0-92214

نشریه مهندسی دریــا سال دوازدهم/ شماره42/ پاییز و زمستان 5931)25-15(

تحلیل المان محدود خط لوله فراساحلی دارای پوشش بتن مسلح تحت اثر نیروی کشش جانبی با در نظر گرفتن پارامترهای غیرخطی بستر دریا

محمد مهدی ضیایی فر، مجید قدسی حسن آباد2*
1 دانشجوی کارشناسی ارشد رشته عمران، گرایش سازه های دریایی، دانشگاه آزاد واحد علوم و تحقیقات تهران؛ mohamadziaeifar@yahoo.com
2 استادیار، دانشکده علوم و فنون دریایی، دانشگاه آزاد واحد علوم و تحقیقات تهران؛ m.ghodsi@srbiau.ac.ir
اطلاعات مقاله

چكيده

چكيده

پیامد آسیب خط لوله های فراساحلی توقف تولید، خسارات سنگین و خطرات زیست محیطیمی باشد. سالانه چند مورد از آسیب این خطوط بواسطه فعالیتهای ماهیگیری و برخورد لنگر کشتی ها در خلیج فارس گزارش میشود .در این مقاله پاسخ لوله در برابر کشش ناشی از قلاب شدن لنگر و تور ماهیگیری بررسی شده است. مدلسازی مطابق شرایط واقعی خلیج فارس بوده و شامل یک خط لوله گاز است که بر روی بستر دریا قرار دارد. برای مدلسازی خاک و پوشش بتن مسلح لوله، پارامترهای غیرخطی آنها لحاظ گردید. نیرو استاتیکی بوده و بصورت جانبی وارد میگردد. این تحقیق با روش المان محدود انجام شده و به منظور صحت سنجی، با یک تست آزمایشگاهی مقایسه گردید. هدف از این مطالعه تعیین مقاومت خط لوله در برابر بار جانبی میباشد. نتایج نشان داد لوله 2 اینچ در برابر حداقل نیروهای جانبی توسط لنگر مقاومت سازه ای کمی داشته و آسیب جدی خواهد دید. تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 93/33/5932 تاریخ پذیرش مقاله: 30/33/5931

کلمات کلیدی:
خط لوله فراساحلی خاک بستر دریا اندرکنش خاک و لوله لنگر
تور ماهیگیری

Finite Element Analysis for Offshore Pipeline with Reinforced Concrete under Effect by Lateral Traction Considering the Seabed Non-Linear Parameters

Mohammad Mehdi Ziaeifar1, Madjid Ghodsi hassanabad2*

Msc Student, Department of Marine Science and Technology; Science and Research branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran; mohamadziaeifar@yahoo.com
Assistant Professor, Department of Marine Science and Technology; Science and Research branch, Islamic Azad University,
Tehran, Iran; m.ghodsi@srbiau.ac.ir

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ABSTRACT

Article History:
Received: 21 Dec. 2015
Accepted: 27 Nov. 2016
Stopping the production, heavy loss and environmental hazards are the outcomes of damaging the offshore pipelines. Several cases of damaging because of fishing activities and clash anchors are reported in the Persian Gulf annually. In this paper, response of pipeline against the traction of hooking the anchor and trawling the gear is

Keywords:
Offshore Pipeline Seabed
Soil_ Pipe Interaction anchor Trawl gear studied. In other words, the strength of a pipeline against a lateral load will be evaluated. The actual situation of a gas pipeline lying on the seabed of the Persian Gulf is modeled regarding soil, reinforced concrete and non-linear parameters. The load is considered statically which occurred laterally. This research is performed by the finite element method and will be compared to an experimental test for validation.
The results show that a 4-inch pipe has low strength against the lateral loads.

25
به مکانی دیگر است. پارامترهای مختلف بسیاری اقتصادی، تکنیکی، محیطی وغیره– نصب یا عدم نصب یک خط لوله را مشخص می کند. امروزه با استفاده از تکنولوژی های روز روش های گوناگونی جهت طراحی و نصب خطوط لوله دریایی با توجه به عمق آب دریا و منطقه عملیاتی آن ابداع شده است. چندین روش طراحی برای محاسبه پایداری خط لوله های دریایی وجود دارد.
روشهای طراحی از نظر پیچیدگی متغیرند، این محاسبات بین
نیروهای تعادل ساده تا شبیه سازی دینامیکی می باشد. پاسخ دوبعدی لوله های فلزی نسبت به نیروی جانبی اولین بار بصورت آزمایشگاهی بررسی شد و نتایج آن با تحلیل انجام شده مورد مقایسه قرار گرفت ]5[. اگیل مولستد و پال برگن توسعه یک مدل محاسباتی را برای شبیه سازی عددی خط لوله های دریایی را که تحت ضربه یا حرکت ناگهانی قرار گرفته را بررسی کرده، نیروهای اینرسی، هیدرودینامیک، نیروهای دراگ و همچنین اثرات اصطکاک و لیفت را درنظر گرفته اند. آنها از روش غیرخطی که در بر گیرنده جابجایی های بزرگ و رفتار الاستیک-پلاستیک مواد می باشد استفاده و در آن فرمول سازی عددی مسئله و حل معادلات دینامیکی غیر خطی آن بحث شده و پاسخ دینامیکی را برای لوله های قرار گرفته روی بستر دریا و همچنین برای لوله ای که بر روی آب غوطه ورند محاسبه گردیده است ]4[.در تحقیقات بعدی نقاط خاصی از لوله تحت بارگذاری متمرکز قرار گرفتند و پس از بررسی پاسخ ها مشخص شده که پاسخ لوله ارتباط زیادی به سخت شوندگی کرنشی و نسبت قطر به ضخامت )D/t( دارد ]9و2[. در مطالعه ای دیگر روش المان محدود گذرا برای بدست آوردن پاسخ خط لوله در نظر گرفته شد و اثر نیروهای هیدرودینامیکی وارد شده بر خط لوله بر اثر موجهای سطحی یا موج های درونی، اندرکنش بین لوله و خاک شبیه سازی شده و پاسخ های به دست آمده با تحقیقات پیشین مقایسه گردید. همچنین قابلیت های بالقوه روش المان محدود برای حالت کمانش بر روی بسترهای ناهموار ارائه شده است ]1[. رفتار دینامیکی غیر
خطی لوله هایی که دارای Catenary
24
می باشند نیز با استفاده از تکنیک حوزه فرکانس با تاکید بر شبیه سازی اجزای دریایی که دارای خواص فیزیکی و مکانیکی ثابت و تحت تنش های بالا قرار دارند، انجام شده است. سیستم غیرخطی به صورت افزایش اثر انحراف بر اجزای دینامیکی اثر می کند و روش به کار گرفته شده می تواند نتایج را به صورت جداگانه و پی در پی ارائه کند ]6[. کمانشی که در شرایط ثابت در لوله های دارای تغییر ضخامت )در پوسیدگی( تحت اثر فشار هیدرواستاتیک خارجی رخ می دهد نیز با روش آنالیز المان محدود غیر خطی بررسی گردید. مطالعه پارامتری نشان داد، با تغییر عمق و زاویه تغییر ضخامت، میزان آسیب نیز تغییر می کند و روش المان محدود با استفاده از حل کلاسیک معادله تیموشنکو این نتایج را به دست می دهد ]0[. جیانگوگ ژو و میشل هوفت با استفاده از روش المان محدود کمانش در اثر فشار در خط لوله دریایی را در حالت پایدار و با ضخامت های متفاوت را بررسی نموده و به این نتیجه رسیدند زمانیکه خوردگی مساوی یا کمتر از 53 درصد قطر لوله باشد کمانش بطور کلی صورت می گیرد و در غیر اینصورت کمانش محلی اتفاق می افتد ]8[. با استفاده از روش المان محدود می توان میزان اعوجاج ایجاد شده در اثر نیروهای مختلف در لوله ها با سایز های مختلف را محاسبه نمود. با مقایسه انجام گرفته بین تئوری های نظری موجود و آزمون های تجربی انجام شده توسط محققان و نتایج به دست آمده از تحلیل می توان نتیجه گرفت که روش المان محدود تخمین دقیقی از میزان آسیب به خط لوله را به دست می دهد ]3و53[. اثر ضربه وارد بر خط لوله زمانیکه بر روی بستر انعطاف پذیر قرار گرفته نیز پس از مقایسه با نتایج آزمایشگاهی نشان داد که فشار داخلی لوله باعث افزایش فشار ضربه وارده به لوله می گردد همچنین با کاهش طول منطقه ای که تحت اثر نیرو قرار گرفته،آسیب دیدگی موضعی تر می شود ]55[. بررسی رفتار خط لوله در برابر ضربات جانبی با استفاده از مدلسازی سه بعدی مسئله به روش اجزا محدود بیانگر این موضوع است که نوع بستر خاکی نیز اثر قابل توجهی در پاسخ لوله خواهد داشت و می توان نتیجه گرفت که میزان قر شدگی لوله زمانیکه بر روی بستر صلب قرار گرفته بیشتر از زمانی است که لوله بر روی بستر با خاک انعطاف پذیر قرار دارد ]54[. بستر انعطاف پذیر سبب توزیع بیشتر نیرو بر روی خط لوله می گردد و این موضوع زمانیکه فشار داخلی کم باشد، بارزتر است ]55[. وایت و چیوک مدلسازی خاک بستر دریا را زمانیکه خط لوله دچار حرکت جانبی می شود، را انجام دادند. این مقاله چهارچوبی برای زمانیکه خاک به میزان کافی تجمع گشته و دچار سختی شود، تا هنگامیکه مقاومت سخت شوندگی خاک جلوی لوله در برابر حرکت خط لوله غلبه می کند را ارائه می کند ]59[.
با توجه به تحقیقات انجام شده، خطوط گاز مایع موجوود در خلویجفارس که عموموا 94 ایونچ بووده و یوک خوط لولوه 2 ایونچ حواویمونواتیلن گلیکول نیز بر روی آن نصب موی گوردد ، بعلوت نداشوتنمحافظ در طول مسیر تا ساحل، همواره در معرض آسویب ناشوی ازبرخورد لنگر و تورهای ماهیگیری قرار دارند و سالانه چندین موورداز آسیب خط لوله 2 اینچ گزارش می شود که این موضوع علاوه بورخسارات مالی، می تواند خطرات زیست محیطی را نیز در پی داشته باشد. در تحقیق حاضر ابتدا خط لوله 2 اینچ برای حالتی کوه لنگورقایق ماهیگیری به آن گیر کرده است، تحت اثر بارجانبی قور ار مویگیرد و مقاومت و پاسخ آن بررسی می گردد. پوس از آن خوط لولوه94 اینچ تحت اثر نیروی تور ماهیگیری ارزیابی می گوردد . توانوایی لوله ها در جذب انرژی بار وارده و تبدیل آن به تغییر شوکل هوای خمیری یکوی از مووارد موورد توجوه در بسویاری از کواربرد هوای مهندسی می باشد. علاوه بر این، پاسخ خطوط لوله نفت و گاز تحت بارهای جانبی، که بوسیله ابزارهای کششی نظیر تخته ماهیگیری یا لنگر کشتی ایجاد می شود دارای اهمیت فراوانی اسوت، زیورا موی تواند موجب آسویب هوای ناگهوانی و جودی شوود . خطووط لولوه همچنین می توانند در معرض بارهای جانبی بر اثر سقوط تجهیزات سنگین حفاری قرار گیرد. به علاوه، بار های جانبی ضربه ای، روی اعضای لوله ای سکوهای دریایی، می توانود تهدیودی بورای رفتوار ایمن سازه ای سکو باشد]52[. در تحقیق حاضر بورای اولوین خوطلوله 94 اینچ به همراه پوشش بتن مسلح، خط لوله 2 اینچ و بسوترانعطاف پذیر برای اولین بار به همزمان مورد بررسی قرار گرفته انود و برای این منظور از نرم افزار آباکوس ویرایش 6159 ]43[ اسوتفادهشده است.

– معادلات اساسی حاكم
2-1- نيروی تور ماهيگيری
خطر عمده ناشی از فعالیت های مواهیگیری بور خطووط لولوه، اثورمتقابل با تورهای تحتانی است کوه شوامل ضوربه، کشوش بویش ازان دازه ت ور م اهیگیری و ق لاب ش دن اس ت. باره ای طراح ی را می تووان مطوابق بواDNV-RP-F111 ]58[ تعیوین کورد. لووازمتحتانی تور ماهیگیری مجهز به تخته صیدها است که در آن کیسوهتور ماهیگیری توسط تخته های جداگانه تور، بواز نگوه داشوته مویشود. گروه دوم، تورهای کیسه ای شاهین دار است که یک میله کج به همراه کفشک های تور ماهیگیری در نقاط انتهوایی بوه کوار مویرود. جرم کل تور کیسوه ای شواهین دار، حوداکتر تواkg 1133 است. ساختار یک تور کیسه ای شاهین دار در شوکل 5 نشوان دادهش ده اس ت. تخ ت ص یدهای ت ور م اهیگیری ب ا ح داکتر ج رم kg 1333 به کار می رود، اما یوک تختوه توور مواهیگیری از نووعPolyvalent متووداول، دارای حووداکتر جوورم فووولادی معووادل بووا kg 2333 است )تخته صیدهای گوناگونی طراحی و ساخته شودهاست ولی نوع Polyvalent / مستطیلی و V شکل آنها متوداول توراست( ]58[.

شكل1- ساختار تور كيسه ای
29

برخی از کشتی های ماهیگیری دو تور را در ساختاری جفتی به کار می برند که تا اندازه ای مشابه تورهوای کیسوه ای شواهین دار مویباشد )شکل4(، اما تورها نزدیک هم قورار دارنود و توسوط دو تختوهخارجی تورماهیگیری و یک وزنه سنگین مرکزی کوه بلووک بتوونیاستوانه ای یا کروی است و در بستر دریا می غلتد، بواز نگوه داشوتهمی شود. با توجه به اینکه جرم وزنه سنگین تر است اما شکل گوردآن باعث می شود ضربه کمتر و به شکل بحرانی انتقال یابد.

شكل2- تور ماهيگيری در ساختار جفتی ]11[

2-2- تغيير شكل مقطع لوله توسط تور كيسه ای
ملاحظات طراحی در مورد تغییر شکل مقطع عرضی لولوه عبارتنود از: برخورد تور ماهیگیری، قلاب شدن تور ماهیگیری و کشش بیش از حد. راهنموایDNV-RP-F111 ]58[، بورای محاسوبه نیورویکشش افقی و قائم وارد شده به خط لوله با سایز های بین 53 ایونچتا 23 اینچ روابط زیر را ارائه می دهد، البته این روابط در صوورتیکهلوله روی دهانه های آزاد قرار داشته باشد، متفاوت خواهند بود:

برای تخته های ماهیگیری )5( 5.0 (P = Cf V (Mt Kw

برای تورهای شاهین دار )4( 5.0 [Fp = Cf V [(Mt Ma ) Kw
Cf برای تخته های ماهیگیری به صورت زیر تعیین می شود:
برای تخته های ماهیگیری Polyvalent و مستطیلی:

F = 8.0 (1-e -0.8 H) )9(

تخته های ماهیگیریV شکل:

F = 5.8 (1-e -1/1 H) )2(

که در آن

H )ارتفاع بی بعد( برابر است با:

Hsp

????̅ =

????)1(

)6(

که در آنها OD قطر خارجی لوله بعولاوه پوشوش، Hsp ارتفواعدهانه، B نصف ارتفاع تخته توور مواهیگیری؛ Fp نیوروی کشوشب یش از ان دازه ،V س رعت ت ور م اهیگیری ، Mt ج رم ت ور ماهیگیری، M a که شامل جرم های اضافه شده است، kWسفتی طناب، LW طول طناب )معمولا 411 تا 911 برابر عمق آب(، C f ثابت تجربوی . ثابوت C f بورای تورهوای کیسوه ای شواهین دار دردامنه 9 تا 1 قرار دارد و به شرایط هندسی تور مواهیگیری بسوتگیدارد و اینکه آیا یک میله حلقه ای در جلوی کفشک تور ماهیگیری نصب شده است یا خیر. در تخته صیدهای تور ماهیگیری، این ثابت به مقدار زیادی وابسته به ارتفاع خط لوله نسبت به بستر دریا دارد ،ارتفاع دهانه Hsp برای خطوط لوله ای که تا حدی در خاک نفوذ کوووووو رده باشوووووو ند منفوووووو ی در نظوووووو ر گرفتوووووو ه موی شوود. در م ورد نیروه ای عموودی وارده ب ر تختوه ص یدهایPolyvalent و مسوووتطیلی، راهنموووایDNV-RP-F111 ]58[، عبارات زیر را پیشنهاد می دهد:
برای تخته های ماهیگیری Polyvalent:

Fz = Fp (0.2 +0.8 e 2.5H) )0(
برای تخته های ماهیگیری V شکل )8( Z = 0.5 Fp

پوشش معمولی ضد خوردگی یا عایق کواری، هویچ محافظوت قابولتوجهی را در مقابل نیروی وارده از طرف لنگر یا توو ر مواهیگیری ازخود نشان نمی دهند اما اگر تحلیل ضربه مورد نظر باشد می تووانپوشش بتونی را برای جذب انورژی ضوربه ای بوه انودازهkj 2/1 در نظر گرفت ]58[.

22
2-3- كشش خط لوله تحت اثر نيروی لنگر و تور ماهيگيری قلاب شدن وضعیتی است که در آن ابزار تور ماهیگیری در زیر خط لوله گیر می کند و لوله را در معرض نیرویوی بوه بزرگوی اسوتحکامشکست در راسوتای پویچش توور مواهیگیری قورار موی دهود. ایونوضعیت معمولا در حالت بار تصادفی در نظر گرفتوه موی شوود کوهاشاره دارد تمامی ضرایب بار و مقاومت، با مقدار واحد تنظویم شودهاست. قلاب کردن در دهانه های آزاد خط لوله، خطر محسووب مویشود و دستورالعمل DNV-RP-F111 دوحالت را مد نظر قرار داده است: نفوذ جزیی )ممکن است در تمام ارتفاع های دهانه آزاد اتفاق افتد(، حالت گوه ای )ممکن است در دهانه های آزاد بالاتر از عموقبحرانی Hcr اتفاق افتد(. عمق بحرانی بسوتگی بوه نووع ابوزار توورم اهیگیری دارد. راهنم ای 1DNV-RP-F11 مق دار زی ر را ب رای قسمت های اصلی تور ماهیگیری ارائه می دهد:
Hcr = 0.35 × HB )3(

که در آن HB ارتفاع قسمت اصلی تور ماهیگیری می باشد. معیوارپذیرش قلاب کردن در ارتباط با مقاومت لولوه نسوبت بوه کموانشموض عی در زم انی اس ت ک ه خ ط لول ه از بس تر دری ا ت ا ارتف اع ماکزیممی برابر با 1H بالا آورده می شود و در نتیجه آن، قسومتاصلی تور ماهیگیری بریده و رها می شود. در این حالوت موی تووانپاسخ را با اسوتفاده از تحلیلوی اسوتاتیکی محاسوبه کورد کوه درآنحداکتر ارتفاع بالا رفتن به عنوان تغییر شوکل معوین شوده، اعموالمی شود. ارتفاع بالا رفتن 1H بستگی به حالت قلاب شودن دارد وراهنمای DNV-RP-F111 مقادیر زیر را برای آن ارائه می دهد:

نفوذ جزئی
H1 = 0.35 × HB -0.3×D)53(

حالت گوه ای
H1 = 0.5 × HB )55(

اما در اکتر موارد این نیروهای کششی بیش از اندازه بووده و ارتفواعمجاز دهانه را محدود خواهد کرد. بنابراین مسأله مورد بررسوی اعوماز اینکه ابزار موضعی تور ماهیگیری موجود به انودازه ای باشود کوه سبب قلاب شدن شود کوه در آن صوورت مجواز اسوت کوه تحلیولکشش بیش از اندازه مورد بررسی قرار گیرد.

انحراف از گرد اولیه ]

)54(

در این رابطه ???? قطر متوسط لوله، ???????????????? و ???????????????? به ترتیب قطر حداکتر و قطر حداقل لولۀ بیضی شده می باشند.

مدلسازی مسئله به روش اجزاء محدود
3-1- مدلسازی لوله
برای انجام این تحلیل دو نوع لوله 94اینچ و لوله 2 اینچ مدلسازی گردیدند. برای شبیه سازی لوله94 اینچ از روش مدلسازی حجمی سه بعدی (3D) و برای لوله 2 اینچ از روش مدلسازی پوسته ای (Shell) از نوع انعطاف پذیر انتخاب شده است. مشخصات، ابعاد و اندازه لوله ها مطابق با لوله های انتقال گاز استفاده شده در خلیج فارس می باشد. برای مصالح لوله رفتاری الاستیک – پلاستیک منطبق با مدل ون مایسز در نظر گرفته شد. برای شبیه سازی پاسخ لوله، رفتار غیر خطی ساختار لوله لحاظ شده است. لوله94 اینچ بوسیله المان حجمی (C3D8R) و لوله 2 اینچ با استفاده از المان پوسته ای چهار گرهی (S4R) با نقاط انتگرال گیری کاهش یافته مدل سازی شده اند. ابعاد و مشخصات مکانیکی مربوط به لوله 94 اینچ استفاده شده که از استاندارد API 5L استخراج شده و جنس آن 65-X می باشد در جداول 5 و 4 آورده شده است .

جدول1 – مشخصات فيزیكی لوله 32 اینچ
مقدار مشخصه
APL 5L جنس لوله
3/8548 قطر خارجی ]m[
3/3436 ضخامت دیواره ]m[
543 طول ]m[
مكانيكی لوله 65-X جدول2- مشخصات
مشخصه مقدار
359664-11690



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید