بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله مخزن دارای ترک محیطی خارجی کامل با استفاده از وصلهی کامپوزیتی ترمیم شده است. ترک محیطی خارجی کامل یکی از انواع آسیبهایی است که در مخازن بوجود میآید. این نوع ترک بر اثر عوامل مختلفی در مخازن استوانهای ایجاد میشود که یکی از این موارد جوشکاری نواحی محیطی روی سطح خارجی مخازن است.
در این حالت برای ادامهی بهرهبرداری از این مخازن ترمیم یا تعمیر آنها الزامی است. روشهای مختلفی برای ترمیم مخازن ترکدار مورد استفاده قرار میگیرد که از آن جمله میتوان به استفاده از وصلههای فلزی و کامپوزیتی اشاره کرد. با توجه به مشخصات ویژهی مواد کامپوزیتی مانند وزن پایین، مقاومت ویژهی بالا و مقاومت در برابر خوردگی، استفاده از آنها نسبت به مواد فلزی در ترمیم قطعات آسیبدیده بازدهی بیشتری دارد.
هدف اصلی در این مقاله دستیابی به یک طراحی مناسب برای ترمیم مخازن حاوی ترک محیطی خارجی کامل است. یکی از پارمترهای اصلی برای بررسی مقاومت قطعه یا سازهی ترکدار ضریب شدت تنش است. در این پژوهش با استفاده از روش اجزاء محدود، ضرایب شدت تنش قبل و بعد از ترمیم محاسبه شده و با هم مقایسه شدهاند. همچنین تأثیر پارامترهای مختلف مانند ابعاد ترک، ابعاد وصله، جنس وصله و زاویهی قرارگیری الیاف مشخص شده است.
.1 مقدمه
مخازن استوانهای تحت فشار کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف مانند هوافضا، خودروسازی و نفت و گاز دارند. در طول بهرهبرداری این مخازن دچار آسیبهای مختلفی میشوند. این آسیبها میتوانند بر اثر عوامل محیطی و یا بارگذاری مکانیکی ایجاد شوند. یکی از مهمترین آسیبهایی که در مخازن تحت فشار میتواند موجب واماندگی نهایی آنها شود،بوجود آمدن انواع ترکها است. اگر ترک در این سازهها ایجاد شده باشد، برای ادامهی بهرهبرداری از آنها باید راه حلی برای جلوگیری از رشد ترک پیدا کرد.
روشهای مختلفی برای جلوگیری از رشد ترک، مانند استفاده از متوقفکنندههای ترک و یا استفاده از انواع وصلههای فلزی و کامپوزیتی وجود دارد. هر کدام از این روشها دارای مزایا و معایب مختلفی هستند که با توجه به شرایط میتوان از آنها استفاده کرد. برای اتصال وصلههای فلزی به ناحیهی آسیبدیده باید از اتصالات مکانیکی مانند پیچ، پرچ و یا جوشکاری استفاده کرد.
استفاده از پیچها و پرچها برای اتصال وصله، خود موجب بوجود آمدن تمرکز تنشهای جدید در اطراف آنها میشود که میتواند ترکهای جدیدی در سازه ایجاد کند. همچنین به علت تولید حرارت در حین فرآیند جوشکاری، امکان بکارگیری آن در تمام محیطها بویژه در بستر هیدروکربنی وجود ندارد. در این موارد استفاده از وصلههای کامپوزیتی که با چسب به سازهی آسیبدیده متصل میشوند، دارای مزایای فراوانی هستند. وزن پایین، مقاومت ویژهی بالا، مقاومت در برابر خوردگی و راحتی نصب از مهمترین ویژگیهای وصلههای کامپوزیتی هستند.
اولین بار فردی به نام بیکر در مرکز تحقیقات هوایی استرالیا برای تعمیر قطعات فلزی هواپیماهای فرسوده مانند بال آنها از مواد کامپوزیتی استفاده کرد
تحقیقات اولیه در این زمینه بیشتر با بهرهگیری از روشهای تجربی و آزمایشگاهی در دههی 70 و 80 میلادی صورت گرفت. کبیر و نظری [3] کاربرد استفاده از FRPها در تقویت مخازن جدار نازک دارای شکاف موضعی را مورد بررسی قرار دادند. با آزمایشهای تجربی تأثیر اضافه کردن لایههای مختلف و زاویه قرارگیری الیاف را مشخص کردهاند.
غفاری و حسینی تودشکی [4] خستگی لولهی دارای ترک طولی که با استفاده از وصلهی کامپوزیتی تعمیر شده را بررسی کردند. در این مقاله تأثیر اضافه شدن لایهها بر ضریب شدت تنش را مشخص کردهاند.
لیندن و همکارانش [5] رشد ترک لولهی تعمیر شده با وصلهی کامپوزیتی را با نگرش انرژی تحلیل کردند. در این تحقیق نرخ رهایش انرژی بحرانی Gc را با نرخ رهایش انرژی ترک G مقایسه کرده و مشخص میکنند که جدایش وصله از دیوارهی لوله اتفاق میافتد یا تعمیر بصورت سالم باقی میماند.
سعید و همکارانش [6] تأثیر فشار داخلی بر روی تعمیر کامپوزیتی لولهها را با دو روش تحلیلی و عددی بررسی کردند و در قالب نمودارهای کرنش بر حسب پارامترهای دیگر مانند فشار و درصد کاهش ضخامت دیواره نتایج تحقیق خود را ارائه دادند.
بنزیان و همکارانش [7] لوله حاوی ترک راه به در محیطی را با وصلهای از جنس کربن/اپوکسی تقویت کرده و تأثیر مشخصات وصله را مشخص کردهاند. در دو حالت که از یک و دو وصله برای تعمیر لوله استفاده شده، ضرایب شدت تنش را بدست آورده و با هم مقایسه کردهاند.
لیاپین و همکارانش [8] مسئلهی استاتیک غیرخطی لولهای که آسیب دیده و با استفاده از وصلهی کامپوزیتی تعمیر شده را تحلیل کرده و اختلاف تنش را قبل و بعد از تعمیر با هم مقایسه کردهاند.
آلتنباخ و همکارانش [9] لولهی تعمیر شده با وصلهی سرتاسری کامپوزیتی را بررسی کرده و یک حل عددی برای آن ارائه دادهاند. همچنین فرآیند سرد و گرم شدن وصلهی کامپوزیتی را در طول زمان شبیهسازی کردهاند.
چان و همکارانش [10] به بررسی تعمیر لولهی فولادی - riser - با وصلهی کامپوزیتی از جنس FRP پرداختند. ابتدا تحلیل عددی با روش اجزاء محدود انجام داده، سپس نتایج تحقیقاتشان را با دادههای حاصل از تحلیل تجربی مقایسه کردند.
فکور و همکارانش [11] در تحقیقی به بررسی تأثیر پوشش کامل کامپوزیتی - coating - پرداختند. نتایج این تحقیق نشان میدهد استفاده از پوشش کامل کامپوزیتی در مخازن دارای ترک خارجی، کاهش بیشتری در ضریب شدت تنش به همراه دارد.
Woo و همکارانش [12] در پژوهشی تقویت لولهی فولادی دارای ترک تمام عمقی با استفاده از کامپوزیت را بررسی کردند. تقویت با استفاده از وصلهی موضعی که نیمی از محیط لوله را پوشش میدهد، انجام شده است.
زرینزاده و همکارانش 13] و [14 در پژوهشهایی به بررسی لولهی دارای ترک تمامعمقی محیطی و مورب پرداختهاند. برای مدلسازی از روش اجزاء محدود توسعه یافته XFEM استفاده کرده و نتایج آن را با آزمایشات تجربی مقایسه کردهاند. علاوه بر بررسی استحکام لوله پس از تعمیر در آزمایشهایی به بررسی پدیده ی جدایش وصله نیز پرداختهاند. پورعبدل و همکارانش [15] با استفاده از مدلسازی دوبعدی اجزاء محدود به بررسی اثر وصله کامپوزیتی بر ترک داخلی پرداختند.
با توجه به تمام تحقیقاتی که در زمینهی ترمیم و تعمیر لولهها و مخازن ترکدار با استفاده از مواد مرکب انجام گرفته، اما تاکنون پژوهشی بر روی تعمیر مخازن دارای ترک محیطی خارجی کامل انجام نشده است. از این جهت در این مقاله به بررسی ترمیم مخازن دارای ترک محیطی خارجی کامل با استفاده از وصلههای کامپوزیتی پرداخته شده است. پارامترهای مختلفی در بازدهی ترمیم مخازن ترکدار موثر هستند. در این پژوهش تأثیر پارامترهایی مانند ابعاد ترک، طول و ضخامت وصله، جنس وصلهی کامپوزیتی و زاویهی قرارگیری الیاف، بر روی بازدهی ترمیم مشخص شدهاند. تحلیل با روش اجزاء محدود انجام شده و ضرایب شدت تنش قبل و بعد از ترمیم با هم مقایسه شدهاند.
.2 بیان مسئله
هدف اصلی در پژوهش دستیابی به یک طراحی مناسب برای تعمیر مخازن دارای ترک محیطی خارجی کامل است. نمایی از مخزن حاوی این نوع ترک در شکل 1 نشان داده شده است. در مکانیک شکست مهمترین پارامتری که برای تعیین استحکام سازه به عنوان معیار در نظر گرفته میشود، ضریب شدت تنش است. در این تحقیق مخزن استوانهای با شعاع داخلی Ri=15 Cm و شعاع خارجی Ro=16 Cm و طول Lc=1 m دارای ترک محیطی خارجی کامل، با استفاده از وصلهی کامپوزیتی سرتاسری - wrap - ترمیم شده است. عمق نسبی ترک برابر a/t است که معرف میزان طول ترک است.
شکل -1 نمایی از مخزن استوانهای حاوی ترک محیطی خارجی کامل
فرض بر این است که درون مخزن مایعی قرار دارد که فشاری معادل P=10 Mpa روی سطح داخلی آن ایجاد میکند. فرض میشود که بارگذاری در ناحیهی LEFM قرار دارد و اتصال بین وصلهی کامپوزیتی و دیوارهی مخزن بصورت ایدهآل است. برای این منظور ضخامت چسب در مقایسه با وصله باید ناچیز باشد. ضخامت چسب برابر 0/2 میلیمتر در نظر گرفته شده است. مشخصات مکانیکی مخزن فلزی، چسب و کامپوزیتهایی که به عنوان وصله بکار گرفته شدهاند، در جدول 1 آورده شده است.
