הקדמה: New Frontier in Pipeline Technology

תעשיית הנפט והגז מפעילה חלק מהתשתית התובענית ביותר על פני כדור הארץ.פירים למתוח מאות אלפי קילומטרים מעבר למדבר, פרמפוסטרט, וקרקעיות עמוקות, חשופים כל הזמן לטמפרטורות קיצוניות, נוזלים קורוזיים, ותנועה גיאולוגית.במשך עשרות שנים, תחזוקה ותיקון היו יקרים, פועלים, מחוסנים, ומכוערים על בטיחות וסביבתית.

4D הדפסה: מעבר לציור סטטי

3D עד 4D: הממד הרביעי

הדפסה תלת-ממדית מסורתית יוצרת אובייקטים סטטיים שנותרו ללא שינוי לאחר הדפסה 4D, אשר פופולרי לראשונה על ידי חוקרים במעבדה עצמית-עצמית של MIT, מציגה חומרים הניתנים לתוכנה אשר מורמים לאורך זמן כאשר מופעלים על ידי רמזים סביבתיים ספציפיים. "המד הרביעי" הוא טרנספורמציה הדפסה לאחר הדפסה.

  • (FLT:0) חומרים חכמים (FLT:1) - בדרך כלל בצורת פולימרים (SMPs), הידרוג'ל, או אלסטומרים גבישיים נוזליים להגיב לגירויים.
  • (ב) [ה]:0] הגיאומטריה המוגזמת (FLT:1] – המבנה המודפס כולל לחצים פנימיים או הסדרים רב-חומריים המכתיבים כיצד הוא יתקפל, יתרחב או נוקשות.
  • (FLT:0) גירוי הפעלה מחדש של LT:1 - גורם כגון חום (באמצעות חימום התנגדות או טמפרטורה מכוננת), ספיגת מים, שינוי pH, אור UV או שדות מגנטיים.

התהליך כולו מסתמך על האנתרופוסופיה של חומרים מודפסים ועל השליטה המדויקת של חלוקת החומרים במהלך התערוכה.כאשר המריצים מוחלים, החומר עובר מעבר שלב (למשל, מעבר זכוכית בפולימרים) המשחרר אנרגיה מאוחסנים, מה שגורם לשינוי שנקבע מראש.זה שונה באופן בסיסי מחומרים גמישים מסורתיים שמגיבים באופן פסיבי -4D מוצגים מחדשים, ניתנים להחלפה, ולעתים קרובות.

כיתות חומריות מפתח עבור שמן & דגימה; יישומי גז

לא כל החומרים החכמים מתאימים לתנאים הקשים בתוך צינורות.מחקר התמקד במספר שיעורים:

  • (FLT:0Shape-memory פולימרים (SMP03)FLT:1: משקל אור, קורוזיון-resistant, ומסוגל לשחזר עיוותים גדולים.טמפרטורת המעבר שלהם הזכוכית (Tg) ניתן לכוון כדי להתאים את טמפרטורות התפעול של צינורות (למשל, 50-80C לקווי תת-ימיים).
  • (ב) ⁇ :0) ,HydrogelsFLT:1: מים ו swell, שימושי עבור איטום דליפות בסביבות רטובות.
  • (ב) [13] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) מסטיקה בצורת-זיכרון (SMIR)FLT:1, כגון Nitinol: חזק מאוד ומשמש עבור שסתום עצמי ומחברים. 4D הדפסה של SMAs עדיין מתפתח, אבל אבקת לייזר היתוך יכול לייצר רכיבי SMA שמשנים כאשר מחומם.

עבור צינורות נפט וגז, המסלול המבטיח ביותר הוא הטמעת פלחים מבוססי SMP לתוך פלדה קונבנציונלית או צינורות פוליאתילן גבוהה (HDPE).קטעים אלה פועלים כמפרקים אדפטיים או חומרי תיקון אשר מפעילים רק בתנאים שנקבעו מראש.

קווי צינור עצמי: התקוממות ללא ידיים אנושיות

בידוד בסביבה מרחוק

אחד ההיבטים היקרים והמסוכנים ביותר של בניית צינורות הוא ההרכבה ידנית של חלקי צינורות באזורים מרוחקים - לחשוב על tundra קדחתני, מים עמוקים בחו"ל, או שטח הררי. צינורות ייצור עצמי ממינוף הדפסה 4D כדי להפחית באופן דרסטי את העבודה הזאת.הרעיון הוא פשוט: הדפסת כל צינור בצורת שטוחה, קומפקטי שניתן להעביר בקלות.

אבטיפוס מוקדם, בהשראת אוריגאמי ומבנים הניתנים לפרוס, להשתמש בתרכובות פולימרים בצורת-זיכרון עם צירים משובצים. A 2022 מחקר מאוניברסיטת יוסטון הראה אבטיפוס ארוך 1 מטר שהתחיל כעמוד שטוח, וכאשר מחומם מעל 60 מעלות צלזיוס, התגלגל לתוך צינור נוקשה בתוך 90 שניות.הצנרת יכולה לעמוד בלחץ פנימי עד 5 MPa - ניתן להשוות לכמה חלקים נמוכים: 00.10.10.10.10.01.10.

תת-קרקעי וצוללת עצמית

צינורות צוללות מתאימים במיוחד לגישה זו.במקום להשתמש בכלי שיט כבדים ומכוניות המופעלות מרחוק (ROVs) כדי לחבר פלחים, צינור מודפס 4D יכול להיות מועבר במדינה משולה או מתקפלת ולהירש באופן אוטונומי לא חתול על קרקעית הים (מקור ים) במים הארוכים עצמו יכול לשמש כמו הגורם: הידרוג'ל מגיבים לסלנטי, SMPs מכוון לטמפרטורה של מים קרים של 19 מעלות צלזיוס, כאשר לא נדרשה של מים צפופים (C) לא ניתן להשתמש בטמפרטורה של מים צפואית (S) עם מים קרים של 15 קמ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ, כאשר מקור מים צפואית (C) הוא 15 קמ"מ) הוא בעל כורח) הוא בעל נפח מים צפואית (F) הוא בעל 15 ק"מ"מ"מ) הוא בעל כורח) הוא בעל נפח מים צפואית (F) הוא בעל כורח) הוא בעל כורח) הוא מסוגל לשמש עצמו יכול לשמש את המיקרוגל חיצוני (F) הוא בעל כורעת מים צפופים) עם מקור מים צפופים) ב-15 קמ"מ"מ"מ"מ"מ"מ) הוא מסוגל לשמש את חומר מגובה) הוא בעל כורח) הוא בעל

היתרונות של קווי צינור עצמי

  • (ב) ,0) ,התקנה עלתה ב-1:1 - כמה ספינות, פחות צוות, פחות ציוד.
  • (ב) ,0) פריצה פריצה פריצה פריצה 1:1 - קטע 100 מטר יכול להיות מוכן בתוך דקות במקום ימים.
  • (ב) ניתן לעיין ב[[המאה ה-20]], ב[[1924]], ב[[1924]], ב[[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]
  • (ב) ,0) ל- Carbon FootureFLT 1 - פחות תחבורה כבדה ומכונות.

עם זאת, אתגרים נשארים בדרגת התהליך עבור צינורות גדולים (1 מטר) ולהבטיח את הגיאומטריה המופנמת העצמי פוגש סובלנות קפדנית בתנאים סביבתיים משתנים.מחקר הנוכחי מתמקד הדפסה רב-חומרית המשלבת סיבי חיזוק (למשל, סיבים פחמן) כדי לשמור על שלמות מבנית במהלך הטרנספורמציה.

קווי צינור עצמי: ריפוי מבפנים

כמה חומרים חכמים Detect ו- Seal damage

דליפות פיפיריות וסדקים הם איום מתמשך.אפילו דליפות לוטשות קטנות יכולות להסלים לתוך כישלונות קטסטרופליים. צינורות עצמיים להשתמש 4D רכיבים המכילים microcapsules או רשתות פולשניות של סוכני ריפוי - לעתים קרובות דבקים או מעכבי קורוזיה - אשר משוחררים כאשר הקיר הצינור הוא לפרוץ.

ישנן שתי גישות עיקריות:

  1. (FLT:0) תגובות של דילס אלדר (healingph1): רשתות פולימרים עוברות אג"ח בלתי הפיך (למשל, תגובות דילס אלדר) שיכולות ליצור מחדש לאחר נזק כאשר מופעל על ידי חום או אור.זה מאפשר ריפוי חוזר באותו אתר.
  2. (FLT:0) Extrinsic self-healingveph:1; מיקרו-capsules (דמטר 50-200 מיקרומטר) מלא מונומר ריפוי וזרז מוטבע ציפוי צינור 3: כאשר סדק propagates דרך הקיר, כמוסות קרע, שחרור המנומר אשר מפטרים ומחותמת את הסדקים של שנת 2020 מ-24TU קיבולת מכנית:

4D הדפסת מבנה הריפוי לעומת קונבנציונאליות

ציפויים סטנדרטיים (היתוך-בונד epoxy, שלוש שכבות פוליאתילן) מספקים הגנה פסיבית אך אינם יכולים לתקן את עצמם. 4D שכבות ריפוי מודפסות להוסיף מימד פעיל.לדוגמה, קיר צינורות דו-שכבת יכול להיות מודפס: השכבה המבנית החיצונית היא פלדה מתמשכת, בעוד השכבה הפנימית היא פולימרט מסוג 4D מודפס, אשר על חשיפה לנפט גולמי (אשר פועל כמו חיישנים סטרומים) הוא לחלוטין; ALTNECTS) הוא לחלוטין, כל אלקטרוניקה, כולל אלקטרוניקה, כולל: אלקטרוניקה, כולל אלקטריקטיבית; אלקטריקטיבית; אלקטריקטיבית; LTS; LTS; הוא אלקטרוניקה: אלקטרוניקה: אלקטרוניקה: אלקטריקטיבית; אלקטריקטיבית; LTN; הוא חיישנים; הוא אלקטריקטיבית; אלקטריקטיבית; אלקטריקטיבית; הוא אלקטריקטיבית: ALTXD הוא אלקטריקטיבית; הוא אלקטריקטיבית; הוא קומפקטית; הוא אלקטריקטיבית; הוא LTN.

היתרונות של קווי צינור עצמיים

  • (ב) ,0) ,הדלפת הדליפה (הראשונה) , סדקים קטנים חתומה לפני שהם גדלים.
  • (ב) ,0) ,4 (בקיצור: ⁇ ) הם יקרים להפעלה.
  • (ב) פחתו של [[המאה ה-1]], [[1924]]
  • (ב) ,0) ,העברת החיים התפעולית של החיים: תיקון מתרחש באופן אוטונומי, מניעת כשלון עייפות.

בעוד שעקב עצמי כבר בשימוש בחלק מהציפוי אוויר ורכב, להתאים אותו לחשיפה ארוכת טווח ל-H2S, לחץ גבוה וזרימה פנימית דורש חדשנות חומרית משמעותית.סוכני הריפוי חייבים להישאר רדום במשך עשרות שנים ולהפעיל רק כאשר הם נדרשים.

שילוב וחלוקת שדה: ממעבדה ועד פייפר

שילוב עצמי עם עצמי-Repairing

החזון האולטימטיבי הוא מערכת צינורות אחת כי הן מתאספות ומרפאות את עצמה.זה דורש חומר רב פונקציונלי בקפידה.לדוגמה, סעיף צינור מודפס יכול להיות מועבר כמו רול קומפקטי באתר, זה unrolls ונוקשות לתוך צורה סופית (המכונה עצמה-המוכרת) בתוך הקיר הם מיקרו-capsules המכילה 2 חלקים; כאשר סדקים, 000 של ספקטרום, 000 של תרופות אלקטרוניות, 000, 000, 000, 000, 000 של ⁇ , 000, 000, 000, 000 ⁇ , 000 של ⁇ , 000 ⁇ , 000 ⁇ , 000 ⁇ , 000 ⁇ , 000 ⁇ , 000 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

חיישן ו- Feedback for Long-Term Monitoring

כדי להפוך את העצמי אמין יותר, כמה עיצובים משלבים חיישני סיבים אופטיים או עקבות התנהגותיים אשר לזהות נזק וגורם התגובה הריפוי.לדוגמה, קיר צינור מודפס יכול לכלול רשת של תנורים עמידים, אשר, כאשר מד זן מזהה סדק, חום מקומי האזור, הפעלת ריפוי בצורת-זיכרון.זה מוסיף מורכבות אך מאפשר תיקון על הביקוש מאשר לחכות לסביבה כדי לשלוח התראות מרכז יכול להיות נשלט באמצעות מערכת ניטור מלא.

אתגרים העומדים בפני 4D Printed Pipelines

שינויים מהותיים בתנאים של אמת-עולם

צינורות הנפט והגז פועלים בתנאים קיצוניים: לחץ גבוה (עד 150 בר לצוללת), טמפרטורות החל מ-40 מעלות צלזיוס בחורף הארקטי ל-120 מעלות צלזיוס באזורי גיאותרמי, וחשיפה לגז סוקור (H2S), CO2, ומימי מלח.רוב צורה של פולימרים הידרוגלים מואצים בסביבות כאלה במשך חודשים, לא חוקרים הם חוקרים החוקרים בודקים את ננומטרה של מזג אוויר, עדיין לא עבר מגובה של 20 מטרים מגנטיים ושפלים מסחריים).

עלויות ו Scalability

הדפסה 4D היא כיום יקר יותר מאשר ייצור קונבנציונלי.העלות של פולימרים חכמים ביצועים גבוהים יכול להיות 10-50 פעמים כי של HDPE סטנדרטי.בנוסף, הדפסה 4D בקנה מידה גדול (למשל, צינור כמה מטרים ארוך) דורש מדפסות מיוחדות עם nozzles multi-חומרי ותאים סביבתיים מבוקרים.התעשייה צריכה לפתח דפוס 4D רציף כדי לגרורה אבל עם חומרים סבירים כגון מחסנים) סבירים יותר מאשר מחסנים (ת) עבור מחסנים קטנים יותר מאשר קיבולת מתחת ל- 30 ס"מדבקות) מאשר ⁇ (המערכת ריאות) או תאים סביבתיים מבוקרת (ה) מאשר קיבולת נמוכה יותר מאשר ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ .

אחריות ונאמנות של עצמי

יצירת עצמי מסתמכת על חיזוי מדויק של האופן שבו החומר יגיב לגירויים.ריאציות בטמפרטורה, לחות או אצווה חומרית עלול לגרום להכפלה או לא שלמה טרנספורמציה.בצנרת קריטית, עיוות עצמי כושל יכול להיות קטסטרופלי. מנגנונים רדונדנטים - גירויים מורכבים, בין-מולקוליים מכניים - נחקרים כדי להבטיח שהטרנספורמציה מתרחשת נכונה גם אם אחד לא נעדר.

תחזית לעתיד: העשור הבא של חדשנות פיפירית

למרות המכשולים האלה, הפוטנציאל של הדפסה 4D שמן וגז הוא עצום.אנחנו יכולים לצפות עקומת אימוץ הדרגתית.ב-3-5 השנים הבאות, פרויקטים של הטייסים צפויים לבחון ציפויים עצמיים על צינורות קיימים בסביבות מתונות (למשל, צינורות מים יבשתיים יכולים להישאר מתאמים) בתוך 5-10 שנים, מקטעי מחשוב עצמי עשויים לשמש לקווי חלוף זמניים במהלך תחזוקה או נפילה עבור צינורות קרקעיים, אך הם עלולים להיות מתואמים את צינורות ברזל מתוחכמות, אך בטווח של 4D.

בנוסף, אותה טכנולוגיה הליבה יכולה להיות מיושם על תשתיות קריטיות אחרות: עלייה בים, קווי זרימה גמישים, ולוחמי אחסון גז.היכולת להתאים ולרפא בזמן אמת יכולה להפחית משמעותית את 10 מיליארד הדולר שתעשיית הנפט והגז מוציאה מדי שנה על תחזוקה צינורות ותיקון (על פי איגוד הנפט והאמפ הבינלאומי; יצרני הגזים).

שיתופי פעולה בין אוניברסיטאות, חברות ייצור תוספים (למשל, סטרטסיות, HP, 3D Systems), ומפתחי נפט (Shell, BP, Equinor) כבר נמצאים בעיצומו.החומר והדגמה; מעבדת הכימיה באוניברסיטת קיימברידג', למשל, מפתחת פולימר "מיש" בעל השראה ביולוגית, הממחיש את העור האנושי ויכולה לתקן עד 10 מ"מ עבה: 2022; LTF.

מסקנה

הדפסה 4D מציעה גישה טרנספורמטיבית לעיצוב צינורות ותפעול בתעשיית הנפט והגז. על ידי מתן עצמי ויכולות של שיפור עצמי, טכנולוגיה זו יכולה להפחית עלויות ההתקנה, להפחית את הסיכון באופן דרמטי לנזק סביבתי.בעוד עמידות חומרית, עלות ודרגתיות נשאר אתגרים משמעותיים, מחקר מתמשך הוא סגר במהירות את הפער בין הפגנות מעבדה ופתרונות שדהיים.