0-82091

نشریه مهندسی دریــا سال یازدهم/ شماره22/ پاییز و زمستان 1394(25-38)

محافظت از خطوط لوله فراساحلی با اضافه نمودن یک تیغهي طولی نفوذ ناپذیر به زیر لوله

علیرضا محمدي ، حبیب حکیمزاده2*

1کارشناس ارشد سازههاي دریایی ،دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی سهند؛ [email protected]
2 استاد، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی سهند؛ [email protected]

اطلاعات مقاله

چکیده

چکیده

تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 06/12/1393 تاریخ پذیرش مقاله: 02/12/1394

استفاده از نرم افزار Flow 3D انجام پذیرفت که در آن شرایط مرزي یکسانی با مدلهاي فیزیکی بکار برده شد .در هر دو بررسی تجربی و عددي ابتدا نمونه ي شاهد که همان لوله بدون حفاظ است مورد آزمایش قرار گرفته است. سپس تیغه اي در عرضهاي نسبی متفاوت 05/0، 10/0 ، 15/0 ، 20/0 ، 25/0 و 50/0 به لوله اضافه شده و عملکرد آن در مقابل آبشستگی مورد آزمایش و تحلیل قرار گرفته است. نتایج حاصله از مدل فیزیکی و شبیه سازي عددي همخوانی مناسبی با یکدیگر داشتند و نشان دهنده کاهش چشمگیر آبشستگی در زیر لوله بعد از یک عرض نسبی مشخص تیغه مورد استفاده بوده است. خطوط لوله فراساحلی آبشستگی تیغه طولی مدل فیزیکی مدل عددي
1036312336892

در این مقاله به منظور کاهش آبشستگی در اطراف خطوط لوله فراساحلی، تعدادي آزمایش تجربی جهت بررسی تاثیر اضافه شدن یک تیغهي طولی نفوذ ناپذیر به زیر لوله انجام شده است هدف از انجام این تحقیق، کاهش دادن گرادیان هیدرولیکی زیر لوله بوده است تا حدي که مقدار آن از گرادیان هیدرولیکی بحرانی فاصله گرفته و از اینرو وقوع آبشستگی را به تاخیر انداخته یا به کلی از آن جلوگیري کند .مدل هاي فیزیکی این مطالعه شامل سه لوله با قطر هاي متفاوت می باشند. هر کدام از لوله ها با شش عرض نسبی مختلف تیغه آزمایش شده اند .همچنین تعدادي شبیه سازي عددي با
49621441471878

کلمات کلیدي:

Protection of Offshore Pipelines with Adding a Longitudinal Blade beneath the Pipe

Alireza Mohammadi1, Habib Hakimzadeh2*

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ARTICLE INFO

ABSTRACT

A number of experiments have been carried out in the current paper to investigate the effect of adding a longitudinal impermeable blade beneath the offshore pipelines on decreasing the scour around them. The main aim of this study was to reduce the hydraulics gradient beneath the pipe so that its magnitude recedes from the critical hydraulics gradient and therefore delays the onset of scour phenomenon or stops its process at all. Three pipes of different diameters were selected for the physical models of this study. Each pipe was tested using six blades with different relative widths. Also, a series of numerical simulations have been done using Flow3D software in which the similar boundary conditions as used for the physical models were applied. In both experimental and numerical investigations the reference sample that was an unprotected pipeline was first tested. Then blades with different relative widths (e.g, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20, 0.25, 0.50) were added to the beneath of the pipeline and their performances were tested and analyzed against scour. The experimental and numerical results were in good agreement and they indicate a remarkable reduction in scour depth when a blade with the distinctive relative width was sticked to the pipeline.

Article History:
Received: 25 Feb. 2015
Accepted: 21 Feb. 2016

Keywords:
Offshore Pipelines
Scour
Longitudinal blade
Experimental model
Numerical model

علیرضا

1- مقدمه
نیاز روز افزون بشر به منابع انـرژي از جملـه سـوختهـاي فسـیلیسبب گسترش روز افزون صنایع فراساحلی گردیده است. از طرفـیبراي انتقال فراوردههاي سکوهاي فراسـاحل ی بـه خشـکی نیـاز بـهمکانیزمی ایمن و اقتصادي کاملاً محسوس میباشد. در مقایسـه بـاروشهاي دیگر نظیر استفاده از تانکرهـا و نفـتکشهـا، اسـتفاده ازخطوط لوله مزایاي فراوانی دارد که از جمله آنها می توان به مـواردزیر اشاره نمود: الف- تاثیر اندك آلودگی زیست محیطی آنها، ب- امکان استفاده در مناطق بسته اي که عبور نفتکشها با مشـکلاتی همراه است، پ- امنیت بالاتر آنها به دلیل قرار گیري در بستر دریا، ت- عدم قطع شدن عملیات پالایش به دلیل ورود حجم مشخصـیاز سیال به طور ثابت، ث- صرفهي اقتصادي این خطوط نسـبت بـهدیگر روشها.
با توجه به مواردي که در بالا اشاره گردید، امـروزه خطـوط لولـهي فراساحلی به صورت گستردهاي براي انتقال منابع هیدروکربنی، آب و فاضلاب مورد استفاده قرار میگیرند. وجود منابع نفتی در خلـیجفارس و دریاي خزر باعث پیشرفت روز افزون علوم ساخت و طراحی تأسیسات دریایی در کشور ما شده است. بهعلاوه مسائل مربوط بـهانتقال آب شیرین به جزایـر خلـیج فـارس و کشـورهاي حاشـیهي جنوبی آن نیز از اهمیت ویژهاي برخوردارند.
بررس یهــاي دقی ق انجــام شــده روي خط وط لولــه ي در حــال بهره برداري نشان میدهد که آبشستگی ایجاد شـده در زیـر آنهـاتحت اثر جریان (جریان تنها یا حرکت رفت و برگشتی ناشی ازموج یا اثر همزمان این دو) پدیدار میشود. آبشسـتگی در زیـر خطـوطلوله باعث ایجاد حفرهاي نسبتا بزرگ مـی گـردد و در نتیجـهي آن، لوله از بستر جدا شده و طول آزاد لولـه افـزایش مـییابـد. در ایـنحالت نیروهاي هیدرودینامیکی که پیش از آن تاثیر چنـدانی رويلوله نداشتند به طور قابل توجهی لوله را تحت تاثیر قرار میدهند و گردابـه ه اي ایجـاد ش ده باعـث نوس ان لولـه و در نهای ت س بب گسیختگی لوله تحت اثر خستگی میگردد.
با استناد به تحقیقات چیو در سال 1991 آبشستگی ناشی از جریان یک سویه، بحرانیتر از آبشستگی ناشی از جریان رفـت و برگشـتیاست[1]. در مناطق فراساحلی نیز عملاً موج بستر زیر لوله را حـسنمیکند و از سوي دیگر رودخانههاي طویلی کـه در کشـور وجـوددارند در بسیاري از موارد با شبکههاي وسیع انتقال نفت خام، گـا ز طبیعی و آب و فاضلاب همراه شدهاند. این مـوارد همگـی اهمیـتمطالعهي آبشستگی یک سویه را بازگو میکنند.
تخریب لولهها علاوه بر خسارات اقتصادي تاثیرات زیست محیطـیسنگینی را بر طبیعت تحمیل میکنـد و از ایـن رو محافظـت ایـنخطوط در برابر فرسایش از اهمیت ویـژه اي برخـوردار اسـت. بـرايمحافظت این خطوط در برابر فرسایش روشهایی ارائه شـده اسـتکه عبارتند از: الف- ایجاد ترانشه، ب- مهار بندي خطوط لولـه ، پ- پوشش این خطـوط بـه صـورت مصـنوعی یـا بـه واسـطه افـزایشپتانسیل دفن خود به خود.
از بین روشهاي مذکور ،ایجاد ترانشه و مهاربندي ایـن خطـوط بـهبستر، کاري مشکل و هزینهبر میباشد در حالی که انجام عملیـاتیروي لوله که آبشستگی را به تاخیر انداخته و یا پتانسیل دفن خـودبه خود لوله را افزایش دهـد ، بطـور معمـول آسـانتر و اقتصـادي تـرخواهد بود.
در سال 1973 کجلدسن و همکارانش براي اولـین بـار بـه صـورت آزمایشـگاهی آبشسـتگی زیـر خطـوط لولـه را مـورد بررسـی قـرار دادند[2]. در سال 1986، ابـراهیم و نـالري مـدل کجلدسـن را بـا دخالت دادن عمق جریان تصحیح کردند که حاصل تحقیقات آنها
توسعهي دو معادله بـراي شـرایط آب زلال و بسـتر فعـال بـود[ 3].
مونکادا و آگوییره در سال 1999 ایـن آزمـایش را گسـترش داده و علاوه بر عمق حفرهي آبشستگی طول آن را نیز مورد بررسـی قـرار دادند[4]. در سال 2005 یک بررسی جامع از مـدل سـازي عـدديجریان و آبشستگی در اطراف خطوط لوله ناشـی از جریـان توسـطلیانگ و چنگ انجام گرفته است. این پژوهشگران براي شبیه سازي آشفتگی جریان در مدل هیدرودینامیک از مدلسازي هاي متوسط زمانی و مکانی استفاده نمودند و براي محاسبه بـار رسـوب هـر دوصورت انتقال بار بستر و معلق را در شبیهسازي لحاظ نمودنـد [ 5 و 6]. در سال 2008 نیز دي و سینگ با در نظر گرفتن عدد فرود بـه عنوان یکی از عوامل موثر، تحقیقاتی در حالت آب زلال انجام دادند [7]. در سال 2009، لیانـگ چنـگ و همکـارانش مطالعـاتی بـراي محاسبه پروفیل آبشستگی انجام دادند. این تحقیقـات در دو مـورد توسعهي یک مدل فیزیکی بـراي توضـیح آبشسـتگی سـه بعـدي و ارائهي مدلی براي پیش بینی روند آبشستگی انجام شد[8]. در سال 2011 محققی به نام یازا به بررسی عمق آبشستگی در زیر خطـوطلوله دریایی تحت اثر موج پرداخـت[ 9]. در سـال 2012، یانـگ و همکارانش روشی به کار بردند که توانست سـرعت آبشسـتگی را در حد چشمگیري کاهش دهد. آنها با اضافه نمـودن یـک ورق شـکل پذیر در زیر لوله مقدار گرادیان هیدرولیکی در بالا دسـت و پـایین دست لوله را کاهش داده و موفق به مهار نسـبی آبشسـتگی شـدند[10]. در سال 2013 هنگ جون با شبیهسازي عددي بـه بررسـیجریان و آبشستگی ناشی از جریان در اطراف لولهاي با تیغه اضـافهشده بر روي آن پرداخت [11]. چنگ و همکارانش در سال 2014 تحقیقات خود را با اعمال اثر همزمان موج و جریان تکمیل نمودند.
آنها دریافتند که روند آبشستگی موج تنها با افزایش عدد کولگـان -کارپنتر (KC) و پارامتر شـیلدز افـزایش و بـا افـزایش عمـق دفـ ن شدگی کاهش مییابد[12].
در تحقیق حاضر سعی بر این بوده است که بطور تجربی و عـددي،با الصاق یک تیغهي طولی نفوذناپذیر در زیـر خـط لولـه، گرادیـانهیدرولیکی و نیز نیروي تراوش کاهش یافته و بـه تبـع آن توانـایی حفرهزایی نیز کاهش یابد و بدین ترتیب شروع پدیده آبشستگی بـهتاخیر افتاده و یا انجام نشود.

2- مدل آزمایشگاهی
به طور عموم هـدف از انجـام مطالعـات آزمایشـگاهی در ایـن نـوعتحقیقات، بررسی دقیق فیزیک پدیـده و ابعـاد پروفیـل آبشسـتگیمیباشد. در ایـن مطالعـه بـر روي سـه لولـه بـا قطر هـاي متفـاوتآزمایشات آبشستگی در یک فلوم آزمایشگاهی تحقیقات هیدرولیک انجام گرفته است. شکل 1 شماي کلی چیدمان را نشان میدهد.

شکل 1- طرح شماتیک مساله مورد بررسی در این پژوهش

2- 1- کانال آزمایشگاهی
براي انجام آزمایشات این پژوهش، از یک کانال آزمایشگاهی به طول 12متر، عرض02/1متر، عمق 8/0 متر و شیب بسترصفر درجه استفاده شده است. دیواره و کف کانال آزمایشگاهی از شیشه سکوریت با ضخامت 1 سانتیمتر ساخته شده به گونهاي که آب داخل آن قابل رؤیت بوده است. شکل 2 تصویري از کانال آزمایشگاهی مورد نظر را نشان میدهد. یک دستگاه پمپ، آب را از مخازن موجود در پایین دست کانال گرفته و آن را به قسمت بالادست و ورودي کانال میرساند. همچنین جهت ملایمسازي جریان آب از تلاطمگیر توري به همراه بلوكهاي بتونی که در قسمت ورودي کانال قرار داده شده، استفاده گردیده است.

شکل 2- کانال آزمایشگاهی استفاده شده در این پژوهش

همچنین براي ملایم کردن جریان آب با الهام گرفتن از کانال آزمایشگاهی ژنگ و همکاران[10] در بالادست و پاییندست بخش اصلی آزمایش جهت جلوگیري از تغییرات ناگهانی عمق جریان از سکوهاي شیشهاي سکوریت به طول 2 متر و عرض 02/1 متر و ضخامت 1سانتیمتر استفاده شده است.

2- 2- مشخصات رسوبات
مصالح بستر شامل ماسه غیرچسبندهاي است کـه انـدازه میـانگین ذرات 78/0 میلیمتر و چگالی نسبی دانهها 65/2 میباشد. براساس نظر بروسرز و رودکیوي در صورتی که اندازه میانگین ذرات بزرگتـر از 7/0 میلیمتر باشد در بستر ناهمواري و موجک ایجاد نمیشـود .
همچنین براي ممانعت از قفل و بست دانهها بـه یکـدیگر، انحـرافمعیار هندسی آنها نزدیک به مقدار یک و برابـر 3/1 انتخـاب شـدهاست .نمودار دانهبندي مصالح بسـتر در شـکل 3 نشـان داده شـدهاست.

شکل 3- نمودار دانهبندي مصالح بستر

محفظه حاوي رسوب (محل آزمایش) در فاصله 4 متري از بالادست کانال قرار داشته و به طول 8/1 متر و عمـق 15 سـانتی متـر بـودهاست .دانستن شرایط هیدرولیکی در زمانی که ذرات رسوب شـروعبه حرکت مـی کننـد ، در بررسـی آبشسـتگی آب زلال بسـیار حـائزاهمیت است. مقادیر پارامترهاي آسـتانه حرکـت مصـالح بسـتر بـر اساس دیدگاه تنش برشی بحرانی و با اسـتفاده از دیـاگرام شـیلدز مورد ارزیابی قرار گرفت. بر این اساس پارامتر شـیلدز بحرانـی کـهنماینده بیبعدي از تنش برشی است برابر با مقـدار 03/0 محاسـبهشد.

2- 3- مشخصات جریان
در مورد همه آزمایش ها عمق جریان برابر 15 سانتیمتر در نظر گرفته شد تا بتواند ضابطهي مربوط به عمق آب را در مورد تمامی لولههاي مورد آزمایش که بصورت 69/7≤ y/D ≤72/1 تعریف شده، برقرار نماید. عمق جریان آب با استفاده از سرریز انتهاي
کانال تنظیم و از روي نوارهاي مدرجی که در کناره هاي بخش مورد آزمایش چسبانده شده بود، کنترل میشد. همچنین براي حصول به حداکثر عمق آبشستگی در شرایط آب زلال، تمامی آزمایشها تحت شدت جریان 90% انجام شده است.

جدول ١ مشخصات جریان بطور خلاصه آورده شده است. عمق جریان آب با استفاده از سرریز انتهاي کانال تنظیم و از روي نوارهاي مدرجی که در کناره هاي بخش مورد آزمایش چسبانده شده بود، کنترل میشد. همچنین براي حصول به حداکثر عمق آبشستگی در شرایط آب زلال، تمامی آزمایشها تحت شدت جریان 90% انجام شده است.

جدول 1- مشخصات جریان مورد استفاده در آزمایشها
عدد فرود
جریان کانال عمق جریان (سانتی متر) سرعت متوسط
(متر بر ثانیه) دبی(لیتر بر
ثانیه) شدت جریان
0/217 15 0/262 40/5 %90

2- 4- مشخصات مدلها
مدلهاي مورد بررسی در این تحقیـق شـامل 3 لولـه بـا قطرهـاي متفاوت به عنوان نمونههاي شاهد و براي هر کدام از آنهـا 7 عـرض مختلف تیغه در نظر گرفته شده بـود کـه در مجمـوع 21 آزمـایش انجام گرفته است. دو هدف عمده از این بررسی مد نظر بوده اسـتکه عبارت بودند از: الـف -تـ اثیر تیغـه طـولی زیـر لولـه در فرآینـد آبشستگی، ب- یافتن عرض بهینـه ي تیغـه . بنـابراین در هـر مـوردآزمایشی ،ابعاد حفرهي آبشستگی و توپوگرافی بستر اندازهگیري و با نمونههاي شاهد



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید