بخشی از مقاله
خلاصه
پاسخ خطوط لوله نفت و گاز تحت بارهاي جانبی، که بوسیله ابزارهاي کششی و یا لنگر کشتی ایجاد میشود داراي اهمیت فراوانی است که میتواند موجب آسیبهاي ناگهانی و جدي گردد. لذا، بررسی رفتار آنها امري ضروري به نظر میرسد. در این تحقیق، ضمن تحلیل دینامیکی مسئله پاسخ سازه اي اعضاي لولهاي در برابر قر شدگی تحت ضربه جانبی توسط نرم افزار ABAQUS، مقایسه مدل سازي فشار داخلی لوله به روش هیدرواستاتیک و مدل سازي توسط المان هاي آکوستیک که تطابق بسیار بیشتري با واقعیت پخش فشار در سیال و اندرکنش آن باجدار لوله دارد انجام شده است.
-1 مقدمه
پاسخ خطوط لوله نفت و گاز تحت بارهاي جانبی ، که بوسیله ابزارهاي کششی نظیر تخته ماهیگیري و یا لنگر کشتی ایجاد می شود داراي اهمیت فراوانی است ، زیرا می تواند موجب آسیب هاي ناگهانی و جدي شود . خطوط لوله روي ساحل می تواند همچنین تحت بارهاي جانبی سنگین بر اثر تجهیزات حفاري قرار گیرد . به علاوه ، بار هاي جانبی ضربه اي ، روي اعضاي لوله اي سکوهاي دریایی ، می تواند تحدیدي براي رفتار سازه اي سکو باشد
پاسخ دو بعدي لوله هاي فلزي تحت بارهاي جانبی فشاري، نخستین بار در سال 1963 میلادي به صورت آزمایشگاهی و تحلیلی مورد بررسی قرار گرفت و هدف از آن بررسی استفاده از لوله به عنوان جذب کننده فنري بود. در کارهاي مذکور، بار فشاري بوسیله صفحات موازي صلب به لوله وارد می شد و در طول لوله ثابت بود. حل تحلیلی بر مبناي مقطع عرضی چهار مفصلی صلب-خمیري بوده است
Reid و Reddy در ادامه تحقیقات بیشتري را انجام و هندسه مقطع را تغییر دادند تا علاوه بر کارهاي قبلی اثر سخت شوندگی کرنشی را نیز لحاظ کنند .[6-5] آن ها پی بردند که پاسخ لوله تواماً به سخت شوندگی کرنشی مصالح و نسبت قطر به ضخامت - D/t - بستگی دارد.
Reid و Bell از نظریه خمیري براي بررسی پاسخ لوله، تحت دو ردیف بار فشاري قطري وارد بر مرکز و مخالف هم، استفاده کردند
ار آنجا که این بارها بر نقاط خاصی از مقطع وارد می شدند، پاسخهاي ارتجاعی-خمیري ناپایدارتري نسبت حالت فشردن لوله بین صفحات صلب مشاهده شد. تاثیر سخت شوندگی کرنشی و نسبت D/t بررسی و نتایج به صورت آزمایشگاهی هم مطالعه شد .
نتایج آزمایشگاهی جالبی در مورد ظرفیت لوله هاي آلومینیومی و فولادي با توجه به حالات ممکن خرابی و طول هاي متفاوت لوله ها ارائه شد. لوله ها در راستاي قطر خود توسط سنبه1هاي گوه شکل متقابل بارگذاري شدند.[8] در ادامه این کار Ghosh و همکارانش لوله هایی با طول کم وحلقه هایی را نیز تحت بارهاي متمرکز مخالف هم مورد بررسی قرار دادند.[9] اخیرا در یک مقاله، Leu نتایج آزمایش فروپاشی یک لوله آلومینیومی دو بعدي با نسبت D/t بین 10 تا 80 را تحت فشار جانبی بین دو صفحه صلب با استفاده از یک مدل اجزاء محدود که حالت غیر خطی هندسی، اثر خمیري شدن و تماس اصطکاکی را شامل می شد، ارائه کرد. پارامترهایی چون سخت شوندگی کرنشی، ضخامت لوله و ضریب اصطکاك مورد ارزیابی قرار گرفت.[
حتی اگر فرورفتگی یا له کردن تحت اثر بار جانبی بر روي قسمت کوچکی از سطح لوله رخ دهد مسئله ماهیتی سه بعدي پیدا خواهد کرد.
مدل سازي این فرایند باید با احتساب کشیدگی طولی لوله انجام شود زیرا لوله تغییر شکل و مقاومت محوري را نیز تجربه خواهد کرد. در حقیقت این رفتار یک مقاومت اضافی در برابر قر شدگی ایجاد می کند. Wierzbicki و Suh آزمایش تحلیلی پاسخ لوله تحت اثر بار جانبی منفرد را با حضور نیروي محوري و لنگر و بوسیله یک مدل پوسته سه بعدي ساده شده انجام دادند
تاثیر شرایط مرزي بررسی و عبارات تحلیلی بسته اي براي تغییر شکل قر شدگی بدست آمد. Hoo Fatt و Wierzbicki اعضاي لوله اي را تحت بارگذاري جانبی موضعی تحلیل کرده و یک روش ارائه کردند که مسئله را به یک مسئله یک بعدي تبدیل می کند. با فرض مصالحی صلب-خمیري عبارتی بسته براي بار-جابجایی بدست آمد
Zeinoddini وهمکاران تغییر شکل دهانه آزاد اعضاي لوله اي فولادي را تحت بارهاي استاتیکی و دینامیکی مورد بررسی قرار دادند. براي این مطالعه از روش اجزاء محدود و المان هاي پوسته اي چهار گرهی استفاده شد. شرایط مرزي متعددي که شامل اثر پیش بارگذاري نیز می شد در نظر گرفته شد. نتایج تحلیل هاي شبه استاتیکی با نتایج آزمایشگاهی نیز مقایسه شد
متعاقبا، Zeinoddini و همکارانش اصلاحاتی در مدل ساده شده [11] Wierzbickiاعمال کردند تا پاسخ لوله را در برابر بار جانبی منفرد تحلیل کنند. آنها یک عبارت ساده براي مسیر بار جابجایی پیشنهاد کردند. نتایج تحلیلی با نتایج حاصل از تحلیل هاي اجزاء محدود مقطع عرضی مقایسه شد Karamanos .[14] و همکاران در سال 2006 میلادي در ادامه این کار فشار داخلی لوله را نیز در نظر گرفته پاسخ اعضاي لوله اي را در حضور فشار هاي داخلی و خارجی مورد بررسی قرار دادند.
تحقیق حاضر بر روي پاسخ لوله هاي فولادي تحت فشار تمرکز دارد که تحت بار جانبی دینامیکی قرار دارند . لوله مورد بررسی توسط المان محدود پوسته اي مدل سازي شده است به نحوي که اثر غیر خطی مصالح و هندسی را در نظر بگیرد . بار جانبی بوسیله سنبه گوه شکل وارد شده و لوله تحت تغییر شکل هاي قابل توجی قرار گرفته است. یک مطالعه پارامتري گسترده براي سطوح مختلف فشاري ، با در نظر گرفتن شرایط مختلف ، انجام گرفت . در این مقاله ، قرشدگی لوله هایی که داراي تگیه گاه ممتد در طول خود هستند مورد بررسی قرار می گیرد . این حالت مربوط به خطوط لوله موجود در ساحل و یا زیر دریا است که به ترتیب روي سطح زمین و یا بستر دریا قرار دارند .
نتایج به صورت نمودارهاي نیرو – تغییر مکان و تاریخچه بار نشان داده شده اند و نشان می دهند که حضور فشار ، داراي تاثیر زیادي روي پاسخ لوله در برابر بار اعمالی است . همچنین روش مرسوم مدل سازي فشار سیال بصورت فشار هیدرواستاتیک با روش مدل سازي فشار سیال توسط المان هاي آکوستیک مقایسه شده اند .
-2 مدل سازي اجزاء محدود
براي شبیه سازي پاسخ لوله ، یک آنالیز اجزاء محدود انجام می شود که هم حالت غیر خطی مصالح و هم هندسی را شامل می گردد . لوله بوسیله المان پوسته چهار گرهی انتگرال- کاهشی - S4R - از نرم افزار چند منظوره Abaqus مدل سازي شده است . براي لوله هاي تحت فشار ، فشار ابتدا ایجاد شده و سپس این فشار ثابت نگه داشته می شود . آنگاه سنبه با یک سرعت اولیه به جدار لوله برخورد می نماید .
خواص مصالح و هندسه لوله فولادي مشابه لوله هاي انتقال گاز بکار رفته در زیر دریا در خلیج فارس می باشد. براي مصالح لوله رفتاري ارتجاعی-کاملا خمیري منطبق با مدل خمیري ون مایسز در نظر گرفته شده است.بوسیله یک مطالعه پارامتریک ، اندازه المان در جهت طولی ، اطراف سطحی که بار اعمال می گردد ، برابر تقریبا0/06 شعاع لوله در نظر گرفته شد تا ضمن ارضاي شرایط همگرایی مسئله ، دقت کافی نیز در حل مسئله اعمال شود . همچنین اندازه المان مشابهی براي راستاي محیطی لوله لحاظ گردید و شبکه المان درشت تري براي سایر نواحی در طول لوله در نظر گرفته شد .
فشار سیال به دو صورت مدل سازي و نتایج مقایسه شده اند . در حالت اول فشار هیدرواستاتیک اعمال شده بر سطح داخلی لوله در طول برخورد ثابت بوده و اثر سخت کنندگی ثابتی در سر تا سر لوله دارد . در حالت دوم سیال درون لوله توسط المان هاي سه بعدي آکوستیک مدل سازي شده اند واندرکنش مناسب تر و واقعی تري بین جدار لوله و سیال را در طول برخورد شبیه سازي می نمایند . المان هاي آکوستیک فاقد درجه آزادي جابه جایی هستند و در حقیقت تنها درجه آزادي این المان ها اضافه فشار دینامیکی می باشد . به همین دلیل تنها در آنالیز هاي دینامیکی می توانند مورد استفاده قرار بگیرند .
هندسه مسئله شامل دو عضو با مقطع دایره - لوله و سیال درون لوله - ،یک عضو به عنوان سنبه ، و بستر می باشد. براي تعریف هندسه مدل میبایست پارامترهاي هندسی تعیین گردند که شامل قطر لوله - D - ، ضخامت جدار لوله - t - ، طول مدل شده لوله - L - ، ابعاد هندسی سنبه و زاویه محور سنبه نسبت به محور طولی لوله می باشد که در این تحقیق راستاي طولی سنبه همواره عمود بر محور طولی لوله می باشد . هندسه سنبه مورد استفاده در مدل از توصیه نامه آیین نامه DNV برداشت شده است . شکل 1 هندسه مسئله و سنبه مورد استفاده در مدل سازي را نشان می دهد.
از دیگر پارامترهاي تاثیر گذار در نتیجه مدل سازي، طول مدل شده لوله می باشد. خطوط لوله در کف دریا داراي طول هایی بعضاً تا چندصد کیلومتر می باشند که مدل سازي تمام طول لوله با تمامی جزئیات سه بعدي آن به محاسبات پر هزینه و بعضاً دست نایافتنی منجر می گردد. با حساسیت سنجی بر روي پارامتر طول مدل شده لوله، قضاوت مهندسی و رعایت حاشیه اطمینان می توان طول محدودي از لوله را براي مدل سازي لوله تحت فشار و قرشدگی جانبی در نظر گرفت. در مواردي که محیط مسئله مورد آنالیز کاملا سازه اي می باشد ، براي مقادیر مختلف قطر و ضخامت لوله آنالیز استاتیک قر شدگی در طول هاي بالاي لوله و در دو وضعیت مختلف شرایط مرزي انتهاي لوله انجام گردیده و براي مقادیر مختلف d/t ، معیار قضاوت براي کافی بودن طول مدل سازي شده لوله برابر طولی از پروفیل لوله که جابه جایی در راستاي قائم نقاط در آن ناچیز نمی باشد انتخاب می گردد .
در این تحقیق مدل سازي سیال درون لوله توسط المان هاي آکوستیک ، محدودیت دیگري در این خصوص اعمال می دارد چرا که نتایج حل مسئله حاوي المان هاي آکوستیک کاملا تحت تاثیر شرایط انتهایی فضاي سیال مدل سازي شده است . در حقیقت در این مسئله می بایست در انتهاي لوله ، شرایط مرزي جریان سیال بصورت مقاومت مرزي مشخص گردد تا میزان گذردهی و بازتاب امواج فشاري که به مرز انتهایی برخورد می کنند به عنوان شرایط مرزي در حل مسئله توسط نرم افزار وارد گردد .
با توجه به پیچیدگی مطلب و در دسترس نبودن مرجع مورد قبول جهت تعیین ضرایب و فاکتور هاي مدل سازي شرایط انتهایی سیال ، راه حل اتخاذ شده بدین صورت می باشد که با توجه به کوتاه بودن طول زمانی مسئله برخورد مورد تحقیق یعنی کمتر از حدود 0/1 ثانیه و حداکثر سرعت انتقال امواج فشاري در سیال - به عنوان مثال 1400 متر بر ثانیه - چنانچه طول مدل شده لوله بزرگتر از آن باشد که امواج زمان کافی براي رسیدن به انتهاي لوله و بازتاب داشته باشند ، شرایط انتهایی سیال در نتایج مسئله اثري نخواهد گذاشت .
در صورتی که شرایط مرزي محیط آکوستیک در مدل اختصاص نیابد ، پیش فرض انتهاي صلب در حل مورد استفاده قرار می گیرد ، یعنی امواج فشاري تماما بازتاب می نمایند که در هر صورت با توجه به روش به کار رفته در این تحقیق بر روي نتایج بی تاثیر خواهد بود .در جهت اطمینان طولی برابر با 150 متر به عنوان طول مدل شده در یک سمت صفحه تقارن طولی انتخاب شده است .
شکل – 1 هندسه مسئله و سنبه مورد استفاده در مدل سازي
پاسخ سه بعدي لوله تحت بار جانبی اعمال شده روي بخش کوچکی از سطح لوله آزمایش شد و یک الگوریتم تماس بدون اصطکاك براي شبیه سازي تماس بین لوله و سنبه به کار رفت . لوله روي یک سطح بستر با ضریب اصطکاك برابر با 0/5 قرار می گیرد
