کاربردهای نانوپوشش های سخت و مقاوم در صنایع نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی

فناوری نانو یک رویکرد جدید به همه علوم و فنون می­باشد و کاربردهای گسترده­ای در صنعت نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی یافته است. به­عنوان مثال افزایش راندمان کاتالیست­ها با ایجاد حفره­های نانومتری، افزایش ازدیاد برداشت نفت با استفاده از نانوهیدروژل­های فوق جاذب، استفاده از نانوفیلترها در صنعت نیروگاهی و سایر کاربردهای دیگر را می‎توان نام برد. این نوشتار صرفا به کاربردهای «فناوری نانوپوشش های سخت و مقاوم در صنایع نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی» معطوف شده است.

بیش از یکصد سال است که از عملیات سطحی و استحکام­بخشی موضعی سطح، به عنوان راهکاری عملی برای بهبود عملکرد و افزایش عمر قطعات استفاده می­شود. نخستین فرایندهای سطحی شامل نیتراسیون و کربوراسیون سطح بود. بعدها آبکاری انواع پوشش­ها معرفی شد که هم­اکنون در داخل کشور نیز مورد استفاده قرار می­گیرد. اگر چه این روش­ها سال­هاست که مورد استفاده قرار گرفته­اند اما در دو دهه اخیر با ظهور فناوریهای نوین، فرایندهای سنتی گذشته یا با این فناوری تکمیل و اصلاح شده اند و یا اینکه جایگزین مناسبی برای آنها معرفی شده است.

معایبی از قبیل اعوجاج در قطعات حین فرایند نیتروژن­دهی مایع و گازی، مضرات زیست محیطی در فرایند آبکاری کروم سخت تنها برخی از این عیوب هستند. ضمن اینکه خواص و بهبود عمر حاصل از روش­های نوین بسیار بیشتر از فرآیندهای سنتی است.

حفظ و نگهداری تجهیزات در صنایع بزرگ مانند نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی در برابر سایش، فرسایش و خوردگی از موارد مهم می­باشد. در سال­های اخیر با گسترش فناوری نانو، شرکت­های نفتی دنیا سعی در استفاده از این فناوری در بخش­های مختلف این صنایع از جمله تجهیزات و قطعات داشته اند. پتانسیل­ بالای فناوری نانو باعث شده است که بخش فراوانی از فعالیت­های تحقیق و توسعه در شرکت­های بزرگ نفتی به استفاده از این فناوری معطوف شود.

اقتصاد نانوپوشش­ها در صنعت نفت، گاز و پتروشیمی

با توجه به گزارشات منتشر شده، سهم محصولات صنعتی نفت، گاز و پتروشیمی مرتبط با نانوفناوری در سال 2015، 1.2% می­باشد. سهم صنعت نفت و گاز از فناوری نانو در حدود 22 درصد بوده و همچنین سهم پوشش­ها (تمامی انواع پوشش­ها با هر ساختاری) 12% می­باشد و این در حالی است که سهم نانوپوشش­ها در صنعت ذکر شده 9% است.

میزان خسارت تحمیل شده به صنعت نفت از پدیده خوردگی در ایالات متحده و اروپا حدود 3.1 درصد تولید ناخالص داخلی برآورد می‌گردد که طبق آمار، خسارات خوردگی که طی 22 سال گذشته در صنایع آمریکا رخ داده است، چیزی حدود 380 میلیارد دلار می‌باشد. میانگین سالانه این خسارت‌ها حدود 17 میلیارد دلار است که از کل هزینه سوانح طبیعی از قبیل زلزله، سیل و آتش‌سوزی در این کشور بیشتر می‌باشد.

سهم فناوری نانو در بخش­های مختلف صنایع بالا دستی نفت

 

چند چالش­ مهم در صنایع نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی

فعالیت‎های صنایع نفت و گاز در محیط‎های کاری پیچیده است که نیاز به پوشش‎هایی با خواص بسیار بالا دارد. خوردگی شدید و محیط‎های ساینده به همراه عوامل مکانیکی و حرارتی در این فرایندها وجود دارد. بسیاری از پوشش‏های موجود محدودیت‎های جدی دارند و برای کاربرد در صنایع نفت و گاز مناسب نیستند. پوشش‎ها خواص مکانیکی قطعه مانند سختی، استحکام و چقرمگی را بهبود می‏بخشند. در عین حال با انتخاب پوشش مناسب، مقاومت در برابر شرایط محیطی مانند اکسیداسیون دمای بالا و خوردگی بهبود می‎یابد.

چهار مشکل عمده در صنعت نفت و گاز عبارتند از : خوردگی، فرسایش، خستگی و سایش

در صنعت نفت، گاز و پتروشیمی به منظور حفاظت قطعات در برابر محیط­های خورنده از جمله گاز H₂S، فشار بالای کاری و شرایط محیطی خشن (گرما، گرد و خاک، رطوبت، نمک و غیره) از پوشش‎دهی سطح قطعات استفاده می‎شود. برخی از این قطعات از جمله روتور پمپ گل، پره‏های پمپ، توربین‏ها، شفت پمپ‎های سانتریفیوژ و کمپرسورها، لوله‎های بویلر، مارپیچ همزن‏ها، مندرل‏ها، شیرها، سیت و گیت شیرهای دروازه‎ای، شیرهای توپی، مته‏های حفاری، اتصالات سرچاهی، پوشش خارجی لوله‏ها و پوشش سازه‏ها برای افزایش عمر و دوام نیاز به پوشش­دهی دارند. براساس آمارهای موجود در دنیا، به­طور متوسط 70 درصد از تخریب قطعات و تجهیزات صنعت نفت به­دلیل تخریب سطوح آنها در اثر پدیده­های مخرب سایش، فرسایش و خوردگی و 30 درصد مابقی به­دلیل لهیدگی و شکست^[1] آن­ها می­باشد.

 

از این­رو برای حل این چالش ها، مهندسان سطح با اعمال فرآیندهای پوشش­دهی مانند نیتروژن­دهی، آبکاری کروم سخت و HVOF توانسته­اند درصد تخریب قطعات را کاهش دهند، ولی به­دلیل حساسیت تجهیزات صنعت نفت و لزوم افزایش راندمان کاری قطعات، در سه دهه اخیر فناوری نانوپوشش ها به کمک حل این موضوع آمده است.

در فناوری نانوپوشش به­دلیل ماهیت نانویی پوشش ها، خواص متفاوت و منحصر به فردی در سطح قطعه ایجاد خواهد شد. افزایش فوق­العاده سختی تا محدوده 50 گیگا پاسکال و ضریب اصطکاک 05/0 از جمله این خواص می­باشد. برای آشنایی بیشتر با نانوپوشش­ها، در ادامه تعریف و سپس انواع آنها از لحاظ ساختاری آورده شده است.

 

انواع نانوپوشش­های سخت و مقاوم

نانوپوشش­ها به دسته­ای از روکش­ها اطلاق می­شود که دارای دو ویژگی زیر باشد:

• در یکی از اجزای آن (ساختار یا اجزای سازنده) دارای ابعاد بین 1 تا 100 نانومتر باشد.
• نسبت به حالت متداول دارای خواص ویژه و منحصر به فردی باشد. مانند خواص مطلوب مقاوم به سایش، فرسایش و خوردگی

 

دسته بندی انواع پوشش های مرسوم و نانو پوشش­های سخت و مقاوم

فناوری نانوپوشش به دلیل نیازهای صنعتی دست­خوش تغییرات شده است به طوری که تاکنون نسل‎های مختلف نانوپوشش­ها توسعه یافته­اند. در ذیل به این نسل­های تکامل یافته اشاره شده است.

• نسل اول: پوشش دوجزیی تک لایه مانند  TiN ، TiC،CrN  و ZrN
• نسل دوم: پوشش­های سه جزیی تک لایه مانند پوشش­های TiCN، TiAlN، TiSiN و AlCrN
• نسل سوم: پوشش­های چندلایه مانند پوشش­های TiN/TiAlN
• نسل چهارم:پوشش های نانو لایه و ابر شبکه ای مانند TiN/VN
• نسل پنجم: پوشش­های نانوکامپوزیتی مانند پوشش TiAlSiN
• نسل ششم: پوشش­های خودروانکار جامد (DLC) با ضریب اصطکاک در حدود 05/0
• نسل هفتم: پوشش­های هیبریدی، ترکیبی از دو نسل مختلف (Triple & Quad coat)

 

دسته بندی انواع پوشش ها و  نانو پوشش­های سخت و مقاوم از لحاظ ساختاری

	جزء نانو	شماتیک	مثال	خواص
پوشش متداول	بدون جزء نانومتری		آبکاری HVOF VPS	بهبود خواص عملکردی نسبت به قطعه پایه
نانوساختار کردن	ساختار سازنده نانومتری		آبکاری نانو PVD  و PACVD EB-PVD و ESD	افزایش مقاومت به خوردگی افزایش پایداری حرارتی افزایش مقاومت به سایش
نانوکامپوزیت کردن	پراکنده شدن نانوذرات		آبکاری نانو Nano-HVOF PVD  و PACVD	افزایش سختی سطح افزایش مقاوم به سایش و فرسایش
نانو لایه کردن	پوشش با ضخامت نانومتری		PVD PACVD	افزایش چقرمگی شکست کاهش ضریب اصطکاک بهبود مقاومت به سایش
فرآیند دو مرحله­ای	یکی از موارد فوق + لایه نیتریده شده		Plasma nitriding + PVD  یا PACVD	افزایش عملکرد مکانیکی قطعه افزایش چسبندگی پوشش

 

برخی کاربردهای تجاری­شده نانوپوشش­ها در تجهیزات صنعت نفت

صنعت نفت معمولاً به سه بخش تقسیم می‌شود: بالادستی، پایین‌دستی و میان‌دستی

 

کاربرد نانوپوشش‎ها در صنایع بالادستی

صنعت اکتشاف و حفاری نفت یکی از پرهزینه‎ترین بخش‎های صنایع نفتی می‎باشد. بر این اساس، مهمترین نکته در صنعت حفاری جلوگیری از هر گونه وقفه در عملیات حفاری می‎باشد. مهمترین دلیل وقفه در این صنعت تعمیر و جایگزینی قطعات فرسوده است. به دلیل شرایط خوردگی و سایشی شدید ناشی از خطوط انتقال گل حفاری، سطح قطعاتی که در تماس با آن قرار می‎گیرند تخریب شده و به مرور نیاز به جایگزینی آن‎ها می‎باشد. نانوپوشش‎های با کارایی بالا، دوره‎ی کاری این قطعات را افزایش داده و مدت زمان وقفه در عملیات حفاری را کاهش می‎دهد. اصولا تجهیزاتی که در صنعت حفاری مورد استفاده قرار می‏گیرند مطابق شکل زیر به چهار دسته تقسیم‎بندی می‎‎شوند.

تقسیم‎بندی تجهیزات مورد استفاده در صنعت حفاری:

تجهیزات گروه 1 شامل لوله‎های وزنی، اتصالات، پایدارسازها، گروه 2 و 4 شامل پمپ گل، مندرلها، ایمپلرها و شیرهای توپی و دروازه‎ای و گروه 3 شامل مته‎های حفاری می‎باشند.

در دستگاه­های جدید پمپ گل حفاری ساخته شده توسط شرکت کمرون از فناوری نانوپوشش بهره گرفته شده است. به­دلیل شرایط­کاری پمپ (اصطکاک بالای اجزاء) و محیط کاری خورنده آن (محیط مرطوب و اسیدی)، اکثر اجزای این پمپ برای بهبود خواص پوشش­دهی می­شوند. برای این منظور، دو شرکت قدرتمند در حوزه نانوپوشش به نام شرکت­های آیون­باند و هارداید به کمک این شرکت آمده­اند. برخی از اجزای این پمپ که پوشش­دهی شده است عبارتنداز:

 

Seals	Choke valves	Bearings	Rotors-Stators
Shafts	Housings	hydraulic systems	Valve trim
Stem valves	Control valves	Dies	Wear & Neck rings
Flow diverters	Turbine blades	Plug valves&Ball	Actuators
Cylinders	Vanes	Impellers	Bushes
Pistons	Butterfly valves	Nozzles	Wear plates

 

با افزایش طول چاه مقدار اصطکاک افزایش می­یابد. به منظور غلبه بر این نیروی اصطکاکی، توان بیشتری به منظور چرخش رشته­ی حفاری نیاز است. در برخی حالات، اصطکاک بین رشته­ی حفاری و لوله­ی جداری بیش از حداکثر گشتاوری است که رشته­ی حفاری تحمل می­کند. بنابراین حداکثر طولی که می­توان با روش­های معمول حفاری کرد محدود می­شود. اما با ایجاد نانوپوشش مناسب، نیروی اصطکاکی کاهش می­یابد و امکان حفاری در عمق بیشتر با تجهیزات معمول حفاری فراهم می­شود.

شرکت Alcoa با همکاری Rusnano لوله‎های حفاری آلومینیمی خود را با نانو پوشش مقاوم به سایش و خوردگی پوشش داده است. این پوشش‎ها عمر لوله‏ها را نسبت به لوله‎های بدون پوشش 30 تا 40 درصد افزایش می دهند. یکی از قسمت‎های حساس رشته‎ی حفاری، نواحی اتصال لوله‏ها و تجهیزات به یکدیگر می‏باشد.

استفاده از نانو پوشش برای افزایش عمر کاری لوله‎های مورد استفاده در صنعت حفاری

واش پایپ از سه بخش بالایی، لوله­ی انتقال (Barrel) و بخش پایینی تشکیل شده است. در این تجهیز به دلیل حرکت قسمت پایین و ثابت بودن بخش بالایی و لوله­ی انتقال، سطح بیرونی لوله­ی انتقال تحت سایش شدیدی قرار می­گیرد و به مرور زمان قابلیت خود در درزبندی را از دست داده و نشتی گل حفاری با فشار بالا از این ناحیه رخ می­دهد و ناگزیر باید تجهیز تعویض گردد. به صورت متداول پوشش Colmonoy 88 با روش پاشش حرارتی بر روی لوله اعمال می­شود.

نمایی از الف) تجهیز واش پایپ و (ب) محل نصب آن بر روی تاپ درایو. خطول انتقال گل حفاری در این تصویر با رنگ قرمز مشخص شده‎اند.

 

تجهیزات درون چاهی نیز که در پایین لوله­های حفاری نصب می­شوند، ممکن است تحت اصطکاک و سایش مشابهی قرار گیرند. پوشش‏دهی این تجهیزات با پوشش‏های با ضریب اصطکاک کم در نواحی تماس، عمر آن­ها را افزایش می­دهد. از طرف دیگر انرژی سطحی کم پوشش­ها مقاومت به خوردگی و فرسایش آن­ها را نیز افزایش می­دهد.

اورشات به منظور گرفتن لوله­ها و تجهیزات مانده در چاه استفاده می­شود. پوشش سخت اعمالی قدرت ابزار را افزایش می­دهد. این پوشش به منظور کاهش اصطکاک و نیروی مورد نیاز برای ورود تجهیز مانده در چاه به اورشات استفاده می­شود.

نمایی از اورشات و قطعات آن

 

تصویری از گشادکننده­ی چاه به همراه انواع تیغه­های نانو پوشش دار

استفاده از پوشش نانوساختار کاربید تنگستن Hardide بر روی قطعات درون‎چاهی از جمله توربین‏های درون‏چاهی نیز یکی دیگر از کاربردهای پوشش‏های نانوساختار در صنعت حفاری است که توسط شرکت Hardide انجام شده است. بررسی‎ها نشان داد که با استفاده از پوشش Hardide بر روی شیرهای توپی، دفعات استفاده از این شیرها از 29000 (با پوشش مقاوم به سایش Co-Cr) به 70000 بار افزایش پیدا کرد.

یکی دیگر از پوشش‎های مقاوم به سایش مورد استفاده در تجهیزات درون‎چاهی نانوپوشش کاربید تنگستن کبالت است که توسط شرکت Extreme coating بر روی موتور گل درون‏چاهی پوشش داده شده است. موتور گل درون چاهی امکان ایجاد سرعت دورانی بالاتری برای مته حفاری فراهم می­کند و در عین حال نیازی به سرعت بالای تمام رشته­ی حفاری نیست. نانوپوشش کاربید تنگستن علاوه بر سختی بالا مقاومت به سایش بالاتری نسبت به سایر پوشش‎های مورد استفاده توسط این شرکت دارد.

نمونه‎ای از کاربرد پوشش hardide در صنعت حفاری الف) سیت و توپی شیرهای توپی، ب) منحرف کننده‏ی درون‏چاهی ج) تجهیز ESS.

توربین درون چاهی

نانو پوشش کاربید تنگستن – کبالت بر روی موتور گل درون چاهی

سیستم فوران‎گیر (Blow Out Preventer) اهمیت فراوانی در صنعت حفاری دارد. BOP ها شیرهای بزرگی هستند که در بالای چاه در حین حفاری قرار گرفته و قابلیت بستن کامل چاه در چند ثانیه را دارند. بخش اصلی این تجهیزات، ram ها هستند که در ram های برشی قابلیت برش لوله‌ها در شرایط بحرانی وجود دارد. Ram های برشی دارای تیغه‎های برشی سخت‎کاری و پوشش‎داده شده هستند. در مواقع اضطراری با بسته شدن این شیرها لوله‎ی حفاری نیز بریده می‎شود. مهمترین قابلیت این تیغه‎ها سختی بالا و ضریب اصطکاک بسیار کم می‎باشد. ترکیبات مورد استفاده برای پوشش‌دهی این تیغه‎ها TiN، TiAlON و TiCN با روش PVD می­باشند.

تصویر نمایی از شیرهای فوران‎گیر (BOP)

نانوپوشش­ها در شیرهای مورد استفاده در صنعت حفاری

شیرها^[2] بواسطه­ی گستره­ی کاربردی وسیعی که در صنایع و بخصوص در صنعت حفاری، انتقال، پالایش نفت و گاز دارند، مصرف و اهمیت بسیار زیادی دارند. انواع شیرهای توپی و دروازه­ای شاید از مهم­ترین و کاربردی­ترین آنها باشند. یکی دیگر از موارد کاربرد پوشش‏های نانو ساختارDLC، پوشش‏دهی سطح سیت و گیت‎های شیرهای دروازه‎ای مورد استفاده در حفاری عمیق زیر دریا می باشد.

تصویر شماتیک (الف) شیر کروی و (ب) شیر دروازه­ای.

کاربرد نانوپوشش در مته‏های حفاری

عموماً نفت در عمق 900 تا 5000 متری از سطح زمین یافت می شود. جهت دسترسی به آن، می بایستی زمین حفاري شود. به این منظور از مته‎ها در انتهای رشته حفاری استفاده می‎شود. ترکیبات تنگستن با کربن عبارتند از WC، W₂C که به سختی الماس و پوشش نانوساختار DLC می باشند.

راک­بیت و اجزای آن

کاربرد نانوپوشش‎ها در صنایع پایین‏دستی نفت

کاربرد نانو پوشش در خطوط انتقال

همانطور که پیشتر نیز گفته شد، وجود H₂S در سیال انتقالی، عامل اصلی خوردگی در تجهیزات نفتی است. وجود این عامل مخرب در خط لوله سبب می­شود که خوردگی به صورت موضعی رخ دهد که استفاده از پوشش­های DLC و نیز Ti-Si-C-N می‌تواند تاثیر بسیار زیادی (تا 100 برابر عمر نمونه­ی بدون پوشش) در افزایش عمر محصول داشته باشد. یکی از مشکلات موجود در صنعت نفت و پتروشیمی رسوب در لوله‏های انتقال است. در این حالت سطح داخلی لوله به عنوان مکان جوانه‏زنی و رشد رسوبات درون لوله است. این فرآیند را می‏توان با پوشش‏دهی سطح کنترل کرد. پوشش DLC به عنوان پوشش کنترل‏کننده‏ی رشد رسوب کربنات کلسیم مورد استفاده می باشد.

ضرورت پوشش­دهی قالب­های فورج قطعات در صنعت ساخت نفت، گاز و پتروشیمی

با توجه به بررسی استانداردهای ساخت تجهیزات صنعت نفت API می­توان مشاهده کرد که برای ساخت این قطعات از فرایند شکل­دهی فورج یا از فرایند ریخته­گری استفاده می­شود. لازم به ذکر است که در همین قالب­های فورج و ریخته­گری، پدیده سایش به شدت مشاهده می­شود. از این­رو با توجه به تحقیقات گسترده و نتایج آن (گزارش کاربرد نانوپوشش­ها در شکل­دهی- ستاد ویژه توسعه فناوری نانو)، می­توان گفت که بهره­گیری از نانوپوشش­های سخت منجر به افزایش عمر قالب­ها و در نتیجه صرفه­جویی در هزینه­­های تولید خواهد شد.

 

الف	ب
ج	د

قطعات مربوط به شرکت GE، الف) قطعه sliploc wellhead connector، ب) قطعه VG-Loc wellhead connector ، ج) قطعه positive chokes، د) قطعه adjustable chokes

اعمال پوشش بر قطعات توربین­های گازی

به­دلیل شرایط کاری موتورهای توربین­های گازی در دما و فشار بالا، قطعات این توربین­ها نیازمند پوشش دهی می­باشند. اجزای مختلف توربین، شرایط متفاوتی را تجربه می­کنند. لذا پوشش­های مختلف برای اجزای آن وجود دارد. در شکل قسمت­های مختلف توربین نشان داده شده که نیازمند پوشش با شرایط کاری متفاوت از جمله پوشش­های مقاوم به سایش، خوردگی، فرسایش، اکسیداسیون و پوشش­های سد حرارتی می باشند.

بخش مربوط به کمپرسور:

ورود هوای حاوی ذرات گردوخاک با سرعت بالا باعث فرسایش تدریجی پره­ها و تخریب آن­ها می­شود. استفاده از پوشش نانوساختار TiN وCrN و AlCrNبر روی آن می­تواند ضمن کنترل رسوب ذرات روی پره ها از خوردگی ناشی از رطوبت هوا روی آن­ها نیز جلوگیری به عمل آورد. در شکل بالا وضعیت سطحی پره ها در حالت بدون پوشش بعد از 133 ساعت­کاری و همچنین پره­ی با پوشش نانوساختار  TiN بعد از 2022 ساعت­کاری نشان داده شده است.

 

 اعمال نانو پوشش­های کربن شبه الماس (^[3]DLC)  با ضریب اصطکاک خیلی پایین بر روی اجزا و قطعات

پوشش کربن شبه الماس (DLC) به دلیل ویژگی­­های منحصر به فرد در مقایسه با دیگر پوشش­­های سخت و مقاوم، کاربردهای فراوانی در صنعت نفت در دنیا پیدا کرده است. شرکت DLC-Company از پوشش­های DLC در اجزای مختلف تجهیزات نفت بهره گرفته است. پوششDLC  در صنایع نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی در انواع دریچه­­ها و قطعاتی که در تماس با یکدیگرند به صورت گسترده مورد استفاده قرار می­­گیرد. قطعات مذکور در محیط­هایی با نیروی اصطکاک بالا و در تماس با سیال های شیمیایی خورنده مانند H₂S قرار دارند. از این­رو پوشش DLC به دلیل ضریب اصطکاک بسیار پایین، خنثی بودن شیمیایی و مقاومت به سایش و خوردگی، برای پوشش­ دهی این قطعات بسیار مناسب می­ باشد. از سوی دیگر نشان داده شده است که استفاده از پوشش­های DLC نیروی لازم برای تغییر حالت شیر را به میزان %20 کاهش می­دهد. از جمله کاربردهای این پوشش عبارتند از:

کاربرد پوشش های DLC در صنعت نفت و گاز کاربردهای مقاوم به سایش، فرسایش، خوردگی و ضد رسوب
Gate valves	Gate seats	دریچه­های توپی	پمپ­ها
سرمته­ها (Drill bits)	بلبرینگ	اجزای ممانعت کننده از ضربه	سطوح تحت لغزش
shut off gate	Choke valves	دریچه Balancing	دریچه دیافراگمی
دریچه  n-way	دریچه پنوماتیکی	Knife gate	دریچه های پروانه ای

انواع مغزی­ها با پوشش شبه-الماس. برگرفته از وب­سایت شرکت DLC-Company

از سوی دیگر، پوشش­های نانوکامپوزیتی سری TriboBond شرکت IonBond از جنس DLC به عنوان گزینه­ی مناسب برای محیط خشن پیشنهاد می­شود. در بین این سری، پوشش TriboBond42 DLC پوششی است چندلایه متشکل از Cr، CrN و a-C:H با ضریب اصطکاک فوق­العاده پایین (زیر 1/0)، دارای سختی 2800-2000 ویکرز که به صورت هیبریدی تولید می­شود. این پوشش در شرایط تماسی که نیرو به شدت بالاست استفاده می­شود تا گشتاور مورد نیاز برای حرکت اجزاء و قطعات را به مقدار قابل­توجهی کاهش دهد.

اعمال یک پوشش چندلایه از ساختارهای مختلف الماس بر روی انواع شیرهای خطوط انتقال، توسط شرکت Mesco به روش PECVD سبب افزایش مقاومت به خوردگی و سایش آنها شده است. این پوشش چندلایه پس از نیتروژن­دهی پلاسمایی بر روی قطعه اعمال می­شود. مهم­ترین بخش این پوشش چندلایه، لایه­ی آمورف کربن است که در کنار نانوکامپوزیت­های DLC و پلی­کریستال کربن این پوشش را تشکیل می­دهند.

برای بهبود خواص مقاومت به سایش قطعات، فعالیت­های زیادی صورت گرفته است. از جمله این فعالیت­ها می­توان به همکاری مشترک شرکت نانوتک با شرکت کامرون برای تولید نوعی روان­ساز در پوشش­ها با نام تجاریTriboTuff®  برای کاربرد در دریچه‌ها و تجهیزات صنایع نفت و گاز اشاره کرد. این پوشش فوق روانکار برای اولین بار امکان ایجاد ضریب اصطکاک نزدیک به صفر را در قطعات و تجهیزات فراهم می‌کند که با این کار مصرف انرژی‌ فسیلی کاهش می‌یابد. این روان‌ساز می‌تواند دوام و عملکرد قطعات به کار رفته در تجهیزات موجود در زنجیره تولید نفت و گاز را بهبود دهد.

برخی کاربردهای تجاری­شده نانوپوشش­ها در تجهیزات صنعت گاز

يكي از راههاي بهبود كارايي تجهیزات در صنعت نفت و گاز استفاده از نانوپوشش‎‏هاست. با اعمال نانوپوشش ضد خوردگي، استحكام قطعه افزايش يافته و كارايي و عمر كاري آن بهبود مي‎يابد. دكل‏ها و تجهيزاتي كه در آب‏هاي دريايي قرار گرفته‏اند، تحت شرایط خوردگي بسیار شديدي هستند. براي حل اين مشكل مي‏توان از نانو پوشش‏هاي ضد خوردگي استفاده كرد.

برخي از اين نانو پوشش‎ها شامل پوشش های نانوكامپوزيت نيتريدي، نانو كامپوزيتي نيكل / اكسيد آلومينيم، نانو كامپوزيت آلومينيم / اكسيد تيتانيوم، نانوپوشش كاربيد تنگستن / نيكل–كبالت و غيره مي‏باشد. اين نانوپوشش ها كاربردهاي متنوعي دارند كه عبارتند از:

1. خطوط لوله‏ي فرايندي، اتصالات و شيرها؛
2. سيستم انتقال و گازرساني؛
3. نازل‏ها؛
4. تجهيزات آزمون در شرايط خوردگي شديد

در سیستم‎های انتقال گاز از ایستگاه­های اندازه‎گیری و تنظیم فشار استفاده می‎شود. انواع مختلفی از شیرها در ایستگاههای کنترل فشار مورد استفاده قرار می‎گیرند که نیازمند نانوپوشش می باشند. شيرهايSlam Shut  به منظور قطع كامل و سريع جريان گاز در زمان كاهش و يا افزايش فشار نسبت به محدوده‏ي تنظيمي استفاده می شوند. از پوشش كروم سخت براي قطعات مختلف اين قطعه استفاده مي‎شود. قطعات مختلف اين شيرها شامل بدنه، قطعات اتصالي، پوسته و فنرها با كروم سخت، روي و غيره پوشش داده مي‏شوند.

شير Slam Shut مورد استفاده در ايستگاههاي تقليل فشار گاز.

نانوفناوری به منظور بهبود عملکرد کمپرسورهای مورد استفاده در پمپ‎های گاز CNG قابلیت استفاده دارد. در شکل زیر بخش‎های اصلی یک کمپرسور گاز CNG نشان داده شده است. نیتروژن‏دهی قطعات در این پمپ به منظور افزایش کارایی آن‎ها مورد استفاده قرار می‎گیرد. محفظه‎ی سیلندر این کمپرسورها از مواد گوناگون با عملیات حرارتی متنوعی ساخته شده است.  Piston rod در این سیلندر از جنس فولاد سخت‎کاری AISI 4140 می‏باشد. هم‎چنین پوشش کاربید تنگستن برای این قطعه استفاده می‎شود. این پوشش مقاومت به خوردگی و سایش مناسبی بر روی آن ایجاد می‏کند.

بخش‎های اصلی کمپرسور CNG برگرفته از کاتالوگ شرکت Ariel

سیلندر پمپ رفت و برگشتی کمپرسور گاز طبیعی.

شركت سيلكوتك نانوپوششي را توليد كرده است كه براي استفاده در صنايع نفت، گاز و پتروشيمي قابليت دارد. اين پوشش براي محيط‎هاي بسيار خورنده مناسب است و مقاومت به خوردگي را بهبود مي‏بخشد. روش اعمال اين پوشش فرايند CVD است و پوشش حاصل خنثايي، سختي و مقاومت به خوردگي را در فولاد زنگ‏نزن ايجاد مي‏كند. در شكل زير مقايسه نمونه فولاد زنگ‏نزن با پوشش Dursan و بدون پوشش نشان داده شده است.

 

مقایسه نرخ خوردگی در پوشش Dursan با فولاد زنگ‎نزن 304 بدون پوشش.

محققان آلماني در موسسه تحقيقات ماكس پلانك پوششي بر روي بستر آلومينيمي ايجاد كردند. اثر محيط خورنده پس از 21 روز بر روي نمونه بدون پوشش و نمونه با پوشش خود ترميم‎شونده در شکل زیر نشان داده شده است.

اثر پوشش خود ترميم شونده بر مقاومت به خوردگي آلومينيم.

• برخی کاربردهای تجاری­شده نانوپوشش­ها در تجهیزات صنعت پتروشیمی

در صنایع مختلف از جمله صنعت پتروشیمی، برای افزایش عمرکاری و همچنین کارایی تجهیزات از سه نوع پوشش با عناوین، آسترها، پوشش­های میانی و پوشش­های بالایی استفاده می­نمایند. همچنین، یکی از مهم‌ترین کاربردهای نانو پوشش‌ها در صنایع پتروشیمی، بهبود مقاومت خوردگی لوله‌های انتقال است. مقاومت در برابر خوردگی در تجهیزات صنایع بزرگی مانند پتروشیمی و همچنین کیفیت انتقال مواد شیمیایی مسئله مهم و اصلی است که عدم توجه به آن می‌تواند باعث توقف تولید و درنتیجه افزایش هزینه‌های تعمیر و نگهداری شود. با توجه به بررسی‌های انجام شده به نظر می‎رسد کاربرد نانوپوشش‌ها در صنایع پتروشیمی و پالایشگاهی بیشتر معطوف به پوشش‌های نانوکامپوزیتی پلیمری است و در درجه بعد پوشش‎های سرامیکی قرار می‌گیرند.

.شرایط انتخاب / کاری پوشش‌های مورداستفاده در صنایع پالایشگاهی و پتروشیمی

شرایط کاری	شرایط انتخاب
دوام	سختی، انعطاف‌پذیری، خم‌پذیری (plyability)، مقاومت به خراش، مقاومت به gouging
هوازدگی	مقاومت در برابر تابش فرابنفش، مقاومت در برابر رطوبت، مقاومت در برابر حرارت
مقاومت شیمیایی	مقاومت اسیدی، مقاومت بازی، مقاومت در برابر حلّال‌های شیمیایی

 

 

Thermowells وظیفه حفاظت از سنسورهای دمایی نصب شده در فرایندهای صنعتی را به عهده دارد. این قطعات باید بتواند شرایط دمایی بالا را تحمل کند و همچنین باید به طور زیادی مقاومت به فرسایش بالایی داشته باشد تا اندازه ای که آنها باید قابلیت تحمل تأثیرات این محیط شدید را داشته باشد.

Thermowell مورد استفاده در صنعت پتروشیمی

آسیب های سایشی، فرسایشی می تواند عمر اجزا پمپ را کوتاه کند. بدنه ها، خطوط مکشی، رینگ های سایشی و روتورها همه می توانند برای رسیدن به مقاومت به فرسایش مشابه پوشش داده شوند. با روش HVOF می توان پوشش های ضخیم کاربیدی با ضخامت 01_/0 – 020_/0 اینچ را ایجاد کرد که می توان مقاومت به اکسیداسیون و خوردگی را در محیط های نفتی که پمپ در معرض فشار و حرارت شدید قرار دارد را بالا برد.

درزگیرهای دیافراگمی:

این درزگیرها از یک غشای انعطاف‎پذیر ساخته شده‏اند که یک محفظه را درزگیری و تفکیک می‎کند. ماهیت انعطاف‎پذیر این درگیرها اجازه‎ی انتقال فشار را فراهم می‏سازد اما به مواد موجود در آن اجازه‏ی عبور نمی‏دهد. استفاده‎های مرسوم این دیافراگم‎ها شامل محافظت از حسگرهای فشار از سیالی است که می‎بایست فشار آن اندازه‎گیری شود.

تصویری از درزگیر دیافراگمی

انتخاب مواد برای این نوع از دیافراگم‏ها به فشار کاری، محل نصب تجهیز، دما، مدت زمان پاسخگویی، نوع سیال و … وابسته است. در نظر گرفتن تمامی این عوامل در انتخاب یک درزگیر مناسب ضروری است. براساس نوع کاربری این تجهیز، در برخی موارد نیاز به مواد با قابلیت کاری بسیاری بالایی می‎باشد تا امکان تحمل شرایط کاری شدید را داشته باشد. شرکت ABB از پوشش Diaflex پتنت شده در این دیافراگم‎ها استفاده می‎کند. این پوشش از مواد نانوساختار تشکیل شده است و سختی حدود HV 4000 دارد که مشابه الماس است. این پوشش از نوع پوشش سه جزئی تیتانیوم و سیلیکون (SiTiN) از دسته‎ی نیتریدها می‏باشد. با استفاده از فرایند PVD این پوشش با ضخامت mm 3-5 روی سطح فولاد زنگ‎نزن L316 پوشش داده می‎شود که از دیافراگم در برابر شرایط کاری خراشان محافظت می‎کند. این پوشش قابلیت کاربرد در محدوده‎ی دمایی C° 700- 100 داشته و پایدار می‎ماند. شکل زیر تصویر یک دیافراگم پس از هشت ماه کارکرد را نشان می‎دهد که همچنان بدون آسیب قابلیت استفاده دارد.

تصویر سطح دیافراگم پس از هشت ماه کارکرد (در پاورقی استفاده شود)

 

قطعه ای از پمپ پوشش داده شده با روش HVOF مورد استفاده در صنایع پتروشیمی

سایش لغزشی در اجزاء چرخشی از قبیل نواحی یاتاقان ها در شفت ها یک فاکتور محدود کننده عمر می‎باشد. همچنین کمپرسورهای رفت و برگشتی در معرض پدیده های سایشی خیلی زیاد در مناطق لغزشی بوش ها می‎باشد. Caboflam فرایندهای تکنولوژیکی پاشش شعله ای را برای پوشش‎های کاربید در زمینه فلزی از طریق تجهیزات HVOF استفاده می کند. این نوع پوشش ها استحکام اتصال عالی، میکروسختی بالاتر را نسبت به پوشش های ایجاد شده با تجهیزات انفجاری مرسوم ایجاد می‎کند.

پوشش دهی سطوح داخلی کمپرسور

خلاصه مدیریتی

در سال­های اخیر حل مشکلات صنایع نفت و گاز، به­عنوان اصلی­ترین صنعت کشور، بسیار مورد توجه فناوران و شرکت­های دانش­بنیان قرار گرفته است. از سوی دیگر فناوری نانو، به عنوان یکی از فناوری­های کلیدی قرن بیست و یکم به عنوان راهکاری موثر برای بهبود فرآیندها و ارتقای عملکرد تجهیزات در این صنعت خواهد بود.

تجهیزات نفت و گاز نقش به­سزایی در توسعه این صنعت دارد، ولی متاسفانه به­دلیل شرایط کاری شدید و محیط عملکرد آن، قطعات و تجهیزات مورد تخریب قرار گرفته و هزینه­های بالایی برای این صنایع داشته است. در این گزارش سعی شده تا با نگاهی به فناوری نانوپوشش ها بتوان مشکلات تجهیزات صنایع نفت و گاز در حوزه سایش، فرسایش و خوردگی را مرور نمود و برای آنها راهکاری ارایه داد.

در این رهگذر کارگروه صنعت و بازار ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، «مرکز توسعه نانوپوشش» را در سال 1393 تاسیس نمود. هدف این مرکز حل مشکلات صنعت در حوزه سایش، فرسایش و خوردگی با تاکید بر توان فناوری داخلی می باشد. لذا برای دستیابی به این مهم سازندگان تجهیزات لایه­نشانی و مراکز خدمات فناوری را گرد هم آورده است تا بتواند از طریق حمایت­های مالی و معنوی خود مسیر رسوخ فناوری نانوپوشش در صنایع کشور را هر چه بیشتر تسهیل نماید.

[1]– با انتخاب مواد مهندسی و یکسری فرایندها و عملیات متالورژیکی می­توان تا حدودی آن­را بهبود داد که خارج از توضیحات این نوشتار است.

[2] Valves

[3] – Diamond Like Carbon (DLC).

 

 

————————————————–

تهیه و تنظیم:

• مرکز توسعه نانوپوشش گروه صنعت و بازار با همکاری بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو

 ====================================================================================

[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]

[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]

 ====================================================================================