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

مقدمه

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 و عملیات نصب بسیار مشکل، در کنار خطرات جانی و مالی بسیاری بوده­، گردیده­‌اند. از این رو تعمیر خطوط لوله با استفاده از جداره­‌های کامپوزیتی که عمدتاً از طریق لایه­‌گذاری دستی در محل لوله­‌ها و یا پخت کامل جداره‌های کامپوزیتی (clock spring) انجام می­‌گیرد، روزبه‌روز افزایش یافته است. این روش‌­ها نیز در هنگام نصب جداره، مشکلاتی را از قبیل عدم چسبندگی مناسب، کثیفی محل و غیره به‌همراه دارد. از طرف دیگر به‌دلیل تنوع آب و هوایی محل عبور خطوط لوله‌های 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 این رو شرکت‌های بزرگ دنیا اقدام به تحقیقات گسترده پیرامون ساخت جداره‌های کامپوزیتی به‌روش پیش­ آغشته با کم‌ترین آلودگی محیطی و انعطاف‌پذیری بالا جهت نصب در هرگونه سطحی مخصوصاً در محیط­‌های زیر آب نمودند. در نسل جدید پوشش­‌های کامپوزیتی، نوآوری در انعطاف‌پذیری و پیش­ ساخته بودن آن بوده که امکان کاربری آن در سطوح و شرایط مختلف را میسر می­‌سازد.

    طبق گزارشی که در سال 2014 توسط مرکز خطوط نفت و گاز آمریکای شمالی منتشر شده است، پیش‌بینی می­‌شود که عمر بیش از شصت درصد خطوط لوله انتقال نفت و گاز در سرتاسر جهان، بالای چهل سال باشد. به‌دلیل این که این لوله‌های فرسوده مشکلاتی هم‌چون انفجار، نشتی و … ایجاد می‌نمایند، تلاش­ برای تعمیر این خطوط لوله در آمریکای شمالی، که سه کشور از شش کشور دارای بیش‌ترین خطوط لوله انتقال نفت و گاز در آنجا واقع شده­‌اند، شروع شد. انفجار صورت‌گرفته ناشی از نشت خطوط لوله انتقال نفت در حومه سانفرانسیسکو که منجر به کشنه و زخمی شدن صد و بیست و هشت نفر و ویران شدن سی و هشت خانه گردید، توجه به مقوله تعمیرات دوره‌ای لوله‌های 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، یکی از دغدغه‌­های صنایع بزرگ و شرکت­‌های بین‌المللی نفتی در جهان، تعمیرات خطوط لوله انتقال نفت و گاز 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 به‌دلیل هزینه­‌های بالا و عملیات نصب بسیار مشکل، در کنار خطرات جانی و مالی ناشی از انفجار در حین تعمیرات، از ریسک بسیار بالایی برخوردار است. از این رو 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 می­‌پذیرد، به‌دلیل آن‌که نیاز به از سرویس خارج نمودن خط لوله ندارد، با استقبال بسیار زیادی در جهان روبرو گردید. این فناوری عمدتاً از طریق دو روش لایه­‌گذاری دستی در محل تعمیر لوله­‌ها (Hand lay-up) و یا پخت کامل پوشش‌­های کامپوزیتی در محل کارخانه که مبتکر آن شرکت Clock Spring بوده است، انجام می‌­پذیرد. این روش­‌ها نیز در هنگام نصب جداره مشکلاتی را از قبیل عدم چسبندگی مناسب، کثیفی محل، نیارمندی به نیروی کاری متخصص و غیره به‌همراه دارد. از طرف دیگر به‌دلیل تنوع آب و هوایی محل عبور خطوط لوله 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 لایه‌گذاری دستی در محل تعمیر لوله­‌ها (Hand lay-up) و یا پخت کامل پوشش­‌های کامپوزیتی در محل کارخانه مشکل یا غیر قابل اجرا هستند. از این رو شرکت‌­های بزرگ دنیا اقدام به تحقیقات گسترده پیرامون ساخت جداره‌­های کامپوزیتی به‌روش پیش ­آغشته با کم‌ترین آلودگی محیطی و انعطاف‌پذیری بالا، جهت نصب در هرگونه سطحی مخصوصاً در محیط­‌های زیر آب نمودند.

    در فرآیند پیش آغشته که با دستگاه‌های با طراحی ویژه صورت می‌گیرد، الیاف تقویت‌کننده با رزین آغشته می‌گردد، ولی با اعمال شرایط پخت مشخصی، رزین به‌میزان جزیی پخت گردیده که تشکیل فرم کامپوزیت لواشکی شکل، به‌دلیل عدم پخت کامل رزین را منجر می‌شود. این جداره کامپوزیتی پیش آغشته تا زمان سرویس‌دهی خود می‌­تواند در بسته­‌بندی‌های مشخصی قرار گیرد و در موقع نیاز، این جداره کامپوزیتی به‌راحتی در معرض رطوبت، پخت کامل‌ شده و سخت می‌­گردد و جداره کامپوزیتی با خواص مکانیکی همانند جداره­‌های 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 کامپوزیت‌­ها است که توانایی استفاده هم‌زمان در محیط­‌های آبی و خشکی را دارد. نکته قابل ذکر در این پوشش‌ها، بهره­‌گیری از فناوری به‌منظور بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی کامپوزیت حاصل با هدف کاهش وزن محصول و کنترل مدت‌زمان و میزان ژل شدن پیش­ آغشته است.

روش­‌ها

    همان‌گونه که در بخش تاریخچه فناوری اشاره گردید، در حال حاضر در سراسر جهان، به‌دلیل مشکلات عدیده‌­ای که روش‌­های مکانیکی سنتی شامل تعویض لوله و جوش‌کاری آستین­‌های فلزی در تعمیر خطوط لوله انتقال نفت و گاز ایجاد نموده‌اند، فناوری‌های مختلفی در تولید پوشش­‌های کامپوزیتی جهت تعمیر لوله­‌های انتقال نفت و گاز، جایگزین روش‌های مکانیکی سنتی گردیده‌­اند. این فناوری­‌ها شامل موارد زیر هستند:

1. روش پخت کامل در کارخانه
2. روش پخت در محل تعمیر لوله­‌ها
3. روش پیش ­آغشته

    بنابراین نحوه تولید هر محصول به‌شکل زیر خواهد بود:

فناوری پخت در محل تعمیر لوله

    الیاف تقویت‌کننده (معمولاً الیاف شیشه) در محل تعمیر لوله‌های قابل تعمیر، توسط رزین مایع خیس شده و سپس در همین حالت خیس بر روی لوله اعمال می‌گردد (روش لایه‌گذاری دستی). پس از اعمال پوشش کامپوزیتی بر روی خطوط لوله آسیب‌دیده، با شرایط پخت، کامپوزیت شکل گرفته و سفت می‌شود.

فناوری پخت کامل در کارخانه

    کامپوزیت‌هایی که شامل الیاف تقویت‌کننده و رزین ترموست پلیمری هستند، با روش‌های رایج شکل­‌دهی کامپوزیت­‌ها در مرحله تولید، تقریباً کامل پخت شده و کامپوزیت در کارخانه تولید می‌گردد. این پوشش‌های کامپوزیتی تولیدشده، در قطرهای اندکی کم‌تر از قطر خارجی لوله­‌های آسیب‌دیده پیچیده می‌شوند و در هنگام اعمال بر روی لوله، پوشش کامپوزیتی بر روی لوله پیچانده شده و توسط چسب لایه‌ به‌ لایه به‌دور لوله پیچیده می­‌شود. این فناوری توسط شرکت Clock Spring تحت همین عنوان اختراع گردید.

فناوری پیش­ آغشته

    الیاف تقویت‌کننده با درصد مشخصی از رزین خیس می­‌گردد و به‌صورت نیمه‌پخت می‌شود. سپس این کامپوزیت پیش آغشته لواشکی در هنگام کاربری با اعمال شرایط ویژه هم‌چون نور UV، حرارت یا رطوبت در مدت‌زمان کوتاهی، پخت و قالب‌گیری می‌گردد.

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

جدول 1. 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 یکنواخت‌تر – سرعت بالای اعمال پوشش کامپوزیتی پس از اندازه گیری­‌های دقیق ابعاد لوله و آسیب – تمیز بودن فرآیند	– نیازمندی به اندازه‌گیری‌های دقیق و نیروی متخصص قبل از اعمال پوشش – عدم قابلیت اعمال بر روی سطوح با اشکال غیرمنتظم یا لوله‌هایی با قطر پایین – عدم تغییر سایز و قطر پوشش در صورت ایجاد هرگونه تغییر در شرایط لوله آسیب‌دیده
روش پخت در محل	– امکان تعیین و تغییر مقدار و طول پوشش کامپوزیتی در محل – امکان تعمیر لوله‌هایی با اشکال غیر منتظم، لوله‌های T شکل، اتصالات، فلنج‌ها و شیرها – عدم نیازمندی به اندازه‌گیری‌های دقیق قبل از اعمال پوشش – زمان و فرآیند پخت به‌عنوان پخشی از عملیات نصب پوشش – قیمت ارزان	– با تغییر شرایط محیطی و شرایط لوله میزان رزین مصرفی، شرایط پخت تغییر می‌کند  – ساخت جداره و اعمال آن نیازمند نیروی متخصص است – کثیف بودن فرآیند – مصرف زیاد رزین
روش پیش آغشته	– کنترل دقیق درصد الیاف – کنترل ضخامت لایه‌ها – کم کردن هزینه­‌های کارگری – تمیز بودن فرآیند – کیفیت بالاتر – انعطاف‌پذیری 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 به‌منظور جلوگیری از پخت شدن زودرس

 

ساخت کامپوزیت پیش آغشته

    در مرحله اول از ساخت کامپوزیت مذکور، در فرآیند پیش آغشته که با دستگاه‌هایی با طراحی ویژه صورت می­‌گیرد، الیاف تقویت‌کننده با رزین آغشته می‌گردد، ولی با اعمال شرایط پخت مشخصی، رزین به‌میزان جزیی پخت گردیده که تشکیل فرم کامپوزیت لواشکی شکل، به‌دلیل عدم پخت کامل رزین را منجر می‌شود. این جداره کامپوزیتی پیش آغشته تا زمان سرویس‌دهی خود می­‌تواند در بسته‌بندی‌های مشخصی قرار گیرد و در موقع نیاز، این جداره کامپوزیتی به‌راحتی در معرض رطوبت، پخت کامل شده و سخت می‌گردد و جداره کامپوزیتی با خواص مکانیکی همانند جداره­‌های 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 کامپوزیت­‌ها است که توانایی استفاده هم‌زمان در محیط­‌های آبی و خشکی را دارد.

    همان‌گونه که در ادامه اشاره خواهد شد، بر خلاف آن که قیمت مواد اولیه محصولات سنتی (خرید آستین فلزی و لوله جهت تعویض) کم‌تر از قیمت خرید مواد اولیه پوشش کامپوزیتی است، هزینه­‌های نهایی تعمیرات به‌روش­‌های مکانیکی به‌دلیل هزینه­‌های ناشی از هدر رفت مواد نفتی یا گاز، نیازمندی به توقف، هزینه­‌های بالای نیروی انسانی ناشی از مدت‌زمان بالا جهت تعمیر و هزینه‌های دستگاهی بالا، بالاتر از روش‌های پوشش­‌های کامپوزیتی است.

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

    طی گزارشی از مرکز Natural Gas STAR آمریکا، مقایسه‌ای بین هزینه­‌های 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 24 اینچ برای طول 6 و 234 اینچ، معادل 15 و 594 سانتی‌متر، صورت گرفت که در نمودارهای زیر مشاهده می­‌شود.

    همان‌گونه که در نمودارهای فوق اشاره گردیده است، سهم عمده‌ای از هزینه­‌های تعمیرات، متعلق به هدر رفت گاز و هزینه نیروی انسانی مورد نیاز هستند؛ به‌گونه­‌ای که تعمیر خطوط انتقال گاز به‌روش پوشش‌های کامپوزیتی برای متراژهای کم تر از 3 متری، بین 10 تا 20% هزینه تعمیر به‌روش جایگزینی خواهد بود. این نسبت هزینه­‌ها برای متراژهای بالاتر از 3 متری بین 75 تا 85% خواهد بود؛ به‌گونه‌ای که برای تعمیر 6 متر لوله با قطر 24 اینچ (حدود 61 سانتی‌­متر) مبلغی در حدود 350 میلیون ریال تفاوت هزینه­‌های دو روش محاسبه گردیده است.

نتیجه‌گیری

      روش‌های رایج در تعمیر خطوط لوله انتقال نفت و گاز استفاده می‌گردد که از بین آنها، روش­‌های سنتی جوش‌کاری آستین فلزی و روش تعویض، به‌دلیل هزینه­‌های بالاسری بالا، خطرات جانی و مالی و کامل نبودن آنها، به‌مرور در حال تحلیل هستند. در روش‌های کامپوزیتی به سه روش پخت کامل در کارخانه، روش پخت در محل تعمیر لوله‌ها و روش پیش ­آغشته استفاده می­‌شود.