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.
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
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. 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
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
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.
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 نيروي كششي، سختي سيستم افزايش يافتـه وبه تبع آن پريود مودهاي ارتعاشي خطلوله كاهش مـ ي-يابد. از طرفي با توجه به بـزرگ بـودن پريـود مودهـايارتعاش خطلوله در مقايسه با پريود موج، امكان رخـدادپديده تشديد در مودهاي اول ارتعاش خـ طلولـه وجـودندارد. همچنين براي خطلوله با طول 400 متر تـا مـودچهاردهم ارتعاش خطلوله جانبي است و سپس مودهاي ارتعاش قائم خطلوله آغاز ميشود.

3- 2- مقايسه نتايج براي موج منظم و نامنظم
براي مقايسه رفتار خطلوله تحت اثر مـوج مـنظم و
انتهاي خطلوله كاهش مييابد و به تبع آن لنگر خمشي كاهش مييابد.
نامنظم، خط لوله با طول 1200 متري مدل شده است. دو انتهاي خطلوله به وسيله كابل با طـول05 متـر بـهوينچ متصل شـده و نيـروي كششـي ثابـت1600 كيلـونيوتن براي وينچ ها در طول تحليل در نظر گرفته شده است. براي مدل كردن موج نـامنظم از مـوج بـا ارتفـاعمشخصه 0/1 و پريود متنـاظر5/3 ثانيـه و طيـف مـوججان سوآپ استفاده شده اسـ ت. در طـول 2000 ثانيـهتحليل، ماكزيمم ارتفاع موج نامنظم 48/1 متر ميباشد.
براي اينكه بتوان نتايج موج نـامنظم را بـا مـوج مـنظممقايسه كرد، براي موج منظم از موج تكرنگ بـا ارتفـاع8/1 متر و پريود 8/4 ثانيه كه نزديك به ارتفاع ماكزيمم موج نامنظم ميباشد، استفاده شده است. سرعت جريان نيز مطابق جدول 4 در نظر گرفته شده است، همچنـينموج و جريان در كليه تحليلها عمود بر راستاي خـ ط-لوله اعمال ميشوند.
شكل 3 ماكزيمم جابجائي جانبي تحت اثر موج منظم و نامنظم را نشان ميدهد.
براي توجيه اين اختلاف مي تـوان گفـت، بـا توجـه بـهاينكه موج نامنظم از موجهاي با ارتفاع مختلف و كمتـراز ارتفاع موج منظم تشكيل شـده اسـت، مـوج نـامنظمنيروي كمتري در مقايسه با مـوج مـنظم بـه خـطلولـهاعمال ميكند و به تبع آن جابجـائي جـانبي خـط لولـهناشي از طيـف مـوج كمتـر از مـوج تكرنـگ بـا ارتفـاعماكزيمم است.
ماكزيمم جابجائي قائم تحت اثر موج منظم و نـامنظم رانشان ميدهد.
جدول 5- مقادير ماكزيمم لنگر خمشي و تنش براي نيروهاي كششي مختلف در خطلوله به طول 400 متر

تنش معادل [MPa] تنش محوري [MPa] تنش خمشي [MPa] لنگرخمشي ناشي از انحناي قائم [KN/m] لنگرخمشي ناشي از انحناي جانبي [KN/m] نيروي كششي [KN]
117 19 97 100 115 300
88 24 64 65 74 400
82 30 53 52 56 500

جدول 6- پريود مودهاي ارتعاشي طبيعي خطلوله به طول 400 متر

پريود ارتعاش خطلوله [sec.] نيروي كششي [KN]
مود سيام مود بيستم مود دهم مود چهارم مود پنجم مود سوم مود دوم مود اول 2/29 3/25 4/75 9/05 11/31 14/52 20/58 31/25 300
2/16 3/04 4/24 9/10 10/11 12/61 17/94 26/39 400
2/05 2/94 3/87 8/74 11/31 11/38 16/32 23/99 500

شكل 3- ماكزيمم جابجائي جانبي خطلوله با طول 1200
متر تحت اثر موج منظم و نامنظم

شكل 4- ماكزيمم جابجائي قائم خطلوله با طول 1200
متر تحت اثر موج منظم و نامنظم

مشاهده ميشود جابجـائي قـائم خـط لولـه بـراي مـوجنامنظم بيشتر از موج منظم مي باشد. براي توجيه ايـن
مسئله ميتوان گفت، عامل تاثير گذار در جابجائي قـائمخط لوله، وزن و نيروي شناوري ميباشد و عوامل ديگـرمانند طول خط لوله و نيروي كششـي ويـنچ هـا تـاثيركمي دارند. با توجه بـه اينكـه نيـروي شـناوري رابطـهمستقيم با ارتفاع ستون آب بـالاي خـط لولـه دارد و از
طرفي موج نامنظم از موج هـا بـا ارتفـاع كمتـر از مـوجمنظم تشكيل شده است، كه باعث ميشود در يك بـازهزماني تاجهاي موج در مقايسه بـا حضـيضهـاي مـوج ،دامنه كمتري داشته باشد، در نتيجـه نيـروي شـناوريكاهش يافته و جابجائي قائم افزايش مييابد. ولـي بـرايموج منظم با توجه به برابر بودن تـاج و حضـيض مـوج،رنج تغييرات نيروي شناوري كمتر است، به عبارتي هـركاهش نيروي شناوري ناشي از حضيض موج با تاج موج برابر، جبران ميشود و اجازه جابجائيهاي بزرگتـر دادهنميشود .
با توجه به نزديك بودن جابجائي كلي خـط لولـه بـرايموج منظم و نامنظم، انتظار ميرفـت لنگرخمشـي نيـزبراي دو حالت مذكور اختلاف كمي داشته باشند، حـالآنكه لنگرخمشي براي موج نامنظم بيشتر ميباشد. ايـناختلاف با توجه به نزديك بودن جابجـائي خـطلولـه دردوحالت، ناشي از انحناهاي محلي در طول خطلوله كـهناشي از موجهاي با ارتفاع كم ميباشد، ايجاد مـ يشـو د. بنابراين در مجموع تنش خمشي و تنش معادل ناشي از موج نامنظم بيشتر از موج مـنظم مـيباشـ د. جـدول7 مقادير ماكزيمم لنگـر خمشـي و تـنش در خـطلولـه رابراي موج منظم و نامنظم نشان مي دهد.

3- 3- بررسي تاثير ارتفاع موج برخوردي
براي بررسي تاثير ارتفاع موج برخوردي خطلوله بـه
طول 1200 متر كه دو انتهاي آن بوسيله كابل به طول 05 متر به وينچ شناور متصل است، مـدل شـده اسـت.
سه نوع موج منظم مطابق جدول 8 در جهت عمـود بـرراستاي خط لوله در نظر گرفته شده اسـ ت. قابـل ذكـراست ارتفاع موج و پريود متناظر آن به گونهاي انتخـابشده اند كه داراي تيزي موج يكسان و نزديك به تيـزيمــوج طوفــان كــه مقــدار آن 556/0 اســت، باشــن د.جريان نيز مطابق جدول 4 و هم جهت با موج اعمال ميشود. همچنين نيروي كششي ثابت 1600 كيلونيوتن در طول تحليل براي هر سه حالت در نظر گرفته شده است.

جدول 8- مشخصات موجهاي منظم

پريود [sec] ارتفاع [m]
2/5 0/5
3/5 1/0
4/8 1/8

شكل 5 و شكل 6 ماكزيمم جابجائي جانبي و قائم خط لوله براي سه حالت مذكور را نشان مي دهد. مشاهده ميشود با افزايش ارتفاع موج، جابجائي جانبي خطلوله افزايش مييابد. اين مسئله ناشي از افزايش سرعت ذرات موج و به تبع آن افزايش انرژي موج بوده، كه باعث افزايش جابجائي جانبي بويژه در مركز خط لوله ميشود، ليكن ميزان افزايش جابجايي متناسب با افزايش ارتفاع موج نيست.

شكل 5- ماكزيمم جابجائي جانبي خطلوله با طول 1200 متر ناشي از موجها با ارتفاع 5/0، 0/1و 1/8 متر

جابجائي قائم خطلوله نيز با افزايش ارتفاع موج، افزايش مييابد. ماكزيمم جابجائي قائم خطلوله زماني كه حضيض موج رخ ميدهد و به عبارتي كمترين ارتفاع

جدول 7- مقادير ماكزيمم لنگر خمشي و تنش در خطلوله به طول 1200 متر تحت اثر موج منظم و نامنظم

تنش معادل [MPa] تنش محوري [MPa] تنش خمشي [MPa] لنگرخمشي ناشي از انحناي قائم [KN/m] لنگرخمشي ناشي از انحناي جانبي [KN/m] نوع موج
160 96 64 73 60 موج نامنظم
140 96 45 54 42 موج منظم
ستون آب روي خطلوله را داريم، ايجاد ميشود.
بنابراين با افزايش ارتفاع موج، ارتفاع حضيض موج نيز افزايش مييابد و به تبع آن ارتفاع ستون آب روي خط-لوله كاهش مييابد. اين مسئله باعث كاهش نيروي شناوري و افزايش ماكزيمم جابجائي قائم خطلوله ميشود .نتايج نشان ميدهد به طور طبيعي نسبت افزايش جابجايي قائم در خطلوله بيش از نسبت افزايش جابجايي جانبي است.

شكل 6- ماكزيمم جابجائي قائم خطلوله با طول 1200
متر ناشي از موجها با ارتفاع 5/0، 0/1و 1/8 متر

3–4- بررسي تاثير افزايش ظرفيت شناوري
براي نصب خطلوله در آبهاي بسيار كم عمق جهت جلوگيري از برخورد خطلوله با بستر دريا ،افزايش ظرفيت براي كاهش جابجائيهاي قائم خطلوله
مناسب است. در اين بخش به بررسي تاثير افزايش ظرفيت شناوري ميپردازيم. بدين منظور تحليل بروي خطلوله به طول 1200 متر براي ذخيره شناوري 5 ، 03 و 04 درصد انجام شده است. موج منظم با ارتفاع
8/1 متر و پريود 8/4 ثانيه و جريان مطابق جدول 4، عمود بر راستاي خط لوله اثر ميكنند و نيروي كششي ثابت 1800 كيلو نيوتن در طول تحليل به خطلوله اعمال ميشود .
قابل ذكر است براي افزايش ذخيره شناوري، طول مخازن شناوري افزايش داده شده است و قطر و فاصله محور به محور مخازن شناوري ثابت در نظر گرفته شده است. شكل 7 و شكل 8 ماكزيمم جابجائي قائم و جانبي خطلوله براي سه حالت ذكر شده، نشان ميدهد. همانگونه كه انتظار مي رفت با افزايش ذخيره شناوري ،نيروي شناوري افزايش مييابد و به تبع آن جابجائي قائم كاهش يافته و خطلوله به سطح آب نزديكتر مي-شود. اين مسئله اگر چه باعث كاهش جابجائي قائم خطلوله ميشود و ليكن با توجه به نزديك شدن به سطح آب و افزايش سطح درگ مخازن شناوري، خط-لوله بيشتر تحت تاثير نيروي موج قرار ميگيرد و به تبع آن جابجائي جانبي خطلوله افزايش قابل توجهي خواهد داشت (شكل 8).

شكل 7- ماكزيمم جابجائي قائم خطلوله با طول 1200 متر براي ذخيره شناوري 5، 30و 04 درصد
52329-33567

جابجايي قائم خـ طلولـ ه بـراي دو حالـت مـذكور نشـان ميدهد.

شكل 9- ماكزيمم نيروي محوري خط لوله با طول 1200 متر و سرعت 5 كيلومتربرساعت براي دو حالت حضور
موج و بدون آن

نتايج تحليلها براي خطلوله در حين انتقال
فرض ميشود در اين حالت خطلوله به وسيله يدككشها روي سطح آب با سرعت ثابت كشيده مي-شود. در ادامه به بررسي نتايج خطلوله در حين انتقال ميپردازيم.

4-1- بررسي تاثير موج برخوردي
براي بررسي تاثير موج برخوردي خطلوله بـا طـول 1200 متر مدل شده است و تحليل براي دو حالت يكي خطلوله تحت تاثير موج و جريان و ديگـري تحـت اثـرجريان و بدون در نظر گرفتن مـوج انجـام شـده اسـت.
براي حالت اول موج منظم با ارتفـاع8/1 متـر و پريـود8/4 ثانيه در جهت عمود بر راسـ تاي خـ طلولـه اعمـالشده است و جريان نيز براي دو حالت در جهـت عمـودبر راستاي خطلوله مطابق جدول 4 اعمال شـده اسـت.
همچنين يدككشها بـا سـرعت ثابـت5 كيلـومتر بـرساعت در راستاي محور خطلوله حركت ميكنند. قابـلذكر است طول وينچها و فاصله يدككـ شهـا در طـولتحليل ثابت و براي كليـه حـالات برابـر در نظـر گرفتـهشده است.
جابجايي جانبي خطلوله براي دو حالت با توجه به ثابت بودن طول وينچهـا در طـول تحليـ ل تغييـري نـدارد ونيروي موج باعث افزايش نيروي محـوري در خـطلولـهميشود .شكل 9 نيروي محوري در طول خطلوله بـرايدو حالت حضور موج و جريان و حضور جريـان و بـدونم وج نش ان م يده د. همچن ين ش كل 01 م اكزيمم مشاهده ميشود ماكزيمم جابجايي قائم براي شرايط حضور موج در مقايسه با عدم حضور آن بيشتر است.
همانگونه كه پيش از اين اشاره شد، عامل تاثير گذار در جايجايي قائم خطلوله وزن و نيروي شناوري است.
همچنين نيروي شناوري رابطه مستقيم با ارتفاع ستون آب بالاي خطلوله دارد، بنابراين اختلاف جابجايي قائم در دو حالت ناشي از كاهش ارتفاع ستون آب بالاي خطلوله به علت حضيض موج ميباشد.

شكل 10- ماكزيمم جابجائي قائم خط لوله با طول 1200 متر و سرعت 5 كيلومتربرساعت براي دو حالت حضور موج
و بدون آن

شكل 11 و شـكل21 مـاكزيمم لنگرخمشـي ناشـي ازجابجايي جانبي و قائم خطلوله را براي دو حالت مذكور نشان ميدهد. مشاهده ميشود تغييرات لنگرخمشي در طول خطلوله ناشي از انحناي جانبي بـراي حـالتي كـهفقط تحت اثر جريان قـرار دارد، كـم بـوده و بيشـترينمقدار در انتهاي خطلوله رخ ميدهد. با اعمال مـوج بـهخطلوله به رغم ثابت بودن جابجايي جانبي كلـي خـط-
لوله، لنگرخمشي به ويژه در نزديكي دو انتهاي خطلوله افزايش قابل توجهي دارد. براي توجيه اين مسئله مـ ي-توان گفت كه نيروي موج باعث ايجاد انحناي محلـي دردو انتهاي خطلوله ميشود. انحناي محلي ايجـاد شـدهدر دو انتهاي خطلوله با نزديك شدن به مركز خطلولـهميرا ميشود ،به طوري كه لنگرخمشي در مركـز خـط-لوله بسيار نزديك به لنگرخمشي در حالت بـدون مـوج
مـ يشـو د. ايـن مسـئله در مـورد لنگرخمشـي ناش ي ازانحناي قائم نيز برقرار است و براي حالـت حضـور مـوجم اكزيمم مق دار در نزديك ي دو انته اي خ طلول ه رخ ميدهد و در مركز خطلوله بسيار نزديك به حالت بدون موج ميباشد.

24– بررسي سرعت حركت يدككش
براي بررسي تاثير سرعت حركـت يـدككـ ش، يـكنمونه خطلوله به طـول 400 متـر مـدل شـده و بـرايسرعتهاي 3 ، 7 ، 01 و 51 كيلومتر بر سـاعت يـدك-كشها تحليل انجام شده است. فاصـله يـدككـ شهـا وطول وينچها در طول تحليل ثابت و براي كليـه حـالاتيكسان در نظر گرفته شده است. موج مـنظم بـا ارتفـاع8/1 متر و پريود8/4 ثانيه و جريان در جهـت عمـود بـرراستاي خطلوله مطابق جدول 4 اعمال شده است.
افزايش سرعت حركت باعـث افـزايش نيـروي كششـيمورد نياز براي كشيدن خطلوله ميشود. يدككش جلو بايد ظرفيت غلبه بر وزن شناور خطلوله و نيروهاي موج و جريان به ويژه نيـروي درگ را داشـته باشـند. شـناوربودن خطلوله و كـاهش وزن آن باعـث كـاهش نيـرويكششي مورد نياز ميشود، از طرفي مخازن شـناوري درطول خط لوله باعث افزايش نيروي درگ و بـه تبـع آنافزايش نيروي كششي مورد نياز ميشوند.
افزايش سرعت حركت همچنين باعـث كـاهش نيـرويكششي در انتهاي خـ طلولـه در مقايسـه بـا ابتـداي آن ميشود. كـاهش نيـروي كششـي باعـث افـزايش آزاديحركت در انتهاي خط لوله و به تبع آن افزايش تنشهـاميشود، بنابراين با كنتـرل نيـروي كششـي در انتهـايخطلوله به وسيله يدك كش عقب ميتـوان تـنشهـا راكاهش داد.
شكل 31 نيـروي كششـي در طـول خـ طلولـه را بـراي
سرعت هاي 3 ، 7 ، 01 و 51 كيلومتر بر ساعت يـد ك-كشها نشان ميدهد. مشاهده ميشود با افزايش سرعت اختلاف نيروي كششي ابتدا و انتهاي خطلوله بـا شـدتبيشتري افزايش مييابد به طوري كه با افزايش سـرعت
از 01 به 51 كيلومتر بر ساعت، اختلاف نيروي كششـيابتدا و انتهاي خطلوله 13/2برابر ميشود. به عبـارتي بـاتوان 2 سرعت رابطه مستقيم دارد.

شكل 11- ماكزيمم لنگرخمشي ناشي از انحناي جانبي در طول خط لوله به طول 1200 متر و سرعت 5 كيلومتربرساعت
براي دو حالت حضور موج و بدون آن

شكل 12- ماكزيمم لنگرخمشي ناشي از انحناي قائم در طول خطلوله به طول 1200 متر و سرعت 5 كيلومتربرساعت براي دو حالت حضور موج و بدون آن
كه نشان دهنده اثر نيروي درگ ميباشد. اين مسئله همچنين باعث افزايش تنشخمشي در انتهاي خطلوله ناشي از نزديك شدن انحناي جانبي و افزايش آزادي حركت در انتهاي خط لوله، ميشود.
با افزايش سرعت، تنش خمشي در انتهاي خطلوله افزايش و در طول خطلوله كاهش مييابد و براي سرعت هاي بالا اختلاف تنش خمشي در طول خطلوله قابل توجه ميشود به طوري كه براي سرعت 01 كيلومتر بر ساعت تنش خمشي در انتهاي خطلوله 5/2 برابر ساير قسمتهاي خطلوله ميباشد.
افزايش سرعت حركت اگر چه باعث كاهش تنش محوري در انتهاي خطلوله ميشود، ولي تاثير اين
كاهش در مقايسه با افزايش تنش خمشي كم ميباشد ،بنابراين تنش معادل در انتهاي خطلوله با افزايش
سرعت افزايش مييابد. عكس اين حالات در ابتداي خطلوله رخ ميدهد و با افزايش سرعت حركت يدك-
كش، تنش محوري به مقدار قابل توجه افزايش مييابد و تنش خمشي كمي كاهش مييابد. بنابراين در مجموع تنش معادل افزايش مييابد. جدول 9 مقادير ماكزيمم تنش محوري، تنش خمشي، تنش معادل و نيروي محوري در ابتدا و انتهاي خطلوله را براي سرعتهاي مختلف حركت نشان ميدهد.

شكل 13- ماكزيمم نيرويكششي خطلوله با طول 400 متر براي سرعت حركت 3، 7، 10و 15كيلومتربرساعت

4-3 – بررسي تاثير زاويه برخورد موج
براي بررسي تاثير زاويه برخورد موج و جريان يك نمونه خطلوله به طول 400 متر مدل شده است و براي زواياي 0 ، 03 ، 06 ، 09 ، 120 ، 150 ، 180 درجه برخورد موج و جريان تحليل انجام شده است. سرعت حركت يدككشها براي كليه حالات 5 كيلومتر بر ساعت در نظر گرفته شده است و فاصله آنها و طول وينچ در طول تحليل ثابت 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.
با توجه به اينكه خطلوله در حال كشيده شدن است ماكزيمم جابجائي جانبي آن به انتهاي خطلوله نزديك ميشود و زماني كه موج با زواياي بزرگتر از 09 درجه به خطلوله اعمال ميشود، جابجائي جانبي ماكزيمم به انتهاي خطلوله نزديكتر ميشود، به طوري كه براي زاويه 150 درجه بيشترين جابجائي جانبي در انتهاي خطلوله را داريم. همچنين مشاهده مي شود براي زاويه 06 درجه بيشترين جابجائي جانبي در ابتداي خطلوله به وجود ميآيد .با بررسي لنگر خمشي ناشي از انحناي جانبي مشخص ميشود براي زاويه 150 درجه بيشترين
لنگر خمشي را وجود دارد. اين مسئله ناشي از دو عامل است، يكي حركت خطلوله كه باعث نزديك شدن ماكزيمم جابجائي جانبي به انتهاي خطلوله و به تبع آن افزايش انحناي جانبي و كاهش نيروي كششي كه باعث

افزايش آزادي حركت در انتهاي خط ميشود و عامل ديگر زاويه برخورد موج و جريان است كه تقريبا” عمود بر انحناي ماكزيمم خطلوله بوده و باعث ايجاد انحناي محلي و گسترش آن در طول خطلوله ميشود .
جدول 9- مقادير ماكزيمم تنش و نيروي محوري خط لوله براي سرعتهاي حركت 3، 7، 10و 51 كيلومتربرساعت

تنش معادل [MPa] تنش خمشي [MPa] تنش محوري [MPa] نيروي محوري در انتهاي خطلوله [KN] نيروي محوري در ابتداي خطلوله [KN] سرعت حركت يدككش
[Km/hr]
101 76 40 610 690 3
124 88 57 750 995 7
142 98 74 830 1300 10
175 124 110 960 1940 15
جابجائي ماكزيمم قائم خطلوله براي زواياي مختلف تغيير محسوسي ندارد ولي زاويه برخورد موج و جريان باعث ايجاد انحنا محلي در خطلوله و گسترش آن در كل طول آن ميشود .مشابه لنگر ناشي از انحناي جانبي، زاويه 150 درجه بيشترين لنگر خمشي ناشي از انحناي قائم را دارد و براي زواياي 0 و 180 درجه كه جهت موج و جريان در راستاي خطلوله ميباشد ،افزايش قابل توجهي در مقايسه با زاويه 09 درجه مشاهده ميشود .
زاويه برخورد موج و جريان باعث ايجاد نيروي كششي مختلف در خطلوله در حال كشيدن ميشود. براي زوايايي كه هم جهت يا نزديك به جهت حركت خط-لوله ميباشند، نيروي كششي مورد نياز براي غلبه بر نيروي هيدروديناميك كاهش مييابد و با افزايش زاويه بين جهت حركت خطلوله با موج و جريان اين نيرو افزايش مييابد. براي زاويه صفر درجه كمترين نيروي كششي در خطلوله ايجاد ميشود و امكان افزايش سرعت حركت را ايجاد ميكند و بيشترين نيروي كششي براي زواياي 60، 09 و 120 درجه و يا به عبارتي زواياي نزديك به جهت عمود بر راستاي خط –
لوله رخ ميدهد. نكته قابل ذكر ديگر افزايش اختلاف
نيروي كششي دو انتهاي خطلوله با افزايش زوايه برخورد براي زواياي بزرگتر از 09 درجه ميباشد. از طرفي براي زواياي كوچكتر از 09 درجه اين اختلاف كاهش مييابد.
5- نتايج تحليلها براي خطلوله در حين قراردادن روي بستر دريا
در روش نصب خطلوله با روش كشيدن در سطح آب، پس از رسيدن به محل، خطلوله با آزادسازي تدريجي مخازن شناوري روي بستر دريا قرار ميگيرد.
مدل مورد مطالعه براي اين حالت شامل يك نمونه خطلوله با طول 400 متر است كه ابتداي خطلوله به شمع كوبيده شده در محل مهار شده است و انتهاي آن نيز به وسيله كابل به وينچ يدككش متصل است و نيروي كششي ثابتي به خطلوله اعمال مي كند (شكل 41).
مخازن شناوري به وسيله المان ارتباط دهنده به خط-لوله متصل است و در طول تحليل با آزادسازي المان ارتباط دهنده آزاد ميشوند. در هر گام زماني يك المان ارتباط دهنده آزاد ميشود و طول هر گام زماني 100 ثانيه در نظر گرفته شده است، به طوري كه حركتهاي خطلوله بعد از هر آزاد سازي پايدار شود. مشخصات بستر نيز مطابق جدول 01 در نظر گرفته شده است. قابل ذكر است، برنامه قابليت در نظر گرفتن اندركش خاك و خط لوله را ندارد و بستر دريا را با يك سري فنر با سختي مشخص در نظر ميگيرد. در ادامه به بررسي نتايج در حين قراردادن خطلوله روي بستر دريا ميپردازيم.

جدول 10- مشخصات بستر دريا
1/0 ضريب اصطكاك جانبي
0/5 ضريب اصطكاك محوري
100 سختي خاك [KPa]

5-1- بررسي تاثير موج برخوردي
براي بررسي تاثير ارتفاع موج برخوردي در حين قرار دادن خطلوله روي بستر دريا، تحليل براي خطلوله
به طول 400 متر و در عمق 01 متري و براي شرايط بدون موج و موج منظم با ارتفاعهاي مختلف مطابق جدول 11 انجام شده است. جريان نيز مطابق جدول 4 در نظر گرفته شده است و موج و جريان در راستاي خطلوله و در جهت قرار دادن خطلوله روي بستر دريا، اعمال ميشوند. در طول تحليل انتهاي خطلوله با نيروي ثابت 100 كيلو نيوتن كشيده ميشود .
شكل 51 لنگرخمشي ماكزيمم ناشي از انحناي قائم در طول خطلوله را براي ارتفاعهاي موج 0، 5/0 و 1/0 متري نشان ميدهد. قابل ذكر است لنگرخمشي مثبت ناشي از انحناي كوژ (انحناي كلي روي سطح آب) و لنگرخمشي منفي ناشي از انحناي كاو (انحناي كلي روي



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید