پایان نامه بررسي اثر زلزله بر شريان هاي حياتي با نگاه ويژه به خطوط انتقال نفت کارشناسی ارشد

پایان نامه بررسی اثر زلزله بر شریان های حیاتی با نگاه ویژه به خطوط انتقال نفت کارشناسی ارشد

 



برای دانلود استارت دانلود و بعد کریت لینک دانلود رو بزنید

download

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد (M.sc) رشته مهندسی عمران گرایش مهندسی زلزله با عنوان بررسی اثر زلزله بر شریان های حیاتی

با نگاه ویژه به خطوط انتقال نفت

بصورت word قابل ویرایش ودر 179  صفحه میتوانید در پروژه تحقیقی خود از این فایل بهره ببرید 

فهرست مطالب

عنوان صفحه

چکیده..................................................................................................................................................... 1

فصل اول: مقدمه ............................................................................................................................. 2

1-1- اهمیت طراحی لرزه ای سیستم های خطوط لوله نفت و گاز.......................................... 3

1-2- فصل بندی پایان نامه.................................................................................................................. 6

فصل دوم: مشخصات شریان های حیاتی ...................................................................... 8

2-1- تقسیم بندی شریان های حیاتی.............................................................................................. 9

2-2- ویژگی های شریان های حیاتی............................................................................................. 11

2-2-1- گستردگی در ناحیه................................................................................................ .12

2-2-2- پیچیدگی و تنوع مؤلفه ها.................................................................................... .12

2-2-3- تأثیر متقابل شریان های حیاتی مختلف بر یکدیگر ...................................... 13

2-3- نیازها و رهیافت ها..................................................................................................................... 14

2-3-1- شناسایی و برآورد میزان خطر زلزله ................................................................... 15

2-3-2- تحلیل آسیب پذیری سیستم ها .......................................................................... 16

2-3-3- ارائه روش های ایمن سازی .................................................................................. 16

فصل سوم: خطرات لرزه ای مؤثر بر خطوط لوله ...................................................... 18

3-1- گسیختگی زمین ......................................................................................................................... 19

3-1-1- گسلش ............................................................................................................................ 20

3-1-2- زمین لغزش ................................................................................................................... 22

3-1-2-1- سنگ ریزش ها ........................................................................................... 22

3-1-2-2- وارفتگی و لغزش های سطحی در خاک................................................. 23

3-1-2-3- حرکت انتقالی و چرخشی در عمق ........................................................ 23

3-1-3- تغییر مکان های ناشی از روانگرایی ......................................................................... 24

3-1-3-1- گسترش جانبی ........................................................................................... 25

3-1-3-2- گسیختگی های سیلانی ............................................................................ 26

3-1-3-3- کاهش باربری ............................................................................................... 26

3-1-3-4- فرونشست ..................................................................................................... 27

3-1-3-5- تأثیرات شناوری ......................................................................................... 28

3-1-4- چگالش............................................................................................................................ 28

3-1-5- ترک های زمین............................................................................................................. 28

3-2- حرکت زمین .............................................................................................................................. 29

3-2-1- امواج طولی یا اولیه یا فشاری ................................................................................... 29

3-2-2- امواج عرضی یا ثانویه یا برشی .................................................................................. 29

3-2-3- امواج رایلی .................................................................................................................... 30

3-2-4- امواج لاو ......................................................................................................................... 30

3-3- بالاآمدگی و فرونشست زمین ساختی .................................................................................. 30

3-4- بررسی های ژئوتکنیکی ........................................................................................................... 31

فصل چهارم: کلیات لوله ........................................................................................................... 35

4-1- مروری بر آسیب های لوله ها در زلزله های گذشته ......................................................... 36

4-1-1- زلزله سان فرناندو ......................................................................................................... 36

4-1-2- زلزله ویتییرنرو .............................................................................................................. 37

4-1-3- زلزله نورث ریج ............................................................................................................. 37

4-1-4- زلزله کوبه ...................................................................................................................... 38

4-1-5- زلزله منجیل .................................................................................................................. 39

4-2- جنس لوله ها ............................................................................................................................. 40

4-2-1- فولاد ................................................................................................................................ 40

4-2-1-1- نکات عمومی برای طراحی سیستم های فولادی ............................... 41

4-2-2- چدن ............................................................................................................................... 42

4-2-3- پلاستیک پلی اتیلن ..................................................................................................... 42

4-3- معرفی عیب های موجود در خطوط لوله ............................................................................ 43

4-3-1- تورفتگی یا قرشدگی ................................................................................................... 44

4-3-2- چروکیدگی .................................................................................................................... 44

4-3-3- بیضوی شدن ................................................................................................................. 45

4-3-4- ترک ................................................................................................................................ 45

4-3-4-1- انواع ترک ...................................................................................................... 46

4-3-4-1-1- ترک های کمربند جوش ......................................................... 46

4-3-4-1-2- ترک های درز طولی جوش ..................................................... 46

4-3-4-1-3- ترک القای هیدروژنی ............................................................... 47

4-3-4-1-4- ترک خستگی ............................................................................. 47

4-3-4-2- انواع بارگذاری ترک ................................................................................... 48

4-3-5- خوردگی ......................................................................................................................... 48

4-3-5-1- عوامل مؤثر بر سرعت خوردگی ............................................................... 49

4-3-5-1-1- اثر سطح فلز ................................................................................ 49

4-3-5-1-2- اثرات غلظت محیط خورنده .................................................... 49

4-3-5-1-3- اثر دما .......................................................................................... 50

4-3-5-1-4- اثر مواد بیولوژیک........................................................................ 50

4-3-5-1-5- اثر PH ........................................................................................ 51

4-3-5-1-6- اثر گازهای حل شده ................................................................. 52

4-3-5-1-7- اثر جامدهای معلق .................................................................... 53

4-3-5-1-8- اثر تنش ....................................................................................... 53

4-3-5-1-9- اثر فشار ........................................................................................ 53

4-3-5-1-10 اثر زمان ....................................................................................... 54

4-3-5-1-11- اثر تشعشع ................................................................................ 54

4-3-5-1-12- اثر خواص فلزی ...................................................................... 54

4-3-5-2- انواع خوردگی .............................................................................................. 55

4-3-5-2-1- خوردگی یکنواخت .................................................................... 55

4-3-5-2-2- خوردگی حفره ای ..................................................................... 56

4-3-5-2-3- خوردگی لایه ای ....................................................................... 57

4-3-5-2-4- خوردگی فرسایشی ................................................................... 57

4-3-5-2-5- خوردگی رسوبی ......................................................................... 57

4-3-5-2-6- خوردگی شکافی ........................................................................ 58

4-3-5-2-7- ترک خوردگی تنشی ................................................................ 59

4-3-5-3- تحلیل اثر خوردگی در مقاومت لوله ....................................................... 60

4-4- کلیات سیستم خطوط لوله ..................................................................................................... 63

4-4-1- سایز لوله ........................................................................................................................ 63

4-4-1-1- سیستم اولیه سایزبندی.............................................................................. 63

4-4-1-2- سیستم جدید سایزبندی............................................................................ 63

4-4-1-3- مشخصات لوله های خط برای انتقال نفت طبقAPI 5L..................... 64

4-4-2- انتخاب مسیر ................................................................................................................. 69

4-4-3- اثرات سرعت سیال ...................................................................................................... 69

فصل پنجم: معیارهای طراحی برای سیستم های خط لوله .............................. 71

5-1- مقدمه .......................................................................................................................................... 72

5-2- فلسفه طراحی لرزه ای ............................................................................................................. 75

5-2-1- تحلیل خطر طبق آیین نامه طراحی لرزه ای تأسیسات صنعت نفت .............. 78

5-2-1-1- ملاحظات کلی ............................................................................................. 78

5-2-1-2- سطوح خطر زلزله ....................................................................................... 79

5-2-1-2-1- سطح خطر اول .......................................................................... 79

5-2-1-2-2- سطح خطر دوم .......................................................................... 79

5-2-1-2-3- سطح خطر سوم ......................................................................... 80

5-2-1-3- مطالعه ویژه ساختگاه.................................................................................. 80

5-2-1-3-1- طیف خطر یکنوات به روش احتمالاتی ................................ 81

5-2-1-3-2- طیف تعینی ................................................................................ 81

5-3- حرکات طرح لرزه ای ............................................................................................................... 82

5-4- میرایی........................................................................................................................................... 83

5-5- رده بندی طراحی لرزه ای ...................................................................................................... 85

5-6- معیارهای تنش و کرنش .......................................................................................................... 89

5-6-1- خطوط لوله .................................................................................................................... 90

فصل ششم: اندرکنش خاک ولوله....................................................................................... 95

6-1- مقدمه............................................................................................................................................ 96

6-1-1- مؤلفه قید محوری(طولی) ......................................................................................... 102

6-1-2- مؤلغه قید افقی-جانبی .............................................................................................. 108

6-1-3- مؤلفه قید قائم-جانبی ............................................................................................... 114

6-1-3-1- حرکت به سوی پایین .............................................................................. 114

6-1-3-2- حرکت به سوی بالا ................................................................................... 116

6-2- توصه هایی در انتخاب پارامترهای خاک ............................................................................ 123

فصل هفتم: عملکرد خط لوله تحت اثر حرکات زمین و تحت گسل ......... 125

7-1- عملکرد خط لوله تحت اثر حرکت ناهمگون زمین ............................................................ 126

7-2- تحلیل خطوط لوله تحت اثر حرکت گسل .......................................................................... 128

7-2-1- روش های تحلیل خط لوله مدفون تحت گسلش ............................................... 129

7-2-1-1- روش نیومارک و هال ................................................................................ 132

7-2-1-2- روش کندی و همکاران ............................................................................ 136

7-3-1-3- روش اجزاء محدود .................................................................................... 145

فصل هشتم: مدل سازی و نتایج آنالیزها .................................................................... 148

8-1- مقدمه ........................................................................................................................................... 149

8-2- نحوه مدل سازی اجزاء محدود با استفاده از نرم افزار ABAQUS ........................... 149

8-3- مشخصات المان ها .................................................................................................................... 151

8-3-1- المان لوله ...................................................................................................................... 151

8-3-2- المان خاک ................................................................................................................... 152

8-3-3- المان اندرکنش خاک و لوله (PSI) ....................................................................... 153

8-3-3-1- مقدمه ........................................................................................................... 153

8-3-3-2- محاسبه سختی المان های اندرکنش خاک و لوله ............................ 157

8-4- نوع تحلیل مدل ........................................................................................................................ 159

8-5- انتخاب زلزله مورد نظر برای انجام آنالیزها ........................................................................ 160

8-6- به دست آوردن طول مدل برای انجام آنالیزها .................................................................. 162

8-7- اثر قطر و ضخامت لوله در عملکرد لوله تحت زلزله ........................................................ 163

8-8- اثر عمق دفن لوله .................................................................................................................... 165

8-9- اثر سختی المان لوله ............................................................................................................... 167

8-10- نتایج ......................................................................................................................................... 168

8-11- پیشنهادها برای ادامه کار در آینده .................................................................................. 169

منابع و مراجع ................................................................................................................................. 170

فهرست جدول ها

عنوان صفحه

جدول (2-1) تقسیم بندی شریان های حیاتی و مؤلفه های مهم آن ها................................. 10

جدول (2-2) اندر کنش شریان های حیاتی .................................................................................. 13

جدول (3-1) مشخصات اصلی ارزیابی ژئوتکنیکی و انتخاب ساختگاه برای خطوط لوله..... 32

جدول (4-1) اطلاعات لوله های قطر کوچک (ERW).............................................................. 65

جدول (4-2) خصوصیات موارد خاص لوله ها با قطر کم............................................................. 66

جدول (4-3)اطلاعات لوله‌های قطر بزرگ(SAW) .................................................................. 67

جدول (4-4)مشخصات مکانیکی فولاد با توجه به PSL1وPSL2 .................................... 68

جدول (5-1) عناوین کلی معیارهای معمول طراحی لرزه ای.................................................... 74

جدول (5-2) مقادیر متداول میرایی................................................................................................. 84

جدول (5-3) ضرایب اهمیت سازه..................................................................................................... 88

جدول (5-4) تنش های مجاز توصیه شده برای خط لوله نفت روزمینی................................ 92

جدول (5-5) معیارهای کرنش مجاز توصیه شده برای خطوط لوله نفت و گاز..................... 92

جدول (7-1) معادلات لازم برای روش نیومارک- هال............................................................... 134

جدول (7-2) معادلات لازم برای استفاده از روش کندی و همکاران...................................... 144

جدول (8-1) مشخصات لوله فولادی............................................................................................... 151

جدول (8-2) مشخصات خاک........................................................................................................... 152

جدول (8-3) مشخصات کلی مدل لوله مدفون در خاک............................................................ 157

جدول (8-4) مقدار ماکزیمم کرنش ها در طول های مختلف خط لوله................................. 162

جدول (8-5) محاسبه سختی المان های اندرکنش خاک و لوله برای بررسی اثر قطر....... 164

جدول (8-6) محاسبه سختی المان های PSI برای بررسی اثر عمق دفن لوله................... 165

جدول (8-7) ماکزیمم کرنش ها بر اساس عمق دفن لوله......................................................... 166

فهرست شکل ها

عنوان صفحه

شکل (3-1) انواع گسل.......................................................................................................................... 21

شکل (6-1) خط لوله در معرض هر دو حرکت عادی و امتداد لغز در تقاطع با گسل........... 97

شکل (6-2) بارها و قیود خاک............................................................................................................. 99

شکل (6-3) مدل سازی خط لوله تحت اثر زمین لغزش.............................................................. 101

شکل (6-4) مدل سازی خط لوله تحت اثر حرکت گسل............................................................ 102

شکل (6-5)ضرایب چسبندگی رسم شده به صورت تابعی از مقومت برشی زهکشی نشده ......... 107

شکل (6-6) ضریب ظرفیت باربری افقی برای ماسه به صورت تابعی از نسبت عمق به قطر خط لوله مدفون 111

شکل (6-7) ضرایب ظرفیت باربری افقی به صورت تابعی از نسبت عمق به قطر خط لوله مدفون در ماسه 112

شکل (6-8) ضرایب ظرفیت باربری قائم بر حسب زاویه اصطکاک در داخل خاک............... 115

شکل (6-9) ضرایب بالا آمدگی قائم برای ماسه به صورت تابعی از نسبت عمق به قطر خط لوله مدفون 119

شکل (6-10) ضرایب بالا آمدگی قائم برای ماسه به صورت تابعی از نسبت عمق به قطر... 121

شکل (7-1) حرکات نسبی در یک گسل امتداد لغز...................................................................... 130

شکل (7-2) حرکات نسبی در یک گسل عادی.............................................................................. 131

شکل (7-3) مدل ایده آل سه خطی منحنی تنش-کرنش لوله API5L X60................... 133

شکل (7-4) منحنی تنش-کرنش برای یک لوله API5L X60 ارئه شده توسط Romberg-Osgood 140

شکل (7-5) جابجایی بر حسب فاصله X برای یک شعاع انحنائ ثابت................................... 142

شکل (7-6) مدل سازی خط لوله به روش اجزاء محدود در محل عبور از گسل................... 146

شکل (8-1) ساختار المان های PSI.............................................................................................. 153

شکل (8-2) نحوه قرارگیری المان های PSI بر روی خطوط لوله............................................ 154

شکل (8-3) اعمال نیرو به صورت خطی از المان به خط لوله به صورت تابعی از کرنش..... 156

شکل (8-4) اعمال نیرو به صورت غیرخطی از المان به خط لوله بصورت تابعی از کرنش.. 157

شکل (8-5) نمایش کلی مدل لوله مدفون در خاک..................................................................... 159

شکل (8-6) شتابنگاشت قائم زلزله بم.............................................................................................. 160

شکل (8-7) شتابنگاشت افقی زلزله م.............................................................................................. 161

شکل (8-8) نحوه بارگذاری نیروی زلزله مدل لوله مدفون در خاک......................................... 161

چکیده:

انتقال فرآورده های نفتی و گاز توسط خطوط لوله که یکی از روش های مناسب، ارزان قیمت، سریع و مطمئن است انجام می گیرد. این خطوط اکثراً به لحاظ ایمنی و ملاحظات اجتماعی به صورت مدفون انجام می گیرد و در موارد اندکی به صورت روزمینی اجرا می شوند که در مجموعه مهندسی، چنین سازه هایی به عنوان شریان های حیاتی محسوب می شوند. در این پایان نامه ابتدا به تقسیم بندی و شناخت ویژگی های شریان های حیاتی پرداخته می شود. سپس از میان شریان های حیاتی، خطوط انتقال نفت مورد بررسی قرار می گیرند. سپس به معرفی خطرات لرزه ای بر خطوط لوله مدفون شامل: گسلش، زمین لغزش، چگالش، ترک های زمین، تغییر مکان های ناشی از روانگرایی پرداخته می شود. سپس به توصیف کلیات لوله ها شامل : جنس لوله ها، ابعاد لوله ها، معرفی عیب های موجود در خطوط لوله مانند : تورفتگی، چروکیدگی، ترک، بیضوی شدن و عوامل مؤثر بر خوردگی پرداخته می شود. بعد از آن به مباحثی مانند: معیارهای طراحی برای سیستم های خط لوله، اندرکنش خاک و لوله، عملکرد خط لوله تحت حرکات زمین پرداخته می شود. در پایان نحوه مدل کردن خط لوله در نرم افزار ABAQUS و بررسی اثرات طول، قطر، ضخامت و عمق دفن خط لوله، بر رفتار لوله های مدفون در خاک در برابر زلزله با ارائه نمودارها و نتایج حاصل از آنالیز، آورده شده است.

فولاد

خطوط لوله فولادی جدید از فولاد شکل پذیر با جوش های لب به لب با نفوذ کامل ساخته می شوند. در لوله های مدفون گسیختگی ها یا تغییر شکل های شدید اغلب همراه حرکت نسبی ناشی از حرکات گسل، زمین لغزه ها، روانگرایی، از دست دادن تکیه گاه و یا حرکت ناهمگون در وجوه مشترک سنگ و خاک یا دو نوع خاک با چگالی متفاوت می باشند. علاوه بر این شکست ها در محل اتصال یعنی در نقاطی که تغییر مکان نسبی بزرگی بین لوله مدفون محصور در خاک و مخزن یا سازه با محصوریت کمتر وجود دارد رخ می دهند.

معیارهای تنش در مورد خطوط لوله که در آیین نامه هایی نظیر ANSI B31.8 بیان شده اند حدود تنش های مجاز را که درصدی از حداقل تسلیم در جهات مختلف تنش در شرایط مختلف بارگذاری بیان می شود، نشان می دهند. در حرکات بزرگ زمین کرنش خط لوله معمولاً از نقطه تسلیم حداقل تجاوز می کند، اگر چه خط لوله خوب طراحی شده باشد، در کرنش کششی بسیار شکل پذیر است و می تواند قبل از گسیختگی کرنش های زیاد و کشش بالایی داشته باشد. اگر خصوصیات لوله در اثر کنترل کیفیت مناسب شرایطی شبیه حالت یکنواخت داشته باشد و ترک های جوش ها با بازرسی مناسب به حداقل رسیده باشد، می توان حدود حداکثر کرنش کشش را بین 2% تا 5% در نظر گرفت.

5-2-1-2- سطوح خطر زلزله

مبنای محاسبه دوره های بازگشت زلزله در هر سه سطح در این قسمت بر پایه توزیع پواسن رخداد زلزله می باشد.

5-2-1-2-1- سطح خطر اول

زلزله سطح خطر اول (زلزله بهره برداری) زلزله ای با بزرگای کم تا متوسط است که احتمال وقوع زلزله ای بزرگتر از آن در دوره 50 ساله 70 درصد است(زلزله با احتمال فراگذشت %70). دوره بازگشت این رخداد زلزله در محدوده ساختگاه طرح 42 سال می باشد. طیف حاصل از این سطح خطر طیف زلزله بهره برداری نامیده می شود.

5-2-1-2-2- سطح خطر دوم

زلزله سطح خطر دوم (زلزله طرح) زلزله ای با بزرگای نسبتاً زیاد است که احتمال وقوع زلزله ای بزرگتر از آن دوره 50 ساله 10 درصد است (زلزله با احتمال فراگذشت 10 درصد). دوره بازگشت این زلزله در محدوده ساختگاه طرح 475 سال می باشد. طیف حاصل از این سطح خطر طیف زلزله طرح نامیده می شود. در موارد مجاز در این آیین نامه می توان از طیف طرح استاندارد 2800 ایران برای این زلزله استفاده نمود. در این آیین نامه اجازه داده می شود، برای طیف زلزله طرح از دو سوم مقادیر حاصل از طیف زلزله حداکثر حاصل از مطالعه ویژه ساختگاهی استفاده شود. طیف زلزله طرح حاصل از مطالعه ویژه ساختگاهی نباید از دو سوم طیف طرح استاندارد 2800 ایران کمتر باشد. 




download