شبیه‌سازی اثر تنش برشی امواج فراصوت هدایت شده در رسوب‌زدایی لوله 2 اینچ فولادی

پذیرفته شده برای ارائه شفاهی
کد مقاله : 1114-ISAV2025 (R1)
نویسندگان
1کارشناس ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک و انرژِی، دانشگاه شهید بهشتی
2استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک و انرژِی، دانشگاه شهید بهشتی
چکیده
رسوب‌زدایی در سامانه‌های لوله‌کشی و مبدل‌های حرارتی یکی از چالش‌های اساسی صنایع فرایندی به شمار می‌رود. استفاده از امواج فراصوت توان‌بالا به‌عنوان روشی نوین، غیرشیمیایی و بدون نیاز به حفره‌زایی (کاویتاسیون)، به دلیل ایجاد تنش‌های برشی و ارتعاشات موضعی در سطح مشترک رسوب و جداره داخلی لوله، موردتوجه قرار دارد. در این پژوهش، یک لوله فولادی با قطر ۲ اینچ در دو حالت دارای رسوب باضخامت ۰٫۵ و ۱ میلی‌متر، در بازه فرکانسی 30 تا 40 کیلوهرتز به روش اجزا محدود مورد تحلیل فرکانسی قرار می‌گیرد. با استخراج مد (0,1)L و استفاده از منحنی پاشندگی، طول‌موج و عرض مناسب ثابت نگهدارنده تعیین می‌شود. سپس مبدل فراصوت توان‌بالا با فرکانس تشدید ۳۵٫۶۶ کیلوهرتز طراحی شده و مجموعه لوله، مبدل و ثابت نگهدارنده در حوزه فرکانس تحلیل می‌گردد. نتایج نشان می‌دهد که افزایش ضخامت رسوب موجب کاهش اندک در فرکانس تشدید و افت محسوس در اثر تنش برشی ناشی از امواج فراصوت توان‌بالا است. همچنین، استفاده از آرایش یک، دو، چهار و شش مبدل در اطراف لوله نشان می‌دهد که در حالت رسوب ۰٫۵ میلی‌متر و با یک مبدل، مقدار بیشینه تنش برشی حدود 7/6 مگاپاسکال در فرکانس 33.35 کیلوهرتز است. بنابراین، با این روش می‌توان آستانه جدایش رسوبات از جداره لوله را تعیین کرد.
کلیدواژه ها
 
Title
Simulation ultrasonic guided waves' shear stress effect on two inch steel pipe descaling
Authors
Misagh Abron, Mohammadhossein Soorgee
Abstract
Descaling in piping systems and heat exchangers is one of the key challenges faced by process industries. The use of high-power ultrasound as a novel, non-chemical, and cavitation-free method has attracted attention due to its ability to generate shear stresses and localized vibrations at the interface between the scale and the inner wall of the pipe.
In this study, a 2” diameter steel pipe, covered by scale layers of 0.5 mm and 1 mm thickness, is analyzed in the frequency range of 30–40 kHz using the finite element method. By extracting the L(0,1) mode followed by dispersion curve analysis, the appropriate wavelength and width of the holding fixture are determined. Then, a high-power ultrasonic transducer with a resonant frequency of 35.66 kHz is designed, and the assembly of the pipe, transducer, and holding fixture is analyzed in the frequency domain.
The results show that increasing the scale thickness causes a slight reduction in the resonant frequency and a significant decrease in the shear stress effect generated by high-power ultrasonic waves. Moreover, examining configurations with one, two, four, and six transducers around the pipe reveals that for a 0.5 mm scale layer and a single transducer, the maximum shear stress reaches approximately 7.6 MPa at a frequency of 33.35 kHz. Therefore, this method can be used to determine the threshold for detachment of scale from the pipe wall.
Keywords
Pipe descaling, guided ultrasonic waves, Dispersion curve, high-power ultrasonic transducer, shear stress effect