پایان نامه بررسی اثر کمانش در سیستم های لوله در لوله تحت اثر فشار هیدروستاتیک در آب های عمیق

پایان نامه برای دریافت درجه ی کارشناسی ارشد

در رشته ی مهندسی عمران – سازه های دریایی

شهریور ماه

92

چکیده:

سیستم های لوله در لوله به طور بسیار گسترده ای در کاربرد های خطوط انتقال نفت و گاز که در آنها استفاده از عایق گرمایی خط بسیار اهمیت دارد، به کار رفته اند. این سیستم شامل لوله های جدار نازک درونی و بیرونی با حلقه هایی بین آنها می باشد که  این حلقه ها به طور کامل به وسیله یک عایق انتخاب شده پر شده است. در این تحقیق با استفاده از روش کمانش خطی، رفتار کمانش ارتجاعی سیستم های لوله در لوله با هسته هایی در ضخامت و ضریب یانگ متفاوت تحت فشار هیدرو استاتیک خارجی آب با استفاده از نرم افزار انسیس بررسی شده است و نتایج بدست آمده نشان می دهد که فشار کمانش شدیداً به ضرایب یانگ مواد پر کننده هسته و لوله، ضخامت هسته، ضخامت لوله های داخلی و خارجی بستگی دارد. مدل هایی که مدول الاستیسیته هسته آن ها بزرگ باشد فشار بحرانی کمانش آنها به هم شبیه بوده و بدون در نظر گرفتن ضخامت هسته تقریباً پایدار و یکسان است ولی  درمدل هایی که مدول الاستیسیته هسته آن ها ضعیف است دو حالت اتفاق می افتد: 1- مدلی که ضخامت لوله داخلی کمتر از لوله بیرونی باشد با کاهش ضخامت هسته فشار بحرانی کمانش آن نیز کاهش می یابد2 - مدلی که ضخامت لوله داخلی بیشتر از لوله بیرونی باشد با کاهش ضخامت هسته به دلیل اثر لوله داخلی فشار بحرانی نیز افزایش می یابد. همچنین نتایج نشان می دهد که دو پدیده مختلف کمانشی اتفاق می افتد که یکی کمانش کلی لوله ترکیب شده و دیگری کمانش مربوط به  لوله خارجی است .

واژه های کلیدی: فشار بحرانی، مدول الاستیسیته، کمانش خطی، سیستم های لوله در لوله، پوسته های استوانه ای، نرم افزار ANSYS

فصل اول

مقدمه

-1مقدمه ای در ارتباط با سیستم های لوله در لوله

سیستم های لوله در لوله[1]  به طور بسیار گسترده ای در کاربردهای خط لوله ای که در آنها استفاده از عایق گرمایی خط بسیار اهمیت دارد، بکار رفته اند. معمولا، فاصله بین دو لوله در این سیستم ها می تواند خالی بوده و یا در بر گیرنده مواد عایق غیر سازه ای باشد. در آب های عمیق، لوله خارجی باید طوری طراحی شود تا بتواند در برابر خرابی ناشی از فشارهای خارجی محیط مقاوم باشد در حالی که لوله داخلی، در مرحله اول طوری طراحی می شود که در برابر فشارهای هیدروکربنی مایع موجود در دورن آنها مقاوم باشد. علاوه بر این، تحلیل هایی که در آنها بسیاری از فاکتورهای دیگر در نظر گرفته شده اند نیز در این زمینه در دسترس هستند. بنابراین سیستم های لوله در لوله در آب های عمیق را باید برای مقاومت در برابر خرابی لوله خارجی طراحی نمود.  همانند خطوط لوله ای تکی، در طول نصب و راه اندازی سازه ها، شرائط خارج از طرح در سازه ها می تواند در آنها بوجود آید که این امر منجر به خرابی های درونی در سازه خواهد شد[1] .

در سیستم های لوله در لوله دریایی عواملی مانند خمش زیاد در زمان نصب لوله، تنش اضافی ناشی از ناهمواری بستر دریا، برخورد عوامل خارجی مانند لنگر کشتی، ابزارهای ماهیگیری و کاهش ضخامت جدار لوله در اثر فرآیندهائی مانند خوردگی، سائیدگی و فرسایش می توانند از عمده دلایل ایجاد کمانش باشند[2،3].

کمانش و خرابی در اثر فشارهای خارجی از پیامدهای بسیار مهمی می باشند که باید در طراحی خطوط لوله ای مانند سیستم های لوله در لوله نصب شده در دریا[2]  مد نظر قرار داده شوند. مشکل دومی که در این زمینه وجود دارد، و معمولا اهمیت آن کمتر از مورد اشاره شده در بالا نیست، به انتشار کمانش[3] ارتباط دارد که می تواند در نهایت بقای خط را با مشکل مواجه نماید. انتشار کمانش می تواند از مقطعی ضعیف شده در لوله، برای مثال از یک فرورفتگی آغاز شود و این ضعیف شدگی می تواند در اثر پدیده هائی مانند تاثیر اجسام خارجی نشات گرفته باشد، زمانی که کمانش شروع شود، می توان شاهد انتشار آن با سرعت های بالا بود که این امر می تواند در نهایت منجر به خرابی بسیار سریع در تمام خط لوله گردد. فشار انتشار PP حداقل فشاری است که در آن شاهد انتشار کمانش خواهیم بود. این فشار به فشار مشخصه در خط لوله نیز موسوم است، این فشار معمولا بین 15-20 درصد فشار خرابیPCO است و در نتیجه در بسیاری از پروژه ها طراحی خط لوله بر اساس فشار انتشار غیر عملی می باشد. برای مقابله با این مسئله طراحی بر اساس فشار خرابی انجام می شود و در عوض از ابزارهائی به نام کمانشگیر[4] در بازه هائی منظم در طول خط استفاده می شود. در زمان آغاز کمانش، این کمانشگیرها خسارت به طولی از لوله را محدود می نمایند[4].

آزمایش های انجام شده توسط کریاکیدس[5][1]نشان داد که انتشار کمانش در سیستم های لوله در لوله ای که تحت فشار هیدرواستاتیک قرار دارند نیز قابل مشاهده است. این انتشار بسیار شبیه به حالتی است که در سیستم های لوله ای تکی روی می دهد. در اثر انتشار کمانش در سیستم های دو لوله ای می توان شاهد آسیب به لوله درونی نیز بود. در نتیجه چنین حالتی انتشار دینامیکی کمانش را خواهیم داشت و این انتشار هر دو طرف لوله را مسطح خواهد نمود.آزمایشات بر روی لوله ها نشان داد که در بیشتر موارد فروریختگی مربوط به محل لوله خارجی منجر به فروریختگی هم زمان لوله داخلی نیز می شود و متعاقبا، انتشار فروریختگی هم زمان باعث فروریختگی هر دو لوله می شود. در این حالت فشار انتشار با Pp2 (اندیس 2 مربوط به به سیستم دو لوله ای) نشان داده می شود. دومین حالت انتشار فروریختگی کشف شده به این گونه است که لوله حامل فرو می ریزد و لوله داخلی بدون عیب باقی می ماند، اگر مقادیر قطرها و خواص مربوط به لوله خارجی و داخلی را ثابت در نظر بگیریم، به ازای هر D/t مربوط به لوله خارجی، ضخامت دیواره لوله درونی خاصی وجود خواهد داشت که بعد از گذر از این مقدار ضخامت، کمانشی شبه استاتیکی تنها لوله خارجی را تحت تاثیر خود قرار خواهد داد و لوله داخلی در این مورد سالم باقی می ماند. فشاری که در آن این حالت اتفاق افتد، متناظر بر فشاری است که انتشار کمانشی مشابه در سیستمی را نتیجه می دهد که در آن سیستم لوله داخلی با یک میله توپر جایگزین شده است. او این فشار متناظر را PPS نامید. اگر جداره لوله داخلی[6] در سیستم های لوله در لوله از قطر این میله توپر بیشتر باشد، و در زمانی که طول محدودی از لوله خارجی[7] با شکست و خرابی همراه باشد، ناپایداری دوم شبه استاتیکی در فشارهای بالاتر از فشار PPS اتفاق خواهد افتاد. این بار، لوله داخلی نیز با شکست مواجه خواهد شد. او مشاهده نمود که در موقع حادث شدن این رویداد انتشار کمانش دوگانه، لوله داخلی کاملا از بین نمی رود زیرا ضخامت دیواره و سختی بالایی دارد.کریاکیدس و همکاران[5] در بخش دوم مطالعه خود نشان دادند که برای لوله هایی که دارای هندسه های کاربردی رایجی هستند، خرابی درونی لوله خارجی معمولا منجر به خرابی در هر دو لوله خواهد شد. اگر فشار خارجی به اندازه کافی بالا باشد، خرابی به صورت دینامیک انتشار خواهد داشت و می تواند به صورتی تصادفی بخش های زیادی از مقاطع لوله را مسطح سازد. حداقل فشاری که در آن خرابی در سیستم های لوله در لوله در این مطالعه آغاز شد فشار در سیستمی بود که با مقدار فشار PPS طراحی شده بود، این فشاری است که در مقادیر بیشتر از آن خط لوله باید توسط کمانشگیرها محافظت شود.

تحقیق های انجام شده در سال های اخیر در ارتباط با کمانش محوری و متقارن در پوسته های استوانه ای دایره ای منجر به جلب توجه محققان به تاثیرات انتشار موج تنشی گردیده است. مشخصه های اینرسی (وضعیت نیروی وارده) در یک پوسته به همراه مشخصه های مواد آن شامل ضریب الاستیسته، چگالی و نظایر آنها تعیین کننده الگوهای ویژه انتشار محوری تنش[8] هستند. در نتیجه این مسئله منجر به توسعه کمانش دینامیکی چه به صورت پلاستیک و چه به صورت کمانش در حال پیشرفت خواهد بود[28].

خطوط لوله در لوله که در آنها به انتقال نفت و گاز در چاههای اقیانوس های عمیق پرداخته می شود، به گونه ای طراحی شده اند تا بتوانند در برابر فشارهای هیدرواستاتیک بالا مقاومت داشته باشند. با این حال، خطوط لوله در لوله در پاره ای از اوقات می توانند شکل دهنده کمانش های داخلی در اثر فرسایش های تصادفی باشند و اگر فشار هیدرواستاتیکی به اندازه کافی بالا باشند، این کمانش در طول خط لوله انتشار خواهد یافت و منجر به مسطح شدن خط لوله و ایجاد اشکال نامنظم هندسی موسوم به داگ بون[9]خواهد گردید. فشار انتشار کمانش پایدار یا ماندگارکمترین فشاری است که در آن با آغاز کمانش در طول خط لوله، می توان شاهد انتشار آن بود [29]. کمانش در حال انتشار تنها زمانی متوقف خواهد شد که فشارهای هیدرواستاتیکی بیرونی کمتر از فشار انتشار شوند. پدیده انتشار کمانش برای اولین بار در دهه 1970 مشاهده شد و اولین مطالعه آزمایشی در این زمینه توسط مسلو[10]و همکاران[6] انجام شده است.

به طور کلی ازخطوط لوله دریایی سه نوع عملکرد متفاوت انتظار می رود که اولین و مهمترین آن مقاومت در برابر خرابی ناشی از فشارهای هیدروستاتیک در آبهای عمیق[11]تا 2000متر می باشد. دوم بدلیل استفاده از آنها در انتقال نفت و گاز لازم است این لوله ها خاصیت های عایقی در برابر درجه های مختلف و متغیر دمایی مایعاتی که حمل می کنند را داشته باشند و سومین مورد وزن خطوط لوله در آب می باشد، خطوط لوله ایی که در کف دریا قرار گرفته اند برای پایدار ماندن نیاز به وزن بالایی دارندکه در زیر آب باقی بمانند، در حالیکه خطوط لوله های معلق نیاز به وزن کم شناور جهت کاهش دادن فشار مجرای مورد نیاز دارد. علاوه بر این خطوط لوله های معلق زیر دریا در معرض سناریوهای بارهای متفاوت است که می تواند شدیدتر از حالت نصب شده در کف دریا باشد، یک مثال برای زمانی است که لوله های زیر دریا در حالت S-یا J- معلق باشند در این حالت، خطوط لوله های خالی همزمان در معرض فشارهای زیاد آب های بیرونی و خمش آنی زیاد قرار دارند. مثال دیگر زمانی است که وجود دمای متغیر سیال در قطر درونی لوله با آب سرد بیرونی دریا می تواند سبب نیروهای فشرده بالا و ناپایداری بالقوه شود.

سیستم های لوله در لوله، از راه حل های طراحی شده موثر ممکن برای مشکلات  سه گانه مطرح شده در بالا می باشد. این سیستم شامل لوله های فولادی با ضخامت نازک داخلی و خارجی می باشد که بین آنها با حلقه ای که به طور کامل با مواد عایق و بدون هیچ فضای خالی پر شده است و این مواد پشتیبانی ساختاری را هم در جداره های بیرونی و هم داخلی فراهم می کند. مواد پرکننده می تواند از نوع موادهای عریض وپهن، اعم از پلاستیک ها وقالب های کم وزن تا کامپوزیت های پیشرفته وسرامیک ها انتخاب شوند. انتخاب مواد پرکننده جهت مقاومت خمشی، استحکام کمانشی، عایق گذاری وشناوری بهینه و متناسب نیاز به طراحی های کارآمد در آبهای عمیق دارد. برای مثال مشکل نصبی که در بالا توصیف شد را می توان با انتخاب مناسب ضخامت جداره لوله، ضخامت حلقه، تراکم مواد حلقوی حل کرد. علاوه بر این، پشتیبانی مداوم که بوسیله مواد حلقوی در جداره های داخلی و بیرونی لوله فراهم شده است ، می تواند مقاومت بسیار مهمی را در مقابل نیروهای فشاری ناشی از حرارت بدهد [7].

1-2 کمانش در لوله های دریایی

لوله های دریایی پوسته های استوانه ای می باشند که طراحی آنها بر مبنای معیارهای تنش، پایداری، خستگی و خروج از گردی انجام می شود[8]. معیار پایداری در لوله دریایی شامل پایداری سازه ای یا پایداری لوله در مقابل کمانش وپایداری در برابر نیروهای هیدرودینامیکی وارده می باشد. در این نوع لوله ها دو نوع ناپایداری سازه ای، به صورت کمانش کلی و کمانش موضعی ممکن است اتفاق بیفتد.