پیگ رانی هوشمند در خطوط لوله سنگین نفت و گاز

توپک رانی که بهتر است نام پیگ رانی را برای آن استفاده کنیم؛ و به انگلیسی با نام Pigging شناخته می‌شود، عملیاتی است که به منظور حذف مواد ته نشین شده در خطوط لوله یا بازرسی سلامت لوله از هر گونه ترک خوردگی، خوردگی و غیره انجام می‌شود. در این عملیات از توپک‌ها یا پیگ (PIG) که مخفف عبارت Pipeline Inspection Gauge است استفاده می‌شود. هدف اصلی استفاده از پیگ رانی، با بردن عمر مفید استفاده از خطوط لوله حمل سیال است. توپک‌ها با استفاده از جریان سیال در داخل لوله به حرکت در می‌آیند و با توجه به نوع طراحی آن‌ها، هدف‌های زیر را دنبال می‌کنند.

۱) توپک رانی عملیاتی یا به انگلیسی Utility PIGs، نوع ساده و اولیه پیگ است که به منظور پاکسازی خطوط لوله از ضایعات ته نشین شده در جداره لوله مورد استفاده قرار می‌گیرد.
۲) توپک رانی هوشمند یا به انگلیسی Intelligent PIG یا Smart PIG، نوع دیگری از پیگ رانی است که به منظور بازرسی خطوط لوله از هر گونه عیوب شامل خوردگی، ترک، تغییر ضخامت و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد.

اهداف اجرای توپک رانی (پیگ رانی) در خطوط لوله

از اوایل قرن بیستم میلادی که توپک رانی (پیگ رانی) مورد استفاده قرار گرفت تا هم اکنون از آن به صورت گسترده در خطوط حمل سیال گاز و مایع استفاده می‌شود و با مشخص شدن پتاسیل آن سبب شده است روش‌ها و تکنیک‌های جدیدی برای انجام آن ابداع شود. در ادامه با اهداف اجرای توپک رانی (پیگ رانی) در خطوط لوله آشنا خواهیم شد.

۱) بالابردن بازدهی خطوط لوله

بروز هر گونه عیبی در داخل خطوط لوله سبب می‌شود که هزینه انتقال سیال گران‌تر تمام شود و این افزایش هزینه در نهایت باید توسط مصرف‌کننده پرداخت شود. یکی از اهداف اجرای توپک رانی، حذف گرفتگی‌های ناشی از ته نشین شدن آلودگی سیال در داخل لوله است. وجود این آلودگی‌ها نه تنها قطر مفید لوله را برای حرکت سیال محدود می‌کند بلکه با افزایش ناهمواری جداره‌ی لوله سبب ایجاد جریان متلاطم می‌شود که حرکت روان سیال را با اختلال مواجه می‌کند.

۲) جدا‌سازی سیال برای انتقال از یک خط لوله

ممکن است از یک خط لوله دو یا چند سیال عبور داده شوند که لازم از برای انتقال هر سیال، باقی مانده سیال قبلی از داخل لوله جمع شود که ممکن است این مسأله همراه با چالش‌هایی باشد. نوعی از توپک وجود دارد که نام Batching Pig یا Cup Type شناخته می‌شوند که می‌تواند برای جدا‌سازی دو سیال از آلوده شدن به یکدیگر مورد استفاده قرار گیرد.

۳) جلوگیری از بروز برخی از خوردگی‌ها

برخی از خوردگی‌ها که ممکن است در اثر حمله‌ی میکرو اورگانسیم‌ها در لوله‌های فولادی اتفاق بیافتند، می‌توان با توپک رانی جداره لوله را از آن میکرو اورگانسیم‌ها پاک کرد تا خوردگی اتفاق نیافتد.

۴) مشخص کردن ناهنجاری هندسی در لوله

پس از اجرای خطوط لوله ممکن است اوله‌ها در اثر حمل، نصب، عملیات جوشکاری و غیره دچار آسیب‌هایی مانند: بیضی‌گون شدن، فرورفتگی، برآمدگی، کمانش و غیره شوند، که باید از عدم وجود آن‌ها اطمینان حاصل گردد. وجود این ناهنجاری‌ها سبب بروز اغتشاش و تلاطم جریان و به وجود آمدن ناحیه فشار یا Stress Area در سیال می‌شوند که می‌تواند انتقال سیال را با مشکل رو به رو کند. این ناهنجاری‌ها توسط نوعی از توپک به نام Caliper pig قابل تشخیص می‌باشد.

۵) انجام تست هیدروستاتیكی

انجام تست هیدروستاتیكی می‌تواند دلایل مختلفی داشته باشد اما شناخته شده‌ترین دلیل انجام تست هیدروستاتیكی تائید ایمنی بهره‌برداری از خط لوله است که مشخص شود عیوب موجود در داخل متریال نمی‌تواند در تنش مجاز، فاجعه آفرین باشد. به منظور انجام تست هیدروستاتیكی می‌توان از پیگ Batching/Displacement استفاده کرد که سبب می‌شود با بتوان برای انجام تست در بخشی از خط خلأ ایجاد کرد و سپس با برقراری آبندی در بخشی از لوله فشار سیال داخل آن را تا فشار مورد نظر بالا برد.

آشنایی با توپک رانی عملیاتی

فلسفه وجودی توپک رانی عملیاتی برای پاکسازی خطوط لوله است. توپک رانی عملیاتی می‌تواند با اهداف زیر انجام شود.
۱) حذف آلودگی‌های ناشی از ته نشین شدن سیال
۲) حذف مواد باقی مانده پس از برش و جوشکاری
۳) اصلاح جزئی برخی از عیوب جوشکاری مانند نفوذ بیش از حد
توپک‌های عملیاتی در انداره، شکل و هندسه‌های مختلف تولید می‌شوند که با توجه به نوع سیال داخل لوله، نوعی جرم‌های انباشته شده در لوله و غیره آن را انتخاب می‌کنند. در شکل بالا نمونه‌ایی از توپک عملیاتی را مشاهده می‌کنید.

توپک رانی هوشمند

توپک رانی هوشمند، همانطور که اشاره شد برای تشخیص عیوب و ناهمواری در داخل خطوط لوله مانند خوردگی، ناهنجاری‌های هندسی، خرابی مکانیکی و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد. توپک رانی هوشمند می‌تواند هم به صورت مغناطیسی و التراسونیک باشد که در ادامه با هر کدام آشنا می‌شویم.

توپک رانی هوشمند مغناطیسی

توپک رانی هوشمند مغناطیسی به لحاظ تاریخچه پیدایش از نوع التراسونیک آن قدیمی‌تر است و اساس کار آن بر نشر شار مغناطیسی [مقاله‌ی ۰ تا ۱۰۰ تست ذرات مغناطیسی یا MT مطالعه شود. ] می‌باشد.

استفاده از نشتی فلوی (شار) مغناطیسی MFL که مخفف Magnetic Flux Leakage، یکی از پر استفاده‌ترین روش‌ها برای تشخیص عیوب خطوط لوله است.

۱) بروز خوردگی و ترک و سایر عیوب که سبب از بین رفتن بخشی از فلز لوله شوند منجر به نشتی فلوی مغناطیسی می‌شود که با این روش قابل تشخیص می‌باشد.
۲) وجود ناهنجاری‌های هندسی سبب بروز تغییرات در خواص مغناطیسی می‌شود که با این روش این عیوب قابل تشخیص می‌باشد.

نحوه‌ی کار توپک رانی هوشمند مغناطیسی

سیستم مغناطیس‌ کننده توپک مغناطیسی می‌تواند دائم یا موقت باشد که در هر صورت باید ویژگی‌های زیر را داشته باشد.
۱) مغناطیس‌کننده قدرت کافی را داشته باشد تا قادر باشد نشتی فلوی مغناطیسی، ناشی شده از خرابی لوله را اندازه‌گیری كند.
۲) مغناطیس‌کننده قابلیت ایجاد یک شار یکنواخت مغناطیسی را داشته باشد تا با سیگنال اندازه‌گیری شده بتوان مشخصات خرابی را تشخیص داد.
۳) مغناطیس‌کننده در طول لوله دارای دامنه پایداری باشد تا با مقایسه اطلاعات در محل‌های مختلف، تغییرات شار ناشی از وجود عیب داخل لوله قابل تشخیص باشد.
بین میدان مغناطیسی اعمال شده و چگالی شار مغناطیسی در یک خط لوله، رابطه غیر خطی وجود دارد. در سطوح داخلی لوله که در مجاورت توپک مغناطیسی است تغییرات کوچک میدان، سبب به وجود آمدن تغییرات شدید در شار مغناطیسی می‌شود اما در سطوح میانی و فوقانی لوله این تغییرات کمتر است. برای انجام بازرسی باید شار مغناطیسی به سطح بیرونی لوله نشت کند. باید توجه داشت همه عیوب سبب ایجاد نشتی فلوی مغناطیسی نمی‌شوند زیرا وجود برخی ازعیوب مانند خوردگی که سبب از بین رفتن بخشی از فلز ماده می‌شود سبب کاهش شار مغناطیسی خواهد شد

اگر سیستم مغناطیس‌کننده قوی باشد چگالی شار مغناطیسی افزایش می‌یابد که در این صورت با بروز کوچکترین کاهش ضخامت فلز در اثر خوردگی، نشتی فلوی مغناطیسی به وجود می‌آید. لذا سیستم مغناطیس کنندگی در توپک مغناطیسی، را طوری ایجاد می‌کنند تا اشباع مغناطیس در لوله ایجاد شود و کوچکترین عیب در لوله با ایجاد نشتی فلوی مغناطیسی مشخص شود.

حسگر‌های تشخیص تغییرات شار مغناطیس

همانطور که در مقاله‌ی ابزار دقیق به آن اشاره شد برای بررسی تغییرات هر پدیده فیزیکی نیاز به تجهیز یا تجهیزاتی داریم که قادر باشند به تغییرات ایجاد شده به صورت دستورات مکانیکی یا سیگنال الکتریکی عکس العمل نشان بدهند. برای ثبت تغییرات شار مغناطیس دو تجهیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. ۱) حلقه‌های القایی ۲) حسگر هال
حلقه‌های القایی اولین نوع حسگر‌های تشخیص تغییرات شار مغناطیس می‌باشند که قابلیت اندازه‌گیری نرخ تغییرات میدان مغناطیسی را دارند. این تجهیز بر اساس قانون القای فارادی کار می‌کند و بر اساس همین قانون که بیان می‌شود تغییر شار مغناطیسی سبب ایجاد ولتاژ می‌شود می‌توان علت آن را به وجود عیب در داخل ماده ارتباط داد. برای اطلاعات بیشتر مطالعه این مقاله پیشنهاد می‌شود.
حسگر هال که بعد از حلقه‌های القایی معرفی شده‌اند؛ این حسگر بر اساس اثر هال کار می‌کنند که بیان می‌کند: « اگر جریانی از یک‌رسانا در جهت عمود بر میدان مغناطیسی یکنواخت اعمال‌شده عبور کند، ‌رسانا دارای اختلاف پتانسیل دلتا میان رخ‌های عمود بر جهت جریان و میدان مغناطیسی خواهد شد. ». پاسخ حسگر هال که تغییرات میدان مغناطیسی را به صورت تغییر ولتاژ گزارش می‌کند علاوه بر اینکه برای تشخیص نشتی فلوی مغناطیسی ناشی از وجود عیب داخل ماده می‌تواند استفاده شود کاربرد‌های زیادی در صنعت دارد که یکی از آن‌ها تشخیص سرعت دوران شفت است.