بخشی از مقاله
چکیده
برر سی رفتار سکوهای نیمه شناور که برای انجام عملیات حفاری و ا ستخراج مواد هیدروکربنی در آبهای عمیق پرکاربرد میبا شند، دارای اهمیت زیادی است. بدلیل اهمیت و نقش سیستمهای مهاربندی در محدود نمودن حرکات سکو، در این مطالعه تاثیر مدلهای مختلف مهاربندی و همچنین نوع م صالح مهاربند بر روی پا سخ رفتار دینامیکی مورد برر سی قرار گرفته و روش عددی در حل معادلات حرکت همب سته - کوپل - برای تحلیل پاسخ سکو استفاده شده است.
نتایج بیانگر آنست که همانند تغییر در مدل مهاربندی، تغییر در مصالح نیز تاثیر زیادی بر روی پاسخ سکو میگذارد و از بین خواص مکانیکی؛ علاوه بر وزن، خاصیت ارتجاعی و اثرات هیدرودینامیکی سیستم مهاربندی نیز، نقش تعیینکنندهای بر روی این پاسخ دارند. با افزایش 2 برابری سختی و 50 درصدی چگالی وزنی مصالح، به طور متوسط پاسخ surge به میزان 6 درصد، پاسخ sway به میزان 8 در صد و پا سخ heave به میزان 14 در صد کاهش مییابد. همچنین م شاهده می شود در بع ضی موارد خا صیت ارتجاعی سی ستم مهاربندی پارامتر موثرتری نسبت به وزن سیستم مهاربندی میباشد و در پاسخ حرکت سکو تاثیر بیشتری دارد.
- 1 مقدمه
سکوهای نیمه شناور توسط سیستمهای مهاربندی مهار میشوند، سیستمهای مهاربندی به چند مدل مختلف تقسیم میشوندکه عبارتند از: کتنری - catenary - ، نیمهکشیده - semi taut - و کشیده . - taut - از سیستم مهاربندی کتنری در این سالها به طور گستردهای استفاده شده است و معمولاً از زنجیر، سیم و یا ترکیبی از آن ها ساخته می شود.
نیروی بازگرداننده یا نیروی مقاوم سیستم مهاربندی کتنری به وزن آن بستگی دارد. با افزایش عمق وزن بالای زنجیر به یک قید تبدیل میشود و حرکت سکو را محدودتر میکند. از ویژگیهای بارز سیستم مهاربندی کتنری این است که بخشهایی از زنجیر پایینی که بر روی بستر دراز کشیده، هنگامی که سکو حرکت میکند همچنان به دراز کشیدن خود روی بستر ادامه میدهند.
سیستم مهاربندی نیمه کشیده نیروی بازگرداننده سکو را از طریق وزن و تغییرشکلهای الاستیک مهاربند تامین میکند. همچنین نیروی بازگردانندهای که سیستم مهاربندی کشیده برای سکو تأمین میکند فقط به تغییرشکلهای الاستیک مهاربند بستگی دارد. سیستمهای مهاربندی تأثیر زیادی بر روی محدود کردن حرکات شناور دارند لذا بررسی آنها از جنبههای مختلف میتواند مفید واقع شود یکی از این جنبهها انتخاب مدل سیستم مهاربندی و همچنین انتخاب جنس و م صالح مهاربندها میبا شد. این انتخاب نه تنها میتواند در مقید کردن بی شتر سکو موثر با شد بلکه میتواند به لحاظ اقتصادی نیز مقرون به صرفه باشد و هزینهها را تا حد زیادی کاهش دهد، مطالعه پیش رو نیز با همین هدف انجام شده است.
در سالهای گذ شته، شماری از محققان ن شان دادند که به منظور تحلیل حرکتهای سکو باید اثرات ات صال - کوپلینگ - بین سی ستم مهاربندی و سکوها در نظر گرفته شود .[3-1] روش آنالیز دینامیکی همبسته برای تحلیل حرکت از یک رویکرد شبه استاتیک 4[] به یک رویکرد کاملاً دینامیکی همبسته [9-5] توسعه داده شده است.
در روش شبه استاتیک، رفتار خطوط مهاربندی را مانند یک فنر خطی یا غیرخطی بدون جرم در نظر میگیرند و پاسخ بدنه بر اساس آن محاسبه میشود و نیروی کششی مهاربند نیز جزو بارهای استاتیکی آن لحاظ میشود. اما در روش دینامیکی کاملاً همبسته، اثر هیدرودینامیکی خطوط مهاربندی به طور خاص در نظر گرفته میشود. با وجود این تنها تعداد معدودی از محققان تاثیر مدلهای مختلف مهاربندی و جنس مهاربندها را روی پاسخ سکوهای شناور بررسی کردهاند.
چن و همکاران [10] از یک روش شبه استاتیک و یک روش دینامیکی همبسته برای محاسبه حرکات یک اسپار و سیستم مهاربندی آن در سه عمق مختلف استفاده کردند. شفیعی فر و رضوانی [11] یک الگوریتم ژنتیک برای بهینه سازی طراحی مهاربند سکوهای شناور ارائه دادند. تانگ و همکاران [12] اثر دینامیکی یک سکوی نیمه شناور را با یک سیستم مهاربندی کتنری و یک سیستم مهاربندی کشیده مقایسه کردند. کیاو و او [13] پاسخهای کلی یک سکوی نیمه شناور با مدلهای مهاربندی متفاوت در سه عمق مختلف دریای چین جنوبی را بررسی کردند.
در این مقاله، حرکتهای انتقالی یک سکوی نیمه شناور با سه سی ستم مهاربندی کتنری، نیمه ک شیده و ک شیده برای دو نوع م صالح با خواص مکانیکی مختلف، در عمق 500 متری بررسی شده است. تفاوت بارز این تحقیق با کارهای قبلی، در نظر گرفتن تأثیر مشخصات سیستم مهاربندی از جمله جنس م صالح و مدلهای مختلف مهاربندی بر روی حرکت شناور میبا شد و اثرات دینامیکی ات صالات بین خطوط مهاربندی و سکوهای نیمه شناور لحاظ شده است. همچنین فرض شده است که سکوی مورد نظر در شرایط محیطی دریای خزر قرار دارد.
- 2 معادلات اساسی حاکم بر حرکت -2-1 معادله کلی حاکم بر خطوط مهار بندی [13]
در تحلیل پا سخ حرکت، به طور عمومی فرض می شود کهخطوط مهاربند کاملاً انعطاف پذیر میبا شند. معادلات کلی حرکت آن در روابط زیر ارائه شده است.
در روابط فوق به ترتیب m جرم مهاربند، جرم افزوده مهاربند، بردار سرعت مهاربند، بردار سرعت سیال، نیروی درگ نرمال مهاربندبردار نیروی اینرسی نرمال مهاربند
- بر واحد طول - ، بردار نیروی درگ مماسی مهاربند - بر واحد طول - ، - بر واحد طول - ، بردار نیروی
اینرسی مماسی مهاربند - بر واحد طول - ، بردار کشش مهاربند، بردار نیروی وزن خالص مهاربند، چگالی آب - در اینجا 1025 کیلوگرم بر مترمکعب - ، ضریب درگ مماسی - مقدار آن 0/05 است - ، D قطر سیم، ∆⃗⃗⃗ سرعت نسبی مماسی سیال، ضریب درگ نرمال - در اینجا مقدارش 1/2 است - ، سرعت نسبی نرمال سیال، ضریب اینرسی مماسی - در اینجا مقدارش 0/25 است - ، ضریب اینرسی نرمال - در اینجا مقدارش 0/5 است - و بردار شتاب نسبی بین سیال و مهاربند میباشد.
همانطور که از فرمول - 1 - مشاهده می شود، معادله حاکم بر حرکت یک معادله غیرخطی متغیر با زمان میباشد که از روش عددی حل میگردد. در این مقاله از روش اجزا محدود غیر خطی برای حل استفاده شده است.
-2-2 مدل هیدرودینامیکی سکوی نیمه شناور
در این مطالعه از برنامه تجاری [14] AQWA به منظور انجام دادن محاسبات حرکت همبسته استفاده شده است. محاسبات نیروهای موج بر اساس تئوری تفرق به روش المان مرزی انجام میشود و برای سازه سکو رفتار جسم صلب در نظر گرفته میشود. در شکل 1 مدل پانل نمایش داده شده است.
شکل :1 مدل پانل.
-2-2-1 محاسبه نیروهای موج [13]
در شبیه سازی عددی، نیروهای موج گذرا وارد بر سکو تحت امواج نامنظم به طور تقریبی در رابطه 6 داده شدهاند.
در رابطه6، - 1 - - - و - 2 - - - به ترتیب نیروهای موج مرتبه اول و مرتبه دوم میباشند. این نیروها از روابط 7 و 8 محاسبه میگردند. در روابط 7 و 8، ℎ - 1 - - - و ℎ - 2 - - - به ترتیب توابع پاسخ مرتبه اول و مرتبه دوم ضربه در حوزه زمان میباشند، و - - تراز سطح آزاد آب
میباشد. ℎ - 1 - - - و ℎ - 2 - - - با استفاده از روابط 9 و 10 محاسبه میگردند.
در روابط 9 و 10، مجذور توابع مرتبه اول و دوم - 1 - - - و - 2 - - 1. 2 - توابع انتقال برای نیروی موج میباشند.
-2-2-2 محاسبات نیروهای باد
بارهای باد وارد بر سکو از رابطه مقابل به دست میآید.
که در آن میانگین سرعت باد در ارتفاع H از تراز دریا میباشد، چگالی هوا 1/29 - کیلوگرم بر متر مکعب - ، عمود بر حرکت باد و . ضریب درگ فشار باد در ارتفاع H از تراز دریا میباشد.
تصویر سطح سکو در جهت
-3-2-2 تحلیل همبسته سکو و خطوط مهار بندی [13]
در شکل 2 مدلی برای تحلیل همبسته سکوی نیمه شناور و خطوط مهاربندی آن ارائه شده است. معادله 12 بیانگر معادله کلی حرکت برای تحلیل سیستم همبسته در حوزه زمان میباشد.
در معادله اخیر جرم سکو، سختی مقاوم هیدرواستاتیک، میرایی ویسکوز سیستم، - - نیروی مهاری، - - نیروهای خارجی - شامل نیروهای موج و بارهای باد میباشد - ، و - - به ترتیب جرم افزوده و تابع تاخیر در حوزه زمان میباشند. از روش کاربردی انتگرال پیچشی میتوان و - - را با استفاده از جرم افزوده و میرایی موج در حوزه فرکانس محاسبه نمود. با فرض این که حرکت سکو یک حرکت هماهنگ ساده است، میتوان تمامی حرکات سکو را با استفاده از معادله 12توصیف کرد. و - - به ترتیب از روابط 13 و 14 به دست میآیند.
