پوشش­های کامپوزیتی نوین در تعمیر خطوط لوله انتقال نفت و گاز با قابلیت استفاده در محیط های دریایی و خشکی

امروزه با توجه به اهمیت تعمیر و نگهداری خطوط لوله انتقال نفت و گاز، روش­های نوین جایگزین روش­های مکانیکی و سنتی قدیمی همچون تعویض کامل خطوط لوله و یا جوشکاری که نیازمند هزینه بالا، عملیات نصب بسیار مشکل، در کنار خطرات جانی و مالی بسیاری بوده­، گردیده­ اند. از اینرو تعمیر خطوط لوله با استفاده از جداره­ های کامپوزیتی که عمدتا از طریق لایه­ گذاری دستی در محل لوله­ ها و یا پخت کامل جداره های کامپوزیتی (clock spring) انجام می­گیرد، روز به روز افزایش یافته است. این روش­ها نیز در هنگام نصب جداره مشکلاتی را از قبیل عدم چسبندگی مناسب، کثیفی محل و غیره به همراه دارد. از طرف دیگر بدلیل تنوع آب و هوایی محل عبور خطوط لوله ­های انتقال نفت و گاز، اهمیت ساخت پوشش­های کامپوزیتی با قابلیت­های کاربرد همزمان در محیط­های On Shore و Off Shore و نصب سریع و آسان آنها را افزایش داده است. از اینرو شرکت­های بزرگ دنیا اقدام به تحقیقات گسترده پیرامون ساخت جداره ­های کامپوزیتی به روش پیش­ آغشته با کمترین آلودگی محیطی و انعطاف پذیری بالا جهت نصب در هرگونه سطحی مخصوصا در محیط­های زیر آب نمودند. در نسل جدید پوشش­های کامپوزیتی نوآوری در انعطاف پذیر و پیش­ساخته بودن آن بوده که امکان کاربری آن در سطوح و شرایط مختلف را میسر می­سازد.

 

۱- مقدمه

طبق گزارشی که در سال ۲۰۱۴ توسط مرکز خطوط نفت و گاز آمریکای شمالی منتشر شده است، پیش بینی می­شود که عمر بیش از ۶۰% خطوط لوله انتقال نفت و گاز در سرتاسر جهان، بالای ۴۰ سال باشد. با عنایت به مشکلاتی که سن بالای لوله­ های نفت و گاز همچون انفجار، نشتی و … ایجاد می ­نمایند، اولین تلاش­ها در تعمیر خطوط لوله انتقال نفت و گاز در آمریکای شمالی گزارش شده است، جایی­که سه کشور از شش کشور دارای بیشترین خطوط لوله انتقال نفت و گاز واقع شده­ اند. انفجار صورت گرفته ناشی از نشت خطوط لوله انتقال نفت در حومه سانفرانسیسکو که منجر به ۸ کشته، ۱۲۰ زحمی و ویران شدن ۳۸ خانه گردید، توجه به مقوله تعمیرات دوره ای لوله انتقال نفت و گاز را دو چندان نمود. بنابراین امروزه با توجه به حجم بالای فعالیت­های نفت، گاز و پتروشیمی در جهان و نیاز شدید به تعمیرات خطوط لوله انتقال با در نظر گرفتن اهمیت­های اقتصادی محصولات مذکور، تعمیرات خطوط لوله انتقال نفت و گاز یکی از دغدغه­ های صنایع بزرگ و شرکت­های بین المللی نفتی در جهان است. اولین روش­ها در تعمیر خطوط لوله انتقال نفت و گاز، روش­های مکانیکی و سنتی قدیمی مانند جایگزینی خطوط لوله (Pipeline Replacement) و بعدها روش جوشکاری آستین­­های فلزی (Welding metal Steel) نیز بدلیل هزینه­ های بالا وعملیات نصب بسیار مشکل، در کنار خطرات جانی و مالی ناشی از انفجار در حین تعمیرات، از ریسک بسیار بالایی برخوردار می­باشند. از اینرو تعمیر خطوط لوله با استفاده از فناوری پوشش­های کامپوزیتی (Pipeline Repair Composite wrap) جایگزین روش­های مکانیکی و سنتی گردید. این فناوری که با استفاده از پوشش­های کامپوزیتی صورت می­ پذیرد، بدلیل آنکه نیاز به از سرویس خارج نمودن خط لوله ندارد با استقبال بسیار زیادی در جهان روبرو گردید. این فناوری عمدتا از طریق دو روش لایه­ گذاری دستی در محل تعمیر لوله­ ها (Hand lay-up) و یا پخت کامل پوشش­های کامپوزیتی در محل کارخانه که مبتکر آن شرکت Clock Spring  بوده است، انجام می ­پذیرد. این روش­ها نیز در هنگام نصب جداره مشکلاتی را از قبیل عدم چسبندگی مناسب، کثیفی محل، نیارمندی به نیروی کاری متخصص و غیره به همراه دارد. از طرف دیگر بدلیل تنوع آب و هوایی محل عبور خطوط لوله ­های انتقال نفت و گاز، اهمیت ساخت پوشش­های کامپوزیتی با قابلیت­های کاربرد همزمان در محیط­های On Shore و Off Shore و نصب سریع و آسان آنها را افزایش داده است که با استفاده از روش­های لایه ­گذاری دستی در محل تعمیر لوله­ ها (Hand lay-up) و یا پخت کامل پوشش­های کامپوزیتی در محل کارخانه مشکل یا غیر قابل اجرا هستند. از اینرو شرکت­های بزرگ دنیا اقدام به تحقیقات گسترده پیرامون ساخت جداره ­های کامپوزیتی به روش پیش ­آغشته با کمترین آلودگی محیطی و انعطاف پذیری بالا جهت نصب در هرگونه سطحی مخصوصا در محیط­های زیر آب نمودند. در نسل جدید پوشش­های کامپوزیتی نوآوری در انعطاف پذیر و پیش ­ساخته بودن آن بوده که امکان کاربری آن در سطوح و شرایط مختلف را میسر می­سازد.

در فرآیند پیش آغشته که با دستگاه هایی با طراحی ویژه صورت می گیرد، الیاف تقویت کننده با رزین آغشته می­گردد ولی با اعمال شرایط پخت مشخصی، رزین به میزان جزئی پخت گردیده که تشکیل فرم کامپوزیت لواشکی شکل بدلیل عدم پخت کامل رزین، را منجر می شود. این جداره کامپوزیتی پیش آغشته تا زمان سرویس دهی خود می­تواند در بسته­ بندی­های مشخصی قرار گیرد و در موقع نیاز این جداره کامپوزیتی به راحتی درمعرض رطوبت، پخت کامل شده و سخت می­گردد و جداره کامپوزیتی با خواص مکانیکی همانند جداره­ های دیگر حاصل خواهد شد. در این روش با قرارگیری جداره کامپوزیتی در معرض رطوبت یا نور UV، جداره کامپوزیتی در مدت بسیار کوتاهی پخت می­گردد و همچنین این روش تنها روش قالبگیری کامپوزیت­هاست که توانایی استفاده همزمان در محیط­های آبی و خشکی را دارد. نکته قابل ذکر در این پوشش­ها، بهره­ گیری از فناوری به منظور بهبود خواص فیزیکی، مکانیکی کامپوزیت حاصل با هدف کاهش وزن محصول وکنترل مدت زمان و میزان ژل شدگی پیش­ آغشته صورت می­پذیرد.

 

۲- روش­ها:

همانگونه که در بخش تاریخچه فناوری اشاره گردید، در حال حاضر در سراسر جهان بدلیل مشکلات عدیده ­ای که روش­های مکانیکی سنتی شامل تعویض لوله و جوشکاری آستین­های فلزی در تعمیر خطوط لوله انتقال نفت و گاز ایجاد نموده اند، فناوری ­های مختلفی در تولید پوشش­های کامپوزیتی جهت تعمیر لوله­ های انتقال نفت و گاز جایگزین روش­های مکانیکی سنتی گردیده ­اند. این فناوری­ها شامل:

  • روش پخت کامل در کارخانه
  • روش پخت در محل تعمیر لوله­ ها
  • روش پیش ­آغشته

بنابراین نحوه تولید هر محصول به شکل زیر خواهد بود:

  • فناوری پخت در محل تعمیر لوله:

الیاف تقویت کننده (معمولا الیاف شیشه) در محل تعمیر لوله ها قابل تعمیر توسط رزین مایع خیس شده و سپس در همین حالت خیس بر روی لوله اعمال می­گردد (روش لایه گذاری دستی). پس اعمال پوشش کامپوزیتی بر روی خطوط لوله آسیب دیده، با اعمال شرایط پخت، کامپوزیت شکل گرفته و سفت می­گردد.

 

شکل ۱ – فناوری پخت در محل تعمیر لوله

  • فناوری پخت کامل در کارخانه:

کامپوزیت که شامل الیاف تقویت کننده و رزین ترموست پلیمری هستند، با روش­های رایج شکل­ دهی کامپوزیت­ها در مرحله تولید تقریبا کامل پخت شده و کامپوزیت در کارخانه تولید می گردد. این پوشش­های کامپوزیتی تولید شده در قطرهای اندکی کمتر از قطر خارجی لوله­ های آسیب دیده پیچیده می شوند و در هنگام اعمال بر روی لوله پوشش کامپوزیتی بر روی لوله پیچانده شده و توسط چسب لایه به لایه به دور لوله پیچیده می­شود. این فناوری توسط شرکت Clock Spring تحت همین عنوان اختراع گردید.

 

شکل ۲- فناوری پخت کامل در کارخانه

  • فناوری پیش­ آغشته:

 الیاف تقویت کننده با درصد مشخصی از رزین خیس می­گردد و به صورت نیمه پخت  می­شود. این کامپوزیت پیش آغشته لواشکی سپس در هنگام کاربری با اعمال شرایط ویژه همچون نور UV، حرارت یا رطوبت در مدت زمان کوتاهی پخت و قالبگیری می­گردد.

 

شکل ۳- فناوری پیش­ آغشته

به منظور بررسی وضعیت فناوری پیش آغشته و مقایسه آن با سایر فناوری­های رایج در روش تعمیر با پوشش­های کامپوزیتی جدول زیر تنظیم گردیده است.

جدول (۱): مقایسه فناوری­های رایج در ساخت پوشش­های کامپوزیتی جهت تعمیر خطوط لوله انتقال نفت و گاز

نوع روش

مزایا

معایب
روش پخت کامل در کارخانه –          کنترل جهت الیاف و درصد رزین و الیاف

–          حذف تنظیم پارامترهای متغیر با قطر خارجی لوله

–          خواص مکانیکی بهتر و یکنواخت تر

–          سرعت بالای اعمال پوشش کامپوزیتی پس از اندازه گیری­های دقیق ابعاد لوله و آسیب

–          تمیز بودن فرآیند

–          نیازمندی به اندازه گیری های دقیق و نیروی متخصص قبل از اعمال پوشش

–          عدم قابلیت اعمال بر روی سطوح با اشکال غیر منتظم یا لوله هایی با قطر پایین

–          عدم تغییر سایز و قطر پوشش در صورت ایجاد هرگونه تغییر در شرایط لوله آسیب دیده

روش پخت در محل –          امکان تعیین و تغییر مقدار و طول پوشش کامپوزیتی در محل

–          امکان تعمیر لوله هایی با اشکال غیر منتظم، لوله های T شکل ، اتصالات، فلنج ها و شیرها

–          عدم نیازمندی به اندازه گیری های دقیق قبل از اعمال پوشش

–          زمان و فرآیند پخت  به عنوان پخشی از عملیات نصب پوشش

–          ارزان قیمت

–          با تغییر شرایط محیطی و شرایط لوله میزان رزین مصرفی، شرایط پخت تغییر می نماید.

–          ساخت جداره و اعمال آن نیازمند نیروی متخصص می باشد.

–          کثیف بودن فرآیند

–          مصرف زیاد رزین

 

روش پیش آغشته –          کنترل دقیق درصد الیاف

–          کنترل ضخامت لایه­ها

–          کم کردن هزینه­ های کارگری

–          تمیز بودن فرآیند

–          کیفیت بالاتر

–          انعطاف پذیری بالاتر در مقایسه با روش تولید کامل در کارخانه

–          نیازمندی به دستگاه مخصوص جهت تولید کامپوزیت

–          دانش فنی ویژه Hi-Tech

–          نیازمندی به شرایط نگهداری ویژه به منظور جلوگیری از پخت شدن زودرس

 

 

ساخت کامپوزیت پیش آغشته:

در مرحله اول از ساخت کامپوزیت مذکور، در فرآیند پیش آغشته که با دستگاه هایی با طراحی ویژه صورت می­گیرد، الیاف تقویت کننده با رزین آغشته می گردد ولی با اعمال شرایط پخت مشخصی، رزین به میزان جزئی پخت گردیده که تشکیل فرم کامپوزیت لواشکی شکل بدلیل عدم پخت کامل رزین، را منجر می شود. این جداره کامپوزیتی پیش آغشته تا زمان سرویس دهی خود می­تواند در بسته بندی های مشخصی قرار گیرد و در موقع نیاز این جداره کامپوزیتی به راحتی درمعرض رطوبت، پخت کامل شده و سخت می گردد و جداره کامپوزیتی با خواص مکانیکی همانند جداره­ های دیگر حاصل خواهد شد. در این روش با قرارگیری جداره کامپوزیتی در معرض رطوبت، جداره کامپوزیتی در مدت بسیار کوتاهی پخت می­گردد و همچنین این روش تنها روش قالبگیری کامپوزیت­هاست که توانایی استفاده همزمان در محیط­های آبی و خشکی را دارد.

  1. یافته ­ها

همانگونه که در ادامه اشاره خواهد شد علی رغم آنکه قیمت مواد اولیه محصولات سنتی (خرید آستین فلزی و لوله جهت تعویض) کمتر از قیمت خرید مواد اولیه پوشش کامپوزیتی می­باشد. هزینه­ های نهایی تعمیرات به روش­های مکانیکی به دلیل هزینه­ های ناشی از هدر رفت مواد نفتی یا گاز، نیازمندی به توقف، هزینه­ های بالای نیروی انسانی ناشی از مدت زمان بالا جهت تعمیر و هزینه ­های دستگاهی بالا، بالاتر از روش­های پوشش­های کامپوزیتی می­باشد.

همچنین یکی از مهمترین فاکتور­ها در ارزش­ گذاری محصولات، ارزش افزوده­­ ای است که برای مشتری اصلی این محصول یعنی شرکت تعمیر و نگهداری خطوط لوله نفت و گاز ایجاد می­نماید. در کنار مبحث تحلیل رقابتی پوشش های کامپوزیتی، در ادامه به ذکر  نمونه از  ارزش افزوده ایجاد شده پوشش­های کامپوزیتی در مقایسه با روش­های سنتی در تعمیر خطوط لوله نفت و گاز پرداخته می شود.

طی گزارشی از مرکز Natural Gas STAR آمریکا، مقایسه ای بین هزینه­ های تعمیر خطوط لوله انتقال گاز  در دو روش سنتی جایگزینی خط لوله و تعمیر با پوشش­های کامپوزیتی بر روی خطوط لوله انتقال گاز با قطر ۲۴ اینچ برای طول ۶ و ۲۳۴ اینچ معادل ۱۵ و ۵۹۴ سانتیمتر صورت گرفت که در نمودارهای زیر مشاهده می­شود.

نمودار ۱- مقایسه هزینه­ های تعمیرات دو روش تعویض لوله و پوشش­های کامپوزیتی برای ۶ اینچ لوله با قطر ۲۴ اینچ

نمودار۲- مقایسه هزینه­ های تعمیرات دو روش تعویض لوله و پوشش­های کامپوزیتی برای ۲۳۴ اینچ لوله با قطر ۲۴ اینچ

همانگونه که در نمودارهای فوق اشاره گردیده است، سهم عمده ­ای از هزینه­ های تعمیرات متعلق به هدر رفت گاز و هزینه نیروی انسانی مورد نیاز هستند به گونه­ ای تعمیر خطوط انتقال گاز به روش پوشش­های کامپوزیتی برای متراژهای کمتر از ۳ متری، بین ۱۰ تا ۲۰% هزینه تعمیر به روش جایگزینی خواهد بود. این نسبت هزینه­ ها برای متراژهای بالاتر از ۳ متری بین ۷۵ تا ۸۵% خواهد بود به گونه ای که برای تعمیر ۶ متر لوله با قطر ۲۴ اینچ (حدود ۶۱ سانتی­متر) مبلغی در حدود ۳۵۰ میلیون ریال تفاوت هزینه­ های دو روش محاسبه گردیده است.

  1. نتیجه ­گیری

روش­های رایج در تعمیر خطوط لوله انتقال نفت و گاز استفاده می گردد که از بین آنها روش­های سنتی جوشکاری آستین فلزی و روش تعویض به دلیل هزینه­ های بالاسری بالا، خطرات جانی و مالی و کامل نبودن آنها به مرور در حال تحلیل هستند. در روش های کامپوزیتی که به سه روش، پخت کامل در کارخانه، روش پخت در محل تعمیر لوله ­ها، روش پیش ­آغشته استفاده می­شود.

 

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *