لوله گذاری در دریا (بخش سوم)

بدضعیفمتوسطخوبعالی (4٫50 از 5)
Loading...

• وزن پوشش بتني(kg/m):

بطوري که:
γc وزن مخصوص بتن مصرفيkg/m3
Dc قطر خارجي لوله با احتساب پوشش بتني (m)
• وزن پوشش محل جوش(kg/m):

بطوري که:
γfj وزن مخصوص پوشش محل جوش (kg/m3) (شکل 11 را ببينيد).
مجموع وزن وهحد طول خط لوله(kg/m) با فرمول زير محاسبه ميشود و بصورت گسترده بر خط لوله عمل ميکند:

بطوري که:
برابر نسبت طول متوسط پوشش بتني به طول کل لوله فولادي و β نسبت طول متوسط پوشش محل جوش به طول کل لوله فولادي است.

2-3-4) فشار هدرواستاتيکي
خط لوله از جايي که وارد آب ميشود تحت تاثير فشار هدرواستاتيک آب قرار ميگيرد. اگر خط لوله را يک بعدي فرض کرده و محور طولي خط لوله تغيير شکل يافته را مبناي موقعيت خط لوله قرار دهم، مقدار اين فشار که به پيرامون سطح لوله وارد ميشود عبارت است از:


بطوري که:
P متوسط فشار هدرواستاتيکي وارد به سطح لوله Pa
ρ جرم حجمي آب درياkg/m3
g ثابت گرانشي m/s29.81
h عمق آب نقطه اندازه گيري (m)
از آنجا که مقدار فشار هدرواستاتيکي در اعماق کم قابل صرفه نظر کردن ميباشد بسياري از طراحان در آبهاي سطحي از اعمال اين نيرو به خط لوله صرفه نظر ميکنند. اما در آبهاي عميق ميتواند اثرات قابل توجه بر سازه خط لوله داشته باشد. از آن جمله ميتوان به شدت يافتن تغيير مقطع لوله (بيضوي شدن سطح مقطع) در اثر فشار هدرواستاتيک اشاره کرد. بدين ترتيب که بيضوي شدن سطح مقطع لوله که ناشي از ممانها و تغيير شکلهاي خمشي است در اثر فشار هدرواستاتيک افزايش مييابد و منجر به کاهش ممان اينرسي مقطع ميگردد[10]. براي كاهش اين اثر كه ممكن است براي نصب در آبهاي عميق شدت يابد، روالهاي نصبي كه شامل خط لوله تحت فشار از داخل با نيتروژن ميباشد، ابداع شده است. به هر حال نياز به بستن درب انتهاي لوله براي ايجاد فشار كه ميبايست در مقابل اختلاف فشار مقاومت كند و ملزومات ايمني چنين رويهاي اين تكنيك را كاملاً غير عملي ميسازد و لوله گذاري با شناور لوله گذار هنوز در فشار داخلي اتمسفر انجام ميگيرد.
متاسفانه عمليات لحاظ كردن اثر فشار خارجي هدرواستاتيك در تحليل مساله لوله گذاري ساده و معمولي نيست. مانع اصلي در تشکيل اثر فشار خارجي در معادلات عمومي مسئله مرتبط با اين حقيقت است كه فشار P وابسته به عمق واقعي قطعه خط لوله مورد نظر است. اين مستلزم آن است که تغيير مکان محور خط لوله از پيش معلوم باشد[10]. در حالي که تغيير شکل خط لوله و طول دهانه معلق از اجزاي اصلي مسئله هستند.

3-3-4) نيروي خالص سيال ـ شناوري لوله
يک المان کوچک به طول Δs از خط لوله را در نظر بگيريد(شکل 32). به دليل تغيير فشار هدرواستاتيک در پيرامون سطح مقطع المان لوله برآيند اين فشار در يک نيروي جهت گرفته به سمت مرکز انحناي محور تغيير شکل يافته خط لوله نتيجه ميشود. اين نيرو را نيروي خالص سيال مينامند. تفاوت اندازه و جهت اين نيرو با نيروي ارشميدس (فشار شناوري بالابرنده شيء مغروق برابر وزن مايع جابجا شده) در اين است که دو انتهاي المان لوله يا صفحات بيان شده توسط سطوح مقطعي از لوله كه طول المان را تعريف ميکنند، بسته نيستند. بنابراين، اين نيرو بوسيله مجموع بين نيروي شناوري ارشميدس كه بطور عمودي عمل ميكند و برآيند بدست آمده از نيروهاي خيالي عمل کننده به صفحات انتهاي المان كه برابر و مختلفالجهت با فشارهاي از دست رفته هستند، بدست ميآيد. از آنجايي که، هنگامي که طول المان به اندازه کافي کوچک باشد (ds) سيستم نيروهاي خيالي وارد بر دو صفحه انتهايي المان عمومي فقط شامل نيروي محوري ميشود و به يك كشش محوري، N، برابر اما متضاد با نيروي اعمال شده، تبديل ميشود بنابراين راه حل مناسب اين است كه اثرات آن و اثرات شناوري ارشميدس را جداگانه محاسبه كرده و سپس نتايج را با هم جمع كنيم. به عبارت ديگر، ما ميتوانيم معادلات تعادل المان عمومي را تنها تحت اختلاف بين وزنش و نيروي شناوري عمودي ارشميدس بنويسيم، سپس مسئله ديفرانسيلي بدست آمده را کامل کرده و حل آن را بدست آوريم كه تغيير شکلها، ممانهاي خمشي و نيروهاي برشي را تهه خواهد كرد. كشش محوري ناشي از فشار بوسيله افزودن كشش محوري اضافي نتيجه شده از جمع مسئله ديفرانسيلي با اثر فشار از بين رفته انتهايي بدست خواهد آمد[10 و 12].

.                                                                               شکل 32) نيروهاي وارده بر يک المان عمومي از خط لوله
بنابراين نيروي شناوري ارشميدس لوله که به عنوان يك نيروي گسترده در نظر گرفته ميشود، عبارت است از:

بطوريكه Ab مساحت كلي سطح مقطع عرضي لوله شامل پوشش بتني، از عبارت زير بدست مي آيد:

و γ وزن مخصوص آب است[8].
4-3-4) کشش لوله
همانطور که ميدانيم، انحناي لوله در ناحيه خمش منفي بوسيله تنظيم مقدار و توزيع شناوري در استينگر کنترل ميشود. انحناي لوله در ناحيه خمش مثبت بوسيله اعمال کشش به لوله، عموما بيش از آنچه که صرفا براي بلند کردن لوله به سطح آب مورد نياز است، کنترل ميشود.
استفاده از کشش لوله به عنوان وسيله کنترل انحناي خط لوله معلق و بنابراين به عنوان وسيله پيشگيري کننده از کمانش، براي سيستم لوله گذاري شامل يک استينگر بنيادي است. بدون کشش پيوسته خطر لغزش لوله در جهت محوري از روي استينگر وجود دارد. با کشش اما بدون نيروي پيش رانش بارج، کشش لوله روي کشتي صرفاً برابر وزن لوله بلند شده از کف دريا ميباشد. نزديک بستر دريا لوله بوسيله فشار هدرواستاتيک به فشار ميافتد؛ بعلاوه، بسته به طول دهانه، لوله ممکن است به شدت در ناحيه خمش مثبت خم شود. ترکيب خمش و فشار خارجي ممکن است براي کمانش لوله در ناحيه خمش مثبت کافي باشد. با اعمال نيروي پيش رانش بارج، کشش لوله افزايش مييابد و تمام دهانه لوله شختر ميشود. بنابراين، خطر کمانش کاهش مييابد. لوله گذاري به روش کشش اولين بار در مرجع 20 تشريح شد[13].

5-3-4) عکس العمل غلطکهاي بارج و استينگر
در بخش 6-2-4 توضيح داده شد.
6-3-4) بويهها
هنگامي كه بويهها جهت كنترل انحناي لوله استفاده ميشوند، آنها نيز هر كدام بعنوان يک نيروي متمرکز معادل با وزن آب جابجا شدهاش در نظر گرفته ميشوند[8].
7-3-4) نيروي هدروديناميکي ناشي از موجها و جريان آب
در بخش 3-2-4 توضيح داده شد.
8-3-4) نيروي ناشي از حرکات بارج
نيروي ناشي از حرکات بارج بوسيله عملگرهاي دامنه پاسخ حرکت بارج و در يک آناليز ديناميکي سيستم کامل لوله گذاري (شامل خط لوله، استينگر و بارج) تعيين ميشوند. در شرايط جوي نامساعد نيروي فوق بسيار حائز اهميت بوده و ميتواند خسارات سنگيني به خط لوله وارد کند(بخش 4-1-4 را ببينيد).

9-3-4) عکس العمل بستر دريا
از نقطه تماس با بستر دريا (T.D.P) عکسالعمل بستر دريا ايجاد ميشود. اما مقدار آن در نقطه T.D.P برابر صفر است و به تدريج زياد شده تا پس از طي مسافتي تمام وزن لوله توسط بستر دريا تحمل ميشود. مقدار اين عکسالعمل به پارامترهاي زيادي از جمله خصوصيات هندسي و توپوگرافي بستر دريا، خصوصيات مکانيکي بستر، شرايط مرزي انتهايي خط لوله و شيوه مدلسازي خاک بستر دارد.
5) مدلسازي لوله گذاري در روش S-lay
پديده لوله گذاري به روش S-lay را ميتوان يک مسئله فيزيکي دانست که شامل مجموعهاي از زير سازهها تحت بارهاي معلوم ميباشد. براي حل اين مسئله همانند ديگر مسائل فيزيکي بايد ابتدا يک مدل رياضي مبتني بر فرضهايي اوليه ساخته و معادلات حاکم بر رفتار پديده فيزيکي را از آن مدل استخراج نمود. فرضهاي اوليهاي که تواماً موجب ايجاد معادلات ديفرانسيل حاکم بر مدل رياضي ميگردند را ميتوان شامل هندسه، سينماتيک، قانون مصالح، بارگذاري، شرايط مرزي، ديناميک و … دانست. معادلات حاکم با استفاده از روشهاي مناسب تحليلي حل شده و به جوابهايي در حد دقت مدل انتخابي منجر ميشوند.
در مورد لوله گذاري به روش S-lay تا آنجا که نويسنده ميداند تاکنون هچگاه مدل جامعي شامل جزئيات تمامي زيرسازهها در نظر گرفته نشده است. زير سازههاي مذکور را ميتوان شامل بارج لوله گذار(و سيستم ايستايي آن)، استينگر، خط لوله و بستر دريا دانست. دليل اين امر آن است که براي تحليل مدل جامع نياز به پردازندههاي بسيار قوي و سريع بوده و انجام تحليل مستلزم صرف هزينه و وقت زيادي است. بنابراين همواره مدلهاي ساده شدهاي متناسب با نوع اطلاعات مورد نياز در نظر گرفته ميشوند. مسئله لوله گذاري را ميتوان به سه دسته کلي تقسيم نمود.
دسته اول براي هر بارج لوله گذار يک بار و در مراحل طراحي و ساخت بارج مطرح ميشود. مدلسازي دقيق بارج لوله گذار (مدل بدنه بارج و آرايش مخازن بالاست) و سيستم ايستايي آن براي اطمينان از پايداري و مقاومت کافي بدنه بارج تحت بارهاي طراحي و همچنين بدست آوردن پاسخ بارج به حرکات دريا و نيروي باد معمولاً در کانون توجه قرار ميگيرد. در حالي که استينگر، خط لوله و بستر دريا در درجه دوم اهميت قرار دارند. معمولاً در مدلسازي اين مسئله خط لوله و کشش ناشي از کشنده بر روي بارج را بعنوان يکي از خط لنگرهاي سيستم ايستايي در نظر گرفته و پاسخ بارج به نيروهاي وارده را بدست ميآورند. نتيجه نهايي اين مسئله عبارتند از حداکثر نيروها و شرايط آب و هوايي که بارج در آن ميتواند عمليات لوله گذاري را انجام دهد و عملگرهاي دامنه پاسخ لوله گذار که ميزان پاسخ بارج به هر موج را بيان ميکند.
مسئله دوم مسئله طراحي استينگر است. اين مسئله نيز براي هر استينگر که به بارج مخصوصي نصب ميشود يک بار و در مرحله طراحي استينگر انجام ميگيرد. در اين نوع مسئله بارج لوله گذار، خط لوله و بستر دريا از کانون توجه مدلسازي خارج شده و سازه استينگر بطور ويژه مدل ميشود. بطوريکه تمامي المانهاي استينگر با جزئيات کامل مدل ميشود اما بارج لوله گذار يک جسم صلب تلقي ميشود. ضمناً خط لوله نيز ميتواند تا نوک استينگر مدل شده و نيروهاي وارده از بخش معلق بطور جداگانه محاسبه شده و بر انتهاي مدل خط لوله روي نوک استينگر اعمال شود. خروجي نهايي تحليل اين مدل حداکثر نيروهاي وارده بر مفصل اتصال ميان استينگر و بارج و همچنين ماکزيمم نيروهاي وارده بر غلطکهاي استينگر است و ميتوان محدوديتهاي محيطي را در عمليات نصب با آن استينگر بخصوص تعيين نمود. حداکثر عمق لوله گذاري و حداکثر قطر لوله و بطور کلي محدوديتهاي لازم براي خط لوله ديگر خروجيهاي اين مسئله هستند.
مسئله سوم مسئله نصب خط لوله است. اين مسئله براي هر پروژه با تغيير پارامترهاي لوله و محيط بايد انجام شود و توجه آن بطور خاص بر خط لوله و تنشهاي وارد بر آن هنگام نصب است. در واقع مسئله اخير از نتايج دو مسئله قبل در مدلسازي خود استفاده کرده و هدف نهايي که مراقبت از لوله براي رسيدن به بستر دريا بدون تحمل تنشهاي بيش از حد است را تعقيب ميکند. در اين نوع مسئله عموماً بارج را جسم صلبي در نظر گرفته و سازه استينگر را بطور ساده شده مدل ميکنند. بستر دريا نيز بسته به شرايط واقعي به طرق گوناگوني ميتواند ساده سازي شود. نتيجه نهايي اين مسئله طراحي دقيق تنظيمات بارج و استينگر(بطور مثال زاويه تريم، ارتفاع غلطكها و …) و پروفيل هندسي دقيق خط لوله پس از تغيير شكل ميباشد بطوريكه تنش و يا كرنش خط لوله مسابق با كد طراحي مطلوب باشد. ضمناً پروفيل نيروي محوري، شيب عمودي، ممان خمشي، عكس العمل غلطكها، مختصات نقطه TDP، عكس العمل بستر دريا و … نيز از پاسخهاي همين مسئله ميباشد. از آنجا كه موضوع اين پايان نامه بررسي اندركنش لوله و عكس العمل غلطكهاي استينگر ميباشد توجه ما در اين نوشته به مسئله نوع سوم بوده و از اين پس منظور ما از مدلسازي و حل مسئله لوله گذاري همان مسئله نوع سوم است.
1-5) تاريخچه حل مسئله لوله گذاري

2-5) مدلسازي لوله گذاري در Offpipe
1-2-5) مدل بارج لوله گذار
2-2-5) مدل استينگر
3-2-5) مدل خط لوله
4-2-5) مدل بستر دريا
3-5) مدلساري و حل يك مسئله نمونه با نرم افزار Ansys و مقايسه آن با Offpipe
6) بررسي نيروهاي عکسالعملي غلطکهاي استينگر- خط لوله بوسيلهOffpipe

7) مراجع

1) Subsea pipeline engineering course – Palmer et al. Dubai, 2003.
2) The history and future of reeled pipe, Asim Modi, Coflexip Stena Offshore Limited. Westhill Industrial Estate. Aberdeen. Scotland, U.K.
3) Offshore Pioneers:
Brown & Root and the History of Offshore Oil and Gas by Joseph A. Pratt et al
4) Milestones and influences in US offshore history (1947-1997)
5) The history of offshore petroleum in the Gulf of Mexico, Tyler Priest. Business History Conference Annual Meeting, Le Creusot, France, June 2004
6) تحليل ديناميکي خطوط لوله¬ي غوطه¬ور در آب به روش عناصر محدود. توسط سيد احمد پيشوايي، 1369، دانشگاه ملي شيراز
7) Concurrent design of an active automated system for the control of stinger/pipe reaction forces of a marine pipelying system
8) Laying modeling of submarine pipelines using contact elements into a corotational formulation.
9) Optimization of buoyancy of an articulated stinger on submerged pipelines lied with a barge.
10) A refined analytical analysis of submarine pipelines in seabed laying.
11) Dynamic models of marine pipelines for installation in deep and ultra deep waters: Analytical and numerical Approaches.
12) Non linear finite element simulation of highly curved submarine pipelines
13) The Articulated stinger: A new tool for laying offshore pipelines
14) Offpipe manual, Chapter 4
15) What Future for Conventional Pipelay Barges? Antoine J. BORELLI and Dominique PERINET, ETPM International. OTC8562. 1997.
16) Predicting Motions of Long Towed Pipe Strings. E.A. Verner, Tera Inc, and O.A. Cheatham, D.L. Garrett, and C.G. Langner, Shell Development Co. OTC 4666
17) Calculation for pipe-laying Barge, K.E. Brink et.al. Report S 465/02, Rev. D. HSVA Co. 2003 Hamburg
18) OrcaFlex Software manual help- theory reference
19) Sarpkaya, T. and Isaacson, M., Mechanics of wave forces on offshore structures, Van Nostrand Reinhold Company, 1981.
20) H. D. Cox, D. S. Hammet, J. R. Dozier, H. L. Shatto, “ Tension Pipe Laying Method,” U.S. Patent no. 3 331 212, Issued July 18, 1967
21) Forces on the Stinger Supports of a Pipe Laying Barge, Dr.-Ing. H.Weede et.al. Report S 465/03, Rev. B. HSVA Co. 2003 Hamburg

برچسب ها: , , , , , , , , , , , , , , ,

نوشته های مرتبط

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *