بخشی از مقاله
خلاصه
پدیده دهانه آزاد به طور معمول در خطوط لوله دریایی به دلیل ناهمواری بستر و در اثر ارتعاشات ناشی از جریانات دریایی رخ میدهد. تحلیل دهانه آزاد یکی از مهمترین موضوعات مطرح در مدیریت یکپارچگی خطوط لوله است که شامل تحلیل استاتیکی و دینامیکی میباشد. تحلیل استاتیکی شامل ارزیابی وضعیت خط لوله تحت بدترین وضعیت بارگذاری در طول عمر خط لوله و کنترل تنشها بر اساس استانداردهای طراحی میباشد. به منظور سادهسازی تحلیل استاتیکی پدیده خستگی ناشی از ارتعاش دهانه آزاد در خطوط لوله دریایی، آیین نامه DNV-RP-F105 رفتار خط لوله را بر اساس نسبت طول دهانه آزاد به قطر لوله در چهار طبقه دستهبندی میکند. تعیین دقیق این حدود در افزایش طول عمر و کاهش هزینههای بهرهبرداری خط لوله بسیار مؤثر است. در این مقاله با بررسی موردی خط لوله فاز 22 میدان گازی پارس جنوبی واقع در خلیج فارس با لحاظ کردن نسبت طول دهانه آزاد به قطرهای متفاوت و برآورد عمر خستگی خط لوله، دقت حدود تعیین شده آیین نامه DNV-RP-F105 در حالتهای مختلف بررسی میشود.
.1 مقدمه
خطوط لوله دریایی به دلیل انتقال فرآوردههای هیدروکربنی از سرچاه به سکو و همچنین از سکو به پالایشگاه نقش مهمی در صنایع فراساحلی دارند. یکی از عوامل مهمی که در طراحی خطوط لوله دریایی نقش به سزایی دارد، پدیده دهانه آزاد است که به دلیل وجود ناهمواریهای طبیعی در بستر دریا و یا در اثر ایجاد تکیهگاههای مصنوعی، در مسیر خط لوله ایجاد میشود. اهمیت این پدیده از آن جهت است که زمانی که فرکانس جریانات دریایی با فرکانس طبیعی دهانه نزدیک میگردد، آن دهانه شروع به نوسان کرده و باعث ایجاد خرابی ناشی از خستگی میشود. فرکانس ارتعاش در این پدیده تابعی از قطر خارجی لوله، سرعت جریان و عدد استروهال1 است1]و.[2 روشهای گوناگونی همانند اصلاح مسیر1 برای کاهش طول دهانه آزاد یک خط لوله وجود دارد که موجب کاسته شدن خسارات ناشی از خستگی - ناشی از جریانات گردابهای - 2 میشود، اما در برخی موارد رویارویی با شرایط خشن محیطی3 اجتناب ناپذیر است و پدیده دهانه آزاد رخ میدهد، بنابراین آنالیز دهانه آزاد در طراحی خطوط لوله دریایی اهمیت ویژهای دارد.[3] در این مقاله با انجام مطالعه موردی بر روی خط لوله فاز 22 میدان گازی پارس جنوبی واقع در خلیج فارس، میزان خستگی ناشی از پدیده دهانه آزاد با استفاده از نرمافزار اجزا محدود آباکوس بررسی و با مقادیر به دست آمده از آییننامه DNV-RP-F105 - خطوط لوله دارای دهانه آزاد - 4 مقایسه گردیده است.
.2 اصول تحلیل خستگی ناشی از دهانه آزاد خط لوله
پدیده دهانه آزاد بر اثر گردابههای کوچک تکرارشونده5در اطراف یک خط لوله ایجاد میشود. زمانی که فرکانس ارتعاشات ناشی از جریان گردابهای برابر با فرکانس طبیعی خط لوله شود، پدیده دهانه آزاد تشکیل میگردد و تشدید در خط لوله ایجاد میشود که باعث ایجاد خرابی با سرعت انتشار بسیار زیاد در خط لوله میشود. تحلیل خستگی ناشی از جریان گردابهای شامل بررسی اندرکنش خط لوله و خاک بستر، مدلسازی نیروهای محیطی، و در نهایت تعیین پاسخ سازه-ای6 میباشد. در این مطالعه موردی با استفاده از نرم افزار اجزا محدود آباکوس7 نیروهای محیطی شبیهسازی شده و پاسخ سازهای به دست آمده است. پس از آن طول عمر خستگی ناشی از جریانات گردابهای در جهت عمود بر خط لوله8 با استفاده از بردار مقادیر ویژه و تنشهای به دست آمده از نرم افزار آباکوس در محیط برنامه متلب9 محاسبه شده است.
.3 مدل اجزا محدود
در این مدلسازی خط لوله به صورت یک تیر سه بعدی در محیط نرمافزار آباکوس شبیهسازی شده است. بستر و تکیهگاهها به صورت صفحات صلب در نظر گرفته شدهاند. دو انتهای خط لوله به صورت گیردار در نظر گرفته شده است. در مرحله تعیین نوع بارگذاری، نیروی گرانشی به صورت یک نیروی ثابت بر سازه اعمال گردید - از اثرات ناشی تغییرات نرخ جریان بر خط لوله صرف نظر شد - . پس از آن فشار داخلی و خارجی به سازه اعمال شد.[7]در مدلسازی با نرم افزار آباکوس موارد زیر در نظر گرفته شده است:
.1 از اثر پوشش خط لوله بر روی نیروی دراگ ، جرم افزوده10 ، نیروی شناوری11، سختی و مقاومت به دلیل کوچک بودن صرف نظر شد.
.2 برای لحاظ کردن اثر سختی شانههای مجاور دهانه خط لوله، فنرهایی با صفحات صلب در مجاور هر دهانه در نظر گرفته شد.
.4 خرابی ناشی از خستگی
خرابیهای ناشی از خستگی بر اساس آیین نامه DNV-RP-F105 محاسبه شدهاند.[3,4] در هر مرحله باید معیار بیان شده در رابطه - 1 - را ارضا شود در غیر این صورت خرابی به وجود آمده در محدودهی مجاز نخواهد بود و قطعهی مورد نظر نیاز به تعمیر یا تعویض خواهد داشت. در هر ارزیابی باید طول عمر ناشی از تشدید Texposure کمتر از حاصل ضرب طول عمر طراحی سازه Tlife در ضریب کاربری1 باشد.
.4-1 ارزیابی خستگی ناشی از جریان گردابهای در جهت عمود بر خط لوله به منظور محاسبه عمر خستگی یک خط لوله بر اساس آیین نامه DNV-RP-F 105 باید مراحل زیر سپری شود:
1. جمع آوری اطلاعات و دادههای ورودی شامل مشخصات خط لوله، شرایط محیطی در زمان بهرهبرداری و مشخصات خاک بستر
2. محاسبه مقادیر ویژه فرکانس ناشی از جریان گردابهای در جهت عمود بر خط لوله و مدهای آن با استفاده از نرم افزار آباکوس
3. تعیین مد غالب برای یک دهانه
4. محاسبه تنش ناشی از جریان گردابهای در هر مد برای هر طول از لوله که Ai,cf - x j - تنشهای خروجی از نرم افزار آباکوس است و Azi D به وسیله مدل جریان عمود بر خط لوله
محاسبه میشود که در شکل .1 نشان داده شده است و s ضریب ایمنی دامنه تنش است.
