بخشی از مقاله
ابزارهای هوشمند بازرسی داخل خطوط لوله نفت و گاز و مقایسه تواناییهای آنها در شناسایی عیوب موجود در خطوط لوله انتقال
چکیده
در این مقاله ابتدا به معرفی عیوب داخل لوله پرداخته و سپس ابزارهای هوشـمند رایـج بازرسـی کـه در حـین عملیـات خطوط لوله نفت و گاز به کار میروند بررسی میشود. رایجترین و مناسبترین وسایل بازرسی پیگها (PIG) هستند که در این مقاله پیگهای هوشمند نشت شار مغناطیسی (MFL)، التراسونیک (UT) و ایمـت (EMAT) هـر کـدام بررسـی شده و اصول کارکرد و نحوه عملکرد آنها به اختصار تشریح میشود. در ادامه توانایی هر کدام در تشخیص عیـوب مـذکور مقایسه میشود و در انتها ضمن مقایسه کلی بر اساس نمودارهای عملکرد تجربی آنها و تجارب بازرسیهای انجام شده در داخل کشور، راهکارهایی که منجر به بهکارگیری بهینه این ابزارها در خطوط لوله نفت و گاز میگردد ارائه میشود.
واژههایکلیدی: بازرسی خطوط لوله، پیگهای هوشمند نشتشار مغناطیسی، پیگهای هوشمندالتراسونیک،
مقدمه :
امروزه صاحبان صنایع، از جمله خطوط لوله نفت و گاز دریافتهاند که پیشگیري و شناسایی عیوب خطوط لوله و انجام اقدامات پیشگیرانه، صرفه جویی اقتصادي بسیاري را موجب میگردد. سیستم نگهداري و تعمیراتی پیشرو است که با انجام اقدامات اصلاحی پیشگیرانه، توقفهاي ناشی از خرابی پیش بینی نشده را به صفر میرساند. نیل به این مهم میسر نبوده، جز با بکارگیري تکنولوژیهاي نوین بازرسی و ارزیابیهاي غیر مخرب.
در کشور ما نیز حدود 30000 کیلومتر خط لوله انتقال گاز و نفت و فرآورده موجود میباشد که با احتساب خط لوله بین چاهها، مراکز جمع آوري و پالایشگاهها این عدد به 70000 کیلومتر میرسد. با توسعه میادین نفت و گاز و رقابت روز افزون براي استحصال، توزیع و فروش، این آمارها به طور فزایندهاي در حال رشد میباشد.این مطلب بهره برداران خطوط لوله را بر این میدارد که برنامههاي گستردهاي براي نگهداري و ارتقاي بازدهی خطوط لوله به کار گیرند.
عیوب موجود در خط لوله :
این عیوب به طور کلی به چهار دسته تقسیم میشوند که هر کدام از این دستهها زیر مجموعههاي دیگري را شامل میشوند. این دسته بنديها به صورت زیر است : [1]
.1 عیوب هندسی
این عیوب شامل تاب برداشتن منظم و شکلدار (Buckle) ، قرشدگی (Ovality) ،چین خوردگی (Wrinkle)، چین و چروك (Ruck)، برآمدگی (Knobe)، نقص چرخشی یا زاویهاي (Angularity or Rolling Imperfection)، انبساط لوله (Tube Expansion)، نقص اتصال شامل جابجایی لبه و خطاي زاویه میشود.
2. عیوبی که منجر به کاهش فلز میشود.
شکاف(شامل شکاف طولی، شکاف پیرامونی، شکاف موقعیت کلی)، خوردگی موضعی (شامل چاله شدن (Pitting)، خوردگی موضعی موقعیت کلی، خوردگی طولی، خوردگی پیرامونی، خوردگی پیچشی ((Spiral)، خراشیدگی، ساییدگی (-(Abrasion، ساییده شدگی (Grinding off)، پارگی یا ترکیدگی، نشتی.
3. ناپیوستگی (انفصال) صفحه اي
ترك (Crack) (شامل ترك معمولی، ترك خوردگی تنشی(((Stress Corrosion Crack(SCC، ترك خستگی)، سایش روي هم قرار گرفته شده (Lapped Grinding)، ورقه ورقه شدن .(Lamination)
4. عیوبی که منجر به تغییر در ساختار ماده می شوند.
طراحی قوسی (Arc Drawing) و کهنگی کرنش (Strain Ageing)
همانطور که مشاهده میشود تنوع زیادي از عیوب، داخل لوله هستند که شناسایی و بررسی همهي آنها به وسیله وسایل بازرسی ، کاري مشکل و پر هزینه خواهد بود . در اکثر بازرسیها براي برقراري ایمنی مناسب در خط لوله و بکارگیري از حداکثر ظرفیت خط لوله معمولا بازرسی عیوب مهمی چون خوردگی، ترك، ترك خوردگی تنشی، و عیوب هندسی از اهمیت خاصی برخوردار است. یک خوردگی با نرخ رشد سریع میتواند باعث از بین رفتن فلز و نازکتر شدن دیواره لوله و کاهش مقاومت لوله در برابر فشارهاي اعمالی به آن شود. که درنهایت امر شکست لوله را در پی دارد که ضررهاي اقتصادي، زیست محیطی و حتی فجایع انسانی و اجتماعی را در پی خواهد داشت. عیوب ترك نیز می توانند باعث نشت مواد انتقالی به محیط شده و باعث ایجاد افت فشار و اثرات محیطی مخرب شوند. پس براي داشتن خطوط لوله انتقال با کارآئی بالا همراه با سطح اطمینان مناسب بازرسی عیوب فوق امري حیاتی به نظر میرسد.
شکل – 1 نمونه اي از پیگ کالیپر
فرآیند بازرسی شامل بازرسی اولیه خطوط لوله، بازرسی عیوب هندسی به وسیله پیگهاي کالیپر و رفع این عیوب و سپس استفاده از یکی از روشهاي هوشمند بازرسی براي شناسایی و اندازهگیري عیوب مذکور میباشد. در شکل 1 نمونهاي از این پیگ که در بازرسیهاي خطوط لوله داخلی استفاده می شود، نشان داده شده است. بازرسی اولیه معمولا پس از اجراي انواع تمیز-کاریهاي داخل لوله و حصول اطمینان از آن بوسیله ابزارهاي ساده همچون صفحه اندازه گیري (Gauge Plate) کروي، پیگهاي تمیزکاري نصب و تمیزکاري اجرا میگردد. بازرسی عیوب هندسی با دو هدف شناسایی و رفع نواقصی که منجر به گیر کردن وسایل بازرسی هوشمند و شناسایی نقاطی که منجر به ایجاد تمرکز تنش در لوله میشود انجام میگیرد. پس از انجام دو فرآیند بازرسی اولیه و عیوب هندسی، حال براي مطلع شدن دقیق از وضعیت خط لوله و شناسایی نقاط حساس و ضربه پذیر براي اعمال تعمیر یا برآوردهاي مربوط به سازگاري براي هدف (Fitness For Purpose(FFP)) و مدیریت خطر و یا حتی براي بوجود آوردن یک پایگاه اطلاعاتی مناسب براي چگونگی طراحی و ساخت خطوط جدید باید از وسایل هوشمند بازرسی خط لوله استفاده کرد. در ذیل به بررسی رایجترین این وسایل که پیگهاي هوشمند نشت شار مغناطیسی، التراسونیک و ایمت هستند، پرداخته می شود. این پیگها نقش اساسی را در فرآیند تعمیر و نگهداري خطوط لوله بازي میکنند .
پیگ هوشمند با تکنولوژي نشت شار مغناطیسی : (Magnetic Flux Leakage Pig (MFL))
این نوع پیگها از قدیمیترین پیگهاي هوشمند مورد استفاده در صنعت نفت و گاز هستند که اکثر آشنایان با این صنعت تا حدودي با نحوه عملکرد این پیگها آشنایی دارند. با این وجود لازم است توضیحات مختصري از نحوه عملکرد این پیگ داده شود. در این پیگها از تکنولوژي نشت شار مغناطیسی استفاده شده است. تکنولوژي نشت شار مغناطیسی براین اساس است که در آن آهنرباهاي دائمی اغلب از نوع نلودینیوم آهن بورون، آلومینیوم، نیکل، کبالت و یا خاکهاي کمیاب ساماریوم کبالت هستند، جداره لوله را مغناطیس نموده و این مغناطیس کردن را تا حد اشباع مغناطیسی دیواره بالا می برد. زمانی که یک میدان مغناطیسی در مجاورت یک دیواره فلزي قرار میگیرد شار مغناطیسی از دیواره عبور میکند. در واقع دیواره مسیر ترجیحی خطوط شار میباشد. این میدان مغناطیسی باید با خصوصیات ماده و قطر لوله متناسب باشد تا بتواند اشباع مغناطیسی را در دیواره لوله ایجاد کند. همانطور که در شکل 2 دیده میشود وجود یک ناحیه از لوله که ضخامت آن کمتر است، به عنوان مثال داراي کاهش فلز می-باشند، سبب ایجاد یک نشتی شار میگردد. در چنین حالتی شار عبوري کمتر از حالت ضخامت کامل دیواره است و شار نشتی اطراف یک عیب میتواند تا حدودي شبیه عیب باشداما معمولا شکل یکسانی ندارند بنابر این شکل میدان نشتی ضرورتاً یک نمایانگر خوبی براي شکل عیب نیست. عواملی که بر نشت شار مغناطیسی اثر میگذارند عبارتند از: عمق، طول، عرض و داخلی یا خارجی بودن خرابی و همچنین گردي، تیزي، جهت خرابی ها و نیز خرابیهاي مجاور و تنش و کرنش موجود در محل شار نشتی، به دلیل استوانهاي شکل بودن لوله در مختصات استوانه اي به سه مولفه محوري، شعاعی و محیطی تجزیه می شود که سنسورهاي اثر هال این مولفهها را اندازهگیري میکنند.[2] در شکل 3 نمونه اي از این پیگ موجود در داخل کشور آمده است.
پس از توضیح مختصر در مورد نحوه عملکرد پیگهاي نشت شار مغناطیسی به توانایی آنها در شناسایی عیوب لوله پرداخته میشود. این پیگها در شناسایی و تعیین عیوب کاهش فلز در اثر خوردگی یا ناودانی شدن (Gouging) ابزار بسیار مناسبی هستند. این وسایل در بعضی از مواقع توانایی تشخیص عیوب متالوژیکی که عبارتند از : نقاط سخت (Hard Spot)، دخولها (Inclusions)، ورقه ورقه شدنها (Laminations) و تخلخل جوش و عیوب ترکهاي پیرامونی را دارند. این پیگ فرو رفتگی ها (Dents) و تاب برداشتن هاي بدون کاهش یا با کاهش فلز را زمانی میتواند شناسایی کند که تماس سنسور با خط لوله از بین برود. این پیگ قادر به شناسایی تركهاي محوري نیست.[2] امروزه نسل جدیدي از پیگ ها که با نشت شار مغناطیسی عمل میکنند به وجود آمده است که این مشکل را با قرار گرفتن دو قطب به صورت عمود بر هم و ایجاد میدان مغناطیسی محیطی حل میکند که به این پیگها تی اف آي (Transverse Field Inspection(TFI)) گفته می شود.
پیگهاي هوشمند با تکنولوژي امواج التراسونیک((: (Ultrasonic Technology Pig (UT
نسل جدید پیگها که معمولا دربازرسی خطوط لوله استفاده میشوند پیگهاي التراسونیک هستند. این پیگها معمولا براي اندازهگیري با دقت بیشتر خطوط لوله بجز خطوط گاز استفاده میشوند. اصول کار پیگهاي التراسونیک بر تفاوت سرعت امواج صوت در محیطهاي مادي مختلف، استوار است. پیگهاي التراسونیک از ترانسدیوسر براي اندازهگیري عیب استفاده میکنند. ترانسدیوسرها کریستالهاي طبیعی مانند کوارتز، کورمالین و غیره هستند که اگر از مقطع خاصی برش خورده باشند در اثر اعمال فشار مکانیکی شروع به تولید پتانسیل الکتریکی میکنند این اثر به صورت معکوس هم وجود دارد یعنی اگر به این مواد پتانسیل الکتریکی اعمال گردد تغییر شکلهاي مکانیکی بین سطوح متقابل آنها ایجاد میگردد
