بخشی از مقاله
خلاصه
سازه های فراساحلی شناور مانند سکوهای نفتی و بویه ها در معرض نیروهای تناوبی ناشی از باد، جریان های دریایی و امواج دریا می باشد. امروزه حرکت سازه های فراساحلی و نیروهای ناشی از این حرکات و نیز اثر بارهای ناشی از امواج دریا و جریان های دریایی با روش های مختلفی قابل پیش بینی هستند. یکی از روشهای مطالعاتی، مشاهده مستقیم است که البته راه اندازی و استفاده از آن ها در سیستم های واقعی تولید، بسیار هزینه بر و زمان بر است و مشکلات ایمنی نیز در این مورد مطرح می شود و هیچ گونه اطلاعاتی پیرامون الگوی جریان و نیروهای سه بعدی ارائه نمی دهند، بنابراین لازم است که از روشها و تکنیکهای مناسب و بهینه ای بدین منظور استفاده شود که یکی از این روشها استفاده از رویکرد مدلسازی عددی سه بعدی است که هم اطلاعات جزئی و دقیقی از فرآیندها در طی زمان و مکان ارائه می دهد و هم اینکه امکان اجرای گزینه های طراحی مختلف را فراهم می آورد.
به همین دلیل در مقاله حاضر، اقدام به مدل سازی هیدرودینامیکی سکوی اسپار می کنیم. بر این اساس در این تحقیق، نیروی موج وارد بر سکوی اسپار و همچنین ضرایب هیدرودینامیکی جرمافزوده در دو درجه آزادی هیو و سرج به دلیل اهمیت این دو نیرو به وسیله تئوری تفرق محاسبه می گردد. در این راستا ابتدا سکوی اسپار سلولیخرپایی که یک سکوی نوآورانه است و از ترکیب دو سکوی اسپار سلولی و سکوی اسپار خرپایی تشکیل شده است
در نرمافزار موسس مدل شده و نمودارهای عملگر دامنه پاسخ هر سه درجه آزادی هیو، پیچ و سرج استخراج گردیده است. نرم افزار موسس پارامترهای هیدرودینامیکی را با استفاده از روش المان مرزی محاسبه کرده و مدلسازی دینامیکی را انجام میدهد. در ادامه با مقایسه نمودارهای خروجی با نمودارهای مقاله آقای ژانگ، صحت مدلهای نرمافزاری را بررسی نمودیم و مشخص می کنیم که سکوی مورد نظر پارامترهای مناسب را برای ساخت، نصب و بهره برداری را در شرایط واقعی دارد و می تواند به عنوان سکوی جدیدی همانند دیگر انواع سکوهای اسپار مورد استفاده قرار گیرد.
1. مقدمه
سازه های دریایی در برگیرنده طیف وسیعی از سازه ها می باشند که با اهداف مختلف و متنوعی احداث می گردند. در یک تقسیم بندی کلی شاید بتوان آن ها را به دو گروه اصلی سازه های ساحلی و سازه های فراساحلی تقسیم نمود. سازه های دریایی که در اعماق زیاد و به فاصله از ساحل احداث می شوند شامل سکوهای دریایی و مخازن زیر دریایی و خطوط انتقال نفت و گاز به ساحل می باشند. با توجه به مشکلات خاص این سازه ها معمولا در ساحل به صورت پیش ساخته تولید شده و پس از انتقال به محور مورد نظر در داخل دریا نصب می گردد.
این کار علاوه بر کاهش خطر انهدام سازه در هنگام ساخت موجب کاهش چشمگیر هزینه ها نیز می گردد. اولین تلاش ها جهت دستیابی به نفت در بستر دریا در حدود سال 1900 به ثمر رسید که چاه های نفت از روی اسکله متصل به ساحل و به فاصله 500 متری از ساحل حفر گردید. در جنگ جهانی دوم و پس از آن به دلایل نیاز های جنگ صنایع فولاد پیشرفت شایان توجهی نمود و پس از پایان جنگ سازه های فولادی از جمله سکوی فولادی رواج یافت. اولین سکو فولادی از نوع شابلونی در سال 1967 در آب های خلیج مکزیک ساخته شد. با توجه به مسائل نفتی- سیاسی و بعضا نظامی این صنعت مراحل پیشرفت سریع با توجه به دوره ی کمی پشت سر نهاده است. ساز های فرا ساحلی بر اساس شکل ظاهر به دو گروه تقسیم می شوند:
در دسته اول می توان به جکت ها، سازه های ثقلی و .. در دسته دوم می توان به اسپارها TLP ها و FPSO ها اشاره کرد. سازه های شناور، جدیدترین و پیشرفته ترین نوع از سازه های فرا ساحلی می باشند. ساز ه های شناور عمدتا به دو گروه طبیعتا شناور3 و سازه های با شناوری بالا4 تقسیم می شوند. سازه های طبیعتا شناور شامل اسپارها، کشتی های حفاری و FPSO ها و سازه های با شناوری بالا شامل TLP ها , TLWP و برج های شناور می باشند
اخیرا مفهوم سکوی اسپار در سازه های فراساحل نفت و میادین گازی به خصوص در آب های عمیق و فوق عمیق، با توجه به حرکت آنها، پایداری عالی آنها در طیف گسترده ای از عمق آب، در حال توسعه و رشد می باشند. بسیاری از مفاهیم اسپار جدید با هدف کاهش سختی ساخت و کاهش هزینه در نشست های مورد نیاز بهره برداری درحال مطرح شدن است. بر اساس اهداف ذکر شده در بالا، یک مفهوم اسپار جدید در این مقاله ارائه شده که هیدرودینامیک آن در هر دو شرایط عملیاتی و بقا با استفاده از شبیه سازی عددی در نرم افزار موسس مورد مطالعه قرار گرفت. تست های مدل اولیه برای کالیبره کردن روش عددی در نرم افزار انجام شد که در آن جنبه های زیر مطرح است:
-1 مفهوم اسپار جدید
-2 عملکرد کلی بر مفهوم اسپار
-3 آنالیز خط مهاربندی
بر اساس ویژگی های اسپار ذکر شده فوق، این مقاله به یک شکل اسپار جدید، با استفاده از مفهوم هر دو اسپار یعنی سلولی و خرپا انجام شده است. هدف طراحی اسپار جدید مطالعه روی آن بدون هر گونه بعد تجاری است. ویژگی های اسپار خرپا و سلولی هر دو در طراحی مفهوم اسپار به حساب آمده اند که در اینجا اسپار خرپا- سلولی نام گرفته اند با هدف بهره مندی از دمپینگ ورق هیو در اسپار خرپا برای به دست اوردن رضایت مندی عملکرد حرکت هیو در حالی که کاهش سختی ساخت و نصب را با مفهوم اسپار سلولی داریم.
2. نرم افزارهای مدل سازی - هیدرودینامیکی و سازه ای -
جهت مدلسازی محیط دریا و سازههای ساحلی و فراساحلی، نرمافزارهای مختلفی در سراسر جهان، تهیه و تولید شدهاست که هرکدام روشهای خاصی از تحلیل را مد نظر خود قرار داده و نتایج هیدرودینامیکی و سازهای را در اختیار کاربر قرار میدهد. از جمله مهمترین و پرکاربردترین این نرمافزارها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
1 .2 سیسم
این نرمافزار محصول شرکت دی اِن وی6 نروژ میباشد. یک بسته نرمافزاری جامع و یکپارچه برای تحلیلهای هیدرودینامیکی و سازهای است و در برگیرنده ماژولهای گوناگونی برای مدلسازی، تحلیلهای هیدرو دینامیکی و سازهای و پردازش نتایج است که هریک برای انواع مختلفی از سازههای دریایی به کار میرود. این نرمافزار از منطق المانمرزی استفاده میکند که مدت زمان تحلیل نتایج را به میزان قابل توجهی نسبت به روش المان محدود و غیره کاهش میدهد. بخشهای مختلف سیسم به موارد زیر تقسیم میشود:
-1 بخش مدلسازی: شامل مدلسازی قابها - مانند جکت - و مدلسازی سازهها با شکلهای مختلف
-2 بخش بارگذاری و تحلیل دینامیکی
-3 بخش تحلیل سازهای: تحلیلهای خطی، غیرخطی، تحلیلهای خستگی، اندرکنش خاک-شمع-سازه، سیستمهای مهاربندی
-4 بخش پردازش و استخراج نتایج
این نرمافزار قابلیت بسیار بالایی در تحلیل و مدلسازی سازههای ساحلی و فراساحلی دارا میباشد اما به دلیل عدم دسترسی به بسته کامل نرم افزاری، آنالیز سازهای در این نرمافزار به صورت صحیح و کامل صورت نمیپذیرد.[4]
2 .2 انسیس
این نرمافزار از جمله نرمافزارهای بسیار قدرتمند در حوزه مکانیک سیالات و جامدات و تحلیل و مدلسازی سازههای ساحلی و فراساحلی میباشد. انسیس از روش المان محدود جهت تحلیل مدلسازی استفاده میکند. ماژول آکوا2 در این نرمافزار به صورت اختصاصی و قدرتمند توانایی مدلسازی خطوط مهار و سازههای فراساحلی را دارا میباشد. از آنجا که تحلیل به روش المان محدود به علت بارگذاری مقادیر زیاد مشهای سازمان یافته3 و غیرسازمان یافته بسیار وقت گیر میباشد کارایی این نرمافزار در صنعت فراساحل نسبت به نرمافزارهایی که از منطق و مش المان مرزی استفاده میکنند کمتر میباشد.
3 . 2 آباکوس
از این نرمافزار تنها جهت تحلیل سازهای در صنایع ساحلی و فراساحلی استفاده میشود. تحلیل شکست، خستگی، به گل نشستن، ضربه، بارگذاری موج روی عرشه، بارگذاری بخشهای مختلف سازه روی اسکلت سازه، از جمله پرکاربردترین آنالیزهای صورت گرفته در این نرمافزار در صنایع کشتی سازی و فراساحلی میباشد. تحلیل در این نرمافزار با استفاده از روش المان محدود صورت میپذیرد. این نرمافزار قابلیت تحلیل هیدرودینامیکی را دارا نمیباشد. از ضعفهای دیگر این نرمافزار در صنایع فراساحلی، عدم مدلسازی خطوط مهار میباشد. خطوط مهار در این نرمافزار را میتوان تنها توسط نیرو و به صورت استاتیکی مدلسازی کرد که کاربردی نیست
4 .2 ومیت
این نرمافزار توسط دانشگاه تگزاس تهیه شده و از جمله نرمافزارهای بسیار پرکاربرد در زمینه تحلیل سازههای ساحلی و فراساحلی به روش المان مرزی میباشد. نرمافزار وَمیت نرمافزار هیدرودینامیکی محض میباشد و خروجی سازهای را از تحلیل سازههای ساحلی و فراساحلی در بر نخواهد داشت. مدل سازی در این نرمافزار کاملا شبیه نرمافزار موسس میباشد که در ادامه به آن اشاره خواهد شد. حل انتگرالها در این نرمافزار به روش نیومن و روش پنلی - انتگرال روی مرز - صورت میپذیرد و تنها تفاوت این نرمافزار با موسس تابع گرین مورد استفاده در حل معادله لاپلاس است.
این نرمافزار از گرین وهوس استفاده میکند که تمامی مرزها به غیر از خود جسم را ارضا میکند. نرمافزار وَمیت نسبت به نرمافزار موسس کمتر مورد استفاده قرار میگیرد. بنابراین با توجه به این که نرمافزار موسس از روش المان مرزی جهت تحلیل مدل استفاده میکند و مدت زمان اجرای محاسبات در هر مش المان مرزی کم تر از المان محدود میباشد و توانایی هر دوی تحلیلهای سازهای و هیدرودینامیکی در یک ماژول را دارا میباشد و کاربردی ترین نرمافزار تحلیلی در صنایع فراساحل است. از طرف دیگر این نرمافزار توانایی مدلسازی خطوط مهار را، هم به صورت استاتیکی و هم به صورت دینامیکی دارا میباشد و با استفاده از روش المان محدود به تعیین نیروها و تنشها در خطوط مهار میپردازد.
