نمودار ۵-۲۷ تغییرات فشار سیال با سرعت ۱(m/s) ونسبت قطر ۷/۰ در حالت حرکت جسم ۸۸
نمودار ۵-۲۸ تغییرات نیروی فشاری با نسبت قطر برای سرعت های مختلف در حالت سکون استوانه ۸۹

نمودار ۵-۲۹ تغییرات نیروی فشاری با نسبت قطر برای سرعت های مختلف در حالت حرکت استوانه ۸۹
نمودار ۵-۳۰ تغییرات ضریب نیروی برشی با عدد رینولدز برای نسبت قطرهای مختلف در حالت سکون استوانه ۹۰
نمودار ۵-۳۱ تغییرات ضریب نیروی برشی با عدد رینولدز برای نسبت قطرهای مختلف در حالت حرکت استوانه ۹۱
نمودار ۵-۳۲ تغییرات ضریب پسا فشاری با عدد رینولدز با نسبت قطرهای مختلف برای استوانه ساکن ۹۲
نمودار ۵-۳۳ تغییرات ضریب پسا فشاری با عدد رینولدز با نسبت قطرهای مختلف برای استوانه متحرک ۹۲
نمودار ۵-۳۴ مقایسه نیروها برای یک پیگ واقعی و استوانه با نسبت قطرهای ۹/۰ و۹۵/۰ ۹۴
چکیده
پژوهش حاضر به منظور بررسی حرکت پیگ در خطوط لوله انجام پذیرفته است. باتوجه به اهمیت خطوط لوله در تامین منابع انرژی در جهان، پس از نصب و راه اندازی، تعمیر و نگهداری این خطوط از درجه اهمیت بالایی برخوردار می باشد که باعث شده امروزه توجه ویژه ای به طراحی پیگ ها بسته به نوع استفاده ای که می شود، صورت گیرد. بدین منظور با آغاز به مطالعه گسترده ادبیات پژوهش، ضمن ارائه یک مدل ساده شده از پیگ به صورت یک جسم استوانه ای در جریان سیال درون لوله، سرعت و گرادیان فشار سیال و تغییرات سرعت جسم به صورت تئوری مورد مطالعه قرار می گیرد و نتایج تئوری و تجربی سایر منابع نیز بیان می گردد.
سپس نیروهای پسا و برا بر اساس نتایج تجربی و معادلات حاکم بر جریان سیال بررسی می شود. از این رو جهت تحلیل دقیق تر با بهره گرفتن از نرم افزار فلوئنت میدان های سرعت، فشار، تنش برشی روی دیواره جسم و نیروهای وارد بر آن نمایش داده می شود. با مقایسه میان کلیه نتایج بدست آمده و همچنین بیان نتایج تجربی برای یک پیگ واقعی، میزان دقت و صحت پژوهش جهت بالا بردن راندمان پیگ مورد بحث و بررسی قرار می گیرد.
کلمات کلیدی: پیگ- سرعت سیال- گرادیان فشار سیال- تنش برشی- نیروی پسا و نیروی برا
مقدمه
امروزه صنعت نفت و گاز در جهان یکی از مهمترین و حیاتی ترین صنایع موجود می باشد. در کشور ما نیز به لحاظ منابع عظیم زیرزمینی نفت و گاز، حجم عظیمی از منابع درآمدی کشور از این راه تأمین می شود. لذا گسترده ترین مراکز صنعتی کشور در این زمینه است. حفاری چاه ها، مراکز بهره برداری، خطوط انتقال، ایستگاه های تقویت و تقلیل فشار، صنایع پتروشیمی و… را می توان در این زمینه نامبرد که بدون شک این صنایع در جهان جزو بزرگترین مراکز فنی و مهندسی هر کشوری می باشند.
پس از اینکه چاه های نفت و گاز حفر گردیدند وملزومات بهره برداری بر روی آنها نصب شد باید برای انتقال به مراکز پالایشی، صنعتی و مصرفی از خطوط لوله^[۱] استفاده شود. خطوط لوله به عنوان شاهرگ اصلی انتقال انرژی در جهان به شمار می آیند. پس از اینکه خط لوله ای نصب و به بهره برداری رسید، عوامل گوناگونی از جمله خوردگی^[۲]، خرابی لوله و گرفتگی خط، تعمیر خط لوله را ضروری می سازد. در هنگام نگهداری خط و حفاظت از آن در برابر عوامل مخرب از وسایل مختلفی برای جلوگیری و یا به تعویق انداختن خرابی لوله ها استفاده می شود، یکی از پر کاربردترین این وسایل پیگ^[۳] می باشد. پیگ ها، ابزارهایی هستند که داخل خط لوله توسط جریان سیال اعم از نفت، گاز، آب و… حرکت می کنند. معمولا برای از بین بردن مواد ته نشین شده که موجب مسدود شدن یا کند شدن جریان در خط لوله می شوند و یا شناسایی نقاط آسیب دیده، ترکها و خوردگی ها در خطوط لوله از این وسیله بازرسی استفاده می شود.
فصل اول
کلیات
۱-۱ بیان مساله
پیگ وسیله ای است که به شکل های مختلف و بسته به نیاز ساخته می شود. به منظور استفاده از آن، آن را در ابتدای خط قرار داده و به وسیله فشار سیال پشت آن به جلو می رانند و در انتها از خط خارج می کنند. از پیگ ها برای بالا بردن مقدار جریان عبوری از خط لوله استفاده می شود. هرگونه کاهش در ابعاد داخلی خط لوله باعث کاستن از میزان جریان عبوری از آن می شود. عملا نمی توان از یک خط انتظار بازده ۱۰۰% را داشت. اصطکاک و سایر عوامل فیزیکی باعث کاستن از میزان جریان سیال درون لوله می شوند. گرد و غبار همراه با گاز، پارافین ها، آب، سیالات چند فازی و شن و ماسه درون چاه که به همراه نفت و گاز خارج می شود باعث بروز مشکلاتی در امر انتقال می گردند. در تمام حالات گفته شده، آلودگی های همراه با مواد استحصالی باعث افزایش مقاومت در مقابل عبور جریان شده و راندمان خط را کاهش می دهند، در نتیجه هزینه انتقال افزایش می یابد.
به عمل استفاده از پیگ در داخل لوله، پیگ رانی گفته می شود. پیگ های اولیه برای تمیز کردن لوله به عنوان روشی کم هزینه وسریع مورد استفاده قرار می گرفته اند؛ ودر حال حاضر نیز پیگ رانی معمولی (برای تمیزکاری) استفاده ی فراوانی دارد. پیگ رانی هوشمند^[۴] نیز وظایفی از قبیل نظارت بر بدنه لوله وضبط اطلاعات هندسی لوله را نیز به عهده دارد. اندازه گیری میزان جریان عبوری از خط و مشاهده کاهش زیاد در جریان عبوری نشان می دهد که زمان آن فرا رسیده که خط موردتوجه قرار گیرد. تمیز کردن دوره ای به وسیله پیگ راهی است که ازخورده شدن لوله توسط مواد خورنده همراه با سیال جلوگیری می کند.
در این پایان نامه به بررسی حرکت یک جسم استوانه ای درون لوله به عنوان مدل ساده شده ای از یک پیگ، تحلیل دینامیکی^[۵] آن و مقایسه محاسبات هندسی ونرم افزاری با نتایج تحلیلی و تجربی یک پیگ واقعی پرداخته می شود. از آنجا که بررسی حرکت جسم جامد درون لوله به پارامترهای گوناگونی بستگی دارد بدست آوردن فرمولی جامع که این پارمترها را به هم مرتبط سازد عملا غیرممکن است به همین دلیل ساده سازی هایی در هنگام بدست آوردن وحل معادلات حاکم بر جریان صورت می پذیرد. جواب های بدست آمده باید با نتایج آزمایشگاهی و نیمه تجربی مقایسه شود تا از میزان دقت آنها اطلاع حاصل گردد. امروزه حل عددی و نرم افزارهای کامپیوتری کمک فراوانی به این امر نموده اند.
۱-۲ اهمیت وضرورت تحقیق
با پیشرفت علم و دانش و کشف منابع جدید انرژی همچون انرژی خورشیدی^[۶] وانرژی هسته ای^[۷] هنوز هم بدون شک، سوخت فسیلی^[۸] به جهت هزینه، سهولت مصرف و تبدیل به انرژی، فراوانی کاربرد و مزایای بسیاردیگر، منبع انرژی بی رقیب در جهان است. هرچندانرژی نفت و گاز درجهان رو به اتمام است اما براساس تحقیقات وپیش بینی های صورت گرفته تا افزون بر ۵۰ سال آینده نیز خطوط لوله به عنوان مهم ترین و اصلی ترین وسیله ی انتقال انرژی در جهان مورد استفاده قرار خواهند گرفت.
خطوط انتقال همانند رگ های بدن انسان، ماده حیاتی صنایع را به مراکز صنعتی، مصارف خانگی و پایگاه های صادراتی منتقل می کنند. بدیهی است امور مربوط به خطوط لوله انتقال نفت و گاز، خود یکی از با اهمیت ترین مسائل در صنعت است. طراحی، نصب، تعمیرات و حفاظت خطوط لوله از عمده ترین مسائل در این زمینه می باشد. گسترش روز به روز خطوط لوله در جهان واهمیت نگهداری وایمنی آن به خصوص لزوم نگهداری وبازرسی های پیوسته خطوط لوله باقدمت بالا، باعث شده است که به تازگی توجه بیشتری به مبحث پیگ و پیگ رانی معطوف شود.
مثال های زیر اهمیت بهره برداری و استفاده از حداکثر راندمان خط را نشان می دهند:

1. 1. هر یک درصد افزایش در کارایی یک خط لوله گاز که روزانه ۱۰۰ میلیون فوت مکعب معادل ۸/۲ میلیون مترمکعب گازرا انتقال می دهد، می تواند خروجی گاز در انتهای خط را روزانه یک میلیون فوت مکعب معادل ۰۲۸/۰ میلیون مترمکعب افزایش دهد.

1. 1. هرسه درصد افزایش در کارایی یک خط لوله نفت خام که روزانه ۵۰ هزار بشکه نفت خام معادل ۱۳۵۹۵۰ مترمکعب را جابجا می کند، می تواند خروجی درانتهای خط را روزانه ۱۵۰۰ بشکه معادل ۴۰۷۹ مترمکعب افزایش دهد.

در ایران نیز حدود ۱۴ هزار کیلومتر خطوط لوله با قدمت بالا وجود دارد که عملیات پیگ رانی هوشمند جهت بازرسی وضعیت داخلی آنها (خوردگی ، نشتی و…) انجام می گیرد. بسته به نوع استفاده از پیگ به عنوان تمیز کننده لوله یا ابزار تست های غیر مخرب^[۹] میزان اثر دینامیکی سیال پشت پیگ همواره اهمیت دارد، لذا برای آن که متوجه شویم پیگ با چه سرعتی حرکت کند ودر طول مسیر چه سرعتی داشته باشد باید تحلیل دقیقی از این اثرهای دینامیکی داشته باشیم تا بتوان آنها را کنترل کرد.
در زیر نمونه هایی از خرابی های خطوط لوله نمایش داده شده است.
جدول ۱-۱ انواع خرابی های خط لوله