بخشی از مقاله
چکیده
با وجود استفاده گسترده از اتصالات لولهاي DKT در سازههاي فراساحل، تاکنون هیچ گونه معادله پارامتري براي تعیین توزیع ضرایب تمرکز تنش - SCFs - در امتداد محل تقاطع اعضاي اصلی و مهاري در این نوع اتصال ارائه نشده است.
در این مقاله، تأثیر پارامترهاي هندسی بی بعد و همچنین زاویه تمایل عضو مهاري روي توزیع مقادیر SCF در امتداد پنجه جوش در اتصالات لولهاي DKT تحت بارگذاري متعادل محوري مورد مطالعه قرار میگیرد. سپس یک معادله پارامتري براي تعیین توزیع مقادیر SCF در امتداد منحنی فضائی360 درجه پنجه جوش، بر حسب پارامترهاي هندسی بی بعد اتصال، ارائه میشود. معادله پیشنهادي ضوابط ارائه شده توسط دپارتمان انرژي بریتانیا براي پذیرش معادلات پارامتري را ارضا نموده و در نتیجه با اطمینان در فرایند تحلیل و طراحی اتصالات لولهاي قابل استفاده میباشد.
مقدمه
به منظور تأمین به نیازهاي روز افزون به انرژي، سکوهاي فراساحلی متعددي براي اکتشاف و بهرهبرداري از ذخایر نفت و گاز زیر بستر دریاها، در سرتاسر دنیا نصب شدهاند. در ساخت سازههاي فراساحلی متداولی نظیر سکوهاي شابلونی و خودبالابر، از مقاطع توخالی مدور - CHSs - به طور گسترده استفاده میشود. از جمله علل این امر میتوان به نسبت بالاي مقاومت به وزن این مقاطع و همچنین یکسان بودن مقاوت خمشی و ویژگی کمانشی مقطع در تمام جهات اشاره نمود. در یک اتصال لولهاي، اعضاي مدور توخالی از طریق جوش دادن انتهاي آمادهسازي شده اعضاي مهاري به سطح عضو اصلی به هم متصل میشوند.
یک اتصال لولهاي DKT در شکل - 1 - نشان داده شده است. در این شکل، نقاط Saddle، Crown toe و Crown heel در امتداد محل تقاطع اعضاي اصلی و مهاري قابل مشاهده هستند. پارامترهاي هندسی بی بعد براي عضو اصلی - با قطر D و ضخامت جدار - T و اعضاي مهاري - با قطر d و ضخامت جدار - t نیز در این شکل تعریف شدهاند. اتصالات لولهاي در سازههاي فراساحلی متداولی نظیر سکوهاي شابلونی و خودبالابر تحت اثر بارگذاري چرخهاي امواج بوده و در نتیجه در معرض آسیبهاي ناشی از خستگی قرار دارند.
طراحی اتصال براي خستگی و بازرسیهاي متناوب در حین سرویسدهی سکو، به منظور کسب اطمینان از یکپارچگی و ایمنی این اتصالات، ضروري هستند. یکی از روشهاي متداول براي ارزیابی عمر خستگی سکوهاي فراساحل، استفاده از منحنیهاي S-N است. در این روش، تعداد سیکلهاي بارگذاري قابل تحمل توسط سازه پیش از گسیختگی، بر اساس محدوده تنش بحرانی - HSS - تخمین زده میشود. محدوده تنش بحرانی با استفاده از تنش اسمی و پارامتري به نام ضریب تمرکز تنش - SCF - محاسبه میگردد. ضریب تمرکز تنش به صورت نسبت تنش سطحی موضعی در محل تقاطع اعضاي اصلی و مهاري به تنش اسمی در عضو مهاري بارگذاري شده تعریف میشود.
طی 40 سال گذشته، مقالات متعددي در مورد تمرکز تنش در اتصالات لولهاي با اعضاي CHS منتشر شده است. برخی محققین یک سري معادلات پارامتري ارائه نمودهاند که براي تعیین مقادیر SCF در محل تقاطع اعضاي اصلی و مهاري مفید هستند. با این وجود، نتایج اکثریت قریب به اتفاق این تحقیقات روي محاسبه مقادیر SCF در نقاط خاصی نظیر Saddle و Crown متمرکز شده و تعیین HSS در سایر نقاط در امتداد پنجه جوش چندان مورد توجه قرار نگرفته است. گرچه نتایج این تحقیقات مفید و در عین حال کاربردي هستند، باید توجه داشت که تعیین توزیع مقادیر SCF در امتداد پنجه جوش به جاي محاسبه این مقادیر در نقاط خاصی نظیر Saddle و Crown، از اهمیت ویژهاي برخوردار است. مهمترین دلایل این مسئله در ادامه ارائه شده است:
با انجام چنین مطالعهاي میتوان موقعیت دقیق HSS را تعیین نمود. این مسئله از اهمیت خاصی برخوردار است چرا که تركهاي سطحی ناشی از خستگی اتصال تحت بارهاي تناوبی از این نقطه آغاز میشوند. در صورت استفاده از معادلاتی که مقادیر SCF را صرفاً در نقاط Saddle و Crown toe ارائه میکنند، امکان تعیین موقعیت HSS وجود ندارد.
اتصالات سکوهاي فراساحلی علاوه بر بار محوري، تحت لنگر خمشی داخل صفحه و خارج از صفحه نیز قرار دارند. طبق روش پیشنهادي توسط آئین نامه [1] API، ابتدا باید بطور جداگانه تنش اسمی ناشی از هر کدام از این بارها را در حداکثر ضریب تمرکز تنش اتصال تحت آن بار ضرب نموده و سپس سه مقدار حاصل را با هم جمع نمود. واضح است که این روش موقعیت HSS را در نظر نگرفته و عموماً منجر به تخمین بسیار محافظهکارانهاي از عمر خستگی اتصال خواهد شد .[
براي حصول مقادیر به مراتب دقیقتر براي HSS، میتوان ابتدا توزیع تنش ناشی از هر کدام از این سه حالت بارگذاري را به طور مجزا بدست آورد و سپس آنها را رویهم گذاري نمود. در نتیجه میتوان مقادیر واقعبینانهتري براي عمر خستگی اتصال بدست آورد.
ممکن است اختلاف بین حداکثر ضریب تمرکز تنش - SCFHSS - و مقادیر SCF در نقاط Saddle و Crown toe زیاد باشد. در این صورت استفاده از معادلاتی که مقادیر SCFرا صرفاً در این نقاط ارائه میکنند، منجر به کاهش دقت و پیشبینی دست پائین مقدار HSS خواهد شد. از طرفی به علت هزینههاي بسیار بالاي بازرسی اعضاي قرار گرفته در زیر آب توسط غواصها، عملاً امکان بازرسی تمام اتصالات وجود ندارد.بنابراین بازرسی صرفاً براي چند اتصال بحرانی صورت میگیرد .[3 ] میزان مستعد بودن یک اتصال نسبت به آسیبهاي ناشی از خستگی ارتباط مستقیم با محدوده تنش بحرانی آن اتصال دارد. لذا تعیین مقدار دقیق HSS از اهمیت زیادي برخوردار است.
اطلاعات دقیق در مورد نحوه توزیع تنش در اتصال جهت پیشبینی رشد تركهاي ناشی از خستگی و همچنین تعیین عمر باقی مانده اتصالات ترك خورده با استفاده از روشهاي پیشرفته مکانیک شکست نظیر O-integral، AVS و TPM، ضروري است. لذا تعیین دقیق توزیع تنش در امتداد محل تلاقی اعضاي اصلی و مهاري داراي اهمیت قابل توجهی است.
شکل - 1 تعاریف متداول براي یک اتصال لولهاي DKT تحت بارگذاري متعادل محوري
در حال حاضر، روش هاي اندکی براي پیشبینی دقیق توزیع تنش در امتداد خط جوش موجود میباشد. براي اتصالات لولهاي با هندسه پیچیده، تاکنون روشی جهت تعیین موقعیت تنش بحرانی گزارش نشده است. توزیع تنش در امتداد پنجه جوش در اتصالات لولهاي تا حدود زیادي تحت تأثیر خصوصیات هندسی اتصال قرار دارد. به منظور مطالعه رفتار این اتصالات و تسهیل در مرتبط نمودن این رفتار به ویژگیهاي هندسی اتصال، از یک سري پارامترهاي هندسی بی بعد استفاده میشود.
در این مقاله، با استفاده از نتایج بدست آمده از یک سري تحلیلهاي مفصل اجزاي محدود، تأثیر پارامترهاي هندسی بی بعد اتصال شامل τ - نسبت ضخامت جدار عضو مهاري به ضخامت جدار عضو اصلی - ، γ - نسبت لاغري جدار عضو اصلی - ، β - نسبت قطر عضو مهاري به قطر عضو اصلی - و θ - زاویه تمایل عضو مهاري کناري - روي توزیع ضرایب تمرکز تنش در امتداد پنجه جوش در اتصالات لولهاي DKT تحت بارگذاري متعادل محوري مورد بررسی قرارگرفته است - شکل . - 1 سپس با بکارگیري بانک اطلاعاتی تولید شده با استفاده از نتایج تحلیل اجزاي محدود که بر اساس دادههاي آزمایشگاهی و نتایج حاصل از معادلات لویدز رجیستر [4] - LR - مورد صحتسنجی قرار گرفته است، معادلهاي براي تعیین مقادیر SCF در امتداد منحنی فضائی 360 درجه پنجه جوش ارائه شده است.
مرور مطالعات فنی
معادلات [4] LR براي محاسبه مقادیر SCF در اتصالات T، Y، X، K و KT قابل استفاده هستند. لازم به ذکر است که این معادلات صرفاً قادر به پیشبینی مقادیر ضرایب تمرکز تنش در نقاط Saddle و Crown میباشند. Lee و [5] Morgan یک سري معادله پارامتري براي تعیین مقادیر SCF در اتصالات لولهاي K تحت بار متعادل محوري ارائه نمودند. این معادلات که با استفاده از نتایج تحلیل 254 مدل اجزاي محدود پوستهاي بدست آمدهاند، ابتدا مقادیر SCF را در نقاط کلیدي روي عضو اصلی و عضو مهاري ارائه میدهند. سپس میتوان مقادیر SCF در سایر نقاط را با استفاده از مقادیر SCF در این نقاط کلیدي محاسبه نمود.
در این معادلات، اثر متفاوت بودن پارامترهاي هندسی براي دو عضو مهاري و همچنین اثر کوتاه بودن عضو اصلی در نظر گرفته شدهاند. Chang و [3] Dover یک سري معادله پارامتري براي تعیین توزیع مقادیر SCF در امتداد محل تقاطع اعضاي اصلی و مهاري در اتصالات T و Y ارائه نمودند. این معادلات با استفاده از نتایج تحلیل اجزاي محدود پوستهاي که در آنها پروفیل جوش مدلسازي نشده بود، بدست آمدهاند. براي هر کدام از حالات بارگذاري محوري، لنگر داخل صفحه - IPB - و لنگر خارج از صفحه - OPB - معادلات جداگانهاي ارائه شده است و در هر حالت معادلاتی جداگانه براي تعیین مقادیر SCF روي عضو اصلی و مهاري پیشنهاد شده است.
Karamanos و همکاران [6] معادلاتی براي تعیین مقادیر SCF در اتصالات لولهاي چند صفحهاي XX ارائه نمودند. در این مطالعه، براي مدلسازي پروفیل جوش از المان 20 گرهی SOLID و براي مدلسازي اعضاي اصلی و مهاري از المان 8 گرهی SHELL استفاده شده است.
این تحقیق براي بارگذاريهاي مختلف صورت گرفته و هر دو حالت بارگذاري مرجع و بارگذاري Carry-over مورد بررسی قرار گرفته است. Chiew و همکاران [7] معادلاتی براي تعیین مقادیر SCF جهت استفاده در طراحی اتصالات چند صفحه اي XX تحت بارگذاريهاي محوري، لنگر خمشی داخل صفحه و خارج از صفحه ارائه نمودند. Van Wingerde و همکارن [8] معادلات و گرافهائی براي تعیین مقادیر SCF در اتصالات K و اتصالات چند صفحهاي KK ارائه نمودند. هدف این پژوهش ساده سازي معادلات به منظور ایجاد سهولت بیشتر در کاربردهاي طراحی بود.
Karamanos و همکاران [9] معادلاتی براي تعیین مقادیر SCF در اتصالات لولهاي چند صفحهاي DT با در نظر گرفتن اثرات خمش ارائه نمودند. [10] Shao معادلاتی را براي تعیین مقادیر SCF در اتصالات لولهاي K تحت بارهاي خمشی ارائه نمود.
Gho و [11] Gao، معادلاتی براي تعیین مقادیر SCF در اتصالات Nکاملاً همپوشان تحت بار محوري که بر روي عضو مهاري پوشاننده واردشده بود، ارائه نمودند. Gao معادلاتی براي تعیین مقادیر ضریب تمرکز در اتصالات لولهاي کاملاً همپوشان تحت لنگر خمشی خارج از صفحه - - OPB که روي عضو مهاري پوشاننده - Lap brace - وارد شده بود، ارائه نمود.
Woghiren و [13] Brennan یک سري معادلات پارامتري براي تعیین مقادیر SCF در اتصالات لولهاي چند صفحهاي KK تقویت شده ارائه نمودند. Shao و همکاران [14] یک سري معادلات پارامتري براي تعیین توزیع تنش بحرانی - HSS - در اتصالات لولهاي از نوع K تحت بارگذاريهاي پایه پیشنهاد نمودند.
معادلات ارائه شده توسط Lotfollahi-Yaghin و [16-15] Ahmadi اولین معادلاتی هستند که با استفاده از آنها میتوان توزیع ضرایب تمرکز تنش را در امتداد پنجه جوش در اتصالات لولهاي KT تحت بارگذاري متعادل محوري بدست آورد.
مدلسازي اجزاي محدود اتصالات لولهاي DKT
خصوصیات هندسی مدلهاي مورد بررسی
به منظور مطالعه توزیع مقادیر SCF در امتداد پنجه جوش در اتصالات لولهاي DKT، 51 مدل تولید و با استفاده از نرمافزار اجزاي محدود [17] ANSYS تحلیل میشود. تمامی مدلها تحت بارگذاري متعادل محوري قرار داشته و نیروها روي اعضاي مهاري کناري - مایل - وارد شدهاند. هدف این مطالعه، بررسی تأثیر پارامترهاي هندسی بی بعد بر توزیع ضرایب تمرکز تنش در امتداد پنجه جوش است.
