شستشوی آهن از مسیر هوایی
شستشوی آهن از مسیر هوایی معمولاً از طریق بخشی از لوله برای پاک سازی خاک و شن صورت گرفته است . ترکیبات این پاک سازی باید براساس پیش بینی وضعیت لوله انجام بپذیرد . موثرترین راه برای پاک کردن خاک و شن توسط استفاده از شستشوی مغناطیسی که می تواند جایگزین روش های مرسوم شود .
لوله هایی که در معرض دریا هستند ممکن است در بخش هایی مشخص از آن ها دچار خمش شوند . مکانی برای خمش که در هنگام لوله گذاری اتفاق می افتد اکثراً شبیه به یک کمان قبل از فرود آمدن پر بستر دریا است . برای معین کردن این خمش اندازه گیری ، آهن تازه ریخته شده در پشت نقطه خمش کشیده می شود . اگر آهن تازه ریخته شده دچار خمش شده باشد ، خط بکسل محکم می شود و نشان دهنده لزوم جایگزینی بخش خم دار شده لوله می باشد . و سنجش و آزمایش بیشتر باید براساس پیش بینی شرایط لوله انجام بپذیرد . Caliper Pig می تواند برای سنجش آهن تازه ریخته شده پس از کامل شدن ساخت به کار رود . قابلیت Caliper Pig برای عبور فشار ( انقباض ) می تواند امکان تولید نوعی ضربه یا پارازیت را که به طور مهمی برای خطوط درون دریا مهم می باشند جایی که این می تواند خیلی سخت و گران برای قرار دادن یک Stuck Pig باشد .
به محض کامل کردن ساخت ، خط لوله باید از هر نوع کثیفی ، گل ، که می توانند به مواد سیال نیز سرایت کند پاک شود . این مواد سرایت کننده همچنین باعث کاهش تاثیر جلوگیری کننده های خوردگی فلزات نیز می شوند . عملیات پاک سازی به عنوان نمونه می تواند شامل فرستادن از طریق همراه جا به جایی آهن های تازه ریخته شده با ترکیبات متفاوت مناسب در شرایط خط لوله باشد . Gel Slug ها نیز برای برداشتن خاک و شن معلق درون لوله ها نیز تاثیر زیادتری دارند . جلوگیری کننده های پوسیدگی می توانند به درون لوله اضافه شوند .
پس از نظافت ، درون لوله آب برای تست هیدرو جاری می شود . هوا نیز باید کاملاً برداشته شود زیرا که باید خط لوله بتواند به طور موثری تحت فشار قرار گیرد . عملیات Pigging با جا به جایی Pig ها به طور طبیعی بهترین راه حل برای جاری شدن درون یک خط لوله است . استفاده از bidirectional batching pigs راهی مناسب برای عملیات آب گیری است . به محض تست موفق هیدرو ، آب به طور تدریجی جای خودش را به هوا ، نیتروژن یا تولید سیال است . هنگام آب گیری که عملیاتی معکوس از جاری ساختن آب است bidirectional batching pig برای جاری ساختن در لوله استفاده شده است . در خطوط لوله حامل گاز خشک کردن لوله برای جلوگیری از تشکیل هیدرات و waxy solid ها ضروری است. به این منظور متانول یا گلیکول را از درون لوله ها عبور می دهند . یکی دیگر از راه های خشک کردن به حالت خلاء درآوردن توسط پمپ خلاء است .
16.4.2 عملیات
در طی عملیات تولید سیال ، Pigging برای نگهداری موثر لوله ها از برداشت wax در خطوط حامل نفت و و مایعات در خطوط حامل گاز به کار رفته شده است . برخی اوقات عملیات Pigging برای تهیه میزان است . واکس ( wax ) خط لوله بنابر یک زنجیره طویل پارافین ساخته شده و ته نشین شده در خط لوله ، ناشی از تغییرات در فشار و دما توصیف شده است . گردآوری wax کاهش دهنده تاثیر قطر هیدرولیک خط لوله است از این رو خط لوله را موثرتر می کند . راه های متنوعی نیز برای برداشت wax وجود دارد . اغلب آن ها بروی اصول از جریان یابی پس از طریق بدنه pig می باشد . pig های برای برداشت wax باید برای دارا بودن ترکیبات القاح شده جریان یابی پس انتخاب شده باشد . کار pig همچنین صیقل دهنده wax های باقی مانده برروی جداره دیوار لوله و از این بردن سطحی برای مقاومت Low flow از شارهای تولیدی است . برای برداشت مواد که به سختی پاک می شوند . pig های به صورت تهاجمی وتدریجی بهترین راه حل می باشند . آن ها می توانند با مواد تمیز کننده که به این مواد ته نشین حمله می کنند استفاده شوند و یا در واقع تهاجمچنین موادی را بهتر کنند . این یک بکار گیری خیلی خاص می باشد که می تواند به طور طبیعی توسط شرکت های ارائه دهنده تنظیف خط لوله ارائه شوند . نمونه های از این مواد ته نشین معمولاً نیازمند آنالیز شیمیایی و تعیین بهترین مواد تنظیف کننده خط لوله است . برخی اوقات تنظیف شیمیایی برای برداشت نوعی خاص از مواد ته نشین شده لازم است . پاک سازی شیمیایی فرایند استفاده pig ها در اتصال با محیطی مساعد detergent – based detergent ها به معلق کردن مواد جامد کمک کرده و آن ها را از خط لوله بیرون می آورند و این پاک سازی نیازمند انتخاب بهترین ماده برای پاک سازی است . مواد شوینده بین cleaning pig , batching گرفته شده و به طور طبیعی یک slug از سیال در جلوی نخستین pig معرفی شده است . در خطوط برای حمل گاز ، انقباض مایع آب یا گاز می توانند وضع و برروی کف خط لوله جمع آوری شود . جمع آوری مایع کاهنده راندمان سیال خط لوله است . همچنین می توانند به توسعه Slug flow ، به علت مشکلات با پردازش امکانات بپردازد . نمونه های متفاوت از جا به جایی و پاک سازی pig ها برای برداشت و حذف مایعات وجود دارد . به خاطر این که گاز یک drive fluid است ، pig های استفاده شده برای برداشت مایعات در خطوط لوله گازی باید از ترکیبات بسیار خوبی برای مهر و موم باشد . spheres بهترین انتخاب برای برداشت نمناکی از خطوط گازی است . اکثر این سیستم ها به طور به کار گیری اتوماتیک است . تعداد زیادی از spheres ها می توانند درون لانچه های اتوماتیک بارگذاری شوند و همچنین به طوری برای فرکانس های پیش فرض نیز نصب شوند.در انتهای دریافت خط slug catcher برای گرفتن همه ی مواد آورده شده توسط یک sphere می باشد . بنابراین sphere ها طوری به کار می روند که به طور متناوب از افزایش ظرفیت slug catcher جلوگیری می کنند . خطوط لوله طراحی شده برای کره ها ممکن نیازمند اصلاح برروی لانچه ها و دریافت کننده ها به منظور اجرای pig های مرسوم باشند .
برای پاک سازی خطوط لوله با خوردگی داخلی شناخته شده ، pig های مخصوص موجود با Scraping Wire مستقل تجهیز شده که می توانند درون یک چاله خوردگی فرو رفته و مواد ته نشین را بیرون کشند .
برس ها برروی pig ها مرسوم به طور وسیع درونیک چاله نمی روند . برای کاهش خطوط لوله پوشیده شده داخلی ، انتخاب ترجیح داده شده یک pig با دیسک ها و کاپ ها می باشند زیرا که این می تواند به طور نرمال مواد ته نشین را ناشی از خصوصیات اتصال – تفلونی که نوعی پوشش پلاستیکی است را بردارد . شستشوی مرسوم pig ها با برس های " prostran " یا تیغه های Polyurethane همچنین می توانند در شستشوی داخل لوله به کار روند .
16.4.3 بازرسی
تنوع pig های هوشمند برای بازرسی خط لوله ها به کار رفته است . که این شامل آشکار سازی تنها فرو رفتگی خمش است بلکه همچنین شامل خوردگی ها ، ایجاد حفره ، ترک ، سوراخ و تدفین بخشی از لوله و اندازه گیری ضخامت دیواره ها نیز می شود . اطلاعات بدست آمده از عملیات Pigging برای ارزیابی سلامت ، اطمینان و یکپارچگی خط لوله به کار می رود .
پیوند شار-مفناطیسpigها برای آشکار کردن فرورفتگی ، خمش و سنجش Pipe ovality و ضخامت درون لوله به کار می رود .
اصل آشکار سازی پیوند شار – مغناطیس متکی به سنجش از بین رفتن مقدار فلز است ، از این رو اندازه فلز است . معمولاً یک سری از نظارت های به کار رفته شده در این سال ها نیازمند ایجاد چنین روند هایی می شود . پیوند شار – مغناطیس Pigging می تواند در خطوط لوله گاز و مایع استفاده شود . pig های آلتراسونیک هوشمند برای ساخت و ایجاد سنجش مستقیم از ضخامت دیوار از سطح داخلی لوله است . آن ها برای خطوط لوله حامل مایع بهتر می باشند و نمی توانند درون خط لوله های بدون liquid couplant به کار روند .
دهانه های خطوط لوله اساساً توسط بازرسی های خارجی با استفاده از Sonar side – Scan یا ROV پیدا شده اند . در سال های اخیر ، pig های neutton – scatter برای آشکار کردن ترک ها و سوراخ هایی درون خطوط لوله درون دریا با هزینه کمتر و دقت بالاتر به کار رفته است .
16.4.4 نگهداری
Pigging همچنین برای نگهداری خطوط لوله ، برای پوشش درون سطح از خط لوله ، تهیه مقاومت فشار و نصب شیرهای حامل اجرا می شود . اصولاً ، سطوح داخلی از اتصال های لوله به شکل پیش پوشش با یک ایپوکسی صاف می باشد . اخیراً یک سیستم Pigging برای پوشش سطوح داخلی خط لوله توسط نخستین پاک سازی توسعه داده شده و سپس از طریق تعدادی ازSlugs of epoxy paint به جلو هل داده شده است .
بستن در داخل دریا ، به ویژه آب های عمیق ، لوله ها برای نگهداری خیلی گران می باشند . با تکنولوژی پیشرفته ، امکان حمل برخی نگهداری ها بدون لوله ممکن است . در مکانی که به اندازه کافی شیرهای ایزوله سازی وجود ندارد ، کلید اتصال ممکن است به شکل Pigging درون خط لوله برای حذف مهر و موم در عملیات پایین دستی به کار رود .
بازدارنده های خوردگی که به طور طبیعی به درون خط تزریق شده اند از طریق خط با تولید شار حمل می شوند . برخی اوقات بازدارنده بین حالت ساعت 12 در می آیند . pig های مخصوص توسعه دهنده Spray inhibitor درون بالای لوله بنابر چیزی که از طریق لوله پیموده می شود . این از طریق تاثیر سیفون توسط شار بای پس از طریق سوراخ مخصوص طراحی شده برای برداشت بازدارنده از کف لوله می باشد .
16.5 روش Pigging
فشار و نرخ ( سرعت فشار ) هر عملیات Pigging باید پیروی کننده یک روش مطمئن که مناسب برای وضعیت خط لوله هست باشد . عملیات فشار Pigging و سرعت فشار سیال باید به دقت کنترل شود . سرعت شار رانده شده معمولاً بین 3 feet در هر ثانیه و 5 feet در هر ثانیه در طی Pigging است . دامنه پیشنهاد داده شده از عملیات فشار و سرعت شار در جدول //.16 معرفی شده است .
بازرسی pig . Pre – Run باید در یک وضعیت خوب باشد اگر ما قصد انتخاب آنرا داریم . اگر pig قبلاً اجرا شده است. باید برای وجود عدم وقفه در خط لوله آزمایش شود .آزمایش بیرون قطر سطح Pig's Sealing است . این قطر باید بزرگتر از قطر درون لوله برای نگهداری مهروموم است. بازرسی مهروموم سطوح برای اطمینان ازعدم وجود،حفره،گودی،سوراخ و دیگر خسارت ها می باشد . قطر غیر محدود از brush pig باید برای اطمینان این که برس ها دقیقاً به دیواره لوله می رسند آزمایش شود . به هنگام استفاده brush – type mandrel clening pig برس ها باید برای خوردگی یا جداشدگی معاینه شوند .
هر احتیاط باید برای جلوگیری برس ها از جداشدن در لوله انجام شود . از بین رفتن bristle می توانند به شیرها ، ابزار آلات ، دیگر تجهیزات خط لوله آسیب بزند . همه ی اجزاء از قالب type – brush ، Pig's باید برای اطمینان از محکم بودن و در وضعیت قرار داشتن آزمایش شوند .
Receiving وPig Lunching . pig لانچرها ، برای لانچ pig درون خط لوله استفاده شده اند و دریافت کننده pig برای دریافت pig ها پس از ساخت موفقیت آمیز آن ها استفاده شده اند . تدارکات در طراحی ایستگاه باید شامل استعمال تجهیزات برای pig های 20 اینچی و بزرگتر است . اعمال احتیاجی باید برای بخش مایع از pig traps گرفته شود .
روش لانچینگ pig پیش رو می تواند براساس راهنمایی برای توسعه روش عملیات به کار رود . هنگامی که سیاست شرکت ها طبق آن چه که Pig Launcher ها به عنوان سمت چپ جریان یا ایزوله شده از خط پس از لانچینگ pig ، اپراتور باید این را به اثبات رساند که trap از خط لوله ایزوله شده و انبساطی قبل از Commencing کردن در بخش از لانچینگ شده است .
به منظور Launch pig ، ممکن شوید که شیر ایزوله و شیر ضربه زننده بسته شده اند . در سیستم های مایع ، شیر درین را باز کرده ، هوای مجاز برای جا به جایی مایع توسط باز کردن دریچه تنظیم گاز داخل شود . هنگامی کهpig Launcher به طور کامل به حالت drained شد و هنگامی که شیر تنظیم گاز و درین باز است ، در trap ( closure) را ببندید و به نصب pig با nose firmly در تماس با کاهنده بین barrel و بخش نامی bore از لانچه بپردازید . و Closure Seal و دیگر سطوح Sealing را پاک کنید و در صورت لزوم از مواد روان کننده استفاده و در Closure را بسته و از آن اطمینان حاصل کنید . افتادن trap توسط باز کردن به تدریج دهانه شیر ضربه زننده و دریچه تنظیم گاز می باشد . هنگامی که این سقوط کامل شد ، بستن دریچه گاز برای تعدیل فشار در طی دریچه ایزوله سازی می باشد . دریچه ایزوله را باز کنید . pig برای لانچینگ آماده می شود و به طور نسبی دریچه اصلی بسته می شود . این باعث افزایش شار از طریق دریچه ضربه زننده و پشت pig می شود . ادامه دادن برای بستن دریچه خط اصلی تا زمان ترک pig ، trap درون خط اصلی بنابر مشخص شدن توسط pig signaler است . پس از این که pig ، trap را ترک کرد و وارد خط اصلی شد ، دریچه خط اصلی به طور کامل باز می شود . دریچه ایزولاسیون و ضربه زننده را ببندید . و فرایند pig launching کامل شود . برای دریافت pig ، مطمئن شوید دریافت کننده تحت فشار است . دریچه bypass را به طور کامل باز کنید . شیر ایزولاسیون را به طور کامل باز کنید و به تدریج دریچه خط اصلی را ببندید . pig signaler را برای ورود pig نظارت کنید . دریچه ایزولاسیون و بای پس را ببندید . شیر drain و تنظیم هوا را باز کنید . سنجش فشار را برروی دریافت کننده برای اطمینان از این که trap به طور کامل به شکل depressurized در آمده را چک کنید . trap closure زا باز کنید و pig را از دریافت کننده جدا کنید و از trap (closure) اطمینان حاصل کنید .
Freeing a " stuck " pig . اهداف از " pigging " این که خط لوله شامل نه تنها pig های در حال اجرا برای برداشت یک تولید یا تمیز کردن یک خط ، بلکه برای انجام کار بدون اتصال pig است . گرفتن pig stuck به ندرت در خط لوله هایی اتفاق می افتد که به شکل Pigged routinely هستند ، امّا می توانند به هنگامی که piggingخط لوله به شکل بسیار ناچیزی است و یا اصلاً قبلاً اتفاق نیفتاده به وقوع بپیوندد. این یک عملیات خوب برای اجرای یک چگالی پایین foam pig در هر خط لوله مشکوک و تست foam pig برای wear pattern ، سوراخ ، شکاف ها و غیره می باشد . ردیابی pig به طور نرمال برروی پروژه های بحرانی و به هنگام تلاش برای تعیین وضعیت stuck pig است . یک سیستم تعیین مسیر pig شامل انتقال دهنده نصب شده برروی pig ، آنتن و یک دریافت کننده که پیام های pig را ذخیره و ثبت می کند می باشد . به اضافه ، اپراتور می تواند سیگنال را در حین عبور از pig تحت آنتن ببیند و بشنود. آنتن و دریافت کننده به طور ساده در بالای زمین و در خطی با لوله و پیامی از pig که شنیده و دیده شده طراحی شده است . مسیریاب pig شنیداری ارزان نیز قابل دسترسی است . به هر حال آن ها نمی توانند برای پیدا کردن stuck pig استفاده شند زیرا که آن ها متکی به نویزهای pig بنابر ساختن حرکت از طریق خط هستند . برخی اوقات یک pig بدون انتقال دهنده برای رسیدن به دریافت کننده دچار خطا می شود زیرا که آن stuck را در خط بدست می آورد . به هنگامی که این اتفاق می افتد ، pig cup معمولا حرکتی رو به جلو و شار در اطراف stuck pig ادامه پیدا می کند . به منظور پیدا کردن stuck pig دیگر pig با یک انتقال دهنده لانچ شده و نزدیک به تمام نقاط که قابل خواندن است مسیریابی شده است . هنگامی که انتقال دهنده pig از اولین نقطه مسیریابی عبور کرد ولی هرگز به نقطه بعدی نرسید . فرض شده انتقال دهنده pig به stuck pig رسیده و هر دو به شکل stuck می باشند . و سپس خط به شکل walked و حامل آنتن و دریافت کننده تا مانی که transmitter pig به صورت pinpointed در آید و هر دو pig ها و //// جلو از pig ها توسط قطع لوله پشت برداشته شود .
ضمیمه A
شار چند فازی مایع – گازی در خط لوله
خط لوله درون دریا شامل خطوط لوله داخلی و خطوط خارجی است . خطوط لوله خارجی به انتقال نفت یا گاز از سکویا FPSO به سمت ساحل برای پردازش بیشتر می پردازد . شار درون خط لوله خارجی ( صادر کننده ) معمولاً به شکل گاز انقباضی یا شار نفت با مقدار کمی آب است . خطوط داخلی به نقل و انتقال well stream از طریق چند راه یا به شکل wells به سمت سکویا FPSO برده می شود . شار در خط داخلی معمولاً به شکل شار چند فازی گاز – نفت – آب برای میدان های نفتی یا گاز – انقباض – آب برای میدان های گازی است . بنابراین برای طراحی مناسب خطوط دریا ، فهم تاثیرهای شار چند فازی ضروری است . همه ی تضمین های شاری وابسته به عملیات خط لوله داخل دریا وابسته به شار چند فازی درون خط لوله می باشد . افت فشار یکی از بیشترین پارامترهای بحرانی برای اندازه گیری خط لوله است . برای یک شار تک فازه ، افت فشار اساساً توسط عدد رینولد که تابع ویسکوزیته شار ، چگالی ، سرعت و اندازه خط لوله است کنترل شده است . برای شار سه فازی گاز ، نفت ، آب ، افت فشار دورن لوله توسط ویژگی های زیر ارائه می شود :
* چگالی نفت ، آب و گاز
* ویسکوزیته ، آب و گاز
* سرعت ، آب و گاز
* حجم ، آب و گاز
* تنش میان سیال ها
* فشار سیستم و دما
هنگامی که نفت ، آب و گاز در یک زمان در خطوط لوله می باشد ، سه فاز می توانند در حالت های زیادی در خط لوله که ناشی از اختلاف چگالی میان سیال ها است توزیع شوند . این پیکر بندی فاز رژیم های شاری یا بخش های شاری نامیده می شود . که تفاوت از هر توزیع فضایی از واسطه های آب – نفت ، آب – گاز و نفت – گاز وجود دارد .
اختلاف واسطه های شار نتیجه اش در تفاوت هیدرودینامیکی شار به اضافه مکانیسم هایی از ممنتم ، گرما و جرم انتقالی میان سیال ها است . هنگامی که شار در رژیم های شاری مختلف ممکن است افت فشار متفاوتی را القاح کند ، برای اندازه گیری مناسب خط لوله پیش بینی رژیم شاری مهم می باشد .
این بخش پوشاننده ضروریات شار چند فازی است . روش های مشترک یا terminologies های استفاده شده در شار چند فازی تعریف خواهد شد . رژیم های شاری برای هم خط لوله افقی و عمودی طبقه بندی می شوند . انتقال رژیم شاری و مدل گذاری شار همچنین بحث خواهد شد .
در آخرین دهه یا بیشتر ، از شبیه سازی خط لوله استفاده شده که دارای منافعی نیز بوده است . در این شبیه سازی هم حالت پیوسته و یکنواخت و هم حالت گذرا استفاده شده است . این بخش مدل های ریاضی از این شبیه سازی خط لوله را مورد بررسی قرار داده است . که البته برروی فاکتورهایی که به دقت این شبیه سازی نیز تاکید دارند نیز تمرکز می کند .
A.2 مفاهیم شار چند فازی
این بخش به معرفی متغییرهای شار چند فازی که به طور مشترک استفاده شده می پردازد . حذف فشار بازیابی مفاهیم نیز بحث شده است . سرانجام ویسکوزیته امولوسیون آب – نفت به طور خلاصه شده است .
A.2.1 متغییرهای پایه شار
سرعت سطحی . سرعت سطحی را مایع یا گاز براساس نسبت سرعت شار حجمی گاز یا مایع برای کل لوله های نواحی متقاطع تعریف می شود .
(A.1)
(A.2)
که :
= سرعت سطحی مایع
= سرعت سحطی گاز
= شار سنج حجمی گاز یا مایع (flow rate)
= مساحت متقارن خط لوله
سرعت مختلط . این سرعت بنابر مجموع سرعت های سطحی گاز و مایع تعریف می شود .
(A.3)
که :
= سرعت اختلافی سیال است .
نگهداری مایع (Liquid Holdup) . براساس نسبت حجم مایع در یک بخش از خط لوله برای کل حجم خط لوله است .
که :
= نگهداری مایع
= حجم بخشی از خط لوله اشغال شده توسط مایع
= کل حجم خط لوله
(A.4)
نگهداری مایع (Liquid Holdup) تابع از هم زمان و مکان است .
Gas Void Fraction . براساس نسبت حجم گاز در یک بخش از خط لوله به کل حجم خط لوله تعریف می شود .
(A.5)
= Gas void fraction
= بخشی از خط لوله که توسط گاز اشغال شده .
به واسطه دو فرمول بالا روش است که مجموع نگهداری مایع و gas void fraction مساوی (یک) 1 می شود .
(A.6)
میانگین گاز و سرعت های مایع . اگر سرعت سطحی و نگهداری مایع شناخته شده باشد و نگهداری مایع نتواند تغییری طولی داشته باشد . میانگین گاز و سرعت مایع می تواند براساس زیر تعریف شود .
(A.7)
(A.8)
جایی که :
= میانگین مایع و سرعت گاز
= مساحت عرضی خط لوله اشغال شده توسط مایع و گاز به ترتیب می باشند .
سرعت لغزشی . این ناشی از اختلاف چگالی است ، هنگامی که گاز و مایع هم زمان درون خط لوله می باشند ، فاز گازی تمایل به سرعت بیشتری نسبت به فاز مایع دارد . گاز در واقع برروی مایع می لغزد . این سرعت لغزش براساس تفاوت میانگین سرعت گاز و مایع تعریف شده است .
(A.9)
در گاز همگن و شار دو فازی مایع ، لغزشی بین گاز و مایع وجود ندارد و سرعت لغزشی صفر است و بنابراین نگهداری مایع به آسانی از طریق زیر تعریف می شود .
(A.10)
حذف آب . در صنعت نفت ، یک پارامتر مشترک مورد استفاده مهندسین نفت به نام Water Cutاست که براساس نسبت شار سنجشی حجمی آب نسبت به کل آب و oil volumetric flow rate تعریف می شود .
(A.11)
جایی که :
= Water Cut
= به ترتیب flow rate حجمی آب .
چگالی مختلط . چگالی گاز و مایع که یک مخلوطی همگن است براساس زیر تعریف می شود .
(A.12)
= چگالی اختلاط گاز – مایع
= به ترتیب چگالی مایع و گاز
ویسکوزیته مایع می تواند به شکل ویسکوزیته آب ، نفت اختلاط آب – نفت می باشد .
به طور طبیعی ، ویسکوزیته اختلاطی آب – نفت می تواند در شرایط water cut محاسبه شود .
(A.14)
A.2.2 فقدان فشار و بازیابی
در شار تک فازی ، هنگامی که شار به سمت بالا و پایین می رود ، فقدان فشار ناشی از تغییر ارتفاع به طور کامل هنگامی که شار به سمت پایین می رود بازیابی می شود .
بنابر شکل A.1 (a) ، هنگامی که شارها از نقطه A به B در حال حرکتند ، فشار B کمتر از A به خاطر تغییر ارتفاع است . اما هنگامی که شار از B به C ادامه پیدا می کند ، فشار بدست آمده در نقطه C ناشی از تغییر ارتفاع مساوی کاهش یا فقدان فشار از نقطه A به B است . بنابراین با تک فازی ، فقدان فشار در شار بالا دستی می تواند به طور کامل در شار پایین دستی بدست آید .
اما نتایج مشابه ممکن است در شارهای دو فازی گاز – مایع درست نباشد . بنابر چیزی که در شکل A.1 (b) ،رژیم شاری در بخش شاری بالا (B به A) ممکن است مشابه (C به B) پایین نباشد. با داشتن نواحی مختلف شاری ، نگهداری مایع در هر بخش ممکن است مشابه نباشند . بنابراین ، فقدان فشار در بخش بالایی شار ممکن است به طور کامل توسط بخش پایینی بازیابی نشود .
A.2.3 ویسکوزیته امولوسیون آب – نفت
هنگامی که مخلوط درون خط لوله ، آب و نفت به ویژه نفت سنگین ، می تواند به شکل امولوسیون باشد . امولوسیون آب – نفت یک سیستم متجانس که شامل زیر قطره های آب پخش شده در یک فاز نفتی پیوسته ( W / O ) یا ریز قطره های نفتی پخش شده در یک فاز آبی پیوسته ( O /W ) است .
برای امولوسیون نفت در آب ( O / W) ، آب یک فاز پیوسته است و ویسکوزیته امولوسیون O / W توسط ویسکوزیته آب مسلط می شود . برای آب در نفت ( W / O ) ، نفت یک فاز پیوسته است . ویسکوزیته W / O یک تابع قوی از Water Cut و می تواند مقداری بیش از ویسکوزیته نفت یا آب داشته باشد . پارامترهایی وجود دارد که می تواند ویسکوزیته امولوسیون را تحت تاثیر قرار دهد . که آن ها عبارتند از ویسکوزیته آب و نفت ، water cut ، تنش میان آب و نفت ، خواص فیزیکی آب و نفت ، مواد شیمیایی فعال در سطح ، فاز جامد wax یا آسفالتن و همچنین دمای سیستم .
در طی این سال ها ، جستجوهای وسیع برای ساده سازی همبستگی بین ویسکوزیته آب نفت انجام شده است . اما پارامترهای زیادی این ویسکوزیته را تحت تاثیر خود قرار می دهند . هیچ کدام از این همبستگی ها نمی توانند به طور جامع مورد استفاده مهندسین قرار گیرند. در واقع بهترین روش برای تعیین ویسکوزیته امولوسیون آب نفت سنجش آزمایشگاهی امولوسیون از water cut مختلف در فشار ارتفاع دار و وضعیت دمایی است . نفت نمونه باید خام و انتقال داده شده از خط لوله باشد .
تنها یک جفت از همبستگی ها در این جا به عنوان مرجع درجه بندی می شود . برای سیستم diluted با تراکم فاز پراکنده کمتر از 10 درصد ،معادله کلاسیک اینیشتین می تواند استفاده شود.
(A.15)
که آن جا :
= ویسکوزیته امولوسیون
= ویسکوزیته فاز پیوسته
= مقدار حجم از فاز پراکنده
برای امولوسیون های تفلیظ شده پال و رودس همبستگی پیش رو را پیشنهاد می کنند .
(A.16)
جایی که :
= غلظت فاز پراکنده در ویسکوزیته امولوسیون که 100 برابر ویسکوزیته فاز پیوسته است .
A.3 طبقه بندی ناحیه شار
به خاطر خواص فیزیکی ، اختلاف بین مایع و گاز ، نواحی شاری مختلفی را هنگامی که این دو عامل به طور هم زمان در خط لوله هستند را ایجاد می کند . و این نواحی توسط اسطه هایی از هم جدا می شوند . مکانیسم هایی از جرم ، ممنتم ، انتقال انرژی بین فازها متفاوت می باشد و این در نواحی شاری نیز مختلف است . بنابراین شناخت نواحی گوناگون شاری در شارهای به شکل عمودی و افقی مهم است .
A.3.1 نواحی شاری گازی – مایع افقی
طبقه بندی نواحی شاری کاملاً اختیاری است و تا حد زیادی به مشاهدات شخصی بستگی دارد . برای یک وضعیت شاری داده شده ، افراد متفاوت ممکن است نواحی شاری گوناگونی را تعریف کنند . اما شار مساوی افقی گاز – مایع ، بیشترین نوع تقسیم نواحی پذیرفته شده است . این مورد در شکل A.2 نمایش داده شده است .
هنگامی که گاز و مایع به طور هم زمان در یک خط لوله افقی یا نزدیک به افق وجود دارند در Low gas و سرعت های مایع ، گاز و مایع کاملاً از هم جدا هستند . و گاز بالای مایع قرار می گیرد . واسطه گاز – مایع کاملاً صاف است.این ناحیه شار به نام Stratified smooth flow (SSF) نامیده می شود .
لایه ایی از SSF،هنگامی که شار گاز یا مایع افزایش می یابد،برخی موج ها در واسطه گاز مایع تولید می شود و این واسطه به شکل موجی در می آید و این شار Stratified wavy flow نامیده می شود .
اگر شار گاز بیش از این افزایش یابد ، موج در واسطه مایع گاز رشد می کند و برخی موج ها اندازه کافی را برای تماس با دیواره بالایی لوله را پیدا کرده و باعث بلوکه شدن شار گاز می شوند .
موج هایی که به اندازه کافی بزرگ هستند و می توانند باعث بلوکه شدن گاز شوند به نام liquid slug نامیده می شوند . این شار براساس slug flow تعریف می شود . در این حالت ، موجودی مایع در لوله به طور یکنواخت در طی محور لوله با وجود slug جدا شده توسط نواحی گازی ، توزیع نشده است . منطقه گازی شامل یک لایه مایع در کف لوله است . liquid slug ممکن است توسط حساب های گازی کوچک گاز دار شود .
اگر شار گازی حتی بیشتر شود ، انتشار گاز براساس هسته ایی در مرکز لوله می باشد و مایع مثل یک حلقه ایی در اطراف دیواره لوله جریان می یابد . اینحلقه مایع ممکن است به طور یکنواخت در طی محیط داخلی نباشد اما ضخامتش در کف از سقف بیشتر است .
برخی قطره های کوچک مایع ممکن است شامل هسته گازی باشند که چنین چیزی به نام annular flow نامیده می شود .
با شار گازی خیلی کم و شار مایع زیاد ، گاز به صورت حباب هایی گسسته در طی فاز پیوسته مایع در می آید . حباب های گازی معمولاً در شکل و اندازه یکنواخت نیستند و بیشترین جریان حباب ها در قسمت بالایی به خاطر اثرات رانشی است که این شار dispersed bubble flow نامیده می شود .
A.3.2 نواحی شاری گازی – مایع عمودی
نواحی شاری مشترک وابسته به شار هم زمان گاز – مایع عمودی در شکل A.3 نمایش داده شده است . هنگامی که سرعت جریان پایین است . گاز تمایل دارد که به حالت حباب هایی گسسته در فاز پیوسته مایع شود . این شار به نام bubble flow نام دارد . حباب های گازی که در اندازه و شکل پیوسته نیستند تمایل دارند در مرکز لوله و به شکل زیگراک حرکت کنند . هنگامی که سرعت شار گاز افزایش پیدا کرد . چگالی حباب گازی بالاتر می رود و مقداری از حباب هایی که سریع تر می روند توسط دیگر کوچکترها گرفته می شوند . و بزرگتر می شوند . در برخی نقاط حباب های بزرگتر گازی با شکل گلوله ایی در جلو ، که حباب های تیلور نامیده می شوند در شکل A.3 ظاهر می شوند . این شار slug flow نامیده می شود . به خاطر این که چگالی این گاز کوچک است،افت فشار در این حباب گازی به اندازه کافی برای پشتیبانی از لایه مایع اطراف حباب گازی کافی نمی باشد و لایه مایع سقوط می کند.لایه در حال سقوط مایع liquid slug که به طور متوالی حباب های تیلور را جدا می کند گرفته شده است . در liquid slug حباب های کوچک ورودی گاز نیز وجود داشته باشد . دو slug flow ، مایع در طی محور لوله که یکنواخت نیست ولی متناوب است گرفته و نگهداری می شود .
دیگر ناحیه شار در شار در فازی گاز مایع عمودی بالایی در واقع churn flow نامیده می شود . این توسط حباب های تیلوری که در slug flow شکسته می شوند تشکیل یافته است . بنابر حباب های تیلور، حباب ها باریکتر و به سمت حالت میرایی بنابر چیزی که در شکل A.3 نمایش داده شده است می روند . در زمان مشابه ، liquid slug بین حباب های تیلور توسط حباب های گاز تاثیر می پذیرند .
حتی با وجود این که churn flow براساس یکی از نواحی شار در شار عمودی دو فازی شناخته شده ، این یک مدل هیجان آور که بتواند chaotic physics را شرح دهد نیست . بنابراین تاکنون شناسایی نیز امری بدون استفاده بوده است .
اگر سرعت شار گاز خیلی بالا بود ، گاز بنابر یک هسته در مرکز لوله جریان می یابد . و مایع مثل یک لایه در دیواره داخلی لوله جریان می یابد . این جریان به نام annular flow نامیده می شود . داخل هسته گازی ، برخی قطرات مایع نیز وجود دارد . این ریز قطرات ورودی تعادل بین گاز و مایع را بالاتر می برند . و پیش بینی مقدار ریز قطرات مایع که توانسته اند وارد هسته گازی شوند . برای آنالیز ترمال – هیدرولیک مهم است .
اگر سرعت و گاز بالاتر رود،اصطکاک درون سطحی در واسطه گاز مایع در annular flow بالا می رود و لایه مایع توسط گاز از بین می رود . بنابراین ، همه ی شارهای مایع بنابر قطرات جداگانه در فاز گازی هستند . این جریان mist flow نامیده می شود و می تواند مثل یک شار متجانس عمل می کند .
A.4نقشه های نواحی شار گاز – مایع افقی
طبقه بندی براساس مشاهده تصویری از پدیده ایی که به طور تجربی دیده می شود انجام می شود . در کاربردها و شرایط مهندسی ، مشاهده تصویری ممکن است همیشه در دسترس نباشد و روش های ساده می تواند برای پیش بینی داخل نواحی شار خط لوله برای مجموعه داده ها از پارامترهای شار که مورد نیاز واقع شده به کار رود . نقشه های نواحی شاری برای تعریف انتقال گوناگون نواحی شار براساس اطلاعات تجربی یا مکانیسم مدل تعریف می شود .
برای شار دو فازی مایع گاز ، مندهان etal (1974) به توسعه یک نقشه شاری با استفاده از superficial gas و سرعت مایع بنابر مختصات می پردازد . نقشه در شکل A.4 نشان داده شدهاست . و براساس data point 6000 تجربی از خط لوله های با دارا بودن قطری بین 1/27cm و 16/51cm است .
با مختصات داده شده شار ( فشار ، دما ، سرعت شار حجمی ، اندازه لوله ) ناحیه شار می تواند با استفاده از نقشهبا گاز سطحی و سرعت مایعات تعیین شود . دوباره این که نقشه مندهان فقط برای شار دو فازی افقی مناسب است .
استفاده بیشتر از چنین نقشه ایی توسط Taitel , Dukler (1976) توسعه داده شد .
نقشه براساس مدل های مکانیکی بود و انتقال نواحی شاری توسط تفاوت پارامترهای شار در شکل بدون بعد ارائه شده که در شکل A.5 نمایش داده شده است .
در نقشه Dukler , Taitel ، ناحیه های شاری توسط منحنی های انتقال تعریف شده است . منحنی B , A توسط مختصات X , F تعریف شده است و منحنی C توسط مختصات X , K هنگامی که منحنی D تا X , T است تعریف شده است .
پارامترهای T ,K , F , X براساس زیر تعریف می شوند :
جایی که :
= شیب فشار برای شار گاز تک فازی
= شیب فشار برای شار مایع تک فازی
= زاویه انحراف خط لوله
= ویسکوزیته جنبشی مایع
A.5 انتقال ناحیه شار در مایع – گاز افقی
در خطوط لوله شار چند فازی درون دریا ، ناحیه شار ممکن است تغییر فضایی ناشی از تغییر ارتفاع خط لوله را به همراه داشته باشد . ناحیه شار ممکن است با زمان در میدان مربوطه به خاطر تغییر سرعت شار نفت ، گاز یا آب داشته باشد . تغییر شار از یک شار پایدار به یک شار ناپایدار هنگامی که سرعت شار با زمان کاهش پیدا می کند امکان پذیر است . چگونه پیش بینی ناحیه انتقال شار یکی از مهم ترین تحقیقات در زمینه شارهای چند فازی است . در این دهه تحقیقات زیادی صورت گرفته که می توان به زیر اشاره کرد .
A.5.1 انتقال از stratified flow به slug flow
Dukler , Taitel (1976) معرفی کننده یک مدل برای پیش بینی انتقال از stratified flow به slug flow است . در مدل آن ها ، جنبش موج در واسطه گاز – مایع قابل حذف شدن است . شرایط song (1994) که براساس مشاهدات تجربی بود ، در انتقال ، عمق آب درون لوله می تواند بالاتر شعاع لوله باشد و سرعت گاز خیلی بالا نیست .
بنابراین سرعت از موج منزوی در واسطه می تواند جانشین مقایسه با سرعت گاز در انتقال شود . یک مدل انتقال سپس توسط اصلاح Dukler , Taitel بدون کوچک شماردن جنبش از موج های منزوی در واسطه انجام شده است .
هنگامی که موج منزوی در سطح از یک لایه بی حرکت آب بنابر شکل A.6 تولید شد . سرعت موج از این موج منزوی می تواند براساس زیر تعریف شود :
(A.17)
جایی که :
= سرعت موج منزوی
= تعادل عمق آب
بنابر شکل A.6 ، فشار در پیک موج کمتر از سطح مایع جایی که هیچ موجی به خاطر چیزی که تاثیر //// نامیده می شود وجود ندارد . بنابراین ، تفاوت فشار بین wave crest و سطح fiat liquid وجود دارد . این اختلاف فشار موج را بر آن می سازد که رشد کند . به عبارت دیگر ، نیروی گرانش از موج رو به تنزل است . بنابراین وضعیت برای رشد موج مهیا است . به یک liquid slug تبدیل می شود که :
(A.18)
که در آن جا :
= فشار گاز برروی سطح صاف مایع
= فشار گاز برروی سطح به روی wave crest ( مانع موج(
= ارتفاع مایع در مانع موج
= زاویه انحراف لوله .
به خاطر جنبش موج ، روابط سرعت گاز نسبت به موج باید کاهش بیابند . توسط ناچیز شمردن نیروی گرانش گاز ، شار گاز می تواند براساس زیر تعریف شود .
(A.19)
جایی که :
= سرعت گاز در مانع موج
=سرعت گاز برروی سطح صاف مایع
توسط فرض چگالی گاز که به طور قابل توجه ایی با زمان و مسافت تغییر نمی کند و معدله پیوستگی گاز می تواند براساس زیر تعریف شود .
(A.20)
= مساحت عرضی اشغال شده توسط گاز در ارتفاع تعادل
= مساحت عرضی اشغال شده توسط گاز در wave crest
از طریق فرمول A.20 , A.19 معدله زیر بدست می آید .
(A.21)
با حذف فشار در معادله A.21 , A.18
(A.22)
برای توزیع کننده های کوچک ، ناچیز شمردن درجات بالاتر
(A.23)
(A.24)
از طریق معادله A.24 می توان فرمول زیر را بیان کرد .
(A.25)
به واسطه فرمول A.25 , A.22 ، حذف ارتفاع مایع در wave crest فرمول زیر را داده می شود .
(A.26)
و انتقال criterion از طریق زیر بیان می شود .
(A.27)
معادله A.27 از اصل معادله Taitel – Dukler توسط solitary wave velocity متفاوت است . (1972) Taitel – Dukler رابطه زیر را بیان کردند .
(A.28)
بنابراین معادله 27 به شکل زیر در می آید .
(A.29)
معدله A.21 معیاری برای انتقال از stratified flow به slug flow می دهد .
دیگر روش مشهور برای چنین انتقالی براساس ناپایداری کلاسیک کلوین – هلموتز است . هنگامی که یک گاز موازی سطح گاز و واسطه به شکل توزیع شده در می آیند ، فشار آیرودینامیک یک مولفه توسعه داده شده در ارتفاع و در پایین موانع می باشد . هنگامی که سرعت گاز به اندازه کافی بالا است . اختلاف فشار به اندازه کافی برای غلبه کردن به تاثیر پایداری گرانش بزرگ است. این پدیده به نام ناپایداری کلوین – هلموتز نامیده می شود .
برای موج های طویل با دامنه کوچک در شار افقی ، معیاری توسط ناپایداری کلاسیک کلوین – هلموتز توسط زیر داده می شود .
(A.30)
جایی که :
= ارتفاع ستون گازی معادله A.30 مشابه معادله A.29 است .
A.5.2 انتقال از slug flow به Annular flow
معادله A.29 نشان دهنده معیاری برای موج ها برروی سطح مایع برای به شکل غیر پایدار شدن است . اگر تعادل سطح مایع به اندازه کافی بالا باشد ، این مایع کافی در سیستم برای شکل دادن slug است . در غیر این صورت ، موج ها متمایل به اطراف دیواره لوله هستند و تبدیل به annular flow می شوند . هنگامی که موج به شکل هنگامی که موج به شکل غیر پایدار با افزایش دامنه می شوند ، مایع بیشتر نیازمند تقویت موج می باشند . مایع که از تعادل می آید نزدیک لایه موج است . برای شکل slug flow ، موج نیاز به تماس با دیواره بالایی لوله برای توقف کردن شار کاز دارد . بنابراین سطح مایع از لایه مایع تعادل کمتر از خط مرکزی نیست . اگر ارتفاع کمتر از خط مرکزی باشد ، موج عمودی قبل از این که پیک بتواند با دیواره بالا تماس پیدا کند به کف برخورد می کند و شکل slug فرم نمی گیرد . به علت دلایل بالا Taitel , Dukler معیار زیر را بین annular , slug flow پیشنهاد می دهد .
(A.31)
جایی که :
= قطر داخل لوله
برنا و همکارانش (1982) این ملاک را براساس مشاهداتی که مایع درون liquid slug در انتقال از یک (1) کمنر است یک معیار جدید را پیشنهاد دادند .
(A.32)
A.5.3 انتقال از شکل Stratified smooth به stratified wavy
هنگامی که سرعت گاز به اندازه کافی بالا است . موج برروی سطح مایع تولید می شود . این که موج چگونه تولیدد می شود پیچیده است و به طور کامل فهمیده نشده است . تاتیل و دوکلر (1976) با استفاده کردن از نظریه جفریس (1925 , 1926) برای انتقال بین دو عامل در A.5.3 فرمول زیر را بدست آوردند .
(A.33)
که :
C = سرعت انتشار موج
= ویزکوزیته جنبشی مایع
= ضریب Sheteriy
سرعت انتشار موج خیلی کمتر از سرعت گاز در انتقال است . تعداد مایع در انتقال ، این نیست 1 تا 5/1 می شود . برای سادگی ، تاتیل و دوکلر یک نیست از 1 /// استفاده کردند و فرض کردند که سرعت انتشار موج مساوی سرعت مایع است . بنابراین انتقال بین موج صاف و سرعت شار با فرمول زیر داده می شود .
(A.34)
A.5.4 انتقال بین slug flow و شار جناب متفرق شده .
در slug flow ، حباب های بزرگ گاز بین liquid slug های پی در پی یا متوالی وجود دارد . اگر شار مایع به اندازه کافی بزرگ باشد و شار گاز پایین باشد ، حباب های گاز منقبض خواهند شد و سطح مایع به بالای دیواره لوله می رسند . هنگامی که turbulence مایع به اندازه کافی بزرگ برای غلبه کردن به نیروی شناور که تمایل به نگهداری گاز در بالای حباب های بزرگ دارد . انتقال برای پراکنده شدن حباب ها اتفاق خواهد افتاد .
(A.35)
= نیروی شناور گاز
تاتیل و دوکلر (1976) معادله زیر را برای تخمین نیروی turbulence پیشنهاد کردند .
(A.36)
= نیروی turbulence مایع
= فاکتور اصطکاک مایع
= محیط واسطه مایع گاز
در انتقال ، نیروی turbulence خیلی بزرگتر از نیروی شناور است . بنابراین معیاری برای انتقال بین slug flow و شار حباب پراکنده شده می تواند از طریق زیر بیان شود .
(A.37a)
A.6 مدل کردن شار چند فازی ( مالتی فاز ) در خط لوله افقی
اهداف اصلی در مدل مالتی فاز محاسبه افت فشار و مایع نگهداری درون لوله است . بعد از تعریف نواحی مشترک شاری و معیار انتقال نواحی شار ، ما آمادگی مدل کردن و محاسبه شارهای مالتی فاز درون خط لوله هستیم .
در همه ی مول های محاسباتی ، ما شار چند فازی را درون لوله که به حالت پایدار است و به اندازه کافی توسعه داده شده است و پارامترهای شار از هم مستقل هستند را فرض می کنیم .
A.61 مدل شار stratified
دراین مدل شار با حالت پایدار ، سطح مایع تعادل در لایه مایع ثابت می باشد . گاز و مایع می توانند به شکل دو مایع جداگانه رفتار کنند . که براین اساس مدل "2- شاری " نامیده می شوند . شکل A.7 نشان دهنده مدل شار گاز – مایع افقی stratified می باشد .
گاز برروی بالای مایع قرار دارد . از طریق مقدار کنترل نشان داده شده در شکل ، فرض سرعت ها در مسیر جاری شدن شار ثابت می باشند ، معادله ممنتم برای مایع می توانند از طریق زیر بیان شوند .
(A.37b)
جایی که :
= فشار گاز
= طول حجم کنترل در طی محور
= shear tree به ترتیب در واسطه و اطراف دیواره لوله اشغال شده توسط مایع = پیرامون لوله به ترتیب در میان و wetted periphery
معادله بالا به شکل زیر می تواند ساده شود .
(A.38)
در معدله بالا ، تقریب آب کم عمق فرض شده است . بنابراین ، فشار مایع برای حجم کنترل
(A.39)
به طور مشابه ، معادله ممنتم برای فاز گاز
(A.40)
و توسط حذف فشار از دو معادله ممنتم معادله زیر را داریم .
(A.41)
تنش shear با استفاده از معادله پیش رو محاسبه شده است .
(A.42)
جایی که :
= به ترتیب فاکتور اصطکاک دیواره مایع ، دیواره گاز و واسطه است . براساس پیشنهاد تاتیل و دوکلر (1976) ، فاکتورهای اصطکاک می تواند برای شار turbulent محاسبه شوند .
(A.43)
جایی که :
= به تعریف قطر هیدرولیک مایع و گاز
قطر هیدرولیک براساس زیر تعریف می شود .
(A.44)
در آنالیز بالا ، فرض شده شار گاز سریعتر از مایع است . اگر شار مایع از گاز سریعتر باشد یک بخش در معادله A.41 ، برای فاکتور اصطکاک در واسطه منفی خواهد شد . بنابراین توسط گرفتن مقدار در دو حالت داریم .
(A.45)
جایی که :
+ = شاری گازی بیشتر از مایع
_ = شار مایع بیشتر از گاز
معادله A.45 می تواند برای حل کردن تعادل عمق مایع برای شار stratified حل می شود .
برای ساده سازی محاسبه ، کمیت بدون بعد زیر معرفی شده است :
(A.46)
تنش shear همچنین در پارامترهای بدون بعد بیان شده و سرعت سطحی
(A.47)
با جایگزینی معادله A.47 , A.46 در A.45 داریم .
(A.48)
این معادله برای شار افقی ، شار ثابت stratified با شار به هم ریخته می باشد . برای گاز داده شده و سرعت حجمی مایع و قطر لوله ، عمق مایع تعادل می تواند از طریق این معادله حل شود . نخستین عمق مایع شناخته شده است . مایع نگهداری شده نیز می تواند محاسبه شود . افت فشار نیز می تواند از طریق معادله A.38 تا A.40 محاسبه شود .
اگر شار مایع دارای لایه نازک به جای حالت turbulent باشد ، فاکتورهای اصطکاک می تواند براساس زیر محاسبه شوند .
(A.49)
معادله A.48 می تواند به شکل زیر تبدیل شود .
(A.50)
معادله 50 یک معادله stratified برای شار لامینار است . هنگامی که معادله A.48 و A.50 حل شد ، چندین راه حل برای عمق مایع در سرعت های سطحی پایین ممکن است موجود باشد ، که پیشنهاد استفاده از کمترین مقدار است .
A.6.2 مدل slug flow
Slug flow یکی از پیچیده ترین شارهای مسافتی فاز درون خط لوله است . و تحقیقات وسیعی برای توسعه این مدل و محاسبه چنین مدلی در دهه های قبل انجام شده است و نخستین مدل گسترده ذکر شده توسط دوکلر و هابارد در سال 1975 بود . Xiao و همکارانش (1990) یک مدل مکانیکی جامع را برای slug flow پیشنهاد کردند . اخیراً ، Zhang و همکارانش (2003) یک مکانسیم یکپارچه را برای slug flow گاز- مایع در خط لوله پیشنهاد کردند.مدل یکپارچه ادعا داشت که قابل کاربرد برای همه ی خط لوله ها با زاویه انحراف بین 90- تا 90+ درجه است . روش های استفاده شده توسط Zhang و همکارانش (2003) در این جا معرفی خواهد شد .
شکل A.8 نشان دهنده یک طرح از slug flow گاز – مایع در یک خط لوله نزدیک به افق است . چندین فرض در ارتباط با slug flow وجود دارد :
* شار حالت ثابت و به طور کامل توسعه داده شده است .
* هیچ حباب گازی در ناحیه لایه وجود ندارد .
* قطرات ریز مایع که دارد گاز شده اند در ناحیه بالایی از ناحیه لایه جای گرفته اند .
* هیچ لغزشی بین گاز و قطرات ریز مایع در جعبه وجود ندارد .
* هیچ لغزشی بین حباب های گاز و مایع در مجموعه slug وجود ندارد .
بنابر توضیحات دوکلر و هابارد (1975) هنگامی که liquid slug به سمت پایین حرکت می کند ، slug شارها را از ناحیه لایه در جلوی آن بر خواهد داشت . به هنگام حرکت کدام لایه مایع توسط slug برگشت داده می شود و برای سرعت slug شتاب می گیرد و یک eddy متخلط در جلوی slug وجود خواهد یافت . به خاطر eddy مختلط ، حرکت ذرات مایع در جلوی slug به شکل نامنظم در می آیند .
مایع از بدنه slug در پشت و شکل های ناحیه لایه مایع پشت slug به درو ریخته می شوند . مایع در لایه از سرعت slug کاهش پیدا کرده و توسط slug پی در پی برداشته شده است . با slug flow انتخاب کامل و پیوسته ، سیال ها از آن سیال هایی که به پشت ریخته می شوند برداشته می شوند . به خاطر برداشت سیال های slug از جلو ، سرعت آن ها یعنی slug در جلو بیشتر از میانگین سرعت slug است . سرعت slug جلو نامیده می شود .
گاز گیرنده جلویی ناشی از عملیات مختلط در slug front است . سرعت گاز بالاتر گاز بیشتری را وارد می کند . بنابراین مایع نگهداری شده ای بدنه slug معمولاً کمتر از 1 می باشد . slug flow می تواند درون دو ناحیه تقسیم شود . که این در شکل A.8 آمده است . یک ناحیه به نام ناحیه لایه است و شامل لایه مایع در کف و جعبه گازی در بالا است . بخش دیگر ناحیه slug است که شامل بدنه slug و حباب های گاز در بدنه است . مجموع ناحیه لایه و ناحیه slug به نام slug unit است . اگر یک سری slug unit را دارا باشیم ، شار slug به طور نرمال شاری پیوسته مثل دیگر بخش های شار می شود . به خاطر این که slug front در سرعت انتقال حرکت می کند ، در یک نقطه ثابت ، یک مشاهده از این سرعت ، در واقع سرعت ذرات شار نمی باشد . بنابراین با حرکت مختصات سیستم در سرعت انتقال باید عمل شود . انتخاب یک مقدار کنترل شامل ناحیه لایه ، معادله پیوستگی گاز و مایع می توانند از طریق زیر بیان شوند .
(A.51)
= مایع نگهداری شده درون بدنه slug
= مایع نگهداری درون لایه مایع
= مقدار مایع نگهداری شده درون هسته گازی یا جعبه گازی
= سرعت انتقال slug
= سرعت slug که مساوی سرعت مخلوط است
= سرعت هسته گاز
(A.52)
سرعت لایه مایع
با ترکیب A.52 , A.51
(A.53)
با تعریف ، تساوی های طول دستگاه slug نسبت به مجموع از ناحیه طول لایه ، طول
slug
(A.54)
و
(A.55)
جایی که :
= زمان مورد نیاز برای slug برای طی یک مسافت در دستگاه slug
(A.56)
جایی که :
= زمان مورد نیاز برای slug برای طی یک مسافت در ناحیه slug
درباره استفاده یک مختصاتی که در سرعت قابل انتقال حرکت می کند ، جرم تعادل مایع توسط زیر بیان می شود .
(A.57)
براساس معادله A.58 – A.54 ، می توانیم بدست آوریم .
(A.58)
به طور مشابه برای
فاز گازی
(A.59)
مایع نگهداری شده در هسته گازی وابسته به مقدار مایع ورودی که براساس زیر تعریف می شود .
(A.60)
دوباره با استفاده کردن کل ناحیه براساس مقدار کنترل ، معادله ممنتم برای مایع براساس ممنتم درون حجم کنترل ممنتم از حجم کنترل نوشته می شود .
(A.61)
= به ترتیب فشار برروی مرز چپ و راست است .
به طور مشابه ، معادله ممنتم برای جعبه گازی
(A.62)
= چگالی هسته گاز
هسته گاز وابسته به چگالی گاز و مایع از طریق
(A.63)
و توسط حذف فشار از فرمول A.63 , A.62 یک معادله ترکیبی ممنتم می تواند بدست آید .
(A.64)
معادله بالا معادله ارائه شده برای slug flow است . قبل از این که معادله بتواند حل شود . برای بدست آوردن مایع نگهداری ، افت فشار و دیگر پارامترهای slug flow نیاز است .
تنش shear می تواند طبق زیر ارزیابی شود .
(A.65)
Zhang و همکارانش یک معادله ایی را برای اتصال به تنش shear در دیواره لوله با تنش shear در میان گاز – مایع ارائه کردند .
(A.66)
جایی که :
= ارتفاع متوسط لایه مایع در ناحیه است و توسط زیر تعریف می شود .
(A.67)
فاکتورهای اصطکاک در دیواره لوله توسط تخمین زده می شوند .
(A.68)
برای شار لامینار ( عدد رینولد پایین تر از 2000 ) ، m=16 و n=1 ، برای شار turbulent ( عدد رینولد بالاتر 3000 ) و دیواره لوله صاف m=0/046 و n=0/2 . عدد رینولد برای لایه و هسته گاز براساس زیر تعریف می شوند .
(A.69)
(A.70)
(A.71)
مقدار مایع نگهداری شده در هسته گاز در معادله A.71 ناچیز شمرده شده است . برای محاسبه پیرامون لوله ، Zhang و همکارانش رابطه هندسی زیر را پیشنهاد کردند .
(A.72)
جایی که :
= اصطکاک دیواره لوله مرطوب شده توسط مایع با واسطه گاز – مایع صاف و غیر صاف به ترتیب می باشند .
= به ترتیب تنش سطحی آب و مایع و
(A.73)
(A.74)
دیگر معادله نزدیک برروی مایع ورودی در هسته گاز نیاز شده است . همبستگی بین اولیمن (1986) برای لوله عمودی در این جا معرفی شده است .
(A.75)
معادله A.75 براساس رگرسیون دیتا و همه ی ضرایب ثابت داده شده در زیر است .
Zhang و همکارانش یک مولی را برای محاسبه مقدار نگهداری در بدنه slug پیشنهاد دادند . همبستگی مشابه توسط گروری و همکارانش در این جا معرفی می شود .
(A.76)
سرعت slug مجموع از سرعت گاز سطحی و مایع سطحی است .
دیگر پارامتر که باید به طور مستقل محاسبه شود سرعت انتقال slug است .
Zhang معادله پیش رو را ارائه می کند که این براساس کار بندیسکن در سال 1984 است
(A.77)
همچنین Zhang معادله پیش رو را برای طول slug معرفی کرد .
(A.78)
از طریق معادله بالا ، برای شار افقی ، طول slug مساوی 42 بار قطر لوله و برای شار عمودی 16 بار قطر لوله است . پارامترهای slug flow اکنون می توانند از طریق همه ی فرمول های زیر محاسبه شوند . روش آزمایش و خطا نیز باید استفاده شود . و این حدس با مقدار طول لایه شروع می شود .
A.6.3 مدل شار Annular
در فشار ثابت annular ، اکثریت گاز و مایع جدا شده از شار گازی بنابر هسته ایی در مرکز لوله و شار مایع بنابر لایه اطراف جداره لوله نشان داده شده در شکل A.9 می باشند . برخی قطرات مایع درون هسته گازی وارد می شوند . بنابر شار stratified ، annular flow می تواند توسط مدل دو سیالی محاسبه شود . و همچنین فرض شده که هیچ حباب گازی در ناحیه لایه وجود نداشته باشد .
مشابه معادلات A.40 , A.38 ، معادله ممنتم برای لایه و برای هسته گازی می تواند براساس زیر نوشته شود .
(A.79)
و
(A.80)
زمانی که هسته گازی توسط لایه مایع محیط شده است . هیچ گونه تنش shear دیواره گازی در معادله ممنتم برای هسته گازی وجود ندارد .
معادله A.80 , A.79 می تواند با حذف فشار با هم ترکیب شوند .
(A.81)
تنش shear در معادلات A.71 , A.70 , A.69 , A.66 برای شار Annular وجود دارد.
(A.82)
جایی که :
= میانگین ضخامت لایه
هنگامی که فرض شد که هیچ گونه حباب گازی در لایه فیلم وجود ندارد . مایع نگهداری شده در لایه براساس زیر محاسبه می شود .
(A.83)
و مایع نگهداری شده در هسته گاز براساس زیر تعریف می شود .
(A.84)
معادله A.84 براساس تعریف کسر قطرات مایع ورودی است ، بنابراین سرعت هسته گاز براساس زیر تعریف می شود .
(A.85)
سرعت لایه مایع
(A.86)
آخرین همبستگی که برای حل کردن annular flow نیاز است فاکتور اصطکاک در میانه است . این همبستگی توسط Xiao و همکارانش (1990) بیان شده است .
(A.87)
فاکتور اصطکاک هسته می تواند با استفاده از معادله A.69 بیان شود . بنابراین توصیف شار annular کامل است . برای حل پارامترهای شار ، پیشنهاد برای شروع توسط حدس زدن توسط ضخامت لایه ، است . با حدس میانگین ضخامت لایه ، اگر معادله A.81 به وقوع بپیوندد ، ضخامت لایه حدس زده درست می باشد . و سرعت های شار مشابه ، مایع نگهداری ، و افت فشار با استفاده از معادله مطلوب حل شوند .
A.64 مدل شاری حباب پراکنده شده
در این حالت ، شارها – گازی بنابر حباب های ناپیوسته در یک فاز پیوسته می باشند . اگر فرض شود که هیچ لغزشی بین حباب های گازی و مایع وجود نداشته باشد ، شار حباب های متفرق شده می توانند براساس شار تک فازی پسودو (pseudo) عمل شوند . پارامترهایی مثل چگالی ، ویسکوزیته می توانند با استفاده از مایع non – slip بنابر چیزی که در بخش A-2 آمد محاسبه شوند . نخستین پارامتر محاسبه شده معادله شاری تک فازی بوده که می تواند برای افت فشار به کار رود .
مراجع :
ضمیمه B :
راه حل پایدار و ناپایدار برای دمای خط لوله
B.1 فرضیات
فرضیات زیر در مدل فرمول های زیر ساخته شده است .
1) گرمای اصطکاک القا شده ناپیز است .
2) انتقال گرما در مسیر رادیکال توسط سیال عایق کنترل شده است .
3) گرمای ویژه سیال ثابت است .
B.2 معادلات ناظر
شکل B.1 ارائه دهنده یک المان کوچک از لوله با لایه عایق است . چنین لوله ایی می تواند به خوبی انجام شود .
شار گرمایی در طی زمان تناوب را فرض کنید . تعادل گرما توسط زیر داده شده است .
(B.1)
= انرژی گرمایی آورده شده درون المان لوله توسط سیال ناشی از همرفت j
= انرژی دوره شده از المان لوله توسط سیال ناشی از همرفت j
= انرژی گرمایی انتقال داده شده از طریق لایه عایق ناشی از همرفت j
= تراکم گرمایی در المان لوله j
این بخش ها می تواند بیشتر به صورت فرمول گذاری در آید .
(B.2)
(B.3)
(B.4)
(B.5)
= چگالی سیال ،
= گرمای ویژه در فشار ثابت
= سرعت متوسط شار سیال در لوله ،
= مساحت عرضی از لوله باز برای شار سیال ،
= دمای سیال در حال کار ،
= زمان شار ،
= دمای از شار flowing – out ،
= شعاع داخلی از لایه عایق ،
= هدایت گرمایی از لایه عایق
= طول یک بخش از خط لوله
= شیب radial – temperature در لایه عایق
= افزایش دمای متوسط از سیال در یک بخش از لوله
جانشینی معادله (B.2) از طریق (B.5) در معادله (B.1) می دهد .
(B.6)
تقسیم همه ی معادلات بر
(B.7)
برای به صورت infinitesimal ، این معادله می شود .
(B.8)
شیب پرتو – دما در لایه عایق می توانند براساس زیر فرمول بندی شود .
(B.9)
جایی که :
= دمایی از لایه عایق بیرونی در
= شیب ژئوترمال ،
= زمان میل ، درجه
= ضخامت لایه عایق ،
جانشینی معادله (B.9) درون معادله (B.8)
(B.10)
(B.11)
(B.12)
(B.13)
B.3 راه حل
سه راه حل در این مطالعه دیده شده است .
راه حل A : شار ثابت
راه حل B : شار گذرا با سیال استاتیک بنابر وضعیت اولیه و
راه حل C : شار گذرا با سیال ثابت بنابر یک وضعیت اولیه .
راه حل A یک پروفایل A را در طی وضعیت عملیاتی نرمال می دهد . راه حل B شبیه تغییر دما در حین رخ دادن پروسه است ، و راه حل C دمایی که در پایان عملیات است .
B.3.1 انتقال گرمای ثابت
اگر جرم سرعت شار در یک زمان طولانی نگهداری شود ، یک انتقال گرمایی ثابت بین سیستم و محیط اطراف مورد انتظار است . تحت وضعیت ثابت ، دما در همه ی نقاط در سیستم به صورت استقلال زمانی است . بنابراین معادله (B.1) به صورت زیر می شود .
(B.14)
این معادله با شرایط مرزی حل می شود .
(B.15)
برای ساده سازی حل ، معادله (B.14) دوباره نوشته می شود .
(B.16)
جایی که :
(B.17)
(B.18)
و
(B.19)
فرض کنید
(B.20)
سپس
(B.21)
و
(B.22)
جانشین کردن (B.22) , (B.21) درون (B.16) می دهد .
(B.23)
انتگرال گیری ( یکپارچه سازی ) از این معادله با روش جداسازی متغییرها :
(B.24)
C مقدار ثابت انتگرال است . جانشین کردن (B.20) درون معادله (B.24) و دوباره نظم دادن نتیجه آن :
(B.25)
با به کار بردن شرایط مرزی (B.15) در معادله (B.25) مقدار زیر را می دهد :
(B.26)
B.3.2 انتقال گرمای زودگذر ( ناپایدار ) در طی staring – UP
پروفایل دما در لوله پروسه starting – UP می تواند توسط حل معادله (B.10) با شرایط اولیه بدست آید .
(B.27)
در نظر گرفتن یک خانواده از منحنی تعریف شده توسط معادله :
(B.28)
ویژگی ها به شکل زیر می باشند :
(B.29)
همچنین از معادله (B.28) داریم :
(B.30)
با استفاده از نکات (B.19) , (B.18) , (B.17) معادله (B.30) می شود :
(B.31)
که دقیقاً معادله (B.16) می باشد . راه حل آن مشابه معادله (B.25) است .
(B.32)
جایی که A مقدار ثابت انتگرال است . این ثابت برروی نمودار مشخصه متفاوت است . بیشتر این که هر نمودار ویژگی متفاوتی از K را دارا است . از این رو بنابر K های متغییر ، A نیز تغییر می کند و ما ممکن است را بنیسیم ، جایی که F یک تابع اختیاری تعیین شده است با نوشتن در معادله (B.32) :
(B.33)
با حذف K با استفاده از (B.29) فرمول زیر را می دهد :
(B.34)
و با به کار بردن شرایط مرزی (B.27) :
(B.35)
که می دهد :
(B.36)
بنابراین :
(B.37)
جانشین کردن معادله (B.37) درون معادله (B.34) نتیجه ایی در راه حل برای معادله (B.10) برای شرایط مرزی (B.27) انتخاب شده است . این راه حل برایمعتبر است . و برای نقاط در،باید استفاده کرد .
B.3.3 انتقال گرمای آنی از طریق تغییر سرعت شار
دمای در طول لوله در طی تغییر سرعت شار می تواند حل فرمول (B.10) با نوشتن یک سرعت جدید مشابه سرعت شار جدید نوشته و بیان شود . راه حل کلی هنوز نیز از طریق (B.34) با پارامتر جدید شبیه سرعت پایین می باشد . به عنوان مثال :
(B.38)
(B.39)
(B.40)
(B.41)
وضعیت مرزی تعریف شده توسط معادله (B.25)
(B.42)
جایی که ثابت C توسط معادله (B.26) داده می شود .
اکنون با به کار گیری شرایط مرزی (B.42) برای معادله (B.38) معادله پیش رو نتیجه می شود :
(B.43)
که :
(B.44)
بنابراین :
(B.45)
با جایگزینی معادله (B.45) درون (B.38) نتیجه ایی در حل معادله (B.10) برای شرایط مرزی (B.42) انتخاب شده است .
ضمیمه C
مقاومت De – Rating از خط لوله های قدیمی
C.1 معرفی
مقاومت خط لوله های قدیمی به خاطر چندین دلیل ممکن است کاهش یابد ، که خوردگی یکی از اصلی ترین عوامل محسوب می شود . این هنگامی تشدید می شود که لوله دارای حفاظتی مناسب نسبت به خوردگی نداشته باشد . مکانیسم خوردگی شامل خوردگی الکتروشیمیایی ، شیمیایی ، خوردگی stress – promoted می باشد . حفره در خط لوله به خاطر همین خوردگی ها ، یکی از عوامل مشترک می باشد . شکل C.1 نشان دهنده یک حفره نمونه ناشی از خوردگی است . و تنش نزدیک چنین حفره هایی باعث کاهش استقامت می شود . این اسناد بیان کننده فاکتورهای متمرکز تنش (SCF) در اطراف حفره های کره ایی با شکل های مختلف براساس کار Sun's (2003) است . استقامت De – rated از خط لوله مساوی استقامت یک خط لوله جدید تقسیم شده بر SCF است .
C.2 طبقه بندی حفره ها
برای ساده سازی آنالیز تمرکز تنش از حفره خوردگی برروی جداره لوله،سطوح کروی خوردگی ها در سه شکل طبقه بندی می شوند،کم عمق،متوسط و عمیق یک دیاگرام ساده شده برای سطح کرهایی در شکل C.2نشان داده شده است و جایی که tضخامت دیواره لوله است.h ,d به ترتیب قطر و عمق حفره خورده شده است . هنگامی که h مساوی ، حفره دقیقاً نیم کره ایی و بنابر حفره متوسط دیده می شود . حفره کم عمق بنابر یک حفره که مقدار h کمتر از تعریف می شود و این در حالی است که حفره عمیق این که مقدار h بزرگتر از است .
C.3 آنالیز مدل SCF برای حفره متوسط
با استفاده از ارزش پذیرفته شده توسط Wang (2001) برای آنالیز SCF ، sun (2003) بیان زیر را برای یک حفره نیم کره ایی به شکل زیر استخراج می کند .
(C.1)
جایی که ثابت توسط زیر داده می شود .
(C.2)
(C.3)
C.4 آنالیز SCF برای حفره کم عمق
(C.4)
(C.5)
(C.6)
(C.7)
(C.8)
(C.9)
(C.10)
C.5 آنالیز مدل SCF برای حفره عمق
(C.11)
(C.12)
(C.13)
(C.14)