بخشی از مقاله
چکیده
خطوط لوله انتقال فراوردههای نفتی به عنوان یکی از شریان های حیاتی در طول عمر مفید خود همواره مورد تهدید مخاطرات ناشی از آسیب خوردگی هستند، از این رو ارزیابی قابلیت اطمینان خطوط لوله با هدف ارزیابی احتمال خرابی و جلوگیری از وقوع شکست آن ها از اهمیت زیادی برخوردار است. در این پژوهش فشار شکست محاسبه شده توسط روابط جبری در خطوط لوله و نتایج تحلیل با رویکرد احتمالاتی و قابلیت اطمینان با توجه به آسیب ناشی از پدیده خوردگی بررسی می گردد.
مقایسه نتایج بدست آمده از سه مدل B31G اصلاح شده، Shell-92 و FITNET FFS، نشان دهنده غیر محافظه کارانه بودن مدل B31G اصلاح شده میباشد. فشار شکست بدست آمده از روش احتمالاتی بیشتر از فشار شکست ارائه شده به روش جبری، براساس مدل مشترک برای یک دوره زمانی کوتاه می-باشد، اما با افزایش فواصل بازرسی عکس این نتیجه حتی با ضریب ایمنی بالا بدست می آید که نشان دهنده غیر محافظه کارانه بودن مدل جبری برای فواصل بازرسی بزرگ میباشد.
ارزیابی قابلیت اطمینان به دو روش قابلیت اطمینان مرتبه اول HL-RF و شبیه سازی مونت کارلو انجام و مقایسه میشود. بنابراین پژوهش نشان می دهد که با روال سنتی در طراحی خطوط لوله، علی رغم استفاده از ضریب ایمنی بالا می تواند نتایج غیر محافظه کارانه ای با توجه به معیار قابلیت اطمینان به دست دهد . همچنین با تحلیل حساسیت، چگونگی میزان تاثیر عمق خوردگی در افزایش احتمال شکست لولهها نیز نشان داده می شود. بدین ترتیب ، تحلیل حساسیت، نشان میدهد که عمق خوردگی بیشترین تاثیر را در احتمال شکست دارد و این در حالی است که احتمال شکست نیز نسبت به نوع توزیع آماری متغیر ها - نرمال و لوگ-نرمال - حساسیت چندانی نشان نمی دهد.
مقدمه
خوردگی یکی از مهمترین مکانیزمهای تخریب در لوله های فلزی میباشد که تاثیر زیادی بر قابلیت اطمینان و درستی ساختار در طولانی مدت میگذارد.
دو روش به منظور ارزیابی خوردگی در لولهها استفاده میگردد. روش اول، رویکرد جبری بر پایه کد در قالب استانداردهایی مانند AMSE B31G، B31G اصلاح شده، Battelle، DNV-99 و Shell-92 می- باشد و به منظور معین کردن فشار شکست در لولهها استفاده می-گردد.
روش دوم، رویکرد احتمالاتی است که با استفاده از خصوصیات تصادفی متغیرها و مدلهایی شناخته شده، احتمال شکست لولهها را برای دورههای عملکرد مختلف ارائه میکند. رویکرد جبری از نظر محاسباتی آسانتر است که موجب افزایش توجه به این رویکرد به منظور ارزیابی ایمنی خطوط لوله شده است. عموماً روش جبری برای فشار شکست در لولهها یک پیشگویی محافظه کارانه از منظر ایمنی لولهها ارائه میکند. همچنین در مواردی با تغییر پارامترهایی همچون اندازهگیریهای ابعادی، فرایند ساخت و شرایط عملیاتی در خطوط لوله، کمک چندانی در ارزیابی عمر لولهها فراهم نمینماید.
هرچه توزیع متغیرها دارای پراکندگی کوچکی باشد، حاشیه ایمنی بالاتر میباشد، اما زمانی که پراکندگی در توزیع متغیرها بزرگ باشد، روش جبری ممکن است پاسخ نادرستی را ارائه نماید. بنابراین کاربرد رویکرد احتمالاتی به منظور ارزیابی عمر باقیمانده و احتمال شکست در خطوط لوله ضروری میباشد. در چند سال اخیر روش FITNET FFS1 در اتحادیه اروپا به منظور ارزیابی درستی ساختار، توسعه یافته است، که یک مدل فشار شکست جدید در زیربرنامه خوردگی به منظور ارزیابی شکست در لولهها را ارائه مینماید.[9 ,8] به منظور انتخاب روش درست در ارزیابی شکست در خطوط لوله مقایسه و اعتباردهی روشهای موجود امری ضروری به نظر میرسد.
مدل ارزیابی فشار شکست
در لولههای تحت فشار بدون درز، عیوب خوردگی محیطی نسبت به عیوب خوردگی طولی تاثیر کمتری دارند . [10] عیب خوردگی طولی که در شکل 1 نمایش داده شده است در این مقاله مطرح میباشد.
فشار شکست با استفاده از مدل FITNET FFS، مدل اصلاح شده B31G و Shell-92 ارزیابی میگردد.
شکل :1 شماتیکی از جداره لوله با خوردگی سطحی
مدل اصلاح شده : B31G
در طی یک فرایند خوردگی نیمه آرام، عمق و طول خوردگی وابسته به زمان با استفاده از معادله زیر بدست میآید.
وابستگی زمانی تابع حالت حدی با توجه به نرخ خوردگی محوری و نرخ خوردگی شعاعی بیان میگردد. و به جنس لوله و شرایط محیطی وابسته هستند، که در بالاتر از عمر طراحی ثابت در نظر گرفته میشوند.
که بر طبق [12 , 11]، برابر با 15 سال میباشد.
ارزیابی قابلیت اطمینان
براساس تئوری قابلیت اطمینان تابع حالت حدی را میتوان بر اساس تفاضل فشار شکست و فشار کاری لوله تعریف کرد.
که در حالت G<4 قابل استفاده است و G برابر سات با:
با توجه به رابطه بالا، تابع حالت حدی وابسته به پارامترهای هندسی و خواص مکانیکی مواد لوله میباشد که به صورت زیر بیان میگردد.
کارکرد خطوط لوله میتواند در حاشیه امن قرار گیرد، اما اگر باشد، نشان دهنده محدوده شکست می-باشد. احتمال شکست در لولهها به شکل زیر بیان میشود.
با توجه به پیچیده بودن معادله بالا ارزیابی و تحلیل معادله بالا بسیار دشوار خواهد بود. بنابر این به منظور ارزیابی و تحلیل در این حالت از روش ارزیابی شاخص قابلیت اطمینان میتوان استفاده کرد. به طور کلی روشهای ارزیابی شاخص قابلیت اطمینان به دو دسته تحلیلی و شبیه سازی تقسیم میشوند. در روشهای تحلیلی برای ارائه سیستم، از مدلی ریاضی که معمولا با ساده سازی همراه است استفاده میگردد و شاخص قابلیت اطمینان از حل مستقیم ریاضی مسئله بدست میآید، در حالی که در روش شبیه سازی، شاخص قابلیت اطمینان از شبیه سازی فرآیند واقعی و با توجه به رفتار اتفاقی سیستم برآورد میشود.
روش شبیه سازی مونت کارلو
پرکاربردترین روش شبیه سازی، روش مونت کارلو است که در سال 1949 توسط متروپولیس و یولام ارائه شده است.[13] روش حصول پاسخ از رابطه احتمال خرابی، بر اساس شبیه سازی مونت کارلو مطابق رابطه زیر میباشد:
بدین ترتیب در این روش احتمال خرابی به صورت، نسبت تعداد نقاط موجود در ناحیه خرابی - - به تعداد کل نقاط تولید شده بر اساس تابع چگالی متغیرها - N - تعریف شده است. استفاده از این روش در برآورد مقادیر کوچک احتمال خرابی به دلیل نیاز به تولید نمونههای بزرگ، بسیار وقت گیر میباشد.
روش قابلیت اطمینان مرتبه اول
هاسوفر ولیند2 در سال 1974 یکی از موثر ترین روشهای مرتبه اول را برای ارزیابی قابلیت اطمینان ارائه دادند.
مهمترین ویژگی این روش استقلال آن نسبت به واریانس متغیرها بوده و بنابراین با تغییر تابع شرایط حدی تغییر نمییابد. در این روش متغیرهای تصادفی از فضای طراحی اصلی - X - به فضای نرمال استاندارد - U - منتقل می-شوند. برای متغییرهای تصادفی با توزیع نرمال، این نگاشت به صورت زیر ارائه میگردد :
که uxi و xi به ترتیب میانگین و انحراف معیار متغیر تصادفی در فضای طراحی اصلی میباشند. در این فضای طراحی جدید، حداقل فاصله تابع شرایط حدید از مبداء مختصات در دستگاه نرمال استاندارد به عنوان شاخص قابلیت اطمینان معرفی میگردد.
شکل : 2 انتقال متغیرها به فضای نرمال استاندارد و تعیین شاخص قابلیت اطمینان
مطابق شکل 2، شاخص قابلیت اطمینان ارائه شده توسط هاسوفر و لیند به صورت زیر بر اساس بردار متغیرهای طرح U قابل محاسبه است:
تابع چگالی احتمال میتواند متناسب با نوع مسئله به صورت نرمال، لوگ نرمال، ویبول، گاما و ... باشد. بنابراین ابتدا باید متغیرهای تصادفی از فضای - X - به فضای نرمال استاندارد تبدیل و تحویل شوند لذامتغیرهای تصادفی در فضای - U - از توزیع نرمال استاندارد پیروی میکنند. برای انجام این تبدیل روش تکامل یاقتهای را راکویز و فیسلر3 ارائه کردند که به شکل زیر میباشد.
