اثرات آلودگی ناشی از مشتقات نفتی در بتن سازه های پالایشگاهی

اثرات آلودگی ناشی از مشتقات نفتی در بتن سازه های پالایشگاهی؛ یکی از دغدغه‌های مهندسان است. سازه‌های بتنی در صنعت نفت، نقش محوری در پشتیبانی از بارگذاری‌های سنگین، انتقال تنش و ایجاد سازه های پایدار دارد. در پالایشگاه‌های نفت، سازه‌های بتنی در معرض محیط‌های خورنده و ترکیبات شیمیایی متعددی قرار دارند که از میان آن‌ها مواد نفتی و مشتقات نفت خام از برجسته‌ترین عوامل خطرزا هستند. این مواد می‌توانند از طریق تماس مستقیم، پاشش، نشت، بخار، و نفوذ در شبکه موئینه  بتن وارد ساختار آن شوند.

دلیل اهمیت این موضوع در پالایشگاه‌ها چندوجهی است:

1. حفظ دوام سازه‌ای و ایمنی در حضور خورندگی شدید.
2. هزینه‌های بالای تعمیر و نگهداری در صورت تخریب بتن.
3. حفظ جلوه‌های زیست‌محیطی و جلوگیری از نشت آلاینده‌ها از سازه‌های بتنی.
4. افزایش عمر بهره‌برداری و کاهش توقفات عملیاتی.

در این مقاله از سایت بتن تک مطالعات انجام شده در خصوص اثرات مواد نفتی بر خواص بتن از منظر مکانیک، دوام و سازوکارهای تخریب بتن بررسی می‌شود.

مروری بر ادبیات و پس‌زمینه علمی

پژوهش‌های متعدد در حوزه مهندسی عمران و مصالح نشان داده‌اند که تماس بتن با محیط‌های شیمیایی شامل اسیدها، بازها، نمک‌ها و ترکیبات آلی، می‌تواند باعث تغییرات قابل‌توجهی در خواص بتن شود. مواد نفتی یکی از گروه‌های مهم محیط‌های خورنده‌اند که به دلیل پیچیدگی ترکیبات و طیف گسترده ضریب حلالیت، رفتار متفاوتی نسبت به سایر خورنده‌ها دارند.

الف- ترکیبات نفتی و ویژگی‌های شیمیایی

مواد نفتی شامل مخلوط پیچیده‌ای از هیدروکربن‌ها، ترکیبات آروماتیک، الیفاتیک، سولفوره، نیتروژن‌دار و فلزات سنگین هستند. این ترکیبات می‌توانند:

• به‌صورت مایع روی سطح بتن تجمع یابند.
• از طریق شبکه موئینه نفوذ کنند.
• در تماس با آب یا رطوبت موجود در بتن واکنش دهند و محصولات ثانویه تشکیل دهند.

ب- تحقیقات پیشین

• مطالعات مقاومت شیمیایی بتن در معرض نفت خام و مشتقات نشان داده‌اند که تماس طولانی‌مدت با نفت خام می‌تواند مقاومت فشاری بتن را تا ۱۰–۳۰٪ کاهش دهد، بسته به نوع و مدت تماس.
• پژوهش‌های میکروساختاری با استفاده از SEM و XRD نشان داده‌اند که محصولات واکنش بتن در حضور هیدروکربن‌ها تغییر می‌کنند و باعث افزایش تخلخل و ضعف ناحیه انتقالی (ITZ) می‌شوند.
• تحلیل نفوذپذیری و جذب نشان داده‌اند که نفت و مشتقاتش می‌توانند باعث افزایش نفوذپذیری موئینه شوند و مسیرهای نفوذ سریع‌تر برای ترکیبات خورنده ایجاد کنند.

مکانیسم‌های اثر مواد نفتی بر بتن

برای درک بهتر تأثیرات، لازم است سازوکارهای فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی تعامل مواد نفتی با بتن را بررسی کنیم.

الف – نفوذ و رسوخ

شبکه ای کانال های موئینه و کاپیلار های آزاد در بتن های معمولی امکان نفوذ سیالات را فراهم می‌کند. مواد نفتی با داشتن قطبیت پایین‌تر نسبت به آب، می‌توانند وارد این شبکه شوند و تحت تأثیر نیروهای مویینگی، به عمق بیشتری نفوذ کنند.

ب- تغییر در ترکیب شیمیایی سطح

برخلاف خورنده‌های یونی (مثل کلرید)، مواد نفتی در برخی مواقع به‌صورت لایه غیرقطبی روی سطح خمیر سیمان می‌نشینند. این لایه می‌تواند:

• مانع تبخیر آب شود و شرایط رطوبتی خاص ایجاد کند.
• باعث حل شدن برخی اجزای سیمان هیدراته شود.
• محصولات ثانویه واکنش پذیر با افزودنی‌ها را تشکیل دهد.

به صورت کاملتر می توان گفت آلودگی نفتی وارد شبکه موئینه بتن می‌شود و باعث ایجاد یک لایه روغنی روی سطوح ذرات سیمان و سنگدانه‌ها می‌گردد. این لایه می‌تواند با کاهش جذب آب اولیه، هیدراتاسیون سیمان را کند کند و در نتیجه تشکیل محصولات هیدراتاسیون مطلوب را تحت تأثیر قرار دهد. همچنین لایه روغن در مساحت بالایی از خمیر سیمان باعث افزایش نسبی تخلخل موئینه و میکروساختار نامتراکم می‌گردد.

تحقیقات نشان داده‌اند که در برخی موارد، تماس نفتی باعث افزایش نسبت حباب هوای entrained در مخلوط‌های تازه شده و ولکانیزه شدن مناطق ویژه‌ای از بتن می‌شود (واژه vulcanized از مهندسی پلیمر و لاستیک می‌آید -شبکه‌ای شدن گوگردی-
در بتن، این واژه به‌صورت استعاری برای شرایطی به‌کار می‌رود که: سطح بتن نرم، تیره، براق یا لاستیک‌مانند می‌شود، بتن دیگر آب جذب نمی‌کند و یا بتن به‌جای رفتار معدنی، رفتار شبه‌پلیمری نشان می‌دهد) که منجر به ناپیوستگی‌های موضعی در ساختار می‌گردد. این اثر غالباً باعث افزایش نفوذپذیری و فراهم آوردن مسیرهای سریع‌تر برای ورود مواد مخرب دیگر (مانند کلریدها) می‌شود.

ج- کاهش چسبندگی خمیر–سنگدانه

نفوذ مایعات نفتی می‌تواند باعث:

• ضعیف شدن ناحیه انتقالی (ITZ) بین خمیر سیمان و سنگدانه‌ها شود.
• باعث افزایش احتمال ترک‌های سطحی و ریزترک‌ها گردد.

لایه روغن می‌تواند به‌عنوان یک مانع فیزیکی میان این دو فاز عمل کند و تشکیل ریزترک‌ها را سرعت بخشیده و در نهایت موجب کاهش مقاومت‌های مکانیکی گردد. این اثر به‌صورت تجربی در بسیاری از مطالعات دیده شده است.

د – اثر حرارت

در پالایشگاه‌ها، تماس با سیالات گرم (مثل نفت داغ) می‌تواند:

• باعث کاهش رطوبت داخلی بتن شود.
• تنش‌های حرارتی ناشی از گرادیان دما ایجاد کند.
• باعث خستگی حرارتی و افزایش احتمال ترک‌خوردگی گردد.

تأثیرات مواد نفتی بر خواص مکانیکی بتن

خواص مکانیکی بتن تحت تأثیر تماس شیمیایی می‌تواند تغییرات قابل‌توجهی داشته باشد که مهم‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از:

الف – مقاومت فشاری

مقاومت فشاری یکی از شاخص‌ترین پارامترهای سازه‌ای است. تحقیقات تجربی نشان می‌دهد:

• تماس طولانی‌مدت با نفت خام می‌تواند باعث کاهش مقاومت فشاری تا ۱۰–۳۰٪ شود.
• بسته به نوع نفت (سبک/سنگین)، شرایط دما و زمان تماس، این کاهش متفاوت است.

وجود مواد نفتی در فاز خمیری بتن می‌تواند با کاهش تماس مستقیم آب با ذرات سیمان باعث کندی واکنش‌های هیدراتاسیون شود. برخی مطالعات پیرامون «حباب‌زدایی و بهبود PH محیط» نشان داده‌اند که درصد مشخصی از نفت می‌تواند واکنش‌های هیدراتاسیون را تا حدی مهار کند، به‌ویژه در مراحل اولیه. این موضوع به‌ویژه در حضور نفت‌های سنگین با ویسکوزیته بالا (که به‌طور مؤثرتر از هیدراتاسیون جلوگیری می‌کند) پررنگ‌تر است.

ب-  مقاومت خمشی و کششی

این مقاومت‌ها به‌دلیل ضعف در پیوند خمیر–سنگدانه و افزایش تخلخل، نسبت به مقاومت فشاری حساس‌تر هستند:

• کاهش مقاومت خمشی می‌تواند باعث افزایش حساسیت به ترک‌های سطحی شود.
• مقاومت کششی ممکن است به‌طور قابل‌توجهی کاهش یابد که خطر شکست ناگهانی را افزایش می‌دهد.

ج -مدول الاستیسیته

مدول الاستیسیته (E) نشان‌دهنده سختی و رفتار الاستیک بتن است:

• تماس با مواد نفتی می‌تواند باعث کاهش E شود.
• کاهش مدول به معنای افزایش تغییر شکل تحت بار است، که مخصوصاً در سازه‌های صنعتی خطرزا است.

تأثیرات مواد نفتی بر دوام و پایداری بتن

فراتر از خواص مکانیکی، دوام سازه‌ای بتن در پالایشگاه‌ها از منظر مواد نفتی بسیار حیاتی است:

الف – افزایش نفوذپذیری

همان طور که در بالا اشاره شد، رسوخ مواد نفتی به داخل کانال موئینه بتن‌ باعث افزایش نفوذپذیری می‌شود که به نوبه خود مسیر حضور یون‌هایی (مثل کلرید و سولفات) را در بتن تسهیل می‌کند.

ب- پوسته‌شدگی، تورق و تخریب سطحی

مواد نفتی می‌توانند باعث:

• تغییر در نسبت آب/سیمان موضعی در بتن تازه شوند
• تشکیل محصولات ثانویه محلول در جسم بتن سخت گردد

که نتیجه آن از دست رفتن سختی سطح بتن است که باعث شن نما شدن سطوح، پوسته‌شدگی و خردشدگی لایه‌های سطحی در شرایط بهره برداری می‌شود.

ج- واکنش با ترکیبات سیمان هیدراته

برخی ترکیبات نفتی ممکن است باعث حل شدن هیدروکسید کلسیم (CH) شده و باعث ناپایدار شدن ماتریس هیدراته سیمان گردند.

نتایج مطالعات شبیه سازی شده بر روی بتن

در برخی از پزوهش هایی که در این مقاله بررسی شده است برای بررسی اثرات، نمونه‌های بتنی در معرض نفت خام، مشتقات نفت (گازوئیل، بنزین، قیر) و شرایط شبیه‌سازی پالایشگاهی قرار می‌گیرند. که نتایج رایج به دست آمده به شرح زیر دسته بندی شده است.

الف – افزایش تخلخل و کاهش چگالی بتن

نمونه‌هایی که در تماس مستقیم با مواد نفتی بوده‌اند:

• تخلخل بیشتری نسبت به نمونه شاهد نشان داده‌اند.
• چگالی وزنی آن‌ها کاهش یافته است.

ب- کاهش مقاومت با افزایش زمان تماس

نتایج تجربی نشان می‌دهد که:

• هرچه زمان تماس افزایش یابد، میزان تخریب بیشتر می‌شود.
• کاهش مقاومت تقریباً با پیوستگی خطی یا نمایی با زمان افزایش می‌یابد.

ج- تغییرات در میکروساختار SEM

تصاویر میکروسکوپی نشان‌دهنده تخریب فیزیکی–شیمیایی بتن است،  که شامل:

• ناپیوستگی بیشتر ITZ
• وجود خلل و فرج عمیق‌تر
• تجمع مواد نفتی در فضاهای خالی

یافته های چند تحقیق و پژوهش مهم

۱- مطالعه اثر نفت خام بر کارایی و مقاومت بتن Obayes 2024

در این پژوهش، درصدهای مختلف نفت خام به‌عنوان ریز دانه  در مخلوط بتن افزوده شد تا اثر آن بر کارایی (slump) و مقاومت فشاری سنجیده شود. نتایج نشان دادند که با افزایش درصد نفت تا حدود ۶٪، کارایی بتن کاهش یافت و افت در مقاومت فشاری در سنین اولیه (۷ روزه) رخ داد. با این حال در برخی درصدهای میانی (۶–۱۵٪) مقاومت فشاری بتن بهبود یافت، که احتمالاً ناشی از واکنش‌های جزئی بین نفت و اجزای سیمان بود. به‌طور کلی، حضور نفت در بتن باعث کاهش پیوستگی و اختلال در هیدراتاسیون شده بود، ولی اثر آن به درصد آلودگی بستگی داشت.

تحلیل: این داده‌ها نشان می‌دهند که اثر مواد نفتی بر بتن خطی یا ساده نیست، بلکه می‌تواند تابعی پیچیده از درصد نفت، خصوصیات سنگدانه و شرایط آزمایش باشد.

۲- اثر هیدروکربن‌ها بر مقاومت بلندمدت بتن Wilson et al. (2001)  

مطالعه کلاسیکی که نشان می‌دهد هیدروکربن‌های نفتی می‌توانند تا حدود ۲۵٪ رشد مقاومت بتن را در طول زمان کاهش دهند، به خصوص اگر بتن در طول خشک‌سازی در حضور ترکیبات هیدروکربنی سنتز شود. این مطالعه همچنین نشان می‌دهد که تأثیر هیدروکربن‌ها بر بتن تازه (حین هیدراتاسیون) بیشتر است تا بتن سخت‌شده، چون وقتی بتن به مقاومت طراحی برسد، اثر مستقیم هیدروکربن‌ها کمتر است.

تحلیل: نتایج این تحقیق اهمیت دارد، زیرا تأکید می‌کند که تماس در مراحل اولیه هیدراتاسیون می‌تواند اثرات زیادی بر دوام بلندمدت بتن بگذارد.

۳-  کاهش مقاومت فشاری – Bilal et al. / Effect of Crude Oil Impacted Sand

مطالعه‌ای که روی تأثیر سنگدانه آلوده به نفت سبک بر مقاومت فشاری بتن انجام شده نشان می دهد:

هنگامی که شن به میزان بیش از ۵٪ آلودگی نفتی داشت، کاهش بیش از ۵۰٪ در مقاومت فشاری مشاهده شد، که نشان‌دهنده وابستگی قوی بین درصد آلودگی و تضعیف شدید خواص مکانیکی است.

۴-  مطالعات دیگر

تحلیل:  این امر نشان می‌دهد که در سازه‌های صنعتی و پالایشگاهی، به‌ویژه در گروه‌های مواد سنگدانه‌ای آلوده، احتمال ضعف ساختاری شدید وجود دارد و طراحی اقلیمی نیازمند توجه زیاد به این عامل است.

اثر نفت بر بتن مسلح

• تا حدود ۶٪ آلودگی نفتی در ماسه می‌تواند بیشتر خواص مکانیکی را حفظ کند و حتی در برخی موارد، اتصال بین آرماتور و بتن کاهش نیابد.
• آلودگی‌های نفتی باعث افزایش تخلخل سطحی و کاهش پیوستگی با آرماتور در سطوح بالاتر از آن می‌شوند.  

تحلیل: این یافته‌ها نشان می‌دهند که اثرات آلودگی غالباً وابسته به درصد آلودگی، نوع نفت، و نحوه تماس (آلودگی در فاز خمیر یا سنگدانه) هستند.

تأثیر آلودگی نفتی در مطالعات سازه‌ای و ژئوتکنیکی

تخقیقاتی که روی تداخل آلودگی نفتی داخل خاک‌های ماسه‌ای انجام شده‌اند نشان می‌دهند که آلودگی نفتی باعث کاهش مقاومت برشی و تغییر نفوذپذیری می‌شود، که در مواردی می‌تواند به ناپایداری‌های موضعی در اطراف سازه‌های بتنی منجر شود.

تحلیل: اگرچه این مطالعات مستقیم روی بتن نیستند، اما با توجه به برهم‌کنش‌های خاک–بتن در سازه‌های زیرساختی ارتباط نزدیکی با دوام بتن تحت آلودگی‌های نفتی دارند.

راهکارهای پژوهشی برای بهبود دوام بتن در پالایشگاه

برای مواجهه با این چالش، راهکارهای متعددی پیشنهاد و آزموده شده‌اند:

الف – اصلاح طرح اختلاط بتن تازه برای کاهش نفوذ پذیری با کم کردن درصد کاپلارهای آزاد در بتن

• کاهش نسبت آب به سیمان
• استفاده از مواد پوزولانی (میکروسیلیس، خاکستر بادی)
• استفاده از فوق‌روان‌کننده‌های پیشرفته

ب- استفاده از افزودنی‌های مقاوم شیمیایی برای جلوگیری از خوردگی بتن در بتن تازه

• الیاف پلیمری یا فولادی
• مواد هیدروفوبیک
• رزین‌های ویژه

ج- پوشش‌های محافظتی سطح بتن سخت شده

استفاده از پوشش‌های اپوکسی، سیلان، سیلوکسان و پوشش‌های نانو می‌توانند:

• مانع تماس مستقیم مواد نفتی با بتن شوند.
• مسیرهای نفوذ را مسدود کنند.
• عمر مفید سازه را افزایش دهند.

د- توجه به عمل‌آوری مناسب بتن تازه

با توجه به اینکه ساخت پالایشگاه ها معمولا در اقلیم هایی با شرایط آب و هوایی سخت برای بتن انجام می گردد. عمل‌آوری دقیق با حفظ رطوبت مناسب در مراحل اولیه باعث بهبود توازن هیدراتاسیون سیمان و کاهش تخلخل می‌شود.

نمونه‌های کاربردی و مطالعات موردی

در برخی پالایشگاه‌های بزرگ، طرح‌های ویژه‌ای برای مدیریت تماس بتن با مواد نفتی اتخاذ شده است:

الف- محافظت از سطوح بتنی کف‌های عملیاتی واحد ها و سایت‌ها

در کف‌های بتنی که در معرض پاشش یا تماس با نفت و مشتقات آن قرار دارند معمولاً از بتن‌های با عملکرد بالا (HPC) یا UHPC و پوشش‌های مقاوم استفاده می‌شود که باعث می‌شود نفوذ و تماس مستقیم محدود گردد.

ب- سازه‌های نگهدارنده و سیستم انتقال سیال به مخازن

در سازه‌هایی که در معرض تماس گسترده با نفت هستند لایه های جداساز فلزی یا ورق های پلیمری و یا پوشش های شاتکریت بتنی ارتقا یافته و زه کشی مناسب با شبکه ای از منهول ها و مخازن پسماند به‌کار می‌رود تا عمر سرویس افزایش یابد.

پیشنهادات ارائه شده در این پژوهش ها برای تحقیقات آینده

پژوهش‌های آتی می‌توانند:

1. اثر نوع و ترکیب نفتی خاص (سبک، سنگین، محصولات پالایشی) را بررسی کنند.
2. استفاده از نانومواد برای بهبود مقاومت شیمیایی بتن را آزمون کنند.
3. مدل‌سازی نفوذ و انتقال جرم مواد نفتی در بتن را توسعه دهند.
4. تأثیر ترکیبی از خورنده‌ها (نفتی+کلریدی) را تحلیل کنند.
5. تاثیر برنامه های تعمیراتی کوتاه مدت و بلند مدت در حفاظت از سازه های بتنی در معرض پاشش سیالات نفتی

راه‌حل مهندسی برای معضل آلودگی ناشی از مشتقات نفتی در بتن

بر اساس شواهد علمی موجود، آلودگی نفتی می‌تواند تأثیرات منفی قابل توجهی بر خواص مکانیکی و دوام بتن داشته باشد، به‌ویژه هنگامی که در مراحل اولیه که هیدراتاسیون در بتن تازه رخ دهد یا درصد آلودگی محیطی سطوح بتنی سخت شده بیش از 3 درصد باشد. این اثرات شامل کاهش رشد مقاومت، افزایش تخلخل و ضعف در ناحیه انتقالی می‌گردد. از دیدگاه مهندسی، استفاده از مصالح اصلاح‌شده، طراحی مناسب و حفاظت سطحی از بتن می‌تواند اثرات منفی را تا حد قابل‌توجهی کاهش دهد.

نویسندگان:

وحیدرضا مهتدی، علیرضا مهتدی، سینا رشیدی پور