بخشی از مقاله
چکیده
امروزه با توجه به گسترش نیازهای بشر به منابع انرﮊی مختلف، بهره برداری از منابع هیدروکربنی موجود در فلات قاره دریاها، بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. برای این منظور انواع مختلف سکوهای دریائی طراحی و مورد استفاده قرار می گیرند. یکی از انواع متداول این سکوها، سکوهای ثابت شابلونی - Jacket platforms - می باشند که از المانهای لوله ای ساخته می شوند. طراحی این سازه ها در چند دهه اخیر مورد مطالعه قرار گرفته و آئین نامه های طراحی مختلف از قبیل [1] API و [2 ] DNV و غیره برای این منظور تدوین گردیده است.
در چند سال اخیر ، آنالیز و طراحی خستگی اتصالات لوله ای این سازه ها مورد توجه فراوان محققان قرار گرفته است، چرا که طراحی مطمئن یک سکوی فولادی، نهایتا به استحکام کافی اتصالات بین المانهای لوله ای آن بستگی خواهد داشت. در حال حاضر، مهمترین عامل بوجود آمدن گسیختگی در سازه های دریائی، بوجود آمدن خستگی همراه با خوردگی در اتصالات مذکور است. عامل بوجود آمدن خستگی، توسعه تدریجی نواقص موجود در فلز بر اثر بارهای نوسانی وارد بر آن ناشی از امواج دریا می باشد. البته نیروهای دیگری از قبیل نیروهای وارده در طول انتقال و نصب و ...، نیز باعث خستگی سازه میشوند، اما خستگی ناشی از امواج از اهمیت فراوانی برخوردار است.
این مقاله به بررسی رفتار خستگی اتصالات لوله ای یک سکوی ثابت شابلونی واقع در آبهای خلیج فارس می پردازد. بدین منظور، سکوی مذکور، بر اثر بارهای ناشی از امواج و جریانهای دریائی، توسط نرم افزار ANSYS، مورد تحلیل دینامیکی قرار گرفته است. با انجام این تحلیل دینامیکی و بدست آوردن الگو های بارگذاری در اتصالات، تحلیل خستگی اتصال بحرانی سکو برای بدست آوردن ضریب کاربری - usage factor - و عمر خستگی اتصال - fatigue life - انجام گردیده است.
همچنین در این تحلیل های انجام شده، درصد تاثیر هر یک از نیروهای محوری، لنگرهای خمشی درون صفحه ای و برون صفحه ای داخل اعضا، در خستگی اتصال مورد نظر، بررسی گردیده است. نتایج تحلیلهای خستگی بر اساس ملاکهای ارائه شده توسط دو آئین نامهDNV و API مورد ارزیابی قرار گرفته و با هم مقایسه گردیده است.
١- مقدمه
امروزه مقاطع لولهای فلزی توخالی، بصورت گستردهای در سازههای فراساحلی همانند سکوهای ثابت شابلونی، بکارگرفته میشوند. دراین نوع سازهها، مقاطع لولهای توسط جوش به هم متصل شده اند
بطوریکه کلیه اعضای فرعی - brace - و اصلی - chord - در یک صفحه و یا در چند صفحه قرار گرفتهاند.
بررسی رفتار چنین اتصالاتی ، علی رغم شکلساده آنها، مشکل و پیچیده است، بطوریکه برای طراحی خستگی اتصالات، معیارهای زیادی را بایستی مد نظر قرار داد، چرا که این قسمتها تحت تمرکز تنش شدیدی قرار داشته بطوریکه این تنشها گاهی در حدود ٢٠ برابر تنش اسمی نیز شده است. همچنین احتمال وجود نواقص در جوشکاری و یا اشکالات در اجرای اتصال، باعث تشدید در این امر میگردد.
آنالیز وطراحی اتصالات لولهای در چند دهه اخیر مورد توجه فراوان محققان قرارگرفته است بطوریکه مطالعات زیادی توسط افرادی از قبیل Van der Valk - ١٩٩١ - ، Healy - ١٩٩٤ - ، Van der Vegte - ١٩٩٥ - ، - 1996 - Lee and Wilmshurst، Lee et. al. - ١٩٩٥ - ، Dexter et. al. - ١٩٩٦ - ، انجام گرفته است، زیرا طراحی مطمئن یک سکوی فولادی، نهایتا به استحکامکافی اتصالات بین المانهای لولهای آن بستگیخواهدداشت .
مطالعات مذکور اغلب بر روی تعیین ضرائب تمرکز تنش - Stress Concentration Factors - در انواع مختلف اتصالات از قبیل KK,K,TT,T و ...، تحت اثر نیروی محوری تنها، لنگرهای خمشی درون صفحهای - - In-Plan Bending یا برون صفحه ایتنها - - Out-of-Plan Bending متمرکز شده است.
در مطالعه انجام گرفته در این مقاله، اثرات هر یک از نیروهای محوری، لنگر خمشی درون صفحه ای و برون صفحه ای در میزان خستگی اتصال و ترکیبات تنشهای حاصله از این سه نیروی داخلی با استفاده از آئین نامه های DNV و API و تعیین عمر خستگی اتصال با استفاده از ترکیب تنشهای حاصله ارائه شده است.
٢- رفتار سکوهای ثابت در برابر امواج در محیط دریا
سکوهای دریائی تحت تاثیر عوامل محیطی زیادی از قبیل باد، امواج، جریانها و زلزله قرار دارند. در این میان، امواج از جمله نیروهای تناوبی مهم می باشند که بر سازه اثر کرده و در نتیجه تنشهای تناوبی دراعضای سازه ایجاد میگردد. این تنشهای تناوبی میتواند منجربه خستگی سازه گردد.
١-٢- رفتار خستگی سکوهای ثابت در محیط دریا
با وقوع خستگی در سازه، ترکهای ریزموجود و یا ایجاد شده در سازه بتدریج گسترش یافته ، که میتواند باعث کاهش باربری سازه گردد. این کاهش باربری سازه میتواند تا حدی پیش رود که سازه دیگر نتواند باری را تحمل کند و در این مرحله است که خرابی سازه پیش میآید. در سکوهای دریائی شابلونی، خستگی اغلب در نقاط حساسی از جمله اتصالات لوله ای اتفاق می افتد. در این مناطق، به علت ایجاد تمرکز تنش، مساله خستگی از اهمیت زیادی برخوردار است. بنابراین هر اتصال سکو و در نتیجه هر سازه سکو، دارای یک عمر خستگی چندین ساله است که می باید بزرگتر یا مساوی عمر مفید طراحی باشد.
١-١-٢- پارامترهای موثر در رفتار خستگی اتصالات مسالهخستگی دراتصالات سکوهای دریائی به پارامترهای مختلفی از جمله بارگذاری محیطی ناشی از موج، ضرائب تمرکز تنش، منحنی S-N و روشهای جوشکاری و ساخت بستگی دارد. برای بررسی هر یک از پارامترهای ذکر شده و در نهایت بررسی خستگی اتصال، بایستی یکسری آنالیزهائی بر روی اتصال انجام گیرد.
-2-1-2 عوامل اساسی موثر در شکستیاخرابی خستگی از عوامل اساسی موثر در خرابیناشی از خستگی میتوان به مواردی از قبیل تعداد سیکلهای بارگذاری، محدوده تنش تجربه شده در هر سیکل بار، متوسط تنش تجربه شده در هر سیکل بار، وقوع تمرکزهای تنشاسمیو... اشاره نمود.
٢-٢- روشهای آنالیز خستگی
روشهای مختلفی برای آنالیز خستگی سکوها درآئین نامههائی همچون API و DNV ارائه شده است.
از جمله این روشها می توان به روش معین - Deterministic - و روش طیفی - - Spectral اشاره نمود. در روش معین، خسارت و آسیب خستگی توسط تعدادی از امواج منظم به عنوان نمایندهای از حالت دریا تعیین می شود . براساس این روش اثر هر موج بطور مجزا به سازه اعمال میشود. محاسبات مربوط به نیروهای ناشی از امواج، براساس معادله موریسون وبا استفاده از تئوری موج مناسب، انجام میگردد.
به این ترتیب اطلاعات مربوط به نیروهای وارده جهت آنالیز سازه فراهم میشود . با انجام آنالیزهای مربوطه و تعیین محدوده تنش - Stress range - در نقطه بحرانی مورد مطالعه، تعداد سیکلهای مجاز - N - برای دامنه تنش مربوطه از روی منحنیهای S-N مصالح بکار رفته در سازه تعیین شده و با تعداد طبیعی امواج - n - در طی سال مقایسه گردیده و ضریب کاربری بصورت زیر حاصل میشود. عمرخستگی سازه، نسبت معکوس با میزان خسارت اتصال - D - حاصل شده از فرمول ذیل خواهد داشت.
در آئین نامه API، فرمول فوق بنام اصل قانون تجمعی - - Palmgren-Miner در تعیین میزان خسارت در سکو، مورد استفاده قرار میگیرد. در تحلیل خستگی به روش طیفی طبیعت تصادفی امواج دریا در نظر گرفته میشود. در این حالت با یک روش منطقی، میتوان رابطه ای بین عمر اتصالات وارتفاع موج و محدوده های تنش بدست آورد.
علاوه بر دو روش فوق، روش دیگری که در حقیقت تلفیقی از این دو میباشد ودر سال ١٩٩٦ توسط - Bishop and Feng - تحت عنوان روش معین- طیفی - Deterministic-spectral fatigue analysis - معرفی گردیده برای تحلیل خستگی مورد استفاده قرار میگیرد.
