Forskere designer belægninger for at forhindre tilstopning af rørledninger

Da olieriggen Deepwater Horizon led en katastrofal eksplosion og udblæsning den 21. 2010, førte til det værste olieudslip i olieindustriens historie, boringens operatører troede, at de ville være i stand til at blokere lækagen inden for et par uger. Den 9. maj lykkedes det at sænke en 125-tons indeslutningskuppel over det ødelagte brøndhoved. Hvis den foranstaltning havde virket, den ville have ledet den lækkende olie ind i et rør, der førte den til et tankskib ovenover, dermed forhindret den igangværende lækage, der gjorde udslippet så ødelæggende. Hvorfor fungerede indeslutningen ikke som forventet?

Synderen var en iskold blanding af frosset vand og metan, kaldet et methan-klatrat. På grund af de lave temperaturer og høje tryk nær havbunden, den sjussede blanding opbygget inde i kuplen og blokerede udløbsrøret, forhindrer den i at omdirigere strømmen. Hvis det ikke havde været for det metanklatrat, indeslutningen kunne have virket, og fire måneders uformindsket lækage og omfattende økologiske ødelæggelser kunne have været forhindret.

Nu, et hold forskere ved MIT har fundet frem til en løsning, der kan forhindre et så katastrofalt resultat, næste gang sådan en lækage opstår. Det kan også forhindre blokeringer inde i olie- og gasrørledninger, der kan føre til dyre nedlukninger for at rydde et rør, eller værre, til rørledningsbrud på grund af en opbygning af tryk.

Den nye metode til at forhindre den iskolde opbygning er beskrevet i et papir i tidsskriftet ACS anvendte materialer og grænseflader , i et papir af lektor i maskinteknik Kripa Varanasi, postdoc Arindam Das, og nyuddannede Taylor Farnham SB '14 SM '16 og Srinivas Bengaluru Subramanyam PhD '16.

Nøglen til det nye system er at belægge indersiden af ​​røret med et lag af et materiale, der fremmer spredning af et vandspærrelag langs rørets indvendige overflade. Dette barrierelag, holdet fandt, kan effektivt forhindre adhæsion af ispartikler eller vanddråber til væggen og dermed modvirke opbygningen af ​​klatrater, der kan bremse eller blokere strømmen.

I modsætning til tidligere metoder, såsom opvarmning af rørvæggene, trykaflastning, eller ved at bruge kemiske tilsætningsstoffer, som kan være dyrt og potentielt forurenende, den nye metode er fuldstændig passiv – dvs. når det først er på plads, kræver det ingen yderligere tilsætning af energi eller materiale. Den belagte overflade tiltrækker flydende kulbrinter, der allerede er til stede i den strømmende petroleum, skabe et tyndt overfladelag, der naturligt afviser vand. Dette forhindrer isen i nogensinde at sætte sig fast på væggen i første omgang.

Eksisterende forebyggende foranstaltninger, kendt som flowsikringsforanstaltninger, "er dyre eller miljøvenlige, " siger Varanasi, og i øjeblikket løber brugen af ​​disse foranstaltninger op på hundredvis af millioner af dollars hvert år. Uden disse foranstaltninger, hydrater kan opbygges, så de reducerer strømningshastigheden, som kan reducere indtægterne, og hvis de skaber blokeringer, så "kan det føre til katastrofalt svigt, " siger Varanasi. "Det er et stort problem for industrien, for både sikkerhed og pålidelighed."

Problemet kan blive endnu større, siger Das, avisens hovedforfatter, fordi metan hydrerer sig selv, som er rigeligt mange steder, såsom kontinentalsokler, ses som en enorm ny potentiel brændstofkilde, hvis der kan udtænkes metoder til at udtrække dem. "Reserverne i sig selv overskygger væsentligt alle kendte reserver [af olie og naturgas] på land og på dybt vand, " han siger.

Men sådanne aflejringer ville være endnu mere sårbare over for frysning og propdannelse end eksisterende olie- og gasbrønde. Forebyggelse af disse iskolde opbygninger afhænger i høj grad af at stoppe de allerførste partikler af clathrat i at klæbe til røret:"Når de sætter sig, de tiltrækker andre partikler" af clathrat, og opbygningen tager hurtigt fart, siger Farnham. "Vi ville se, hvordan vi kunne minimere den indledende vedhæftning på rørvæggene."

Fremgangsmåden ligner den, der blev brugt i en virksomhed Varanasi etableret for at kommercialisere tidligere arbejde fra sit laboratorium, som skaber belægninger til beholdere, der forhindrer indholdet - alt fra ketchup eller honning til maling og landbrugskemikalier - i at klæbe til beholderens vægge. Dette system involverer to trin:først at skabe en tekstureret belægning på beholderens vægge, og derefter tilføje et smøremiddel, der bliver fanget af teksturen og forhindrer indholdet i at klæbe.

Det nye rørledningssystem ligner det, Varanasi forklarer, men i dette tilfælde "bruger vi væsken, der er i selve miljøet, " i stedet for at påføre et smøremiddel på overfladen. Nøglekarakteristikken ved clathratdannelse er tilstedeværelsen af ​​vand, han siger, så længe vandet kan holdes væk fra rørvæggen, clathratopbygning kan stoppes. Og de flydende kulbrinter, der er til stede i råolie, så længe de klæber til væggen takket være en kemisk affinitet af overfladebelægningen, effektivt kan holde det vand væk.

"Hvis olien [i rørledningen] er lavet til at sprede sig lettere på overfladen, så danner det en barrierefilm mellem vandet og væggen, " siger Varanasi. I laboratorietest, som brugte et proxy-kemikalie til metanen, fordi de faktiske metanklatrater dannes under højtryksforhold, som er svære at reproducere i laboratoriet, systemet fungerede meget effektivt, siger holdet. "Vi så ingen hydrater, der klæber til underlagene, " siger Varanasi.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.