بررسی نشتی گاز در مخازن و لوله های نفت و گاز

[M@hdi42]

بررسی نشتی گاز در مخازن و لوله های نفت و گاز


خطوط لوله و مخازن مواد شیمیایی كه در بسیاری از موارد در آن ها مواد آلاینده ی محیط زیست، مواد آتش زا و حتی مواد سمی وجود دارد از اهمیت به سزایی در صنعت برخوردارند. به خصوص خطوط لوله كه امروز سراسر كره زمین را فراگرفته اند. بدیهی است كه وجود نشتی از این خطوط، به ویژه در مناطقی كه از لحاظ زیست محیطی دارای حساسیت هستند می تواند خطرات زیادی برای موجوداتی كه روی زمین زندگی می كنند فراهم آورد. از طرفی هدر رفتن بخشی از مواد ارزشمند كه جزء محصولات و یا مواد اولیه ی ما هستند، از لحاظ اقتصادی نیز ناخوشایند است.

به طور كلی نتایج وجود نشتی عبارتند از:
آلودگی محیط زیست، ایجاد مسمومیت در انسان و دیگر موجودات زنده، انفجار، هدر رفتن مواد ارزشمند، هزینه های تمیز كردن محیط زیست، هزینه های تعمیر و تعویض خط لوله، اتلاف وقت و جرایم احتمالی قانونی. بنابراین دو عامل اقتصاد و محیط زیست انگیزه ی كافی برای رفع چنین مشكلی در ما ایجاد می كنند.

عواملی كه باعث ایجاد نشتی می شوند عبارتند از:
فرسودگی و خوردگی لوله ها و مخازن، عوامل محیطی مثل سرما، یخبندان، گرما و...، همچنین خسارت های عمدی و سهوی و نیز عملیات خارج از محدوده ی طراحی كه ممكن است به لوله ها و مخازن آسیب برساند.فرسودگی لوله ها و مخازن یك عامل طبیعی است، خوردگی نیز معمولاً به خاطر وجود مواد خورنده یا سیالات ساینده به وجود می آید.عوامل محیطی مثل سرما، یخبندان، گرما و... نیز از عوامل طبیعی هستند كه در پدیده ی نشتی موثرند.
خسارت های عمدی معمولاً شامل عملیات خرابكارانه است كه ممكن است به خاطر مسایل سیاسی و جنگ به وجود آید. خسارت های سهوی نیز ممكن است به وسیله ی برخورد اشیاء یا چیزهای دیگر و یا در اثر حفاری به وجود آید.عملیات خارج از محدوده ی طراحی نیز یكی از عوامل آسیب به لوله هاست. زیرا هر خط لوله برای محدوده ی خاصی از دما و فشار طراحی شده و اگر عملیات، در خارج از این محدوده انجام شود باعث ایجاد خرابی در خط لوله می شود.بنابراین با توجه به وسعت عواملی كه می توانند نشتی را ایجاد كنند و همچنین هزینه ها و مخاطراتی كه این پدیده دربر دارد، نشت یابی و جلوگیری از تداوم نشت، مساله ی بسیار مهمی است. با توجه به وسعت و گستردگی این پدیده تشخیص نشتی به طور دقیق و سریع كار بسیار مشكلی است.
امروزه سیستم های نشت یابی بسیار متنوعی ارائه شده است كه هر كدام با استفاده از تكنیكی خاص سعی در یافتن دقیق و سریع این پدیده دارند. بسیاری از این سیستم ها بسیار ساده و برخی هم سیستم های پیچیده ای هستند. اما هنوز هیچ كدام از این سیستم ها نتوانسته اند به طور كامل همه ی انتظارات را برآورده كنند.
این سیستم ها عبارتند از:
تشخیص نشتی توسط افراد و با استفاده از حس بویایی، شنوایی، بینایی یا مشاهده ی اثراتی كه مواد شیمیایی در پیرامون خود دارند یا سیستم هایی كه با اضافه كردن مواد معطر كار نشت یابی راانجام می دهند یا سیستم های موازنه ی جریان، سیستم های صوتی، نصب سنسورهای پیزو الكتریك، سیستم های نمایش بخار، سیستم های نمایش كابلی، سیستم های لوله كشی دو جداره و ... اما هیچ كدام از روش های بالا نمی توانند به صورت كاملاً دقیق و سریع كار نشت یابی را انجام دهند.

"بررسی نشتی گاز در مخازن و لوله های نفت و گاز" عنوان پایان نامه ی كارشناسی ارشد "مهرزاد میرزانیا" دانشجوی رشته مهندسی شیمی (طراحی فرایند) دانشكده ی فنی مهندسی دانشگاه تربیت مدرس است كه با راهنمایی دكتر محسن وفایی در مهرماه 82 ارائه شده است.
این پایان نامه، در چهارفصل نشت یابی در مخازن مواد شیمیایی، تست نشتی در خط لوله های آماده به كار، نشت یابی در سیستم های خط لوله ی در حال كار و مدل سازی سیستم های خط لوله، به بررسی روش هایی پرداخته است كه به صورت دقیق و سریع، كار نشت یابی را انجام می دهند.پس از فهرست و مقدمه، مطالب ارائه شده در این پایان نامه به تفكیك زیر دسته بندی شده اند.

فصل اول: نشت یابی در مخازن مواد شیمیایی
1 - روش نشت یابی و جلوگیری از نشتی در مخازن
* روش تست استحكام
* مونیتورینگ فضای ما بین دو جداره
* روش ایجاد مانع برای جلوگیری از نشتی
* استفاده از میله ها و كابل های حساس به مایعات و گازها
* روش اندازه گیری جرمی و حجمی
* روش كنترل موجودی آماری
* روش SIR
* روش مدرج سازی اتوماتیك تانك (ATG)
* روش مدرج سازی دستی تانك (MTG)
* روش صوتی
* روش مونیتورینگ بخار
* روش مونیتورینگ آب زیر زمینی
2 - حفاظت در برابر خوردگی
* استفاده از تانك های فایبر گلاس
* استفاده از تانك های فولادی با حفاظت آندی
* استفاده از جریان DC
* جلوگیری از سرریز كردن تانك
* انتخاب روش مناسب برای جلوگیری از نشتی در مخازن

فصل دوم: تست نشتی در خط لوله های آماده به كار
* روش تست نشتی در خط لوله های آماده به كار
* روش تست هیدرواستاتیك
* تست پنوماتیك
* تركیب تست پنوماتیك و هیدرواستاتیك
* روش تست سرویس اولیه
* تست نشتی خلاء
* روش تست هد استاتیكی
* روش تست توسط هالوژن ها و هلیم
* حساسیت روش های تست نشتی و استانداردهای پذیرفته شده

فصل سوم: نشت یابی در سیستم های خط لوله ی در حال كار
* روش های تست نشتی در سیستم های خط لوله در حال كار

فصل چهارم: مدل سازی سیستم های خط لوله
* مدل سازی خط لوله
* سیستم SCADA
* مدل جریان ناپایدار
* روش های حل معادلات جریان ناپایدار
* نمونه هایی از مدلسازی سیستم های واقعی
* سیستم ATMOS

محقق در سومین فصل این پژوهش با عنوان "نشتیابی در سیستم های خط لوله ی در حال كار" به بررسی روش های تست نشتی در سیستم های خط لوله ی در حال كار پرداخته است. آن چه در پی می آید بخشی از فصل سوم این رساله است با اندكی دخل و تصرف:
نشتی در لوله ها خصوصاً لوله هایی كه تحت فشارند یكی از مسایل بسیار مهم در مبحث نشت یابی است. حتی قسمت عمده ای از نشتی های مربوط به مخازن نیز به خاطر وجود نشتی در لوله های مربوط به مخازن است. از لحاظ آماری، خرابی و نشتی در لوله ها حدود دو برابر خرابی در تانك هاست. به علت وجود اتصال های زیاد در سیستم های خط لوله، نشتی در این سیستم ها بسیار اتفاق می افتد. این مساله در لوله های تحت فشار خیلی حادتر است. زیرا فشار باعث می شود تا مواد به صورت پیوسته و با نیروی زیادتر از سوراخ وارد محیط شوند. برای نشت یابی در خطوط لوله روش های متعددی وجود دارد. بعضی از این روش ها به طور پیوسته و بعضی به طور غیر پیوسته كار نشت یابی در لوله ها را انجام می دهند.

روش های تست نشتی در سیستم های خط لوله ی در حال كار
از ساده ترین روش های تشخیص نشتی در سیستمهای خط لوله عبارتند از:
اطلاع دادن نشتی توسط افرادی كه در مجاورت خط لوله قرار دارند. این افراد از طریق حس بویایی، شنوایی، بینایی و یا مشاهده ی اثراتی كه این مواد شیمیایی در پیرامون خود ایجاد می كنند، مثل تاثیر روی گیاهان یا حیوانات یا پرندگان، می توانند این پدیده را تشخیص دهند. حتی گاهی اوقات با استفاده ی بیرحمانه از حیوانات یا پرندگان حساس می توان نشتی را تشخیص داد.
راه ساده تر دیگر اضافه كردن مواد معطر به سیال است. باید در نظر داشت كه ماده معطری كه برای این منظور انتخاب می شود باید به راحتی قابل جداسازی باشد. این روش برای سیالاتی كه بدون بو و غیرقابل اشتعال هستند روش نسبتاً موثری است مثلاً برای تشخیص نشتی گاز مونو اكسیدكربن كه بی بو ولی بسیار سمی و خطرناك است.
مواد شیمیایی مثل مركاپتان ها، تری متیل آمین و...می توانند نشتی را در سیستم تشخیص دهند. این دو روش در محیط های عاری از سكنه یا در جاهایی كه بادهای شدید می وزند، نمی توانند كاربرد عملی داشته باشند.
روش دیگر استفاده از موازنه ی جریان به صورت روزانه یا ساعتی و ترجیحاً آن لاین است. یك سیستم اندازه گیری فشار خط لوله در كنار جریان سنج ها لازم است كه نشان دهد گرادیان فشار نسبت به حالت بدون نشتی تغییر كرده است یا نه. این روش دو اشكال دارد، یكی این كه با این روش موقعیت نشتی تشخیص داده نمی شود. دیگر این كه اگر شدت جریان ها تغییر كند یعنی سیستم Steady state نباشد موازنه برای تشخیص نشتی بسیار مشكل می شود.
یكی از روش های چك كردن وجود نشتی در خطوط لوله، موازنه ی حجمی خطوط لوله است.
این روش به خصوص برای خطوط لوله ی مایعاتی كه تقریباً تراكم ناپذیرند، مناسب است. در این روش تغییرات موجود در خطوط لوله از روی اختلاف بین جریان ورودی و خروجی محاسبه می شود و از روی این اختلاف، نشتی های كوچك تشخیص داده می شود.
موازنه در خط لوله به صورت زیر است:
(3-1)
dV=Vin-Vout-Vl


كه در آن :
dV: حجم نشتی
Vin: جریان سیال ورودی
Vout: جریان سیال خروجی
Vl: میزان موجودی مایع در خط لوله است.
یكی دیگر از سیستم های نشت یابی، نشت یابی صوتی است. جریان سیالات می تواند ارتعاشاتی با فركانس هایی در محدوده ی مافوق صوت تولید كند كه به وسیله ی مبدل هایی خاص قابل تشخیص هستند. این مبدل ها قابل حمل بوده و می توانند توسط ماموران خط حمل و به هر نقطه ی دلخواهی برده شوند.
روش دیگر نصب سنسورهای پیزو الكتریك است. این سنسورها وقتی تحت تاثیر تنش قرار می گیرند، یك خروجی را صادر می كنند. بنابراین زمانی كه در سیستم خط لوله یك نشتی اتفاق می افتد، به سرعت در خط لوله افت فشار خواهیم داشت. امواج ناشی از این افت فشار با سرعت صوت در هر دو جهت حركت می كنند. در نتیجه سنسورهای نصب شده، این امواج را دریافت كرده و مكان نشتی را از روی شرایط خط و زمان اندازه گیری شده توسط ابزارها، تشخیص می دهند.این روش به خصوص در زمانی كه مقدار نشت زیاد است، بسیار موثر می باشد.
سیستم های حساس بیرونی
این سیستم ها مشخص كننده ی نشتی در خارج خط لوله هستند. این سیستم ها دارای سنسورهای حساس به بخار و مایع هستند. زمانی كه ماده از داخل خط لوله به خارج نشت می كند این سیستم ها به راحتی این مساله راتشخیص می دهند.
دو نمونه از این سیستم ها عبارتند از:
1- سیستم نمایش بخار: در این روش گازهای اطراف سیستم لوله كشی، آنالیز می شوند و اگر با مقدار طبیعی اختلاف داشته باشند، اعلام نشتی می شود.
2- سیستم كابلی: سیستم كابلی شامل كابل نوری یا الكترونیكی پیوسته ای از جنس مواد هیدروكربنی است. این كابل ها در مسیر لوله كشی قرار می گیرند و به یك كنترلر و تابلوی زنگ خطر وصل می شوند. وقتی كه مواد نشت كرده بااین كابل تماس حاصل كنند، خواصی از كابل مثل مقاومت الكتریكی و... تغییر می كند و در نتیجه نشتی اعلام میشود.
اشكال اساسی این روش این است كه كابل ها یك بار مصرفند و قابل احیا نمی باشند.
از طرفی سیستم های حساس بیرونی به علت تكنولوژی جدید و گرانی و همچنین تجارب كم در استفاده از آن ها، دارای كاربرد كمی هستند.
لوله كشی دو جداره: این روش اخیراً مورد استفاده قرار گرفته است. لوله كشی دو جداره شامل دو لوله ی تو درتو است. فضای میانی دو لوله برای نمایش نشتی استفاده می شود. جنس لوله های مورد استفاده در این روش فایبر گلاس است. این سیستم،سیستم شكننده ای است و درمواقع نصب به توجه ویژه ای نیاز دارد. لوله ی داخلی معمولاً تحت فشاری معادل 5/1 برابر فشار عملیاتی سیستم، تست می شود. تست لوله ی خارجی معمولاً تحت فشار 30 كیلو پاسكال انجام می گیرد.
نصب لوله های دو جداره معمولاً 2 تا 3 برابر لوله های معمولی هزینه دارد.
حفاظت در برابر خطرات مكانیكی توسط خط لوله ی بیرونی انجام می شود. در فشار بین دو لوله نیتروژن تحت فشار زیاد تزریق می شود. این فشار باید از فشار عملیاتی داخل لوله بزرگ تر باشد. یك سنسور در فضای بین دو لوله و در هر انتهای خط لوله نصب می شود. این سنسور به فشاركم حساس است. این سنسور فشاری، روی فشاری تنظیم می شود كه از فشار عملیاتی جریان بزرگ تر و از فشار فضای بین دو لوله كم تر باشد. حال اگر خط لوله ی داخلی نشتی داشته باشد، نیتروژن از فضای ما بین دو لوله به داخل لوله ی داخل نفوذ می كند، لذا فشار بین دو لوله كم شده و سنسور حساس به فشار كم، فعال می شود.
اگر یك نشتی در نتیجه ی خرابی مكانیكی در لوله ی بیرونی به وجود آید گاز بیخطر نیتروژن به محیط نفوذ میكند.
به هر حال تحت هر شرایطی كه فشار فضای بین دو لوله كاهش یابد شیرهای قطع جریان واقع درسر چاه ها جریان را قطع می كنند.
جز روش های بالا روش های دیگری نیز برای نشت یابی در خطوط لوله وجود دارند بعضی از این روش ها برای نشت یابی در مخازن نیز استفاده میشوند. این روش ها عبارتند از:
آزمایش استحكام:
این آزمایش جزء روشهای غیرپیوسته است. و در صورتی كه بخواهیم از آن استفاده كنیم باید این كار حداقل به طور سالیانه انجام شود.
روش SIR:
تناوب استفاده از این روش بستگی به توانایی آن در نشت یابی دارد. اگر توانایی آن بیشتر از 2/0 گالن در ساعت نباشد، این روش باید به طور ماهیانه انجام شود. اما اگر توانایی این روش به اندازه 1/0 گالن در ساعت باشد می توان این روش را به طور سالیانه به كار برد.
روش مونیتورینگ فضای ما بین:
استفاده از این روش باید به طور ماهیانه صورت پذیرد. این روش باید قادر باشد 1/0 گالن در ساعت نشت یابی كند. اما بعضی از سیستم ها قابلیت مونیتورینگ پیوسته رانیز دارند.
روش مونیتورینگ بخار:
این روش نیز باید به طور ماهیانه انجام شود. در ضمن بعضی از این سیستم ها قابلیت مونیتورینگ پیوسته رانیز دارند.
روش مونیتورینگ آب زیرزمینی:
این روش نیز باید به طور ماهیانه انجام شود. در ضمن بعضی از سیستمها قابلیت مونیتورینگ پیوسته را نیز دارند.
منبع: نشریه ندای گاز