سال نهم/ شماره 18/ پاییز و زمستان 1392(59-70) نشریه مهندسی دریــا

اثر حضور عامل خورنده بر رشد ترك خستگی در رایزرهاي آب عمیق

امیر مقیسه*، عباس رهی

١کارشناس ارشد مهندسی مکانیک، شرکت نفت فلات قاره ایران؛[email protected]
2استادیار دانشکده مهندسی مکانیک و انرژي، پردیس فنی و مهندسی شهید عباسپور، دانشگاه شهید بهشتی؛[email protected]

اطلاعات مقاله

چکیده

چکیده

تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 22/11/1391 تاریخ پذیرش مقاله: 20/12/1392 تاریخ انتشار مقاله: 28/12/1392

میآید و تاریخچه بارگذاري در هر مقطع با استفاده از برآیند تنش هاي خمشی و محوري محاسبه می گردد. از آنجا که رایزرها در معرض دو محیط خورنده آب دریا و نیز نفت حاوي سولفید هیدروژن (نفت ترش) قرار دارند ،حضور یک ترك اولیه می تواند اثرات مخربی داشته باشد و وقوع شکست خوردگی محتمل خواهد بود. به این منظور با در نظر گرفتن یک ترك اولیه، عمر شکست در طول رایزر و در حضور سیال خورنده تخمین زده می شود .در نهایت اثر حضور عامل خورنده آب دریا و نیز سولفید هیدروژن بر رشد ترك و در نهایت عمر شکست رایزر مطالعه خواهد گردید. به منظور حل معادلات حاکم بر تعادل دینامیکی رایزر از روش هاي عددي رانج کاتا و تفاضل محدود استفاده خواهد شد. رایزر ترك اولیه
شکست خوردگی آب دریا نفت ترش

973832541097

در این تحقیق به مطالعه عمر شکست خوردگی رایزر پرداخته خواهد شد. به این منظور ابتدا نیروهاي وارد بر رایزر بررسی شده و مدلی از رایزر که شامل تمام عوامل تحریک آن باشد به دست خواهد آمد .براي برآورد نیروهاي هیدرولیکی وارد بر رایزر از تئوري امواج دامنه کوتاه و رابطه اصلاح شده موریسون استفاده خواهد شد .سپس روابط حاکم بر تعادل دینامیکی رایزر استخراج گردیده و با توجه به نوسان رایزر در اثر نیروهاي وارده ،توزیع ممان خمشی و نیز اثرات وزن و حضور سکو در سطح دریا به دست
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:15 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:15 +0330 on Monday October 30th 2017

49574191672366

کلمات کلیدي:

Effect of Corrosive Environment on Fatigue Crack Propagation in Deep Water Riser
Amir Moghiseh1*, Abbas Rahi2

ARTICLE INFO
ABSTRACT

ARTICLE INFO

ABSTRACT

The corrosion fracture life of marine riser is investigated. Riser will be modeled as a long beam and the wave and current forces is estimated by short wave theory and modified Morison’s equation. Dynamic equilibrium equations of riser will be obtained on based of Euler theory. After bending stress calculation along the riser that includes effect of riser weight and platform motion, loading history can be obtained in riser cross section. Since risers exposed to seawater and sour crude oil, an initial crack can have destructive effects and corrosion fracture can be occurred. So effect of initial crack in riser cross sections in different depths and at present of corrosive fluid is studied. At the end the effect of seawater and crude oil on crack propagation and corrosion fracture life is investigated. In order to solve riser dynamic equilibrium equation Range-Kutta and finite difference methods will be used.

Article History:
Received: 10 Feb. 2013
Accepted: 11 Mar. 2014
Available online: 19 Mar. 2014

Keywords: Riser initial crack corrosion fracture
seawater crude oil

1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:15 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:15 +0330 on Monday October 30th 2017

1- مقدمه
رایزر یک تیر لوله اي شکل براي اتصال بین تجهیزات بستر و شـناور در سطح دریا می باشد. طول رایزر گاه به چند هزار متر می رسد کـهاز قطعات لوله با قطر و طـول مشـخص تشـکیل شـده اسـت. یـکمتخصص در رشته هاي فنی به خوبی می داند که تیري با دهانه آزاد به این بزرگی چه نیروهاي عظیمـی را تحمـل مـی کنـد و از جانـبدیگر نوسانات سکوي شـناور مسـتقر در سـطح آب، اثـرات شـلاقیسنگین بر رایـزر وارد مـی نمایـد کـه گـاه تـا چنـد برابـر نیروهـاياستاتیکی و ثقلی رایزر می رسند. هدف از اسـتفاده رایـزر فراسـاحلتهیه و فراهم نمودن امکان انتقال سیالات و اجزاء حفاري بین سـکوو چاه بوده و ممکن است به صورت رایزر تولید یا رایـزر حفـاري کـههر کدام به دو شکل ثابت و انعطاف پذیر تقسـیم مـی گردنـد، مـورداستفاده قرار گیرند. بـه طـور کلـی عضـو عمـودي بلنـد یـک سـازهفراساحل در اعماق زیاد، تحت تغییر شکل و تغییر مکان بر اثـر وزنخود، حرکت سازه شناور، امواج و جریان قرار دارد .
رایزرها در سطح به یک سازه سـطحی و در کـف بـه یـک سیسـتمکنترل و حفاظت چاه متصل هستند. سازه هاي دریایی که تـا امـروزشناخته شده اند، اغلب اعضـاي لولـه اي دارنـد. ایـن اعضـا نیروهـاياعمالی را توسط سختی هاي محوري، برش و خمشـی خـود تحمـلمی کنند. در بسیاري از موارد نیروي شناوري بـراي ایجـاد پایـداريکلی سازه یا کاهش بارهاي وارد بر اعضاء استفاده می شود.
ویلیامسون و گواردهان [1]، سارپکایا [2] وگاباي و بنارویـا [3] نشان دادند که گردابههاي تشکیل شده در اثر عبـور جریـان از رويیک سیلندر که فرکانس آن با استفاده از قـانون اسـتروهال تعریـفمی شود، نیروهاي لیفت متناوبی را ایجاد میکنـد کـه بـه سـیلندروارد شده و در صورتی که سیلندر به میزان کافی انعطافپذیر باشـدمیتواند آن را تحمـل نمایـد. یـان کیـو، جنـگ و لـو [4] رایـزر رابهصورت یک مدل با تکیهگاههـاي سـاده فـرض نمودنـد و ارتعـاشایج اد ش ده توس ط جری ان گرداب هاي را ب دون س ادهس ازي ت رم غیرخطی معادله مورسیون مطالعه نمودند. در سال 2000 چی ویان کیو وزي مین [5] یک مدل با انتهاي یک سرگیردار و ابتداي قابـلحرکت براي یافتن پاسخ دینامیکی رایزر پیشـنهاد نمودنـد. کنـگ،زنگ و یونگ [6] رفتار دینامیکی رایزر را در حضـور نیـروي لیفـتناشی از جریان گردابهاي در سال 2006 بررسی نمودنـد. همچنـینمطالعات تجربی زیادي براي بررسی حرکت جانبی رایزرهاي دریایی صورت گرفته است که از آن میان میتـوان بـه ویکیسـتاد و هـالس[7] اشاره نمود. ویلدن و گراهام [8] ارتعاش القا شـده بـه رایـزر دراثر ایجاد جریان گردابهاي ناشی از جریان یکنواخت را مورد تحقیـققرار دادند. سوزوکی و تاکانو، اینوموتو، اکا [9] آزمایشـی را بـر روي یک سیلندر 11 متري از جنس تفلون که در انتهاي فوقانی خود در معرض یک تحریـ ک قـرار داشـت انجـام دادنـد. کـویپر، براگمنـز ومتریکین [10] با ارائه یک مدل از رایزر کـه در انتهـاي خـود یـکاتصال از نوع پین و در انتهاي فوقانی متصل به یک سکوي شـناور وطبعاً تحریک نوسانی ناشی از حرکت سکو روي امواج بود به بررسی رفتار دینامیکی رایزر بدون در نظر گرفتن نیروهاي ناشـی از میـدانموج و پروفیل جریان پرداختند. آنها با نادیده انگاشتن حرکت افقـیفوقانی رایزر بـه بررسـی پایـداري اسـتاتیکی و دینـامیکی رایـزر بـااستفاده از تئوري فلوکـت مبـادرت نمودنـد. بـارهولم و همکـارانش[11] به ارائه یک آزمایش جهت تخمین عمـر خسـتگی رایزرهـايدریـایی در حض ور نیروه اي وارد ب ر رای زر در جه ت جری ان و درراستاي عمود بر آن پرداختند.
ابارا [12] به مطالعـه وقـوع خسـتگی خـوردگی بـا اسـتفاده از مطالعه سطح شکست سازه ها پرداخـت. وي و همکـارانش در سـال1993[13] به مطالعه اثر حضور نفت ترش بر رشد ترك خوردگی و وق وع شکس ت در فولاده ا پرداختن د. م ادکس [14] ب ه بررس ی مطالعات و آزمایشات صورت گرفته بـه منظـور تبیـین رفتـار تـركخوردگی فولاد X65 در محیط نفت ترش و آب دریا پرداخت و اثـرمشخصات بارگذاري از جمله فرکانس و یا نسبت بار را مورد مطالعه قرار داد.
رایزرها طوري طراحی می گردند کـه زمـان نصـب انهـا در دریـاحداقل باشد و گره ها تحمل بارهاي کششی زیـاد را داشـته باشـند.
براي کاهش اثرات خمشی، همواره می بایست نیروي کششی بزرگی توسط شناور بر رایزر وارد شود تا از انحناي رایزر بکاهد. این کشش نیز سهم بزرگـی از نیروهـاي داخلـی رایـزر را بـه خـود اختصـاصمی دهد. کشش فوقانی باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا تـنش هـايخمشی بزرگ در قسـمت پـایین رایـزر، کـه کمتـرین کشـش و درقسمت بالا که بیشترین مقدار نیروي موج موجود اسـت ، رخ ندهـد.
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:15 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:15 +0330 on Monday October 30th 2017

عموماً کم بودن اندازه لوله و ظرفیت کششی طرح هـا و زیـاد بـودننیروي شناوري اضافی عواملی هستند کـه نیـاز بـه کـاهش کشـشبالایی را باعث می شوند. خیلی مهم است که رایزر همیشه به حالـتکشش (تا حد ممکن ثابت) نگاه داشته شود تا از اعمال صدمات بـهاتصال ها و خود لوله جلوگیري شود. کشش مطلوب می تواند توسـطتجهی زات کشش ی ت أمین ش ود ک ه از ی ک سیس تم پنوم اتیکی ،کمپرسور که فشار پیسـتون هـاي پنومـاتیکی را تـأمین مـی کنـد وکابل هاي کششی تشـکیل شـده اسـت. یکـی از معایـب اسـتفاده ازسیستم کششی آن است که قسـمت هـاي بـالایی رایـزر تحـت اثـرنیروهاي زیاد غیر متناسب قرار می گیرند به همین دلیـل سـعی بـراین اسـت کـه شـناوري بیشـتري تـأمین گـردد. ایـن کـار توسـطبسته هاي فوم یا قوطیهاي متصل به رایزر انجـام مـی گیـرد کـه درنقاط مشخصی به رایزر متصل هسـتند. در محـل اتصـال رایـزر بـهدهانه چاه در بستر دریا مفصل کروي بـراي حـذف ممـان خمشـیوجود دارد و باعث چرخش هایی سازگار با حرکت شناور و خیزهـايسازگار با بارهاي استاتیکی و دینامیکی می شود. مفصل کـروي بـالاممان هاي خمشی بیش از اندازه کـه بـه علـت واکـنش هـاي رایـزر،چرخش و پیچش ناشی از حرکت شناور می باشد را حذف مـی کنـد.
رایزر عملیات خود را مـی بایسـت در حـین حرکـت سـکو و اعمـالنیروهاي جریان و موج بر آن انجام دهد. شرایط نیروهاي باد، موج و جریان می بایست تبدیل به پیشگویی هایی درباره حرکت سکو گردد .این امر می تواند با تخمین هایی براي سکو تحقق یابد. طراح سیستم رایزر فراساحل می بایست حـداکثر تـنش خمشـی دینـامیکی را دررایزر محاسبه نماید. همچنین در مواردي باید حداکثر شـیب رایـزردر موقعیت اتصال به BOP یا مفصل کروي و نیز شکسـت ناشـی ازخستگی را که به دلیل تنش هاي نوسانی رخ می دهـد در نظـر قـراربدهد.
جهت ارائه یک طراحی ایمن و قابل اعتماد، ارائه یک بارگـذاريمحیطی واقع بینانه بر روي رایزر دریایی ضرورت دارد. عوامل اساسی که در این مورد می بایست در نظر قرار گیرند عبارتند از:
1- نیروهاي موج با در نظـر گـرفتن جـدي تـرین و خطرنـاك تـرینحالات دریایی ممکن 2- عمق آب
تغییر مکان و جابجایی استاتیکی سکو بر اثر باد، مـوج و جریـاندریایی
نیروهاي ناشی از جریان روي رایزر
مشخصه هاي حرکات افقی سکو
وجود یک ترك در رایـزر ممکـن اسـت آن را تضـعیف کنـد، بـدینترتیب رایزر به واسطه شکسته شدن بـه دو یـا چنـد تکـه تخریـبمیگردد. این امر می تواند در تنشهاي کمتـر از اسـتحکام تسـلیمرخ دهد، جایی که معمولاًمعمولا واماندگی مورد انتظـار نیسـت. عـلاوه بـرترك ها انواع دیگر عیوب وجود دارند که شبیه بـه تـرك هسـتند ومیتوانند به آسانی به تركها تعمیم داده شوند و آنها نیز بایـد بـهعنوان ترك تلقی شوند. تعمیراتی که باید به دلیل وجود تركهـا دررایزر انجام شوند ممکن است توسط جایگزینی یـا اصـلاح آن، مـثلاًبا سنگزنی کنار یک ترك کوچک براي هموار شـدن سـطح یـا بـهوسیله تقویت ناحیه تركدار به شیوهاي مشابه، انجام شوند. آن چـهدر این میان از اهمیت بالایی برخوردار است اثـر وجـود یـک تـركخستگی بر کاهش استحکام رایزر به دلیل وقوع شکست ترد اسـت.در عین حال وجود ترك با اندازهاي بحرانی در ماده به کار رفتـه درساخت رایزر، محتمل بوده و ممکن است باعث خرابی آن گردد. یک وضعیت رایج تر این است که یک عیب کوچک در ابتدا ممکن است به یک ترك تبدیل شده و سپس تا رسیدن به یـک انـدازه بحرانـیبراي شکست ترد رشد کند. در عـین حـال، در صـورت وجـود یـکمحیط شیمیایی خورنده مانند نفت ترش یا آب دریا، حتی یـک بـارثابت می تواند منجر به رشد ترك محیطـی گـردد. در صـورتی کـهبارهاي متناوب در حضور یک محـیط شـیمیایی اعمـال گردنـد یـامخصوصاً چرخه بارگذاري کند بوده و یا پریودهایی از بارهاي ثابـتبر چرخه بارگذاري سوار شوند، هر دو نوع رشد تـرك ممکـن اسـترخ دهد.
در ادامه با استفاده از نیروهاي وارد بر رایزر به تعیین رابطـه حـاکمبر رفتار دینامیکی رایزر مورد استفاده در یک سـکوي نیمـه شـناورپرداخته خواهد شد و تاریخچه بارگـذاري در هـر مقطـع بـهدسـتخواهد آمد. در نهایت با استفاده از روابط حاکم بر رشد ترك و وقوع شکست، عمر رایزر و اثر حضور سیال خورنده بـر آن مـورد مطالعـهقرار خواهند گرفت.

2 – مدلسازي و استخراج معادلات
رایزرهاي دریایی عموماعموماً در معـرض جریـان افقـی دریـا، امـواج،جابجایی افقی سکو و حرکـت پریودیـک آن در راسـتاي عمـود بـرسطح دریا قرار دارند. به منظور استخراج معادلات حـاکم بـر رفتـاردینامیکی رایزر از تئوري اولر برنولی استفاده می گردد [15].
سکوها در انتهاي فوقانی خود به دلیل حضور موج و نیز نیروي باد داراي حرکت افقی می باشند اما فرکانس این حرکت در مقایسـهبا فرکانس حرکت رایزر بسیار کمتر است و بدین جهت این حرکـتافقی تنها به صورت یک جابجایی افقـی عمـل مـی کنـد. بـه منظـورمطالعه رفتار رایزر، حرکت قائم سکو به صورت پریودیـک رابطـه ( 1) فرض می شود:

( a.Cos(Kw.wwt که در این رابطه a دامنه امواج ،Kw عدد موج ،w جابجایی در راستاي جریان ،σw فرکانس امواج و t زمان است. بر این اساس و با استفاده از تئوري امواج دامنه کوتاه و رابطه موریسون اصلاح شده[16]، رابطه حاکم بر رفتار دینامیکی رایزر در جهت جریان و عمود بر آن به صورت معادلات( 2) و( 3) ارائه می گردد.

22098072594

220980485598

EI 4z4w WB wz Te.2z2w mt.2t2w  FDEI 44y WB yz Te.z22y mt .2t2y  FL (3)
z که در این رابطه WB وزن شناوري در واحد طول،EI سختی خمشی،Te کشش مؤثر در رایزر،mt جرم کل در واحد طول ،FD
برآیند نیروهاي وارد بر رایزر در راستاي جریان و FLبرآیند نیروهاي وارد بر رایزر در راستاي عمود بر جریان می باشند که به صورت زیر تعریف می شوند:

FD 
[aw ..Cos K w .w wt
367284-665163

)
/
1
(
)
(
)
(
.
].
)
/
1
(
)
(
)
(
.
.
.
.
2
1
t
w
h
z
w
h
w
K
Sinh
z
h
w
K
Cosh
w
t
w
h
z
w
h
w
K
Sinh
z
h
w
K
Cosh
w
A
D
C












قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید