بخشی از مقاله
چکیده :
از مهمترین عوامل موثر در از هم گسیختگی آنی و همینطور کاهش مقاومت سکوهای دریایی در بلند مدت، پدیده ی خستگی در اتصالات و اعضای سازه می باشد. به دلیل ماهیت تکراری بارهای محیطی ناشی از امواج و باد و جریانهای دریایی، بررسی وضعیت سکوها و اتصالات آنها در مقابل این بارهای دایمی بیش از هر موضوع دیگری اهمیت مییابد. روشهای تحلیل خستگی در آیین نامههای معتبری همچونAPI1 ، DNV2 و ABS3 و چندین نهاد علمی دیگر نیز منتشر شده است که همخوانی قابل قبولی در مقایسه با یکدیگر دارند. تحقیق حاضر به مرور روشهای مرسوم در تحلیل خستگی سازههای دریایی میپردازد و در صدد معرفی روشی آسان و مقرون به صرفه در تحلیل خستگی در شرایط خلیج فارس میباشد. از آنجاییکه پریود طبیعی اغلب سکوهای ثابت مستقر در خلیج فارس در حدود کمتر از3 ثانیه میباشد، میتوان با دقت خوبی از روش تحلیل قطعی، بهره برد. اگر چه پیشنهاد آییننامهها در تمامی شرایطی از پاسخ سازه، استفاده از روش طیفی در تحلیل خستگی می باشد، اما این روش با وجود دقت بالا, مستلزم زمان و هزینهی بسیار بیشتری نسبت تحلیل تعینی دارد. همینطور بدلیل بروز پدیده ی خستگی در سکوهای موجود در خلیج فارس که در اغلب موارد در اواخر عمر مفید خود بسر می برند، بررسی تحلیل لرزه ای نیز برای این سکوها، پیشنهاد میشود.
کلیدواژه : اتصالات لوله ای، پریود طبیعی، تمرکز تنش، تحلیل قطعی، خستگی، سکوی ثابت
مقدمه :
صنعت نفت و گاز و درواقع به زبان عام تر، اقتصاد و انرژی، امروزه از مهمترین و استراتزیکیترین مسایلی میباشد که تمامی کشورها در تلاش برای دستیابی به این فاکتور مهم میباشند تا بتوانند نقش تعیین کننده ای در منطقه و جهان بدست بیاورد. ازینرو حوزهی صنعت نفت و گاز از اهمیت بسیار بالایی برخوردار میباشد که توان توسعه و بهره برداری از میادین نفت و گاز از بازوهای قدرتمند هر کشوری می تواند به حساب بیاید. بدلیل وجود منابع انرژی در دریا ها، استخراج انرژی از محیط های دریایی مستلزم توان علمی و تکنولوژیکی بالایی است. سکو های دریایی از نقش بسیار مهم و راهبردی در فراهم آوردن توسعه ی ملی برخوردار می باشند. لذا باید با حفظ و ارتقای کمی و کیفی این سازهها، در جهت منافع ملی و علمی، میتوان گامهای استواری برداشت. هزینهی گزاف ساخت سکوهای جدید، موضوع مرمت و مقاومسازی سکوهای موجود را بیش از پیش مورد توجه قرار میدهد.
سکوهای ثابت از نوع شابلونی از رایجترین و پرکاربردترین سکوهای موجود در دریاها می باشند، که از اواخر قرن 19 میلادی در صنعت نفت و گاز وارد شدند که امروزه درصد عمدهای از تعداد سکوهای موجود را به خود اختصاص داده اند. به دلیل ماهیت تکراری اغلب بارهای محیطی در دریاها و اقیانوسها، این سازهها پیوسته در معرض بارگذاریهای متعدد و تکراری قرار دارند. بارهای شامل باد، موج و زلزله، که ماهیت دینامیکی دارند، در طراحی این سازهها، بارهای غالب میباشند.[1] در این مقاله به مرور برخی متدهای موجود در تحلیل خستگی پرداخته خواهد شد و متعاقبا روشی سودمند ار لحاظ هزینه و دقت را برای منطقهی خلیج فارس ارایه داده میشود.پدیدهی خستگی در مواد از اواسط قرن 19 میلادی مورد توجه محققان مختلف قرار گرفت که به طور ویژه تحقیقات ووهلر1 منجر به منحنیهای تنش-تنش- تکرار2 شد.[2] این منحنی ها بصورت گسترده در تعیین عمر خستگی مورد استفاده قرار میگیرند.[3]
اهمیت تشخیص و تبیین پدیده خستگی
در علوم مهندسی، خستگی بصورت گسیختگی سازه تحت بارهای متناوب تعریف میشود. ماهیت تصادفی این پدیده، باعث حساسیت در تشخیص این پدیده شده است. در سازههای دریایی شامل سکوهای نفتی، در تاریخ صنعت نفت و گاز، فجایع ناگواری رقم خورده است که عمدتا بدلیل پدیدهی خستگی معرفی شده اند. از این موارد میتوان به ذکر نمنه هایی در ادامه اشاره کرد. فاجعهی سکوی نفتی نیمه مستغرق نروژی در دریای شمال با نام Alexander L. Kielland که منجر به کشته شدن 123 نفر از خدمهی سکو شد. یکی از مهاربندهای اصلی متصل به یکی از پایههای پانتونی به طور کامل گسیخته و از سکو جدا شد و موجب واژگونی کامل سکو گشت - Almar-Naess,1985 - این سکو وضعیت واژگونی آن در شکل - - 1 قابل مشاهده میباشد..
در سال 1979 سکوی جکآپ حفاری در خلیج مکزیک دچار سانحه شد که علت آن حادثه نیز، شروع و گسترش ترکهای ناشی از خستگی در اتصالات جوشی آن معرفی شد. به طوریکه حدود 500 میلی متر ترک خستگی، ابتدا با زاویهی 270 درجه و سپس با زاویه ای در حدود90 درجه امتداد یافته و منجر به گسیختگی سازه شده بود . - Publication Document 6493, 1980 - بر اساس مطالعات علی یقطین و حسن صیادی - 1398 - ، مشخص شد که عمر سکوی جکاپ ایران خزر در حدود 18 سال می باشد. این مطالعه با شرایط حاکم در دریای کاسپین صورت گرفت. به طوریکه ارتفاع موج مشخصه، برابر 12 متر و سرعت جریان های دریایی برابر 1 متر بر ثانیه در نظر گرفته شده است.
و اندرکنش خاک و سازه، با فنرهای الاستیکی مدلسازی شده است. این تحقیق توسط نرم افزار المان محدود Ansys به انجام رسیده است. پیش از آن عمر سکوی مورد مطالعه، توسط نرم افزار Sacs مورد مطالعه قرار گرفته بوده است که عمر سکو در حدود 20 سال تعیین شده است. این اختلاف، نشانگر خطای حدود 7,5 درصدی بین نتایج حاصل از دو نرم افزار است که قابل قبول است. در تحقیق مذکور از توصیه های آیین نامه های API استفاده شده است که پس از تحلیل دینامیکی غیر خطی و مشخص شدن اتصال بحرانی، اتصال تحت تحلیل خستگی قرار گرفته است. همچنین،این محققین نتیجه گرفتند که در طراحی سکوی حاضر، در نظر گرفتن راستای موج غالب به تنهایی میتواند شرایط طراحی را ارضا نماید.
بهروز عسگریان و پرویز کوزهگر - 1390 - ، طی مطالعات خود بر روی موضوع خستگی در اتصالات یک نمونه سکوی موجود در خلیج فارس - SPD 10 - ، نشان دادند که در نظر گرفتن انعطاف پذیری موضعی اتصالات، باعث کاهش در خرابی پیش بینی شدهی ناشی از خستگی در اتصالات میشود که نتایج حاصل از تحقیق در بهینه سازی زمانهای بازرسی در زیر آب، تاثیرات مفیدی دارد. تحقیق مذکور توسط نرم افزار المان محدود OPENSEES و به روش تحلیل طیفی صورت گرفته است. محمد حسین محصل وهمکاران - 1389 - ، مطالعهای را روی پدیدهی خستگی در شمعهای یک نمونه سکوی شابلونی در شرایط محیطی خلیج فارس انجام دادند. در این مطالعه، برای تحلیلهای استاتیکی و دینامیکی، از نرم افزار SACS استفاده شده است و برای تحلیل نصب و کوبش شمع از نرم افزار GRLWEAP بهره گرفته شده است. تحلیل خستگی در شمع به روش کلاسیک روی سکوی فاز 12 پارس جنوبی با دو نوع پروفیل خاک رسی و ماسهای انجام شد. این مطالعه نشان داد که خستگی محیطی و کوبشی شمع، در ماسه بیشتر از رس است. همینطور برای کاهش خرابی خستگی کوبشی در شمع، می توان از دو نوع چکش با کارایی یکسان در اعماق مختلف استفاده کرد.
خستگی
بطور کلی، پدیدهی خستگی طی سه مرحله اصلی مورد بررسی و توجه قرار میگیرد:
· ترکخوردگی آغازین
· گسترش ترک خوردگی
· شکست نهایی
به طور خلاصه، مرحلهی آغاز ترک خوردگی در اعضا و اتصالات، در محدودهی رفتار بسیار ریز1 مواد میباشد. این ترکها معمولا به خاطر هندسهی ویژهی اتصال و اثرات ثانویه و نواقص محل جوش بوجود میآیند که یا بصورت ترکهای بسیار ریز درونی یا در سطح جوش ایجاد میشوند. در مقایسه با ترک آغازین، مرحلهی گسترش ترک قابل تشخیصتر میباشد که در قالب تئوری مکانیک شکست2 قرا میگیرد. اصلیترین پارامتر مهم در این مرحله، محدودهی تنشی است که سازه در معرض آن قرار میگیرد. علاوه بر این عمق ترکهای آغازین و هندسهی جوش نیز تاثیر بسزایی در گسترش ترک دارند. این مرحله، مهمترین تاثیر را برای محاسبهی عمر خستگی دارا می باشد. مرحلهی شکست نهایی زمانی صورت میپذیرد که گسترش ترکها به حد بحرانی خود رسیده باشد. گسیختگی نهایی به جفت عواملی نظیر سطح تنش، اندازهی ترک و سختی مواد بستگی دارد.
همانند مرحله ی ترک های آغازین، مرحله ی شکست نهایی نیز اهمیت کمی در عمر خستگی دارد.به طور کلی تحلیل خستگی برای سازههایی انجام میشود که نسبت به بارهای متناوب از قبیل بارهای موج - در جاکت ها , سازه های شناور ... - ، باد - در تیرک مشعل، برج های راهپله، پلهای بین سکو ها.. - ، تجهیزات دوار - سازههایی که این قبیل تجهیزات بر آنها وصل میشوند - ، تنش های تکراری - شمع های در حال کوبش و ... - حساس هستند. مهمترین پارامترهای موثر در تعیین عمر خستگی، محدودهی تنش، تعداد تکرار، ضریب تمرکز تنش، رفتار دینامیکی، منحنی S - N یا تنش- تکرار میباشد، شکل . - 2 -
