Ngày nay, nhựa nhiệt rắn gia cường sợi thủy tinh (FRP) được sử dụng trong nhiều ứng dụng sản phẩm công nghiệp, bao gồm chứa đựng và chuyên chở vật liệu ăn mòn hoặc xử lý những vật liệu khác trong những môi trường ăn mòn. Nó được đánh giá là một vật liệu hiện đại cho sản phẩm ngày nay với nhiều ứng dụng mới xuất hiện mà có thể tận dụng để chống ăn mòn, tỷ lệ độ bền - trọng lượng, chi phí bảo trì và định phí sản phẩm thấp. Bài viết này thảo luận về lịch sử của ống composite FRP, ứng dụng hiện tại của ống FRP và những phát minh công nghệ mới trong tương lai cho những ứng dụng mới về đồ chứa xăng dầu và việc xử lý những trang thiết bị.
Đừng nhầm lẫn ống composite với ống nhựa nhiệt thông thường như PVC và Polyethylene. Những hệ thống nhựa nhiệt thường sử dụng ống ép đùn không được gia cường và những phụ kiện đúc và mặt bích. Độ bền gì được sinh ra từ những vật liệu hoàn toàn rời trong khi những vật liệu ống FRP được sản xuất bằng những phương pháp quấn sử dụng các epoxy resin được gia cường với những sợi thủy tinh liên tục. Những loại nhựa resin được dùng là nhựa nhiệt rắn, chúng trải qua những phản ứng hóa học không thuận nghịch trong khi phơi nên tính năng chịu nhiệt cao. Việc gia cường sợi làm các thành phần của ống tốt hơn nhiều so với nhựa nhiệt thông thường không được gia cường. Kết quả là nâng cao hiệu suất và trọng lượng nhẹ hơn.
Hơn nữa, đừng nhầm lẫn phương pháp đắp tay với máy làm những sản phẩm composite FRP. Hàng ngàn nhà sản xuất hand lay-up, bao gồm luôn cả những cơ sở nhỏ chuyên về những hàng tiêu dùng như: bàn trang điểm, phòng tắm hay du thuyền. Tuy nhiên, có khá ít nhà sản xuất máy làm ống. Đây là những nhà sản xuất lớn trì hoãn việc hàng loạt hoặ ống xăng dầu đặt mua, những ứng dụng thương mại, công nghiệp và đô thị cho cả thị trường trong và ngoài nước. Máy làm FRP có thể có sự chất tải thủy tinh cao hơn, tức là sản phẩm có sợi thủy tinh hay nhựa resin không thấm có tính tái sản xuất cao hơn trong môi trường được kiểm soát chất lượng. Vì vậy, trang báo này bị giới hạn về những tiến bộ được thực hiện trong máy làm ống và những phụ kiện có ứng dụng trong ngành công nghiệp xăng dầu.
1. Thời kỳ đầu
Trong những ngày đầu, việc sản xuất dầu ban đầu được bơm trực tiếp vào thùng gỗ để vận chuyển. Những đường ống đầu tiên được làm từ gỗ và sau đó được thay thế bằng thép. Tuy nhiên, những ống thép nhanh chóng bị ăn mòn bởi sự kết hợp giữa nước muối và dầu thô lưu huỳnh chua. Công nghệ FRP được phát triển trong thế chiến thứ II, đó cũng là lúc ống đầu tiên được làm từ vật liệu composite FRP bằng việc áp dụng một miếng vải sợi thủy tinh kết hợp với keo trên một trục và được đắp bằng tay. Phương pháp “đắp tay” phù hợp cho một số ứng dụng trong ngành công nghiệp hóa học, nhưng không có sự kết hợp giữa độ bền và nhu cầu chi phí tốt để thay thế thép trong ngành công nghiệp xăng dầu.
Máy sản xuất ống
Vào những năm 1950, máy đúc ly tâm là máy đầu tiên cho ra đời phương pháp sản xuất ống phù hợp cho những ứng dụng hóa học và thương mại và đường ống thu gom dầu. Kế tiếp là tiến trình quấn sợi được phát triển để sản xuất ống với những sợi thủy tinh chịu lực định hướng chịu được sự kết hợp giữa đường vành đai và lực hướng tâm. Việc cuộn sợi với một cấu trúc lưỡng góc cần những lớp sợi thủy tinh gần hướng tâm và kết quả là tăng cao sức ép (đến 2000 psi) xuống lỗ ống tạo ra những giếng. Vào những năm 1960, một quy trình sản xuất hiệu quả số lượng lớn ống liên tục được phát triển tạo ra ống có đường kính nhỏ chịu được áp lực lớn (450 psi). Số lượng lớn sử dụng loại ống này bắt đầu năm 1964 và chủ yếu được cài đặt trong những đường thu gom dầu thô.
Tiêu chuẩn phát triển
Vào năm 1959, những tiêu chuẩn quốc gia và những phương pháp kiểm tra đầu tiên cho ống composite FRP được thành lập bởi Hội Kiểm Tra Vật Liệu Mỹ (ASTM). Thông số kỹ thuật đầu tiên là ASTM D1694, thông số kỹ thuật tiêu chuẩn cho ống nhựa nhiệt từ những sợi chỉ thủy tinh được gia cố và được phát triển bởi một nhóm gồm những đại diện của các nhà sản xuất ống sợi thủy tinh, những công ty dầu và những ngành công nghiệp khác.
Vào năm 1968, Viện Dầu Khí Mỹ(“API”) thiết lập ra tiêu chuẩn ống FRP đầu tiên của họ. Tiêu chuẩn API đầu tiên này là API 15LR, Thông số kỹ thuật cho ống nhựa nhiệt từ sợi thủy tinh được gia cố . Ngày nay, ASTM và API công bố nhiều tiêu chuẩn, thông số kỹ thuật và phương pháp thử nghiệm cho ống composite FRP.
2. Ngày nay
Việc sử dụng máy sản xuất ống composite đã và đang phát triển từ vật liệu chính nguyên thủy của nó dùng trong lĩnh vực hệ thống ống dầu hỏa cho đến những ứng dụng được sắp xếp từ việc xử lý những chất lỏng dễ cháy và dễ bắt lửa tại các cơ sở bán lẻ của người tiêu dùng cho tới hệ thống thoát nước và dẫn nước đô thị và công nghiệp.
Một vài ví dụ về ứng dụng gần đây của ống FRP:
- Trong công nghiệp xăng dầu, những ứng dụng chịu áp lực cao tới 4000 psi
- Loại ống 4 inch trong dịch vụ lĩnh vực ngành dầu, loại ống 2 tới 16 inch cho những dự án lọc nước trong điều kiện lạnh như ở Alaska và nóng như tại vịnh Ba Tư, và 1 đường ống 12 inch dẫn nước muối và dầu thô được vận hàng tại 290 psi tại nhiệt độ tới 120oF.
Việc xử lý chất lỏng dễ cháy và bắt lửa bao gồm hệ thống xăng dầu ngầm, hỗn hợp xăng dầu - cồn và cồn tại hầu hết những nơi bán lẻ quốc gia và những cơ sở thương mại nạp nhiên liệu cho xe.
Trong khi hệ thống cống rãnh và ống thoát nước tiếp tục được sử dụng bằng bê tông, thì ở nhiều nơi ống FRP được thích hơn. Ví dụ, ống bê tông xuống cấp một cách nhanh chóng khi tiếp xúc với nước thải vì sự tấn công của hydrogen sulphide. Hydrogen sulphide ăn mòn bề mặt trên của ống và cuối cùng sẽ gây ra một lỗ trũng. FRP không phản ứng với hydrogen sulphide hay việc tẩy rửa với xút hoặc hypochloride để khử mùi sulphide. Kết quả là ống FRP đã và đang được sử dụng như 1 lớp phủ trong ống bê tông có đường kính lớn (48 đến 60 inch).
3. Tương lai
Kỹ thuật bây giờ có thể dùng những chương trình phần mềm máy tính để phát triển nâng cao việc thiết kế hệ thống đường ống composite FRP. Chương trình này bao gồm việc phân tích dòng chảy của chất lỏng, phân tích lưu lượng khí, phân tích khoảng trống, thiết kế tấm chặn, thành phần hóa học và thông tin cài đặt. Chương trình này giúp bạn vượt qua những phép tính và phân tích phức tạp và phân tích khi thiết kế một hệ thống ống FRP mới hay khắc phục sự cố cho một hệ thống ống hiện có.
Ngành công nghiệp sản xuất xăng dầu và khí đang đòi hỏi đường ống chịu được áp lực cao hơn và đường kính lớn hơn để điều khiển những vấn đề về ăn mòn trong sản xuất đường ống chất lỏng. Thêm vào đó là việc xử lý những vấn đề về việc ăn mòn, ống composite FRP có thể được thiết kế với một phụ gia chống cháy để làm giảm sự lây lan của lửa tới những khu vực quan trọng hay không quan trọng, được bao phủ bởi một lớp sơn phồng hay được cách nhiệt bằng vật liệu trương phồng,...sơn và lớp phủ mở rộng tạo thành váng bọt cách nhiệt chống cháy. Hệ thống này sau đó sẽ duy trì việc bảo trì đường ống cho tối thiểu ba tiếng dưới những điều kiện của dòng chảy. Đường ống cứu hỏa composite đang giải quyết những vấn đề về trọng lượng khi thiết kế giàn khai thác dầu hỏa xa bờ. Tiết kiệm trọng lượng trong việc thiết kế một giàn khai thác dầu hỏa có thể tiết kiệm được từ 2 đến 4 usd cho một pound trị giá xây dựng bằng việc giảm trọng lượng cấu trúc hỗ trợ (ví dụ tiết kiệm tới 750 tấn). Hệ thống ống ít rãnh là một công nghệ phát triển nhanh, nơi mà có những đường hầm cực nhỏ để đường ống mới và (sliplining) cho việc phục hồi đường ống hiện tại mà không làm ảnh hưởng đến lòng đường hay các công trình trên mặt đất khác.
Đường hầm nhỏ: trong khi máy khoan hầm được sử dụng trong nhiều dự án đường hầm lớn, vi đường hầm là một ứng dụng mới cho ống ít rãnh. Trong vi đường hầm, ống composite được kéo lên bằng thủy lực và đẩy đầu máy cắt qua nền móng. Nó tiêu hao hàng trăm tấn áp suất kéo để đẩy đường ống có khoảng cách đường kính lớn hàng trăm feet. Ví dụ, ống composite có đường kính 18 inch có thể bị gây sức ép tại áp suất lên 90 tấn và ống FRP có đường kính 9 feet tại áp suất 1750 tấn.
Ống composite và hệ thống mối nối đang cải thiện để giá cả hợp lý hơn đối thủ bê tông của chúng vì bề mặt bên ngoài láng hơn và trọng lượng nhẹ hơn. Những đặc tính này làm giảm đáng kể áp lực yêu cầu và cho phép lắp đặt ống chạy dài hơn bê tông, giảm được chi phí và thời gian lắp đặt.
Phủ trược: phủ trược là một phương pháp ít rãnh cho việc phục hồi một đường ống hiện có với việc giảm tối thiểu việc đào xới. Hệ thống cống rãnh phục hồi mới và những đường ống tưới tiêu thì không còn giới hạn đối với phương pháp phủ trược FRP có đường kính khá nhỏ. Công nghệ ống đúc ly tâm FRP đã được nâng cao và tạo ra một máy làm ống với dung sai đường kính bên ngoài gần tới đường kính 96 inch. Trọng lượng nhẹ và bề mặt láng cho phép đặt ống bên trong một ống bên ngoài, do đó phục hồi sự rò rĩ ống bê tông 102 inch, 9feet đường kính. Sự phục hồi của hệ thống này làm giảm thiểu áp suất đường ống đòi hỏi cho việc đẩy ống composite qua ống bê tông đã có sẵn và được thực hiện ngay cả khi lưu lượng nước thải liên tục.
Xử lý hóa học thường liên quan đến đường ống tiếp xúc hóa chất như acetone, methylene chloride, hydrochloric acid, ethylene dichloride, phenol, toluene, xylene, ethyl acetate và methyl acetate. Những vật liệu đặc biệt như titanium thường được dùng để chống lại những loại hóa chất này, nhưng thường thì đắt. Tuy nhiên, lựa chọn nhựa resin như furan dựa trên những vật liệu kháng dung môi hiệu quả và chi phí tốt.
Áp dụng tiếp thị phân phối xăng dầu
Thiết bị tiếp thị xăng dầu truyền thống dùng ống thép giá thấp và đòi hỏi chịu cháy được trong 2000oF trong 2 giờ cho việc xử lý những vật liệu chống cháy và chống lửa. trong khi những cơ sở bán lẽ đã và đang thích nghi với những tiến bộ về vật liệu mới, những bồn chứa ngầm và đường ống FRP và những đầu nối linh hoạt, những nhà thiết kế và nhà thầu phân phối đầu vào và ra đã áp dụng chậm công nghệ không thép. Sau đây là một số lĩnh vực mà các nhà thiết kế phân phối đầu vào đầu ra nên xem xét các ứng dụng đường ống FRP:
Đường ống ngầm: Underwwriters Laboratory đã niêm yết đường ống FRP UL971 cho dịch vụ dễ cháy và dễ bắt lửa trong đường kính 2,3,4 và 6 inches. Ấn bản năm 1996 của NFPA 30 tài liệu tham khảo UL 971 và cho phép sử dụng những đường kính này trong việc phân phối thiết bị đầu vào và ra. Trong khi những nhà thiết kế thiết bị đầu vào ra thích đặt những ống thép bên trên mặt đất để dễ dàng trong việc kiểm tra, ví dụ như kiểm tra trực quan hơn là kiểm tra áp lực định kỳ, Uniform Fire Code sửa chữa điều lệ của họ vào 1995 và hiện tại thì yêu cầu lắp đặt đường ống ngầm. Ống thép ngầm đòi hỏi hệ thống bảo vệ cực âm và yêu cầu kiểm tra định kỳ nó. Do đó, chi phí hiệu quả thay thế cho đường ống ngầm bằng thép và bảo vệ cực âm chính là ống composite FRP phù hợp với đường kính UL.
Hệ thống cống rãnh và tưới tiêu: những dự án liên quan đến phòng chống ô nhiễm bao gồm vật chứa, tái chế, giảm phế thải và xử lý nước thải. Ống bê tông không phù hợp cho việc xử lý xăng dầu có liên quan đến nước thải vì tỉ lệ rò rỉ cao trong phương pháp lắp đặt ống hiện có, và ống thép sẽ bị ăn mòn dưới lòng đất. ống composite với đường kính lớn đã có thể đạt tới chin feet đường kính và được thiết kế với những mối hàn không bị rò rỉ. như đã mô tả phần trên. Phương pháp đường ống ít rãnh mới hay phục hồi phủ trược có giá cả hiệu quả và giảm thiểu trở ngại trong các hoạt động.
Hóa chất ăn mòn: ngày nay việc trộn phụ gia vào nhiên liệu moto trở nên phổ biến hơn tại terminal. Nhiều phụ gia làm ăn mòn những thép cacbon. Với hệ thống trộn thêm phụ gia được đặt tại các rãnh xe tải, đường ống ngầm thì phổ biến và thích hợp với ống composite FRP.
Phòng cháy: Lớp gỉ từ sự ăn mòn bên trong ống thép trong hệ thống phòng cháy đặc trưng là vòi và đầu cắm. Để chống lại ảnh hưởng của sự ăn mòn và lớp gỉ bên trong , hệ thống kim loại đòi hỏi phải được bảo trì liên tục. Hệ thống vật liệu chống cháy FRP đang được phát triển và được chứng minh về giá cả hợp lý trong việc ứng dụng phòng cháy.
