Khi nút hydrat xảy ra trong hệ thống ống dẫn ngoài khơi, các điều kiện áp suất nhiệt độ được chỉ ra trên Hình 3.16. Về bên trái của đường ba pha (Lw-H-V hay I-Lw-V) hydrat hoặc nước đá có thể tạo thành, trong khi ở phía bên phải chỉ có dung dịch có thể tồn tại. Vì nhiệt độ đáy biển thấp nhất (390F) cao hơn nhiều so với điểm hóa đá tại 320F, sự tạo thành nước đá (có thể gây tắc dòng chảy) không phải là vấn đề phải quan tâm trong quá trình vận hành bình thường. Khi hydrat hình thành, dòng chảy bị đóng do đó nhiệt độ của nút nhanh chóng giảm tới nhiệt độ đáy biển tại 390F tại áp suất ống dẫn. Hình 3.16 chỉ ra những điều kiện áp suất-nhiệt độ của ống dẫn tắc hydrat tại điểm A và trong vùng hai pha (H-V), tại đó nước lỏng được chuyển hóa thành hydrat.
Sự giảm áp đi đồng hành với sự giảm nhiệt độ tại mặt phân cách hydrat. Nếu ống dẫn được giảm áp một cách nhanh chóng không kèm theo sự truyền nhiệt, sự làm lạnh (đường AB) tại điểm hydrat có thể làm vấn đề xấu hơn. Nếu áp suất giảm cực chậm, sự giảm áp đẳng nhiệt (đường AC) xảy ra. Thông thường, tốc độ giảm áp đột ngột dẫn tới nhiệt độ mặt phân cách hydrat giảm mạnh nhỏ hơn 390F, gây ra dòng nhiệt vào từ biển làm chảy hydrat tại thành ống.
Hình 3.16. Sự phân hủy nút theo đẳng enthapy và đẳng nhiệt [23]
Với sự giảm áp nhanh và mạnh, nhiệt độ cân bằng hydrat sẽ giảm mạnh dưới 320F, ví dụ tới -1100F cho metan hydrat được giảm áp tới áp suất khí quyển. Trong trường hợp này nước từ hydrat phân hủy sẽ nhanh chóng chuyển thành nước đá dưới đường cân bằng rắn-lỏng (I-Lw-H trên Hình 3.16).
Sự giảm áp trong ống dẫn làm giảm nhiệt độ tạo hydrat dưới nhiêt độ đáy biển (390F tại độ sâu lớn hơn 3000 ft). Nhiệt xuyên vào trong ống, gây ra sự phân hủy trước tiên, tại thành ống như trên Hình 3.17. Sự phân hủy hydat vuông trục kiểm soát được việc loại bỏ nút, vì đường kính ống (nhỏ hơn 2 ft) cơ bản là nhỏ hơn chiều dài của nút hydrat (thông thường 50 ft) trong ống.
Khái niệm phân hủy vuông trục chỉ ra một sự tương phản với khái niệm phân hủy dọc trục trước đó của hydrat không xốp, tại đó sự giảm áp từ hai đầu mút hướng về giữa [24,25]. Như được chỉ ra trên Hình 3.18 khi nhiệt độ của hydrat nhỏ hơn nhiệt độ của đáy biển, nhiệt hướng vuông góc vào hệ, gây ra sự phân hủy dọc toàn bộ chiều dài. Đương nhiên, một vài sự phân hủy nút xảy ra ở hai đầu mút, nhưng theo những kích thước nhỏ hơn, sự phân hủy theo tia hướng vuông góc (xảy ra đồng thời dọc chiều dài nút) kiểm soát được sự loại bỏ điểm tắc nghẽn.
Nhiệt độ Áp s u ấ t KHU VỰC KHÔNG HYDRAT NƯỚC ĐÁ
Hình 3.17. Sự phân hủy hướng tâm nút hydrat [2]
Hình 3.18. Sự phân hủy hydrat với sự có mặt của nước [2]
A) Mặt cắt ngang ống B) Ống theo trục Nước Nước Nhiệt Nhiệt Nhiệt Nhiệt Nhiệt Nhiệt Nhiệt Nhiệt Nước Nước Nước A) Mặt cắt ngang ống B) Nhiệt độ ống Nước Nước Tường ống Tường ống Biên độ dịch chuyển
Hình 3.19. Sự phân hủy hydrat với sự có mặt của nước đá và nước [2] Hình 3.18 chỉ ra phần mặt cắt ngang của ống dẫn có nút hydrat đã được giảm áp để cung cấp nhiệt độ cân bằng chỉ trên 320F. Áp suất tương ứng với 450 psia cho khí metan nguyên chất, nhưng thấp hơn nhiều cho một khí tự nhiên. Hình 3.18 A chỉ ra lõi hydrat bên trong được đóng kín bởi một lớp nước, được tạo ra bởi quá trình tan chảy hydrat. Lớp nước nằm ngay kề bên thành ống. Hình 3.18 B chỉ ra mặt cắt nhiệt độ từ nhiệt độ đáy biển 390F tại tường ống, tới nhiệt độ phân hủy hydrattại đó nó giữ đồng nhất xuyên suốt lớp hydrat. Do đó, sự biến mất xuyên tâm của ranh giới hai pha nước + hydrat (X1) quyết định sự biến mất của rắn sau cùng và hạn chế sự cản trở dòng chảy. Bởi vì sự phân hủy nút hydrat xảy ra trước tiên tại tường ống, nút bị phân hủy một phần sẽ di chuyển xuống dưới đường ống khi tuyến ống được khởi động lại, chỉ tạo ra nút tại đoạn cong của ống, đoạn trũng hay những đoạn nghẽn khác.
Trên hình ảnh tổng quan về sự giảm áp phân hủy hydrat ở trên, người ta cho rằng ống dẫn tiếp xúc với dòng xoáy, nước biển sâu do đó nhiệt độ tường ống giữ ở mức ổn định tại 390F. Nếu đường ống được cô lập, sự phân hủy hydrat trở nên khó khăn hơn bởi sự cô lập ngăn cản nhiệt thất thoát từ ống trong điều kiện vận hành bình thường sẽ ngăn cản dòng nhiệt vào trong ống dùng cho sự phân hủy hydrat. Ngoài ra, nếu một ống được vùi dưới đáy biển, nhiệt độ tường ống sẽ lớn hơn 390F,
Nước Nước Nước đá Nước đá A) Mặt cắt ngang ống B) Nhiệt độ ống Biên độ dịch chuyển Tường ống Tường ống
nhưng mức trung bình chỉ ở 10F trên 100 ft vùi sâu. Mặt cắt ngang trong Hình 3.19 A chỉ ra sự phân hủy nút hydrat khi áp suất quá thấp. Lõi hydrat bên trong được bao quanh bởi một lớp nước đá, nó được bọc kín bởi một lớp nước cạnh tường ống. Hình 3.19 B chỉ ra mặt cắt nhiệt độ từ 390F ở tường ống tới 320F ở bề mặt giao nước-nước đá, tới nhiệt độ thấp hơn nhiệt phân hủy hydrat (thiết lập bởi áp suất đường ống) tại bề mặt giao nước đá-hydrat, tại đó nó giữ đồng nhất xuyên qua lớp hydrat. Kết quả là, có hai đường ranh giới hai pha: một đường biên phân hủy chậm nước-nước đá (X1), và một đường biên phân hủy nhanh nước đá-hydrat (X2). Chúng ta đặc biệt quan tâm tới tống độ phát triển của X1, xác định sự biến mất của rắn sau cùng (nước đá), khi pha rắn thiết lập sự cản trở dòng trong ống dẫn.
Sự phân hủy hydrat tới một áp suất thấp nhất định hầu hết gây ra vấn đề tạo thành nước đá có thể khó loại bỏ hơn cả hydrat ban đầu. Sự loại bỏ hydrat được hoàn thiện bởi cả sự giảm áp và dòng nhiệt vào từ môi trường, trong khi sự loại bỏ nút nước đá phải phụ thuộc duy nhất vào dòng nhiệt vào. Kết quả là, nút nước đá có thể phân hủy chậm hơn nút hydrat.