بخشی از مقاله
چکیده
در خطوط لوله تجربیات و آزمایشات مهم و متعددی درباره عیوب خوردگی سطوح داخلی و خارجی وجود دارد. اثر خوردگی تحت تاثیر شرایط محیطی و شیمیایی باعث کاهش ضخامت لوله میشود که در نهایت باعث کاهش مقاومت مکانیکی در برابر خستگی، نشتی و پارگی میشود. رخ دادن خوردگی میتواند باعث واماندگی و حالت بحرانی در خطوط لوله شود و منجر به خسارات جانی و مالی شود.
فشار واماندگی یک پارامتر مهم در محاسبات و طراحی خطوط لوله میباشد که بستگی به جنس ماده، هندسه عیوب و نوع اعمال بار بر روی سیستم خطوط لوله دارد. در این کار پژوهشی با استفاده از نرم افزار اجزاء محدود آباکوس با در نظر گرفتن اثرخوردگی به شکل کاهش ضخامت در لوله، به مدلسازی و تحلیل الاستوپلاستیک فشار واماندگی آن با استفاده از معیار واماندگی ون مایسز در نرم افزار پرداخته شده است. نتایج نشان دادند که لوله دارای عیب خوردگی دچار واماندگی پلاستیک در ناحیه کاهش ضحامت یافته میشود و فشار واماندگی با افزایش عمق خوردگی کاهش مییابد.
مقدمه
با توجه به افزایش روز افزون تقاضا برای نفت و گاز به منظور مصارف شهری و صنعتی، انتقال کارآمد و موثر انرژی از مناطق تولید به مصرف، نیازمند ساز و کاری پیچیده و گسترده است. یکی از مهمترین تجهیزات برای این منظور، لولههای فولادی انتقال گاز میباشند. لولههای فولادی با قطر زیاد - حاوی گاز با فشار بالا بین 10 تا 15 مگاپاسکال - جهت سامانه انتقال بین شهری به کار میروند. با طولانی شدن خطوط انتقال و به تبع آن افزایش فشار استفاده از فولادهای استحکام بالا در جهت کاهش هزینههای پروژه اهمیت بسزایی دارد.
بدین منظور شرایط مناسب خواص مکانیکی این دسته از فولادها مانند استحکام و چقرمگی از ملزومات اصلی طراحی و تولید لوله میباشد. رخ دادن خوردگی در لوله میتواند باعث واماندگی و حالت بحرانی در خطوط لوله شود. بدین منظور محاسبه فشار واماندگی برای لولههای دارای عیب خوردگی جهت جلوگیری از صدمات جانی و مالی اهمیت بسزایی دارد. به از بین رفتن ماده در اثر واکنش شیمیایی یا الکتروشیمیایی با محیط اطراف خوردگی میگویند.
خوردگی به انواع مختلفی مانند حفرهدارشدن، خوردگی عمومی، خوردگی شیاری و فرسایشی طبقهبندی میشود. خوردگی در هر دو سطح داخلی و خارجی لوله اتفاق میافتد. دلیل خوردگی خارجی نقص در پوشش خارجی لوله یا حفاظت کاتدیک میباشد در حالی که خوردگی داخلی به دلیل وجود آلایندهها در محصول در حال انتقال مانند ذرات ریز شن و یا امینو اسیدها میباشد. در شکل1 سطح یک لوله خورده شده ملاحظه میگردد.
شکل 1 سطح یک لوله خورده شده - کاهش ضخامت یافته -
پارامترهای مختلفی بر مقاومت یک لوله خورده شده تاثیر میگذارند. از مهمترین آنها میتوان به فشار داخلی لوله، قطرلوله، ضخامت لوله و عمق خوردگی، طول و عرض خوردگی، استحکام نهایی لوله، استحکام تسلیم و سخت شوندگی کرنشی اشاره کرد.
موک و همکاران - Mok et al,1991 - به مدلسازی لوله دارای حفره طولی پرداختند. آنها برای بررسی رفتار واماندگی لوله از خواص حقیقی لوله استفاده کردند. پیشبینی فشار واماندگی لوله با خطای %5 نسبت به نتایج آزمایشگاهی از نتایج کار آنها بود.
جئوم و همکاران - Yeom et al, 2015 - خوردگی لوله API X70 را بوسیله آنالیز فشار واماندگی مورد ارزیابی قرار دادند. آنها رفتار واماندگی لوله را تحت یک تست هیدرواستاتیک، مشخص کردند. نتایج کار آنها این بود که زمانی که فشار داخلی لوله افزایش مییابد تنش در همه قسمت های ماده افزایش مییابد و همچنین با کاهش ضخامت تنش افزایش مییابد و شکل لوله در قسمت های آسیب دیده به سرعت عوض میشود.
نتو و همکاران - Netto et al, 2005 - به بررسی تاثیر خوردگی خارجی بر روی لوله، با استفاده از تستهای آزمایشگاهی و شبیه سازی اجزا محدود غیر خطی پرداختند. آنها فشار واماندگی را به عنوان تابعی از خواص مکانیکی و هندسه لوله محاسبه کردند. در نهایت با استفاده از نتایج آزمایشگاهی و تحلیل اجزا محدود، فرمول جدیدی را برای ارزیابی واماندگی خطوط لوله خورده شده ارائه کردند.
چویی و همکاران - Choi et al, 2003 - به تحلیل واماندگی لولههای دارای خوردگی پرداختند. آنها برای ایجاد خوردگی روی لوله از ماشینکاری و برای تعیین واماندگی لوله خورده شده از معیار تنش ون مایسز استفاده کردند. در نهایت با استفاده از نتایج آزمایشگاهی و اجزا محدود، روش ارزیابی واماندگی جدیدی را برای بررسی عیوب خوردگی در لولههای API X65 بر حسب تابعی از شعاع و ضخامت لوله ارائه کردند.
چوچائویی و همکاران - Chouchaoui et al, 1992 - انواع عیوب خوردگی حفرهای را روی لوله مدلسازی کردند. آنها با استفاده تحلیل اجزا محدود فشار واماندگی لوله را محاسبه کردند و متوجه شدند که لوله دچار واماندگی پلاستیک شده است. پیشبینی فشار واماندگی لوله با خطای -%6 تا -%7 نسبت به نتایج آزمایشگاهی از نتایج کار آنها بود.
ما و همکاران - Maa et al, 2013 - به ارزیابی فشار واماندگی خطوط لوله استحکام بالا دارای عیب خوردگی پرداختند. آنها به صورت تحلیلی فشار واماندگی لوله را برای لولههای بدون عیب و با عیب خوردگی بررسی و از شاخص واماندگی ون مایسز که یک شاخص کلاسیک برای بررسی واماندگی است استفاده کردند. آنها به یک رابطه جدید برای پیش بینی فشار واماندگی لوله خورده شده بر اساس روش المان محدود رسیدند.
در این کار پژوهشی به محاسبه فشار واماندگی لوله دارای عیب خوردگی - کاهش ضخامت - در نرمافزار آباکوس1 به روش اجزا محدود پرداخته شده است . بدین ترتیب که ابتدا مدل سه بعدی لوله دارای عیب خوردگی، در نرم افزار ایجاد میشود. سپس لوله شبکه بندی شده و پس از اعمال شرایط مرزی و بارگذاری فشار واماندگی لوله محاسبه میگردد.
روش تحقیق
روش اجزا محدود بطور گسترده ای در اتومبیل سازی، هوا فضا، و صنایع خطوط لوله بکار میرود. روش اجزا محدود میتواند بمنظور تحلیل واماندگی انواع مختلفی از عیوب استفاده شود. در پژوهش پیش رو از نرم افزار اجزا محدود آباکوس بمنظور تحلیل فشار واماندگی خطوط لوله جداره نازک شامل عیوب خوردگی - روی سطح خارجی لوله - در جهت طول لوله و با عمق ثابت در نظر گرفته شده است. بمنظور شبیه سازی لوله از مدل سه بعدی استفاده شده است.
کاهش ضخامت بشکل عیوبی مستطیلی شکل دارای انحنایی در گوشه، با طول 200mm و عرض 30mm و عمقهای %22، 48%، % 64، ضخامت لوله در نظر گرفته شده است. در نهایت سه عیب با عمقهای ذکر شده شبیه سازی شده و اثر عمق خوردگی بر روی فشار واماندگی لوله بررسی شده است. مشخصات هندسی لوله در کلیه عیوب بررسی شده مطابق جدول 1 میباشد.
جدول 1 مشخصات هندسی لوله
خواص مکانیکی مورد نیاز - لوله - X52، برای تحلیل اجزا محدود کلیه عیوب بررسی شده در این کار پژوهشی در جدول 2 ذکر شدهاند. در تحقیق پیش رو از نمودار تنش کرنش حقیقی لوله - - Bedairi et al, 2012 برای تحلیلهای الاستوپلاستیک عیوب خوردگی استفاده شده است.
