پایان نامه تحلیل لرزه ای لوله های انتقال دارای خوردگی و روش های مقاوم سازی آنها

پایان نامه تحلیل لرزه ای لوله های انتقال دارای خوردگی و روش های مقاوم سازی آنها

 چکیده

با توجه به وسعت و گستردگی خطوط لوله انتقال ، خطرات ناشی از بروز زلزلـه و خـوردگی، بـه عنـوان دو عامل مهم تاثیر گذار در طول مسیر،  لوله ها را تهدید می نماید. دراین تحقیق ، ابتـدا رفتـار لـرزه ای یـک خط لوله با مدل سازی سه بعدی و تحلیل لرزه ای تاریخچه زمانی ، با در نظر گرفتن اندرکنش خاک - لوله و تاخیر فاز موج زلزله ، مورد بررسی قرار می گیرد، سپس بر مبنـای مـاکزیمم کـرنش محـوری پلاسـتیک ایجاد شده ، قطعه بحرانی مشخص گشته و با مدلـسازی مجـدد ایـن قطعـه و بـا اسـتفاده از روش اجـزای محدود، اثر چند حالت مختلف خوردگی یکنواخت (از طریق کاهش ضخامت و کاهش مـدول الاستیـسیته لوله به میزان ۲۰% ،۳۰% و۴۰%) و همچنین یک حالت خوردگی موضعی ، بر لوله مـورد نظـر مـورد بررسـی قرار می گیرد. سپس قطعه دچار خوردگی با استفاده از پوشـش FRP بـه عنـوان یـک روش نـوین مقـاوم سازی، مدل سازی وتحلیل شده تا نقش خوردگی بر رفتار لرزه ای لوله های مدفون ، مشخص شده و تـاثیر مقاوم سازی در بهبود عملکرد آنها مشخص گردد.  نتایج تحلیل هـا، حـاکی از آن اسـت کـه خـوردگی در حالات مختلف ، تاثیر مستقیمی بر افزایش مقادیر تنش و کرنش ایجاد شده در المـان هـای لولـه ناشـی از نیروی زلزله ، دارد که این مساله ، در مورد لوله های انتقال قابل توجه می باشد. همچنین نتایج تحلیل لوله تحت نیروهای زلزله پس از مقاوم سازی با FRP، نشان دهنده بهبود عملکرد آن (کاهش تـنش و کـرنش ) می باشد. 

مقدمه

امروزه لوله های انتقال آب ،گاز و نفت جزئی از شریان های حیاتی می باشند و توجه به سیستم های انتقال آب به عنوان جزء جدایی ناپذیر زندگی انسان وخطوط لوله انتقال نفت وگاز به منظور تامین انرژی ، امری ضروری به نظر می رسد. لوله های انتقال به علت گستردگی و گذر از یک ناحیه جغرافیایی وسیع ممکن است به طور همزمان با خطرات بسیاری مواجه شوند. اقتصاد ایران در حال حاضر و برای چندین دهه متکی بر نفت و فرآورده های آن خواهد بود و از طرف دیگر ایران سرزمینی لرزه خیز است و احتمال وقوع زلزله هایی با قدرت زیاد در آن قابل پیش بینی می باشد، علاوه بر این با توجه به قدمت طولانی خطوط لوله در ایران که عمر برخی از لوله ها به بیش از٥٠ سال می رسد و در نظرگرفتن شرایط اقلیمی کشور و تجمع خطوط لوله در قسمت های جنوبی وغربی کشور که جزء محیط های مهاجم و آسیب رسان محسوب می شوند، یکی از علل عمده خرابی لوله ها، مساله خوردگی آنها می باشد. 

قسمتی از متن

میزان و نوع حرکت گسل عامل مهمی در طراحی می باشد. گسلهای سطحی ممکن است بصورت جابه جایی های صفحه این ناگهانی دیده شوند که مقدار جابه جایی آن تا ۷ متر نیز می رسد. جابه جایی افقی حدود ۱۰ متر نیز پس از زلزله هایی با بزرگی بالای ۸ دیده شده است . مقدار جابه جایی سطحی ، به عوامل متعددی بستگی دارد ولی معمولاً تابعی از نوع گسل ، اندازه زلزله ، عمق کانونی و زمین شناسی منطقه می باشد. فرمولهای تجربی بسیاری برای پیش بینی مقدار جابه جایی با استفاده از مشاهدات گذشته ارائه شده است (١٩٨٢ ,١٩٧٠ ,Bonilla ;١٩٧٧ ,Slemmons).

حرکت گسل لزوماً محدود به یک صفحه یا پهنه گسل نمی گردد بلکه ممکن است در فواصل قابل ملاحظه ای از رد اصلی گسل اتفاق افتد. گسیختگی های سطحی ناشی از گسلش توسط Bonilla در

۱۹۶۷ به سه دسته یا پهنه رده بندی شده است .

پهنه I شامل بزرگترین جابه جایی ، طول و پیوستگی برای یک زلزله داده شده می باشد.

پهنه II مشتمل است بر گسلهای شاخه ای ، که به گسل اصلی متصل و یا از آن منشعب می گردند.

گسلهای ثانویه که پهنه III را تشکیل می دهند هیچگونه اتصال سطحی با گسلهای اصیل یا گسلهای شاخه ای ندارند. بطوریکه Bonilla بیان می نماید بیش از نصف گسلشهای تاریخی در شمال آمریکا ناشی از گسلهای فرعی بوده است . او داده هایی در مورد گسلهای شاخه ای و ثانویه که تغییر مکانهایی به بزرگی

۱۰ تا ۲۰% حرکت گسل اصلی در فواصل ۵ تا ۱۵ کیلومتر از آن داشته اند را ارائه می نماید. در فواصل کمتر از ۳ کیلومتر از گسل اصلی ، حرکات فرعی با تناسب معکوس با فاصله از گسل اصلی بطور قابل ملاحظه ای افزایش می یابند.[ ۸] 

فهرست مندرجات

عنوان                                                                                                                    صفحه

تقدیم  ................................................................................................    ت

 سپاسگذاری  ............................................................................................. ث

فهرست مندرجات ........................................................................................................................ج

 فهرست اشکال .......................................................................................... . ر

فهرست جداول ..........................................................................................................................ض

 چکیده ....................................................................................................١

مقدمه ..................................................................................................................................... ۲

فصل اول - کلیات ........................................................................................................................ ۴

۱-۱- هدف .............................................................................................................................. ٥

۱-۲- پیشینه تحقیق ................................................................................................................... ۶

۱-۳- روش کار و تحقیق .............................................................................................................. ٩

فصل دوم -  انواع لوله ها و علل خرابی آنها  ..................................................................................... ۱۱

۲-۱- مقدمه ........................................................................................................................... ١٢

۲- ۲- دسته بندی خطوط لوله ..................................................................................................... ١٢

۲-۲-۱- خطوط لوله مدفون و نیز روی زمینی ............................................................................... ١٢

۲-۲-۲- خطوط لوله با اتصالهای صلب و یا انعطاف پذیر.................................................................... ١٣

۲-۲-۳- لوله های صلب و لوله های انعطاف پذیر ............................................................................ ١٣

۲-۲-۴- خطوط لوله تحت فشار و تحت جریان ثقلی ........................................................................ ١٤

۲-۳- بارهای وارده بر لوله های مدفون ............................................................................................ ١٤

۲-۴- علل عمده خرابی لوله ها ..................................................................................................... ١٥

۲-۴-۱- زمین لرزه و اثر آن بر لوله های انتقال .............................................................................. ١٦

۲-۴-۱-۱- آثارغیر مستقیم زلزله (گسیختگی زمین ) ................................................................... ١٦

۲-۴-۱-۱-۱- گسلش .................................................................................................... ١٧

۲-۴-۱-۱-۲- زمین لغزشها ............................................................................................. ١٩

۲-۴-۱-۱-۳- تغییر مکانهای ناشی از روانگرایی ...................................................................... ٢٢

۲-۴-۱-۱-۴- چگالش ................................................................................................... ٢٦

۲-۴-۱-۱-۵- ترکهای زمین ............................................................................................ ٢٦

۲-۴-۱-۲-آثار مستقیم زلزله (رفتار لوله ها در برابر ارتعاش های ناشی از امواج زلزله )............................ ٢٦

۲-۴-۱-۲-۱-  انواع موج و ویژگی آنها ................................................................................ ٢٩

۲-۴-۱-۲-۲- اندرکنش خاک ـ خط لوله ............................................................................. ٣١

۲-۴-۱-۲-۳-  بررسی تغییرات شکل موج ............................................................................ ٥١

۲-۴- ۲- خوردگی در لوله ها ................................................................................................... ٥٣

۲-۴-۳- عیوب و درزهای حین اجرا در اثر عدم اجرای مناسب مانند برخورد تجهیزات ................................ ٥٤

۲-۵- روش های بهسازی و تعمیر لوله های انتقال ............................................................................... ٥٤

۲-۵-۱- استفاده از لوله های ساخته شده از مواد کامپوزیت به جای لوله های فولادی ................................. ٥٥

۲-۵-۲- استفاده از دورپیچ های FRP برای تعمیر و بهسازی لوله ها .................................................... ٥٦

۲-۵-۲-۱- مواد تشکیل دهنده دورپیچ های FRP و ویژگی های آنها ............................................... ٥٧

۲-۵-۲-۱-۱- الیاف (Fiber).......................................................................................... ٥٨

۲-۵-۲-۱-۲- رزین ها (Resins)..................................................................................... ٦٠

۲-۵-۲-۱-۳- پرکننده (Filler)....................................................................................... ٦٠

۲-۵-۲-۲- مزایای استفاده از FRP در بهسازی و تعمیر لوله ها ...................................................... ٦٣

۲-۵-۲-۳- انواع ورقه های کامپوزیتی رایج ............................................................................... ٦٤

۲-۵-۲- ۳-۱- کلاک اسپرینگ Clock Spring .................................................................. ٦٤

۲-۵-۲-۳-۲- سیستم استرانگ بک  Strong Back.............................................................. ٦٥

۲-۵-۲-۳-۳- آرمور پلیت Armor Plate .......................................................................... ٦٧

۲-۵-۳- نصب یک پوشش صفحه فولادی بر روی قطعه آسیب دیده ...................................................... ۶۷

۲-۵-۴- روش های داخلی تعمیر و بهسازی لوله ها ......................................................................... ٦٨

فصل سوم - معرفی مدل مورد مطالعه و نحوه تحلیل و ارزیابی مدل ...................................................... ۶۹

 ۳-۱- مقدمه .......................................................................................................................... ۷۰

۳-۲- مشخصات کلی مدل و فرضیات مدلسازی ................................................................................. ٧٠

۳-۲-۱-مشخصات خط لوله و شرایط تکیه گاهی دو سر آن ................................................................ ٧٠

۳-۲-۲- مشخصات خاک و مدلسازی آن ...................................................................................... ٧١

۳-۲-۲-۱- محاسبه مولفه قید محوری (طولی ) ........................................................................... ٧٢

۳-۲-۲-۲- محاسبه مولفه قید افقی جانبی ............................................................................... ٧٣

۳-۲-۲-۳- محاسبه مولفه قید قائم ........................................................................................ ٧٦

۳-۲-۳- معرفی شتاب نگاشت های مورد استفاده ............................................................................ ٧٨

۳-۲-۴- فرضیات مدل جهت اعمال تاخیر فاز در برابر ارتعاشات ناشی از امواج زلزله ................................... ٨٢

۳-۳- نحوه مدلسازی خوردگی و مقاوم سازی قطعه لوله ....................................................................... ٨٤

۳-۳-۱- خوردگی یکنواخت ..................................................................................................... ٨٥

۳-۳-۲- خوردگی موضعی ....................................................................................................... ٨٦

۳-۳-۳- مقاوم سازی لوله خورده شده با پوشش FRP..................................................................... ٨٧

۳-۴- معرفی المان های مورد استفاده در نرم افزار Ans s و قابلیت های هریک از آن ها................................ ٨٨

۳-۴-۱- المان تیر سه بعدی Beam24...................................................................................... ٨٨

۳-۴-۱-۱- خلاصه ورودی های Beam24 ............................................................................... ٨٩

۳-۴-۱-۲- خلاصه خروجی های المان Beam24....................................................................... ۸۹

۳-۴-۲- المان فنر غیر خطی ٣٩ Combin................................................................................. ٨٩

۳-۴-۲-۱- خلاصه ورودی های المان Combin39.................................................................... ٩٠

۳-۴-۲-۲- خلاصه خروجی های المان ٣٩ Combin................................................................. ٩١

۳-۴-۳- المان پوسته ای Shell43 ........................................................................................... ٩١

۳-۴-۳-۱- خلاصه ورودی های المان ، Input Summar............................................................ ٩٢

۳-۴-۳-۲- خلاصه خروجی های المان ،  Output Summar....................................................... ٩٢

۳-۴-۴- المان سازه ای لایه ای غیر خطی Shell91....................................................................... ٩٣

۳-۴-۴-۱- خلاصه ورودی های المان ، Input Summar............................................................ ٩٤

۳-۴-۴-۲- خلاصه خروجی های المان ،  Output Summar....................................................... ٩٤

فصل چهارم -  نتایج آنالیز لرزه ای خط لوله در حالت سالم ، دارای خوردگی و مقاوم سازی شده ..............۹۶

 ۴-۱-مقدمه ............................................................................................................................٩٧

۴-۲- نتایج حاصل از تحلیل لرزه ای سه بعدی تیر بر بستر الاستوپلاستیک ................................................. ٩٧

۴-۲-۱- بررسی تاثیر شرایط تکیه گاهی دو سر خط لوله ................................................................... ٩٧

۴-۲-۲- بررسی اثر تاخیر فاز موج زلزله در خط لوله ...................................................................... ١١٠

۴-۲-۳- نتایج تحلیل لرزه ای خط لوله ...................................................................................... ١٢٢

۴-۲- نتایج حاصل از تحلیل استاتیکی قطعه بحرانی لوله در حالت سالم ،خورده شده .....................................١٤١

۴-۲-۱- نتایج بررسی خوردگی یکنواخت در لوله .......................................................................... ١٤٧

۴-۲-۱-۱- با استفاده از کاهش مدول الاستیسیته ..................................................................... ١٤١

۴-۲-۱-۲- اعمال خوردگی با استفاده از کاهش ضخامت لوله ........................................................ ١٤٧

۴-۲-۲- نتایج بررسی خوردگی موضعی در لوله ............................................................................ ١٥٣

۴-۳- نتایج حاصل از تحلیل استاتیکی قطعه خورده شده لوله در حالت مقاوم سازی شده ...............................١٥٥

۴-۳-۱- نتایج مقاوم سازی لوله دارای خوردگی یکنواخت با %20=w توسط پوشش FRP ...................... ١٥٥

۴-۳-۲- نتایج مقاوم سازی لوله دارای خوردگی یکنواخت با %30=w توسط پوشش FRP ...................... ١٥٧

۴-۳-۲- نتایج مقاوم سازی لوله دارای خوردگی یکنواخت با %40=w توسط پوشش FRP ...................... ١٥٩

فصل پنجم - نتیجه گیری و پیشنهادات   ......................................................................................۱۶۲

۵-۱-مقدمه ...........................................................................................................................١٦٣

۵-۲- جمع بندی نتایج حاصل از تحلیل .........................................................................................١٦٣

۵-۳- پیشنهادات ....................................................................................................................١٦٥

منابع و مراجع ........................................................................................................................١٦٦