تعدیل پدیده های کمانش و واکینگ در خط لوله فراساحل با ارائه راهکار نوین

به گزارش مارین نیوز، ایمان سیفی پور فارغ التحصیل دکتری مهندسی عمران - سازه های دریایی است که دوره کارشناسی و کارشناس ارشد سازه های دریایی خود را در دانشگاه تهران گذرانده است و در سال 1393 پس از کسب رتبه اول کنکور دکتری سراسری به تحصیل در رشته مهندسی سواحل، بنادر و سازه های فراساحل پرداخته و موفق به اخذ مدرک دکتری از دانشگاه تهران در سال 1397 شده است. جهت آشنایی علاقه مندان به رشته مهندسی دریا گفت و گویی با وی درباره تجربیات تحصیلی شان انجام داده ایم.

زمینه های پژوهشی و صنعتی مورد علاقه اینجانب شامل سازه های فراساحل، خطوط لوله فراساحل و رایزرها، پایداری سازه ها و کمانش، تحلیل حمل دریایی سازه ها، تحلیل بلند کردن سازه های فوق سنگین، سازه های فولادی، تحلیل اجزای محدود و تعمیر سازه ها با استفاده از پلیمرهای کامپوزیتی است.

موضوع پژوهشی در دوره کارشناسی ارشد با عنوان "بررسی رفتار خطوط لوله فراساحل در محل دهانه آزاد تحت نیروهای هیدرودینامیک" با استاد راهنمایی دکتر میرقادری و دکتر نایینی انجام شده است. در دوره دکتری نیز با راهنمایی دکتر محمدرضا بهاری و مشاوره دکتر میرقادری به "بررسی پدیده کمانش خطوط لوله فراساحل ناشی نیروهای فشار داخلی و دمای بالا" پرداختم. 

در سال 2018 میلادی هم به عنوان پژوهشگر در دانشگاه استرالیای غربی به تحقیق در مورد پدیده واکینگ خطوط لوله فراساحل پرداختم. مرکز فراساحل این دانشگاه از جمله معتبرترین مراکز پژوهشی در زمینه سازه های دریایی در سطح بین المللی می باشد. به عنوان نتیجه حاصل از این تحقیقات، روش نوینی برای نصب خطوط لوله دریایی ارائه شده است که منجر به بهبود رفتار خطوط لوله فراساحل در زمان بهره برداری می گردد.

نتایج تحقیقات بر روی خطوط لوله و سازه های فراساحل در یک جلد کتاب تحت عنوان "طراحی خطوط لوله فراساحل" و همچنین مقالات منتشر شده و در حال انتشار در مجلات و کنفرانس های بین المللی جمع آوری شده است. رساله دکتری اینجانب به عنوان رساله برتر در زمینه سازه های دریایی توسط انجمن دریایی ایران در سال 1397 برگزیده شده است. 

فعالیت در صنعت فراساحل نیز از سال 1392 با حضور در بخش های مختلف طراحی، ساخت و نصب انواع سازه های فراساحل بوده است. از جمله سایر فعالیت های بنده می توان به عضویت در انجمن های علمی و حرفه ای از جمله انجمن مهندسی دریایی ایران، سازمان نظام مهندسی و همچنین عضویت در هیات تحریریه مجله بین المللی در زمینه سازه های دریایی اشاره نمود. 

وقوع حوادث و آسیب ها در سازه های نفت و گاز فراساحلی می تواند منجر به توقف تولید شود و پیامدهای شدید محیط زیستی را در پی داشته باشد. علاوه بر آن تعمیرات سازه های فراساحلی بسیار پر هزینه هستند. لکن انجام مطالعات و تحقیقات بر روی رفتار سازه های فراساحل دارای اهمیت فراوانی می باشد.

به طور کلی بهره برداری از سازه های دریایی نیازمند بازرسی های منظم برنامه ریزی شده به صورت مستمر در طول عمر سازه است. با توجه به هزینه زیاد این گونه بازرسی ها در سازه های فراساحل، مبنای مناسبی برای مدیریت بازرسی ها، تعمیر و نگه داری مورد نیاز است. لذا، پرداختن به موضوع ارزیابی ریسک و قابلیت اطمینان پذیری سازه های فراساحل و بررسی و اجرای روش های نوین تعمیر، نگه داری و بهبود عملکرد سازه های فراساحل می تواند مورد توجه پژوهشگران و متخصصان صنعت فراساحل قرار گیرد.

موضوع تحقیق بنده بررسی رفتار سازه ای خطوط لوله فراساحل تحت اثر ترکیب نیروهای مختلف عملکردی بوده است. خطوط لوله فراساحل عموما به صورت غیر مدفون بر روی بستر قرار گرفته اند و تحت نیروهای بسیار زیاد دما و فشار قرار دارند. این نیروها بخصوص در آب های عمیق و در خطوط لوله کوتاه درون میدانی می تواند منجر به حرکت طولی خط لوله در امتداد محور آن و همچنین تغییر شکل جانبی خط لوله گردد که به عنوان پدیده های واکینگ و کمانش جانبی خط لوله شناخته می شوند. در صورت عدم کنترل کمانش جانبی خطوط لوله مشکلاتی از قبیل تغییر شکل بیش از حد و گسیختگی لوله به وقوع می پیوندد. از طرفی جابه جایی محوری خط لوله به صورت تجمعی در طول عمر مفید میدان فراساحل می تواند موجب آسیب -دیدگی لوله و تاسیسات در دو انتهای آن گردد که نمونه هایی از این آسیب ها در مناطق مختلف از جمله خلیج مکزیک و دریایی شمال مشاهده شده است.

به منظور کنترل واکینگ عموما از سازه های مهاری استفاده می گردد و همچنین به جهت بهبود رفتار در پدیده کمانش با توجه به عدم اطمینان از وقوع آن در خط لوله از روش های کمانش کنترل شده استفاده می شود. نصب اسلیپرها، المان های شناوری برای خط لوله از جمله روش های متداول کنترل کمانش جانبی هستند. اجرای هر یک از این روش ها خطوط لوله در آب های عمیق بسیار پر هزینه بوده و برای یک پروژه به عنوان نمونه حدود 10 درصد کل هزینه پروژه خط لوله را به خود اختصاص داده است. لذا موضوع اصلی این پروژه پژوهشی به ارائه راهکار خلاقانه نصب خطوط لوله به جهت کنترل این پدیده ها با استفاده از روش مقرون به صرفه می پردازد. ایجاد تغییر شکل های متناوب در زمان نصب خط لوله و همچنین ارائه راهکار نوین از نحوه قرار دادن خط لوله بر روی بستر دریا می تواند تاثیر به سزایی در تعدیل پدیده های کمانش و واکینگ در خط لوله فراساحل داشته باشد.

در اینجا لازم می دانم از خانواده ‌ام که همواره پشتیبان و مشوق من بوده ‌اند، تشکر و قدردانی ‌نمایم. از اساتید بزرگوار آقایان دکتر بهاری و دکتر میرقادری که در انجام این تحقیق مرا یاری نموده ‌اند کمال تشکر نموده و برای ایشان آرزوی سلامتی و سعادت دارم. همچنین از اساتید ارجمند آقایان دکتر واکر و دکتر کیمیایی به دلیل یاری‌ ها و راهنمایی های ایشان در انجام بخشی از تحقیقات بنده بسیار سپاسگزارم. 

 

خطوط لوله نفت و گاز دريایی اغلب تحت بارگذاری محوری بسیار بالای ناشی از دما و فشار قرار دارند. این خطوط لوله ممکن است در مناطقی قرار داشته باشند که بستر دریا ناهموار و شیب دار است. این مساله می تواند پیامدهای مختلفی از جمله شکل گیری دهانه های آزاد بلند و متعدد در طول مسیر خط، کمانش های جانبی و قائم و همچنین پیش روی محوری (واکینگ) خط لوله را در پی داشته باشد. حل تحلیلی و اجزای محدود به جهت بررسی عملکرد خط لوله در شرایط بستر ناهموار به کار گرفته شده است. نتایج آنالیز انجام شده، بیانگر بارگذاری مجاز به ازای یک شرایط خاص خط لوله بر روی دهانه آزاد است که به دلیل ناهمواری بستر ایجاد شده است. تحلیل های بیشتری نیز به جهت بررسی اثر نیروهای هیدرودینامیک انجام شده است. بر اساس نتایج حاصل از تحلیل، تغییر شکل متفاوتی از خط لوله برای هر یک از شرایط بارگذاری مشاهده می شود و طول مجاز دهانه آزاد برای شرایط مختلف بارگذاری لوله در این رساله ارائه شده است. پاسخ VIV یک خط لوله تغییر شکل یافته در محل دهانه آزاد تحت نیروهای هیدرودینامیکی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج بدست آمده از تحلیل نشان می دهد، اعمال نیروهای هیدرودینامیکی در شرایط تغییر شکل یافته موجب افزایش حدود 20 درصدی دامنه ارتعاش خط لوله در دهانه آزاد در مقایسه با خط لوله مستقیم می گردد. عامل دیگر در رفتار خطوط لوله فراساحل، وجود شیب عرضی بستر دریا در امتداد راستای لوله است. ناپایداری خط لوله و تغییر شکل بیش از حد آن بر روی بستر شیب دار بر اثر اندرکنش پدیده کمانش جانبی و اثر بستر شیب دار در این رساله مشاهده شده است. دمای مجاز، بار بحرانی کمانش، تغییر شکل خط لوله و طول تغذیه به ازای مقادیر مختلف شیب بستر و ضریب اصطکاک خاک ارائه شده اند. اطاعات ارائه شده در این رساله می تواند به مهندسین خطوط لوله فراساحل برای ارائه یک طراحی مناسب و پیش بینی پدیده کمانش جانبی در شرایط بستر شیب دار کمک کند. از طرفی، وجود شیب طولی در خطوط لوله فراساحل می تواند منجر به وقوع پدیده واکینگ گردد. لذا، روش های مقرون به صرفه و کاربردی به منظور کاهش واکینگ در این رساله ارائه شده است و اثر خمش پسماند بر رفتار خط لوله و کاهش نرخ واکینگ ارائه شده است. پدیده واکینگ برای یک خط لوله کوتاه متداول به ازای شرایط مختلف توپوگرافی و شیب بستر مورد بررسی قرار گرفته است. در پی نتایج ارائه شده، مشاهده می شود که اثر توپوگرافی بستر بر روی یک خط لوله مستقیم بسیار زیاد است و چالش های بسیاری را به همراه دارد. روش مارپیچ متوالی در این رساله به عنوان یک راهکار مقرون به صرفه به جهت تعدیل کمانش و واکینگ ارائه شده است. این روش می تواند موجب بهبود رفتار خط لوله گردد و داکینگ را به میزان بیش از 90 درصد کاهش دهد.

 

Abstract:

 Subsea pipelines are often subject to high longitudinal loads caused by high temperature and high pressure. These pipelines may locate on areas with uneven and sloped seabed conditions. Several consequences such as occurrence of long free-spans, lateral and upheaval buckling in addition to pipeline walking might occur on an uneven seabed situation. Analytical and finite element methods are utilized in this thesis in order to evaluate subsea pipeline behavior on an uneven seabed condition.  Result of this analysis represents allowable loads for a specific situation of the subsea pipeline over a depression caused by seafloor irregularity.  Further analyses are performed for considering influence of hydrodynamic forces. The results show that pipeline deformations are different for each loading condition. Allowable span length for subsea pipeline under combined loading conditions are presented in this thesis. VIV response of a deformed pipeline in free-span location is assessed subject to hydrodynamic forces. The result shows about 20% increase in vibration amplitude in the deformed pipeline in comparison with a straight pipeline. Lateral slope throughout the pipeline is another consequence of an uneven seabed that its effect on pipeline behavior is evaluated in this thesis. Seabed lateral slope along the pipeline can change pipeline buckling behavior. Pipeline instability threat and large lateral deformation on sloped seabed are investigated in this thesis as a result of analyses for interaction between lateral buckling phenomena and seabed slope. Allowable safe temperature, critical pipeline buckling load, pipe deformation, and feed-in length are presented for a number of seabed slope angles and different values of the friction coefficient between pipe and seabed. The presented data in this thesis can provide an appropriate design and a prediction of lateral buckling phenomena on sloped seabeds for subsea pipeline engineers. Besides, axial slope along a subsea pipeline causes walking in subsea pipelines. So, several cost-effective methods for walking mitigation are investigated in this thesis for pipelines on sloping seabed. The effect of residual curvatures on pipeline response and reduction in walking rate is presented. Walking phenomena is assessed for a typical short flowline where it is laid on different seabed topographic conditions of a sloping seabed. Presented result for a straight pipeline reveals a high rate of movement that may raise many challenges. Furthermore, continuous snake lay method is presented in this thesis as a cost-effective manner for walking and buckling mitigation. It can improve pipeline behavior and decrease the walking rate for more than 90%.