بخشی از مقاله
چکیده
در صنایع نفت ، گاز و پتروشیمی لوله های فایبرگلاس در توزیع و انتقال آب دریا و سیالات خورنده مورد استفاده قرار گرفته اند که شکستگی های پیاپی در طول مسیر ،ثبات و تداوم تولید را با مخاطرات بی شماری روبرو نموده است.لذا تحقیق وبررسی دلایل شکست این لوله ها مقوله بسیار مهمی باشد که می توان تاثیربسزایی در کاهش هزینه و ثبات تولید دارد. در این پژوهش اثر حضور حباب هوا در لوله فایبرگلاس با شش لایه تحت فشار سیال داخل لوله و بار ترافیک روی لوله بررسی شد و نتایج حاصل شده در نرم افزار آباکوس مورد آنالیز قرار گرفت . بحرانی ترین لایه که حفره در آن لایه قرار دارد مشخص شد .
پس از آنالیز نتایج حاکی است که حفره در لایه پنجم دارای بیشترین تنش می باشدو پس از آن با افزایش درصد الیاف به صورت جدا در لایه ششم و چهارم مشهود شد که با افزایش الیاف در لایه ششم باعث کاهش تنش در صورت وجود حفره هوا در لایه پنجم باشد می شود. به دلیل تازگی جنس الیاف و رزین بکار و محرمانه بودن نتایج آزمایشات لوله های فایبرگلاس نتایج حاصل شده با مدل لوله سالم مقایسه شد. برای راستی آزمایی نتایج به ضریب اطمینان طراحی دو اکتفا شده. تولید کننده با استفاده از نتایج فوق می تواند درصد بالایی از اثر عیب حفره را در تولید کاهش دهد.
واژه های کلیدی:لوله کامپوزیتی، فایبرگلاس،رزین ایزو،الیاف شیشه.
مقدمه
لوله های کامپوزیتی تحت عنوان فایبرگلاس به دلیل مزایای اقتصادی بالا جهت انتقال آب و سیالات خورنده در صنایع گوناگون استفاده می شود.به طوری که در صنایع نفت ، گاز و پتروشیمی همچنین انتقال آب وفاضلاب بصورت گسترده در حال بکارگیری می باشد.امروزه با توسعه کاربرد روز افزون این لوله ها در صنایع مختلف،بررسی دلایل شکست نقش بسزایی یافته است.با تحلیل دلایل شکست و برطرف نمودن آن می توان هزینه ها را کاهش داد.در مدل سازی های اولیه از روش اجزا محدود برای تحلیل پدیده حفره هوا استفاده می روش المان محدود برای تحلیل سازه های پیوسته ، روشی مبتنی بر اصل کار مجازی و اصل انرژی پتانسیل مینیمم است.[1]
در این پژوهش برای بررسی اثرات حفره هوا، به روش اجزا محدود پرداخته می شود. قطعات با نرم افزار آباکوس شبیه سازی شده و درشرایط بارگذاری استاتیک و دینامیکی ترافیک قرار داده می شود.خاک روی لوله مدفون و بار ترافیکی متحرک روی آن شبیه سازی شده و اثرات حفره هوا بر خواص مکانیک لوله فایبرگلاس بررسی می شود.اثر حفره در لایه های مختلف بررسی شد.آنالیز اثر حضور حفره هوا در لایه های سازه ای و یا لایه های پوششی رزین می تواند معیار مناسبی به تولیدکنندگان و بهره برداران این محصولات در راستای کنترل کیفیت و سلامت کالا بدهد. سرعت عمل بالا،کاهش هزینه آنالیز،دقت بالا و تعمیم پذیری و تغییر پذیری مدل از ویژگی های آنالیز المان محدود کامپوزیت هاست،تمام این مزیت ها سبب می شود که این روش بعنوان ی ک روش توانمند مدلسازی برای مسائل شامل ناپیوستگی مطرح گردد که می تواند مشکلات در سایر روش ها را برطرف سازد.[2]
اهمیت لوله های فایبرگلاس
انتخاب لوله فایبرگلاس به عنوان یک ماده با صرفه ،مقاوم در برابر خوردگی ، جایگزین بهتری در مقایسه با لوله های فولادی پوشش دار یا فولاد ضدزنگ و انواع فلزات دیگر می باشد.این لوله دارای استحکام و عمر مفید مناسب می باشد. در صورتی که این لوله ، اصولی تولید و نصب گردد بالغ بر 50سال کارایی دارد که این عمر ، دو تا سه برابر عمر مفید لوله های از جنس دیگر با قیمت مشابه می باشد.استفاده از آن ، سبب حذف پوشش های داخلی ،خارجی و یا حفاظت کاتدی در سیستم می گردد و هزینه تعمیر و نگه داری ان بسیار کم می باشد. لوله فایبرگلاس دارای انعطاف پذیری وسیعی در طراحی می باشد و در ناحیه وسیعی از قطرهای استاندارد کاربرد دارد.[3]بررسی دلایل شکست لوله های فایبرگلاس از اهمیت بسیاری برخوردار می باشد که متاسفانه به طور جدی توسط سازنده در نظر گرفته نمی شود این مسله باعث افزایش تعداد توقفهای فرایندی به دلیل شکست مداوم لوله های می گردد لوله های فایبرگلاس از الیاف شیشه با مواد پلیمری است که از پشم شیشه به عنوان ماده تقویت کننده و از مواد پلیمری به عنوان مواد زمینه استفاده می شود .[4]
تاریخچه تولید الیاف شیشه
مصریان باستان با استفاده از گرما، به وسیله الیاف خشنی از شیشه نرم شده ظروف شیشه ای می ساختند.در قرن 18 میلادی ریمور،دانشمند فرانسوی ملاحظه کرد الیاف شیشه نرم برای تبدیل شدن به پارچه شیشه ای تابیده شده قابلیت شکل پذیری دارد.در دهه 1930شرکت اونزکورننیگ برای اولین بار در کاربردهای الکتریکی در دمای بالا به مقدار قابل ملاحظه ای از الیاف شیشه استفاده کرد.مواد خام اولیه از جمله سیلیکات،سودا،خاک شیشه در کوره ذوب می شود و در یک مسیر افقی به سمت تقسیم کننده جریان می یابد [5]
الیاف
الیاف حجم قابل توجه از یک لوله فایبرگلاس را تشکیل می دهند - بیش از 70درصد - وظیفه اصلی الیاف ، تحمل بار اعمال شده به کامپوزیت می باشد. نوع لیف ، مقدار آن ها و آرایش یافتگی آن ها بسیار حائز اهمیت اند. .[1]
عوامل موثر بر استحکام الیاف
خواص الیاف شیشه علاوه بر مواد به کار رفته در ساختار آن ها به عوامل دیگری مانند شرایط محیطی - دما و رطوبت - و سرعت اعمال بار وابسته است به طوری که با افزایش رطوبت و یا دما ، استحکام الیاف کاهش می یابد .[6]
رزین
دومین جزء اصلی یک کامپوزیت رزین می باشد ، رزین نقش اساسی در خواص نظیر استحکام و مدول عرضی ، خواص برشی و خواص در حالت فشاری دارد ، اما نقش کمی در تحمل نیروهای کششی ایفا می کند. همچنین زمینه تاثیر مهمی بر استحکام برشی بین لایه ای و استحکام برشی صفحه ای دارد.
نقش رزین یا ماتریکس در کامپوزیت ها : الف - نگهداری الیاف در کناریکدیگر. ب - انتقال تنش به الیاف . ج - محافظت از الیاف در مقابل عوامل محیطی - نظیر رطوبت - . د - محافظت سطح الیاف از سایش
رزین پلی استر غیر اشباع - ایزو -
پلی استر های غیر اشباع ایزو ، با کد UPR-2220 بر پایه اسید ایزو فتالیک و این رزین محلول در استایرن می باشد. واکنش پذیری این رزین بالاست و ایزو خاصیت ضد آب دارد.جرم مولکولی زیاد و مشخصات خاص این رزین مقاومت مکانیکی بالایی به آن می بخشد.
کاربرد رزین ایزو
پلی استرهای غیر اشباع ایزو نیز در جهت تولید محصولات فایبرگلاس مناسب بوده و در ساخت انواع پلاستیک های مقاوم ، لوله های فایبرگلاس ، قایق و مخازن ضد اسید قابل استفاده می باشد.
روش های تولید لوله های فایبرگلاس
از مباحث بسیار مهم در شناسایی لوله های فایبرگلاس سیستمهای تولید این نوع لوله ها می باشد. سیستم های تولید لوله های فایبرگلاس را عمدتا می توان به سه دسته کلی تقسیم نمود:
-1قالبگیری
-2گریز از مرکز
3الیاف پیچی
فرایند شبیه سازی قطعه در نرم افزار المان محدودشبیه سازی برای حالت های مختلفی انجام خواهد شد.
مرحله طراحی لوله فایبرگلاس
برای انجام هر تحلیل در آباکوس باید ابتدا مدل هندسی مساله را ایجاد کنیم. برای انجام این کار باید پس از تعیین نوع مدل هندسی - یک بعدی، دو بعدی، پوسته ای1 ،سه بعدی - ، با استفاده از مجموعه دستورات ماژول پارت2 مدل هندسی را به وجود بیاوریم.
در مرحله بعد عیب حفره را در هر کدام از لایه ها جداگانه اعمال می کنیم حفره دارای ابعاد 0.002 × 0.002 متر می باشد و نتایج بدست آمده از هر کدام از لایه ها با یکدیگر مقایسه می کنیم.شکل 2 عیب حفره در یکی از لایه ها نشان داده شد.حفره در وسط لوله قرار دارد.
تعیین شرایط مرزی و بارگذاری لوله مدفون فایبرگلاس
پس از اختصاص مواد وتعیین مرحله تحلیل4 در قسمت بار گذاری5 نوع بار ، مقدار بار و شرایط مرزی 6 لوله فایبرگلاس مدفون در خاک شبیه سازی شد.
تعیین نوع مش بندی
برای ایجاد المان و مش بندی در نمونه. رسیدن به یک حل دقیق در تحلیل اجزا محدود، وابسته به ایجاد مش صحیح و کارامد است.تمامی المان ها یا از نوع المان های مکعبی7هستند
انتخاب بهترین اندازه مش بندی
یکی اساسی ترین مرحله ،مرحله انتخاب اندازه مش است .
نتایج
لوله فایبر گلاس زمانی که حفره در لایه پنجم باشد دارای بیشترین تنش می باشد که در این پژوهش ابتدا افزایش درصد الیاف در لایه ششم مورد بررسی قرار گرفته و تاثیر آن بر لایه پنجم مورد بررسی قرار گرفته است و سپس اثر افزایش درصد الیاف در لایه چهارم بر تنش لایه پنجم بررسی شده است.
حالت اول
افزایش درصدی الیاف در لایه ششم و اثر آن بر لایه پنجم در حضور عیب حفره در لایه پنجم.افزایش 10 درصدی الیاف در لایه ششم باعث کاهش 14.8 درصدی تنش در لایه پنجم می شود.
حالت دوم
افزایش درصدی الیاف در لایه چهارم و اثر آن بر لایه پنجم در حضور عیب حفره در لایه پنجم.
