Table of Contents
وتؤثر مصادر الاهتزاز الخارجية تأثيراً عميقاً على الحياة الدهنية للخطوط، وكثيراً ما تتسارع التدهور إلى أبعد من ما ينتجه الحمل الثابت وحده، وتنشأ هذه الظواهر من مجموعة متنوعة من المصادر الصناعية - الآلات الصناعية التي تعمل بالقرب من هذه الخطوط، والظواهر الهزائية، والتصرفات التي تُتخذ على موجات المحيطات على خطوط خارجية، بل وتُحدث آثاراً تراكمية في حجم الإجهاد، حتى وإن كانت منخفضة نسبياً.
Understanding Pipeline Fatigue
إن الإرهاق من الأنبوب هو شكل تدريجي ومحلي من الضرر الهيكلي يحدث عندما يتعرض الأنبوب لضغوطات دورية أو تقلب، وخلافاً للفشل من عبء واحد، فإن الإرهاق يتطور أكثر من آلاف أو ملايين دورات الحمل، وكل دورة - كل دورة - مرة من قطار يمر، أو مضخة تهتز، أو موجة تصيب ارتفاعاً في سطح البحر - تؤدي إلى زيادة طفيفة في الإجهاد الذي لا رجعة فيه.
وتقسم عملية التفشي بشكل عام إلى ثلاث مراحل: بدء الشقق، ونمو الشقيق المستقر، والكسر النهائي، وفي مرحلة البدء، تشكل الزلاقات المستمرة على سطح المواد، وتتطور في نهاية المطاف إلى ثكنات صغيرة، ثم تتحول هذه الشقوق إلى دوام مستمر، يحكمها قانون باريس - إردوغان، الذي يتصل بمعدل نمو الكراك إلى مدى عوامل الإجهاد، وتنشأ المرحلة النهائية عندما لا يمكن أن يؤدي عبء الإجهاد الناتج عن ذلك إلى زيادة.
وبالنسبة للخطوط الأنابيب، فإن الحياة الدهنية عادة ما تتميز باستخدام منحنىات الإجهاد (S-N) المصممة خصيصاً لصف الفولاذ المحدد وتفاصيل اللحام، كما أن معايير مثل ASME B31.3 و]API 579-1/ASME FFS-1[FLT]:3] توفر أساليب لتقييم السلامة الدهونية المتفاوتة، بما في كثير من بينها
مصادر الاهتزاز الخارجي
ويمكن تصنيف مصادر الاهتزاز الخارجي على نطاق واسع حسب مصدرها وطبيعتها، ويفرض كل نوع خصائص إجهادية متميزة على خط الأنابيب، مما يتطلب تحليلاً مصمماً والتخفيف من آثاره.
الأجهزة والمعدات الصناعية
وكثيرا ما تنتج المضخات والضغطات والمحركات المسببة للتبادل قوى غير متوازنة تنقل اليقظة من خلال المؤسسات وتدعم خطوط الأنابيب المتاخمة، وتتطابق الترددات الغالبة مع سرعة التناوب أو المعالجة بالمثل، على سبيل المثال، 60 هرتز من المحرك الكهربائي البالغ 3600 ريال، وهذه الترددات عادة ما تكون مستمرة ومستمرة، ومع ذلك فإن التأثير على الإجهاد قد يختلف.
نظم المرور والنقل
فالحركة على الطرق، ولا سيما الشاحنات الثقيلة على سطح غير متجانس، تولد تهتزات أرضية تتنقل عبر التربة وتؤثر على خطوط الأنابيب المدفونة، وتنتج حركة السككك الحديدية تهوية مماثلة ولكنها أكثر كثافة في كثير من الأحيان، حيث يتراوح محتوى التردد بين 1 و 100 هرتز، ويخلق مرور كل محور نبضا، ويمكن أن تولد القطارات أكثر من 000 10 دورة لكل كيلومتر في سرعة عالية.
النشاط السيزمي والزلازل
(د) إن الزلازل تُفرض إهتزازات عابرة وشديدة السعة ذات نطاق الترددات العريضة، وفي حين أن حدثاً سيزمياً واحداً قد لا يُدخل سوى بضع مئات من الدورات، فإن الضغوط يمكن أن تكون كبيرة بما يكفي لإحداث تنازل فوري أو تباطؤ، لا سيما إذا كان خط الأنابيب غير مصمم لاستيعاب التشرد البري، وبعد وقوع الحدث، فإن الضرر المتبقي الناجم عن الزلزال يمكن أن يقلل من أساليب النزاهة الحالية، لا سيما إذا كانت مبادئ توجيهية قائمة فيما يتعلق بتقنة.
موجات المحيطات وتيارها (خطابات ساحلية)
وتخضع خطوط الأنابيب الخارجية والارتفاعات باستمرار لأعباء متناوبة مستمدة من الموجات المهيمنة تتراوح بين 4 و 20 ثانية، مما يؤدي إلى ضغوط دورية منخفضة التردد، بالإضافة إلى أن اليقظة المستحثة من الطوابق من التيارات الثابتة يمكن أن تولد ارتفاعاً في الترددات، لا سيما في الأجزاء ذات النطاق الحر، وأن الجمع بين التحميلات وارتفاع مستوى الارتداد في المياه قد يؤدي إلى أضرار تراكمية.
التشييد والتفريغ
إن عدد دورات السحب من الإنفجار الواحد منخفضة، ولكن سرعة الذروة في الجسيمات الثقيلة التي تبثها الأرض، والهزات الدافعة الشديدة الارتفاع والتي تبلغ ذروتها ذروتها، ولكنها قصيرة الأجل، وإن كانت تقل عن الحد الأدنى من الرخص التي تُعالج في إطارها خطوط الأنابيب، يمكن أن تتجاوز المستويات الآمنة إذا لم تكن خاضعة للرقابة، فعند مشروع يستغرق أشهراً، يمكن أن تسهم التفجيرات المتكررة في إحداث أضرار بدنية ذات معنى.
آثار اليقظة الخارجية على الحياة الفاتية
The severity of fatigue damage from external vibrations depends on several key parameters: stress amplitude, mean stress, frequency, number of cycles, and the nature of the loading (harmonic, random, transient). High- cycle fatigue (HCF) typically involves stress amplitudes below the material's yield but repeated over many cycles -exactly the scenario for continuous vibgue cycle or traffic.
فالعدالة هي المحرك الرئيسي: ف مضاعفة الإجهاد يمكن أن يقلل من حجم الحياة البدينة بترتيب أو أكثر، بعد العلاقة غير المستقرة بين قانون السلطة والمتمثلة في منحنىات S-N، والإجهاد الضعيف أيضاً يقلل من الحياة، بينما يزيد الضغط الحاد الإجهاد ويزيد من الضغط، ويفرض الكثير من اليقظة الخارجية التنافر (المعكسة عكسياً) في الحمل، ولكن إذا كان الضغط يُستمر.
فالتواتر يؤدي دورا مزدوجا، إذ إن ارتفاع الترددات )فوق عدة مئات من الهز(، قد تسخن المواد بسبب الانكماش الداخلي، ولكن بالنسبة للخطوط، تظل الترددات دون ٢٠٠ هرتز، ويحد ِّد عدد الدورات في كل وقت من الوحدات مدى سرعة حدوث الضرر، ويحقق الضخ الذي يمتد في ٦٠ هرتز تواترا حادا يزيد على ٥ ملايين دورة يوميا، ويحول الإجهاد الحقيقي إلى عقود من الزوال.
وتحتاج اليقظة العشوائية، مثل موجات المحيطات أو التدفق المضطرب، إلى معالجة إحصائية، وتطبق قاعدة الضرر على خطي بالمغرين - المتوسط بشكل شائع: حيث تنقسم مجموعة الإجهاد إلى صناديق، وتلخص الأضرار الناجمة عن كل سلالة، وتُعزى الأساليب الأكثر تقدما إلى الأثر المتعاقب (يمكن أن يكون التقدم المحرز مختلفا عن الضغوط الكبيرة التي تليها ضغوط صغيرة)، ولكن قاعدة الأمان التي تستخدمها لا تزال معيار الصناعة.
تحليل ورصد اليقظة
ولإدارة المخاطر التي تنجم عن اليقظة الخارجية، يستخدم المهندسون مزيجا من النماذج التحليلية والرصد الميداني، ويستخدم تحليل العناصر الحيوية لتحفيز الاستجابة الدينامية لخط الأنابيب لمختلف مصادر الاهتزاز، ويشمل النموذج المواد المتعلقة بالأنابيب، والمقاييس الجيولوجية، والدعم، والثبات على أساس المؤسسة، والهبوط، ويحدد تحليل التواتر الطبيعي والضغوط السائدة في إطار الاستجابة السريعة.
ويوفر الرصد الميداني التحقق وتقييم الظروف الجارية، ويمكن للمصابين بالتسارع المثبت على الجدار الأنبوبي أو دعم مستويات قياسية من اليقظة بمرور الوقت، ويمكن لسجلات البيانات أن تلتقط نماذج مستمرة من الموجات أو تسجيلات محفزة عند تجاوز العتبات، أما بالنسبة للخطوط التي تُستخدم في أجهزة الاستشعار السطحية فوق خطوط الأنابيب، فيمكن أن تُحدث ذبذبات قياسية مباشرة (عن طريق الكابلات) في إنتاج بيانات أكثر دقة عن الأنابيب.
أما تقنيات التقييم غير التدميري، مثل الاختبارات فوق الصوتية والتفتيش الجسيمي المغناطيسي، فتستخدم بصورة دورية لكشف الشقوق التي تشكلت بالفعل، غير أنه في الوقت الذي يمكن فيه الكشف عن الشق، يمكن بالفعل استهلاك جزء كبير من الحياة الدهنية، ولذلك فإن رصد الاهتزاز يستخدم على نحو متبادل مع المعهد الوطني للديمقراطية والتنمية للتنبؤ بباقي الحياة قبل أن تصل عمليات التصدعات إلى الحجم الحرج.
استراتيجيات التخفيف
ويتطلب الحد من تأثير الاهتزازات الخارجية على الحياة الدهنية للخط الأنابيب اتباع نهج متعدد الجوانب يعالج المصدر والمتلقي على السواء.
العزلة والتضليل
ويتوقف تركيب أجهزة الإيزواد - المحركات الاصطناعية - أو الجبال الدوارة أو الجو - بين مصدر الاهتزاز، ويمكن أن يخفف خط الأنابيب من القوى المنقولة، وبالنسبة لأنابيب السحب المدفونة، فإن الخنادق تملأ المواد التي تحمل أنابيباً عالية الارتطام (مثل خلائط التربة المطاطية) أو الحواجز التي تحول دون حدوث انفصال في الترددات الأرضية.
التعديلات في التصميم
فزيادة سمك الجدار الفارغ أو اختيار مادة أعلى من الإجهاد )مثلا، مع زيادة القوة أو حجم الحبوب( تزيد مباشرة الحد الأقصى للدوافع، وتغير مسار الأنابيب لتجنب مناطق الاحترار المرتفعة، مثلا، وتدور حول ممرات حركة المرور الثقيلة أو تبعد خطا عن الضغط، يعد حلا دائما عند الإمكان.
التدابير التنفيذية
ويقلل الموازنة بين الأجهزة الدوارة أو تركيب م امتصاصات الاهتزاز في المصدر من مستويات الاغتصاب، إذ يمكن أن تؤدي انفجارات التشييد التي تُحدث عندما تكون حركة خطوط الأنابيب في أدنى حد ممكن إلى انخفاض الضغط المتزامن، وفي المناطق النشطة زلزامية، وتركيب صمامات مقفلة آليا، وتنفيذ بروتوكولات التفتيش بعد الزلزال، إلى منع التشغيل بأضرار غير مكتشفة، فيما يتعلق بأنبوب الأنابيب الخاضعة لازهار حركة المرور، مما يقل من حيث يمكن أن يخفضة.
الرصد والصيانة الاستباقية
ويمكن أن يؤدي الرصد المستمر لليقظة مع أجهزة الإنذار بالعتبة إلى اتخاذ إجراءات تصحيحية قبل أن يصبح الضرر التراكمي بالغ الأهمية، وإذا تجاوزت مستويات الاهتزاز حدا محددا مسبقا (مثل 0.5 في/سرعة الذروة لبث الإجهاد المستمر)، يمكن التحقيق في المصدر والتخفيف من حدته، ويمكن أن يؤدي إعادة تقييم الحياة الدورية باستخدام بيانات الرصد المستكملة إلى إصلاح أو استبدال أفرع الإجهاد الناتج عن الكدم.
معايير الصناعة والتوجيه
وتتناول عدة مدونات وممارسات موصى بها الإرهاق من الاهتزازات الخارجية. وتتناول قواعد خط أنابيب النفط الأوروبي 1111] أساليب تصميم خطوط الأنابيب البحرية والارتفاع تحت حمولات دورية، بما في ذلك فيفي وديغي الموجات.
وبالنسبة للأخطار الحالية، يوفر البرنامج 579-1/ASME FFS-1 (Fitness for Service) إطارا شاملا لتقييم العيوب في إطار التحميل الدوري، بما في ذلك آثار الاهتزازات الخارجية، ويمكن استخدام تقييمات ميكانيكيات التكتلات لحساب الحياة المتبقية عند اكتشاف عيوب شبيهة بالشقق، وتؤكد هذه المعايير أهمية التحديد الدقيق للإجهاد: يمكن أن تؤدي الضغوط غير المحسوبة بالتنبؤات إلى انخفاض تقديرات اليقظة.
خاتمة
وتمثل مصادر الاهتزاز الخارجية تهديدا كبيرا ولكنه كثيرا ما يكون غير محسوس بالنسبة للحياة التي تكتنفها خطوط الأنابيب، وسواء كان ذلك ناشئا عن المعدات الصناعية، أو حركة المرور، أو أحداث السيزمية، أو موجات المحيطات، أو البناء، فإن هذه الحمولات الدورية التي تتراكم بمرور الوقت، أو تؤدي إلى حدوث عمليات تشقق ونمو، حتى في مستويات الإجهاد، يمكن أن تؤدي إلى تقليص كبير في مستويات التصميم الثابتة، وقدرة العزلة، إذا لم تكن الإدارة قادرة على نحو سليم.