لایه های محافظ

محافظ فشار

محافظ فشار، مقاومت در برابر فشار حلقه در دیواره لوله است که ناشی از فشار سیال داخلی است. محافظ فشار دور غلاف پلیمری داخلی پیچیده شده و از سیم‌های به‌هم‌پیوسته ساخته شده‌است. این یک لایه بین فلزی قفل شده‌می‌باشد که غلاف فشار داخلی و بارهای فشار داخلی سیستم را در جهت شعاعی پشتیبانی می‌کند. برخی از پروفیل‌های نمونه برای سیم‌های محافظ تحت فشار در شکل ۲۴.۱۱ نشان‌داده شده‌است. این پروفیل‌ها امکان فلکسیبلی خمشی و کنترل شکاف بین سیم‌های محافظ را فراهم می‌کنند تا از خروج غلاف داخلی از میان لایه محافظ جلوگیری شود. برای مقاومت بهتر در برابر تنش حلقه در دیواره لوله، محافظ فشار با زاویه حدود ۸۹ درجه به محور طولی لوله برخورد می‌کند. لایه‌های محافظ فشاری مارپیچی “زتا” شکل، اثرات تقویتی در برابر فشار داخلی و خارجی و پشتیبانی از بارگذاری حلقه دارند. این لایه با مقاومت در برابر ساختار زیرین بیضوی مانند لایه لاشه، پشتیبانی خارج از لایه مانع سیال را فراهم می‌کند. لایه زتا شکل قادر به تحمل بارهای محوری یا خمشی به طور قابل‌توجهی نیست. این به این دلیل است که در یک مارپیچ با یک گام کوتاه با یک زاویه عمودی نزدیک به ۹۰ درجه و با یک شکاف بین چرخش سیم‌های پروفایل فلزی به هم قفل شده‌است.

مواد مورد استفاده برای سیم محافظ تحت فشار معمولا فولاد کربنی با استحکام بالا است. انتخاب سیم معمولا بستگی به این دارد که آیا لوله برای خدمات “شیرین” یا “ترش” واجد شرایط است (‏خدمات “ترش” طبق تعریف NACE MR 01 – ۷۵)‏. سیم‌های فولادی با بالاترین مقاومت مورد استفاده در کاربردهای لوله فلکسیبل دارای مقاومت کششی نهایی (‏UTS)‏۱۴۰۰ مگاپاسکال (‏ksi ۲۰۰)‏می‌باشند. با این حال، این سیم‌های با مقاومت بالا در معرض ترک‌خوردگی ناشی از هیدروژن (‏HIC)‏و ترک‌خوردگی ناشی از سولفید – تنش (‏SSC)‏قرار دارند. از این رو، ممکن است استفاده از چنین سیم‌های فولادی با استحکام بالا برای کاربردهای لوله ترش امکان پذیر نباشد. جایگزین، استفاده از لایه‌های فولادی اضافی با UTS کم‌تر از ۷۵۰ مگاپاسکال (‏۱۰۵ ksi)‏است.

محافظ کششی

لایه‌های محافظ کششی همیشه به صورت جفت به هم برخورد می‌کنند. همانطور که از نامشان پیداست، این لایه‌های محافظ برای مقاومت در برابر بار کششی، گشتاورهای پیچشی و خمشی بر روی لوله فلکسیبل استفاده می‌شوند. لایه‌های محافظ کششی، همانطور که در شکل ۲۴.۱۲ نشان‌داده شده‌است، به طور معمول از سیم‌های مستطیلی تخت ساخته شده‌اند و در حدود 30×50 درجه بر روی محور طولی قرار گرفته‌اند. فلکسیبلی در خمش لوله‌های بدون پیوند از توانایی وترها (‏سیم‌ها)‏لایه‌های مارپیچ برای لغزش نسبت به یکدیگر سرچشمه می‌گیرد. این کار منجر به پوشیدن و در نهایت خستگی وترها می‌شود. مقدار لغزش به طور معکوس با زاویه عمودی وتر متناسب است.

زاویه عمودی ۵۵ درجه منجر به یک لوله با تعادل پیچشی می‌شود، و این زاویه در طراحی لوله‌ها استفاده می‌شود که در آن تنش محیطی نیز توسط لایه‌های محافظ کششی مقاومت می‌شود، و هیچ لایه محافظ فشاری وجود ندارد.

لایه‌های محافظ کششی برای حمایت از وزن تمام لایه‌های لوله و انتقال بار از طریق اتصالات نهایی به سازه کشتی استفاده می‌شوند. تنش بالا در بالا رونده آب‌های عمیق ممکن است به استفاده از چهار لایه محافظ کششی به جای فقط دو لایه نیاز داشته باشد. سیم‌های محافظ کششی از فولاد کربنی با قدرت بالا ساخته شده‌اند، مانند سیم‌های محافظ فشاری. شرایط سرویس “شیرین” یا “ترش” عوامل تعیین‌کننده قدرت سیم هستند که می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند، زیرا سیم با قدرت بالا بیشتر مستعد HIC و SSC است.

محافظ مرکب

با افزایش عمق آب توسعه میدان دور از ساحل، وزن معلق و عملکرد خستگی انشعاب‌های دینامیکی بیشتر و بیشتر عوامل طراحی را هدایت می‌کنند. مزایای محافظ کامپوزیتی ممکن است شامل موارد زیر باشد:

مقاومت بالاتر نسبت به وزن، منجر به یک ساختار لوله با وزن سبک‌تر برای ظرفیت ساختاری معادل می‌شود.

* بهبود مقاومت در برابر خستگی.

مقاومت در برابر خوردگی و تخریب توسط بیشتر مواد شیمیایی میدان نفتی و آب دریا.

با انتخاب مناسب الیاف، ماتریس و فرآیند، مقاومت کششی معمولی بیش از ۳۰۰۰ مگاپاسکال (‏۴۳۵ ksi)‏برای مواد کامپوزیت الیاف کربن (‏CFC)‏ثبت شده‌است. شکل ۱۳ – ۲۴ بالاترین مقاومت ویژه (‏UTS به نسبت چگالی، که در آن UTS برابر با ۳۰۰۰ مگاپاسکال و چگالی ۱۷۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب)‏از CFC در مقایسه با فولاد کربنی معمولی و به ویژه رده‌های فولاد مناسب برای سرویس ترش (‏حضور H2S و ریسک مربوط به تردی هیدروژن)‏را نشان می‌دهد، که برای لوله‌های فلکسیبل معمولی استفاده می‌شوند.

جایگزینی فشار فلزی و ارتعاشات کششی لوله فلکسیبل بدون پیوند با مواد پلیمری مسلح شده با الیاف (‏FRP)‏یا محافظ کامپوزیتی به دلیل مزایای آن‌ها در حال تبدیل شدن به یک گرایش است.

شکل ۲۴.۱۴ یک لوله فلکسیبل را با استفاده از چهار لایه محافظ الیاف کربن (‏CFA)‏توسط فن‌آوری نشان می‌دهد. عملکرد سطح بالای لوله فلکسیبل واجد شرایط که CFA را ادغام می‌کند اجازه می‌دهد تا یک محلول بالابر فلکسیبل با وزن سبک و کاهش یا حذف نیاز به عناصر شناوری برای پیکربندی‌های آب‌های فوق عمیق.

شکل ۲۴.۱۵ یک نمای مقطعی از ساختار لوله معمول Deepflex FFRP را نشان می‌دهد. لوله تقویت‌شده با الیاف فلکسیبل (‏FFRP)‏با یک لایه مقاومت حلقه غیرقفل شونده، یک ساختار لوله فلکسیبل بدون اتصال است که فشار کامپوزیت و محافظ کششی را به کار می‌گیرد.

ورقه پلیمر خارجی

غلاف پلیمری خارجی می‌تواند از همان مواد غلاف پلیمری داخلی ساخته شود. وظیفه اصلی غلاف خارجی به عنوان مانعی در برابر آب دریا است. همچنین سطحی از حفاظت را برای سیم‌های محافظ در برابر برخورد با اشیا دیگر در طول نصب فراهم می‌کند.

دیگر لایه‌ها و پیکربندی‌ها

علاوه بر این پنج لایه اصلی لوله فلکسیبل، لایه‌های کوچکی هستند که سطح مقطع لوله را تشکیل می‌دهند. این لایه‌ها شامل نوارهای ضد اصطکاکی هستند که به دور لایه‌های محافظ پیچیده شده‌اند و هدف آن‌ها کاهش اصطکاک و در نتیجه فرسایش لایه‌های سیمی است وقتی که آن‌ها یکدیگر را به عنوان خم لوله به خاطر بارهای خارجی می‌مالند. همچنین می‌توان از نوارهای ضد سایش برای اطمینان از این که لایه‌های محافظ شکل زخم خود را حفظ می‌کنند، استفاده کرد. این نوارها اطمینان حاصل می‌کنند که سیم‌ها از پیکر بندی از پیش تعیین‌شده خود، پدیده‌ای به نام افزایش فشار هیدرواستاتیک که منجر به فشار محوری در لوله می‌شود، خارج نشوند.

در برخی از کاربردهای لوله فلکسیبل، به دلیل بارهای کششی بالا، سیم‌های کشش بالا برای لایه‌های محافظ کششی مورد نیاز است، و با این حال حضور یک محیط ترش به این معنی است که این سیم‌ها از نرخ غیرقابل‌قبول HIC و SSC رنج می‌برند. یک راه‌حل برای این وضعیت، ساخت یک مقطع لوله با دو انفیس متمایز به جای یک انفیس است. آنولوس داخلی می‌تواند شامل لایه محافظ فشار باشد، که نیاز نیست از فولاد با کشش بسیار بالا ساخته شود و بنابراین به دلیل غلظت بالای H2S از مشکلات جدی خوردگی رنج نمی‌برد. لایه محافظ تحت فشار و لایه محافظ کششی. این غلاف پلیمری از غلظت بالای H2S در آنولوس خارجی جلوگیری می‌کند. هنوز هم مقدار مشخصی از H2S می‌تواند از طریق این غلاف پلیمری از داخل به داخل حلقه بیرونی نفوذ کند. با این حال، غلظت H2S در آنولوس خارجی می‌تواند به اندازه کافی پایین باشد تا امکان استفاده از سیم‌های با کشش بالا برای لایه‌های محافظ کششی فراهم شود.

اتصالات انتهایی

اتصالات نهایی برای پایان دادن به انتهای هر لایه لوله فلکسیبل طراحی شده‌اند و ارتباط مورد نیاز برای جفت شدن با تاسیسات تولید مشتری را فراهم می‌کنند. هر یک از لایه‌های لوله فلکسیبل به صورت جداگانه خاتمه می‌یابد و برای حفظ بارهای اعمال‌شده و حفظ یکپارچگی فلوبی مهر و موم می‌شود. این ویژگی‌ها به صورت زیر فهرست شده‌اند:

اتصالات پایانی برای هر ساختار لوله فلکسیبل طراحی شده‌اند. شرایط می‌تواند هر پرواز API / ANSI، هاب ها، جوش، یا دیگر موارد باشد.

قوی تر از لوله در تنش ترکیدگی و شکست. رایج‌ترین ماده ساختاری فولاد کم آلیاژ AISI 4130 است. پوشش‌های معمول شامل آبکاری نیکل الکترولیز و اپوکسیدهای مختلف می‌باشند. مونتاژ یک فرآیند دستی است.

واضح است که سیستم آب‌بندی مانع موثر یک مسئله‌ی کلیدی برای طراحی اتصالات نهایی است. شکل ۲۴.۱۶ یک تصویر شماتیک از یک آب‌بند مانع مناسب انتهایی است.

تعدادی از مسائل مهم باید در طول طراحی و ساخت ترتیبات مناسب نهایی در نظر گرفته شوند. تلورانس های تولید روشنایی برای غلاف فشار و ابعاد حلقه آب‌بندی، پایان فشار محافظ، و گشتاور پیچ برای اطمینان از انتقال کافی بار از لایه‌های فولادی لوله به ساختار لوله ضروری است. پر کردن چربی باید با استفاده از تکنیک‌های مناسب انجام شود تا اطمینان حاصل شود که هیچ شکاف هوایی تولید نشده است. موقعیت و عملکرد صحیح درگاه‌های دریچه حلقوی نیز برای اطمینان از عدم ایجاد گاز در دهانه مهم است. برای جلوگیری از خوردگی، طراحی گیره آند معمولا برای حفاظت از اتصالات لوله فلکسیبل استفاده می‌شود. قبل از نصب، ROV باید سطح را با استفاده از یک برس فولادی تمیز کند تا تماس الکتریکی بهتر گیره آند را تضمین کند.

تقویت کننده خمشی و دهانه شیپوری

یکی از حوزه‌های بحرانی یک بالابر فلکسیبل، بخش بالای بالابر است، درست قبل از آرایش آویزان. این ناحیه در معرض خمش بیش از حد قرار دارد و از این رو یک دستگاه جانبی برای افزایش سختی بالابر و جلوگیری از خمش بالابر فراتر از شعاع خم مجاز آن در طراحی گنجانده شده‌است. دو دستگاهی که برای این کاربرد به کار می‌روند، سخت کننده‌های خمشی و دهانه‌های زنگ هستند. شکل ۲۴.۱۷ هر دو دستگاه را نشان می‌دهد.

تولید کنندگان فلکسیبل لوله تمایل دارند که یک یا چند دستگاه را ترجیح دهند، با این حال سخت کننده‌های خم عملکرد بهتری را در کاربردهایی با مخازن با حرکت بالا فراهم می‌کنند. سخت کننده‌های بستانه همچنین انتقال لحظه‌ای بین بالابر و اتصال صلب انتهای آن را فراهم می‌کنند. دستگاه‌های جانبی به طور جداگانه از آنالیز سطح مقطع لوله طراحی شده‌اند و برای این منظور از نرم‌افزار تخصصی استفاده شده‌است. بارهای جهانی از تحلیل انشعاب فلکسیبل به عنوان ورودی برای طراحی دستگاه جانبی استفاده می‌شوند.

سخت کننده‌های جان به طور معمول از مواد پلی اورتان ساخته شده‌اند و شکل آن‌ها طوری طراحی شده‌است که وقتی وارد محل تکیه‌گاه می‌شود، به طور تدریجی به بالابر سخت شود. ماده سخت کننده خم پلی یورتان به خودی خود در یک طوقه فولادی برای انتقال بار لنگر انداخته‌است. سخت کننده‌های انتهای بال گاهی اوقات از زیر دریا استفاده می‌شوند، مانند کاربردهای stepp-S یا موج استیپ برای پشتیبانی از بالابر در اتصال انتهای زیر دریایی آن و برای جلوگیری از خمش بیش از حد در این مکان. مسائل طراحی برای سخت کننده‌های خم شامل خستگی پلی اورتان و ویژگی‌های خزش است. ابعاد مخروطی با شدیدترین تنش و ترکیب زوایا تعیین می‌شوند تا حداقل معیارهای پذیرش شعاع خمشی و عمر خستگی قابل‌قبول برای طاق فشاری و سیم‌های محافظ ساختار فلکسیبل را برآورده سازند. شکل ۲۴.۱۸ مثالی از یک تقویت‌کننده خمش را نشان می‌دهد. توجه داشته باشید که سخت کننده‌های خم بیش از ۲۰ فوت ساخته شده‌اند و در کاربردهای دریایی در حال بهره‌برداری هستند.

دهانه‌های بل اجزای فولادی هستند که همان عملکرد سخت کننده‌های خمشی را دارند، یعنی برای جلوگیری از خم شدن بیش از حد انشعاب در قسمت انتهایی انتهای آن. سطح خمیده دهان زنگ دار تحت تحمل شدید برای جلوگیری از هر گونه پیچ‌خوردگی در سطح که ممکن است موجب تمرکز تنش و آسیب به غلاف خارجی لوله شود، ساخته می‌شود.

محدودیت خمشی

محدودیت‌های خمشی به طور معمول در اتصالات پایین و بالا واقع شده‌اند. هدف این است که مقاومت اضافی در برابر خمش بیش از حد انشعاب در نقاط بحرانی (‏مانند انتهای انشعاب، که در آن سختی تا بی‌نهایت افزایش می‌یابد)‏فراهم شود.

محدودیت‌های بند برای محدود کردن خمش بر روی خطوط لوله فلکسیبل طراحی شده‌اند و برای اهداف شبه استاتیک و نصب مورد استفاده قرار می‌گیرند. آن‌ها از مواد پلاستیکی سخت ساخته شده‌اند و به طور معمول در پایه‌های اتصال سر چاه و بالابر برای مهار بارهای بالا برنده، خمشی و برشی استفاده می‌شوند. محلول‌های فولادی نیز با هزینه کم‌تر در دسترس هستند اما باید در کارخانه بسته‌بندی شوند و با رنگ و آندها محافظت شوند. مهار کننده‌ها قفل مکانیکی را برای جلوگیری از خم شدن بیش از حد فراهم می‌کنند. شکل ۲۴.۱۹ یک محدودیت خم مورد استفاده در پایان یک زیر دریای فلکسیبل لوله را نشان می‌دهد.

ماژول های شناوری

ماژولهای شناور را می توان به بالابر متصل کرد تا تنش مورد نیاز در سطح را کاهش دهد و پیکربندی بالابر مورد نظر، از جمله ساختارهای سست، شیب‌دار و معکوس را به دست آورد. این ماژولها ممکن است قوطی‌های هوایی با دیواره نازک یا ماژولهای ساختگی فوم باشند که به بالابر بسته شده‌اند. این مدول‌های شناوری نیاز به طراحی دقیق دارند و مواد مورد نیاز برای ساخت آن‌ها باید به طور مناسب انتخاب شوند تا اطمینان حاصل شود که آن‌ها مقاومت بلند مدت در برابر جذب آب دارند.

سیستم تهویه حلقوی

با گذشت زمان، سیال‌هایی که در لوله منتقل می‌شوند، از طریق غلاف پلیمری داخلی به داخل آنولوس لوله نفوذ می‌کنند. این گازهای پخش‌شده شامل آب، CO2 و H2S هستند؛ و حضور آن‌ها در آنولوس می‌تواند اثر مخربی بر روی لایه‌های فولادی داشته باشد. آب و دی‌اکسید کربن تمایل دارند که باعث خوردگی عمومی یا ایجاد حفره در لایه‌های تحت فشار و کششی محافظ شوند. حضور آب نیز می‌تواند تاثیر منفی بر عمر خستگی لایه‌های فولادی داشته باشد. حضور H2S باعث ایجاد HIC و SSC در فولاد می‌شود، و غلظت آن به دقت در طول مرحله طراحی ارزیابی می‌شود، زیرا یک لوله واجد شرایط برای خدمات شیرین می‌تواند از فولاد کششی با استحکام بالا استفاده کند که در غیر این صورت در یک محیط ترش دچار خوردگی غیرقابل‌قبول خواهد شد.

به غیر از اثرات منفی خوردگی و خستگی ناشی از حضور این گازهای پخش‌شده بر روی لایه‌های فولادی لوله، افزایش فشار در آنولوس ناشی از حضور گازها نیز می‌تواند باعث فروپاشی غلاف پلیمری داخلی لوله شود. در صورت افت فشار ناگهانی در قطر داخلی لوله (‏برای مثال، قطع اضطراری سیستم)‏، فشار در قطر داخلی به دلیل این گازهای پخش‌شده ممکن است بیشتر از فشار در قطر داخلی باشد. این امر می‌تواند منجر به فروپاشی غلاف پلیمری داخلی، از دست رفتن تمامیت سیال، و شکست لوله شود. لاشه فولاد برای مقاومت در برابر فشار فروپاشی ناشی از افزایش گاز در آنولوس طراحی شده‌است. و این حالت شکست در لوله‌های فلکسیبل ثبت شده‌است.

برای جلوگیری از تجمع گازها در آنولوس ناشی از انتشار، یک سیستم تخلیه در ساختار لوله گنجانیده می‌شود تا گازهای آنولوس را قادر سازد تا به اتمسفر تخلیه شوند. شیره‌ای تخلیه در هر دو آرایش اتصال انتهایی در زیر دریا واقع شده‌اند، به طور مستقیم به طوقه متصل شده‌اند، که برای کار در فشار حدود 30-45 پوند در اینچ طراحی شده‌اند، و برای جلوگیری از هر گونه ورود آب دریا به طوقه آب‌بندی شده‌اند.