برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۴/۰۲ تا ۱۳۹۷/۰۴/۰۸

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱۸,۰۹۱
  • بازدید این ماه ۲
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۲۷۸
  • قبول شدگان ۲۲۲
  • شرکت کنندگان یکتا ۹۸
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۴
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 1

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

کاربرد نانوفناوری در تولید مواد و تجهیزات با خواص فیزیکی، مکانیکی، شیمیایی و حرارتی بهبود یافته

در اکثر صنایع به ویژه صنعت نفت و گاز نیاز است تا از تجهیزاتی مناسب و مقاوم در برابر عوامل مخرب استفاده گردد. امروزه با استفاده از نانومواد می توان شرایط این تجهیزات را به نحو بسیار مناسبی بهبود بخشید و نیز میزان استفاده از مواد و هزینه و زمان را بهینه نمود. در این حالت نانومواد مورد استفاده اغلب بعنوان یک سد مقاوم در برابر خوردگی عمل کرده و علاوه بر این می توانند سبب افزایش استحکام ماده و تولید موادی با پایداری بالا و طول عمر بیشتر گردند. این مقاله به بررسی اثرات استفاده از نانوفناوری در بهبود خواص مواد و فرآیندهای صنایع بالادستی نفت و گاز پرداخته و نشان می دهد که به دلیل داشتن ساختارهای نانومتری و منظم،‌ استفاده از نانوکامپوزیت ها،‌ پوشش های نانوکامپوزیتی،‌ نانوروان کننده هاو نانوذرات تا چه اندازه می تواند مقاومت مواد در برابر عوامل سایشی و فرسایشی را بهبود بخشد.


1-مقدمه
هزینه کلی ناشی از خوردگی که بصورت سالانه به صنعت نفت و گاز جهان تحمیل می شود در حدود 1.372 بیلیون دلار می باشد که 589 میلیون دلار از آن صرف خوردگی لوله کشی های سطحی و تجهیزات،‌ 320 میلیون برای خوردگی های اساسی و 463 میلیون دلار آن صرف لوله های درون چاهی می گردد. از آنجاییکه یکی از بزرگترین نگرانی ها در صنعت نفت و گاز، خوردگی لوله ها می باشد، پوشش دهی و ساخت این قطعات با استفاده از نانوذرات و نانوکامپوزیت ها می تواند سبب افزایش استحکام و پایداری تجهیزات و کاهش استهلاک آنها گردد. در این حالت لوله های دارای نانوپوشش می توانند سبب بهبود فرآیند انتقال مواد خام از طریق افزایش مقاومت لوله در برابر دمای های پایین و افزایش مقاومت آنها در برابر شکل گیری پارافین ها، می گردد. همچنین از آنجائیکه پیش بینی می شود تقاضای انرژی جهانی طی 30 سال آینده تا 60% افزایش پیدا کند، لزوم افزایش تولید و بهره برداری از منابع نفتی و گازی و استخراج بیشتر سیالات هیدروکربنی احساس می شود. همچنین امروزه عملیات اکتشاف بیشتر در نواحی دور از دسترس و دارای شرایط سخت انجام می شود که همین امر کنترل فرآیند خوردگی تجهیزات را مشکل تر می سازد و نیاز به تولید مواد و تجهیزات با خواص فیزیکی، مکانیکی، شیمیایی و حرارتی بهبود یافته را ملموس تر می کند. نانوفناوری می تواند طی بخش های ذکر شده به فرآیند تولید کمک کند:
1) افزایش کارآئی و پایداری در تجهیزات حفاری، مواد لوله ای و بخش های دوار
2) بهبود کشپار ها (elastomers) که در فرآیند حفاری عمیق در محیط های دارای دما و فشار بالا کاربرد دارند
3) بهبود پایداری تجهیزات سخت در شرایط دما و فشار بالا
4) افزایش طول عمر تجهیزات با افزایش مقاومت خوردگی،‌ افزایش چسبندگی و مقاومت سایشی
5) افزایش توانمندی،‌ طول عمر و‌ انعطاف پذیری مته حفاری،‌ واشر ها،‌کلاهک و لوله ها [1]
استفاده از مواد نانوساختار در این حیطه را می توان به بخشهای استفاده از نانوکامپوزیت ها، پوشش های نانوکامپوزیتی، نانوذرات و نانوروان کننده ها تفکیک نمود که در ادامه به آنها اشاره خواهد شد.

2- استفاده از نانوفناوری در تولید موادی با خواص بهبود یافته مکانیکی، شیمیائی، حرارتی و غیره؛ قابل استفاده در صنایع بالادستی نفت و گاز
2-1- پوشش های نانوکامپوزیتی
استفاده از پوشش های نانوکامپوزیتی منجر به ظهور نوآوریهای مناسبی در زمینه مهندسی سطح شده که در جهت بهبود معایب فیزیکی و شیمیائی مواد ایجاد گردیده است. در این زمینه انواع روشهای مختلف پوشش دهی جهت کاهش اصطکاک،‌ بهبود خواص حرارتی و الکتریکی،‌ افزایش مقاومت خوردگی و سایش و غیره در شرایط سخت عملیاتی مورد استفاده قرار گرفته اند. اغلب ترکیباتی که در گذشته توسط روش های معمولی تحت پوشش دهی قرار می گرفتند،‌ امروزه توسط فیلم های نانوکامپوزیتی و نانوساختار به دلیل پایداری بالا و سختی مکانیکی مناسب، مقاومت در برابر اکسایش و خوردگی و نیز دارا بودن سطوح لغزنده قابل انطباق در محیط های گوناگون جایگزین شده اند. به دلیل دارا بودن اندازه دانه های (grain size) بسیار کوچک،‌ سطح نانوکامپوزیت ها و یا مواد پوشش دهی شده توسط نانولایه ها بسیار صاف تر از سطوح معمولی است و این مواد دارای صفحات کریستالی منظم و بدون عدم یکنواختی می باشند. همچنین به دلیل طبیعت نانوساختاری و کامپوزیتی،‌ اینگونه پوشش ها می توانند درگستره وسیعی از خواص فیزیکی،‌ شیمیائی،‌ حرارتی،‌ مکانیکی و غیره تولید شوند. اکثر تکنیک های لایه نشانی و پوشش دهی نانوکامپوزیت ها امروزه توسط فرآیند کند و پاش (sputtering) و یا رسوب دهی فیزیکی بخار (PVD) انجام می گیرد [2]. دو نمونه از نتایج این نوع لایه نشانی در شکل های 1 و 2 نشان داده شده است.


filereader.php?p1=main_ec6ef230f1828039e

شکل 1- تصویر میکروسکوپ الکترون عبوری (TEM) از نانولایه های Ti/Cو [2]

filereader.php?p1=main_1d665b9b1467944c1
شکل 2- تصویر میکروسکوپ الکترون عبوری (TEM) از فیلم نانوکامپوزیتی W/C:H و[2]


امروزه محققان تلاش های بسیاری در جهت استفاده از پوشش دهی توسط نانوساختار ها انجام داده اند. برخی از این پوشش های نانوساختار دارای چندین فاز فلزی و سرامیکی بوده و برخی نیز از لایه های چندگانه نانومتری و یا ابرشبکه های (superlattices) نانومتری تشکیل شده اند. این فرآیند پوشش دهی غالبا توسط رسوب دهی فیزیکی بخار(PVD) صورت می گیرد و به دلیل ساختار نانومتری و خواص منحصر بفرد شیمیائی،‌ پوشش ایجاد شده می تواند کارآئی های متفاوتی داشته باشد. به گونه ای که برخی فازهای ایجاد شده داخل پوشش می توانند خاصیت ابر سختی (super hardness) را ایجاد نماید و‌ فازهای دیگر سبب کاهش اصطکاک و افزایش هدایت حرارتی و الکتریکی شوند. همچنین افزایه های شیمیائی اضافه شده به این مواد می توانند به گونه ای انتخاب گردند که با محیط های مختلف انطباق پذیری بالائی داشته باشند. همچنین طی جدیدترین تحقیقات محققان توانسته اند با استفاده از لیزر بر روی پوشش های سختی مانند TiN و TiCN، الگوهایی با ابعاد میکرون تا نانومتری ایجاد نمایند [3].
همچنین کاهش خوردگی در تجهیزات نفتی و گازی یکی از مهمترین دغدغه های محققان می باشد که می تواند منجر به توقف عملیات تولید و در نتیجه اعمال هزینه گردد. نوع خاصی از خوردگی که خوردگی زیر عایق (under insulation corrosion) نام دارد، یکی از مهمترین و هزینه برترین انواع خورگی در تجیهزات نفتی و گازی می باشد که به دلیل سختی تشخیص می تواند بسیار خطرناک نیز باشد. زیرا در ابتدا لازم است تا عایق جهت بازرسی فلز برداشته شود. در اغلب فرآیندهای خوردگی وجود رطوبت، اکسیژن و انواع یونها سبب خوردگی شده و نیز جنس عایق نیز ممکن است سبب تشدید خوردگی شود. همانگونه که noveiri و torfi نشان داده اند استفاده از نوعی پوشش نانوکامپوزیتی شامل 30% اکریلیک رزین پایه آبی و 70% نانوکامپوزیت جهت پوشش دهی کامل سطح، سبب جلوگیری از نفوذ هوا به روی سطح و ایجاد خوردگی می گردد و نیز به دلیل خواص آبگریز ایجاد شده، رطوبت را نیز از سطح عایق شده دور می سازد. بنابراین این پروسه عایق سازی با استفاده از نانوپوشش ها از رسیدن رطوبت به سطح لوله های تجهیزات نفتی و گازی جلوگیری نموده و نوع ایزولاسیون بکار برده شده نیز از نوع نیمه شفاف (semi-transparent) می باشد و می توان سطح زیر آن را در لحظه مشاهده نمود [4].
2-2- نانوروان کننده ها
امروزه روان کننده ها (lubricants) کارائی زیادی در صنایع مختلف دارند. بهرحال استفاده از روان کننده های مایع یا گریسی به دلیل مشکلاتی که ایجاد می کنند بویژه مشکلات زیست محیطی، محدود شده است. گزینه بسیار مطلوب در این زمینه این است که پوشش ها و روان کننده ها باهم سازگار شده و مکمل نقش یکدیگر باشند. برای مثال در یک پوشش نانوکامپوزیتی با طراحی ویژه، در حالیکه یک فاز مقاومت بسیاری در برابر سایش و تغییر شکل ایجاد می کند، ‌فاز دوم یا سوم می تواند بصورت ترجیحی با افزایه های موجود واکنش داده و روان کنندهی بالائی جهت محافظت در برابر سایش ایجاد نماید. همچنین امکان طراحی پوشش های نانوکامپوزیتی که بتواند عملکرد روان کننده های مایع موجود را بهبود بخشد وجود دارد [2]. روش دیگر افزودن نانو ذرات به روان کننده ها (نانوروان کننده ها) می باشد. نانوروان کننده ها دارای میلیاردها نانوذره کروی شکل هستند که بصورت قابل توجهی میزان اصطکاک و سایش و نیز خواص فشاری ماده روان کننده را بهبود می بخشند. از مزایای استفاده از این مواد بسته به نوع عملیات می توان به افزایش سرعت و کاهش انرژی مورد نیاز،‌ افزایش طول عمرمواد و کاهش مضرات زیست محیطی با توجه به غیرخورنده بودن مواد اشاره نمود [5]. روان کننده های جامد در حالت بالک یا توده ای طی سالیان متمادی در صنایع مختلف به منظور کاهش اصطکاک و افزایش مقاومت سایشی در شرایط سخت مانند خلا بالا،‌ فشار و دمای زیاد بکار رفته اند. امروزه چندین نمونه از روان کننده های جامد (هم به شکل بالک و هم به شکل فیلم نازک) مانند مولیبدن دی سولفید، ‌بوریک اسید،‌گرافیت و غیره موجود است که می توان جهت کنترل اصطکاک و مقاومت سایشی در سطوح لغزنده استفاده نمود. امروزه محققان توانسته اند روان کننده های جامد را بر روی انواع سطوح مختلف با ضخامتی در محدوده چندین نانومتر تا چندین میکرومتر ایجاد نمایند. در این حالت فیلم روان کننده جامد تشکیل شده بر روی سطح می تواند ظرفیت تحمل بار و روان بودن سطح را بهبود داده و بعنوان یک پشتیبان بخصوص در شرایط سخت سطوح اغزنده عمل نماید. روان کننده های جامد و لایه لایه از قبیل مولیبدن دی سولفید،‌گرافیت، ‌هگزاگونال بورون نیترید در گذشته جهت ایجاد لغزش مناسب بر روی سطوح بکار رفته اند و امروزه تلاش محققان بر استفاده از نانوپودرهای مولیبدن دی سولفید،‌تنگستن دی سولفید و گرافیت می باشد. زمانیکه از این مواد در روغن یا گریس روان کننده استفاده می شود،‌کاهش شدیدی در اصطکاک و مقاومت سایشی سطوح لغزنده مشاهده می شود [3]. در حالت کلی مواد دارای ساختار لایه لایه، مانند گرافیت،‌ مولیبدن دی سولفید و‌تنگستن دی سولفید می توانند هم بعنوان روان کننده جامد و هم بعنوان افزایه در ساختار روان کننده های مایع بکار برده شوند. مهمترین مزایای استفاده از نانوذرات ‌تنگستن دی سولفید را می توان به کاهش اصطکاک در فرآیند نورد (rolling) و‌ استفاده از این ذرات بعنوان جداساز (spacer) که سبب برطرف نمودن تماس سطحی بین دو فلز می گردد برشمرد [6].
2-3- نانوکامپوزیت ها
اکثر صنایع مانند حفاری نیاز به موادی با سختی فوق العاده زیاد و مقاومت فراوان در برابر سایش دارند. در صنعت حفاری نفت و گاز نیز استفاده از موادی مانند الماس فشرده پلی کریستال (polycrystalline diamond compact) در ساختار مته حفاری رو به افزایش است. اما این مواد دارای معایبی مانند کم بودن پایداری حرارتی می باشند. امروزه محققان توانسته اند با استفاده از نانوکامپوزیت های الماس/ سیلیکون کربید و الماس/ تنگستن کربیدکه سختی فوق العاده زیادی (در حدود 60-40 گیگاپاسکال) ایجاد می کنند این معایب را برطرف نمایند. تصویر میکروسکوپ الکترون روبشی نانوکامپوزیت الماس/ تنگستن کربید در شکل 3 نشان داده شده است. تولید این گونه نانوکامپوزیت ها سبب ایجاد بهبود در عملیات حفاری و بازده آن و نیز کاهش هزینه و انرژی و بخصوص معایب زیست محیطی و تولید کربن می گردد [7]. در حالت کلی می توان گفت مته حفاری مورد استفاده در صنایع نفت و گاز که سخت (hard) است ولی سفت (rough) نیست می تواند در اثر برخورد با سنگ سخت سازند خرد شود. در حالکه مته سفت و غیر سخت می تواند به سرعت ساییده شود. این فرآیند می تواند سبب ایجاد هزینه و زمان اضافی در عملیات شود. الماس ماده ای است که به دلیل سختی فوق العاده زیادی که دارد (super hardness) در اکثر عملیاتی که سایندگی بالائی دارند مورد استفاده قرار می گیرد. ولی متاسفانه به دلیل ترد بودن در معرض شکستگی قرار دارد. این مشکل را می توان با استفاده از قرار دادن ذرات الماس در ماتریس نانوکریستالی سیلیکون کربید برطرف نمود.


filereader.php?p1=main_7bc3ca68769437ce9
شکل 3- تصویر میکروسکوپ الکترون روبشی (SEM) نانوکامپوزیت الماس/ تنگستن کربید [7]

این ماتریس روند شکل گیری ترک هائی که منجر به شکست می شود را متوقف می سازد. در حقیقت این از نوع نانوکامپوزیت ها، سخت ترین و پایدارترین انواع موجود هستند. مکانیسمی که منجر به شکل گیری چنین سختی در نانوکامپوزیت ها می گردد در حقیقت هنوز ناشناخته است، ولی در حالت کلی محققان بر این باورند که نانوکریستال های کوچک که شامل هزاران اتم هستند در لحظه شکل گیری ترک ها از انتشار آنها جلوگیری می کنند. کربید سیلیکون نوعی ماده سرامیکی بسیار سخت می باشد که گرچه به سختی الماس نیست، با سطح آن پیوندهای شیمیائی قوی تشکیل داده و ذرات الماس را مانند یک چسب قوی در کنار یکدیگر نگاه می دارد. اغلب دانه های الماس دارای ابعادی در حدود میکرومتر هستند و در هر سانتی متر مکعب از نانوکامپوزیت تشکیل شده میلیاردها دانه الماس وجود دارد (شامل نانوکریستال های کربید سیلیکون واقع شده در میان الماس هائی که از آنهاصدها بار بزرگتر هستند). در این حالت ترک های ایجاد شده در دانه های الماس نمی توانند تمام کامپوزیت را بشکنند، زیرا ماتریس کربید سیلیکون نانوکریستالی که ترک ها را پوشش می دهد و به نانوکامپوزیت حاصل، خاصیت مقاومت فوق العاده در برابر شکست می بخشد [8].

2-4- نانوذرات
نانوذرات به دلیل برخورداری از سطح تماس بالا قادرند نفوذ عوامل خورنده به داخل پوشش را سخت کنند. برای مثال پژوهشگران دانشگاه‌های امیرکبیر و صنعت نفت با استفاده از نانوذرات اکسید روی، به پوشش‌های اپوکسی/پلی آمیدی با خواص بهبود یافته ضد خوردگی و فیزیکی-مکانیکی دست پیدا کردند. پوشش اپوکسی یک پوشش آلی پرکاربرد با خواص منحصربه‌فرد فیزیکی-مکانیکی و ضد خوردگی است. از این پوشش جهت کاهش نرخ خوردگی فلزات در معرض محیط‌های خورنده استفاده می‌گردد. نانوذرات اکسید روی به دلیل اندازه ذرات پایین و سطح ویژه بالا قادرند تا یک سد فیزیکی در برابر نفوذ عوامل خورنده به درون پوشش و به سطح فلز ایجاد نموده و زمان رسیدن این عوامل خورنده را به سطح فلز طولانی‌تر نموده و طول عمر سازه فلزی را افزایش دهند. نانوذرات همچنین با کاهش چگالی اتصالات شیمیایی و افزایش چگالی اتصالات فیزیکی پوشش، باعث بهبود مقاومت یونی و مقاومت در برابر تخریب هیدرولیتیکی (تخریب در حضور آب) شده و دوام پوشش را افزایش می‌دهند. همچنین با این مکانیزم بهبود خواص فیزیکی-مکانیکی از جمله کاهش شکنندگی پوشش و افزایش چقرمگی آن نیز حاصل می‌شود کاربرد عمده این پوشش‌ها بر روی سازه‌های فلزی نظیر لوله‌های انتقال نفت، گاز و آب است [9].
همچنین یکی دیگر از کاربردهای بسیار مهم نانوذرات در صنایع بالادستی نفت و گاز را می توان استفاده از آنها بعنوان افزایه در ساختار ماده لحیم کننده در فرآیند جوشکاری تجهیزات در نظر گفت. در محیط های سخت عملیاتی، شکست ناشی از خستگی تجهیزات (fatigue failure) در مقاطع لحیم شده یکی از معضلات اساسی می باشد. در این حالت افزایش استحکام منطقه لحیم شده با استفاده از افزودن نانوذرات و پایدار نمودن ساختار دانه ها سبب بهبود پایایی قطعات می گردد. امروزه محققان از دو نوع خاص نانوذرات جهت بهبود لحیم استفاده می کنند. نوع اول آنها از عناصر واکنشگر مانند نیکل یا نقره تشکیل شده اند. ولی نقطه ضعف این ذرات آن است که این مواد در نهایت و بخصوص در دماهای بالا با لحیم وارد واکنش شده و پایداری جوش را پائین می آورند. نوع دوم از ذراتی که مورد استفاده قرار می گیرد از مواد پایدار و غیرواکنشی شامل تیتانیا (Tio2) تشکیل شده است که حتی در دماهای بالا نیز پایدار می باشند. بهرحال پخش این نوع ذرات در لحیم مشکل می باشد. امروزه محققان به این نتیجه رسیده اند که استفاده از نانوذرات هسته – پوسته ای شامل یک هسته خنثی و یک پوسته ای که می تواند لحیم را تر کند (solder wettable) موثر خواهد بود. در این حالت از سیلیکا بعنوان هسته و از فلزات نجیبی مانند طلا،‌ نقره و پالادیوم نیز بعنوان پوسته استفاده می شود [10].

بحث و نتیجه گیری:
در این مقاله مروری بر کاربردها و نقش فناوری نانو در زمینه بهبود خواص تجهیزات صنایع بالادستی نفت و گاز انجام شده است. همانگونه که در متن و با اشاره به منابع معتبر ذکر شد،‌ در هر صنعتی مانند صنعت نفت و گاز، استفاده مناسب و نیز پایداری تجهیزات مورد استفاده که در معرض انواع تخریب ها قرار دارند امری حیاتی است و امروزه فناوری نانو با پیشرفت هائی که در این زمینه حاصل نموده کمک شایانی به ذخیره زمان و انرژی و نیز هزینه نموده است. در این راستا استفاده از پوشش های نانوکامپوزیتی،‌ نانوکامپوزیت ها، نانوروانسازهای جامد و نانوذرات سبب کاهش اصطکاک،‌ بهبود خواص حرارتی و الکتریکی،‌ افزایش مقاومت خوردگی و سایش و غیره در شرایط مختلف عملیاتی که دارای سختی زیاد بوده گردیده و بازده عملیات اکتشاف،‌ استخراج،‌ تولید و بهره برداری از مخازن را بهبود چشمگیری می بخشد. این امر بدان معنی است که مشکلات موجود در صنایع، به ویژه صنعت نفت را می توان با استفاده از نانو فناوری که نگرشی نوین در چینش و ساختار مواد بوده و سبب بهبود خواص فیزیکی، شیمیائی،‌ حرارتی و مکانیکی آنها می گردد، تا حدود زیادی مرتفع نمود.


منابـــع و مراجــــع

1. http://69.90.243.152/~hypower6/index.php/focus/oil-a-gas

2. http://www.solargess.org/Literatures%20share-EndNote/电子书/物理/Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings/Chapter 14 - Nanocomposite Coatings for Severe Applications.pdf

3. Erdemir, A. “Review of engineered tribological interfaces for improved boundary lubrication”. Tribology International, Vol.38, pp.249–256, (2005)

4. Noveiri, E. and Torfi, S. “Nano Coating Application for Corrosion Reduction in Oil and Gas Transmission Pipe: A Case Study in South of Iran”. IPCSIT, vol.15, pp.56-63, (2011)

5. www.abrasiveshub.com/img/PG000786.pdf

6. Rapoport, L., Leshchinsky, V., Lapsker, I., Volovik, Y., Nepomnyashchy, O., Lvovsky, M., Popovitz-Biro, R., Feldman, Y., Tenne , R. “Tribological properties of WS2 nanoparticles under mixed lubrication”. Wear, Vol. 255, pp. 785–793, (2003)

7. https://www1.eere.energy.gov/manufacturing/industries_technologies/nanomanufacturing/pdfs/nanocomposites_drill_bits.pdf

8. http://www.lanl.gov/orgs/tt/pdf/techs/ultratough_entry.pdf

9. http://www.nano.ir/newstext.php?Code=11372

10. http://www.lboro.ac.uk/research/iemrc/documents/ResearchPortfolio/LUW_RP_03_NANO.pdf

نظرات و سوالات

نظرات

0 0

هما موگویی - ‏۱۳۹۲/۱۱/۰۲

بسیار عالی و ممنونم