بررسی شرایط امکان حذف تست هیدرواستاتیک مخازن ذخیره و خطوط لوله در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی- عارف محمد زاده نوین- مرکز مهندسی عطران

0

تستهای هیدرواستاتیک مخازن بزرگ ذخیره نفت خام و فرآورده ها که معمولاً طبق استانداردهای مرجع API 620 و API 650 طراحی و ساخته      می شوند و همچنین خطوط لوله طویل انتقال نفت، گاز و فرآورده ها که معمولاً مطابق با استانداردهای مرجع API 1104 ، API 1111 ، ASME B31.4 و ASME B31.8 طراحی و اجراء می گردند، همواره بخش مهمی از منابع مالی، زمان پروژه و منابع انسانی را به خود اختصاص می دهد.

این مطلب بخصوص زمانی که بواسطه شرایط خاص سایت پروژه ها میزان منابع قابل دسترس آب با کیفیت مناسب برای انجام تستها با محدودیتهایی مواجه بوده یا دامنه تغییرات دمایی سایت در طول مدت انجام تست وسیع بوده ویا شرایط جوی سایت برای انجام تست هیدرواستاتیک مناسب نباشد، اهمیت خاصی پیدا می کند.

گاهی نیز اگرچه منابع آب کافی و امکانات سایت پروژه مناسب است، ولی به لحاظ قوانین و مقررات زیست محیطی پروژه، امکان تخلیه آب تست (که معمولاً حاوی میزان قابل توجهی از مواد بازدارنده خوردگی، رنگهای مشخص کننده نشت و سایر مواد آلاینده است.) به محیط وجود نداشته و مستلزم پیش بینی و فراهم نمودن تجهیزات و تانکرهای متعدد برای تخلیه و انتقال آب تست می باشد.

اگرچه معمولاً تست هیدرواستاتیک فلز را دچار تسلیم و تغییرشکل دائمی و خارج شدن از رفتار الاستیک نمی کند، اما خود این تنشهای الاستیک باقیمانده در شرایطی که با سایر تنشهای بوجود آمده در حین مراحل ساخت و نصب مخازن یا خطوط لوله ترکیب شده و آثار آنها با هم جمع می شود، رفتار فلز را در طول عمر طراحی دستخوش تغییراتی خارج از حدود انتظار می کند.

چنانچه بتوانیم تستهای هیدرواستاتیک مخازن ذخیره بزرگ و خطوط لوله طویل را با اعمال برخی ملاحظات اضافی در مرحله طراحی، با تنش زدایی اتصالات جوشی ضخیم (مثلاً، ضخامت بالاتر از 20 میلیمتر) و افزایش میزان بازرسیهای غیرمخرب (مانند التراسونیک، تست نشر موج آکوستیک و ذرات مغناطیسی یا مایعات نفوذ کننده)  جایگزین کنیم،

ضمن حفظ معیارهای ایمنی فنی در اجرای پروژه، تاثیر قابل ملاحظه ای در حفظ منابع محیط زیست (خاک، آب و هوا) داشته و علاوه برآن، صرفه جویی چشمگیری در مدت زمان اجرای پروژه ها حاصل خواهد شد.

در این مقاله سعی شده است که امکان حذف تست هیدرواستاتیک مخازن ذخیره بزرگ و خطوط لوله طویل در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی به اختصار مورد بحث و بررسی قرار گیرد..

 

کلمات کليدي: تست هيدرواستاتيک، مخازن ذخيره، خطوط لوله، تستهاي غيرمخرب

  

  • مقدمه

کشور ایران با وسعتی معادل 1648195 کیلومتر مربع در غرب قاره آسیا، در منطقه خاورمیانه، در زمره کشورهای کم بارش و خشک جهان قرار داشته، و میانگین بارش سالانه آن کمتر از 250 میلیمتر (در مقایسه با میانگین بارش سالانه جهان که برابر 850 میلیمتر است.) است. در سالهای گذشته روند بارشهای جوی کشور رو به کاهش بوده و هشدارهای متعدد وزارت نیرو و سازمان آب و فاضلاب کشور، در جهت تشویق عموم جامعه به صرفه جویی در مصرف آب، همواره و بخصوص در نیمه اول سال مطرح بوده است.

لذا، چنانچه بتوان این صرفه جوییها را در صنعت نیز بکار گرفت، گام موثری در جهت حفظ و صیانت از منابع آب کشور برداشته خواهد شد. در این خصوص، بررسی شرایط امکان حذف تست هیدرواستاتیک مخازن ذخیره بزرگ و خطوط لوله طویل یکی از زمینه هایی است که شاید پس از سیستمهای خنک کننده با سیال عامل آب، بیشترین تاثیر را در میزان مصرف منابع آب دارد.

  • اهميت تست هيدرواستاتيک.

هرگاه مراحل ساخت و نصب یک مخزن ذخیره و یا یک خط لوله به اتمام می رسد، تست هیدرواستاتیک آن بر مبنای کدها و استانداردهای مرجع، بمنظور اثبات سلامت و یکپارچگی و بررسی هر گونه نشت احتمالی انجام می گیرد. در هر تست هیدرواستاتیک و یا تست فشار – نشت، در حقیقت دو نکته نهفته است:

  • بررسی یکپارچگی و عدم وجود عیوب احتمالی (حتی به ظاهر جزئی) در جنس و ساختار مواد اولیه ( ورق، لوله، و غيره) .
  • بررسی سلامتی و یکپارچگی اتصالات جوشکاری شده که برای ساخت مخزن و یا نصب و اجراء خط لوله، بکار رفته است.

3- ماهیت و ویژگیهای فرآیند ساخت و تولید لوله و ورق نورد گرم شده.

در کارخانجات تولید لوله ها ، بسته به نوع کاربرد لوله، از فرآیندهای مختلفی استفاده می شود، که یکی از آنها در شکل 1 ذیل نشان داده شده است.

شکل 1 – فرآیند تولید لوله بدون درز ( با قطر نامی10 تا 26 اینچ)

از هر گروه لوله تولید شده دارای یک شماره ذوب، نمونه هایی بصورت تصادفی مورد تست هیدرولیک فشار – نشت قرار می گیرد. البته، تستهای مخرب و غیرمخرب و بازرسیهای دیگری نیز در مراحل حین ساخت و تولید لوله ها و در بازرسی نهائی، توسط پرسنل متخصص کنترل کیفیت خط تولید لوله ها بصورت متداول انجام می گیرد، تا از صحت ابعاد و سلامتی و ایمنی آن برای کاربرد مورد نظر مشتری اطمینان حاصل گردد.

در کارخانجات نورد و تولید ورقهای فولادی نیز، فعالیتهای کنترل کیفیت و بازرسی از مراحل ذوب و ریخته گری تختال (Slab) تا به پایان مرحله تولید ورقهای نورد شده و برشکاری، علامتگذاری و بسته بندی آنها برای حمل به انبار صورت می گیرد.

مراحل پیش از نورد تختال  (Slab)، اغلب شامل بازرسی چشمی، کنترل آنالیز شیمیایی، تست مايعات نفوذکننده، و گاهي سختی سطحی، در مقایسه با مشخصات فنی جنس خواسته شده و همچنين تست التراسونیک (جهت بررسی وتشخیص میزان عیوب داخلی تختال)  می باشد.

پس از تائید تختالهای ریخته گری شده، چنانچه میزان ناخالصیها و عیوب فیزیکی آن در حد رواداری استاندارد مرجع تعیین شده باشد، آنها را برای آماده سازی جهت نورد گرم، به کوره های گازی بزرگ با اتمسفر کنترل شده منتقل نموده و تختالها را گرم می کنند تا بطور یکنواخت به دمای حدود 1200 تا 1300 درجه سانتیگراد برسند.

در این شرایط، تختال آمادگی لازم را برای شکل پذیری و نورد گرم پیدا می کند. در حین مراحل انجام نورد گرم، معمولاً اکسیدهای فلزی تشکیل شده بر روی سطح تختال در مراحل متوالی عبور از میان غلطکهای دستگاه نورد، از روی سطح فلز زدوده می شود.

پس از انجام نورد گرم و برشکاری ورق، چنانچه عملیات حرارتی تکمیلی، نظیر نرمالیزاسیون، برای ورق مورد سفارش تعیین شده باشد، این عملیات مطابق با رویه های اجرایی مربوطه انجام می گیرد. پس از آن، بازرسیهای مخرب شامل آنالیز شیمیایی و مشخصات مکانیکی خواسته شده در سفارش مشتری، از هر سری ذوب بطور نمونه انجام گرفته و تستهای التراسونیک نیز جهت اطمینان از عدم وجود تورق (Lamination Test) بر روی ورقها صورت می گیرد.

عموماً تورق (Lamination) در اثر گسترش رسوبات گوگردی باقیمانده در تختال (Slab) بصورت یک عیب صفحه ای در اثر انجام نورد گرم بوجود می آید و چنانچه میزان آن بیشتر از حدود تعیین شده در استاندارد مرجع باشد، بعنوان یک عیب جدی و عامل ایجاد عدم یکپارچگی در ورق محسوب می گردد و نمی توان از آن ورق برای مقاصد فرم دادن و جوشکاری در ساخت مخازن و سایر تجهیزات استفاده نمود. بازرسی تعیین میزان تورق (Lamination)، معمولاً توسط تستهای التراسونیک انجام می گیرد.

امروزه، گروه قابل توجهی از لوله ها و ورقهای فولادی کربن – منگنزدار (C-Mn) توسط فرآیند Thermo-Mechanically Controlled Processing (TMCP) ساخته می شوند. در این روش، ورق نورد گرم شده یک مجموعه سیکلهای عملیات حرارتی کنترل شده ترمومکانیکی خاص را برای تثبیت خواص مکانیکی و متالورژیکی خود در محدوده خواسته شده طی می کند.

اغلب فولادسازان مشهور جهان، خطوط تولید خود را بر مبنای این فرآیند طراحی نموده و محصولات مربوطه را با قید نمودن انجام فرآیند تولید به طریقه TMCP در گواهینامه های نورد ورق (Mill Test Certificates) صادر و به خریدار عرضه می کنند.

درعمل، ویژگیهای محصول تولید شده توسط فولادسازان مشهور جهان، نسبت به حداقل خواص تعیین شده در استانداردهای مرجع، بهتر بوده و از کیفیت بالاتری برخوردار است.

شکل 2 – شمای کلی از سيکل عمليات حرارتي فرآیند تولید ورق و لوله فولادي به روش TMCP .

3- برآورد حجم آب قابل صرفه جويي.

بطور کلی، میزان حجم آب قابل صرفه جویی بواسطه حذف تستهای هیدرواستاتیک را می توان از روی حجم آب موردنیاز برای انجام تستها برآورد نمود. بعنوان مثال، برای یک مخزن ذخیره نفت خام با ظرفیت 500000 بشکه، میزان آب لازم برای انجام تست هیدرواستاتیک حدوداً برابر است با 90000 مترمکعب.

مخازن ذخیره 500000 بشکه ای جزء مخازن متداول و پرکاربرد در صنایع نفت بوده و طبق استاندارد API 650 در زمان تست هیدرواستاتیک بایستی حداقل فشار تست برابر 350 کیلوپاسکال باشد. همچنین، چنانچه یک خط لوله خشکی با قطر نامی 24 اینچ و ضخامت جداره 5/0 اینچ و با طول 250 کیلومتر را در نظر بگیریم، نهايتاً میزان تقریبی آب مورد نیاز برای پرکردن خط و تست هیدرواستاتیک آن برابر است با:

¼ π . [((24-1) x 0.0254) 2] x 250000 = 67012 m3

که البته با احتساب آب لازم در مانیفلدها و هواگیری و … حدوداً به 68000 متر مکعب بالغ خواهد شد.

چنین مقادیری، بخصوص هنگامیکه مشخصات آب مورد نیاز از قبیل داشتن نمک پائین (هدایت الکتریکی حدود 10 mS) ، pH  حدود 5، ذرات معلق کمتر از 50 میلی گرم بر لیتر و غیره مطرح می گردد، شرایط دشوارتری را برای تامین آب بوجود می آورد. بخصوص اینکه پس از انجام موفقیت آمیز تست هیدرواستاتیک خطوط لوله، مراحل بعدی از قبیل شستشو و تخلیه هریک به نوبه خود به حجم قابل ملاحظه ای از آب با کيفيت و مشخصات نزدیک به آب آشامیدنی نیاز دارند.

4-بررسی امکان جایگزینی تستهای غیرمخرب برای تست هیدرواستاتیک.

بر طبق استاندارد طراحی مخازن تحت فشار (ASME BPVC) ، فشار تست هیدرواستاتیک می بایست به گونه ای طرح و انتخاب گردد که میزان کرنش غیرالاستیکی که در فلز پایه بوجود می آید، هرگز از مرز 2/0% تجاوز نکند [1]. البته، همانگونه که قبلاً نیز اشاره شد، ورق و لوله در طول طی مراحل شکل دادن و خم کاری سرد در کارگاه یا سایت، دچار کارسختی شده و از این رو دانه بندی فلز خواص جهتی یافته و همچنین میزان چکشخواری و انعطاف پذیری آن (Ductility) کاهش می یابد.

معمولاً در طراحی مهندسی، کاهش میزان چکشخواری و قابلیت انعطاف فلز، بعنوان یک زنگ خطر برای وقوع شکست ترد مطرح بوده و طراح همواره تمایل به پرهیز از این پدیده دارد. از سوی دیگر، فولادهای کربن – منگنزدار C-Mn که امروزه در کارخانجات فولادسازی مشهور جهان تولید می شوند، دارای تنش تسلیم و استحکام نهائی نزدیک بوده، بطوریکه غالباً تنش تسلیم آنها بین 8/0 الی 9/0 استحکام نهائی می باشد.

بنابراین، چنانچه مجموعه ای از عوامل حین ساخت منجر به جمع آثار تنشهای باقیمانده و کرنش تجمیع یافته (Accumulated Strain) در فلز پایه شود، بدون شک عمر سرویس فلز و در نتیجه آن تجهیز را تحت الشعاع قرار می دهد. بدین ترتیب، چنانچه امکان حذف تست هیدرواستاتیک و جایگزین نمودن آن با یک سری تستهای غیرمخرب و عملیات تنش زدائی وجود داشته باشد، میزان ریسکی که متوجه تجهیزات می گردد، بطور محسوسی کاهش خواهد یافت.

امروزه، طراحی تجهیزات صنعتی و حتی کالاهای عمومی بر مبنای معیار کمینه نمودن هزینه دوره عمر (Minimization of Life Cycle Costs) انجام می گیرد. در این معیار، ضمن حفظ الزامات ایمنی در طراحی، این نکته که هیچ توجیهی برای افزایش طول عمر بیش از عمر طراحی یک تجهیز یا یک محصول وجود ندارد، مستتر مي باشد.

طبق استاندارد طراحی مخازن تحت فشار ASME، چنانچه ضخامت فلز پایه (البته با P No.1) از 38 میلیمتر بیشتر باشد، بایستی عملیات تنش زدائی بر روی مخزن (بخصوص اتصالات جوشکاری شده) انجام گیرد.

در طراحی و ساخت مدارهای لوله کشی (Piping) ، این الزام سخت گیرانه تر بوده و از ضخامت 1/19 میلیمتر (برای لوله های فولاد کربنی و کربن – منگنز) انجام عملیات تنش زدائی (PWHT) الزامی می گردد. در طراحی و ساخت مخازن ذخیره و اجرا و نصب خطوط لوله، این موضوع مشروط به توافق و قرارداد میان سازنده و کارفرما می گردد، و چنانچه اين الزام در مفاد توافق و قرارداد وجود داشته باشد، بایستی فرآیند PWHT بر اساس یک رویه اجرایی مبتنی بر استانداردهای مرجع که قبلاً به تائید کارفرما رسیده است، انجام گیرد.

چنانچه بخواهیم تست هیدرواستاتیک مخازن ذخیره بزرگ (یعنی با گنجایش حدود 50000 بشکه به بالا) و خطوط لوله طویل (یعنی خطوط لوله با طول بیشتر از 15000 متر) را حذف کنیم، و سیال عامل از گروه مواد سمی، آلاینده، هیدروژن، یا بخار سوپرهیت با فشار و دمای بالا نباشد (یعنی جزء گروه سیالات M  طبق استاندارد ASME B 31.3   نبوده) و لوله ها نیز تحت تاثیر تنشهای متناوب خستگی نباشند،

در این صورت می توان با افزودن میزان درصد بازرسیهای غیرمخرب  برای کلیه اتصالات جوشی و انجام عملیات تنش زدائی (PWHT) بر روی اتصالات جوشی با ضخامت بیش از 20 میلیمتر، با سطح اطمینان قابل قبولی از انجام تست هیدرواستاتیک صرفنظر نمود. باید توجه داشت که این مطلب برای مواردی که فرآیندهای ساخت و تولید مواد و تجهیزات از سطح کیفی قابل قبولی برخوردار نباشد، توصیه نمی گردد.

همچنین، در صورتیکه تست هیدرواستاتیک حذف گردد، تست های Air-Soap Leak Test برای سطوح کف مخازن ذخیره و برای Reinforcement Pad نازلها  هرگز حذف نشده و می بایست طبق استاندارد انجام گیرد.

5-نتيجه ­گيري

بررسی امکان حذف تست هیدرواستاتیک مخازن ذخیره و خطوط لوله و جایگزین نمودن تستها و بازرسیهای غیرمخرب و عملیات تنش زدائی از اتصالات جوشی ضخیم، طبعاً مانند هر موضوع متداول مهندسی، مستلزم برآورد مزایا و هزینه های تحمیل شده آن به اقتصاد پروژه می باشد.

بازرسیهای غیرمخرب و عملیات تنش زدائی اتصالات جوشی در شرایط سایت، معمولاً بسیار ساده نبوده و تامین تمهیداتی را می طلبد. آنچه که در این میان می تواند بعنوان یک عامل مشوق اضافی در نظر گرفته شود، حفظ منابع آب و صیانت از محیط زیست است که معمولاً هزینه های تخریب آنها در پروژه ها محاسبه نمی گردد.

چنانچه تخریب جنگل حرا در خلیج نایبند عسلویه در نتیجه اجراء پروژه های توسعه میادین پارس جنوبی، تخریب صدها هکتار از جنگلهای دنا و مراتع دامنه های شرقی رشته کوههای زاگرس مجاور به استانهای لرستان و کهکیلویه را جهت اجراء پروژه های خط لوله سراسری انتقال گاز، فاجعه دریاچه ارومیه و … را صرفاً بعنوان چند نمونه از هزاران در نظر بگیریم، خواهیم دید که محیط زیست سالم و منابع طبیعی بزرگترین سرمایه های ملی است که شاید بتوانیم با مدیریت صحیح بخش عمده ای از آنها را برای نسلهای آینده این مرز و بوم به میراث بگذاریم.

 

منابع

  • Mohitpour, H. Golshan, A. Murray; Pipeline Design & Construction, 2/ed, ASME Press, 2006.
اشتراک:

درباره نویسنده

نظرات بسته اند

Call Now Button