3049-101187

نشریه مهندسی دریــا سال دهم/ شماره 20/ پاییز و زمستان 1393(79 -88)
ارزیابی روابط نیرو-تغییرمکان اعضاي لوله اي فولادي تحت ضربه جانبی شبه استاتیکی سقوط اجسام
مهدي عزتی1*، مصطفی زین الدینی2، طاهره مسعودي3

کارشناس ارشد سازه هاي دریایی، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی؛ [email protected]
استاد، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی؛ [email protected]
کارشناس ارشد سازه هاي دریایی، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی؛ [email protected]
260908810007600

اطلاعات مقاله

چکیده

چکیده

در این پژوهش ،از یک مدل عددي به منظور شبیه سازي پاسخ نیرو- تغییرمکان اعضاي لوله اي تحت ضربه جانبی بدون در نظر گرفتن فشار داخلی یا نیروي محوري استفاده شده و با روابط تحلیلی موجود در آیین نامه ها مقایسه شده است. در ابتدا دو آزمایش بر روي نمونه هاي کوچک مقیاس فولادي با درجه X70 و نسبت D/t 22 انجام شده و سپس مدل عددي با استفاده از نتایج آزمایشگاهی صحت سنجی شده است.
نتایج نشان می دهند که روابط تحلیلی براي شکل قرشدگی کروي و در حالتی که فشار داخلی وجود ندارد مقاومت جانبی بزرگتري را نسبت به نتایج آزمایشگاهی و عددي بیان می کنند. در انتها با استفاده از مدل عددي اثر عوامل مختلفی مانند نسبت D/t و نسبت d/D و تنش تسلیم بر مقاومت جانبی اعضاي لوله اي مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان دادند که مقاومت جانبی به ترتیب اهمیت توسط نسبت D/t و تنش تسلیم و نسبت d/D کنترل می شود. همچنین با مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازي عددي و روابط تحلیلی می توان اظهار داشت روابط تحلیلی به ازاي نسبت هاي D/t و d/D بزرگتر نتایج دقیق تري را ارائه می کنند. تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 24/11/1392 تاریخ پذیرش مقاله: 23/10/1393 تاریخ انتشار مقاله: 20/12/1393

کلمات کلیدي:
خط لوله
نیرو – تغییر مکان قرشدگی سنبه ضربه جانبی

Assessment of Force-Deflection Relations of Steel Tubular Members under
Lateral Quasi-Static Impacts from Dropped Objects

Mehdi Ezzati1*, Mostafa Zeinoddini2, Tahereh Masoudi3

MSc.,Department of Civil and Environmental Engineering, K.N.Toosi University of Technology, Tehran, Iran.
Professor, Department of Civil and Environmental Engineering, K.N.Toosi University of Technology, Tehran, Iran.
MSc., Department of Civil and Environmental Engineering, K.N.Toosi University of Technology, Tehran, Iran.

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ARTICLE INFO

ABSTRACT

Article History:
Received: 13 Feb. 2014
Accepted: 13 Jan. 2015
Available online: 11 Mar. 2015 In the current study a numerical simulation approach has been chosen to simulate the force-deflection response of tubular member under lateral impact in the absence of internal pressure or axial force and the results have then been compared with analytical relations. Two series small scale experiments were carried out by the

Keywords:
Offshore pipeline
Force-Deflection
Dent
Indentor
Lateral Impact

authors on X70 steel tubes and D/t of 22 and the numerical model has then been verified against experimental results.
The results show that the analytical relations estimate greater lateral resistance than experimental results for the spherical indentor and in the unpressurized tubular members. The numerical model has then been used to study the effect of D/t and d/D and resistance was governed by:yield stress on lateral resistance of steel tubes. It has been noticed that, the lateral 1) D/t ratio 2) Yield stress 3) d/D ratio.
The comparison between analytical and numerical results show that analytical relations are more accurate results for large D/t and d/D ratios.
مهدي عزتی و همکاران/ ارزیابی روابط نیرو-تغییرمکان اعضاي لوله اي فولادي تحت ضربه جانبی شبه استاتیکی سقوط اجسام
1 – مقدمه
امروزه اعضاي لوله اي یکی از اجزاء اصلی صنعت نفت و گاز، به منظور انتقال فراورده ها از نقطه اي به نقطه دیگر و همچنین به عنوان اعضاي سکوهاي نفتی شناخته می شوند. در اثر گسیختگی خطوط لوله احتمال بروز حوادثی مانند آتش سوزي، انفجار و… وجود دارد. از طرفی تعمیر خطوط لوله مستلزم صرف هزینه و زمان زیادي است، به همین دلیل ایمنی خطوط لوله از درجه اهمیت بالایی برخوردار است. برخورد اجسام سنگینی مانند تجهیزات حفاري، لنگر کشتی، ابزار ماهیگیري و… باعث ایجاد قرشدگی1 در خطوط لوله می شود. یکی از حالات خرابی که در فرایند اعمال قرشدگی باید در نظر گرفته شود، خرابی در اثر سوراخ شدن بدنه لوله است. از طرفی قرشدگی تا حد زیادي روي مقاومت لوله در برابر بارهاي بهره برداري، محیطی و خصوصاً بارهاي تناوبی تاثیرگذار است. بنابراین بررسی پاسخ نیرو- تغییرمکان2 در خطوط لوله قرشده، سال هاي زیادي است که مورد توجه محققین قرار گرفته است .فرنس و امدهل در سال 1980 با استفاده از مدل صلب- خمیري رابطه اي براي پاسخ عضو استوانه اي در برابر بار متمرکز پیشنهاد دادند که تنها شامل قرشدگی موضعی گوه شکل بود[1].
الیناس و واکر در سال 1983 با استفاده از یک روش نیمه تجربی یک عبارت براي پاسخ نیرو – تغییرشکل یک لوله داراي تکیه گاه هاي انتهایی بدست آوردند که داراي تطابق خوبی با نتایج آزمایشگاهی بود[2]. هوو و همکارانش در سال 1991، اعضاي لوله اي را تحت بارگذاري جانبی موضعی تحلیل کرده و روشی ارائه کردند که موضوع را به یک مسئله یک بعدي تبدیل می کند. با فرض مصالح صلب – خمیري عبارتی به صورت بسته بدست آمد[3]. زین الدینی و همکارانش در سال 2000 یک نسخه اصلاح شده از مدل ساده شده ویرزبیکی را استفاده کردند تا پاسخ لوله را در برابر بار جانبی منفرد آنالیز کنند و یک عبارت ساده براي مسیر نیرو- تغییرمکان پیشنهاد کردند[4]. بروکر در سال 2003 با انجام مطالعات پارامتریک در مدل سازي عددي رابطه اي را براي سنبه هایی3 با مقطع مستطیل پیشنهاد کرد[5]. لیو در سال 2004 یک آنالیز شبه استاتیک براي خطوط لوله تحت فشار انجام داد و یک رابطه ساده را بین نیرو و حداکثر قرشدگی بدست آورد. نشان داده شد که فشار p = pin – pout که در آن pin و pout به ترتیب فشار داخلی و فشار خارجی هستند، داراي تاثیر مهمی بر روي مقاومت لوله در برابر قرشدگی می باشد و براي عمق قرشدگی ثابت، نیروي قرشدگی خارجی بالاتري براي لوله تحت فشار p بالاتر مورد نیاز است[6]. در همان سال کارامانوس و همکارانش یک مدل تحلیلی ساده شده با استفاده از مکانیسم مفصل خمیري متحرك براي تعیین نیرو بر حسب عمق قرشدگی ارائه کردند. نتایج حاصل از این مدل نشان داد که وجود فشار خارجی تاثیر بسیار زیادي روي پاسخ یک لوله تحت بارگذاري جانبی دارد. حضور فشار داخلی، منجر به افزایش ظرفیت بار نهایی و ظرفیت جذب انرژي می شود که بوسیله مدل هاي اجزاء محدود نیز تایید شد[7]. هاید و همکارانش در سال 2005 رابطه اي بین نیرو و تغییرمکان با توجه به شکل قرارگیري بستر لوله پیشنهاد کردند[8]. در همان سال اثر حضور فشار داخلی را نیز مورد بررسی قرار دادند و رابطه پیشنهادي خود را تکمیل کردند[9]. آیین نامه هاي API و DNV نیز روابطی براي مسیر نیرو -تغییرمکان پیشنهاد کرده اند[10].
در ایـن پــژوهش چه ار نمونــه از روابــط تحلیل ی معتبــر نیــرو – تغییرمکان اعضاي لوله اي تحـت بارگـذاري جـانبی ارزیـابی شـده وتاثیر عوامل مختلف بر این رفتار بـه صـورت عـددي مـورد بررسـیقرارگرفته است. در ابتـدا دو آزمـایش بـر روي نمونـه هـاي کوچـکمقی اس انج ام ش ده و س پس م دل ع ددي ب ا اس تفاده از نت ایجآزمایشـگاهی ص حت س نجی ش ده اس ت. ش ایان ذک ر اس ت ک هشبیه سازي عددي نمونه هاي استوانه اي در این پژوهش، بـه صـورتبی نقص4 در نظر گرفته شده اند در حالی کـه حضـور ناراسـتی هـايهندســی مــی توانــد رفتــار اعضــاي لولــه اي را تحــت تــاثیر قــرار دهد[11و12].

2-تنظیمات آزمایشگاهی
لوله هاي مورد استفاده در این آزمایش ها از نوع X70 انتخاب شـدهاست که در اجراي لوله هاي فراساحل مورد استفاده قرار مـی گیرنـد.مشخصات مکانیکی لوله ها در جدول 1 ارائه شده است. نمونـه هـا ازلوله اي با قطـر خـارجی اولیـه (OD) 50 میلیمتـر و ضـخامت(t) 5 میلیمتر تراشکاري شده اند. دقت تراشکاري در این بخش در حـدود05/0 میلیمتر تخمین زده شده است. شکل 1 مشخصـات هندسـیلوله هاي مورد استفاده در آزمایش ها را نشان می دهد. طول کلی هر نمونه برابر 290 میلیمتر است.

جدول 1: مشخصات مکانیکی لوله
مدول
الاستیسیته(GPa) ازدیاد
طول تنش نهایی(MPa) تنش
تسلیم(MPa) درجه
لوله
225 %18 740 640 X70

هندسه بستر لوله به شکل زین اسبی و از مصالح فـولادي از جـنسCK45 انتخاب شده است. شکل 2 ابعاد هندسی بلوك بستر لوله را نشان می دهد. شـعاع هندسـه بسـتر قـدري بزرگتـر از شـعاع لولـهانتخاب شده است که در حین اعمال قرشدگی، لولـه بتوانـد تغییـرشکل آزادانه دهد.

شکل 1 – مشخصات هندسی نمونه هاي آزمایشگاهی (واحد mm)

شکل 2- مقطع هندسی بلوك بستر لوله (واحد mm). طول بلوك برابر با 65
میلیمتر است.

شکل 3 – مشخصات هندسی سنبه (واحد mm)

ج نس س نبه همانن د ج نس بس تر لول ه از ف ولاد ن وع CK45 و هندسهسنبه متشکل از استوانه اي تـو پـر اسـت کـه انتهـاي آن بـهصورت نیمکره اي با قطري(d) برابر 20 میلیمتر انتخاب شـده اسـت.
شکل 3 مشخصات هندسی سنبه را نشان می دهد.
آزمایش ها با اسـتفاده از دسـتگاه(Servo-Hydraulic Dynamic Instron 8502 Testing System) انجـام شـده اسـت. شـکل 4 نمایی کلی از نحوه انجام آزمایش را نشان می دهد. لازم به توضـیحاست که در این آزمایش ها هیچ گونه قیدي بـراي دو انتهـاي طـولینمونه در نظر گرفته نشده است .
مراحل انجام آزمایش را می توان به 3 بخش تقسیم کرد:
مماس کردن سنبه بر جـداره لولـه، کـه ایـن موضـوع بـااستفاده از قابلیت تنظیم نیرو در دستگاه Instron با دقت خوبی انجام شده است
اعمال قرشدگی به میزان مورد نظر
باربرداري تا نقطه اي که نیروي سنبه به صفر برسد دو سري آزمایش با مقـادیر مختلـف قرشـدگی انجـام شـده اسـت،آزمــایش اول بــه ازاي عمــق قرشــدگی 4 میلیمتــر(%9=X/D) و آزمایش دوم به ازاي عمق قرشدگی 7 میلیمتر(%16=X/D). در هـردو سري آزمایش، سرعت اعمال قرشدگی توسط دسـتگاه در حـدود2 میلیمتر بر دقیقه بوده است. نتایج حاصـل از آزمـایش هـاي اول ودوم در شکل هاي 8 و 9 ارائه شده است. همان طور که در شکل هاي 8 و 9 مشخص است پس از باربرداري مقداري از عمق قرشدگی بـهصورت ارتجاعی بازگردانده می شود که این موضوع بـا حضـور فشـارداخلی افزایش می یابد. طبق تحقیقات کیس و همکارانش در سـال2010، عمق قرشدگی در صورت حضور فشار داخلی در حدود 43% کاهش می یابد[13]. شـکل 10 نمـایی از دو نمونـه لولـه را پـس ازاعمال قرشدگی نشان می دهد.

شکل 4: نمایی کلی از اعمال قرشدگی در آزمایشگاه

به منظور مطالعه تاثیر پارامترهاي گوناگون بر رفتار نیرو-تغییرمکان اعضاي استوانه اي از شبیه سازي عددي استفاده شـده اسـت و نتـایجبا روابط تحلیلی مختلف مقایسه شده است.

3-شبیه سازي عددي
ب ا اس تفاده از م دل س اخته ش ده در ن رم اف زار اج زاي مح دودABAQUS آزمایش هاي انجام شده شـبیه سـازي و صـحت سـنجیشده اند .بخش هاي مختلف فرایند مدل سـازي بـدین صـورت مـوردبررسی قرار گرفته اند:
مختصات هندسی مساله
تعریف المان ها
تعریف مصالح
تعریف شرایط مرزي و شرایط اولیه
تعریف بارگذاري و مراحل انجام آنالیز
صحت سنجی مدل
هندسه مسئله شامل یک عضو با مقطع دایره (لوله) ، یک عضـو بـهعنوان سنبه و بسـتر لولـه مـی باشـد کـه بـه شـکل زینـی و صـلب مدل سازي شده است و ابعـاد آن هـا در بخـش 2 ذکـر شـده اسـت.
وضعیت هندسی مدل در شبیه سـازي آزمـایش هـاي مـذکور بـدینصورت می باشد که لوله بر روي بستر صلب مـورد نظـر قـرار دارد و سپس سنبه نیز در فاصله اي کم نسبت به نقطه فوقانی مقطع لوله و یا چسبیده به آن قرار می گیرد و سپس مقاومت جانبی عضو لوله اي مورد ارزیابی قرار گرفته است.
لوله مورد نظر با استفاده از المان پوسته اي S4R ساخته شده است .نمایی کلی از مدل ساخته شده و نحوه شن بندي در شکل 5 نمایش داده شده است .در خصوص وضعیت ابعاد المان ها در طـول لولـه بـاتوجه به حساسیت بیشتر مسئله در نزدیکی محل برخـورد، در ایـنمحل بعد طولی المان ها ریزتر انتخاب گشته و طول و عرض المان ها در این محـل تـا حـدود زیـادي بـه هـم نزدیـک هسـتند. ولـی درمحل هاي دور از ناحیه برخورد، با توجه به حساسیت کمتر مسئله از المان هایی با طول بیشتر استفاده شده است. سنبه مورد استفاده در مدل توسط المان هـاي سـه بعـدي پیوسـته و بسـتر توسـط المـانپوسته اي المان بندي شده است که نهایتاً با توجه بـه سـختی بـالايسنبه و بستر در برابر جداره لوله، سنبه و بستر صلب فرض گشـته وتوسط قید جسم صلب5 از حالت شکل پذیري خارج شده است.

لوله

عضو
اي

سنبه

بستر



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید