کاربرد کامپوزیت ها در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی

در این مقاله کامپوزیت ها در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی و کاربردهای آن و استفاده از این فناوری در زمینه تعمیرات و تقویت مکانیکی لوله ها و سازه های فلزی توضیح داده شده است.

پیشنهاد ویژه سایت ایران مدرس: دانلود رایگان کتاب وصله های تعمیراتی کامپوزیتی فصل پنجم - تنش در چسب، جدایش و NDI وصله های کامپوزیتی

کامپوزیت‌ها امروزه به‌طور گسترده در صنایع مختلف بخصوص صنعت نفت، گاز و پتروشیمی مورد استفاده قرار می‌گیرند. کاربرد گسترده انواع کامپوزیت بالاخص کامپوزیت های تقویت شده با فایبرگلاس در تعمیرات و نگهداری صنایع نفت و گاز به یکی از مهمترین بخش های این صنعت تبدیل شده است. خواص بالای مکانیکی و مقاومت در برابر خوردگی و سایش و عمر بالا از مهمترین دلایل بکارگیری کامپوزیت ها در بخش های مختلف تعمیراتی این صنعت می باشند.

همچنین استفاده از کامپوزیت در زمینه تعمیرات لوله و بخش های فرسوده نفت و گاز، امری متدوال و رایج در این صنایع می باشد. امروزه با توجه به حجم بالای فعالیت های نفت، گاز و پتروشیمی در جهان و نیاز شدید به تعمیرات خطوط لوله انتقال با در نظر گرفتن اهمیت های اقتصادی محصولات مذکور، تعمیرات خطوط لوله انتقال نفت و گاز یکی از دغدغه های صنایع بزرگ و شرکت های بین المللی نفتی در جهان است.

در کشور ما نیز به دلیل عمر بالای خطوط لوله و خصوصا شرایط نامناسب خوردگی و محدودیت های اقلیمی ( خصوصا در منطقه نوار شمالی خلیج فارس ) استفاده از فناوری کامپوزیت در بخش هایی از این صنایع مورد استفاده قرار گرفته و گزارشات سالیانه نشان دهنده افزایش روند رو به رشد این فناوری تعمیراتی در ساختار خطوط لوله نفت و گاز کشور می باشد ]1[.

در این تحقیق سعی شده است در بخش اول، کاربردهای متنوع کامپوزیت ها در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی فهرست وار و به صورت خلاصه توضیح داده شده و در بخش دوم – به جهت اهمیت زیاد - یکی از مهم ترین این کاربردها یعنی استفاده از فناوری کامپوزیت در زمینه تعمیرات و تقویت مکانیکی لوله ها و سازه های فلزی در این صنایع ارائه گردد.

مطالعه کنید: دانلود پروژه و تحقیق دانشجویی مهندسی مکانیک - کاربرد کامپوزیت ها در صنایع دریایی

 بخش اول: کاربردهای فناوری کامپوزیت در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی

 امروزه استفاده از كامپوزيت‌ها به علت مزاياي منحصر به فرد آنها همانند خواص مكانيكي و استحكامي بالا، وزن پايين، مقاومت در برابر خوردگي، فركانس طبيعي بالا و عمر مناسب در برابر پديده خستگی، در صنايع مختلف رونق خاصي پيدا كرده ‌است. توسعه فرايندهاي توليد نيز موجبات توليد قطعات كامپوزيتي مبتني بر زمينه پليمر را به گونه‌اي بسيار ارزانتر و كارآمدتر از ساير كامپوزيت‌ها فراهم نموده‌اند.

قلمرو كاربرد اين فناوری بسیار متنوع بوده و تنها به صنايع رده بالايي همچون صنايع هوافضا، خودرو، پزشکی و ... محدود نشده و حتي در ساخت وسايل خانگي، وسايل ورزشي و قطعات رده پاييني همچون وسايل بهداشتي نيز استفاده مي‌شوند. از جمله صنایع مهم مورد اشاره، صنعت نفت، گاز و پتروشیمی می باشد که بالاخص کامپوزيت‌هاي پايه پليمري - به عنوان مهمترين گروه كامپوزيت‌ها - در طيف گسترده‌اي از این صنعت بكار گرفته مي‌شوند که در این بخش سعی شده است به چند مورد از مهم ترین کاربرد این کامپوزیت ها در این صنعت اشاره شود.

·        استفاده از فناوری کامپوزیت در مته های حفاری

مته اولین ابزاری است که جهت حفر چاه های نفت و گاز مورد استفاده قرار می گیرد که در اثر چرخش رشته حفاری به حرکت در آمده و باعث خرد کردن سنگ ها  و سوراخ کردن زمین می شود. مته كه در پایین‌ترین قسمت این تجهیزات حفاری قرار دارد، وظیفه خرد كردن سنگ‌ها را بر عهده داشته و بنابراین با توجه به نوع عملکرد، بیشترین تنش وارده در عملیات حفاری به آن وارد می شود.

شکل 1 – تجهیزات حفاری ( سمت چپ ) و مته حفاری ( سمت راست )

مته‌های حفاری، اولین قسمت از تجهیزات حفاری هستند كه مرتبا در حال فرسایش می‌باشند و پس از حفر یك متراژ مشخص، كارایی خود را از دست داده و بایستی عملیات حفاری متوقف شده و جایگزین شوند. بنابراین مواد جدیدی كه مته‌ها را در برابر خوردگی حاصل از فرسایش مقاوم‌تر نمایند در این بخش بسیار مهم هستند.

حتما بخوانید: دانلود رایگان سوال امتحانی درس مواد مرکب یا کامپوزیت ها مهندسی مکانیک کارشناسی ارشد

همچنین یکی از مهم ترین مسائلی که در حفاری با آن مواجه هستیم، کمبود سرعت حفاری است که منجر به افزایش هزینه حفاری می گردد. این موضوع سبب شده تا شرکت های فعال در بخش حفاری، مدام در حال تحقیق، بررسی و تولید نسل های جدید و پیشرفته تر مته های حفاری باشند.

از جمله این پیشرفت ها، استفاده از نانوكامپوزیت ها جهت بالا بردن استحکام در برابر سایش است. كاربرد اصلی نانوتكنولوژی در مته های حفاری به صورت نانو پوشش می باشد.

شکل 2 – مته PDC Bit ( Tungsten Carbide Matrix on steel shell )

 این پوشش ها را با توجه به سختی آنها، به دوگروه مجزا تقسیم می كنند: ] 2 [

1) پوشش های سخت كه دارای سختی كوچكتر از 40 گیگاپاسکال می باشند.

2) پوشش های ابر سخت كه دارای سختی بیشتر از 40 گیگاپاسکال می باشند.

پوشش های سخت ابرساختار چند لایه ی نانومتری هستند كه به طور معمول از دو لایه مختلف ساخته شده اند. ضخامت این لایه ها در محدوده 5 تا 10 نانومتر است. این لایه های دوتایی می توانند لایه های فلزی، نیتریدی، اكسیدی یا تركیبی از فلز و دیگر تركیبات باشند.

پوشش های سخت نانوكامپوزیتی به گونه های زیر تقسیم بندی می شوند: ]  2   [

    1- نانوكامپوزیت نیترید فلز در زمینه نیتریدی

2- نانوكامپوزیت كاربید فلز در زمینه كربنی

3- نانوكامپوزیت نیترید فلز در زمینه فلزی

4- نانوكامپوزیت نیترید فلز یا كاربید فلز در زمینه بورایدی

5- نانوكامپوزیت كاربید تنگستن به همراه سولفید تنگستن

6- نانوكامپوزیت كاربید فلز در زمینه نیتریدی و كربنی

     مخازن کامپوزیتی

 مخزن کامپوزیتی به مخزنی گفته می شود که دارای بدنه ای از جنس کامپوزیت باشد. مخازن کامپوزیتی جهت ذخیره، انتقال و یا انجام فرایندهای صنعتی استفاده می شوند. می توان گفت که مخزن تولید شده از کامپوزیت  می تواند اکثر قابلیت های مکانیکی و شیمیایی مخازن ساخته شده از فولاد، استیل، آلومینیوم، پلی اتیلن و ... را پوشش دهند. دسته بندی های مختلفی براساس مواد بکار رفته و شیوه تولید این مخازن وجود دارد. مخزن GRP و FRP ( Fiber Reinforced Polymer/Plastic یا مخازن پلیمر پلی استر / پلاستیک تقویت شده با الیاف فایبرگلاس ) دو مدل مخزن کامپوزیتی محسوب می شوند که با توجه به سیالات مورد استفاده که غالبا باعث خوردگی در مخازن می شوند و نوع فرایندهای صنایع نفت و گاز و پتروشیمی، عمدتا از این مخازن جهت ذخیره و نگهداری استفاده می گردد که از رزین های خاص با مقاومت شیمیایی بسیار بالا ساخته می شوند.

 

شکل 3 – مخزن کامپوزیتی FRP

برای مشاهده لیست اساتید مواد مرکب بر روی عبارت تدریس خصوصی کامپوزیت کلیک کنید.

خاصیت ضدخوردگی مخازن کامپوزیتی:

به دلیل خواص خورندگی که مواد نفتی و مشتقات آن‌ها دارا می‌باشند، نیاز به توجه خاصی به این امر می‌باشد که مخزن دچار مشکل خوردگی، نشتی و در نتیجه از بین رفتن آن نشود.

سالانه مقادیر بسیار زیادی لجن نفتی در صنعت نفت و در سطح دنیا تولید می‌شود. عمده لجن نفتی تولیدی ناشی از مخازن نگهداری نفت خام می‌باشد. لجن های نفتی همواره مشکل ساز بوده و علاوه بر کاهش ظرفیت مخازن، انسداد اتصالات مخازن و به تله افتادن نفت خام در میان رسوبات، خوردگی را نیز شامل می‌شود که نیاز به پاک سازی مخازن و خارج ساختن لجن های مذکور در دوره های مناسب می باشد. مخازن کامپوزیتی این مزیت را دارا می‌باشند که دچار خوردگی نشده و بتوان از آنها به طور مستمر ( بر اساس سال مفید کارکرد که غالبا بیش از بیست سال است) استفاده کرد.

شکل 4 - مخزن کامپوزیتی تولید شده از کامپوزیت )GRP(

به طور کلی، مزایای مواد کامپوزیتی به شرح ذیل است:]3[

1-    مقاومت مکانیکی بالا نسبت به وزن

2-    خصوصیات خستگی عالی نسبت به وزن

3-    خواص عایق حرارتی خوب

4-    خیز کمتر ( حتی ده ها برابر کمتر ) نسبت به فلزات تحت یک بارگذاری معین، به دلیل صلبیت بیشتر

5-    استحکام ویژه و مدول ویژه بالا

6-    مقاومت بسیار بالا نسبت به خوردگی در برابر رطوبت و مواد شیمیایی و لجنی

7-    قابلیت تولید به صورت مقاوم در برابر اشعه ماوراء بنفش

8-    قابلیت تعمیر آسانتر و با هزینه کمتر و نصب کردن سریعتر تجهیزات

مشاهده نمائید: فیلم های آموزش و تدریس کامپوزیت

·        لوله ها و اتصالات کامپوزیتی

لوله ها و اتصالات کامپوزیتی از محصولاتی هستند که در چند سال اخیر به طور گسترده ای در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی در ایران و جهان مورد استفاده قرار می گیرد و بازار این محصول به طور فزاینده ای در حال گسترش می باشد. لوله‌ها و اتصالات كامپوزیت كه متشكل از الیاف شیشه و رزین‌های ترموست می‌باشند ساختار محكم، مقاوم به خوردگی و سبكی را فراهم می‌كنند كه به عنوان جایگزین بسیار مناسبی برای لوله‌های فلزی و بتنی مطرح می‌شوند.

خوردگی از مهمترین عوامل استهلاک قطعات و از معضلات اساسی صنایع میباشد. خوردگی به معنی تغییر در خواص و مشخصات مواد و کاهش مقاومت مکانیکی و نهایتا از بین رفتن آنهاست که بر اثر عوامل محیطی اتفاق می افتد و سالیانه هزینه های سرسام آوری را تحمیل می کند. صنایع نفت و گاز و پتروشیمی، کارخانجات شیمیایی و دارو سازی، صنایع سنگین تولیدی نظیر فولاد سازی و آب و فاضلاب، از جمله صنایعی هستند که بیشتر با این پدیده دست به گریبانند.

استفاده از لوله ها و اتصالات پلیمری و کامپوزیتی بجای نوع فلزی آنها  یکی از راههای مقابله با معضل خوردگی است، چرا که پلیمرها عموما در برابر اغلب عوامل بوجود آورنده این پدیده مقاوم تر از فلزات هستند. بعلاوه بدلیل سبکی وزن و نیز هزینه های نگهداری پائین تر در طول عمر خود و چند مشخصه دیگر در مواردی به همتایان فلزی خود ترجیح داده می شوند.

عبارات  GRP،GRV  وGRE   كه در صنعت لوله‌های كامپوزیتی رواج دارد همگی معرف پیكربندی‌های مختلف لوله‌های كامپوزیتی هستند كه با توجه به ماموریت مختلف مورد انتظار آنها از ساختار مبتنی بر الیاف شیشه به همراه چند نوع مختلف رزین استفاده می‌شود که شامل موارد زیر می باشد :

- پلی استر  ( POLYESTER )

- وینیل استر  ( VINYL ESTER )

- اپوکسی  (  EPOXY )

اسامی مختلف لوله ها و اتصالات کامپوزیتی  معرف مواد اولیه ای است که در ساخت آنها مورد استفاده قرار گرفته است:

GRP: لوله ها و اتصالات  و سایر تجهیزاتی هستند که از رزین پلی استر و الیاف شیشه ساخته شده و عموما  برای نگهداری و انتقال آب آشامیدنی و فاضلاب ها مورد استفاده قرار می گیرند.

GRE: اصطلاحی  است که در صنایع به قطعات کامپوزیتی ساخته شده از رزین اپوکسی همراه با الیاف شیشه اطلاق میگردد . این اصطلاح در صنایع نفت به منظور توصیف لوله ها و اتصالات و تجهیزات با مشخصه اصلی مقاومت بالا در برابر خوردگی ناشی از تماس با مواد شیمیایی، نفت، گاز و فاضلاب های صنعتی و ... بکار میرود.

حتما بخوانید: نانوکامپوزیت ها، خواص مهندسی و مزایای آنها

GRV: محصولات ساخته شده از رزین وینیل استر و الیاف شیشه با این نام خوانده میشوند. محصولات GRV در برابر بسیاری از مایعات با ماهیت اسیدی و خورنده تا دماهای بالا مقاومت عالی دارند و قابلیت های خود را در صنایع شیمیایی بخوبی به اثبات رسانده اند.

حضور هر یک از رزین های فوق در ساختار لوله و اتصالات و مخازن کامپوزیتی، مشخصات متفاوتی را از دید مقاومت حرارتی و شیمیایی در محصول نهایی پدیدار می سازد.

در میان انواع لوله های کامپوزیت، لوله های رشته پیچی شده به دلیل استحکام بالا در جهت های مورد نظر، مورد توجه ویژه ای هستند.

شکل 5 – تولید لوله کامپوزیتی به روش رشته پیچی

 رشته پیچی (FILAMENT WINDING)، فرایندی است که در آن دسته ای از الیاف پیوسته پس از آغشته شدن به رزین بطور منظم و با آرایشی از قبل تعیین شده به دور یک مندرل (MANDREL) دوار پیچانده میشوند. پس از پخت رزین مندرل خارج میگردد. تقریبا تمامی قطعاتی که دارای محور دورانی هستند مانند لوله با این روش قابل تولید هستند.

الیاف متعارف مورد استفاده در این فرایند الیاف شیشه و رایج ترین رزین های مورد استفاده اپوکسی ها، ‌وینیل استر و پلی استر می باشند. از مزایای این روش افزایش سرعت تولید، تکرارپذیری قطعات، قرار دادن الیاف در بهترین وضعیت و امکان دستیابی به محصولی با کسر حجمی بالای الیاف است.

شکل 6 – لوله و اتصالات GRP تولید شده به روش رشته پیچی

شکل 7 - فلنج GRVE سایز 600 میلیمتر ( فشار کاری 10 بار )

پیشنهاد می شود بخوانید: وصله های کامپوزیتی برای تعمیر ترک - کاربرد مکانیک شکست در مهندسی مکانیک

بخش دوم: فناوریهای کامپوزیت در زمینه تعمیرات مکانیکی لوله و سازه های فلزی صنایع نفت، گاز و پتروشیمی

امروزه با توجه به حجم بالای فعالیت های نفت، گاز و پتروشیمی در جهان و نیاز شدید به تعمیرات خطوط لوله انتقال با در نظر گرفتن اهمیت های اقتصادی محصولات مذکور، تعمیرات خطوط لوله انتقال نفت و گاز یکی از دغدغه های صنایع بزرگ و شرکت های بین المللی نفتی در جهان است.

طبق گزارش مرکز Natural Gas STAR آمریکا، در مقایسه ای که بین هزینه های تعمیر خطوط لوله انتقال گاز در دو روش تعمیر خط لوله به روش سنتی و تعمیر با پوشش های کامپوزیتی بر روی خطوط لوله انتقال گاز انجام گرفته، نتایج زیر حاصل شده است .]4[

شکل 8 - مقایسه هزینه­ های تعمیرات دو روش تعمیر خط لوله گاز به روش سنتی ( رنگ قرمز ) و تعمیر با پوشش های کامپوزیتی ( رنگ زرد ) برای ۶ اینچ با قطر ۲۴ اینچ

شکل 9- مقایسه هزینه­ های تعمیرات دو روش تعمیر خط لوله گاز به روش سنتی ( رنگ قرمز ) و تعمیر با پوشش های کامپوزیتی ( رنگ زرد ) برای ۲۳۴ اینچ لوله با قطر ۲۴ اینچ

اولین روش ها در تعمیر خطوط لوله انتقال نفت و گاز، روش های مکانیکی و سنتی قدیمی مانند جایگزینی خطوط لوله ( (Pipeline Replacement) و بعدها روش جوشکاری آستین های فلزی (Welding metal Steel) نیز بدلیل هزینه های بالا و عملیات نصب بسیار مشکل، در کنار خطرات جانی و مالی ناشی از انفجار در حین تعمیرات از ریسک بسیار بالایی برخوردار هستند. لازم به ذکر است صنعت انتقال نفت کشور، در شبکه ای به گستردگی 14 هزارکیلومتر با پشتیبانی عملیاتی پیشرفته ترین شبکة مخابرات صنعتی منطقه، به عنوان یکی از بزرگترین مجموعه های انتقال مواد نفتی ضامن تداوم جریان انرژی و انتقال کلان، پایدار و ایمن نفت خام و فرآورده های نفتی است ( شکل 8 ).

جابجایی 123 میلیارد لیتر مواد نفتی درسال، تأمین خوراک 7 پالایشگاه داخلی و چندین واحد پتروشیمی، سوخت رسانی به چندین نیروگاه و انتقال روزانه 400 میلیون لیتر فرآورده نفتی از مهمترین ویژگی های این شبکه بزرگ خطوط لوله کشور می باشند ]5[.

مطالعه کنید: خلاصه درس کامپوزیت - مواد مرکب مقطع ارشد مهندسی مکانیک با توضیحات مفید و خوب

از عمده ترین دلایل تخریب خطوط لوله می توان به شکست در اثر ترک خوردگی تنشی، ترک خوردگی ناشی از القای هیدروژن، خستگی، خوردگی و غیره اشاره کرد. راهکارهای مختلفی برای جلوگیری از شکست خطوط لوله اتخاذ شده است اما در اکثر مواقع این روش ها به اندازه کافی موثر نیستند.

خوردگی یکی از مشکلات عمده در صنعت نفت می باشد که هزینه های فراوانی صرف این مقوله می شود و باید به منظور بسترسازی لازم در جهت توسعه این بخش تمام سعی و تلاش را انجام داد. بسیاری از اساتید مهندسی مکانیک در زمینه استفاده از وصله های تعمیراتی کامپوزیتی برای تعمیر مخازن و لوله ها، خوردگی، خستگی و ... کارهای تحقیقاتی خودشان را انجام می دهند.

شکل 10 – شبکه گسترده خطوط لوله انتقال مواد نفتی ایران

·        فناوری کامپوزیت و قابلیت های کاربردی آن:

گر چه در سالهای اخیر، کاربرد اصلی لوله های GRP در انتقال آب بین شهرها و جمع آوری فاضلاب شهری بوده است اما با نگرش مثبت کارشناسان صنعتی کشور، این لوله ها جایگاه مناسبی جهت انتقال سیالات در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی و صنایع شیمیایی پیدا نموده اند. مزیت مناسب لوله های رزین اپوکسی و ونیل، تحمل در مقابل دمای بالاتر از 100 درجه سانتیگراد و فشارهای کاری بیشتر از 40 اتمسفر است که عمدتا در صنعت نفت بکار می رود. البته این مزیت با استفاده از لوله های GRE (Glass Reinforced Epoxy Pipe) که از رزین اپوکسی به جای رزین پلی استر استفاده میشود بدست می آید. در این صورت این لوله ها میتوانند فشارهای بسیار بالا را نیز تحمل نمایند .]6[

لوله های کامپوزیت در موارد مختلفی در صنعت نفت و گاز و پتروشیمی به کار می روند:

- عملیات های بالادستی ( لوله های نفتی (OTCG) )

- عملیات های میانی ( انتقال و توزیع سیالات مانند نفت، گاز، بخار، اسیدها )

- عملیاتهای پایین دستی ( لوله های فرایندی برای تصفیه نفت و گاز در محصولات مشتق شده )

- کاربردهای لوله های خط انتقال آب شور و آب در زمینه تأسیسات

- کاربرد در زمینه پشتیبانی خطوط اصلی و تزریق مواد و سیالات مورد نیاز خطوط

مطالعه این مقاله هم مفید است: معرفی انواع مواد مرکب (کامپوزیت ها) و الیاف و ماتریس در کامپوزیت

·        بررسی روشهای تعمیراتی و بکارگیری فناوری کامپوزیت در تعمیر لوله ها

به جهت اقدامات مرتبط با تعمیرات لوله های فلزی سه روش تعمیراتی در بررسی استفاده از فناوری کامپوزیت در زمینه تعمیرات و تقویت مکانیکی لوله و سازه های فلزی صنایع نفت و پتروشیمی پیشنهاد گردیده است. روش های اولیه در تعمیر خطوط لوله انتقال نفت و گاز، روش های مکانیکی و سنتی قدیمی مانند جایگزینی خطوط لوله ( Pipeline Replacement ) و بعدها روش جوشکاری آستین های فلزی ( Welding metal Steel ) بوده که بدلیل هزینه های بالا و عملیات نصب بسیار مشکل، در کنار خطرات جانی و مالی ناشی از انفجار در حین تعمیرات، از ریسک بسیار بالایی برخوردار هستند. از این رو تعمیر خطوط لوله با استفاده از فناوری پوششهای کامپوزیتی ( Pipeline Repair Composite wrap ) جایگزین روش های مکانیکی و سنتی شده است. در حال حاضر سه روش مرسوم تعمیراتی در زمینه ترمیم موضعی لوله های فلزی ارائه گردیده است. این سه روش در بخش های مختلف کاربردی بوده و هر یک از آنها دارای جایگاه و توجیه مهندسی در ساختار تعمیراتی لوله ها می باشند. این سه روش به صورت کلی عبارتند از:

- روش استفاده از قطعات کامپوزیتی آماده

- روش پخت و لایه گذاری در محل تعمیر لوله ها ( فناوری پخت در محل تعمیر لوله )

- روش پیش آغشته ( روش میانی )

در روش تعمیراتی استفاده از قطعات کامپوزیتی آماده، کلیه قطعات به صورت کامل از محل تولید به خط لوله یا سازه مورد نظر منتقل می شوند و صرفا عملیات نصب آنها بر روی لوله ها صورت می پذیرد.

شکل 11 - تعمیرات لوله با استفاده از قطعات کامپوزیتی آماده و تولید شده ( پخت شده ) در کارخانه

این فناوری ها که با استفاده از پوشش های کامپوزیتی صورت می پذیرد، بدلیل آنکه نیاز به از سرویس خارج نمودن خط لوله ندارد با استقبال بسیار زیادی در صنایع نفت و گاز همراه بوده است. این روش تعمیراتی در خصوص خطوط لوله و سازه های یونیک (Unic Structure) که دارای تغییرات ابعادی زیادی در ساختار و ابعاد نمی باشیم، از سرعت و دقت بالایی برخوردار می باشد، اما در خصوص تعمیرات لوله های با سایز متغیر و احجام با ابعاد متغیر علاوه بر بالا بردن ریسک نصب در زمان نصب نیز با مشکلات جدی مواجه خواهیم شد.

روش لایه گذاری دستی از روش های معمول و زمانبر در تعمیر لوله و سازه های فلزی می باشد که به صورت معمول و مرسوم به شکل گسترده در بخشهای مختلف صنعتی مورد استفاده می باشد. این روش به علت عدم استفاده از فناوری های جدید زمانبر بوده و در بسیاری از موارد با اتلاف قابل توجه مواد و ضایعات زیاد همراه می باشد. در این زمینه بسیای از شرکت های معتبر روش های مرسوم تعمیرات لایه گذاری دستی را بهبود بخشیده و دستورالعمل های خاص خود را ارائه نموده اند ]7[.

شکل 12 - تعمیرات لوله با استفاده از فناوری لایه گذاری دستی

پیشنهاد می شود بخوانید: مواد مورد استفاده در ساخت پره هلی کوپتر (ملخ بالگرد)

در فرآیند پیش آغشته که با دستگاه هایی با طراحی ویژه صورت می گیرد، الیاف تقویت کننده با رزین آغشته می شود. شرکت clock spring یکی از پیشگامان تولید کامپوزیتهای تعمیراتی با فناوری پیش آغشته در دنیا می باشد.

شکل 13 - تعمیرات لوله با استفاده از فناوری پیش آغشته

 جداره کامپوزیتی پیش آغشته تا زمان سرویس دهی خود می تواند در بسته بندی های مشخصی قرار گیرد و در موقع نیاز این جداره کامپوزیتی به راحتی درمعرض رطوبت، پخت کامل شده و سخت می شود و جداره کامپوزیتی با خواص مکانیکی همانند جداره های دیگر حاصل خواهد شد. از این رو 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 ( Fiberglass with pre-impregnated resin ) مورد توجه کارشناسان بخش های فنی و مهندسی صنعت نفت می باشد. در این روش با قرارگیری جداره کامپوزیتی در معرض رطوبت یا نور UV، جداره کامپوزیتی در مدت بسیار کوتاهی پخت می شود و همچنین این روش تنها روش قالب گیری کامپوزیت ها است که توانایی استفاده همزمان در محیط های آبی و خشکی را دارد ]8[.

نکته قابل ذکر در این پوشش ها، بهره گیری از فناوری به منظور بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی کامپوزیت حاصل با هدف کاهش وزن محصول وکنترل مدت زمان و میزان ژل شدگی پیش آغشته صورت می پذیرد. این روش ها 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 پوشش های کامپوزیتی با قابلیت های کاربرد همزمان در محیط های مختلف و نصب سریع و آسان آنها را افزایش داده است. در جدول شماره 1 مزایا و معایب هر سه روش اجرایی به تفکیک بیان شده است ]8[. باید توجه داشت که علی رغم شرح مختصر هر یک از این روشها نمیتوان به صورت کامل و قطعی در خصوص بهتر بودن هریک از این روشها اظهار نظر قطعی نمود. لازم به ذکر است که از میان روش های مذکور روش لایه گذاری دستی و پخت در محل یکی از کاربردی ترین روشهای تعمیراتی در سطح کشور می باشد.

شکل 14 - تعمير خط لوله پرفشار گاز ( خط انتقال گاز گچساران ) با استفاده از فن آوري كامپوزيت به روش لایه گذاری دستی و پخت در محل

مطالعه کنید: بازیافت مواد کامپوزیتی، روشهای بازیافت مواد مرکب

جدول شماره 1 - مقایسه روشهای تعمیراتی کامپوزیت ( مزایا و معایب )

مطالعه نمائید: مقایسه کاربرد فلزات و کامپوزیتها در پره هلی کوپتر (ملخ بالگرد)

نتیجه گیری:

در اینجا سه روش مختلف از روش های مرسوم تعمیراتی خطوط لوله و سازه های فلزی با استفاده از فناوری کامپوزیت به صورت مختصر ارزیابی گردیدند و مزایا و معایب هریک از این روش ها در جدول مقایسه ای ارائه گردید.

با توجه به مفاهیم ارائه شده در روشهای تعمیراتی به نظر میرسد که استفاده از روش تعمیراتی استفاده از قطعات آماده کامپوزیتی دارای مزایای بسیار زیادی می باشد، اما بزرگترین مشکل این فناوری محدودیت در ساختار تعمیراتی و نحوه به کارگیری آن است و در حقیقت از این فناوری نمی توان در بسیاری از نیازمندی های تعمیراتی استفاده نمود و این روش تنها در خصوص برخی لوله های کامپوزیتی و ساختارهای سازه ای با شکل ساده و یکنواخت دارای کاربری بیشتری می باشد. در این روش کلیه معایب تعمیر در محل به کمترین میزان ممکن کاهش می یابد.

استفاده از روش پیش آغشته و لایه گذاری دستی دارای قابلیتهای بیشتری نسبت به روش تعمیراتی استفاده از قطعات آماده کامپوزیتی می باشند.

لایه گذاری دستی پرکاربردترین حالت تعمیراتی لوله های کامپوزیتی می باشد و بیشترین میزان تعمیرات مخازن و لوله های فلزی با استفاده از این روش انجام میشود. این روش به نسبت روشهای دیگر از قابلیت اجرایی بالایی برخوردار می باشد. تاثیر شرایط محیطی و کاهش نظارت بر فرایند تعمیراتی و عدم دقت در فرآیند اجرا از بزرگترین مشکلات این حالات تعمیراتی است. متاسفانه عدم کنترل شرایط محیطی و خصوصا بالا بودن میزان رطوبت هوا و گرد و خاک محلی به شدت بر این روش تعمیراتی اثر گذار می باشد. در این روش افزایش میزان ضایعات و خصوصا" استفاده بیش از حد از مواد کامپوزیتی از بزرگترین مشکلات اجرایی است.

روش تعمیراتی پیش آغشته از روش های مدرن و کارآمد در زمینه تعمیرات سازه های فلزی و کامپوزیتی می باشد. اگرچه این روش به صورت کامل در بخش های گسترده ای از صنایع امریکای شمالی و اروپا مورد استفاده می باشد اما در ایران همچنان ناشناخته باقی مانده است. عدم وجود متخصصین کافی و فقدان تجهیزات کامل تعمیراتی از مهم ترین چالش های این روش تعمیراتی می باشد. روش پیش آغشته روشی علمی و مبتنی بر حفظ حداکثری خواص مکانیکی در زمان لایه گذاری بوده و می بایست به صورت گسترده تری در ساختارهای تعمیراتی مورد استفاده قرار بگیرد ]1[. گردآوری: آرام سلیمی

حتما بخوانید: دانلود رایگان نمونه سوالات امتحانی کامپوزیت (مواد مرکب) مهندسی مکانیک سال تحصیلی 97-98

مراجع:

 1-    " بررسی تحلیلی فناوریهای کامپوزیت در زمینه تعمیرات و تقویت مکانیکی لوله و سازه های فلزی صنایع نفت، گاز و پتروشیمی "، کامبیز عالمپور، حسین غلام زاده، دومین کنفرانس کاربرد کامپوزیت در صنایع ایران، آبان 1399

2-    " بررسی تاثیرات استفاده از نانوتکنولوژی در مته ی حفاری "، علی دانشفر، محسن پورولی، دومین کنفرانس بین المللی پژوهش در علوم و تکنولوژی – 1394

3-    " بهینه سازی مخازن تحت فشار با استفاده از مواد کامپوزیتی "، مهرناز روزبهانی، کورس نکوفر، حسین قناعتی، فصلنامه تحقیقات مکانیک کاربردی، دوره 9 شماره 1 تابستان 1396

4-    ابولاقاسم بشيری، جلال فاتح نژاد، " اصول طراحی و بهره برداری از خطوط لوله انتقال نفت و گاز "،  ششمين همايش ملی دانشجويی مهندسی شيمی و پنجمين همايش ملی دانشجويی مهندسین نفت - 1395

5-    ميری علی، احمدی پور زهرا، مستجابی حميد، " تحليل فضا يی امنيتی خطوط ا نتقال انرژی در ايران (خطوط لوله نفت و گاز) " نشريه تحقیقات کاربردی علوم جغرافيايی 1393

6-    مجید حیدری، ساسان نجاتی، آرش نجاتی، " معرفی و دامنه کاربرد لوله های GRP مورد کاربردی در مطالعات شبکه آبیاری و زهکشی اراضی جایگزین طرح شهریار "، کنفرانس و نمایشگاه مهندسی آب 1394

7 - TECHNOBELL user manual / production line CFW 300-2600 Continuous/ Special Issue for Pars khoram Industrial pioneer engineering Co/ repair manual edition 12/ 2010

8 - Dr Sue Halliwell, NetComposites -Repair of Fibre Reinforced Polymer (FRP) Structures, National Composites Network Best Practice Guide -2017

مطالعه کنید: دانلود نمونه سوال امتحانی درس کامپوزیت (مواد مرکب) رشته مهندسی مکانیک