مقدمه
سکوها سازه هایی هستند که در داخل دریا و دور از ساحل به منظور استخراج نفت یا گاز ساخته می شوند. با توجه به وجود مخازن نفت و گاز در زیر بستر دریا ، احداث سکو در محدوده آب های کشور و به خصوص میدان های مشترک ضرورت دارد. یکی از مهمترین مراحل تحلیل و طراحی سکوهای دریایی ، شناخت بارهای وارده می باشد. در زمان بهره برداری از یک سکوی دریایی احتمال دارد بارهای ضرب های خارج از سکو به آن وارد شود که تاکنون مورد مطالعه کمتری قرار گرفته اند. بارهایی مانند برخورد کشتی به پایه های سکو یا بروز انفجار خارج از سکو از جمله بارهای محتمل می باشند.
تاکنون مطالعه وسیعی بر روی بارگذاری سکوهای دریایی شده و آیین نامه هایی جهت تعیین بارهای وارده تدوین شده است. برای مثال در استاندارد آمریکایی API ، فصلی به نام بارهای اتفاقی ، انفجار و آتش مطرح شده که ضمن پهنه بندی خطر با ارایه الگوریتمی به ارزیابی خطر محتمل بر سکو پرداخته می شود. در این آیین نامه عنوان شده که بارهای اتفاقی می توانند باعث آسیب جزیی یا کلی سکو شده و خطر مرگ افراد و آلودگی محیط زیست داشته باشند؛ لذا بایستی این مسئله در طراحی سازه و جا نمایی تجهیزات دیده شود تا حداقل خسارت را در پی داشته باشد. در استاندارد نروژی DNV نیز بخشی به نام بارهای اتفاقی وجود دارد که انفجار نیز جزء آن می باشد. در این آیین نامه تعیین چنین بارهایی بر اساس تجربه و ارزیابی طراح عنوان شده است. در آیین نامه مرتبط دیگری به نام DNV-C010 ، به ملاحظات ویژه در زمینه احتمال وقوع انفجار گازهای هیدروکربنی اشاره شده است.
در زمینه مدل سازی امواج انفجاری ، سابقه تحقیقات به جنگ جهانی دوم برمی گردد. در آن زمان روش های تحلیلی و آزمایشگاهی برای امواج انفجار زیر آب مطرح شد. برای اولین بار تئوری های مربوط به انتشار امواج را "Taub" در سال ۱۹۴۳ مطرح کرد. پس از وی روش های متنوع تحلیلی برای حل این مسئله مطرح شد که به گزیده ای از این روش ها در مقاله مایر اشاره شده است.
در دهه ۷۰ به بعد با توسعه روش های عددی ، ابتدا مسئله انتشار امواج با روش تفاضل محدود و روش حجم محدود مورد بررسی قرار گرفت و بر این اساس برنامه های کامپیوتری نیز تهیه شد. روش اجزای محدود که بیشتر در مورد تحلیل جامدات مطرح شده بود در سال های اخیر توجه بسیاری از محققین را جهت توسعه این روش برای مسئله انتشار موج ضربه ای همراه داشته است. از کارهای اخیر انجام شده در این زمینه می توان به کار اسپراگو اشاره نمود که با ارایه یک روش طیفی مشتمل بر تظریف شبکه و افزایش درجه توابع شکل ، انتشار امواج ناشی از انفجار زیر آب را مدل نمود. وی همچنین با تعریف یک معیار برای فشار ، پدیده کاویتاسیون را در اثر اندرکنش امواج انفجاری با سازه بررسی کرد.
نگارنده این مقاله ابتدا با مدل سازی امواج انفجاری به روش اجزای محدود و مقایسه نتایج حاصله با نتایج تجربی ، نشان داد که در صورت استفاده از یک شبکه متحرک و قابل تطبیق با جبهه موج می توان محاسبات انفجار زیر آب را با زمان کمتر و دقت بیشتر انجام داد. روش تطبیقی مطرح شده کاربرد زیادی در مسایل انتشار امواج آکوستیکی با فرکانس بالا و مسایل با درجات آزادی زیاد دارد. در مورد اندرکنش آب و سازه و مسایل مربوط به مرز مشترک نیز می توان به کار راس اشاره نمود که با استفاده از ضرایب لاگرانژ محلی ، تبادل نیروی اندرکنشی بین شبکه های نامنطبق آب و سازه انجام شده و با روش های دیگر مقایسه شده است. فرمول بندی روش ضرایب لاگرانژ با جزییات کامل توسط راس ارایه شده است. با بررسی کارهای انجام شده مشاهده شد که تحلیل های انجام شده عمدتا برای اجسام شناور متحرک مانند کشتی ها و زیر دریایی ها بوده و بر روی سازه های ساکن مانند سکوهای دریایی مطالعه چندانی صورت نگرفته است.
علیرغم اهمیت استراتژیک سکوهای دریایی ، درک کمی از چگونگی پاسخ این سازه ها به انفجار زیر آب وجود دارد. هدف اصلی از این مطالعه بررسی رفتار سکوهای دریایی در برابر انفجار زیر آب و حوادث احتمالی پس از آن می باشد.
بارگذاری انفجاری
سکوهای دریایی در زمان بهره برداری ممکن است تحت اثر بارهای اتفاقی مانند برخورد شناورها ، انفجار یا آتش سوزی قرار گیرند. این نوع بارها بسته به احتمال وقوع بایستی در طرح سازه های فراساحلی در نظر گرفته شوند. به این نوع بارگذاری در آیین نامه ها اشاره ای شده است ، البته در برخی موارد مانند بارگذاری انفجاری اطلاعات محدودی وجود دارد. برای مثال در استاندارد API جهت اعمال بارهای اتفاقی از الگوریتم ارزیابی خطر مطابق (شکل ۱) استفاده شده است.
شکل ۱) فرآیند ارزیابی خطر بارهای اتفاقی مطابق استاندارد API (برای بزرگنمایی کلیک کنید)
انفجار می تواند بر روی سکو یا بیرون از سکو و درون آب اتفاق بیفتد. در (شکل ۲) مناطق مستعد انفجار بر روی یک سکوی دریایی نشان داده شده است.
شکل ۲) ساختار یک سکو و شناسایی مکان مستعد انفجار (برای بزرگنمایی کلیک کنید)
در (شکل ۳) نمونه ای از انفجار در خارج از سکو نشان داده شده است. در این حالت ماده ای قابل انفجار در یک فاصله معین از یک سکو با ساختار خرپایی و مقطع لوله ای قرار گرفته است. موج حاصل از انفجار درون آب منتشر شده و به پایه های سکو می رسد.
شکل ۳) نمایی از نحوه برخورد موج شوک به یک سکوی ثابت دریایی (برای بزرگنمایی کلیک کنید)
معادلات اندر کنش آب و سازه
معادله دیفرانسیل تعادل دینامیکی سازه با استفاده از روش گالرگین به معادله انتگرالی تبدیل شده و پس از گسسته سازی و مونتاژ معادلات بر روی کل دامنه نوشته می شود. یکی از روش های مرسوم برای در نظر گرفتن اندرکنش آب و سازه روش جرم افزوده می باشد. در این روش جهت در نظر گرفتن اینرسی آب اطراف المان های تیری از جرم افزوده استفاده شده است. معادله دینامیکی سازه به فرم زیر در نظر گرفته می شود.
MNM uM + CNM uM + KNMuM = [SfsQN]T pQ
در استخراج این معادلات فرض شده که اعضای سکو همگن و دارای رفتار ارتجاعی و خمیری می باشند. همچنین سیال همگن ، غیر لزج و با تراکم پذیری غیرخطی در نظر گرفته شده است. از روش صریح برای حل معادلات دینامیکی استفاده می شود.
مدل گیرز – هانتر برای ماده منفجره
برای مدل سازی ماده منفجره و فشار موج انفجار از مدل گیرز – هانتر استفاده شده است. در این مدل فشار ناشی از انفجار زیر آب "P" در هر نقطه ای به فاصله "R" از مرکز انفجار و در زمان "T" از رابطه تشابهی زیر به دست می آید.
P (R,t) = Pc [ac / R]1+A f ([ac / R]B vct/ac) a
نمونه ای از ثوابت عددی این رابطه برای انواع مواد منفجره در (جدول ۱) داده شده است.
| Material | Source | Pc | vc | A | B |
| TNT (1.52 g/cc) | Coles et al. (1946) | 1.42 | 0.992 | 0.13 | 0.18 |
| TNT (1.60 g/cc) | Farley and Snay (1978) | 1.45 | 1.24 | 0.13 | 0.23 |
| TNT (1.60 g/cc) | Price (1979) | 1.67 | 1.01 | 0.18 | 0.185 |
|
Pentolite (1.71 g/cc) (50/50 PETN/TNT) |
Thiel (1961) | 1.65 | 1.22 | 0.14 | 0.23 |
|
Pentolite (1.71 g/cc) (Unknown Comp.) |
Price (1979) | 1.92 | 1.29 | 0.194 | 0.257 |
|
HBX-1 (1.72 g/cc) (40/38/17/5) RDX/TNT/A1/D-2 Wax) |
Swisdak (1978) | 1.71 | 1.47 | 0.15 | 0.29 |
|
HBX-1 (1.72 g/cc) (Unknown Comp.) |
Price (1979) | 1.58 | 1.17 | 0.144 | 0.247 |
در این مدل فرض می شود پس از انفجار زیر آب حباب پر فشاری تشکیل شده که شعاع و فشار آن تابعی از عمق ماده منفجره می باشد.
مدل عددی
هدف بررسی یک سکوی دریایی مطابق (شکل ۴) می باشد. عرشه به صورت صلیب در نظر گرفته شده است. پایه سکو خرپایی و از جنس فولاد با رفتار الاستوپلاستیک می باشد. ماده قابل انفجاری به جرم ۱ تن در فاصله ۳۵ متری از سکو و در عمق ۱۸/۷۵ متری از سطح آب در نظر گرفته شده و رفتار سکو نسبت به موج انفجار مورد مطالعه قرارگرفته شده است. اثرات اینرسی آب متصل به پایه ها نیز در نظر گرفته شده است. مدلسازی در محیط نرم افزار آباکوس انجام شده است و از قابلیت های این نرم افزار در زمینه انفجار زیرآب استفاده شده است.
شکل ۴) موقعیت ماده منفجره و نقطه مرجع بر روی سکو (برای بزرگنمایی کلیک کنید)
نتایج عددی
احتمال پلاستیک شدن برخی اعضا و تغییر شکل زیاد آنها وقوع خرابی را در بخشی از سکو که در مجاورت ماده منفجره است نشان می دهد. در (شکل ۵) تغییر شکل سکو در زمان های مختلف پس از وقوع انفجار نشان داده شده است.
تاریخچه زمانی تغییر شکل چند نقطه در ترازهای مختلف نیز در زیر (شکل ۶) نشان داده شده است. این نقاط در محل اتصال اعضای سکو در نظر گرفته شده اند.
شکل ۶) ترازهای مرجع برای اندازه گیری تاریخچه پاسخ سکو (برای بزرگنمایی کلیک کنید)
تاریخچه زمانی تغییر شکل جانبی در ترازهای مرجع در (شکل ۷) و (شکل ۸) نشان داده شده است. مطابق این شکل بیشترین تغییر شکل مربوط به ترازی است که ماده منفجره قرار دارد و به بیش از ۲۰ سانتیمتر می رسد.
تاریخچه زمانی تغییر شکل قائم در ترازهای مرجع در (شکل ۹) نشان داده شده است. مطابق این شکل بیشترین تغییر شکل مربوط به ترازی است که ماده منفجره قرار دارد و به حدود ۳ سانتیمتر می رسد. به علت اثر وزن سکو تاثیر موج انفجار در جهت تغییر شکل قائم کمتر از تغییر شکل افقی است.
تاریخچه زمانی سرعت جانبی X در تراز ماده منفجره در (شکل ۱۰) نشان داده شده است. مطابق این شکل سرعت تغییر شکل سکو به حدود ۴ متر بر ثانیه می رسد.
شکل ۱۰) تاریخچه سرعت جانبی "X" اتصالات روبروی موج انفجار در تراز ۱۸/۷۵- (برای بزرگنمایی کلیک کنید)
تاریخچه زمانی سرعت جانبی Y در تراز ماده منفجره در (شکل ۱۱) نشان داده شده است. مطابق این شکل سرعت تغییر شکل سکو به بیش از ۱۵ متر بر ثانیه می رسد.
شکل ۱۱) تاریخچه سرعت جانبی "Y" اتصالات روبروی موج انفجار در تراز ۱۸/۷۵- (برای بزرگنمایی کلیک کنید)
تاریخچه زمانی شتاب جانبی X در تراز ماده منفجره در (شکل ۱۲) نشان داده شده است. مطابق این شکل سرعت تغییر شکل سکو به حدود ۳۵۰۰ متر بر مجذور ثانیه می رسد.
شکل ۱۲) تاریخچه شتاب جانبی "X" اتصالات روبروی موج انفجار در تراز ۱۸/۷۵- (برای بزرگنمایی کلیک کنید)
تاریخچه زمانی شتاب جانبی Y در تراز ماده منفجره در (شکل ۱۳) نشان داده شده است. مطابق این شکل سرعت تغییر شکل سکو به حدود ۱۲۰۰۰ متر بر مجذور ثانیه می رسد.
شکل ۱۳) تاریخچه شتاب جانبی "Y" اتصالات روبروی موج انفجار در تراز ۱۸/۷۵- (برای بزرگنمایی کلیک کنید)
نتیجه گیری
در این تحقیق اثر انفجار زیر آب بر روی سکوهای دریایی به روش جرم افزوده و حل معادلات دینامیکی مطالعه شد. نتایج عددی نشان داد که قسمتی از سکو که در نزدیکی ماده منفجره قرار دارد می تواند دچار آسیب شده و در یک زمان اندک تغییر شکل ، سرعت و شتاب این قسمت از سکو افزایش می یابد. نتایج به دست آمده پاسخی فراتر از بارگذاری های اتفاقی مانند زلزله یا امواج را نشان می دهد. با توجه با اینکه در آیین نامه های طراحی سازه های دریایی به بار انفجار زیر آب پرداخته نشده لذا لازم است در طرح یک سکو دریایی ابتدا ارزیابی خطر انجام شده و سطح تهدیدات مشخص شده و با روشی که در این مقاله به آن پرداخته شد نقاط آسیب پذیر سکو شناسایی و نسبت به تقویت آن اقدام شود.
نویسنده مقاله :سید شهاب امامزاده
| نویسندگان/گردآورندگان: |
| سیدناصر سعیدی |
| امیرسعید نورامین |
| منصور جوادپور |
| امیرحسین مطهری |
| فرشته کمیجانی |
| آرش بختیاری |
| محمدرضا اللهیار |
| محمود توکلی |
| سعید مدیحی |
| عبدالرضا شیخ الاسلامی |
دیدگاه‌ها
اولین دیدگاه را دربارهٔ این خبر بنویسید.