کامپوزیت جایگزینی مناسب برای لوله های فلزی و بتنی

نیم قرن چاه پیمایی و خدمات لوله مغزی سیار از زبان استاد عباس حسین خانی
اردیبهشت ۳۰, ۱۳۹۷
هدف گذاری مصرف انرژی و سطح در شبکه مبدل حرارتی واحد تقطیر اتمسفریک پالایشگاه نفت کرمانشاه
تیر ۱۲, ۱۳۹۷

کامپوزیت جایگزینی مناسب برای لوله های فلزی و بتنی


کامپوزیت ها (مواد چند سازه ای یا کاهگل های عصر جدید) رده ای از مواد پیشرفته هستند که در آنها از ترکیب مواد ساده به منظور ایجاد موادی جدید با خواص مکانیکی و فیزیکی برتر استفاده شده است.اجزای تشکیل دهنده ویژگی خود را حفظ کرده در یکدیگر حل نشده و با هم ممزوج نمی شوند. از اولین کامپوزیت‌ها یا همان چندسازه‌های ساخت بشر می‌توان به کاه گل وآجرهای گلی که در ساخت آنها از تقویت کننده کاه استفاده می شده است اشاره کرد. هنگامی که این دو باهم مخلوط بشوند در نهایت آجرپخته به دست می آید که بسیار ماندگار تر و مقاوم تر از هر دو ماده اولیه یعنی گل و کاه است.

۱-۲- تعریف کامپوزیت
کامپوزیت ترکیبی از دو یا چند ماده اولیه مختلف است. این مواد می توانند طبیعی باشند یا طبیعی نباشند. بتن آرمه (ساخته شده از بتن و فولاد) نسبت به فشار و نیروهای خم کننده مقاومت دارد. شیشه ضد گلوله (ساخته شده از شیشه و پلاستیک) در مقابل برخورد نسبت به هر یک از مواد تشکیل دهنده اش یعنی شیشه و پلاستیک مقاوم تر است.
نقاط قوت کامپوزیت ها شامل موارد زیر است.
الف – وزن کم این مواد در عین بالا بودن نسبت مقاومت به وزن آنها (حتی تا ۱۵ برابر برخی از فولادها ).
ب – مقاومت بالا نسبت به خوردگی.
ج – وجود روش های مختلف ساخت و امکان تولید اشکال پیچیدهو متنوع

۱-۳- برخی از مهم ترین الیاف و کامپوزیت ها

۱-۳-۱- الیاف شیشه (فایبر گلاس ها):
سبکی، سهولت شکل دهی، مقاومت در برابر خوردگی و قابلیت آب بندی، از ویژگی های کامپوزیت هایی است که در صنعت ساختمان به کار می رود. فایبر گلاس یا الیاف شیشه پرکاربردترین کامپوزیت ها هستند، که ماده اصلی تشکیل دهنده ان سیلیکا (Sio2) است.

۱-۳-۲- الیاف کربن
از مهم ترین خواص الیاف کربن می توان به سبکی وزن، مقاومت کششی و سختی بالا، عدم تأثیر پذیری (در رطوبت، حلال ها، بازها، اسیدها) و به طور کلی مقاومت بالا در محیط های شیمیایی و خورنده، اشاره نمود.

۱-۳-۳- الیاف آرامید
ازجمله خصوصیات آن ها ماهیت غیر ایزوتروپیک، مقاومت کششی بالا، مقاومت در برابر حرارت، جذب انرژی بالا در هنگام شکست، مقاومت در برابر بارهای ضربه ای، عدم تخریب در مقابل نور ماوراء بنفش و رطوبت و مقاومت خستگی، خوب می باشند.

۱-۳-۴- کامپوزیت FRP
این نوع کامپوزیت، محصولی است برای تقویت سازه ها که با چسباندن لایه ای از منسوج الیاف کربن، شیشه یا آرامید به وسیله رزین اپوکسی به روی سطح عضوی از سازه که باید تقویت شود، انجام می گیرد.
رزین مورد استفاده در ساخت لولۀ FRP ویژگی های خاص خود را دارد. رزین به عنوان چسب عمل کرده و الیاف را در ساختار لایه ای محصول پخت شده به هم متصل می کند.

۱-۴- لوله های کامپوزیتی۱
نیازهای خاص باعث ابداع ابزار و وسایل مخصوص آن کار می شود همه کسانی که در واحدهای فرآیندی تجزیه نمک ( که بخشی از فرآیند بزرگتر تولید محصولات pvc است) کار کرده اند به خوبی با مشکلات ناشی از خوردگی حاصل از آب نمک آشنا هستند. برای انتقال آب نمک از دریاچه نمک به واحد CA و سپس فرستادن آن به کلاریفایر – فیلترهای آنتراستی – فیلترهای شمعی CANDLE FILTER و فیلترهای تبادل یونی و از آنجا برای ارسال به اتاق های تجزیه آب نمک CELL ROOM وتولید گاز کلر به انواع لوله های مقاوم در برابر خوردگی نیاز داریم، فلز برای این عملیات ضعیف است و استفاده از فلزات با روکش داخلی لاستیک کاری شده RUBBER LINING و نیز استفاده از تیتانیم خیلی گران تمام می شود ولی ابداع مواد کامپوزیتی که عمدتا از پلاستیک و پلیمر که با الیاف شیشه یا الیاف کربن تقویت شده اند بهترین راه حل است. در اینجا درباره همین کامپوزیت ها که اتفاقاً کاربرد وسیعی در اروند دارند بحث شده است.
لوله های کامپوزیتی Composite Pipes = CP امروزه در همه جای دنیا کاربردهای فراوانی دارند خصوصاً درصنایع پتروشیمی و اینجا ما در اروند از آنها به طور گسترده در واحدهای CA, و VC و حتی PVC استفاده می کنیم. چون آب نمک = BRINE که خوراک اولیه واحد CA و نیز واحدهای دیگر واز جمله VC و PVC است خورنده است و بهترین گزینه برای آن همین کامپوزیت‌های الیاف شیشه و پلیمری هستند که اگر چه ترد و شکننده هستند اما مقاومت خیلی خوبی در برابر خوردگی دارند و مشکل زنگ زدگی و پوسیدگی ندارند. از آنها برای ساخت انواع لوله ها و اتصالات و مخازن ذخیره و انتقال آب نمک استفاده می شود.

لوله های کامپوزیتی در موارد زیر به کار می روند:
۱. انتقال آب
۲. سیستم های فاضلاب
۳. انتقال مایعات خورنده شیمیایی مانند اسیدها و بازها
۴. سیستم های مکش آب دریا برای پالایشگاه ها و پتروشیمی ها
۵. شبکه های آتش نشانی
۶. خطوط زیر دریا

۱-۵- اختصارات لوله های کامپوزیتی
GRP = GLASSFIBER RAINFORCED PLASTIC = جی آر پی = پلاستیک تقویت شده با الیاف شیشه
GRP= GLASSFIBER RIANFORCED POLYESTER = چی آرپی = پولیستر تقویت شده با الیاف شیشه
GRV= GLASSFIBER RIANFORCED VINYLESTER = وینیل استر تقویت شده با الیاف شیشه
GRE= GLASSFIBER RIANFORCED EPOXY = اپوکسی تقویت شده با الیاف شیشه
CRP=CARBONEFIBER RIANFORCED PIPE = لوله هاس تقویت شده با الیاف کربن
Composite Pipes لوله‌های کامپوزیتی

۱-۶- لوله ها با قطر زیاد از جنس پلی استر و وینیل استر ۲
این لوله ها از قطر ۱ متر تا ۴ متر از جنس Glass Reinforced Polyester (GRP) و جی آر وی Glass Reinforced Vinyl ester (GRV) موجود می باشند و مزیت های خیلی بالایی نسبت به نمونه های مشابه فلزی و حتی سیمانی دارا هستند.
خاصیت خورنده نبودن این مواد کامپوزیتی نیاز به نگهداری مداوم را کاهش داده و بدین ترتیب نیازی به ایجاد پوشش های ضد خوردگی و محافظت در برابر خوردگی ندارند.

یکی دیگر از مشخصه های لوله‌های GRP and GRV دهانه داخلی صاف‌تری هم دارند. این موضوع باعث می شود نه تنها از رشد باکتری جلوگیری بعمل آید ( چون حالت چسبندگی ندارد ) بلکه هیچگونه گریس و چربی مواد مسدود کننده‌ای نیز در داخل لوله جمع نمی شوند.
از این لوله ها عمدتا برای انتقال آب ( در پتروشیمی اروند برای انتقال آب نمک ) و لوله خروجی برج های خنک کننده استفاده می شود اما در کنار آن لوله های GRP and GRV pipe کاربرد گسترده ای در اغلب صنایع دارند. ( همانگونه که در پتروشیمی اروند برای انتقال آب نمک از این لوله ها استفاده می شود ).

۱-۷- صنعت لوله های کامپوزیتی
لوله های کامپوزیتی که متشکل از الیاف شیشه و رزین های ترموست هستند ساختار محکم، مقاوم به خوردگی و سبکی را فراهم می کنند که به عنوان جایگزین بسیار مناسبی برای لوله های فلزی و بتونی مطرح می شوند.
عبارات GRP،GRV، GRE که در صنعت لوله های کامپوزیتی رواج دارد، همگی معرف پیکربندی های مختلف لوله های کامپوزیتی هستند که با توجه به ماموریت مختلف مورد انتظار، از ساختار مبتنی بر الیاف شیشه به همراه رزین پلی استر، وینیل استر و یا اپوکسی در آنها استفاده می شود. پلی استرها اغلب برای تولید لوله ها جهت مصارف مختلف از جمله آب شرب، جمع آوری فاضلاب و پساب های صنعتی و آبیاری و ….. استفاده می شوند و وینیل استرها مقاومت بیشتری در برابر خوردگی در برابر مایعات خورندگی قوی مانند اسیدها و سفید کننده ها دارند. رزین اپوکسی معمولاً برای لوله هایی با قطر کمتر از ۷۵۰ میلیمتر و عمدتاً برای خطوط نفت، گاز و فشارهای بسیار بالا استفاده می‌شوند.
لوله های کامپوزیتی از دیدگاه نحوه انتقال سیال به دو گروه عمده گرانشی و فشاری تقسیم می شوند.
در لوله های گرانشی سیال به وسیله نیروی گرانشی ویا با فشار خیلی کم برای تداوم حرکت، جابه جا می شود و به همین دلیل استحکام عامل مهم در طراحی این لوله ها می باشد. جهت قرارگیری الیاف در این لوله ها به شیوه ‌ای است که استحکام لوله در جهت های محیطی و محوری باعث کاهش تغییر شکل های خمشی در مسیر می شود و لوله در برابر نیروهای ناشی از دفن ورفت و آمد روی آن، مقاومت می کند. قطر این لوله ها از ۱۰۰ میلیمتر تا ۴۰۰۰ میلمیتر متغییر است و الیاف بیشتر در جهت محیطی قرارداده می شود که برای تحمل فشارهای زیر ۱۶ بار (۶/۱ مگا پاسکال ) مناسب است. این لوله ها در عمق زیاد نسبت به سطح زمین قرار می گیرند و فشار خاک و فشار ترافیکی روی آنها زیاد است. لوله های فاضلاب نمونه ای از لوله های گرانشی هستند.
در لوله های فشاری، حمل سیالات درفشارهای بین ۶۹۰ کیلو پاسکال تا چند مگا پاسکال مد نظر است. عمده مصرف این لوله ها در انتقال آب، صنایع نفت و گاز و دریایی است، که فراورده های مختلف با فشارهایی در حدود ۱۴ تا ۳۴ مگا پاسکال انتقال داده می شوند. جهت الیاف در این لوله ها بر اساس میزان فشار طراحی در زوایای مختلفی نسبت به محور لوله صورت می پذیرد.

۱-۸- حوزه های مختلف کاربرد لوله های کامپوزیتی
مهم ترین ویژگی و خصوصیت لوله های کامپوزیتی که باعث بکارگیری آنها در خطوط انتقال محصولات مختلف شده است، مقاومت به پدیده خوردگی ناشی از سیالات ( مایعات و گازها ) در هر دو جداره داخلی و خارجی است. لوله های کامپوزیتی به علت ساختار پلیمری خود کاملاً نسبت به این پدیده ایمن هستند و قابلیت کارکرد بدون تعمیر را در محیط های فعال شیمیائی والکترو شیمیائی به مدت ۲۵ الی ۵۰ سال دارا هستند. درست به همین دلیل است که صنایع نفت و گاز و آب و فاضلاب عمده ترین حوزه مصرف این محصولات بوده است. حذف هزینه های سنگین تعمیر و نگهداری لوله های خورده شده انتقال دهنده نفت یا گاز و خسارات ایجاد شده از قطع سرویس به مراکز صنعتی، مهم ترین عواملی است که باعث شده است تا لوله های کامپوزیتی گوی سبقت را از سایر رقبای سنتی خود بربایند.
لوله های GRP در حوزه های مختلفی از صنعت استفاده می شوند که اهم آنها عبارتند از : • توزیع آب در هر دو حوزه ساختمان و صنعت • سیستم فاضلاب شهری • انتقال پساب های صنعتی • جمع آوری آبهای سطحی • انتقال آب دریا و رودخانه ها • مدخل آبگیری برای سیستم های برجهای خنک کن • شبکه اطفاء حریق • خطوط فرایندی برای کارخانه های صنعتی • شبکه انتقال و توزیع سوخت • انتقال سیالات خورنده • شبکه های آبیاری و زهکشی لوله های GRP با توجه به شیوه تولید و رزین مورد استفاده، کلاس بالاتری از استحکام را ارائه می دهند که این امر باعث می شود تا جهت انتقال فراورده های پرفشار نفت و گاز از آنها استفاده‌گردد.
۱-۹- بررسی مقالات
یو وانگ۳ و همکاران در سال ۲۰۱۴ به بررسی رفتار تجربی لوله پر شده از سیمان درساختار لوله کامپوزیتی تحت تاثیر عرضی، پرداختند.
در این مقاله تاثیر عملکرد عرضی برای کامپوزیت سیمان فوق سبک وزن، مورد بررسی قرار گرفته است.
در مقایسه با لوله های فولادی توخالی، لوله های کامپوزیتی نشان داده شده، ضربه بیشتری تحمل کرده ودارای مقاومت بالاتر و تغییر شکل کمتری هستند.
لوله بیرونی و ضخامت، مقاومت ضربه و تغییرات خمش لوله کامپوزیتی را تخمین میٍزند.

لایه کامپوزیتی سیمانی سبک که به اختصار ULCC گفته می‌شود به طور موثر توسعه اثر موضعی را محدود می‌کند.
حضور لوله داخلی باعث افزایش محصور شدن مواد ULCC می شود.

شکل (۱-۱) کامپوزیت سیمانی پر شده در ساختمان لوله
هوبو لی۴ و همکاران در سال ۲۰۱۲ به تحلیل شکست لوله های کامپوزیتی ترموپلاستیک تقویت شده با سیم های فولادی پرداختند.

پس از چند ماه استفاده از فاضلاب شور در لوله های کامپوزیتی ترموپلاستیک تقویت شده از فولاد(SRTP)، ترک و شکست در آن مشاهده می‌شود
تحقیقات برای شناسایی علل احتمالی ترک برداشتن لوله انجام شد. این مطالعه به کمک بازرسی فیزیکی، تست مکانیکی و تحلیل حرارتی انجام شد
نتایج نشان می‌دهد که خرابی این لوله ها ناشی از ترک خوردگی تنش محیطی است.
علت ایجاد ترک ریز سطحی رزین(RESIN) این بود که زمان القایی اکسیداسیون خیلی پایین تر از حد استاندارد است.
عدم ثبات حرارتی اکسیداسیون رزین موجب شکست و ترک لوله می‌شود. SRTP با سیم‌های فولادی و پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE)، تقویت شده است
اسکلت مخلوط فولادی و هر دو قسمت داخلی و خارجی به واسطه ی یک لایه زرین چسبی به هم متصل شده اند. ( در شکل ۱ نشان داده شده است)
این نوع اتصال رزین، مواد اتصال دهنده با قدرت بالایی هستند که می‌تواند با HDPE تحت شرایط گرمایی، ذوب شود.

شکل (۱-۲) ساختمان SRTP

۱-۱۰- نتیجه گیری

راه مقابله با خوردگی و در نهایت جلوگیری از کاهش تولید به واسطه آن و نیز پرداخت هزینه های گزاف تعمیرات متوالی تجهیزات نفتی در مناطق جنوب و شمال کشور، که به دلیل زیاد بودن رطوبت و سایر مواد خورنده، در معرض خوردگی است، استفاده از تجهیزات و خطوط کامپوزیتی یا پوشش کامپوزیتی برای تجهیزات است. در زیر به بعضی مزایای استفاده از کامپوزیت اشاره می شود:
١- در این لوله ها خوردگی نه در سطح داخلی که در تماس با سیال است و نه در سطح خارجی که در تماس با محیط است، وجود ندارد. بنابراین کلیه هزینه های مربوط به پوشش داخلی و محافظت های خارجی به طور کامل از بین می رود.
٢- سطح داخلی این لوله ها بسیار صاف است، در نتیجه ی افت های اصطکاکی ناشی از مسیر به حداقل مقدارخود می رسد. مهم تر از آن، مشخصه هیدرولیکی در طول زمان سرویس دهی تغییر نمی کند و کم نمی‌شود.
٣- چون افت هیدرولیکی این لوله ها پایین است، لذا می توان سرعت را بالا انتخاب کرد و در نتیجه در یک جریان و دبی مشخص می توان سایر لوله ها را نسبت به لوله‌های فولادی یک سایز کمتر انتخاب کرد.
۴- با توجه به اینکه وزن مخصوص این لوله ها در حدود ۴ برابر کمتر از لوله های فولادی است، حمل و نقل، جابه جایی و نصب این لوله ها بسیار آسان و راحت است.
۵- با توجه به عدم خوردگی و همچنین ثابت بودن مشخصه های هیدرولیکی، این لوله ها طول عمر بسیار بالایی دارند، عمر مفید این لوله ها را حدود ۵٠ سال تخمین زده اند

سمیه حسنی
کارشناس ارشد مهندسی مکانیک
شماره ۳۷ صفحه ۷۴

دیدگاه ها بسته شده است