بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مروري برمدلسازي سکوهاي آب عميق و روند ساخت مدل سکوي اسپار
چکيده
نفت به عنوان اصلي ترين منبع توليد انرژي در جهان مطرح مي باشد و از اين رو اکتشاف و استخراج آن از دل زمين يا دريا از اهميت بالايي برخوردار است . بسياري از اين منابع در اعماق دريا وجود دارند و استخراج اين منابع مستلزم دستيابي به دانش طراحي و تکنولوژي ساخت سکوها و ادوات استخراج در آب هاي عميق مي باشد. حجم عظيمي از ذخاير نفتي ،در بستر آب هاي عميق وجود دارد. اسپار يک سکوي شناور قابل رقابت براي آب عميق و خيلي عميق در استخراج نفت و گاز است . ساخت سکوهاي آب عميق نيازمند بررسي و صرف هزينه و زمان زيادي براي انجام محاسبات و پيش بيني هاي لازم مي باشد نرم افزار هاي مختلفي براي انجام محاسبات هيدروديناميکي و ساخت مدل عددي موجود مي باشد که در موارد زيادي کاربردي بوده و نتايج قابل قبولي ارايه مي دهند. با اين حال به دليل بزرگ بودن سازه و شرايط محيطي که سبب غير خطي شدن اغلب پارامترها از جمله سختي مهارها و پارامترهاي هيدروديناميکي مي شود اکتفا نمودن به نتايج عددي نرم افزارها هيدروديناميکي کار معقولي نبوده و انجام تست آزمايشگاهي و ساخت مدل ضروري مي باشد. در اين مقاله مروري بر روند مدل سازي سکوهاي آب عميق مي کنيم و سپس نحوه ساخت و مراحل ساخت سکوي اسپار بيان مي گردد.
کلمات کليدي: مدلسازي، سکوي اسپار، تحليل تجربي اسپار.
مقدمه
اولين اسپارهاي ساخته شده در جهان با هدف استخراج نفت و منابع نفتي نبودند. از جمله سکوهاي ساخته شده مي توان اسپار نيپون را نام برد که در سال ١٩٦٠ در ساحل ژاپن با ١٤٩ متر طول با قطر متغيير ٣ تا ٦.٥ متر براي اهداف اقيانوس شناسي نصب گرديد. در زمينه تحليل هيدروديناميکي سکوي اسپار و آناليز تجربي مدل، کارهاي زيادي پيرامون تحليل حرکت اسپار، خطوط مهار و اثر رايزر ها از تحليل رياضي و فرموله کردن حرکت و بررسي نيروها بصورت تحليلي و خطي و بررسي غير خطي سازه و اثر درگيري بخش هاي مختلف تا مدل سازي انواع سکوهاي اسپار و انجام تست هاي آزمايشگاهي بر روي مدل ها صورت گرفته است [٣]. داوني و همکارانش [٤] در سال ٢٠٠٠ به صورت تجربي حرکت اسپار خرپايي را مورد بررسي قرار داده اند. اين تحقيق بصورت تجربي بر روي يک مدل اسپار تحت موج منظم و نامنظم انجام شد.
تحليل بر اساس نيرو و حرکت در راستاي عمودي انجام شد. ژانگ فن و همکاران[٤] در سال ٢٠٠٨ به بررسي نتايج حوزه زمان و فرکانس با آناليز حاصل از تست مدل براي يک اسپار سلولي پرداخته اند. در اين تحقيق اثر بر همکنش مهار و رايزر در پاسخ سازه در نظر گرفته شده است . براي اسپار، درگيري خطوط مهار و رايزر با سازه، سبب کاهش ميزان پيک حرکت در پاسخ سازه مي شود. تحقيقات فوق و ساير مطالعات حاکي از رفتار مناسب سکوي اسپار نسبت به ساير سکوهاي آب عميق و کارايي مناسب اين سکو مي باشد. مدلسازي تجربي يکي از بخش هاي اصلي در ساخت ، امکان سنجي ، تحليل و صحت سنجي نتايج عددي در پروژه هاي صنعتي علي الخصوص صنايع فراساحل مي باشد.
مطالعه مدل امکان مشاهده عيني جريان را فراهم مي کند و با انجام آزمايش بر روي مدل مي توان اطلاعات عددي خاص بدست آورد. مثلا مي توان عمق جريان را بدست آورد، توزيع سرعت را مشخص کرد، توزيع فشار و نيروهاي وارده را اندازه گيري کرد و در نتيجه مي توان نتايج را تعميم داد.
بخش لاينفک تست تجربي اصول تشابه مي باشد که در هر تست آزمايشگاهي باتوجه به شرايط محيطي و ابعاد سازه برقرار مي باشد. اصول تشابه را مي توان با پارامترهاي بي بعد بيان نمود. با استفاده از پارامتر هاي بي بعد مي توان نتايج آزمايش را عموميت داده، آن ها را براي وضعيت هايي با ابعاد فيزيکي متفاوت و اغلب براي وضعيت هايي با خواص سيال متفاوت نيز به کار برد.
اصول تشابه
براي برقراري تشابه بين مدل و نمونه واقعي سه تشابه هندسي ، سينماتيکي و ديناميکي بايد برقرارشود. تشابه هندسي شامل تشابه ابعاد فيزيکي شامل طول، عرض، قطر و حتي ارتفاع زبري سطح مدل و نمونه مي باشد. برقراري تشابه سينماتيکي برمي گردد به برقراري تشابه بين خطوط جريان درمدل و نمونه واقعي و تشابه ديناميکي عبارت است از تشابه بين مقدار و جهت نيرو در نمونه اصلي و مدل. بنابراين براي برقراري کامل تشابه ديناميک بايد عدد ماخ، عدد رينولدز، عدد فرود و عدد وبر در مدل و نمونه يکسان باشند. عموما تحقق کامل اين شرايط غير ممکن است مگر آن که مقياس يک به يک باشد و بررسي در ابعاد واقعي صورت پذيرد. اما خوشبختانه در بسياري از وضعيت ها و پديده هاي مرتبط با سازه هاي دريايي تنها دو نيروي مهم فرود و رينولدز وجود دارد. در تست هاي هيدروديناميکي با توجه به شرايط محيطي و ابعاد سازه برخي نيروها خيلي بزرگتر از برخي نيروهاي ديگر مي باشد که مي توان از نيروي کوچکتر صرف نظر نمود. مثلا در تست سکوهاي آب عميق بدليل بزرگ بودن ابعاد و ثابت بودن سازه نيروهاي گرانشي و اينرسي (بجز حرکت رول )بسيار حائزاهميت مي باشند در تاييد تشابه فرود عدد فرود که به شکل زير تعريف مي شود بايد بين مدل و سازه در ابعاد اصلي برابر باشد u وL به ترتيب سرعت مشخصه و طول مي باشد و g شتاب گرانشي زمين است .
که در اينجا انديس p وm به ترتيب براي سازه اصلي ١ و مدل مي باشد و ضريب تشابه ابعادي در بحث مدلسازي آزمايشگاهي مي باشد که
. نيروي ديگري که در مدلسازي هيدروديناميکي حائزاهميت مي باشد نيروي ويسکوز مي باشد که در حرکت roll سازه هاي آب عميق اهميت پيدا مي کند. يکي از مهمترين اين نيرو ها ممان ميرايي حرکت رول مي باشد. قانون تشابه رينولدز ارتباط صحيح بين نيروي اينرسي و نيروي ويسکوز را بيان مي کند که بر پايه آن عدد رينولدز در مدل و مقياس بزرگ بايد برابر باشد.
L وu به ترتيب طول و سرعت مشخصه هستند و v ويسکوزيته سينماتيکي است . پارامتر هاي g و v اصولا در مدل و ابعاد اصلي با هم برابرند. بنا بر اين براي تست مدل نمي توان هم زمان مقياس رينولدز و فرود را با هم برقرار کرد.
در مدلسازي سکوهاي آب عميق به دليل غالب بودن نيروهاي اينرسي تشابه فرود اصل قرار مي گيرد. بنابراين تشابه رينولدز نقض مي گردد.
براي کاهش اثر عدم تشابه رينولدز آزمايشات را در اعداد رينولدز بالا انجام مي دهند. عدد رينولدز مدل کمتر از عدد رينولدز نمونه واقعي مي باشد بااين حال عدد رينولدز مدل از مقدار قابل قبولي بزرگتر مي باشد. به منظور کاهش اثرات ويسکوز، مقياس مدلسازي را حدالمقدور بزرگ درنظر مي گيريم .
با توجه به رابطه .Error! Reference source not found و برقراري قانون تشابه فرود و برابر گرفتن شتاب جاذبه که در مدل و ابعاد واقعي يکسان است بدست مي آيد:
در اين جا u سرعت جريان است .
مقياس مدلسازي
معيار اصلي در انتخاب مقياس مدلسازي توانايي سيستم موج ساز درتوليد امواج دريا در مقياس مدلسازي مي باشد. حداکثر ارتفاع موج توليدي در آزمايشگاه که در برنامه تست قرار داده مي شود، بالاترين محدوده مقياس در مدلسازي را تعيين مي کند. پهناي فرکانسي يک ژنراتور موج و همينطور توانايي آن براي توليد فرکانس بالا و امواج با طول موج کوچک مي تواند در تعيين محدوده مقياس مدلسازي موثر واقع شود. با کاليبره کردن ژنراتور موج قبل از انجام تست مي توان طيف موج مناسب براي توليد موج را با ضريب اطمينان بالايي توليد کرد. سايز فيزيکي مدل نيز در تانک هاي کشش کوچک حائز اهميت است زيرا برگشت امواج در تانک هاي باريک از ديواره ها روي خود مدل تاثير مي گذارد و باعث تاثير گذاري روي نيروي دريفت و ممان هاي اندازه گيري شده مي شود. به طور کلي هرچه ابعاد مدل نسبت به ابعاد تانک کشش بزرگتر شود اين تاثيرات ديواره بيشتر مي گردد.
عامل ديگري که در تعيين مقياس مدلسازي اهميت دارد نيروي کشش سطحي مي باشد. نيروهاي کشش سطحي بطور کلي در مقايسه بانيروهاي پتانسيل مقياس شده در تست هاي عميق قابل صرف نطر مي باشد اما در برخي موارد اين عامل برنتايج تست و تعيين مقياس مدلسازي اثرگذار مي باشد. اثر نيروي کشش سطحي در امواج کوچک نمايان مي شود. در امواج خيلي کوچک اين اثر سبب يک سختي و استحکام در سطح آب مي گرددو بصورت يک ترم گرانشي در معادلات پتانسيل موج وارد مي گردد. کشش سطحي اصولا در امواج با طول موج کمتر از ٠.١ متر اثرگذار مي باشد . از آنجايي که امواج محيطي براي سکوهاي آب عميق در ابعاد واقعي با دوره تناوب ٤تا ٢٥ ثانيه در نظر گرفته مي شود، به اين نتيجه مي رسيم که براي صرف نظر از اثرات کشش سطحي و اصولي بودن نتايج حاصل از شرايط تست مدل نبايد ضريب تشابه ابعادي بين مدل و نمونه واقعي در مدلسازي آب عميق بيشتراز باشد. غالبا مقياس مدلسازي در آزمايشگاه ها بين تا در نظر گرفته مي شود. کشش سطحي اصولا در مدل در جايي تاثير گذار است که فضاها و تانک هاي مغروق با ابعاد مشخصا کوچکتر از ٠.١ متر وجود داشته باشد. با افزودن مواد شيميايي نيز مي توان اين کشش سطحي را در تانک کشش کم نمود.
تعيين مقياس مدلسازي براي سکوي اسپار
همان طور که گفتيم مقياس مدل سازي بايد کوچکتراز 1/250نباشد بدليل عمق کم حوضچه و عدم کارايي سيستم موج ساز در عمق بيشتر از ١.٢٠ متر مقياس مدلسازي را 1/200انتخاب ميکنيم . دليل ديگر اين مقياس زياد بودن درفت مدل مي باشد و در مقياس هاي بزرگتر فاصله کيل
2oo
سکو تا کف خوضچه و همچنين مدلسازي مهارها با محدوديت روبرو مي شود.
قوانين تشابه براي مدلسازي آزمايشگاهي سکوي اسپار اسپار يک سازه اينرسي غالب مي باشد و با توجه به آنچه در بخش قبل بيان کرديم تشابه فرود را به عنوان اصل پايه اي تشابه ، در نظر مي گيريم . اگر نسبت تشابه هندسي λ باشد خواهيم داشت :
با توجه به معدله فوق:
براي بدست آوردن جرم مدل از رابطه ρv =m بين مدل و نمونه استفاده مي شود. اگر نمونه و مدل هردو از يک جنس باشند رابطه جرم نمونه و مدل بصورت زير مي باشد:
اما اگر مدل از جنس ديگري باشد تفاوت چگالي بايد در رابطه فوق اعمال شود به اين صورت که :
در مدل کردن وزن، چون سازه اسپار ساده مي باشد، مي توان با استفاده از وزنه هاي اضافه مدل را از ماده اي با چگالي کمتري بسازيم .
در بحث زمان با توجه به رابطه سرعت و زمان و برقراري تشابه فرود مي توان ارتباط بين زمان براي مدل و نمونه را به اين صورت بيان نمود.
سپس با در نظر گرفتن رابطه سرعت و شتاب:
با در نظر گرفتن اصل فرود:
براي نوشتن تشابه بين نيروهاي وارده از سيال براي مدل و نمونه از رابطه زير استفاده مي شود.
شتاب گرانش را ثابت فرض ميکنيم و با در نظر گرفتن نسبت چگالي آب شيرين به آب دريا:
تنش برابر نيرو تقسيم بر مساحت مي باشد که بادر نظر گرفتن نسبت مساحت بين مدل و نمونه مي توان نوشت :
با استفاده از روابط فوق مي توان نتايج حاصل از مدل را براي نمونه اصلي تعميم داد.
مدلسازي مدول الاستيسيته
در صورتي که مدل داراي صلبيت قابل قبولي باشد و در مقابل نيروهاي وارده تغيير شکل نداشته باشد نيازي به مدل کردن مدول الاستيسيته نمي باشد. در مدل سازي قسمت هايي از مدل که غالبا داراي طول زياد و قطر کم مي باشند و در مقابل نيرو و جابجايي دچار کشيدگي يا تغيير شکل مي شوند مانند خطوط مهار در اسپار يا تاندون ها در سکوهاي پايه کششي ، در نظر گرفتن رابطه بين مدول نمونه و مدل اهميت پيدا مي کند.
سازه اصلي اسپار بدليل صلب بودن نيازي به تبديل مدول الاستيسيته ندارد ولي خطوط مهار چون بعنوان سازه بلند و باريک محسوب مي شود و در مقابل نيروي ديناميکي موج تغيير شکل دارد، مدول الاستيسيته بايد مدل شود.
براي مدل کردن مدول الاستيسيته از اصل تشابه کوشي استفاده ميکنيم . اين اصل با در نظر گرفتن رابطه تنش خمشي بين مدل و نمونه ، ارتباط مدول مدل و نمونه را بيان مي کند.
با در نظر گرفتن رابطه نيروي خمشي داريم :
از آنجايي که y از جنس طول مي باشد.
EI را مي توان سختي مهار دانست .
مي دانيم ممان اينرسي از مرتبه ٤ طول مي باشد بنابراين داريم
و نتيجه ميگيريم .
با توجه به رابطه فوق مدول الاستيسيته مهار که غالبا بصورت محوري در نظر گرفته مي شود . مدول اصلي مي باشد.
با در نظر گرفتن رابطه پيچش نيز مي توان مدول پيچشي مهار را مانند رابطه بالا بدست آورد که نتيجه مي شود:
لازم بذکر است که سازه هاي دريايي در آب شور نصب و نگهداري ميشوند. در حوضچه کشش به جهت جلوگيري از خوردگي ، از آب شيرين استفاده مي شود. لذا در محاسبه پارامترهاي مدل اختلاف چگالي آب شود و شيرين بايد لحاظ گردد.
مطالعه موردي
در اين بخش روند مدلسازي سکوي اسپار سلول خرپايي در آزمايشگاه دريا دانشگاه صنعتي شريف بطور خلاصه بيان ميشود.
نمونه اصلي
براي شروع مدل سازي، نياز به يک مدل اصلي داريم . در اين پروژه سکوي اسپار سلول خرپايي بعنوان سازه اصلي انتخاب شده است . در جدول ١مشخصات نمونه آورده شده است .
