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 مکانيکي و سنتی قديمی هم‌چون تعویض کامل خطوط لوله و يا جوش‌کاری که نیازمند هزينه بالا و عمليات نصب بسيار مشکل، در کنار خطرات جانی و مالی بسیاری بوده­، گردیده­‌اند. از اين رو تعمير خطوط لوله با استفاده از جداره­‌های کامپوزيتی که عمدتاً از طريق لايه­‌گذاری دستی در محل لوله­‌ها و يا پخت کامل جداره‌های کامپوزيتی (clock spring) انجام می­‌گيرد، روزبه‌روز افزایش یافته است. این روش‌­ها نیز در هنگام نصب جداره، مشکلاتی را از قبيل عدم چسبندگی مناسب، کثيفی محل و غيره 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 اين رو شرکت‌های بزرگ دنيا اقدام به تحقیقات گسترده پیرامون ساخت جداره‌های کامپوزيتی به‌روش پيش­ آغشته با کم‌ترين آلودگی محيطی و انعطاف‌پذيری بالا جهت نصب در هرگونه سطحی مخصوصاً در محيط­‌های زير آب نمودند. در نسل جدید پوشش­‌های کامپوزیتی، نوآوری در انعطاف‌پذيری و پيش­ ساخته بودن آن بوده که امکان کاربری آن در سطوح و شرايط مختلف را ميسر 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 فعاليت­‌های نفت، گاز و پتروشيمی در جهان و نياز شديد به تعميرات خطوط لوله انتقال، با در نظر گرفتن اهمیت‌های اقتصادی محصولات مذکور، يکی از دغدغه‌­های صنايع بزرگ و شرکت­‌های بین‌المللی نفتی در جهان، تعميرات خطوط لوله انتقال نفت و گاز است. اولین روش­‌ها در تعمیر خطوط لوله انتقال نفت و گاز، روش‌های مکانيکی و سنتی قديمی مانند جايگزينی خطوط لوله (Pipeline Replacement) و بعدها روش جوش‌کاری آستین‌های فلزی (Welding metal Steel) نيز به‌دلیل هزينه­‌های بالا و عمليات نصب بسيار مشکل، در کنار خطرات جانی و مالی ناشی از انفجار در حین تعمیرات، از ریسک بسیار بالایی برخوردار است. از اين رو تعمير خطوط لوله با استفاده از فناوری پوشش­‌های کامپوزيتی (Pipeline Repair Composite wrap) جايگزين روش­‌های مکانيکی و سنتی گرديد.

    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 طريق دو روش لايه­‌گذاری دستی در محل تعمیر لوله­‌ها (Hand lay-up) و يا پخت کامل پوشش‌­های کامپوزيتی در محل کارخانه که مبتکر آن شرکت Clock Spring بوده است، انجام می‌­پذیرد. این روش­‌ها نیز در هنگام نصب جداره مشکلاتی را از قبيل عدم چسبندگی مناسب، کثيفی محل، نیارمندی به نیروی کاری متخصص و غيره 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 لايه‌گذاری دستی در محل تعمیر لوله­‌ها (Hand lay-up) و يا پخت کامل پوشش­‌های کامپوزيتی در محل کارخانه مشکل یا غیر قابل اجرا هستند. از اين رو شرکت‌­های بزرگ دنيا اقدام به تحقیقات گسترده پیرامون ساخت جداره‌­های کامپوزيتی به‌روش پيش ­آغشته با کم‌ترين آلودگی محيطی و انعطاف‌پذيری بالا، جهت نصب در هرگونه سطحی مخصوصاً در محيط­‌های زير آب نمودند.

    در فرآيند پيش آغشته که با دستگاه‌های با طراحی ويژه صورت می‌گيرد، الياف تقويت‌کننده با رزين آغشته می‌گردد، ولی با اعمال شرايط پخت مشخصی، رزين به‌ميزان جزیی پخت گرديده که تشکيل فرم کامپوزيت لواشکی شکل، به‌دليل عدم پخت کامل رزين را منجر می‌شود. اين جداره کامپوزيتی پيش آغشته تا زمان سرويس‌دهی خود می‌­تواند در بسته­‌بندی‌های مشخصی قرار گيرد و در موقع نياز، اين جداره کامپوزيتی به‌راحتی در معرض رطوبت، پخت کامل‌ شده و سخت می‌­گردد و جداره کامپوزيتی با خواص مکانيکی همانند جداره­‌های ديگر حاصل خواهد شد. در اين روش با قرارگيری جداره کامپوزيتی در معرض رطوبت یا نور UV، جداره کامپوزيتی در مدت بسيار کوتاهی پخت می‌­گردد و هم‌چنين اين روش تنها روش قالب‌گيری کامپوزيت‌­ها است که توانايی استفاده هم‌زمان در محيط­‌های 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 توليد پوشش­‌های کامپوزيتی جهت تعمير 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 پيش ­آغشته

    بنابراین نحوه تولید هر محصول به‌شکل زیر خواهد بود:

فناوری پخت در محل تعمیر لوله

    الياف تقويت‌کننده (معمولاً الياف شيشه) در محل تعمیر لوله‌های قابل تعمیر، توسط رزين مایع خيس شده و سپس در همين حالت خيس بر روی لوله اعمال می‌گردد (روش لايه‌گذاری دستی). پس از اعمال پوشش کامپوزیتی بر روی خطوط لوله آسیب‌دیده، با شرایط پخت، کامپوزیت شکل گرفته و سفت می‌شود.

شکل 1. فناوری پخت در محل تعمیر لوله

فناوری پخت کامل در کارخانه

    کامپوزيت‌هایی که شامل الياف تقويت‌کننده و رزين ترموست پليمری هستند، با روش‌های رايج شکل­‌دهی کامپوزيت­‌ها در مرحله توليد، تقریباً کامل پخت شده و کامپوزيت در کارخانه توليد می‌گردد. اين پوشش‌های کامپوزيتی توليدشده، در قطرهای اندکی کم‌تر از قطر خارجی لوله­‌های آسيب‌ديده پيچيده می‌شوند و در هنگام اعمال بر روی لوله، پوشش کامپوزيتی بر روی لوله پيچانده شده و توسط چسب لايه‌ به‌ لايه به‌دور لوله پيچيده می­‌شود. این فناوری توسط شرکت Clock Spring تحت همین عنوان اختراع گردید.

فناوری پيش­ آغشته

    الياف تقويت‌کننده با درصد مشخصی از رزين خيس می­‌گردد و به‌صورت نیمه‌پخت می‌شود. سپس اين کامپوزيت پيش آغشته لواشکی در هنگام کاربری با اعمال شرایط ویژه هم‌چون نور UV، حرارت یا رطوبت در مدت‌زمان کوتاهی، پخت و قالب‌گيری می‌گردد.

شکل 3. فناوری پيش­ آغشته

    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. مقايسه فناوری­‌های رايج در ساخت پوشش­‌های کامپوزيتی جهت تعمیر خطوط لوله انتقال نفت و گاز

ساخت کامپوزیت پیش آغشته

    در مرحله اول از ساخت کامپوزیت مذکور، در فرآيند پيش آغشته که با دستگاه‌هايی با طراحي ويژه صورت مي­‌گيرد، الياف تقويت‌کننده با رزين آغشته می‌گردد، ولی با اعمال شرايط پخت مشخصی، رزين به‌ميزان جزیی پخت گرديده که تشکيل فرم کامپوزيت لواشکی شکل، به‌دليل عدم پخت کامل رزين را منجر می‌شود. اين جداره کامپوزيتی پيش آغشته تا زمان سرويس‌دهی خود می­‌تواند در بسته‌بندی‌های مشخصی قرار گيرد و در موقع نياز، اين جداره کامپوزيتی به‌راحتی در معرض رطوبت، پخت کامل شده و سخت می‌گردد و جداره کامپوزيتی با خواص مکانيکی همانند جداره­‌های ديگر حاصل خواهد شد. در اين روش با قرارگيری جداره کامپوزيتی در معرض رطوبت، جداره کامپوزيتی در مدت بسيار کوتاهی پخت می‌گردد و هم‌چنين اين روش تنها روش قالب‌گيری کامپوزيت­‌ها است که توانايی استفاده هم‌زمان در محيط­‌های 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 پيش ­آغشته استفاده می­‌شود.