله آن ميتوان به تکنيکهاي که توسط Marchino توصيف شده است، اشاره کرد]24[. معمولا در اوايل توليد از يک چاه نفتي يا گازي احتمال توليد ماسه و ذرات جامد وجود دارد هرچه از عمر چاه ميگذرد، نرخ توليد ماسه به يک مقدار نسبتا کم، تنزل پيدا ميکند در ادامه هرچه عمر چاه رو به فزوني ميگذارد، سازند توليدي رو به زوال و سستي گذاشته و احتمال توليد مجدد ماسه وجود دارد.
ميتوان گفت که غلظت آن در تأسيسات بالادستي قبل از اولين تفکيکگر، بين 1 تا 50 قدم (ppm)103 است]25[. اگر نرخ توليد ماسه در يک چاه کمتر از 5 تا 10 پوند در روز (5-10*2/1 تا 5-10*2/5 کيلوگرم بر ثانيه) باشد، معمولا اين چاه را عاري از ماسه در نظر ميگيرند البته لازم به ذکر است که همچنان احتمال رخداد پديدهي سايش براي اين گونه چاهها دور از ذهن نيست.
علاوه بر دبي توليد ماسه، مکانيزمي که ماسه تحت آن وارد سيستم ميشود نيز در نرخ سايش ايجاد شده تاثيرگذار است. سيستمهاي گازي به دليل سرعتهاي بالا (بيشتر از 10 متر بر ثانيه) احتمال رخداد پديده سايش در آنها بيشتر از سيستمهاي مايع است هر چه که در سيستمهاي شامل گاز مرطوب (دو فازي)، ذرات جامد ميتواند در فاز مايع به دام افتاده و در آن منتقل شود در سيستمهاي گازي شکلگيري گندلهها104 و سرعت گرفتن آنها درون سيال جرياني ميتواند سبب ايجاد سايشهاي قابل توجهي گردد.
اگر سيستم ناپايدار105 باشد و يا شرايط عملياتي تغيير کند، در زمانهايي که دبي سيال جرياني کم است، ذرات جامد درون سيستم تجمع ميکند و در هنگام افزايش دبي سيال جرياني اين ذرات تجمع يافته به طور ناگهاني به حرکت درآمده و سبب ايجاد سايش بيشتر در سيستم ميشود. بنابراين شرايط عملياتي و ديگر مکانيزمهاي جرياني ميتواند سبب تجمع ماسه در سيستمهاي انتقال گرديده و نرخ سايش را افزايش دهد.
نرخ سايش به شدت به سرعت برخورد ذرات جامد به ديواره بستگي دارد ميتوان گفت که نرخ سايش به طور تناسبي به سرعت برخورد ذرات در يک توان مشخص n (بين 2 تا 3 براي استيلها).
معمولا زماني که سرعت ذره به سرعت سيال حامل آن نزديک ميشود پديده سايش جديتر خواهد بود. در حالت کلي پديده سايش براي سرعتهاي بالاي سيال جرياني محتملتر است افزايش ناچيز سرعت سيال جرياني ميتواند باعث افزايش قابل توجه نرخ سايش در يک سيستم گردد. در سيالاتي که ويسکوزيته بالايي دارند ذرات جامد معلق تمايل چنداني به ضربه زدن به ديوارهي سيستم حامل جريان ندارند و بيشتر درون سيال به حرکت خود ادامه ميدهد. در مقابل، سيالاتي که از ويسکوزيته پاييني برخوردار هستند ذرات معلق در يک خط مستقيم به حرکت خود ادامه ميدهند. وقتي مسير جريان تغيير پيدا کند (مثل زانويي ها)، بيدرنگ به ديواره برخورد ميکنند. بنابراين جريانات گازي بدليل دارا بودن ويسکوزيته و چگالي پايين و سرعت حرکت بالا، در صورتي که حاوي ذرات جامد معلق باشد، پديده سايش بسيار محتمل است.

6-4-2 اندازه، شکل و سختي ذرات جامد
اندازه ذرات جامد به خصوصيات زمين شناختي سازند توليدي، غربالهاي ماسه درون چاهي و ميزان شکستگي آنها در حين انتقال از مخزن به سطح بستگي دارد.
در بعضي مواقع بمنظور جلوگيري از توليد ماسه از غربالهاي درون چاهي استفاده ميکنند. اين غربالها معمولا مانع از انتقال ذرات ماسه با اندازه بيشتر از 100 ميکرون به سطح ميشوند. اندازه ذرات ماسه معمولا بين 50 تا 500 ميکرون است.
يک ذره ماسه بطور متوسط چگالي در حدود 2600 کيلوگرم بر مترمکعب دارد. ذرات بسيار کوچک (کمتر از 10 ميکرون) درون سيال حرکت کرده و بندرت به ديواره برخورد ميکنند. ذرات بزرگتر در يک مسير مستقيم حرکت کرده و تنها زماني که مسير جريان تغيير کند احتمال برخورد به ديواره وجود دارد. ذرات بسيار بزرگ (بزرگتر از 1ميليمتر)، درون سيال جرياني به آهستگي حرکت ميکنند و احتمال تهنشيني و برخورد آنها به ديواره و آسيب رساندن به سيستم بسيار زياد است.
کاملا واضح است که ذراتي با درجه سختي بالا قدرت تخريب بيشتري نسبت به ذرات نرمتر دارند. همچنين شواهد بسيار زيادي وجود دارد که ذرات ماسه نوک تيز، قدرت سايشي بيشتر نسبت به ذرات گرد دارند.
با اين وجود هنوز بطور يقين نميتوان گفت که تفاوت در ميزان سايش در چاههاي مختلف ناشي از تفاوت در سختي و شکل
ذرات جامد همراه سيال توليدي است.

6-5 سايش/ خوردگي

ميزان خسارات ناشي سايش-خوردگي را ميتوان بوسيله بازرسي از خط لوله آسيبديده و يا در نظر گرفتن شرايط عملياتي تخمين زد. تشخيص اينکه آسيب بوجود آمده ناشي از سايش بوده يا خوردگي، چندان مشکل نيست. سايش معمولا به صورت ايجاد شيار، حفره و يا الگوهاي مشابه در محلهايي که سرعت جريان زياد است، نمايان ميشود. خوردگي اغلب گستردگي بيشتري داشته و با محصولات خوردگي و زنگزدگي از سايش تميز داده ميشود. و پديده سايش-خوردگي ناشي از ترکيب اثرات سايش و خوردگي است. Shadley و همکاران]27[ اثبات کردند که ميزان تخريب پديده سايش-خوردگي تا حد زيادي به توازن بين فرآيندهاي سايش و خوردگي بستگي دارد.
در سرويسهاي خورنده که عاري از ذرات جامد هستند، خوردگي در تأسيسات نو تا هنگامي که يک پوسته شکننده (محصول خوردگي) سطح فلز را بپوشاند، کاهش چشمگيري ميابد.
در جريانهاي خورندهاي که قدرت سايش بالايي دارند، پوسته شکننده106 قبل از اينکه بتوانند در پديده خوردگي نقش ايفا کند، توسط جريان سايشي از بين مي رود بنابراين در اين شرايط، عمده صدمات ايجاد شده روي سطح فلز، ناشي از سايش خواهد بود. در شرايط متعادلتر، پديدههاي سايش و خوردگي ميتوانند تعامل بيشتري با يکديگر داشته باشند در اين شرايط پوستهها فرصت تشکيل دارند اما بتدريج توسط ذرات سايشي از بين ميروند. تعامل بين مکانيزمهاي سايشي و خوردگي سبب ايجاد حفرههايي روي سطح فلز ميگردد (شکل6). نرخ خوردگي در اين شرايط چندين مرتبه بزرگتر از سرويسهاي است که تنها تحت تاثير سايش و يا خوردگي هستند، ميباشد. بدليل پيچيدگي مکانيزمهاي سايش-خوردگي، پيشبيني نرخ نفوذ107 فلز بسيار مشکل است. بوسيله کنترل شرايط عملياتي و حذف يکي از شرايط سايش و يا خوردگي ميتوان از بروز پديده سايش-خوردگي اجتناب کرد (شکل6).

شکل شماره 12: حفره هاي ايجاد شده در جريان مخلوط آب، دي اکسيد کربن و ماسه]27[

6-6 سايش ناشي از اصابت قطرات مايع

مکانيزم اين نوع سايش، در مقايسه با سايش ذرات جامد کمتر شناخته شده است. اين نوع سايش بطور مشخص در سيستمهاي گاز مرطوب و چندفازي اتفاق ميافتد در اين گونه سيستمها قطرات مايع فرصت شکلگيري پيدا ميکنند. در اين حالت نرخ سايش به فاکتورهاي زير بستگي دارد:
اندازه قطرات مايع
سرعت برخورد
تداوم اصابت قطرات مايع
چگالي گاز و مايع
از آنجايي که بسياري از فاکتورهاي بالا در شرايط ميداني قابل اندازهگيري نيستند از اينرو پيشبيني نرخ سايش مشکل است، حتي در شرايط آزمايشگاهي نيز کنترل تمامي اين فاکتورها مشکل است بنابراين جهت تعميم نتايج آزمايشگاهي به شرايط ميداني، دقت زيادي لازم است.
در سيستمهاي جريان اگر احتمال وقوع سايش ناشي از قطرات مايع وجود داشته باشد، تنها روش کاربردي اين است که با ايجاد تغييراتي در شرايط عملياتي از ميزان تاثير اين نوع سايش کم کرد.
Salama و venkatesh جزو اولين محققيني بودند که اظهار داشتند سايش در سيستمهاي عاري از ذرات جامد، تنها در سرعتهاي بسيار بالا اتفاق ميافتد ]26[. در سرعتهاي بالا بدليل ايجاد افت فشار ناخواسته، شرايط براي جدا شدن قطرات مايع از سيال جرياني و برخورد با سطح فلز فراهم است. بمنظور جلوگيري از صدمات سايشي ناشي از اصابت قطرات مايع، سيستمهاي بهرهبرداري نفت و گاز ميبايست از يک طراحي دقيق و صحيح برخوردار باشند.
فرمول ذيل توسط سالاما و ونکاتش جهت کاهش صدمات


دیدگاهتان را بنویسید