اختصاصی بسپار/ نیازهای صنعت انرژی: لوله‌‌های پلاستیکی برای صنایع نفت و گاز

گروه ترجمه و تولید محتوا بسپار / ایران پلیمر صنعت نفت و گاز یکی از صنایع دارای بیشترین تقاضا برای لوله‌‌های پلاستیکی است، به همین دلیل این لوله‌‌ها قبل از استفاده در این صنعت باید با دقت آزمایش و ارزیابی شوند. در این مقاله، گزارشی از لوله‌‌های پلاستیکی در این صنایع آورده شده است.

زمانی که لوله‌‌های پلاستیکی در صنعت نفت و گاز استفاده می‌‌شوند، باید طیفی از شرایط دشوار و سخت مانند قرار گرفتن در معرض آب دریا، ترکیبات هیدروکربنی و فشار زیاد را تحمل کنند (شکل1). به‌‌همین دلیل، این نوع لوله‌‌ها باید به‌‌طور دقیق آزمایش شوند تا اطمینان حاصل شود که می‌‌توانند در چنین محیطی سالم باقی بمانند. 

شرکت‌‌کنندگان در همایش مجازی اخیر بسپارهای صنعت نفت و گاز، که توسط AMI برگزار شده است، از چندین روش که می‌‌توان با آن‌‌ها این لوله‌‌های پلاستیکی را مورد ارزیابی، تایید صلاحیت و آزمون قرار داد، مطلع شدند. Andreas Echtermeyer، استاد چندسازه‌‌ها و بسپارها در دانشگاه Norwegian University of Science and Technology (NTNU) روشی را برای توصیف خواص طولانی‌‌مدت ناشی از تخریب شیمیایی در چندسازه‌‌ها ارایه داد. او گفت که آن‌‌ها در دانشگاه NTNU در حال تحقیق در مورد خصوصیات مکانیکی هستند که هنگام نفوذ مایعات به یک ماده تحت تاثیر قرار می‌‌گیرند و باعث واکنش‌‌های شیمیایی و تخریب می‌‌شوند. 

این کار همراه با نماینده‌‌ای از انجمن DNV از کشور نروژ انجام شد. با شروع از یک نمونه خشک، افزایش جذب مایعات در بستر چندسازه، مانند یک لوله چندسازه‌‌ای در نهایت منجر به سیرشدگی می‌‌شود. با وقوع این امر، نمونه شاهد کاهش تدریجی برخی از خصوصیات مکانیکی (مانند استحکام و سفتی) و افزایش برخی دیگر (مانند کرنش در شکست، یا چقرمگی (ductility) خواهد بود. در پایان عمر، خشک ‌‌شدن محصول باعث می‌‌شود که خواص به مقدار اولیه خود برگردند. این امر هنگامی اعمال می‌‌شود که تخریب شیمیایی وجود نداشته باشد.

اگر مایع جذب‌‌شده باعث تخریب شیمیایی شود، خواص مکانیکی به نسبت ضعیف‌‌تر می‌‌شود. این موضوع به‌‌ویژه هنگامی که بسپار سیر شده است، مشخص می‌‌شود. در پایان عمر، با خشک‌‌ کردن محصول، هرگز بازیابی کامل خواص اصلی به وجود نخواهد آمد. 

او گفت، این قسمتی است که گروه تحقیقاتی باید متوجه شود تا بتواند ارزیابی کند که چگونه تخریب شیمیایی بر خواص تاثیر می‌‌گذارد. وقتی تخریب شیمیایی وجود نداشته باشد، روند خیساندن (soaking) برگشت‌‌پذیر است. این نمونه‌‌ها فقط هنگام سیرشدگی نیاز به اندازه‌‌گیری دارند؛ زیرا دیگر از خصوصیات مواد کاسته نمی‌‌شود. با ‌‌این حال، یک نمونه تخریب‌‌شده به‌‌طور شیمیایی با گذشت زمان هم‌‌چنان خواص مکانیکی خود را از دست می‌‌دهد، بنابراین باید در نقطه‌‌ای که زمان بسیار زیادی سپری شده است، مورد اندازه‌‌گیری قرار گیرد.

او از روش چقرمگی شکست (fracture toughness، خاصیتی در مواد که توصیف‌کننده مقاومت مواد در برابر گسترش ترک است، مترجم) برای نشان‌‌دادن درجه تخریب شیمیایی استفاده کرد. حد پایان عمر، مقاومت در برابر شکست بحرانی نامیده می‌‌شود. وی گفت، این گروه از روش چقرمگی شکست برای مقاصد طراحی استفاده نمی‌‌کنند، بلکه درجه‌‌ای از تخریب شیمیایی را مشخص می‌‌کنند. چالش، تعیین چقرمگی شکست بحرانی و سپس شرایط نمونه‌‌ها برای رسیدن به آن در کمتر از 50 سال است که آن‌‌ها را قادر می‌‌سازد تا خصوصیات طراحی را که نیاز دارند، اندازه‌‌گیری کنند. 

او گفت، به محض شناخته ‌‌شدن مقدار چقرمگی شکست بحرانی برای یک ماده، می‌‌توان آن را با یک ماده شیمیایی سیر کرد و در معرض دماهای مختلف قرار داد و چقرمگی شکست را در زمان‌‌های مختلف اندازه‌‌گیری کرد.

به گفته وی این موضوع امکان می‌‌دهد تا زمان‌‌های مواجهه مورد نیاز برای رسیدن به چقرمگی شکست بحرانی در دماهای مختلف محاسبه شود. در این روش فرض آن است که چقرمگی شکست به تعداد پیوندهای شکسته (برای مثال حاصل از آب‌‌کافت (hydrolysis)) یا افزایش بلورینگی مربوط است، به این معنی که می‌‌توان از سرعت واکنش شیمیایی برای محاسبه پایان عمر استفاده کرد. این محقق از این روش در مورد اپوکسی پر شده با الیاف شیشه در آب استفاده کرده است، که انتظار نمی‌‌رفت هیچ تخریب شیمیایی را نشان دهد. با این حال، این روش تا حدودی گسیختگی پیوندهای بستر الیاف را نشان داد. برخی از نمونه‌‌های پلی‌‌آمید 12 (PA12) دارای کربن نیز پس از قرار گرفتن در معرض آب مورد آزمایش قرار گرفتند تا آب‌‌کافت شیمیایی احتمالی اتفاق افتد. او گفت، این اولین آزمایش‌‌ها نشان می‌‌دهد که این رویکرد موثر و کارا است.

خطر گاز

رییس پروژه مدل‌‌سازی عددی و بهینه‌‌سازی در موسسه TWI (موسسه‌‌ای جهانی برای ارایه مهارت‌‌ها و دانش برای پیشرفت شغلی)، یک طرح ارزیابی خطر را که در مورد تخلیه ایستابرقی (بار الکتریکی ساکن)(ESD) در لوله‌‌های چندسازه بسپاری مورد استفاده در کاربردهای گازرسانی تحقیق می‌‌کند، شرح داد. 

بار ایستا می‌‌تواند به روش‌‌های مختلف در لوله‌‌ها جمع شود. در یک سیال در حال حرکت می‌‌توان آن را با عبارات لایه دوگانه توصیف کرد. در این‌‌جا، یک بار (مثبت یا منفی) در سطح داخلی لوله جذب می‌‌شود. سپس بار مخالف توسط جریان سیال منتقل شده و منجر به جداسازی بار می‌‌شود.

در یک گاز تک‌‌ فاز این موضوع معمولا مقدار کمی بار ایستا تولید می‌‌کند. با این ‌‌حال، در حضور جامدات یا قطرات مایع معلق، بار می‌‌تواند توسط فاز گاز حمل شود و در سطح لوله تجمع یابد. 

تولید بار با تخلیه بار جبران می‌‌شود. با این ‌‌حال، در حالی که آهنگ تولید و اتلاف بار برای هر دو لوله فلزی و پلاستیکی یکسان است، آهنگ اتلاف برای لوله‌‌های پلاستیکی بسیار کمتر است، به این دلیل که لوله‌‌های غیرفلزی مقاومت بسیار بیشتری دارند.

عوامل دیگری نیز مانند افزایش قطر داخلی لوله و افزایش سرعت جریان مایع می‌‌توانند تجمع بار ایستا را افزایش دهند. همان‌‌طور که بار ایجاد می‌‌شود اختلاف پتانسیل بین سطوح داخلی و خارجی لوله نیز ایجاد می‌‌شود. وقتی میزان این بار به یک مقدار بحرانی برسد، می‌‌تواند تخلیه شود که باعث آزاد شدن گرما و ذوب‌‌شدگی و ایجاد سوراخ‌‌های کوچک در سطح لوله می‌‌شود. او گفت، راه‌‌های متعددی برای جلوگیری از این موضوع شامل سامانه‌‌های نظارت بر ESD، آمیختن مواد افزودنی رسانا درون لوله، الکترودهای زمینی و حسگرهای نظارت وجود دارد.

به گفته وی، پیش‌‌بینی خطر ESD در لوله‌‌های غیرفلزی در مراحل اولیه مانند مرحله طراحی مفید خواهد بود. این طرح یک روش ارزیابی سلسله مراتبی، با سه لایه که به تدریج به سمت مدل‌‌های پیچیده‌‌تر می‌‌رود را برای ارزیابی خطر ESD پیشنهاد می‌‌کند. داده‌‌های ورودی برای ارزیابی ساده سطح 1 شامل داده‌‌های ساختاری و عملیاتی مانند هندسه لوله، فشار، دما و سرعت جریان است. یک وادادگی (failure) باعث حرکت تدریجی آن از طریق ارزیابی دقیق‌‌تر سطح 2 و سطح 3 خواهد شد که در این مقاله وارد جزییات این سطوح نمی‌‌شویم. 

زمان‌‌های آزمایش

در یک ارایه مشترک، شرکت Evonik و شرکت سازنده لوله Strohm توضیح دادند که چگونه یک پلی‌‌آمید 12 تقویت‌‌شده با الیاف کربن جدید واجد شرایط تشخیص داده شد و برای تولید لوله چندسازه گرمانرم زیر دریا (TCP) استفاده شد (شکل 2).

برگردان: مهندس پدرام ملائکه [email protected]

(ادامه دارد …)

متن کامل این مقاله را در شماره 242 ماهنامه بسپار  که در نیمه آذرماه 1401 منتشر شده است بخوانید.

در صورت تمایل به دریافت نسخه نمونه رایگان و یا دریافت اشتراک با شماره های ۰۲۱۷۷۵۲۳۵۵۳ و ۰۲۱۷۷۵۳۳۱۵۸ داخلی ۳ سرکار خانم ارشاد تماس بگیرید. نسخه الکترونیک این شماره از طریق طاقچه  و  فیدیبو  قابل دسترسی است.