بخشی از مقاله
چکیده
یکی از انواع سازههای موجود در صنایع نفت و پتروشیمیکه آسیب آنها در زلزله میتواند باعث فجایع اقتصادی و زیست محیطی گردد مخازن فولادی هیدروکربوری میباشند. انتشار مواد آتشزا و خطر گسترش آتش سوزی، انتشار مواد سمی و خطرناک که منجر به آلودگی محیط زیست میشود و همچنین هدر رفتن سرمایههای ملی، نمونههایی از اثرات جبران ناپذیر تخریب مخازن است. لذا درک و پیشبینی رفتار لرزهای آنها در جهت مقاومسازی و بهبود عملکرد آنها در هنگام زلزله بسیار حائز اهمیت میباشد.
از طرفی ایران یکی از کشورهای لرزهخیز جهان است که در امتداد کمربند لرزهخیز آلپ هیمالیا قرار دارد. در این تحقیق به بررسی رفتار لرزه ای نفت خام موجود درون مخزن فولادی هیدروکربوری و همچنین ضخامت بدنه ی این نوع مخازن پرداخته شده است .
مدلسازی عددی توسط نرم افزار ANSYS FLUENT انجام شده است و جهت صحت سنجی از نرم افزار ABAQUS استفاده گردیده است که نتایج ، صحت مدل مورد نظر را نشان میدهد . نتایج تحقیق نشان می دهد که حداکثر تغییر مکان دیواره ی مخزن با وجود نفت خام سبک برابر 7/92x 10-8 و نفت خاک سنگین برابر با 8/25x10-8 متر می باشد که علت این امر شکلپذیری بیشتر و گرانروی و غلظت پایینتر نفت خام سبک نسبت به نفت خام سنگین است.
همچنین با افزایش ضخامت ورق دیوارهی مخزن با قطر 30 متر و ارتفاع 15 متر، از 0/02 به 0/04 متر، تغییر مکانها در دیوارهی آن از 7/6x10-8 به 3/5x10-8 متر کاهش مییابد. افزایش ضخامت ورق مخازن هیدروکربوری باعث افزایش مقاومت و سختی آن در برابر نیروی جانبی زلزله میشود و این موضوع سبب کاهش کمانش و تغییر مکان در دیوارهی مخزن مورد نظر میگردد.
-1 مقدمه
مخازن فولادی روزمینی در زمین لرزههای گذشته آسیبهای عمدهای متحمل گشتهاند، لذا درک و پیشبینی رفتار لرزهای آنها در جهت مقاومسازی و بهبود عملکرد آنها در هنگام زلزله بسیار حائز اهمیت میباشد. از طرفی ایران یکی از کشورهای لرزهخیز جهان است که در امتداد کمربند لرزهخیز آلپ هیمالیا قرار دارد. فلات ایران در چند صد سال اخیر شاهد وقوع زمین لرزههای مخرب و ویرانگری بوده که تلفات و خسارات سنگینی را به همراه داشته است.
برخلاف سایر سازهها، این سازهها در تماس با سیال میباشند و نحوهی رفتار و عملکرد آنها تحت بارهای زلزله با توجه به نوع سیال درون آن تا حدی متفاوت میباشد. علاوه بر فشارهای استاتیکی، نیروی زلزله سبب اعمال فشارهای هیدرودینامیکی نیز به این سازهها میشود. این اندرکنش سازه و سیال از جمله مهمترین مسائل در تحلیل مخازن بشمار میرود.[4] سیال از دو طریق بر روی جداره اثر میگذارد: - 1 فشار نوسانی - 2 فشار ضربانی.
فشار نوسانی در اثر حرکت سیال مواج در بالای مخزن پدید میآید و فشار ضربانی در اثر حرکت قسمتی از سیال در پایین مخزن و هماهنگ با پوسته ایجاد میگردد. در حقیقت فرکانس حرکت نوسانی به میزان قابل توجهی پایینتر از فرکانس حرکت ضربانی است، بدین معنی که این مود در پریودهای بالای زلزله تحریک میشود
بررسی و آنالیز نوع سیال درون مخازن نفت که در این تحقیق نفت خام سبک و سنگین می باشد و مدلسازی آنها و اثر بخشی آن بر پارامترهای طراحی لرزهای، مکانیزمهای خرابی و پایداریسازی آنها در برابر تغییر مکانهای طبیعی و مصنوعی از اهمیت زیادی برخوردار است. امروزه باتوجه به شرایط منابع مالی در توسعه طرحهای صنعت نفت، میبایست در طول فرآیند اکتشاف تا استخراج منابع هیدرو کربوری، با استفاده از تکنولوژیهای نوین بویژه در بخشهای زمین شناسی و عملیات اکتشاف و از همه مهمتر مهندسی مخازن، ریسکهای متوجه به پروژه را به حداقل رساند.
باتوجه به ارتباط مستقیم پدافند غیرعامل در صنعت نفت ایران و مفهوم صیانت از تولید پایدار در جهت رشد اقتصادی کشور و ذخیرهسازی مستمر و پایدار نفت خام در مخازن فلزی بعنوان یک سرمایه با ارزش جهت صادرات، حفظ محتوا و قابل استفاده بودن آنها بصورت مستمر، لزوم شناسایی پارامترهای طراحی و لرزهای بهینه را توجیه مینماید. باتوجه به عدم مهار مخازن مورد بررسی در زمین و امکان بلند شدگی آنها به هنگام وقوع زمین لرزه، برای تحلیل دقیق دینامیکی آنها یک آنالیز غیرخطی لازم است. در این تحقیق از نرم افزار ANSYS FLUENT جهت مدلسازی و تحلیل لرزه ای استفاده شده است و هدف بررسی رفتار لرزه ای سیال درون مخازن هیدروکربوری که از نوع نفت خام سبک و سنگین می باشد و همچنین ضخامت دیواره ی مخزن است.
-2 مخازن فولادی هیدروکربوری
مخازن فولادی باتوجه به نوع سقف آنها به دو دسته تقسیم شوند:
- مخازن با سقف ثابت: مخازن با سقف ثابت در حالتی مورد استفاده قرار میگیرند که فشار بخار مایع داخل مخزن کوچک باشد، حداکثر فشار بخار مجاز در این مخازن 129 mmHg میباشد. در سقف این مخازن از هواکشهای باز یا هواکشهای فشار -خلاً استفاده میشود تا ظرفیت کافی برای تخلیه هوا و بخار تولید شده در سطح مایع ایجاد شود و از صدمه دیدن مخزن بخاطر اثرات فشارهای بالا و خلاً جلوگیری شود
- مخازن با سقف شناور: این مخازن ممکن است از نوع باز - خارجی - باشند یا اینکه یک سقف ثابت از سقف شناور - داخلی - محافظت کند. سقفهای شناور شامل سقف جوشی مماس بر سطح مایع داخل مخزن، یک سیستم درزگیر که فاصله میان لبه سقف شناور و دیواره مخزن را میپوشاند و آب بندهایی که از بیرون ریختن مایع جلوگیری میکنند، میشود. این مخازن به دو شکل زیر وجود دارند :
-1 مخازن با سقف شناور بیرونی؛
-2 مخازن با سقف شناور داخلی؛ مخازن با سقف شناور بیرونی مخزن با سقف شناور بیرونی مخزنی استوانهای و عمودی است که سقف آن بر روی سطح مایع داخل آن شنار است. این نوع سقف بطور مؤثری تبخیر محتویات داخل مخزن و خطرات ناشی از بخارات اشتعال پذیر را کاهش میدهد. سقفهای شناور بیرونی در معرض برف، یخ و باران قرار داشته و باید برای تحمل نیروهای ناشی از این عوامل طراحی شوند.
مخازن با سقف شناور داخلی: سقف این نوع مخازن ترکیبی از سقف شناور و سقف ثابت میباشد. برای کاهش خروج محتویات داخل مخزن بواسطه تبخیر، از سقفهای شناور استفاده میشود استفاده از سقف ثابت عملاً تاثیرات باد بر روی خروج محتویات مخزن از درزگیرهای حاشیه سقف و آب بندهای عرشه را منتفی میسازد. به علت اینکه سقفهای شناور جوش شده میباشند، هیچگونه خروج مایع یا بخارات آن از محل درزهای جوش صورت نمیپذیرد. سقفهای شناور داخلی از سقفهای شناور بیرونی سبکتر هستند.
همچنین مخازن فولادی باتوجه به نوع تگیه گاه آنها به دو دسته تقسیم بندی میشوند:
- مخازن مهار شده: به علت اینکه این مخازن در پایه خود بوسیله میله مهارها به پی بسته میشوند به مخزن مهار شده مشهور میباشند یک نمونه از این مخازن در شکل - 1 - نمایش داده شده است. سیستم مهاری موجود در این مخازن از حرکت به سمت بالا ولغزشی که حین زلزله به خاطر ممان واژگونی و برش پایه در پایه این مخازن ایجاد میشود جلوگیری میکند. به خاطر اتصالی که بین این نوع مخازن و پی آنها وجود دارد ممان واژگونی زلزله مستقیما بر پی اثر میکند و میتواند باعث بلند شدگی آن شود، به همین دلیل ممکن است در پی این مخازن از شمع استفاده شود. اگر مهارها برای مقاومت در برابر نیروی زلزله دارای مقاومت کافی نباشند، ممکن است در اثر زلزله دچار شکست شده، مخزن به صورت مهار نشده عمل نماید.
شکل : - 1 - مخازن مهار شده
مخازن مهار نشده : در این مخازن تنها راه انتقال برش پایه حاصل از زلزله نیروی اصطکاک میان کف مخزن و پی آن میباشد. ممان واژگونی که در نتیجه زلزله بر پایه مخازن وارد میشود میتواند باعث بلند شدگی قسمتی از ورق کف مخزن شود. به علت پدیده بلند شدگی که در پایه این مخازن هنگام زلزله اتفاق میافتد، پاسخ لرزهای این مخازن از محدوده خطی خارج شده وارد مرحله غیرخطی میشود در اثر بلند شدگی پایه این مخازن در هنگام زلزله احتمال ایجاد کمانش پافیلی در قسمت پایینی پوسته و شکست لولههای متصل به مخزن افزایش مییابد. رفتار این مخازن در زلزلههای گذشته نشان داده است که در مقابل پدیده زمین لرزه آسیب پذیر بوده در آنها خسارات مختلفی حادث میشود
در این تحقیق از مخازن با سقف ثابت و مهارشده استفاده شده است .
-3 تحقیقات پیشین
مطالعات اولیه آنالیز لرزهای مخازن توسط Housner و با فرض صلب بودن دیواره و پی مخزن صورت گرفته است. با این فرض، فشار هیدرودینامیکی اعمال شده به بدنه مخزن به دو مولفه فشار ضربهای ناشی از جرم شتابدار سیال مخزن و فشار نوسانی ناشی از پدیده امواج متلاطم سطحی تقسیم میشود 12] و Haroun.[13 و Ellaithy با تکمیل نمودن نظریهHousner به تشریح مدل سادهای پرداختند که در آن موقعیت جرمهای متمرکز و فنرها و همچنین پارامترهای مربوط به آنها بگونه ای محاسبه شد که در آن مقدار پاسخ در مدل ساده شده و مدل تحلیلی یکسان باشد در مدل ارائه شده اثر اندرکنشی سیال و سازه نیز در نظر گرفته شده است
Veletsos و Tang مقاله ای را ارائه دادند که در آن معادله لاپلاس حاکم بر محیط سیال به صورت تحلیلی شرح داده شده است. سپس مدل ساده شدهای ارائه دادند که در آن اثر مشارکت مودهای بالاتر تلاطمی در پاسخ سیستم لحاظ شده است Malhotra .[21] و همکاران با در نظر گرفتن مؤلفه افقی تحریک زمین به ارائه مدل ساده شدهای پرداختند که در آن اثر مودهای نوسانی و ضربانی بالاتر نیز در محاسبات پاسخ سازه لحاظ شده است
