بررسی نشتی گاز در مخازن و لوله های نفت و گاز

خطوط لوله و مخازن مواد شيميايي كه در بسياري از موارد در آن ها مواد آلاينده ي محيط زيست، مواد آتش زا و حتي مواد سمي وجود دارد از اهميت به سزايي در صنعت برخوردارند. بهخصوص خطوط لوله كه امروز سراسر كره زمين را فراگرفتهاند.بديهي است كه وجود نشتي از اين خطوط، به ويژه در مناطقي كه از لحاظ زيست محيطي داراي حساسيت هستند مي تواند خطرات زيادي براي موجوداتي كه روي زمين زندگي مي كنند فراهم آورد.از طرفي هدر رفتن بخشي از مواد ارزشمند كه جزء محصولات و يا مواد اوليه ي ما هستند، از لحاظ اقتصادي نيز ناخوشايند است.به طور كلي نتايج وجود نشتي عبارتند از: آلودگي محيط زيست، ايجاد مسموميت در انسان و ديگر موجودات زنده، انفجار، هدر رفتن مواد ارزشمند، هزينه هاي تميز كردن محيط زيست، هزينه هاي تعمير و تعويض خط لوله، اتلاف وقت و جرايم احتمالي قانوني.بنابراين دو عامل اقتصاد و محيط زيست انگيزه ي كافي براي رفع چنين مشكلي در ما ايجاد مي كنند.

عواملي كه باعث ايجاد نشتي مي شوند عبارتند از:

فرسودگي و خوردگي لوله ها و مخازن، عوامل محيطي مثل سرما، يخبندان، گرما و...، همچنين خسارت هاي عمدي و سهوي و نيز عمليات خارج از محدوده ي طراحي كه ممكن است به لوله ها و مخازن آسيب برساند.فرسودگي لوله ها و مخازن يك عامل طبيعي است، خوردگي نيز معمولاً به خاطر وجود مواد خورنده يا سيالات ساينده به وجود مي آيد.عوامل محيطي مثل سرما، يخبندان، گرما و... نيز از عوامل طبيعي هستند كه در پديده ي نشتي موثرند.
خسارت هاي عمدي معمولاً شامل عمليات خرابكارانه است كه ممكن است به خاطر مسايل سياسي و جنگ به وجود آيد. خسارت هاي سهوي نيز ممكن است به وسيله ي برخورد اشياء يا چيزهاي ديگر و يا در اثر حفاري به وجود آيد.عمليات خارج از محدوده ي طراحي نيز يكي از عوامل آسيب به لوله هاست. زيرا هر خط لوله براي محدوده ي خاصي از دما و فشار طراحي شده و اگر عمليات، در خارج از اين محدوده انجام شود باعث ايجاد خرابي در خط لوله مي شود.بنابراين با توجه به وسعت عواملي كه مي توانند نشتي را ايجاد كنند و همچنين هزينه ها و مخاطراتي كه اين پديده دربر دارد، نشت يابي و جلوگيري از تداوم نشت، مساله ي بسيار مهمي است. با توجه به وسعت و گستردگي اين پديده تشخيص نشتي به طور دقيق و سريع كار بسيار مشكلي است.
امروزه سيستم هاي نشت يابي بسيار متنوعي ارائه شده است كه هر كدام با استفاده از تكنيكي خاص سعي در يافتن دقيق و سريع اين پديده دارند. بسياري از اين سيستم ها بسيار ساده و برخي هم سيستم هاي پيچيده اي هستند. اما هنوز هيچ كدام از اين سيستم ها نتوانسته اند به طور كامل همه ي انتظارات را برآورده كنند.اين سيستم ها عبارتند از: تشخيص نشتي توسط افراد و با استفاده از حس بويايي، شنوايي، بينايي يا مشاهده ي اثراتي كه مواد شيميايي در پيرامون خود دارند يا سيستم هايي كه با اضافه كردن مواد معطر كار نشت يابي راانجام مي دهند يا سيستم هاي موازنه ي جريان، سيستم هاي صوتي، نصب سنسورهاي پيزو الكتريك، سيستم هاي نمايش بخار، سيستم هاي نمايش كابلي، سيستم هاي لوله كشي دو جداره و ... اما هيچ كدام از روش هاي فوق نمي توانند به صورت كاملاً دقيق و سريع كار نشت يابي را انجام دهند.»بررسي نشتي گاز در مخازن و لوله هاي نفت و گاز« عنوان پايان نامه ي كارشناسي ارشد »مهرزاد ميرزانيا« دانشجوي رشته ي مهندسي شيمي (طراحي فرايند) دانشكده ي فني مهندسي دانشگاه تربيت مدرس است كه با راهنمايي دكتر محسن وفايي در مهرماه 82 ارائه شده است.

اين پايان نامه، در چهارفصل نشت يابي در مخازن مواد شيميايي، تست نشتي در خط لوله هاي آماده به كار، نشت يابي در سيستم هاي خط لوله ي در حال كار و مدل سازي سيستم هاي خط لوله، به بررسي روش هايي پرداخته است كه به صورت دقيق و سريع، كار نشت يابي را انجام مي دهند.پس از فهرست و مقدمه، مطالب ارائه شده در اين پايان نامه به تفكيك زير دسته بندي شده اند.

فصل اول: نشت يابي در مخازن مواد شيميايي

1 - روش نشت يابي و جلوگيري از نشتي در مخازن

* روش تست استحكام
* مونيتورينگ فضاي ما بين دو جداره
* روش ايجاد مانع براي جلوگيري از نشتي
* استفاده از ميله ها و كابل هاي حساس به مايعات و گازها
* روش اندازه گيري جرمي و حجمي
* روش كنترل موجودي آماري
* روش SIR
* روش مدرج سازي اتوماتيك تانك (ATG)
* روش مدرج سازي دستي تانك (MTG)
* روش صوتي
* روش مونيتورينگ بخار
* روش مونيتورينگ آب زير زميني

2 - حفاظت در برابر خوردگي

* استفاده از تانك هاي فايبر گلاس
* استفاده از تانك هاي فولادي با حفاظت آندي
* استفاده از جريان DC
* جلوگيري از سرريز كردن تانك
* انتخاب روش مناسب براي جلوگيري از نشتي در مخازن

فصل دوم: تست نشتي در خط لوله هاي آماده به كار

* روش تست نشتي در خط لوله هاي آماده به كار
* روش تست هيدرواستاتيك
* تست پنوماتيك
* تركيب تست پنوماتيك و هيدرواستاتيك
* روش تست سرويس اوليه
* تست نشتي خلاء
* روش تست هد استاتيكي
* روش تست توسط هالوژن ها و هليم
* حساسيت روش هاي تست نشتي و استانداردهاي پذيرفته شده

فصل سوم: نشت يابي در سيستم هاي خط لوله ي در حال كار

* روش هاي تست نشتي در سيستم هاي خط لوله در حال كار

فصل چهارم: مدل سازي سيستم هاي خط لوله

* مدل سازي خط لوله
* سيستم SCADA
* مدل جريان ناپايدار
* روش هاي حل معادلات جريان ناپايدار
* نمونه هايي از مدلسازي سيستم هاي واقعي
* سيستم ATMOS

محقق در سومين فصل اين پژوهش با عنوان »نشتيابي در سيستم هاي خط لوله ي در حال كار« به بررسي روش هاي تست نشتي در سيستم هاي خط لوله ي در حال كار پرداخته است.آن چه در پي مي آيد بخشي از فصل سوم اين رساله است با اندكي دخل و تصرف:

نشتي در لوله ها خصوصاً لوله هايي كه تحت فشارند يكي از مسايل بسيار مهم در مبحث نشت يابي است. حتي قسمت عمده اي از نشتي هاي مربوط به مخازن نيز به خاطر وجود نشتي در لوله هاي مربوط به مخازن است. از لحاظ آماري، خرابي و نشتي در لوله ها حدود دو برابر خرابي در تانك هاست. به علت وجود اتصال هاي زياد در سيستم هاي خط لوله، نشتي در اين سيستم ها بسيار اتفاق مي افتد. اين مساله در لوله هاي تحت فشار خيلي حادتر است. زيرا فشار باعث مي شود تا مواد به صورت پيوسته و با نيروي زيادتر از سوراخ وارد محيط شوند. براي نشت يابي در خطوط لوله روش هاي متعددي وجود دارد. بعضي از اين روش ها به طور پيوسته و بعضي به طور غير پيوسته كار نشت يابي در لوله ها را انجام مي دهند.

روش هاي تست نشتي در سيستم هاي خط لوله ي در حال كار

از ساده ترين روش هاي تشخيص نشتي در سيستمهاي خط لوله عبارتند از:

اطلاع دادن نشتي توسط افرادي كه در مجاورت خط لوله قرار دارند. اين افراد از طريق حس بويايي، شنوايي، بينايي و يا مشاهده ي اثراتي كه اين مواد شيميايي در پيرامون خود ايجاد مي كنند، مثل تاثير روي گياهان يا حيوانات يا پرندگان، مي توانند اين پديده را تشخيص دهند. حتي گاهي اوقات با استفاده ي بيرحمانه از حيوانات يا پرندگان حساس مي توان نشتي را تشخيص داد.
راه ساده تر ديگر اضافه كردن مواد معطر به سيال است. بايد در نظر داشت كه ماده معطري كه براي اين منظور انتخاب مي شود بايد به راحتي قابل جداسازي باشد. اين روش براي سيالاتي كه بدون بو و غيرقابل اشتعال هستند روش نسبتاً موثري است مثلاً براي تشخيص نشتي گاز مونو اكسيدكربن كه بي بو ولي بسيار سمي و خطرناك است.
مواد شيميايي مثل مركاپتان ها، تري متيل آمين و...مي توانند نشتي را در سيستم تشخيص دهند. اين دو روش در محيط هاي عاري از سكنه يا در جاهايي كه بادهاي شديد مي وزند، نمي توانند كاربرد عملي داشته باشند.

روش ديگر استفاده از موازنه ي جريان به صورت روزانه يا ساعتي و ترجيحاً آن لاين است. يك سيستم اندازه گيري فشار خط لوله در كنار جريان سنج ها لازم است كه نشان دهد گراديان فشار نسبت به حالت بدون نشتي تغيير كرده است يا نه. اين روش دو اشكال دارد، يكي اين كه با اين روش موقعيت نشتي تشخيص داده نمي شود. ديگر اين كه اگر شدت جريان ها تغيير كند يعني سيستم Steady state نباشد موازنه براي تشخيص نشتي بسيار مشكل مي شود.

يكي از روش هاي چك كردن وجود نشتي در خطوط لوله، موازنه ي حجمي خطوط لوله است.

اين روش به خصوص براي خطوط لوله ي مايعاتي كه تقريباً تراكم ناپذيرند، مناسب است. در اين روش تغييرات موجود در خطوط لوله از روي اختلاف بين جريان ورودي و خروجي محاسبه مي شود و از روي اين اختلاف، نشتي هاي كوچك تشخيص داده مي شود.

موازنه در خط لوله به صورت زير است.
(3-1)
dV=Vin-Vout-Vl
كه در آن :

dV: حجم نشتي
Vin: جريان سيال ورودي
Vout: جريان سيال خروجي
Vl: ميزان موجودي مايع در خط لوله است.

يكي ديگر از سيستم هاي نشت يابي، نشت يابي صوتي است. جريان سيالات مي تواند ارتعاشاتي با فركانس هايي در محدوده ي مافوق صوت توليد كند كه به وسيله ي مبدل هايي خاص قابل تشخيص هستند. اين مبدل ها قابل حمل بوده و مي توانند توسط ماموران خط حمل و به هر نقطه ي دلخواهي برده شوند.
روش ديگر نصب سنسورهاي پيزو الكتريك است. اين سنسورها وقتي تحت تاثير تنش قرار مي گيرند، يك خروجي را صادر مي كنند. بنابراين زماني كه در سيستم خط لوله يك نشتي اتفاق مي افتد، به سرعت در خط لوله افت فشار خواهيم داشت. امواج ناشي از اين افت فشار با سرعت صوت در هر دو جهت حركت مي كنند. در نتيجه سنسورهاي نصب شده، اين امواج را دريافت كرده و مكان نشتي را از روي شرايط خط و زمان اندازه گيري شده توسط ابزارها، تشخيص مي دهند.اين روش به خصوص در زماني كه مقدار نشت زياد است، بسيار موثر مي باشد.

سيستم هاي حساس بيروني

اين سيستم ها مشخص كننده ي نشتي در خارج خط لوله هستند. اين سيستم ها داراي سنسورهاي حساس به بخار و مايع هستند. زماني كه ماده از داخل خط لوله به خارج نشت مي كند اين سيستم ها به راحتي اين مساله راتشخيص مي دهند.

دو نمونه از اين سيستم ها عبارتند از:

1- سيستم نمايش بخار: در اين روش گازهاي اطراف سيستم لوله كشي، آناليز مي شوند و اگر با مقدار طبيعي اختلاف داشته باشند، اعلام نشتي مي شود.
2- سيستم كابلي: سيستم كابلي شامل كابل نوري يا الكترونيكي پيوسته اي از جنس مواد هيدروكربني است. اين كابل ها در مسير لوله كشي قرار مي گيرند و به يك كنترلر و تابلوي زنگ خطر وصل مي شوند. وقتي كه مواد نشت كرده بااين كابل تماس حاصل كنند، خواصي از كابل مثل مقاومت الكتريكي و... تغيير مي كند و در نتيجه نشتي اعلام ميشود.

اشكال اساسي اين روش اين است كه كابل ها يك بار مصرفند و قابل احيا نمي باشند.
از طرفي سيستم هاي حساس بيروني به علت تكنولوژي جديد و گراني و همچنين تجارب كم در استفاده از آن ها، داراي كاربرد كمي هستند.
لوله كشي دو جداره: اين روش اخيراً مورد استفاده قرار گرفته است. لوله كشي دو جداره شامل دو لوله ي تو درتو است. فضاي مياني دو لوله براي نمايش نشتي استفاده مي شود. جنس لوله هاي مورد استفاده در اين روش فايبر گلاس است. اين سيستم،سيستم شكننده اي است و درمواقع نصب به توجه ويژه اي نياز دارد. لوله ي داخلي معمولاً تحت فشاري معادل 5/1 برابر فشار عملياتي سيستم، تست مي شود. تست لوله ي خارجي معمولاً تحت فشار 30 كيلو پاسكال انجام مي گيرد.

نصب لوله هاي دو جداره معمولاً 2 تا 3 برابر لوله هاي معمولي هزينه دارد.
حفاظت در برابر خطرات مكانيكي توسط خط لوله ي بيروني انجام مي شود. در فشار بين دو لوله نيتروژن تحت فشار زياد تزريق مي شود. اين فشار بايد از فشار عملياتي داخل لوله بزرگ تر باشد. يك سنسور در فضاي بين دو لوله و در هر انتهاي خط لوله نصب مي شود. اين سنسور به فشاركم حساس است. اين سنسور فشاري، روي فشاري تنظيم مي شود كه از فشار عملياتي جريان بزرگ تر و از فشار فضاي بين دو لوله كم تر باشد. حال اگر خط لوله ي داخلي نشتي داشته باشد، نيتروژن از فضاي ما بين دو لوله به داخل لوله ي داخل نفوذ مي كند، لذا فشار بين دو لوله كم شده و سنسور حساس به فشار كم، فعال مي شود.
اگر يك نشتي در نتيجه ي خرابي مكانيكي در لوله ي بيروني به وجود آيد گاز بيخطر نيتروژن به محيط نفوذ ميكند.
به هر حال تحت هر شرايطي كه فشار فضاي بين دو لوله كاهش يابد شيرهاي قطع جريان واقع درسر چاه ها جريان را قطع مي كنند.
جز روش هاي فوق روش هاي ديگري نيز براي نشت يابي در خطوط لوله وجود دارند بعضي از اين روش ها براي نشت يابي در مخازن نيز استفاده ميشوند. اين روش ها عبارتند از:

-آزمايش استحكام: اين آزمايش جزء روشهاي غيرپيوسته است. و در صورتي كه بخواهيم از آن استفاده كنيم بايد اين كار حداقل به طور ساليانه انجام شود.

روش SIR : تناوب استفاده از اين روش بستگي به توانايي آن در نشت يابي دارد. اگر توانايي آن بيشتر از 2/0 گالن در ساعت نباشد، اين روش بايد به طور ماهيانه انجام شود. اما اگر توانايي اين روش به اندازه 1/0 گالن در ساعت باشد مي توان اين روش را به طور ساليانه به كار برد.

روش مونيتورينگ فضاي ما بين: استفاده از اين روش بايد به طور ماهيانه صورت پذيرد. اين روش بايد قادر باشد 1/0 گالن در ساعت نشت يابي كند. اما بعضي از سيستم ها قابليت مونيتورينگ پيوسته رانيز دارند.

روش مونيتورينگ بخار: اين روش نيز بايد به طور ماهيانه انجام شود. در ضمن بعضي از اين سيستم ها قابليت مونيتورينگ پيوسته رانيز دارند.

روش مونيتورينگ آب زيرزميني: اين روش نيز بايد به طور ماهيانه انجام شود. در ضمن بعضي از سيستمها قابليت مونيتورينگ پيوسته را نيز دارند.

منبع:نشریه ندای گاز