عنوان پایان‌نامه
ارزیــــابی و بهینه ســازی روش لوله گذاری مارپیچی در لوله های کف دریا
- رشته تحصیلی
- مهندسی عمران-سازه های دریایی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1518;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 48876
- تاریخ دفاع
- ۱۳ تیر ۱۳۹۰
- دانشجو
- امیرحسین افتخاریان
- استاد راهنما
- سیدرسول میرقادری, محرم دولتشاهی پیروز
- چکیده
- تقاضای روز افزون انرژی باعث گردیده که استخراج و تولید منابع انرژی، بخصوص نفت و گاز، به داخل دریاها و اقیانوس¬ها کشیده شود و هر روز این پیشروی به طرف اعماق بیشتر آب ادامه دارد. کارگذاری لوله¬های کف دریا، به عنوان اصلی¬ترین سیستم¬های انتقال نفت و گاز، منجر به افزایش بیش از پیش دما و فشار وارد بر آن¬های می¬گردد. دما و فشار بالا عوامل اصلی کمانش لوله¬های کف دریا هستند و از این رو با افزایش دما و فشار، عملکرد سازه در برابر کمانش روز به روز مهم¬تر می¬شود. اگر به لوله اجازه کمانش بدون هیچ¬گونه کنترلی داده شود، در یک طول زیاد تغییرشکل جانبی داده و با توجه به دمای بالای وارده، مقدار تنش¬ها و کرنش¬ها بسیار زیاد می¬گردد و احتمال خرابی لوله و در نتیجه آلودگی محیط زیست و توقف عملیات تولید بالا می¬رود. روش¬های متعددی برای کنترل نمودن اثرات کمانش در لوله¬ها وجود دارد که لوله-گذاری مارپیچی، به علت سادگی و هزینه¬های قابل قبول، بیشتر مورد استقبال طراحان و کارفرمایان قرار می¬گیرد. در این روش لوله به شکل مارپیچ¬گونه روی کف قرار گرفته و این باعث می¬گردد در فواصل معین، با اعمال یک کمان با طول و شعاع مشخص، به لوله اجازه تغییرشکل و کمانش کنترل شده داده شود. با این کار می¬توان اثرات پس از کمانش را محدود نمود. در این پایان نامه سعی بر آن است که، با تمرکز بیشتر بر روی قسمت کمان، به بررسی پارامترهای مختلف هندسی لوله¬گذاری مارپیچی پرداخته شود. در این راستا از مدلسازی¬های عددی و نرم¬افزار ABAQUS کمک گرفته می¬شود. با توجه به مدلسازی¬های صورت گرفته و نتایج بدست آمده، در یک شعاع کمان معین و شرایط ثابت خاک، هنگامیکه طول کمان برابر طول کمانش یافته باشد، لنگر خمشی و کرنش¬های طولی، به عنوان اصلی¬ترین پارامترهای طراحی، تقریبا در حداقل مقدار خود قرار می¬گیرند. بطوریکه در طول کمان¬های کمتر از این مقدار لنگر و کرنش¬ها در سطح بالاتری خواهند بود و در طول¬های بزرگتر از آن، کاهش لنگر و کرنش محسوس نیست. در ضمن اگر طول کمان خیلی بیشتر از این حالت باشد امکان این وجود دارد که سطح لنگر و کرنش بیشتر نیز بشود. این طول کمان، "طول کمان بهینه" نام دارد. لازم بذکر است که این تغییرات حول طول کمان بهینه در حالتی که پلاستیسیته¬ی زیادی در سازه اتفاق می¬افتد بیشتر به چشم می¬خورد. با بررسی طول کمان بهینه در شعاع¬های مختلف می¬توان دریافت که هرچه شعاع بیشتر شود، طول بهینه کوچک¬تر خواهد شد. با ارزیابی اثر مقدار مقاومت خاک در راستای محوری و افقی دیده می¬شود که تغییرات در ضریب اصطکاک طولی اثر چندانی بر روی طول کمان بهینه ندارد. این در حالیست که افزایش ضریب اصطکاک جانبی موجب کاهش شدید طول بهینه می¬گردد. ارزیابی لنگر و کرنش طولی در یک طول کمان ثابت نشان می¬دهد که هر چه شعاع کوچک¬تر باشد این مقادیر در سطح پایین¬تری قرار دارند. در مورد اثر زاویه کمان نیز می¬توان گفت در زاویه کمان¬های کوچک، با ثابت ماندن این زاویه، لنگر و کرنش¬ها ثابت می ماند. این پدیده در حالاتی که پلاستیسیته¬ی زیادی در طول لوله رخ می¬دهد کمتر دیده می¬شود. در ضمن با افزایش زاویه کمان اثر آن بر روی لنگر و کمان کمتر کشته و نقش شعاع کمان بیشتر می¬گردد. در ارزیابی نهایی لوله¬گذاری مارپیچی باید گفت شعاع کمان مهمترین پارامتر این روش است، بطوریکه بطور مستقیم در رفتار قبل از کمانش و بطور غیر مستقیم در رفتار پس از کمانش اثر گذار خواهد بود. در پایان با بررسی کمانش یک خط لوله ناشی از دما و فشار، در قالب مثال، اثر روش لوله¬گذاری مارپیچی در محدود نمودن لنگر و کرنش¬های ناشی از کمانش بررسی گردیده است.
- Abstract
- Subsea pipelines, as the most reliable and economical systems for transporting oil and gas from offshore resources, are now laid in deep waters due to increasingly high demand on energy. This has led to higher operating pressure and temperature. Performing at high pressure and high temperature, subsea pipelines are more susceptible to buckle when they are exposed on the seafloor. Therefore global buckling assessment has become one of the most important stages of design for subsea pipelines. If the pipeline buckles in an uncontrolled measure, it will deflect laterally and as the temperature grows up, higher bending stresses and strains accomulate in the buckled zone. So, there is a potential for pipeline rupture and environmental pollution as well as production interruption. There are a lot of methods to control the pipeline buckling effects, and snake lay is the most popular one because it is inexpensive and simple. In snake lay, pipeline is laid in a zig-zag pattern on the seafloor, and in this way, large arcs are introduced in predetermined locations and post buckling effects can be mitigated. In this research, by focusing on the curved part of snake lay geometry, different parameters are studied by using non-linear analytical methods, and simulating the pipeline's behavior in ABAQUS. According to the results from models, in a constant arc radius, bending moments and longitudinal strains, which are the main design parameters for buckling assessment, will approximately be in their minimum level when the buckled length is equal to arc length. This particular arc length is named "Optimum Arc Length"; design parameters are higher when the arc length is shorter than the optimum length. Furthermore, there is no considerable benefit to increase the arc length more than this optimum length. It should be noted that if high plastic strains occur along the pipeline, the effects of the optimum arc length are more noticeable. It is also found that in larger arc radii, optimum lengths are shorter. Also, increase in soil lateral resistance breeds shorter optimum lengths. On the other hand, it has been shown that optimum arc length is not influenced by the soil axial resistance variations. In addition, it has been verified that the less the arc radius, the less the design parameters. Besides, arc angle has a significant effect on the post buckling results when it is small. If the arc angle is large or the pipeline experiences high level of plasticity, the arc radius plays a major role on design parameters and arc angle becomes less important. In final evaluations, it has been confirmed that arc radius is the leading geometrical parameter of snake lay; it controls the prebuckling behavior directly and also affects the post buckling parameters indirectly. At last, through an example, the buckling behavior of a subsea pipeline caused by high pressure and high temperature has been assessed, and the effects of snake lay parameters on post buckling stresses and strains have been studied.
