فراخوان دستیابی به دانش فنی تولید پوشش خطوط لوله مدفون در خاک

در این برنامه، نیاز‌های پژوهشی پر خطر شرکت‌های دانش‌بنیان، از طریق سامانه کایپر بنیاد ملی علم ایران به این نهاد اعلام می‌شود و پس از بررسی و داوری‌های لازم، فراخوان پژوهش‌های عمیق و پر خطر  شرکت‌های دانش‌بنیان به پژوهشگران و محققان اعلام می‌شود.

توضیحات فراخوان

پیشینه مسئله تحقیقاتی : امروزه نیاز به خطوط لوله گاز طبیعی و نفت و توسعه آن ضرورتی جهانی است، شبکه لوله‌های گاز و نفت، وظیفه گردآوری، انتقال و توزیع را بر عهده دارند. از سال ۱۹۷۱، دولت آمریکا شرکت‌های نفت و گاز را ملزم کرده است که کلیه خطوط لوله خود را قبل از نصب در زیر خاک یا آب، با مواد مناسب پوشش دهند. با توجه به توزیع سوخت مایع و گاز تا درب منازل، شبکه گسترده‌ای از آن‌ها وجود دارند که نیاز به نگهداری و بازرسی دائمی‌ دارند.

بازرسی کلی از خطوط لوله هر پنج‌سال یک‌بار انجام می‌شود تا مشکلات جریان انتقال یا علائم آسیب‌دیدگی ظاهری پیش از بروز جدی، شناسایی و رفع شوند. پوشش‌های محافظ خوردگی و نشت مواد سوختی به دو دسته داخلی و خارجی لوله تقسیم‌بندی می‌شوند؛ در برابر تنوع گسترده در شرایط محیطی، تنش خاک، مواد شیمیایی موجود در خاک و نمک همچنین باکتری، ریشه گیاهان، فاضلاب، مواد شیمیایی و حلال‌های موجود در خاک باید مقاوم باشند. خطوط لوله گاهاً در صحرای داغ، با دمای بیش از ۱۰۰ درجه فارنهایت یا در آلاسکا با دمای ۷۶ درجه قرار می‌گیرند، اجرای زیرزمینی لوله در مناطق همیشه منجمد بسیار دشوار است. در حال حاضر پوشش‌های اپوکسی دو جزئی برای پوشش‌دهی خطوط لوله نفت و گاز مورد توجه هستند.

با توجه به اهمیت صنعت نفت و گاز در ایران، پیشرفت‌های قابل توجهی در زمینه تولید داخلی پوشش‌های اپوکسی، پلی‌الفینی چندلایه و پلی‌یورتان صورت گرفته است، نسل‌های جدید پوشش پلی‌یورتان مزایای رقابتی منحصر‌ به‌ فردی ارائه کرده اند که توجه ویژه به تولید داخلی آن را مؤکد می‌سازد. از جمله ویژگی‌های قابل توجه این پوشش‌ها، چسبندگی، خواص محیطی و الکتریکی و مقاومت شیمیایی آن‌هاست.

شرح مسئله تحقیقاتی: 

پوشش‌های محافظ بر پایه پلیمر‌ها برای نگهداری و حفاظت سازه‌های فلزی در برابر خوردگی محیط‌های خورنده مورد استفاده قرار می‌گیرد. این پوشش‌های کامپوزیتی متشکل از پیگمنت‌ها، فیلرها، رزین‌های پلیمری آلی و معدنی، حلال‌های آلی و همچنین افزودنی‌های خاص می‌باشند. حسب استفاده و کاربرد هر نوع از این پوشش‌ها، مواد تشکیل‌دهنده و ترکیب درصد آن‌ها متفاوت خواهد بود. همچنین اهداف مورد نیازبرای هر پوشش آلی نیز مختلف است. تغییر در نوع اجزای ذکر شده با توجه به مصرف آن‌ها می‌تواند خصوصیات مورد نیاز را تأمین نماید.

استفاده خاص از انواع پیگمنت و فیلر در پوشش آلی با توجه به Pigment Volume Concentration بسیار حائز اهمیت است و تهیه آن‌ها با توجه به کم‌تر یا بیش‌تر بودن مقدار PVC می‌تواند در خواص نفوذپذیری، فیزیکی و مکانیکی و همچنین مقاومت‌های شیمیائی تأثیرگذار باشد. این پوشش‌ها می‌توانند از چند لایه تشکیل شوند. از طرف دیگر، استفاده از رزین‌های پلیمری معدنی یا آلی، اثرات قابل توجهی بر روی کیفیت پوشش آلی می‌گذارد. نوع رزین آلی و مقدار آن بر روی خواص چسبندگی از نوع adhesieve یا cohesive، خواص رئولوژیکی، یکنواختی، براقیت و خواص الکتروشیمیائی فیلم تشکیل شده اثر می‌گذارد.

همچنین تشکیل فیلم به گونه thermoset یا thermoplastic عملکرد پوشش آلی را بروی کیفیت و عملکرد دچار تغییر می‌نماید. وجود افزودنی‌های مناسب و تأثیرگذار که بتوانند بر روی خواص ظاهری فیلم و واکنش‌پذیری در شبکه‌سازی ساختمان پلیمری و همچنین بهبود روش‌های اعمال موثر واقع شود از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است؛ بنابراین پژوهش و بررسی هر گونه از این پوشش‌ها با توجه به متغیر‌های گسترده‌ای که در برابر محققین وجود دارد، حوزه نسبتاَ وسیعی را برای تحقیقات فراهم می‌آورد تا محققین بتوانند با استفاده از مؤثرترین مواد تشکیل‌دهنده بر اساس تئوری و تجربه، در عمل به دستاورد‌های مؤثر و مورد نیاز خود دست پیدا کنند. انتظاراتی که بر این اساس برای یک پوشش حفاظتی متأثر است بایستی بتواند آزمون‌های متفاوتی که برای پوشش آلی در نظر گرفته می‌شود را برآورده نماید.

در تحقیقات و برای رسیدن به اهداف مورد نظر، ممکن است بدلیل گستردگی خصوصیات مورد انتظار از چند لایه پوششی به‌جای یک تک‌لایه استفاده کرد به‌طوری‌که هر یک از لایه‌ها مسئول برآورده کردن تعدادی از خواص مورد انتظار باشند؛ بنابراین نزدیکترین لایه به سطح سازه فلزی مسئولیت‌های چسبندگی، مقاومت‌های الکتروشیمیائی ویژه و کنترل خوردگی فلز در برابر محیط خورنده را دارا خواهد بود.

لایه‌های بعدی شامل عمدتاَ میانی و نهائی نیز خواص دیگر پوشش از جمله barrier، مقاومت‌های نفوذی، سایش و خواص مطلوب یک دی‌الکتریک را فراهم می‌سازند. لیکن اگر وظیفه تمام خصوصیات مورد انتظار از پوشش آلی به‌عهده یک تک‌لایه سپرده شود کیفیت پوشش می‌بایستی به گونه‌ای باشد که بتواند همه خصوصیات را از جنبه‌های فیزیکی، مکانیکی، الکتروشیمیائی و ظاهری را برآورده نماید. در پوشش‌های مقاوم به خوردگی و در محیط‌های سخت و خاص از نظر خورندگی، توسعه چنین پوششی می‌تواند با چالش‌های فراوانی همراه باشد.

معمولاًَ انتظارات مورد نظر از هر نوع از پوشش‌های حفاظتی تعریف می‌گردد و عمدتاَ براساس لیست‌های ارائه شده استاندارد تعریف می‌شوند. استاندارد‌های ایرانی، اروپائی یا مربوطه به سایر کشور‌های پیشنهادی می‌توانند معیار تأیید یا عدم تصویب برای انجام پروژه‌های خاص، محسوب شوند. استاندارد‌های صنایع نفت و گاز نیز از جمله این موارد به شمار می‌آیند.

پوشش‌های موردنظر در این پیشنهاد علمی، بایستی بتوانند ضمن برخورداری از خصوصیات مختلف فیزیکی، مکانیکی و الکتروشیمیائی، از یک تک‌لایه تشکیل شوند. این تک‌لایه‌ها نسبتاَ ضخیم هستند و مستلزم تأیید تمام خصوصیاتی مندرج دراستاندارد‌های مربوطه است.

این پوشش‌ها بر اساس استاندارد‌های BS EN ۱۰۲۹۰ و نیز IGS-M-TP-۰۲۰ تعریف می‌شوند و باید بتوانند آزمون‌های این استاندارد را مورد تأیید خود قرار دهند. تک‌لایه دیگر نیز بایستی بتواند استاندارد BS EN ۱۰۲۸۹ و نیز IGS-M-TP-۰۲۷ والزامات فنی آن را با توجه به آزمون‌های تعریف شده با موفقیت به انجام برساند.

چالش‌های نیاز فناورانه: چالش اصلی این طرح  علاوه بر رعایت تمامی آزمون‌های مندرج در استاندارد EN ۱۰۲۹۰ & IGS-M-TP-۰۲۰، روش اجرای متفاوت این محصول با توجه به زمان ژل‌شدن بسیار کوتاه آن است. از آنجایی‌که ساختار رزین و‌هاردنر این پوشش‌ها به طور کلی با رزین و‌هاردنر پلی‌یورتان مورد استفاده در سطوح بیرونی (Outdoor) متفاوت است، لذا انتخاب (درجه) گرید مناسب رزین و‌هاردنر از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

همچنین بررسی سازوکار نوع حفاظت کاتدی مورد استفاده در خطوط لوله مدفون (Impressed Current) و تغییرات PH در حد فاصل بین پوشش و Substrate، مقاومت در برابر جدایش کاتدی را بسیار مهم نشان می‌دهد.

با توجه به کلیه موارد مطرح شده، لازم است از ایده‌های جدید در طراحی فرمولاسیون استفاده شود.

در مورد پوشش اپوکسی، چالش اصلی این طرح علاوه بر پاس کردن تمامی‌آزمون‌های مندرج در استاندارد, EN ۱۰۲۸۹& IGS-M-TP-۰۲۷ داشتن حداقل زمان ژل شدن به جهت جلوگیری از نفوذ گرد و خاک و حشرات بر روی فیلم رنگ که باعث ایجاد Holiday می‌شوند و نیز قابلیت عدم شره کردن فیلم رنگ در ضخامت‌های بالا در اعمال است.

هر یک از تست‌های مندرج در استاندارد وابسته به خواص فیزیکی، مکانیکی، رئولوژی و الکتروشیمیایی محصولات هستند و لذا استفاده از مواد تشکیل دهنده پوشش صنعتی در کنار ترکیب درصد مناسب برای آنها، حائز اهمیت بوده و در این کار تحقیقاتی مورد توجه قرار می‌گیرند.