بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
اثر روئیدنی های دریایی بر تغییرات نیروی ثقلی و جانبی وارد بر جکت سرچاهی SPD21 منطقه گازی پارس جنوبی
چکیده
هدف از این تحقیق مطالعه تاثیر زبری ناشی از رشد روئیدنی های دریایی در گام های زمانی خاص، بر تغییرات نیروی ثقلی و جانبی ناشی از شرایط دریا بر جکت می باشد. به این منظور و برای ملموس نمودن نتایج، سکوی چهار پایه سرچاهی SPD21، مستقر در فاز نوزدهم منطقه پارس جنوبی مدلسازی و مورد مطالعه قرار گرفته است. علاوه بر این و با توجه به کاربرد آیین نامه های گوناگون در بحث پیش رو سعی شده است تا توصیه های مربوطه استاندارها در بحث روئیدنی های دریایی معرفی شود. در نهایت با بررسی خروجی ها نشان خواهد داده شد که حضور روئیدنی های دریایی روی سکوی نمونه، بار ثقلی را تا 10 درصد و بار جانبی را در اوج رشد روئیدنی ها از 44 تا 66 درصد افزایش خواهد داد.
کلمات کلیدی: روئیدنی های دریایی، اثر زبری، ضرایب هیدرودینامیک، جکت دریایی، نیروی جانبی، نیروی ثقلی
.1 مقدمه
شناخت پدیده های تاثیر گذار بر یک سیستم از مقتضیاتی است که باعث درک بهتر رفتار سیستم و پیشبینی دقیقتر رفتار آتی آن می شود. عوامل تاثیر گذار بر سازه های دور از ساحل را می توان در سه ریشه دریا، زمین و سازه مطالعه نمود که از این میان دریا با توجه به ساختار زنده و ماهیت تصادفی آن، تاثیرگذار ترین عامل بر رفتار تصادفی و پیشبینی نشده سازه دریایی است.
از بین اثرات متنوع دریا بر یک سازه دریایی، رشد روئیدنی های دریایی اثری سوء بر عملکرد سازه دارد. این عامل باعث خوردگی، افزایش بار ثقلی، افزایش بارهای جانبی، افزایش بار افزوده و تغییر پریود می شود، که مطالعه مقدار و نحوه تاثیر گذاری آنها از الزامات هر طراحی ایمن است.
امروزه و با توجه به پیشرفت مباحث بهینه سازی و افزایش طول عمر سازه های دریایی، شناخت، بازبینی و اعمال اثر عوامل جزئی تر و به خصوص آن عواملی که در گذشته اطلاعات کمی از آنها در دسترس بود (از جمله روئیدنی های دریایی) از ارکان ارائه یک طرح بهینه سازی موثر می باشد که هدف گذاری محققان در مطالعه جزئی تر عوامل را توجیح می کند.
نگاه ویژه محققان به جزئیات تاثیر گذار بر سازه های دریایی منطقه خلیج فارس با توجه به خصوصیات منحصر به فرد زیست دریایی و اهمیت جایگاه این سازه ها در تامین منابع جهانی، از جمله ملزوماتی است که تضمین کننده ایمنی پرسنل و سازه و همچنین استمرار استخراج است .
.2 روئیدنی های دریایی
روئیدنی های دریایی شامل گیاهان، جانوران و ارگانیزم هایی فرصت طلب می باشند که روی سطوح طبیعی و مصنوعی مستقرق با نیمه مستقرق رشد می کنند. حضور این موجودات زنده روی یک سازه از اولین لحظات ورود آن به آب، با چسبیدن موجودات میکروسکوپی آغاز می شود.
ماهیت روئیدنی های دریایی با توجه به گونه تشکیل دهنده آن، شامل خصوصیاتی مختلف است که حوزه مطالعه آنها در بحث طراحی سازه های دریایی معمولا منحصر به نرخ و سطح رشد و مشخصات فیزیکی و شیمیایی آنهاست. [1]
مطابق مطالعات آژانس اقلیم شناسی نروژ، شروع رشد محسوس روئیدنی های دریایی چند ماه بعد از نصب سازه شروع می شود. سازه در طول عمر خود میزبان گونه های مختلفی از روئدنی های دریایی است که نوع و خصوصیات رشد آنها تابع عوامل مختلفی همچون شرایط بیولوژیکی، خصوصیات جریان، عمق آب و فاصله استقرار از ساحل می باشد. [2]
.3 اثرات کلی روئیدنی های دریایی بر سازه های دریایی
به محض ورود سازه های دریایی به آب دریا، ارگانیزم های دریایی زنده سطوح تماس سازه و آب را می پوشانند. این پدیده با توجه به شیوه انتقال سازه دریایی به سایت استقرار از لحظه به آب اندازی سازه شروع می گردد.[4]
موقعیت جغرافیایی، فاصله از ساحل، خصوصیات بستر، عمق آب، ، نوع سازه، مصالح سازه، خصوصیات موج و جریان، دردسترس بودن نوع مواد غذایی، پارامتر های شیمایی آب دریا، شیوه حفاظت طراحی شده، فعالیت های انسان و سن استقرار از عوامل تاثیر گذار بر خصوصیات مختلف روئیدنی های دریایی است.[5]
مطالعات و بازرسی های اخیر نشان داده است که گونه های مختلف روئیدنی ها، تاثیرات متفاوتی بر سازه دارد. افزایش قطر اعضا با توجه به نوع ارگانیزم، از ابعاد میکروسکوپی آغاز شده و در موارد خاص به 70 سانتیمتر هم خواهد رسید. مطالعات تغییر ضرایب هیدرودینامیک نشان دهنده این است که علی رقم تاثیر افزایشی ضرایب هیدرودینامیک با رشد روئیدنی ها، در بعضی موارد و در آغاز رشد روئیدنی ها، به علت پر شدن خلل و فرج فولاد به وسیله گونه های ریز و نرم، شاهد کاهش ضرایب زبری خواهیم بود. اما از این میان و در حیطه پیشبینی مقدار صحیح بار ثقلی اضافه شده به سازه، مدارکی در حال انتشار است که نشان می دهد که تخمین صحیحی از چگالی و حجم رشد گیاهان دریایی در دریای شمال صورت نگرفته و مقادیر وزنی روئیدنی ها در بعضی موارد بسیار کمتر از وزن طراحی است. [1]
.4 اثر روئیدنی های دریایی بر افزایش نیروی ثقلی
روئیدنی های دریایی با اتصال به اعضای سازه باعث افزایش وزن کلی سازه می شوند. مقدار این افزایش با توجه به حجم و چگالی نوع ارگانیسم متفاوت می باشد. با دسته بندی روئیدنی های دریایی به دو دسته نرم و سخت، میتوان مشخصات آنها را مطالعه نمود.
-1 روئیدنی های دریایی نرم به آن دسته از ارگانسیم ها می گویند که معمولا ساختاری نرم و وزن مخصوصی نزدیکی به وزن مخصوص آب دارند و ضخامت رشد آنها کم می باشد. از جمله این گونه ها می توان به باکتری ها، اسفنج ها، جلبک ها و علف های دریایی اشاره نمود.
-2 روئیدنی های دریایی سخت نیز آن دسته از گونه های هستند که به علت سخت بودن اسکلت یا پوسته، تغییر شکل کمتر در اثر جریانهای آبی داشته و وزن مخصوصی بالاتر دارند. این گونه معمولا در سن های بالاتر سازه دیده شده و ضخامت رشد بیشتر دارند. به عنوان مثال صدف ها و شقایق های دریایی از این جمله هستند.[1]
در حوزه طراحی با توجه به در نظر گرفتن عمر طراحی عملیاتی بین 20 تا 30 سال برای سازه های دریایی و همچنین ایجاد شرایط بحرانی تر به وسیله اعمال روئیدنی های سخت، مشخصات این گونه وارد محاسبات خواهد شد. استاندارد های تدوین شده در این حوزه معمولا منطقه ای بوده و اغلب بر برداشت های میدانی تاکید دارند. به عنوان مثال استاندارد API عددی خاص برای ضخامت رشد و چگالی روئیدنی ها را مشخص ننموده یا استاندارد DNV جدول زیر را برای دریای شمال پیشنهاد داده است6] و :[7
.5 اثر روئیدنی های دریایی بر افزایش ضرایب هیدرودینامیک و نیروی جانبی
استفاده از فراوان از اعضای استوانه ای شکل در سازه های ساحلی و فراساحل، بررسی اندرکنش دریا و سازه سیلندری شکل را دارای اهمیت فراوانی نموده است. در این راستا مسئله اصلی پیش بینی صحیح نیروهای ناشی از میدان موج و جریان بر سازه دریایی می باشد. از آنجا که مطالعه تاثیرات شرایط دریا پیچیده است، کار تخمین تقریبی نیرو بر عهده فرمول هایی مثل معادله موریسون و کار اندازه گیری دقیق نیرو بر سازه دریایی به وسیله مدل های آزمایشگاهی یا عددی و کامپیوتری صورت می گیرد.
موریسون و همکاران در سال 1950 معادله زیر را برای تخمین نیروی وارد بر سازه استوانه ای پیشنهاد نمودند.[8]
این فرمول تاثیرات نیروی وارد بر سازه را به خصوصیات سرعت و شتاب ذرات سیال ربط می دهد و دو ضریب بی بعد اینرسی (CM) و درگ (CD) نحوه تاثیر زبری سطح سازه را بر تغییرات نیروی جانبی وارده اعمال می نمایند.
طی سالیان متمادی مطالعات زیادی برای تعیین دقیق مقدار و اثر عوامل گوناگون بر تغییرات ضرایب فوق صورت گرفته است که مدلسازی های آزمایشگاهی Sarakaya از کاربردی ترین این مطالعات بوده است. به صورت کلی نتیجه این مطالعات، در گراف هایی عرضه شده است که ضرایب را با توجه به دو عدد بی بعد رینولدز و کلوگن-کارپنتر مشخص می کند.[9]
استانداردهای معروف مورد استفاده در طراحی سازه های دریایی، همچون API , DNV نیز مقادیر ثابت و گراف هایی را برای تعیین این ضرایب توصیه نموده اند.
باشد، نحوه تغییرات این ضرایب با توجه به زمان است. طبق استاندارد API و مطالعات صورت گرفته می توان گفت، نرخ افزایش این ضرایب در 5 سال اول نصب سازه زیاد، و بعد از آن با افزایش سن سازه، شیب نرخ این تغییرات کاهش محسوس می یابد. البته واضح است که تعیین دقیق این تغییرات وابسته به استخراج دقیق اطلاعات میدانی حاصل از بازرسی های دوره ای می باشد.
علاوه بر اثر افزایش زبری بر افزایش نیروی جانبی وارده، افزایش قطر عضو ناشی از رشد روئیدنی های دریایی نیز باعث افزایش نیروی جانبی تولید شده خواهد شد. مقدار این افزایش قطر با توجه به تراز ارتفاعی موقعیت عضو متفاوت است به صورتی که طبق API بیشترین تجمع ارگانیسم ها در بالاترین نقطه به فاصله 1/5 متر بالاتر از میانگین فراکشندهای بالاتر (MHHW) تا عمق 30 متری می باشد. البته واضح است که بهترین گزینه تعیین مقادیر دقیق این اندازه گیری ها در مطالعات و بازرسی های منطقه ای است.[6]
6 - مدل و مدلسازی
سکوی SPD21 تنها سکوی نصب شده در فاز 21 می باشد که عمق استقراری برابر 61/1 متر را داراست. سکوی استخراج 4 پایه و سکوی پل و مشعل به صورت 3 پایه طراحی شده اند. قطر پایه های سکوی سرچاهی 60 اینچ و شامل 15 رایزر 26 اینچ جهت اتصال به چاه حفاری شده است. (مکاتبات شخصی، شرکت مهندسی و ساخت تاسیسات دریایی ایران، تابستان1394 )
مشخصات روئیدنی های دریایی و ضرایب هیدرودینامیکی با توجه به اندازه گیری های میدانی به شرح جداول زیر است:
** فاز دوم: در این حالت چند ماه پس از نصب سکو، روئیدنی های نرم (مثلا جلبک ها) به سازه اتصال پیدا کرده اند. این نوع روئیدنی به علت ساختار دارای آب زیاد دارای وزن مخصوص نزدیک به آب بوده و به علت شکل پذیری، دارای ضرایب هیدرودینامیکی سطوح نرم اند.
و فاز سوم: یک تا دو سال پس از نصب سازه در دریا، رشد روئیدنی ها به اندازه ای رسیده که قطر آن مورد توجه سختی آنها در تراز جزر و مدی، باعث بالا رفتن ضرایب زبری شده است.
