مستويات ضغط الأنابيب ومعايير التصميم

يشير مستوى ضغط خط الأنابيب إلى أقصى مستوى ضغط عمل يمكن لنظام خط الأنابيب تحمله. يتم تحديد هذا المستوى عادةً من خلال العوامل التالية: الوسيط الذي ينقله خط الأنابيب، ومادة خط الأنابيب نفسه، وعملية التصنيع. الغرض الرئيسي منه هو ضمان قدرة نظام خط الأنابيب على العمل بأمان وموثوقية دون التسبب في ضرر للإنتاج أو البيئة.

يعد تحديد مستوى الضغط جوهر تصميم خط الأنابيب المضغوط، وهو أيضًا شرط أساسي للتحقق من التخطيط والإجهاد، فضلاً عن كونه عاملًا مهمًا يؤثر على استثمار البنية التحتية وموثوقية خطوط الأنابيب المضغوطة. يتضمن مستوى ضغط خط الأنابيب جانبين: مستوى الضغط الاسمي لتركيبات الأنابيب القياسية (المعبر عنه بالضغط الاسمي) ومستوى سمك الجدار (المعبر عنه بمستوى سمك الجدار). عادةً، يكون مستوى ضغط خط الأنابيب معلمة يتم تحديدها من خلال مستوى الضغط الاسمي ومستوى سمك الجدار لتركيبات الأنابيب القياسية.

عند تحديد مستوى ضغط خط الأنابيب، يجب مراعاة الجوانب التالية: خصائص الوسيط الذي ينقله خط الأنابيب (مثل التدفق والكثافة واللزوجة ودرجة الحرارة والضغط والمعلمات الأخرى)، ومادة خط الأنابيب نفسه وعملية خط الأنابيب نفسها (مثل مادة خط الأنابيب والطلاء الداخلي ومعايير التصنيع وما إلى ذلك)، والضغط الخارجي أو الحمل الذي يجب أن يتحمله نظام خط الأنابيب (مثل الزلزال وحمل الرياح وحمل الدعم وما إلى ذلك)، وعامل الأمان المطلوب وعمر الخدمة (مثل عمر الخدمة والإجهاد والتعب والشقوق وما إلى ذلك). وفقًا لهذه المؤشرات والاحتياجات الهندسية الفعلية، يمكن إجراء حسابات وتحليلات منهجية لتحديد مستوى الضغط المطلوب لخط الأنابيب. في الوقت نفسه، من الضروري أيضًا مراعاة أحكام المعايير واللوائح الوطنية ذات الصلة، بالإضافة إلى الوضع الفعلي ومتطلبات السلامة في الموقع.

1. تحديد مستوى ضغط خط الأنابيب

في الهندسة، لا ينبغي استخدام معلمات تشغيل العملية بشكل مباشر كشروط تصميم لأنابيب الضغط. يجب أن تؤخذ عوامل مثل التقلبات في تشغيل العملية وتأثير المعدات المتصلة وتأثير البيئة في الاعتبار، ويجب إعطاء هامش أمان معين كشرط تصميمي بناءً على معلمات تشغيل العملية. تشير شروط التصميم المذكورة هنا بشكل أساسي إلى ضغط التصميم ودرجة حرارة التصميم.

1.1 تحديد ضغط التصميم

يجب ألا يكون ضغط التصميم لخط الأنابيب أقل من الضغط في ظل الظروف الأكثر تطلبًا والمكونة من الضغط الداخلي (أو الضغط الخارجي) ودرجة الحرارة أثناء التشغيل العادي.

الظروف الأكثر تطلبًا: تشير إلى الظروف التي تؤدي إلى أقصى سماكة جدار أو أعلى مستوى ضغط اسمي للأنبوب ومكونات خط الأنابيب.

مع مراعاة تأثير عوامل مثل ضغط العمود الهيدروستاتيكي للوسط، يجب أن يكون ضغط التصميم عمومًا أعلى قليلاً من أعلى ضغط عمل في ظل الظروف الأكثر تطلبًا والمكونة من (أو) الضغط الخارجي ودرجة الحرارة.

يجب أن يأخذ ضغط التصميم لخط الأنابيب في الاعتبار عوامل الضغط الداخلي والخارجي ودرجة الحرارة في ظل الظروف الأكثر تطلبًا. لأسباب تتعلق بالسلامة، يكون ضغط التصميم عمومًا أعلى قليلاً من أقصى ضغط عمل.

عند تحديد ضغط التصميم، يمكننا الرجوع إلى ممارسة أوعية الضغط واستخدام طريقة زيادة معامل الهامش لضمان التشغيل المريح والآمن.

أ. بشكل عام، يتم تحديد ضغط التصميم لمكونات خط الأنابيب. بشكل عام، تتم إضافة معامل الهامش على أساس ضغط العمل المقابل. بشكل عام، يتم تحديد ضغط التصميم لمكونات خط الأنابيب.

يجب ألا يكون ضغط التصميم لجميع خطوط الأنابيب المتصلة بالمعدات أو أوعية الضغط أقل من ضغط التصميم للمعدات أو الحاويات، ويجب أن يفي بالمتطلبات التالية:

ب. عندما يكون هناك جهاز تخفيف ضغط أمان في خط الأنابيب، فهذا يشير إلى أن خط الأنابيب قد يتجاوز ضغط التشغيل الطبيعي أثناء التشغيل. الغرض من إعداد جهاز تخفيف ضغط الأمان (مثل صمام الأمان، قرص الانفجار، إلخ) هو إطلاق الضغط تلقائيًا عندما يتجاوز النظام ضغط التشغيل الطبيعي، بحيث يمكن حماية أجهزة النظام مثل المعدات وخطوط الأنابيب. في هذا الوقت، يجب ألا يكون ضغط تصميم خط الأنابيب أقل من مجموع ضغط تخفيف الأمان والضغط الساكن لعمود السائل.

عندما لا يتم ضبط جهاز تخفيف ضغط الأمان، يجب ألا يكون ضغط تصميمه أقل من مجموع أقصى ضغط قد يصل إليه مصدر الضغط وضغط عمود السائل الساكن.

يجب أن يأخذ ضغط التصميم لخط أنابيب المخرج لمضخة الطرد المركزي بدون جهاز تخفيف ضغط الأمان القيمة الأكبر من القيمتين التاليتين:

(1) ضغط الشفط العادي لمضخة الطرد المركزي بالإضافة إلى 1.2 مرة من فرق الضغط المقدر لمخرج المضخة.

(2) أقصى ضغط شفط لمضخة الطرد المركزي بالإضافة إلى فرق ضغط مخرج المضخة

ج. غالبًا ما تولد المضخات ذات الرأس العالي في خط الأنابيب، وخاصة المضخات الترددية، ضغط إحكام أعلى في خط الأنابيب والمضخة قبل صمام الإغلاق الأول في غضون فترة زمنية قصيرة بعد بدء التشغيل. في بعض الأحيان يمكن أن يصل ضغط الإحكام هذا إلى قيمة كبيرة جدًا. في هذا الوقت، يجب أن يأخذ ضغط التصميم لخط أنابيب مخرج المضخة أقصى قيمة لضغط الإحكام للمضخة.

د. الضغط على خط أنابيب نظام الفراغ هو الضغط الجوي خارجه، لذلك يجب أن يكون ضغط تصميمه 0.1 ميجا باسكال ضغطًا خارجيًا؛

هـ. لا ينبغي أن يكون ضغط التصميم لخط الأنابيب المتصل بمعدات مثل الأبراج أو الحاويات أقل من ضغط التصميم للمعدات المتصلة. عندما يكون هناك عمود سائل مرتفع في خط الأنابيب، يجب أيضًا مراعاة تأثير رأس الضغط الثابت للسائل.

في الواقع، بالنسبة لخط الأنابيب، تكون قوته أكثر تعقيدًا من قوة المعدات. وذلك لأنه بالإضافة إلى الحمل المتوسط، غالبًا ما يخضع لقوة نظام الأنابيب الناتجة عن التمدد الحراري وانكماش خط الأنابيب. لذلك، لا ينبغي أن يكون ضغط تصميم خط الأنابيب أقل بشكل عام من ضغط تصميم المعدات.
2. العوامل المؤثرة في تحديد مستوى ضغط خط الأنابيب
بالإضافة إلى درجة حرارة التصميم وضغط التصميم المذكورين أعلاه، والتي تعد المعلمات الأساسية لتحديد مستوى ضغط خط الأنابيب، هناك بعض العوامل الأخرى التي تؤثر في تحديد مستوى ضغط خط الأنابيب. ومن بينها، نظام معيار التطبيق والمواد والوسائط وظروف التشغيل كلها عوامل مهمة.

2.1 اختيار نظام معيار التطبيق

نظرًا لسلسلة مستويات الضغط الاسمي المختلفة في ظل أنظمة معيارية مختلفة، فإن مقاييس درجة الحرارة والضغط المقابلة مختلفة أيضًا. لذلك، حتى في ظل نفس ظروف التصميم، إذا تم اختيار معايير تطبيق مختلفة، فقد يكون مستوى الضغط الاسمي مختلفًا. لذلك، قبل تحديد مستوى الضغط الاسمي لخط الأنابيب، من الضروري أولاً توضيح نظام معيار التطبيق المستخدم.

2.2 المواد المستخدمة في نظام خط الأنابيب

تختلف الخصائص الميكانيكية للمواد المختلفة، وبالتالي فإن قيمها المقابلة على مقياس درجة الحرارة والضغط القياسي ستكون مختلفة أيضًا. قبل تحديد الضغط الاسمي لخط الأنابيب، من الضروري إعطاء الأولوية لاختيار المواد لخط الأنابيب ومكوناته، لأن اختيار المواد يجب أن يعتمد على درجة حرارة التصميم وضغط التصميم ووسط التشغيل.
في الظروف العادية، تختلف أيضًا معايير المواد المستخدمة للمكونات المختلفة لخط الأنابيب. على سبيل المثال، تصنع الأنابيب عمومًا من الأنابيب، وتصنع الحواف في الغالب من المسبوكات، وتصنع الصمامات في الغالب من المسبوكات.
بغض النظر عن معايير المواد المستخدمة، يجب أن يكون لها نفس مستوى خصائص المواد، أي يجب أن تتكيف مع نفس ظروف التشغيل وأن يكون لها نفس القوة؛ بالإضافة إلى ذلك، يجب الانتباه إلى المطابقة بين الأنابيب والألواح والقضبان والمسبوكات.
يشير مستوى ضغط ودرجة حرارة الحافة إلى أعلى ضغط عمل غير صدمي أو أقصى ضغط عمل مسموح به يمكن للحافة تحمله في درجات حرارة تشغيل مختلفة. يرتبط ارتباطًا وثيقًا بعوامل مثل مادة الحافة وخصائصها الميكانيكية عالية الحرارة وطريقة الحساب المستخدمة بواسطة الحافة وما إلى ذلك. وفقًا لأعلى ضغط عمل غير صدمي للشفة عند درجات حرارة عمل مختلفة، يجب اختيار الضغط الاسمي للشفة وملحقات الحافة بشكل معقول لتحقيق التنسيق مع الملحقات لضمان أن ملحقات خط الأنابيب يمكن أن تعمل بأمان وموثوقية في جهاز خط الأنابيب. إذا كانت مسامير وحشيات وصلة الحافة تلبي الشروط المحددة ذات الصلة، وتلبي محاذاة وتجميع وصلة الحافة الممارسات الجيدة، فيمكن تطبيق وصلة الحافة هذه على تصنيف الضغط ودرجة الحرارة. إذا تم استخدام القيمة المقدرة لوصلة حافة لا تلبي هذه الشروط المحددة، فهي مسؤولية المستخدم.

تشير درجة الحرارة المقدرة المقابلة للضغط المقدر إلى درجة حرارة غلاف حاوية الضغط للشفة وتجهيزات الحافة. بشكل عام، تكون هذه درجة الحرارة هي نفسها درجة حرارة السائل المخزن. المستخدم مسؤول عن عدم اختيار تصنيف الضغط وفقًا لدرجة حرارة سائل التخزين. عندما تكون درجة الحرارة أقل من -29 درجة مئوية (-20 درجة فهرنهايت)، يجب ألا يكون تصنيف الضغط المحدد أكبر من القيمة المقدرة عند -29 درجة مئوية (-20 درجة فهرنهايت).

تشير تصنيفات الضغط ودرجة الحرارة للمواد المختلفة الواردة في جدول اختيار الضغط ودرجة الحرارة إلى أقصى ضغط عمل غير صدمي (بضغط المقياس) عند درجة حرارة العمل المشار إليها؛ بالنسبة للضغوط عند درجات الحرارة المتوسطة، يُسمح بالتداخل الخطي.

تشير درجة حرارة العمل إلى درجة حرارة معدن الحافة تحت الضغط. عندما تكون درجة حرارة العمل أقل من 20 درجة مئوية، تكون قيمة ضغط العمل غير الصدمي الأقصى للشفة هي نفسها عند 20 درجة مئوية. بالنسبة للفولاذ الفريتي، يمكن استخدام أقصى قيمة ضغط عمل غير صدمي عند 100 درجة مئوية حتى 120 درجة مئوية؛ بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، يمكن استخدام أقصى قيمة ضغط عمل غير صدمي عند 20 درجة مئوية حتى 50 درجة مئوية.

عند استخدام تصنيف الضغط ودرجة الحرارة لتوصيل الشفة، يجب مراعاة خطر التسرب الناجم عن القوى والعزمات الناتجة عن توصيل خط الأنابيب. لذلك، يوصى بعدم استخدام الشفاه الملولبة عندما تكون درجة الحرارة أعلى من 260 درجة مئوية في ظل ظروف التغيرات السريعة في درجات الحرارة والدورة الحرارية.
3. معايير التصميم الرئيسية لأنابيب وتغليف الآبار
لضمان عمل أنظمة الأنابيب والتغليف على النحو الأمثل في ظل ظروف الضغط المتغيرة، يجب الالتزام بمعايير تصميم محددة. يتم تحديد هذه المعايير من قبل المنظمات الدولية مثل معهد البترول الأمريكي (API) وهي ضرورية لضمان السلامة والوظائف. تتضمن بعض معايير التصميم الرئيسية ما يلي:
مواصفات أنابيب التغليف API 5CT: تحكم هذه المعايير تصميم ومواصفات أنابيب التغليف المستخدمة في صناعة النفط والغاز. تحدد درجات المواد والأبعاد وعمليات التصنيع المناسبة لظروف الضغط والبيئة المختلفة.
مواصفات أنابيب API 5L: تحدد API 5L متطلبات الأنابيب، مما يضمن أن تكون قوة المواد كافية للتعامل مع ضغوط خطوط الأنابيب الداخلية. وهي تتضمن تفاصيل حول درجات المواد مثل X42 وX52 وX60 التي توفر مستويات متفاوتة من مقاومة الضغط.
تصنيف الضغط وقوة المواد: يعتمد اختيار مواد الأنابيب والتغليف، وفقًا لمعايير API، إلى حد كبير على أقصى ضغط من المتوقع أن يتحمله النظام. على سبيل المثال، يتم اختيار مواد مثل غلاف الفولاذ J55 للتطبيقات ذات الضغط المتوسط، بينما يتم استخدام مواد مثل N80Q في سيناريوهات الضغط الأعلى.

4. كيف تؤثر مستويات ضغط خطوط الأنابيب على خيارات التصميم
تؤثر مستويات ضغط خطوط الأنابيب بشكل مباشر على تصميم أنظمة الغلاف والأنابيب. تم تصميم هذه الأنظمة لتحمل نطاقات ضغط محددة، وقد يؤدي تجاوز هذه الضغوط إلى فشل أو أضرار كارثية. يتضمن تحديد الضغط النظر في عوامل مثل:

ضغط التكوين: الضغط الذي تمارسه السوائل في الخزان والتي يمكن أن تمارس على غلاف البئر. يجب قياس هذا الضغط بدقة لضمان قدرة الغلاف على تحمله دون تشوه أو تمزق.

الضغط الخارجي: الضغط الذي يمارس على الغلاف من التكوينات الأرضية والسوائل المحيطة. في بيئات معينة، يمكن أن تتجاوز الضغوط الخارجية الضغوط الداخلية، مما يجعل اختيار أنابيب الصلب عالية القوة أمرًا بالغ الأهمية.
ضغط رأس البئر: الضغط على سطح البئر، والذي يتأثر غالبًا بعمق البئر وخصائص السائل داخل الخزان. يجب مراقبة هذا الضغط عن كثب لاختيار الأنابيب المناسبة لتجنب الفشل أثناء الاستخراج.

5. اختيار المواد بناءً على مستويات الضغط
يعد اختيار المواد الصحيحة للتغليف والأنابيب بناءً على مستويات ضغط خط الأنابيب أحد أهم جوانب تصميم البئر. تُستخدم المواد التالية عادةً في تطبيقات البئر المختلفة، حيث تقدم كل منها خصائص أداء مختلفة:
غلاف J55: يُستخدم هذا عادةً في سيناريوهات الضغط المنخفض نظرًا لقوته المعتدلة ومقاومته للتآكل. يُستخدم عادةً في الآبار الضحلة حيث يكون الضغط أقل شدة.
غلاف N80Q: فولاذ N80Q عالي الجودة مصمم لتحمل الضغوط الأعلى، وخاصة في البيئات الأكثر تحديًا مثل الآبار العميقة والمناطق ذات درجات الحرارة العالية.
مواد الأنابيب المتميزة: في ظروف الضغط الشديد، تُستخدم مواد متميزة مثل CrMo أو السبائك المقاومة للتآكل لضمان الأداء الأمثل دون المساس بسلامة البئر.

6. معايير التصميم الشائعة لمعدات الأنابيب المضغوطة
فيما يلي معايير التصميم الشائعة:

1) مواصفات تصميم الأنابيب المعدنية الصناعية GB50316-2008

2) مواصفات تصميم أنابيب الغاز GB50251-2015؛

3) مواصفات تصميم أنابيب النفط GB50253-2014؛

4) مواصفات تصميم الغاز الحضري GB50028-2016؛

5) مواصفات تصميم محطة الأكسجين GB50030-2013؛

6) القواعد العامة لاختيار معدات تصميم أنابيب البتروكيماويات SH3059-2012؛

7) اختيار وفحص وقبول الصمامات العامة المصنوعة من الفولاذ البتروكيماويات SH3064-2003؛

8) لوائح تصميم مواد أنابيب المعدات الكيميائية HG/T20646.

الأسئلة الشائعة
1. لماذا يعد ضغط أنابيب التغليف مهمًا؟
يعد ضغط أنابيب التغليف أمرًا حيويًا للحفاظ على سلامة هيكل البئر وضمان استخراج النفط أو الغاز بأمان.

2.ما هو دور الأنابيب في تصميم البئر؟
تحمل الأنابيب النفط والغاز المستخرجين من الخزان إلى السطح، ويجب أن تكون قوية بما يكفي لتحمل الضغوط داخل خط الأنابيب.

3.ما هي أفضل المواد للآبار ذات الضغط العالي؟
تعتبر المواد مثل أنابيب التغليف N80Q وأنابيب السبائك الممتازة مثالية للآبار ذات الضغط العالي، حيث توفر المتانة ومقاومة التآكل.

4.كيف يتم تحديد مستويات ضغط الأنابيب؟
يتم تحديد مستويات ضغط الأنابيب من خلال القياس الدقيق لضغوط التكوين والضغوط الخارجية وضغوط رأس البئر، مما يضمن قدرة أنابيب التغليف والأنابيب المختارة على تحمل هذه القوى.