تحليل خط لوله دريايي در هنگام انتقال به محل نصب به روش
كشيدن در سطح آب

عليرضا رعنايي1*، علي اكبر آقا كوچك12

كارشناس ارشد سازههاي دريايي، دانشگاه تربيت مدرس
استاد دانشكده مهندسي عمران و محيط زيست، دانشگاه تربيت مدرس

چكيده
نصب خطوطلوله دريايي به دو روش خوابانيدن1 و كشيدن2 انجام ميگيرد. در آبهاي كم عمق با توجه به محدوديتهايي كه براي بارج لولهگذار به روش خوابانيدن وجود دارد، روش كشيدن بسيار مناسب ميباشد. در اين روش خطلوله با طول مشخص در ساحل ساخته شده و به آب انداخته ميشود و سپس با توجه به شرايط محيطي و محدوديتهاي موجود خطلوله با فاصله مشخص از بستر دريا به سايت نصب كشيده ميشود. در تحقيق حاضر به بررسي تنش و تغييرشكل در طول خطلوله در حين انتقال به روش كشيدن روي سطح آب در آبهاي كم عمق، با استفاده از نرم افزار اركافلس3 پرداخته شده است. جهت رسيدن به اين هدف، مطالعه پارامتري روي پاسخهاي خطلوله تحت تاثير بارهاي محيطي ناشي از موج و جريان و ساير پارامترهاي موثر مانند ظرفيت كششي يدككش و ميزان ذخيره شناوري انجام شده و جابجايي جانبي و قائم و مقادير تنشهاي ايجاد شده در خطلوله در شرايط مختلف سكون، كشيده شدن و قرارگرفتن بر روي بستر مطالعه شده است.
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:16 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:16 +0330 on Monday October 30th 2017

براي مشخصات خطلوله از يك نمونه خط لوله در خليج فارس استفاده شده است. با توجه به شناور بودن خطلوله، از اثر حركتهاي يدككش ناشي از موج صرف نظر شده است. نتايج نشان ميدهد جابجائي جانبي خطلوله ناشي از طيف موج كمتر از موج تكرنگ با ارتفاع ماكزيمم طيف موج ميباشد. همچنين با افزايش سرعت حركت، انحناي جانبي خطلوله به انتهاي آن نزديكتر ميشود و باعث افزايش تنش خمشي ناشي انحناي جانبي ميشود .
كلمات كليدي: خط لوله دريايي، روش كشيدن در سطح آب، تحليل تحت اثر امواج منظم و نامنظم

ANALYSIS OF OFFSHORE PIPELINE DURING
TRANSPORTATION TO INSTALLATION SITE BY
SURFACE TOW METHOD

A.R.Ranaei1, A.A.Aghakouchak2

M.Sc. in marine structures, Tarbiyat Modares University
Professor, Faculty of Civil Eng., Tarbiat Modares University

Abstract
In general, Lay and Tow methods are the two most common methods of offshore pipeline installation. In the shallow waters, considering the restrictions of Lay barge, Tow method is usually more appropriate. In this method, pipestring is fabricated on-shore and then it is launched into water. Then, according to environmental conditions and restrictions, the pipeline is towed to the installation site. In the present study, the evaluation of stress and deformation along pipeline during transportation and installation in shallow water has been presented. All analyses have been carried out using Orcaflex software. A parametric study has been carried out on the effect of environmental loading (wave and currents) and other parameter such as tugboat
[email protected] نويسنده مسوول مقاله *
pull capacity and reserve buoyancy rate. Also lateral and vertical displacements and stress on pipeline for different conditions including static, transportation and laydown conditions have been investigated.
For modeling properties of the pipeline, an existing pipeline in the Persian Gulf is considered. Due to the pipeline floating condition, the effect of the tug motions due to wave is ignored. The results are shown that lateral deflection of the pipeline due to wave spectrum is less than monochromatic waves with a maximum height of the wave spectrum. Also, by increasing tug speed, lateral curvature is closer to the end of the pipeline and increases the bending stress due to lateral curvature.
Keywords: Offshore Pipeline, Surface Tow Method, Regular and Irregular Wave Analysis

1- مقدمه
با توجه به اهميت خطوط انتقال و هزينه هاي هنگفت ناشي از خسارت وقفه در بهره برداري از اين منابع انرژي ، طراحي و نصب صحيح خط لوله از اهميت بسزايي برخوردار است. نصب خط لوله دريايي به دو روش خوابانيدن و كشيدن انجام مي شود. روش خوابانيدن يكي از روش هاي معمول و پركاربرد نصب خط لوله دريايي مي باشد. در اين روش قطعات خط لوله در بارج لوله گذاري به يكديگر جوش داده شده و به تدريج به آب انداخته مي شوند.
در روش كشيدن خطلوله با طول مشخص در ساحل ساخته ميشود و پس از به آب اندازي به وسيله يدك-كش به سايت نصب انتقال داده ميشود .پس از انتقال خطلوله به سايت نصب، با تامين تمهيدات لازم خطلوله روي بستر دريا قرار داده مي شود [1]. با توجه به اينكه در روش كشيدن خطلوله در ساحل ساخته ميشود ،كيفيت جوشكاري و آزمايشهاي مورد نياز در مقايسه با روش خوابانيدن كه اين عمليات در فراساحل برروي بارج انجام ميشود، افزايش مييابد و از طرفي هزينه-
هاي ساخت كاهش مييابد. اين مسئله همچنين باعث افزايش سرعت نصب فراساحل ميشود.كاهش زمان نصب فراساحل علاوه بر كاهش هزينهها، احتمال رخداد شرايط نامساعد جوي را كاهش ميدهد [2]. در روش كشيدن خطلوله ميتواند در سطح آب و يا برروي بستر دريا و يا فاصله معيني از بستر دريا كشيده شود. در آب هاي بسيار كم عمق با توجه به محدوديت هايي كه
براي بارج لوله گذار به روش خوابانيدن وجود دارد و از طرفي با توجه به موانع موجود در بستر روش كشيدن در كف قابل كاربرد نيست، روش كشيدن در سطح
2
مناسبترين انتخاب ميباشد. در اين روش مخازن شناوري در طول خطلوله متصل شده و خطلوله به وسيله دو يدككش روي سطح آب كشيده ميشود [3] (شكل 1).
دانيو ماچادو و همكاران در سال 2007 به تحليل عددي خطلوله در حين به آب اندازي موازي خطساحل پرداختهاند 4[]. پروژه مورد بررسي، تعويض خطلوله انتقال نفت بين سكوي پي ايكس اي و بوي فرنس در فراساحل برزيل ميباشد. با توجه به محدوديتهاي لولهگذاري با بارج لولهگذار، روش نصب Tow براي اين پروژه انتخاب شده است. در ابتدا خطلوله موازي خط ساحل ساخته شد (در ساحل كنتو) و سپس بوسيله كابل به يدككش متصل گرديد. با حركت يدككش به تدريج انحناي جانبي در خطلوله ايجاد شد. تحليلهاي ديناميكي غير خطي براي جهتهاي مختلف حركت شامل 5- ، 0، 5 ، 10، 51 و 02 درجه و سرعتهاي مختلف يدككش شامل 1، 2 و 3 كيلومتر بر ساعت انجام شده است. شرايط محيطي نيز آرام در نظر گرفته شده است.
آليوت و همكاران در سال 2006، چهار نوع خطلوله به طول 02 كيلومتر در حال انتقال به روش كشيدن
موجي شكل روي سطح آب٤ را مورد بررسي قرار دادند 5[]. طراحي خطلوله براي عمق 1800 تا 2500 متري انجام شده است. مخازن شناوري در طول خطلوله بسته شده اند و سه نقطه با شناوري مثبت و چهار نقطه با
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:16 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:16 +0330 on Monday October 30th 2017

شناوري منفي را تامين ميكنند. كل سيستم با در نظر گرفتن اثر حركتهاي يدككشهاي عقب و جلو و يدككش هاي كمكي ناشي از موج، مدل ميشود.
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:16 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:16 +0330 on Monday October 30th 2017

ب راي كنتــرل پاســخهــاي خــطلولــه تحــت نيروهــاي هيدروديناميكي ناشي از مـوج و جريـان و حركـتهـاييدككشها، تحليل ديناميكي انجام شـده اسـت. نتـايجاصلي تحليل براي يك نمونه خطلولـه بـه قطرخـارج ي 42 اينچ، ضخامت 025/1 اينچ در حين عمليات انتقـالدر جدول 1 آمده است.
مندس و همكاران در سال 2007 به مقايسه نتايج آناليز كوپله و غير كوپله براي انتقال خطلوله به روش كشيدن قوسي5 پرداخته اند [6]. خط لولـه بـه قطـر8 ايـنچ ازجنس فولاد (ايكس 56) در عمق 1800 متـري جهـتانتقال نفت مدل شده است. خط لوله به روش كشـيدنقوسي انتقال داده مي شود و طول كلي خطلوله 3200 متر مي باشد كه بـه وسـيله دو يـدككـش بـه ظرفيـتكششي 180 تن كشيده ميشود.
در آناليز غير كوپل ضرايب اندركنش موج و حركتهاي يدككش توسط برنامههاي اختصـاص يافتـه براسـاسپتانسيل مانند واميت6 محاسبه مـ يشـود (البتـه بـدونتوجه به حضور خط لوله) و سپس حركتها را به مـدلخطلوله اعمال ميكننـ د. آنـاليز كوپـل در حـوزه زمـاناست و در آن ضـريب نيـروي هسـكين د7 مشـابه آنـاليزحركتهاي يدككش در واميت، توليد مـ يشـو د. بـرايفهميدن تاثير پارامترهاي مختلف روي رفتار دينـاميكي

شكل 1- خطلوله و مخزن شناوري در روش كشيدن در سطح آب
سيستم، حالات مختلف بارگذاري با پريودها ، جهتها و ارتفاعهاي موج مختلف و سرعتهاي مختلـف كشـيدنايجاد شده است. براي ارتفاع 5/0 متري موج، تـنش بـه140 مگاپاســكال مــ يرســد و بــراي مقــاطع نزديــك يدك كش جلو، نتـايج آنـاليز كوپلـه41 درصـد بيشـتراست، در حاليكه براي مقاطع نزديك يـد ككـش ع قـبنتايج آنـاليز غيركوپلـه02 درصـد بيشـتر اسـت. بـرايارتفاع 1 متري موج، تنش به 150 مگاپاسكال مي رسـدو در نيمه اول انحنا خـ طلولـه، نتـايج آنـاليز كوپلـه02 درصد بيشتر اسـت، در حاليكـه بـراي نيمـه دوم انحنـانتايج آنـاليز غيركوپلـه52 درصـد بيشـتر اسـت. بـرايارتفاع 5/1 متري موج، تنش بـه 200 مگـا پاسـكال درنزديكي يدكجكش جلو كه 27 درصد تنش مجاز اسـت،مي رسد.

2- مدل سازي
در اين تحقيق براي مدل سازي خط لولـه بـه روشكشيدن در سطح آب از نـرم افـزار اركـافلك س اسـتفادهشده است. مدل شامل يك خطلوله با دو طول مشخص (400 و 1200 متري) ميباشـد كـه دو انتهـاي آن بـهكابل متصل شده است و كابـ لهـا بـه وسـيله ويـنچ بـهيدككش جلو و عقب متصل شدهاند. بـراي مشخصـات
لوله از يك نمونه خط لوله در خليج فـار س (جـدول2) استفاده شده است.
براي تامين شناوري خطلوله، مخازن شناوري در طـولخط لوله با فاصله محور به محور 5/41 متر بسـت ه شـدهاست (شـكل1). فاصـله مخـازن شـناوري بـه گونـهاي تنظيم شده است كه حدود 5 درصـ د ذخيـره شـناوري
وج ود دارد. مشخص ات مخ ازن ش ناوري در ج دول 3 نشان داده شده است.

جدول 1- نتايج اصلي تحليل براي سه نمونه خط لوله در حين عمليات انتقال
جابجائي ماكزيمم نيروها شرايط حالت بارگذاري
جانبي
[m] قائم
[m] نيروي محوري تنش معادل
[MPa] [KN] زاويه موج و جريان نسبت به
راستاي خط لوله [deg] سرعت تركيبي جريان
[Knots] 0 -181 25 549 0 0 1
0 -263 59 2113 0 3/5 2
95 -195 72 2453 90 3/5 3
191 -207 62 2006 90 3/2 4

جدول 2- مشخصات خطلوله
323/85 قطر خارجي [mm]
17/5 ضخامت [mm]
414 تنش تسليم [MPa]
2/07×105 مدول الاستيسيته [KPa]
0/3 ضريب پواسون
85 ضخامت پوشش بتوني[mm]
3040 وزن مخصوص پوشش بتوني[3Kg/m]
2/5 ضخامت پوشش خوردگي[mm]
900 وزن مخصوص پوشش خوردگي[3Kg/m]
4/60 وزن خشك [KN/m]
2/63 وزن شناور[KN/m]

جدول 3 – مشخصات مخزن شناوري
1/1 قطر خارجي [m]
6/1 طول [m]
5/79 حجم [3m]
18/05 وزن خشك [KN/m]
-40/09 وزن شناور [KN/m]
كابل مدل شده در دو انتهاي خط لولـه،05 متـر طـو ل
3/3 استفاده شده است.
دارد. وظيفه وينچ متصـ لكننـده كابـل بـه يـدككـش،
ضريب درگ بر اساس نتايج كار آزمايشگاهي ارائه شـدهتامين نيروي كششي تعريف شده با آزاد كردن يا بستن
توسط سارپ كايا بر روي استوانه افقـي در نظـر گرفتـه
سيم وينچ ميباشد. براي مدل كردن يدك كـش جلـو و
شده است [9]. شكل تغييرات ضريب درگ بـر حسـبعقب از المان شناورنرم افزار استفاده شده است [7]. بـا
عدد رينولدز و براي نسبت زبريهاي مختلـف را نشـانتوجه به شناور بودن خطلوله، اثر حركتهاي يدككش
ميدهد. ميزان زبري سـطح لولـه در شـكل بـر اسـاس
ناشي از موج بروي خطلوله نـاچيز اسـت [3]. بنـابراي ن

براي المان شناور، حركتهاي يدككش ناشـي از مـوج،تعريف نشده و در واقع از حركتهاي يدككش ناشي از موج صرف نظر شده است.
عمق آب، وزن مخصوص آب دريا و سرعت جريان براي كليه تحليلها مطـابق جـدول4 در نظـر گرفتـه شـدهاست.

جدول 4- شرايط محيطي
0/8 سرعت جريان در سطح آب [m/sec]
0/6 سرعت جريان در نزديكي بستر دريا [m/sec]
10 عمق آب دريا [m]
1025 وزن مخصوص آب دريا [KN/m]

به طور كلي تحليلها براي خطلوله تحت اثر موج منظم و موج نامنظم انجام شده است. با توجه محدوده كـاربردتئوريهاي موج ارائه شده درآئيننامه آمريكا8، از تئوري موج استريم مرتبه سوم براي موج منظم اسـتفاده شـده
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:16 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:16 +0330 on Monday October 30th 2017

است [8]. با توجه به اينكـه طيـف مـوج جـان سـوآپ9 تطابق خوبي با طيف موج خليج فارس دارد، براي مـوجنامنظم از طيف موج جان سوآپ بـا ضـريبγ برابـر بـاآئين نامه نروژ10 براي سطح بتني 003/0 در نظر گرفته شده است [01]. قابل ذكر است ضريب درگ ارائه شده در شكل براي راستاي عمود بر محور لوله ميباشد و ضريب درگ مماسي بر اساس آئين نامه نروژ ، برابر با 30/0 ضريب درگ نرمال در نظر گرفته شده است.
ضريب جرم اضافي نرمال لوله بر اساس آئين نامه نروژ برابر با 0/1 و ضريب جرم اضافي محوري 46/0 در نظر گرفته شده است. قابل ذكر است با توجه به اينكه نيروي جرم اضافي محوري فقط در المان انتهايي خط-لوله ايجاد ميشود، اين ضريب فقط براي المان انتهايي در نظر گرفته شده است.

C
D
KC=20

Re x 10
5

C

D

KC=20

Re x 10

5

شكل 2- ضريب درگ براي استوانه افقي[9]

به طوركلي تحليلهاي ديناميكي تحت اثر موج و جريان براي سه حالت انجام شده است. حالت اول خط -لوله و شناور روي سطح آب ساكن ميباشد و نيروي كششي ثابت به وسيله يدككشها به دو انتهاي خط -لوله اعمال ميشود. حالت دوم خطلوله به وسيله يدك-كشها روي سطح آب با سرعت ثابت كشيده ميشود و فاصله يدككشها و طول وينچ در طول انتقال ثابت نگه داشته شده است. حالت سوم خطلوله با آزادسازي تدريجي مخازن شناوري روي بستر دريا قرار ميگيرد و
در حين آزادسازي مخازن شناوري، انتهاي خطلوله با نيروي كششي ثابت نگه داشته ميشود. همچنين آناليز مودال براي بدست آوردن مودهاي ارتعاش طبيعي خطلوله شناور روي سطح آب انجام شده است.
3- نتايج تحليلها براي خطلوله شناور ساكن
در اين حالت مطالعه پارامتري روي پاسخهاي خط-لوله تحت تاثير بارهاي محيطي ناشي از موج و جريان و ساير پارامترهاي موثر مانند ظرفيت كششي يدككش و ميزان ذخيره شناوري انجام شده است. نتايج تحليلها براي اين حالت در بخشهاي زير ارائه ميشود .

3- 1- بررسي تاثير نيروي كششي يدككش
براي بررسي تاثير نيروي كششي يدككش، خط- لوله با طول 400 متري كه دو انتهاي آن بوسيله كابل به طول 05 متر به وينچ شناور متصل است، مدل شده است و نيروي كششي ثابت براي وينچها در طول تحليل در نظر گرفته شده است. موج منظم با ارتفاع 8/1 متر و پريود 8/4 ثانيه و جريان مطابق جدول 4 به خطلوله اعمال ميشود. موج منظم و جريان در جهت عمود بر راستاي خطلوله براي كليه تحليلها در نظر گرفته شده است و تحليل براي نيرويهاي كششي 300، 400 و 500 كيلونيوتن انجام شده است.
نتايج تحليل نشان ميدهد كه با كاهش نيرويكششي يدككشها و به عبارتي كاهش سختي سيستم ،جابجائي جانبي خطلوله تحت اثر موج و جريان كه در جهت عمود بر راستاي خط لوله اعمال ميشوند ،افزايش مييابد. از طرفي افزايش نيروي كششي تغيير محسوسي در جابجائيهاي قائم خطلوله ندارد. اين مسئله با توجه به شناور بودن خطلوله قابل توجيه است، به عبارتي مخازن شناوري در طول خطلوله عامل اصلي براي كنترل جابجائيهاي قائم خطلوله ميباشند.
ماكزيمم لنگرخمشي جانبي در كليه حالات ناشي از
انحناي جانبي كلي خطلوله رخ ميدهد و بيشترين مقدار در نزديكي دو انتهاي خطلوله ميباشد. با افزايش نيروي كششي و كاهش جابجائي جانبي، لنگر خمشي ناشي از انحناي جانبي بويژه در نزديكي دو انتهاي خط-لوله، كاهش مييابد. ماكزيمم لنگرخمشي قائم در كليه
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:16 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:16 +0330 on Monday October 30th 2017

حالات ناشي از انحناي محدب خطلوله و در خلاف جهت انحناي قائم خطلوله بين مخازن شناوري، رخ ميدهد. با افزايش نيروي كششي، آزادي حركت در دو مقادير ماكزيمم لنگر خمشي و تنش در خط لوله بـراينيروهاي كششي مختلف در جدول 5 نشـان داده شـدهاست. با افزايش نيروي كششي، لنگرخمشـي و بـه تبـعآن تنش خمشي در طـول خـطلولـه كـاهش مـييابـ د.
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:16 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:16 +0330 on Monday October 30th 2017

هرچه سختي سيستم كمتر باشـد، اثـر افـزايش نيـرويكششي بر كاهش تنش خمشي بيشتر است، بـه طـوريكه براي خطلوله با طـول 400 متـر بـا افـزايش تـنشمحوري از 300 به 500 كيلونيوتن، تـنش خمشـي54 درصد كاهش مييابد. از طرفي با توجه به كوچك بودن نيروي كششي، تنش محوري كمي در خـ طلولـه ايجـادميشود و در مجموع تـنش معـادل03 درصـد كـاهشمييابد (جدول 5).
براي بدست آوردن مودهاي ارتعاشـي خـطلولـه، آنـاليزمودال براي نيروهاي كششي مختلف انجام شـده اسـت.
جدول 6 پريود مودهاي مختلف ارتعـاش خـطلولـه بـهطول 400 متر را نشان ميدهد. مشاهده ميشود كه بـاافزايش



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید