بخشی از مقاله
تشکیل هیدرات درون خطوط انتقال گاز و نقش آن در آغاز فرآیند خوردگی داخلی
چکیده
تشکیل هیدرات در خطوط انتقال گاز بعنوان یک تهدید جدي در کاهش عمر مفید خط لوله محسوب می شود. اگر بعد از مراحل اولیه هسته سازي و شکل گیري کریستالهاي هیدرات زمان کافی وجود داشته باشد، پلاگ هاي هیدرات تشکیل شده و منجر به مسدود شدن مسیر جریان و حتی پارگی خط لوله می شوند. این معضل سالیانه هزینه هاي سنگینی را به صنعت نفت وارد می آورد. تا کنون مقلات زیادي درخصوص هیدرات ها منتشر شده است اما آنچه که کمتر مورد توجه قرار گرفته، توانایی هیدرات ها در آغاز فرآیند خوردگی داخلی خط لوله است. خوردگی داخلی خطوط لوله در دراز مدت سبب زوال و از کار افتادگی کامل آن می شود . توانایی هیدارت ها در آغاز فرآیند خوردگی بمرتب مهمتر از مشکل پارگی خط لوله و مسدود کردن جریان است. بعضی از عناصر تشکیل دهنده هیدرات از جمله متان، دي اکسید کربن، سولفید هیدروژن و آب براحتی وارد واکنش هاي شیمیایی و الکتروشیمیایی با سطح داخلی خط لوله شده و این آغازي براي فرایند خوردگی داخلی خط لوله است . در این مقاله به بررسی نحوه تاثیر هیدرات ها روي انواع خوردگی داخلی خط لوله و همچنین پیامدهاي زیست محیطی، اقتصادي و سیاسی ناشی از نشت نفت و گاز از خطوط لوله پرداخته می شود.
واژههاي کلیدي: هیدرات گازي، خطوط انتقال گاز طبیعی، خوردگی، محیط زیست، اقتصاد
-1 مقدمه
تقاضا براي گاز طبیعی خصوصا جزء اصلی آن یعنی متان، در جهان رو به افزایش است. علت را می توان در حجم بالاي ذخیره درجاي گاز طبیعی و دوست دار محیط زیست بودن( انرژي پاك) نسبت به سایر سوخت هاي فسیلی دانست. ترکیب اجزاء گاز طبیعی در میادین مختلف متغیر بوده و ممکن از منطقه اي به منطقه دیگر با هم متفاوت داشته باشد. جدول 1 ترکیب درصد سه میدان گازي مختلف را نشان می دهد. گاز طبیعی بطور گسترده در کاربرد هاي خانگی و صنعتی استفاده می شود. در بخش صنعت، گاز طبیعی مهمترین منبع براي تولید الکتریسیته است. در اکثر کشور هاي توسعه یافته از گاز طبیعی بعنوان یک سوخت پاك و کار آمد در سیستم حمل و نقل استفاده می شود. امروزه تحقیقات اساسی جهت گاز سوز کردن سیستم حمل و نقل هوایی در حال انجام است. همچنین گاز طبیعی در ساخت مواد پلاستیکی، ضد یخ ها، سوخت کار خانجات مواد غذایی، پالایشگاههاي نفتی و ... کاربرد دارد. علاوه بر تمام کاربرد هاي ذکر شده براي گاز طبیعی، این نکته را نیز در نظر بگیزید که هر یک از اجزاء تشکیل دهنده گاز طبیعی خود بتنهایی مصارف و کاربرد خاصی دارند که این موضوع اهمیت گاز طبیعی را دو چندان می کند. گاز طبیعی در حجم زیادي در جهان وجود دارد. در سال 2000 میزان ذخاییر گاز طبیعی و بهره برداري شده در جهان بترتیب در حدود 150/19 و 2/4223 تریلیون متر مکعب برآورد شد. کشور روسیه بیشترین حجم درجاي ذخاییر نفت و گاز جهان (در حدود 38 درصد از کل منابع) را در اختیار دارد. تا سال 2006 میزان کل حجم درجاي نفت و گاز براي کشور روسیه بترتیب در حدود 69/1 میلیارد بشکه و 48/14 تریلیون متر مکعب برآورد شد.[1] آمار ها نشان می دهد که تنها در سال 2003 میزان تقاضاي گاز طبیعی براي کشور ایالات متحده آمریکا در حدود 786/32 میلیارد متر مکعب بوده است. در سال 2007 بیش از 36 تریلیون فوت مکعب گاز طبیعی از طریق خطوط انتقال گاز بین ایالتی در کشور آمریکا جابجا شده است.[2] جدول2 بیانگر میزان تقاضاي گاز طبیعی در کشورهاي اروپایی تا سال 2010 و همچنین پیش بینی آن تا سال 2020 می باشد. آمار و ارقام ارائه شده در بالا جهت بیان اهمیت و جایگاه گاز طبیعی در جهان است. در ادامه به بررسی مشکلات و معضلات پیش روي این صنعت خصوصا در مبحث انتقال گاز از طریق خط لوله پرداخته می شود.
-2 انتقال گاز طبیعی و معضل تشکیل هیدرات
راههاي مختلفی جهت انقال گاز طبیعی از محل استخراج آن تا مقصد نهایی وجود دارد که از جمله کاربردي ترین آنها می توان به موارد ذیل اشاره کرد:
.1 خطوط لوله
.2 مایع سازي((LNG
.3 فشرده سازي (CNG)
.4 تبدیل به متانول از موارد بالا، استفاده از خطوط لوله و مایع سازي گاز بطور گسترده استفاده می شود. انتقال گاز طبیعی از طریق خط لوله
برتري ویژه اي نسبت به LNG دارد چرا که هزینه مایع سازي گاز بسیار بالا است و همچنین فرآیند انتقال آن بوسیله کشتی هاي مخصوص حمل LNG، با خطرات ایمنی و زیست محیطی فراوانی مواجه است. هر چند که هزینه واحد در انتقال گاز بوسیله فرآیند فشرده سازي گاز (CNG) و تبدیل به متانول تقریبا برابر با هزینه واحد در انتقال با خط لوله می باشد اما این دو گزینه در حال حاضر بیشتر جنبه تئوري داشته و کمتر در مقیاس تجاري مورد استفاده قرار گرفته اند. گاز طبیعی ممکن است از میادین گازي(خشک یا تر) و یا همراه با نفت تولیدي بدست آمده باشد. گاز طبیعی جهت نم زدایی و شیرین سازي( در صورت همراه داشتن گازهاي اسیدي) به پالایشگاه گازي فرستاده شده و پس از انجام مراحل مختلف پالایش جهت ارسال به مصرف کننده نهایی به خط لوله انتفال گاز تزریق می شود. اجزاء پارافینی و سبک گاز طبیعی (بوتان، متان، پروپان، نرمال بوتان و ایزو بوتان) و همچنین گازهاي نامطلوب همراه با آن مثل نیتروژن، دي اکسید کربن و سولفید هیدروژن به همراه بخار آب ممکن است در طی فرآیند انتفال گاز طبیعی از طریق خط لوله، تشکیل هیدرات داده و در نهایت منجر به مسدود شدن خط لوله و قطع جریان گاز گردد.[3] شکل1 تصویري مفهومی از نحوه تشکیل هیدرات و انسداد در یک جریان چند فازي نفت و گاز را نشان می دهد. هیدرات هاي گازي ترکیباتی جامد و کریستالی هستند که ساختاري شبیه به یخ دارند. شرایط تشکیل
این ترکیبات در دماهاي پایین و فشارهاي بالا مهیا می شود. ساختار جامد هیدرات مشتمل بر گازهاي سبک با قطر ملکولی کوچک است که درون شبکه بلوري حاصل از پیوند هیدروژنی بین ملکول هاي آب، به دام افتاده است. در شبکه هیدرات، ملکول هاي گاز نقش میهمان و ملکول هاي آب نقش میزبان را بازي می کنند(شکل.(2 تقریبا %85 شبکه بلور هیدرات توسط ملکول هاي آب و %15 دیگر توسط ملکول هاي گاز اشغال می شود. هیدرات ممکن است در فشار هاي بالا (در حدود 14 مگاپاسکال) و در دماهایی کمی بالاتر از نقطه ذوب نرمال یخ (بالاتر از 277/15 درجه کلوین) تشکیل شود. تشکیل هیدرات در این دما و فشار را می توان به ایجاد نیروهاي ضعیف واندروالس بین ملکولهاي گاز و آب و همچنین خصوصیات پیوند هیدروژنی که بین ملکول هاي آب شکل می گیرد، نسبت داد.[4] خطوط انتقال نفت و گاز در زیر دریا معمولا شرایط ترمودینامیکی مناسبی جهت تشکیل هیدرات دارند، هیدرات تشکیل شده اگر سریعا برطرف نشود منجر به مسدود شدن کلی و یا جزئی قطر داخلی خط لوله گردیده و انتقال سیال را متوقف می کند. انسداد خط لوله سبب بالا رفتن فشار در بالادست منطقه اي که هیدرات تشکیل شده است می شود از طرفی بدلیل قطع جریان سیال، دماي خط لوله کاهش میابد در این وضعیت شرایط جهت توسعه هیدارت و سختر شدن آن فراهم شده و ممکن است در نهایت منجر به ترکیدن خط لوله شود.[5] نشت نفت و گاز به محیط پیرامون سبب ببار آمدن زیانهاي زیست محیطی جبران ناپذیر می گردد. تشکیل ناخواسته هیدرات گازي در قسمتهاي مختلف صعت نفت سالانه خسارات و هزیه هاي زیادي را بهمراه دارد. این هزینه ها شامل تعمیر و یا نعویض تجهیزات آسیب دیده و همچنین هزینه کاهش و یا توقف تولید است.[6] تاثیر منفی تشکیل هیدرات در خطوط انتقال گاز نسبت به دیگر بخش هاي صنعت نفت، نمایان تر است چراکه خطوط انتقال آخرین حلقه از فرآیند فروش گاز پس از مراحل اکتشاف، حفاري، تولید و پالایش است. در واقع می توان گفت که معضل تشکیل هیدرات چالش انگیز ترین جنبه در بحث تضمین جریان است. در صنعت نفت سالیانه میلیارد ها دلار صرف مقابله و کاهش اثرات مخرب تشکیل هیدرات می شود ولی تا کنون راحل اساسی و همیشگی براي این منظور ارائه نشده است.[7]
شکل-1 تصویر مفهومی از مراحل تشکیل هیدرات و انسداد خط لوله در جریان چند فازي
!
شکل-2 در ساختار کریستالی هیدرات، ملکول هاي آب نقش میزبان و ملکول هاي گاز نقش میهمان را بازي می کنند.
ملکول هاي گاز
ملکول هاي آب
-3 تشکیل هیدرات و شروع خوردگی داخلی خطوط انتقال گاز
هیدرات ها براحتی می توانند روي انواع خوردگی داخلی خط لوله اعم از شیمیایی و فیزیکی تاثیر گذار باشند. میزان این تاثیر گذاري به عوامل مختلفی وابسته است که مهمترین آنها عبارتند از:
.1 حجم و ابعاد هیدرات شکل گرفته درون لوله .2 مدت زمان تماس با سطح داخلی لوله .3 میزان تخریب لایه محافظ روي خط لوله .4 نوع گاز هاي درون شبکه هیدرات
خوردگی داخلی خط لوله (ناشی از تشکیل هیدرات و یا عوامل دیگر) موجب زوال لوله و تحمیل هزینه هاي سنگین تعمیر و یا جایگزینی قسمت هاي آسیب دیده می گردد. مکانیزم هاي خوردگی می تواند فیزیکی و یا شیمیایی باشد.
-4تشکیل هیدرات و آغاز خوردگی داخلی تحت مکانیزم هاي فیزیکی
