بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله رفتار تغییرشکل بوجود آمده در اعضای لوله ای فولادی تحت اثر ترکیب نیروی محوری و بار جانبی بوسیله ایندنتر مورد بررسی قرار میگیرد . بارگذاری ها کلا بصورت استاتیکی و مشخصات هندسی و خصوصیات فیزیکی مصالح در تمامی نمونه ها ثابت بوده و تنها فاکتور متغیر، مقدار نیروی محوری می باشد.در این تحقیق شش نمونه آزمایشگاهی تحت بارگذاری های فوق قرار گرفته و برای هر کدام نمودارهای نیرو- تغییر مکان، مد تغییرشکل بعد از باربرداری ، نمودار اندرکنش بین نیروی محوری و بار موضعی و اثر بار محوری بر مقاومت لوله در برابر بار موضعی استخراج شده و مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.
واژههای کلیدی: اعضای لوله ای، تغییرشکل ، نیروی محوری، بار جانبی
-1 مقدمه
آسیب دیدگی خط لوله به دلایل مختلفی از جمله برخورد مکانیکی ناشی از تورهای ماهیگیری، لنگرها، ماشین آلات حفاری در خطوط مدفون ساحلی و فراساحلی[1] و یا تغییرمکان سنگ ها و صخره ها [2] رخ داده که موجب آسیب های جدی به خط لوله شده و بر کارکرد و راندمان آن اثر منفی می گذارد. برخوردهای خارجی اولین تهدید بر یکپارچگی خطوط لوله فراساحلی در سطح جهانی بوده و این برخوردها موجب بروز %50 کل گسیختگی های ثبت شده در اروپا و %53 در ایالات متحده می باشند. به همین منظور طراحی در برابر بارهای جانبی موضعی خطوط انتقال هیدروکربن ها، مخصوصا گاز که خطر انفجار در صورت گسیختگی را دارد، بسیار حائز اهمیت است .[2]تغییرشکل های ناشی از بارگذاری های سیکلی در خطوط لوله، عاملی برای بروز گسیختگی خستگی بوده 3]و[1 و نیازهای بهره برداری و همچنین حداکثر عمق تغییرشکل مجاز را که خط لوله می تواند بدون تعمیر و یا تعویض تحمل نماید را محدود می کند .[1]
تحقیقات زیادی پیرامون رفتار ترکیب تغییرشکل با سایر بارگذاریها در اعضای لوله ای تحت بارهای استاتیکی صورت گرفته است؛در سال 1976 آقایان A.R.watson و S.G.Thomas و S.R.Reid مطالعات گسترده ای را پیرامون اعضای لوله ای با شرایط تکیه گاهی و شرایط هندسی مختلف انجام دادند4]و5و.[6 نتایج مطالعات آنها ارائه سه مد تغییرشکل معمول برای یک عضو لوله ای تحت بار موضعی در سطح بالای خود و با شرایط تکیه گاهی ساده میباشد: -1 فاز مچالگی خالص -2 فاز مچالگی و خمش -3 فروریختگی سازه ای .[4] آنها همچنین با بررسی اثر طول لوله بر رفتار تغییرشکل به این نتیجه رسیدند که با افزایش طول لوله بیش از 11 برابر قطر آن ، مقاومتش در برابر بار موضعی افزایش چندانی پیدا نمی کند .[6]
در ادامه با بررسی رفتار لوله تحت بارگذاری موضعی بوسیله دو ایندنتر واقع در سطح بالایی و پایینی و با شرایط انتهاهای باز ، سه مد تغییرشکل ارائه نموده که با تغییر طول لوله، مدها تغییر می یابند. طبق تحقیقات مذکور، برای لوله های کوتاه - L<1.5D - مد تغییرشکل از نوع حلقه ای، برای لوله های با طول متوسط - 1.5D<L<6D - مد انتقالی و برای لوله های بلندتر از 6D مد بیضوی معکوس را ارائه شد.[5] آقای O.O.R. Famiyesin و همکارانش با روش مدلسازی اجزای محدود و مطالعه پارامتریکی، یک رابطه نیمه تجربی برای پیش بینی محافظه کارانه تغییرشکل تحت بار موضعی شبه استاتیکی در وسط دهانه ارائه کرده اند؛ آنها دو حالت تکیه گاهی کاملا گیردار و مفصلی در آنالیزهای اجزای محدود بکار گرفته تا شرایط انتهایی خط لوله تحت بارهای سرویسی را شامل شود و خصوصیات فیزیکی مصالح را الاستیک-کاملا پلاستیک فرض نمودند، آنها همچنین روابطی جهت محاسبه میزان انرژی استهلاک در رفتار تغییرشکل موضعی نیز برای هر دو حالت تکیه گاهی ارائه کردند .[7]
همچنین آقایان M.Zeinoddini و همکارانش در مورد رفتار اعضای لوله ای فولادی پیش بارگذاری شده محوری تحت آسیب های ضربه ای با شرایط تکیه گاهی آزاد در برابر حرکت و دوران ، تحقیقی درباره اثر بار موضعی شبه استاتیکی بروش اجزای محدود انجام دادند، آنها با بررسی نمونه های متفاوت 7<L/D<15 و 35<D/t<210 با مقادیر نیروهای محوری فشاری مختلف و با اعمال بار موضعی بر سطح بالایی لوله و در وسط دهانه، به این نتیجه رسیدند که نیروی محوری پیش بارگذاری شده تاثیر قابل ملاحظه ای در ظرفیت فروریختگی سیلندرها و بطور قابل ملاحظه تر بر سطح انرژی ای که عضو می تواند قبل از فروریختگی جذب کند، دارد 8]و .[9
با توجه به تحقیقات قبلی انجام شده، امروزه نیزتحقیقات زیادی درمورد خطوط لوله تحت فشار انجام می گردد بعنوان مثال آقای Spyros A.Karamanos اندرکنش تغییرشکل با فشار را مورد بررسی قرار داده10]و[11 و یک سری روابط تئوریکی را ارائه نموده که در مقایسه با نتایج اجزای محدود پاسخ های بهتری برای ترکیبات بار موضعی و فشار ارائه می کند؛ ایشان در این تحقیقات اثر شرایط تکیه گاهی مختلف، مشخصات نوک ایندنتر، زاویه موقعیت آن نسبت به محور لوله و بستر لوله و را مورد ارزیابی قرار داده است.در مسیرهای خط لوله انتقال به دلایل مختلف از جمله وجود تفاوت های دمایی در مسیر انتقال، اثر ضریب پواسون1]و[12 و ...خط لوله تحت نیروی محوری و همچنین بنابه دلایلی که قبلا ارائه شد تحت بار موضعی قرار می گیرد.
در تحقیق حاظر، رفتار تغییرشکل ایجاد شده بوسیله ایندنتر در وسط دهانه و در سطح بالایی لوله ، برای حالت های مختلف نسبت نیروی محوری فشاری به نیروی محوری تسلیم شدگی لوله - - F=πDtσy در آزمایشگاه مورد بررسی قرار گرفته است؛ نسبت های مذکور بدین صورت میباشند: نسبت - 0%بدون نیروی فشاری - ، % 8/4 ، %13/5 ، %19/1 ، %23/7 و . %27 در این مطالعه فرض شده است خط لوله نیروی محوری را به عنوان بار سرویسی خود حمل کرده و در حین حمل بار موضعی اعمالی در وسط دهانه و سطح بالایی آن میباشد، و نیز یکی از تکیه گاه ها کاملا ثابت - گیردار - و دیگری از نوع لغزشی بوده تا بتوان در راستای طولی لوله بر آن بار محوری اعمال کرد. در این تحقیق از وجود و اعمال فشارهای داخلی و خارجی، صرف نظر شده است. تمامی نمونه های آزمایشگاهی دارای شرایط هندسی و فیزیکی یکسانی بوده و تنها عامل متفاوت در هر تست نیروی محوری فشاری است.
-2 رفتار تغییرشکل
بدلیل اینکه تغییرشکل موجب تمرکز تنش و کرنش و کاهش موضعی در قطر لوله می شود [13] ، بررسی و تفکیک قسمت های مختلف نمودار نیرو -تغییرمکان تحت این بارگذاری حائز اهمیت می باشد. در شکل 1 بعضی از ویژگی های مهم پروسه تغییرشکل برای یک خط لوله تحت نیروی محوری و بار جانبی در هفت مرحله فاز بندی شده است:شکل - - 1 تاریخچه بار-تغییرشکل نوعی در یک خط لوله تحت نیروی محوری ، تغییرشکل جانبی توسط ایندنتر و سپس رفع بار جانبی و نیروی محوریفاز : 1 تغییرشکل شعاعی ناچیزی که ناشی از اثر نیروی محوری فشاری در خط لوله بوجود می آید.
فاز: 2 موقعی که بار موضعی اعمال می شود تغییرشکل خطی الاستیک استوانه تا شروع نقطه تسلیم افزایش می یابد.
