بررسي اثر كمانش در سيستم هاي لوله در لوله تحت اثر فشار هيدروستاتيك در آب های عمیق :پایان نامه کارشناسی ارشد عمران گرايش سازه های دریایی

پایان نامه ای که معرفی میگردد از سری پایان نامه های جدید رشته عمران  و با عنوانبررسي اثر كمانش در سيستم هاي لوله در لوله تحت اثر فشار هيدروستاتيك در آب های عمیق ، مطالعه موردی پل شهید حقانی تهران  در 102 صفحه با فرمت Word (قابل ویرایش) در مقطع کارشناسی ارشد تهیه و نگارش شده است. امیدواریم مورد توجه کاربران سایت و دانشجویان عزیز مقاطع تحصیلات تکمیلی رشته های جذاب عمران  قرار گیرد.

چکیده بررسي اثر كمانش در سيستم هاي لوله در لوله تحت اثر فشار هيدروستاتيك در آب های عمیق:

سيستم هاي لوله در لوله به طور بسيار گسترده اي در كاربرد هاي خطوط انتقال نفت و گاز كه در آنها استفاده از عايق گرمايي خط بسيار اهميت دارد، به كار رفته اند. اين سيستم شامل لوله هاي جدار نازك دروني و بيروني با حلقه هايي بين آنها مي باشد كه  اين حلقه ها به طور كامل به وسيله يك عايق انتخاب شده پر شده است.در این تحقیق با استفاده از روش کمانش خطی،رفتار كمانش ارتجاعي سیستم های لوله در لوله با هسته هايي در ضخامت و ضريب يانگ متفاوت تحت فشار هيدرو استاتيك خارجي آب با استفاده از نرم افزار انسيس بررسي شده است و نتايج بدست آمده نشان مي دهد كه فشار كمانش شديداً به ضرايب يانگ مواد پر كننده هسته و لوله، ضخامت هسته، ضخامت لوله هاي داخلي و خارجي بستگي 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. همچنين نتايج نشان مي دهد كه دو پديده مختلف كمانشي اتفاق مي افتد كه يكي كمانش كلي لوله تركيب شده و ديگري كمانش مربوط به  لوله خارجي است .

مقدمه 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 گرمايی 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 میتواند در نهایت بقای خط را با مشکل مواجه نماید. انتشار کمانش می تواند از مقطعی ضعیف شده در لوله، برای مثال از یکفرورفتگی 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 P_P 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 خرابیP_CO 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 P_p2 (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 P_PS 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 P_PS اتفاقخواهد افتاد. اینبار، 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 P_PS 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 کارآمددر 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].

بررسی پیشینه موضوع

انتشار کمانش در لوله ها اولین بار توسط مسلو[6]مورد توجه قرار گرفته است. اما اولین مقاله ای که در این زمینه با موضوع معادلات پیشنهادی برای فشار انتشار به ثبت رسیده است توسط مطالعه پالمر[1][18]حاصل شده است. او این مطالعه را بر اساس انرژی کرنشدرسطح مقطع خراب شده انجام داده است. نتایج بدست آمده در این مطالعه نسبت به مقادیر آزمایشی برای نسبت های پائین قطر خارجی به ضخامت D/t، مقادیر کمتری را ارائه دادند. این نسبت پائین بین قطر و ضخامت موردی است که برای لوله های بکار رونده در آب های عمیق بسیار معمول می باشد و در مورد این لوله ها تاثیرات تغییر شکل پلاستیک بیشتر قابل مشاهده است. مسئله انتشار کمانش با استفاده از روش های ضمنی انرژی و نیز استفاده از روشهای تحلیلی مدل سازی شده است. خرابی لوله های نسبتا ضخیم تحت فشارهای خارجی توسط مورفی[2] و لانگنر[3][19]مورد مطالعه قرار گرفته است.

تیلور[4] و همکاران[20]بر روی کمانش در خطوط لوله دردریا که در معرض نیروهای فشاری محوری در اثر انبساط گرمائی و نیز فشار های درونی قرار داشتند مطالعه ای انجام دادند. آنها در مطالعه خود از تحلیل هائی خاص استفاده نمودند که در آن نواقص خط لوله و مقاومت های اصطکاکی[5] محوری وابسته به تغییر شکل در نظر گرفته شده بودند. آنها با در نظر گرفتن فرضیاتگفته شده توانستند تصویری واقعی تر از رفتار کمانشی را بدست آورند و محدودیت هائی که در کارهای تحلیلی و ریاضی قبلی وجود داشت از این طریق تا میزان زیادی برطرف شد.

رو[6]و وانگ[7] [21]از معیار انرژی زیر برای تحلیل کمانش دینامیکی در میله ها استفاده نمودند. این روش انرژی برای مطالعه کمانش شعاعی در پوسته های استوانه ای نیز بکار رفته شد.

فهرست مطالب

فصل 1: مقدمه   1

1-1 مقدمه ای در ارتباط با سیستم های لوله در لوله 2

1-2 کمانش در لوله های دریایی 5

1-3 وقوع خرابی در لوله های دریایی 6

1-4 انتشار خرابی در لوله های دریایی  8

1-5 کمانش دینامیکی و استاتیکی    9

1-6 کمانش شبه استاتیکی و دینامیکی در لوله های زیر دریا    14

1-7 متوقف کردن انتشار خرابی   17

1-8 بررسی پیشینه موضوع  19

فصل دوم: فرمول بندی ریاضی مسئله   25

2-1 معادلات تعادل برای سیستم های لوله در لوله   26

2-2  ضرائب سختی هسته 29

3-2 معادله مشخصه سطح مقطع لوله در لوله  35

فصل سوم: معرفی مدل و مدلسازی   36

3-1 آشنایی با روش اجزا محدود    37

3-2 روش اجزا محدود   37

3-3 انواع آنالیز کمانش    38

3-4 مدل حاضر   40

3-5 نحوه برپایی مدل در نرم افزار انسیس  41

فصل 4: نتایج و بحث در مورد بار بحرانی   53

4-1 بررسی اثر مش بندی بر روی بار بحرانی  54

4-2 بررسی اثر ضخامت لوله های درونی و بیرونی بر روی بار بحرانی  57

4-3 حالت های لوله بعد از کمانش  64

4-4 نتایج وبحث در مورد بار بحرانی کمانش  66

4-5 مقایسه و نتیجه گیری  78

فصل 5: نتیجه گیری 79

منابع لاتین    82

منابع فارسی 84

پیوست ها  85

چکیده انگلیسی   90

فهرست شكل ها

شكل(1-1):شماتيكي از وقوع خرابي در لوله دريايي  7

شكل(1-2): انتشار خرابي در لوله  8

شكل(1-3): كمانش ارتعاشي-كمانش ضربه اي  11

شكل(1-4): تصاوير گرفته شده با دوربين هاي سرعت بالا در نوارهاي آلومنيومي  12

شكل(1-5): تصاوير گرفته شدهبا دوربين هاي چارچوبي  13

شكل(1-6): مقايسه الگوهاي ديناميكي و استاتيكي بعد از كمانش 14

شكل(1-7): مودهاي خرابي شبه استاتيكي 15

شكل(1-8): مقايسه خرابيDog-bone در حالت شبه استاتيكي و ديناميكي 16

شكل(1-9): مراحل تغيير شكل در مدFlip-Flop 17

شكل(1-10): تصويري شماتيك از يك كمانشگير و مقطع آن 18

شكل(2-1): هندسه سطح مقطع سيستم لوله در لوله  26

شكل(2-2): قطاعي از استوانه كه داراي نيروي جسماني باشد 29

شكل(3-1): شكلي از مقطع مسئله مورد مطالعه 41

شكل(3-2): نحوه انتخاب المان لوله 42

شكل(3-3): المانsolid185 42

شكل(3-4): تعريف مشخصات لوله 43

شكل(3-5): تعريف مدول الاستيسته وضريب پواسن لوله 44

شكل(3-6): تصوير مقطع لوله 44

شكل(3-7): تصوير مدل به صورت سه بعدي 46

شكل(3-8): نحوه شبكه بندي نمودن لوله 47

شكل(3-9): مقطع شبكه بندي شده مدل 47

شكل(3-10): اعمال بار واحد روي لوله خارجي 48

شكل(3-11): اعمال شرايط تكيه گاهي 49

شكل(3-12): نحوه بارگذاري روي لوله خارجي 49

شكل(3-13): حل مساله به صورت خطي 50

شكل(3-14): فرم تغيير شكل يافته لوله 51

شكل(3-15): نحوه خروجي گرفتن پس از بارگذاري 52

شكل(4-1): نحوه ريز كردن المان ها در مقطع لوله 55

شكل(4-2): روند همگرايي بار بحراني نسبت به افزايش تعداد المان ها در مقطع…………………………..57

شكل(4-3): مدهاي كمانش لوله 65

شكل(4-4): مدهاي كمانش لوله 66

شكل(4-5): فشار بحرانی بدون بعدq_cr/q* برای h₁/a₁=h₂/a₁=0.02 و ضریب پواسن هسته _c=0.4ν 70

شكل(4-6): فشار بحرانی بدون بعدq_cr/q* برای h₁/a₁=h₂/a₁=0.02 و ضریب پواسن هسته _c=0.1ν 72

شكل(4-7): فشار بحرانی بدون بعد q_cr/q* برایh₁/a₁=0.02,h₂/a₁=0.04 و ضریب پواسن هستهν_c=0.4 74

شكل(4-8): فشار بحرانی بدون بعدq_cr/q* برای h₁/a₁=h₂/a₁=0.04 و ضریب پواسن هسته _c=0.4ν 76

شكل(4-9): فشار بحرانی بدون بعد q_cr/q* برایh₁/a₁=0.04,h₂/a₁=0.02 و ضریب پواسن هستهν_c=0.4 78

فهرست جداول

جدول(4-1): ابعاد و مدول الاستيسته مدل 54

جدول(4-2): نتايج بار بحراني با شبكه بندي هاي متفاوت  56

جدول(4-3): تغييرات بار بحراني با افزايش شبكه بندي مدل 56

جدول(4-4): ابعاد و مدول الاستيسته استفاده شده در جداول (4-5)و(4-6) و(4-7)و(4-8)……….58

جدول(4-5): فشاربحرانی کمانش مدلh₁=h₂=9mm 59

جدول(4-6): فشار بحرانیکمانش مدلh₁=9mm , h₂=15mm 60

جدول(4-7): فشاربحرانی کمانش مدلh₁=h₂=15mm 62

جدول(4-8): فشار بحرانیکمانش مدلh₁=15mm , h₂=9mm 63

جدول(4-9):فشار بحرانی بدون بعد q_cr/q* برای=h₂/a₁=0.02h₁/a₁ و ضریب پواسن هسته _c=0.4ν 69

جدول(4-10): فشار بحرانی بدون بعد q_cr/q* برای=h₂/a₁=0.02h₁/a₁ و ضریب پواسن هسته _c=0.1ν 71

جدول(4-11): فشار بحرانی بدون بعد q_cr/q* برای= 0.02 h₂/a₁=0.04 h₁/a₁ و ضریب پواسن هسته _c=0.4ν 73

جدول(4-12):فشار بحرانی بدون بعد q_cr/q* برای=h₂/a₁=0.04h₁/a₁ و ضریب پواسن هسته _c=0.4ν 75

جدول(4-13):فشار بحرانی بدون بعد q_cr/q* برای= 0.04 h₂/a₁=0.02h₁/a₁ و ضریب پواسن هسته _c=0.4ν 77

راهنمای خرید و دانلود فایل

برای پرداخت، از کلیه کارتهای عضو شتاب میتوانید استفاده نمائید.

بعد از پرداخت آنلاین لینک دانلود فعال و نمایش داده میشود ، همچنین یک نسخه از فایل همان لحظه به ایمیل شما ارسال میگردد.

در صورت بروز  هر مشکلی،میتوانید از طریق تماس با ما  پیغام بگذارید و یا در تلگرام با ما در تماس باشید، تا مشکل مورد بررسی قرار گیرد. دیجی لود متعهد میشود که هر طور شده فایل خریداری شده ، به دست شما خواهد رسید.

برای دانلود فابل روی دکمه خرید و دانلود  کلیک نمایید.