بخشی از مقاله
خلاصه
لوله های حفاری یکی از مهمترین تجهیزات در صنعت حفاری بوده و به منظور انتقال انرژی به مته حفاری، خنک نمودن سر مته و ... طراحی شدهاند. لوله های حفاری از نوعی آلیاژ فولاد یا آلومینیوم با استحکام بالا ساخته میشوند اما متاسفانه فلزات همواره در معرض تنش خوردگی و خستگی بوده و ترکهای ناشی از آنها منجر به شکست قطعات فلزی خواهد شد بنابراین تشخیص ترکهای داخلی قبل از رشد ترک و رسیدن به طول ترک بحرانی، بسیار مهم میباشد. در این مطالعه با تابش پرتوی گاما به لولههای حفاری و شمارش فوتونهای عبوری و پراکنده شده از آنها، روشی جدید برای یافتن محل و میزان ترک داخلی ارائه شده است. به دلیل پیچیدگی ارتباط بین تعداد فوتونهای شمارش شده با محل و حجم ترک، مدل ANFIS استفاده شده است. نتایج حاصل از مدل ANFIS مطابقت خوبی با نتایج شبیهسازی دارد که بیانگر اعتبار و کارایی بالای روش پیشنهادی میباشد.
.1 مقدمه
قطعات فلزی در سازههای صنعتی همواره در معرض تنش خوردگی و خستگی بوده و ترکهای ناشی از آنها میتواند منجر به شکست قطعه و در نتیجه ایجاد خطرات پرهزینه و حتی جبرانناپذیر شود 1]، .[2 یکی از این قطعات لوله های حفاری هستند که از مهمترین تجهیزات در صنعت حفاری به شمار میروند. تشخیص ترک های داخلی ناشی از تنش خوردگی و خستگی لولههای حفاری قبل از رشد ترک و رسیدن به طول ترک بحرانی، یک کار چالش برانگیز در بسیاری از مناطق حفاری میباشد .[3]
اندازهگیری و تجزیه و تحلیل تعداد فوتون های عبوری و نیز تعداد فوتونهای کامپتون پراکنده شده از ماده، روشی غیرمخرب برای تشخیص نشانههای اولیه از ترکهای داخلی قبل از آسیب شدید است. مزیت این روش تعیین دقیق محل و ابعاد ترک داخلی در مدت زمان قابل قبول است .[4] روش پیشنهادی در این مطالعه، استفاده از یک چشمه گاما - - Eγ 662 keV و دو آشکارساز یدورسدیم - NaI - Tl - - برای ثبت فوتونهای عبوری و فوتونهای پراکندگی کامپتون و تجزیه و تحلیل آنها برای تشخیص ترکهای داخلی ناشی از تنش خوردگی و خستگی لوله های حفاری است.
ارتباطی پیچیده بین تعداد فوتون های عبوری و کامپتون آشکار شده با محل و حجم ترک داخلی در لوله حفاری وجود دارد و یافتن ضابطه ریاضی این ارتباط بسیار مشکل است. در این مقاله از سیستمهای فازی بر پایه شبکه عصبی تطبیقی 5] 1 - ANFIS - ، [6 به عنوان یک مدل مصنوعی برای تخمین محل و حجم ترک داخلی بر حسب تعداد قوتونهای عبوری و پراکنده شده از آن استفاده شده و اعتبار مدل به دست آمده از طریق شبیهسازی مونت کارلو مورد بررسی قرار گرفته است.
.2 روش کار
تابشهای الکترومغناطیسی با انرژی بیش از Eγ 100keV میتوانند در ماده نفوذ کرده و با ثبت تعداد فوتون های عبوری و پراکنده شده، اطلاعاتی درباره ساختار داخلی آن به ما بدهندکه از کاربردهای صنعتی آن میتوان به رادیوگرافی با استفاده از اشعه ایکس و توموگرافی کامپیوتری - CT - بوسیله پراکندگی کامپتون اشاره کرد.[9-7] در این پژوهش چیدمان هندسی آزمایش شامل یک چشمه 137Cs و دو آشکارساز سوسوزن یدور سدیم NaI - Tl - به ابعاد 3inch×3inch به منظور ثبت پرتوهای عبوری و پراکنده شده از نمونه، توسط کد MCNP مطابق شکل - 1 - شبیهسازی شده است.
شکل : - 1 - چیدمان هندسی آزمایش شامل یک چشمه گاما و دو آشکارساز یدور سدیم. نمونههای شبیهسازی شده، لولههای حفاری از جنس فولاد با ضخامت پنج سانتیمتر دارای ترک داخلی با ابعاد مختلف میباشند که چند نمونه از آن در شکل - 2 - نشان داده شده است. شکل : - 2 - نمونه لولههای حفاری شبیهسازی شده دارای ترک داخلی. لازم به ذکر است که ترک های داخلی در محل های مختلفی از لوله حفاری شبیه سازی شدهاند. برای نشان دادن محل ترک، از پارامتر زاویه سمتی نسبت به محل چشمه استفاده شده است که به صورت شماتیک در شکل - 3 - نشان داده شده است. شکل : - 3 - استفاده از پارامتر زاویه سمتی نسبت به محل چشمه برای نشان دادن محل ترک. با توجه به شکل - 3 - گستره تغییرات زاویه سمتی از صفر تا 360 درجه میباشد.
.3 سیستمهای فازی بر پایه شبکه عصبی تطبیقی - انفیس -
کاربرد نظریه مجموعههای فازی در حل مسایلی است که به استدلال، تصمیمگیری و استنباط بشری وابسته هستند. سیستم های فازی برخلاف شبکههای عصبی قادر به یادگیری نیستند برای رفع این نقص سیستمی تحت عنوان سیستم فازی بر پایه شبکه عصبی تطبیقی ارایه گردیده که مزایای مجموعه های فازی و شبکه عصبی مصنوعی را در خود جمع کرده است5] و .[6 غالبا سیستمهای انفیس را با استفاده از یک سیستم فازی تاکاگی-سوگئو-تانگ - TSK -
به کار میبرند که برای دو ورودی x - ، - y با چهار قانون بصورت زیر است:[10]
قانون اول: اگر x در مجموعه A1 و y در مجموعه B1 قرار دارند آنگاه r1 q1 y p1 x f 1
قانون دوم: اگر x در مجموعه A2 و y در مجموعه B2 قرار دارند آنگاه r2 q2 y p 2 x f 2
قانون سوم: اگر x در مجموعه A1 و y در مجموعه B2 قرار دارند آنگاه r3 q3 y p 3 x f 3
قانون چهارم: اگر x در مجموعه A2 و y در مجموعه B1 قرار دارند آنگاه r4 q4 y p 4 x f 4
سیستمهای انفیس شامل پنج لایه به شرح زیر میباشد:
لایه اول: دادههای ورودی مطابق قوانین TSK فازی شده و با عبور از توابع عضویت، درجه عضویت هر یک مشخص میگردد. توابع عضویت میتوانند بصورت گاوسی، زنگولهای، مثلثی و ... باشند.[11] چند نمونه از توابع عضویت در شکل - 4 - نشان داده شده است. شکل : - 4 - چند نمونه از توابع عضویت مورد استفاده در سیستم انفیس .[8] لایه دوم: درجه فعالیت هر قانون از رابطه زیر تعیین میگردد: که در آن - B k - y درجه عضویت y در مجموعه فازی Bk و wk درجه فعالیت قانون k ام است. لایه سوم: درجه فعالیت نرمال شده قانون k ام بصورت زیر تعیین میگردد:
