مقاوم‌سازی لوله‌های زیرزمینی با FRP

استفاده از کامپوزیت های با زمینه پلیمری (FRP) در بهسازی انواع سازه ها از جمله  مقاوم سازی خطوط لوله ی مدفون فولادی و بتنی طی سالیان اخیر از رشد قابل توجهی برخوردار بوده است که دلیل اصلی آن نیاز به افزایش عمر بهره برداری و ارتقای اساسی زیرساخت ها در تمامی نقاط دنیا می باشد.

لوله‌های مدفون ممکن است لوله های تحت فشار، خطوط انتقال آب و فاضلاب، خطوط انتقال در صنایع پتروشیمی، پالایشگاه و … باشند. یکی از مشکلات رو به گسترش در ارتباط با سازه های زیرساخت مدفون، مشترک بودن محل عبور انواع لوله ها می باشد.

به طور کلی از جمله خرابی های احتمالی این سازه ها می توان به خوردگی، ضربه، ترک، نشت و … اشاره کرد. همچنین مودهای گسیختگی لوله های مدفون و تکیه گاه های مربوط عبارتند از:

• تغییرشکل پلاستیک خم لوله
• ترک در ناحیه انشعاب
• ترک لوله در تکیه گاه لوله کشی
• تغییر شکل موجی لوله
• خرابی افشانه تجهیزات طراحی لرزه ای شده
• خرابی اتصال انبساطی
• نشت گاز فشار قوی از اتصال فلنجی
• خرابی تکیه گاه لوله

وسعت این قبیل مخاطرات آنچنان است که اغلب مواقع، خطوط لوله ی فولادی دچار گسیختگی موضعی شده و آسیب های زیست محیطی و اقتصادی فراوانی برجای می گذارد.

پوشش های FRP و انواع المان سازه ای

کاربرد فراوان لوله های مدفون در خطوط انتقال گاز، آب و … حکایت از اهمیت این سازه ها دارد. آسیب دیدن لوله های مدفون که از شریان های حیاتی خدمت رسانی هستند؛ باعث بروز مشکلات عدیده ای می شود. همچنین عدم امکان تعمیم ویژگی های انواع خطوط لوله مختلف به یکدیگر از دلایل اهمیت مقاوم‌سازی لوله‌های مدفون است. یکی از اقدامات ویژه جهت کاهش آسیب پذیری خطوط لوله مدفون در مواجه با پدیده هایی همچون زلزله مقاوم سازی دیواره ی آن می باشد. به همین منظور، استفاده از پوشش های FRP می تواند یکی از متدهای قابل رقابت جهت مقاوم سازی خطوط لوله ی مدفون باشد.

علاوه بر خطوط لوله ی مدفون از جنس فولاد و بتن از سیستم FRP می توان جهت مقاوم سازی المان های سازه ای زیر استفاده کرد:

• لوله های بتنی پیش تنیده
• لوله های HDPE
• زانویی و سه راهی
• اتصال لوله ها

هدف از تعمیر لوله های مدفون با استفاده از پوشش های FRP

به منظور جلوگیری از خارج شدن لوله های مدفون از عرصه خدمت رسانی به عنوان شریان های حیاتی صنعتی نیاز به مقاوم سازی این نوع سازه به چشم می خورد. مزیت این نوع از مقاوم سازی شامل نسبت بالای مقاومت به وزن، کاربرد آسان و مقاومت در برابر خوردگی می باشد. یکی از مزایای عمده ی این متد امکان مقاوم سازی خط لوله ی فعال در معرض خطر جابجایی دائم زمین بدون خارج کردن آن از سرویس دهی و یا عوض کردن آن با یک لوله ی جدید می باشد. در حقیقت پایه و اساس بکارگیری یک چنین روش بهسازی و تعمیر، مقاوم سازی ناحیه ی آسیب دیده جهت تحمل فشار داخلی لوله می باشد.

به طور خلاصه دلایل و اهداف مقاوم سازی لوله های مدفون عبارتند از:

• افزایش مقاومت لوله
• افزایش مقاومت خمشی
• آب بندی، عایق نمودن و افزایش مقاومت در برابر نفوذ
• کنترل ترک
• ترمیم خوردگی داخلی و خارجی
• ترمیم و مقاوم سازی اتصالات
• افزایش مقاومت زانویی و سه راهی انشعاب در برابر سایش
• افزایش عمر و دوام

مدل سازی عددی خطوط لوله مدفون بهسازی شده با استفاده از پوشش های FRP

به منظور ایمن سازی خطوط لوله، بارهای وارده ی ممکن تعیین و با استفاده از تجارب آموخته شده از انواع آسیب های وارده به خطوط لوله در گذشته و مطالعات صورت گرفته در این مورد، رفتار سازه ای خطوط لوله را می توان شناخت. پس درک بهتر از رفتار خطوط لوله تحت بارگذاری های ممکن، مطالعه پارامترهای موثر در ایمن سازی خطوط لوله در مواجه با خطرات محتمل به معرفی متدهای ایمن سازی موثر کمک می کند.
در این بخش نتایج حاصل از مدلسازی عددی خطوط لوله ی مدفون بتنی و فولادی بهسازی شده با استفاده از پوشش های FRP به تفکیک مورد بررسی قرار می گیرد.

مدل سازی عددی خطوط لوله مدفون بتنی بهسازی شده با FRP

در این بخش مکانیزم رفتاری لوله های مدفون بتنی با قطر بزرگ تقویت شده با ورق های FRP، توسط نرم افزار آباکوس مورد بررسی و میزان تاثیر مقاوم سازی بر این لوله ها مورد مطالعه قرار می گیرد.
به همین منظور لوله ای با قطر 1800 میلیمتر، طول استاندارد 44/2 متر و ضخامت جداره ی 179 میلیمتر که بر روی بستر خاکی قرار گرفته است، مورد بررسی و تحلیل قرار می گیرد. با توجه به این که لوله های فاضلاب در قسمت زیرین لوله های آب قرار گرفته و چون انتقال فاضلاب در شبکه های فاضلاب رو، بر اساس نیروی گرانش و ثقل میباشد، و لوله های با قطر بالاتر در اعماق بیشتر خاک قرار می گیرند، لذا خاک بار پیش تحکیمی زیادی را تحمل می نماید و لذا متراکم فرض شده است، همچنین متراکم سازی خاک کنار لوله، پس از قرار دادن لوله در هنگام نصب، سخت بوده و برای همین، آن را، خاکی سست فرض نموده ایم.
برای مدلسازی لوله های بتنی، بتن با مقاومت فشاری 30 مگاپاسکال و با رفتار غیرخطی خود در نرم افزار مدل شده. همچنین، بر اساس استاندارد ASTM C 469، نمودار تنش کرنش بتن تا 40 درصد مقاومت فشاری یعنی 12 مگاپاسکال خطی و تنش متناظر ترک خوردگی برای بتن با مقاومت فشاری 30 مگاپاسکال برابر 38/3 مگاپاسکال و کرنش نهایی بتن در کشش برابر 3-10 فرض شده است. همچنین مدول الاستیسیته ی بتن 74/25 گیگاپاسکال محاسبه شده است. خصوصیات رزین اپوکسی مورد استفاده نیز در جداول زیر آورده شده است.

شبکه لوله کشی بسیار طویل می باشند و چون لوله ها دارای طول استاندارد44/2 متر هستند، لذا مدل سازی شبکه به مدل کردن یک لوله با طول 44/2 متر خلاصه خواهد شد. لوله های بتنی را می توان با دو شرط تکیه گاهی متقاوت اجرا نمود، نخست آن که شرایط تکیه گاهی لوله را گیردار فرض نمود و در حالت دوم اگر لوله بر روی تکیه گاه قرار نداشته باشد، می توان فرض نمود که درجات آزادی 2 و 3 لوله در تکیه گاه آزاد خواهد بود که این مدل با واقعیت سازگارتر نیز می باشد.
گرچه رفتار خاک پلاستیک بوده و ماهیت الاستیک ندارد، لیکن در این پژوهش، خاک تا تغییر مکان 1 سانتیمتر، ماده ای الاستیک با رفتاری کشسان فرض گردیده، بر این اساس ماهیت خاک زیر لوله که در عمق کمتر از 5/8 متر می باشد، مدول الاستیسیته ی خاک برابر 70 مگا پاسکال فرض شده است.
بارگذاری لوله تابع بار مرده ی خاک، بار زنده ی ترافیک، بار جانبی غیرفعال خاک و بار سیال داخل لوله است. برای سادگی و به علت سست بودن خاک کنار لوله، از فشار غیرفعال خاک به لوله صرف نظر می شود و افزایش ظرفیت لوله، توسط روش مقاوم سازی ارایه شده، در دو حالت لوله ی خالی از فاضلاب و لوله پر، بدست می آید. بار مرده ی خاک و زنده ی ترافیک که بار زند ه حاصل از عبور یک کامیون 8 تن می باشد، در یک راستا بوده و با هم جمع جیری می شوند و این بار را به صورت متغیر در نرم افزار تعریف شده است.

بار سیال با فرض وزن مخصوص 9810 نیوتن بر متر مربع نیز دارای دو مؤلفه است که مولفه ی جانبی آن به صورت مثلثی و مولفه ی ثقلی آن به صورت قائم به لوله وارد میشود، همچنین اندرکنش بین لوله و FRP را به گونه ای تعریف می نماییم که FRP و لوله کاملا به هم گره شده و از گزینه ی Tie برای این کار استفاده و سپس تنش های برشی به وجود آمده بین لایه ی بتن و FRP را بدست آورده و با تنش برشی چسب مقایسه می نماییم.
نتایج بدست آمده از مدلسازی عددی را می توان به شرح زیر خلاصه کرد:

• تأثیر مقاوم سازی لوله های مدفون با استفاده از فیبر کربن (CFRP) مؤثرتر از استفاده از فیبر شیشه (GFRP) جهت مقاوم سازی است.
• با افزایش ضخامت لایه تقویت، ظرفیت لوله برای اتصال گیردار از 5 تا 9/5 درصد و برای اتصال غیرگیردار از 4/5 تا 28/5 درصد افزایش می یابد.
• در لوله های بتنی مدفون، قرارگیری لایه های تقویت به صورت محیطی مناسب تر و مؤثرتر است، ولی در لوله هایی که به صورت غیرگیردار هستند، تأثیر بیشتری خواهد داشت.
• کارایی روش تقویت پیشنهادی تا 5/9 درصد باعث بهبود لوله های گیردار است که نسبت به لوله های با تکیه گاه غیر گیردار به مراتب کمتر است، زیرا کاهش سختی در تکیه گاه کمتر و کاهش نیروها نیز کمتر است.
• مقاوم سازی از داخل لوله مقرون به صرفه ترین روش برای مقاو م سازی لوله است و این روش اقتصادی تر از تعویض لوله یا مقاو م سازی لوله از خارج لوله است.

مدل سازی عددی خطوط لوله مدفون فولادی بهسازی شده با FRP

تاثیر استفاده از پوشش های FRP جهت مقاوم سازی خطوط لوله ی مدفون فولادی با استفاده از بررسی رفتار مکانیکی آن در مواجه با گسل امتداد لغز و با استفاده از نرم افزار المان محدود غیرخطی آباکوس مورد بررسی قرار گرفته است. جهت مدلسازی خط لوله مدفون، لوله ی فولادی از جنس API 5L-X65 با فرض کرنش نهایی برابر با 0/18 انتخاب شده است. خط لوله ی مدلسازی شده مطابق ابعاد خطوط لوله ی انتقال نفت و گاز دارای قطر خارجی برابر با 914/4 میلیمتر  فرض شده است. دو اندازه متفاوت برابر با 9/53 میلیمتر و 12/7 میلیمتر جهت ضخامت دیواره ی لوله متناظر با نسبت قطر به لوله ی (D/t) به ترتیب برابر با 96 و 72 در نظر گرفته شده است. پوشش های کامپوزیتی اپوکسی کربن (AS4/3501-6) به ضخامت (t_c) برابر با محدوده ی 1 تا 13 میلیمتر با مشخصات مکانیکی ارائه شده در جدول پایین جهت بهسازی استفاده شده است.

جهت مش بندی مدل از المان های brick، هشت گرهی (C3D8) برای توده ی خاک پیرامون استفاده شده است. همانگونه که در شکل پایین نشان داده شده است، مش بندی توده ی خاک به گونه ای است که از المان های بزرگ تر در نواحی دور از گسل و از المان های با ابعاد کوچک تر در نواحی نزدیک به صفحه گسل استفاده شده است.

ضریب اصطکاک µ بین خط لوله و توده خاک پیرامون برابر با 0/3 مطابق مطالعات صورت گرفته در نظر گرفته شده است. از آنجایی که نیروی مورد نیاز برای جداسازی لوله و پوشش کامپوزیتی بسیار زیاد است، پیوستگی بین لوله و پوشش کامپوزیتی بصورت چسبندگی ایده آل و کامل فرض شده است.
مدلسازی در سه گام صورت گرفته است. در گام اول، نیروی گرانش به مدل اعمال شده است. نیروی فشار داخلی به عنوان گام دوم و در گام سوم، جابجایی گسل اعمال شده است.
نتایج حاصل از مدلسازی عددی نشان می دهد، در خطوط لوله بدون اعمال فشار سیال، استفاده از پوشش کامپوزیتی با ضخامت 1 میلیمتر جابجایی بحرانی گسل را به میزان %120 افزایش داده است. به کار بردن پوشش کامپوزیت با ضخامت 9 میلیمتر در خط لوله ی بدون فشار داخلی با نسبت قطر به ضخامت برابر با 72 سبب شد جابجایی بحرانی گسل به مقدار %495 افزایش پیدا کند. اگر در خطوط لوله با فشار داخلی سیال و با نسبت قطر به ضخامت برابر با 96، نسبت ضخامت پوشش کامپوزیت به ضخامت خط لوله برابر و یا مقدار اندکی از 0/5 بیشتر باشد، گسیختگی لوله قبل از جابجایی گسل به میزان 5 متر اتفاق می افتد. استفاده از پوشش کامپوزیت با ضخامت برابر با 4 و 9 میلیمتر در خطوط لوله ی تحت فشار با نسبت قطر به ضخامت برابر با 96 به ترتیب منجر به افزایش204 درصدی و 772 درصدی در جابجایی بحرانی گسل شده است. نتایج بدست آماده از مدلسازی عددی به شدت به نسبت قطر به ضخامت لوله وابسته می باشد. از سوی دیگر، افزایش فشار داخلی از مسطح شدن جلوگیری کرده و رفتار مکانیکی خط لوله را تغییر می دهد.
شرکت مقاوم سازی افزیر به عنوان طراح و مجری پروژه های مقاوم سازی آماده ارائه خدمات اجرا و مشاوره ای مقاوم سازی لوله های مدفون با استفاده از روش های نوین و استفاده از کامپوزیت FRP می باشد. جهت کسب اطلاعات بیشتر در زمینه مقاوم سازی لوله های مدفون با کارشناسان مقاوم سازی افزیر در ارتباط باشید.

سوپر لمینت FRP

اطلاعات بیشتر

 تقویت لوله

 تقویت لوله بتنی آب و فاضلاب

 تقویت لوله فولادی نفت و گاز

 تقویت لوله فولادی آب و فاضلاب

تقویت لوله پلیمری نفت و گاز

 تقویت لوله پلیمری آب و فاضلاب