لوله گذاری در دریا

[P O U R I A]

۱) مقدمه
۱-۱) پیشگفتار

انسان همواره نیازمند انتقال سیالات از مکانی به مکان دیگر بوده است. برخی سیالات باید در احجام بزرگ و در مسیرهای طولانی جا به جا شوند: آب، نفت، گاز طبیعی، اتیلن و دیاکسید کربن از این قبیل سیالات هستند. سیالات دیگر باید در کمیتهای کوچکتر یا در مسیرهای کوتاهتری انتقال بیابند که از جمله آنها میتوان بخار، نیتروژن، هوای فشرده، خون، شیر، نوشیدنیهای مختلف، هلیم، جیوه، نیتروگلیسیرین و مواد شیمیایی را نام برد.

برای انتقال سیالات اصولاً سه راه وجود دارد. اولین راه شامل ریختن سیال در یک مخزن، انتقال مخزن پر شده به محل مورد نیاز و خالی کردن آن است. مخزن متحرک و روش پر و خالی کردن آن اجزای اصلی این روش هستند. دومی عبارت است از ساخت یک لوله (یا کانال) از جایی که سیال وجود دارد به جایی که میخواهم برود و سپس سیال بوسیله پمپ انتقال مییابد. قناتها نیز که برای انتقال آب زیرزمینی در مسافتهای کوتاه و بلند در مناطق مختلفی از کشورمان ساخته شدهاند از این دست میباشند. سومین گزینه، که گاه در ترکیب با دو روش قبلی استفاده میشود، عبارت است از انتقال سیال درون یک جامد یا درون یک سیال دیگر که راحتتر انتقال مییابد.

روش انتقال با مخزن، انعطاف پذیر بوده و اغلب هزینههای اساسی کمتری دارد. این روش بطور تغییرناپذیری برای احجام کوچکتر از سیالات با ارزشی همچون جیوه، نوشیدنیها، خون و هلیم استفاده میشود. مخزن، سیال را در مقابل آلودگیها محافظت میکند. میزان خطر نشت سیال از مخزن و آسیب رسیدن به محیط به سلامت مخزن و ایمنی آن بستگی دارد. به عنوان مثال در خشکی در مسیرهای طولانی مواقعی که خط لوله وجود ندارد، نفت بوسیله راه آهن منتقل میشود. برای مثال، طی قراردادی میان روسیه و چین، در سال ۲۰۰۵ ده میلییون تن نفت خام از طریق ریل به چین صادر خواهد شد. نفت از روسیه مرکزی نیز به همین شیوه به شرق دور روسیه منتقل میشود. این روش به دلیل انعطاف پذیریاش بطور گستردهای برای انتقال نفت و گاز طبیعی مایع در دریا استفاده میشود. به عنوان مثال، نفت خلیج فارس توسط نفتکشها به اروپا و چین و … صادر میشود. یک نفتکش میتواند نفت را در یک سفر از خاور میانه به ژاپن و در سفر دیگر از آلاسکا به کالیفرنیا حمل کند؛ در حین سفرها محموله میتواند فروخته شود و دوباره فروخته شود، به مقصد دیگری برگردانده شود و یا بخشی از محموله در مقصد دیگری تخلیه شود.

نوع انتقال بوسیله خط لوله در مقام مقایسه نسبتاً غیر قابل انعطاف است. خط لوله یک سرمایه ثابت با هزینههای اساسی نسبتاً بالا است. اگرچه، همین که خط لوله در مکان خود واقع شد، هزینههای عملیاتی و تعمیر و نگهداری نسبتاً کم هستند و خط لوله عمر عملیاتی حدود ۴۰ سال یا بیشتر دارد. یک خط لوله ممکن است نسبت به جنگ یا حملات تروریستی آسیب پذیر باشد یا نسبت به توقف سرویس توسط مناسبات سیاسی یک یا چند کشور که خط لوله از خاک آنها میگذرد. همین فاکتور است که اجرای خط لوله برای حمل نفت از خاور میانه به اروپا را محدود کرده است و همچنین مانع ساخت خط لوله گاز از ایران به هند شده است. انتقال بوسیله خط لوله انرژی کمی را به هدر میدهد. مناسبترین مثال در این زمینه مقایسه بین انتقال گاز طبیعی بوسیله خط لوله از یک طرف و میعان و سپس انتقال از دریا بوسیله نفتکش و مجددا تبدیل آن به گاز از طرف دیگر است. حتی در یک مسافت بلند، عملیات اداره یک خط لوله کمتر از ۱۰ درصد انرژی گاز حمل شده را مصرف میکند، در حالی که گزینه میعان گاز بیش از ۳۰ درصد انرژی گاز را مصرف میکند. همین مزیت بزرگ باعث توسعه این روش به بستر دریاها شده است[۱]. از طرفی زمانی که مقدار قابل توجه از یک مایع قرار است در یک مسیر ثابت و کوتاه(همچون فاصله میان چاههای نفت در دریا و تاسیسات ساحل) بطور پیوسته در طولانی مدت انتقال یابد، روش مخزن انعطاف پذیری خود را از دست خواهد داد.

 

[P O U R I A]

۲-۱) تاریخچه لوله گذاری زیر دریایی
سابقه احداث خط لوله زیردریایی به بعد از جنگ جهانی دوم برمیگردد. در ۱۴ نوامبر سال ۱۹۴۷، شرکت کِرمکگی به کمک شرکت براون و روت احداث اولین پلاتفرم فراساحلی تولید کننده نفت را کامل کردند و این روز را به عنوان تولد صنعت فراساحلی مدرن نامگذاری کردند. این پلاتفرم در ۲۰ مایلی ساحل لوئیزیانا و در عمق ۲۰ فوتی خلیج مکزیک احداث شد. بعد از این واقعه شرکتهای مختلفی کار طراحی و ساخت پلاتفرمهای فراساحلی را به جهت استخراج نفت از بستر دریا ادامه دادند.
با توسعه جهانی فعالیتهای اکتشاف نفت در دریاها و اقیانوسها در دهههای ۵۰ و ۶۰ میلادی در آبهای همیشه عمیقتر این سئوال پرسیده میشد که «چگونه تولیدات این ثروتهای عظیم تازه کشف شده به تجهزات ساحلی منتقل خواهد شد؟». یکی از راههای انتقال هدروکربنها به ساحل خطوط لوله خوابیده شده در بستر دریا (یا مدفون زیر بستر دریا) است. علاوه بر این خطوط اصلی (انتقال از سر چاه به ساحل)، میدانی با پیچیدگی زیاد معمولاً به تعدادی خط جریان درون میدانی که امکانات زیردریایی را به پلاتفرم اصلی متصل میکند نیازمند است.
تا سال ۱۹۶۹، ابزار استفاده شده برای خواباندن این خطوط لوله بطور انحصاری شامل بارجهای ته پهن که بوسیله لنگرها کنترل میشدند بود. بعلاوه، تا آن زمان اکثر خط لولهها در آبهای نسبتاً سطحی و دریاهای آرام خوابانده میشدند. در اوایل دهه ۷۰ نیاز برای خطوط لولهای که باید در آبهای عمیق و شرایط محیطی شاق خوابانده شوند دیده شد.
برای برآوردن این احتیاجات صنعت، ابزار لوله گذاری پیشرفته جدیدی طراحی و ساخته شد. دو مورد از مهمترین پیشرفتها عبارت بودند از:
• کِشندههای طولی با ظرفیت بالا که مستقیماً بر لوله عمل میکرد و منجر به کاهش طول استینگر میشد.
• انتقال اصل نیمه زیر آبی از عملیات حفاری دریایی به تکنولوژی بارج لولهگذار.

شرکت وسترن گر برای توسعه سیستمهای کشش خواباندن کابل به اولین سازنده ابزار کشش لوله مبدل شد. سیستم کشش بر پایه شنیهای هدرولیکی کاترپیلار بود که یک فشار چند جانبه مستقیم به سطح خارجی خط لوله اعمال میکرد.
شرکت سانتا فی با اتمام بارج چوکتاو در سال ۱۹۶۹ اصل نیمه- زیرآبی را اتخاذ کرد. چوکتاو و همتای آن چوکتاو۲، بارجهای لولهگذار نیمه زیرآبی با جرثقیل گردان بر روی یک جفت تنه کشتی بودند.
این شناورها و شناور ETPM’s 1601 به بارجهای لولهگذار نسل دوم شهرت یافتند تا از بارجهای ته پهن (نسل اول) که در خلیج مکزیک کار میکردند، تمییز داده شوند.
اگرچه چوکتاو و چوکتاو۲ صدها کیلومتر خط لوله را خواباندند و این کار را بطور قابل ملاحظهای بهتر از بارجهای لولهگذار متعارف انجام دادند، آنها هنوز به آبهای نسبتاً سطحی و دریاهای آرام محدود بودند. این بوسیله زمان تعطیلی قابل ملاحظه تجربه شده در حین نصب خطوط شاخه اصلی در دریای شمال در طول نیمه اول دهه ۱۹۷۰ ثابت شد. به هر حال، این شناورهای نسل دوم تواناییهای بهبود یافته نگهداری ایستگاه نیمه زیر آبیها را نسبت به نسل قبلی به اثبات رساندند.
در اواسط دهه ۱۹۷۰ اولین شناورهای لولهگذار نسل سوم وارد بازار شدند. این بارجها با موفقیت خطوط اصلی با قطر بزرگ را تا عمق ۶۰۰ متر خواباندند. با ادامه کار در اوایل دهه ۹۰ روش J-lay (در مقابل روش S-lay) ابداع شد که قابلیت نصب خطوط لوله در آبهای عمیق و فوق عمیق را به ارمغان آورد(تعریف آبهای عمیق در میان شرکتها و کشورهای گوناگون متفاوت است، اما مشهورترین معیار قابل قبول عبارت است از ۱۵۰۰ فوت و بیشتر برای آبهای عمیق و ۵۰۰۰ فوت و بیشتر برای آبهای فوق عمیق).
برای درک بهتر از روند توسعه صنعت لوله گذاری دریایی مهمترین وقایع و تحولات آن در زیر ارائه میشود[۴]:


۱۹۵۴: اولین خط لوله فراساحلی توسط شرکت براون و روت در خلیج مکزیک خوابانده شد.
۱۹۵۸: اولین بارج لولهگذار مخصوص با هدف لوله گذاری (BAR 207) توسط شرکت براون و روت طراحی و ساخته شد.
۱۹۵۹: خط لوله انعطاف پذیر توسط شرکت شل در خلیج آمریکا نصب شد.
۱۹۶۱: روش تثبیت موقعیت دینامیکی برای اولین بار استفاده شد.Eureka – H. Shatto
1961: روش لوله گذاری با قرقره ایجاد شد Aquatic Contractors.
1961: اولین ایجاد کننده شیار برای خط لوله زیر آبی ساخته شد Orinoco/Phillips.
1962: اولین شناور لولهگذار قرقرهای تجارتی به آب انداخته شدU-303.
1963: عمق لوله گذاری به ۲۶۴ فوت رسیدCalifornia – shell.
1966: نسل دوم بارج لولهگذار به کار گرفته شد(North sea-Brown& Root).
1966: خط لوله دوقلو در شرایط جریان آب عرضی با سرعت ۸ نات خوابانده شدMcDermott – Cook Inlet.
1967: استینگر و کشنده در عملیات لوله گذاری استفاده شد.
۱۹۶۷: خط لوله hot-tap بوجود آمدOcean systems – Union Carbide.
1969: اولین شناور لوله گذار با رمپ مرکزی به آب انداخته شد.LB 22-McDermott.
1969: اولین شناور لولهگذار نیمه زیرآبی ساخته شدChoctaw I- Sante Fe.
1974: عمق لوله گذاری از ۱۰۰۰ فوت گذشت Castoro V – Saipem.
1975: عمق لوله گذاری به روش قرقرهای از ۱۰۰۰ فوت گذشت. Chickasaw.
1977: نصب خط لوله به روش یدک کشیدن از زیر دریا امتحان شد.
۱۹۷۸: اولین خط لوله به روش یدک کشیدن نصب شد Statfjord.
1979: عمق لوله گذاری از ۲۰۰۰ فوت گذشت Castoro VI – Sicily.
1993: اولین عملیات لوله گذاری به روشJ-lay انجام شدMcDermott-Shell.
1993: اولین خط جریان (درون میدانی) threaded نصب شد BP.
2000: عمق لوله گذاری به روش S-lay از ۳۰۰۰ فوت گذشت.(McDermott-Shell Brutus).


شایان ذکر است که سهم تولید نفت از منابع دریایی از مقدار ناچیزی در سال ۱۹۴۷ شروع شد و به طور مداومی افزایش یافت تا در سال ۱۹۷۴ به حدود ۱۴ درصد و در سال ۲۰۰۰ به ۳۱ درصد کل تولید نفت در جهان رسید. در همین مدت، تولید گاز طبیعی به حدود ۲۴۶ میلیارد فوت مکعب در روز رسید که ۲۷ درصد آن از منابع دریایی تامین میشد. در این میان، خلیج مکزیک بزرگترین محل فراساحلی اکتشاف، حفاری و توسعه نفت در دنیا بوده است. هم اکنون در آبهای فلات قاره لوییزیانا و تگزاس قریب به ۴۰۰۰ پلاتفرم فعال، ۳۵۰۰۰ حلقه چاه و ۲۹۰۰۰ مایل خط لوله وجود دارد. بر پایه نفت معادل، خروجی تولید شده از خلیج مکزیک نزدیک به ۲۵ درصد از تولید نفت و گاز ایالات متحده را تامین میکند و پیش بینی میشود این مقدار به ۳۳ درصد در سال ۲۰۱۰ میلادی برسد. در دهههای اخیر درآمد حاصل از اجاره منابع دریایی دومین درامد مالیاتی فدرال در خزانه ایالات متحده بوده است. طی ۳۰ سال گذشته جستجو برای نفت و گاز به طور مستمر به آبهای عمیقتر (بطور عادی اکتشاف در عمق ۱۰۰۰۰ فوت و تولید در عمق ۵۰۰۰ فوت) و به محیطهای دریایی جدید (از خلیج مکزیک و دریای شمال به برزیل، آفریقای غربی، خلیج فارس و … ) منتقل شده است. اما خلیج مکزیک هنوز آزمایشگاه اصلی نوآوریهای تکنولوژیکی در این زمینه است[۵].
در این میان میتوان خلیج فارس را از بزرگترین رقبای خلیج مکزیک در تولید نفت و گاز از منابع دریایی دانست. وجود منابع بزرگ نفت و گاز در این خلیج کم عمق به یکی از بزرگترین منابع مالی کشورهای سهم در آن مبدل شده است. بنابراین باید انتظار داشت که با توسعه میادین نفت و گاز خلیج فارس در آیندهای نزدیک شاهد وضعیتی همچون خلیج مکزیک باشیم. نکته این که ایران بزرگترین مالک آبهای خلیج فارس و در نتیجه نفت و گاز موجود در آن است. بنابراین شایسته است که برای روشنتر شدن اهمیت موضوع به بیان خلاصهای از وضعیت نفت وگاز در ایران بپردازیم.
بر اساس تحلیل مؤسسه اطلاع‌رسانی انرژی (EIA) امریکا در ماه آگوست سال ۲۰۰۴، اقتصاد ایران بیشتر به درآمد حاصل از صادرات نفت وابسته است. این در آمد حدود ۸۰ درصد کل درآمد صادرات، ۴۰ الی ۵۰ درصد بودجه دولت و ۱۰ الی ۲۰ درصد تولید ناخالص داخلی را شامل می‌شود. بودجه ۱۲۷ میلیارد دلاری سال ۲۰۰۴- ۲۰۰۵ (۱۳۸۴) ایران بر اساس پیش‌بینی قیمت نفت بشکه‌ای ۹۰/۱۹ دلار تنظیم شده است. این در حالی است که قیمت نفت خام ایران در سال ۲۰۰۳ در حدود بشکه‌ای ۲۶ دلار بود و پیش بینی قیمت نفت در سال ۲۰۰۴ معادل بشکه ای ۳۰ دلار است. کسری بودجه ایران سابقه طولانی دارد که بخش بزرگی از آن مربوط به ۷/۴ میلیارد دلار یارانه ای است که دولت برای مواد غذایی و بنزین پرداخت می‌کند. در چند سال گذشته افزایش در آمد حاصل از صادرات نفت کمی ‌این مشکل را متعادل کرده و باعث بهبود وضعیت اقتصادی شده است. ایران از افزایش یک دلار برای هر بشکه نفت در آمدی معادل ۹۰۰ میلیون دلار به دست می‌آورد. درآمد بیش از ۱۵ میلیارد دلار حاصل از فروش نفت باید به صندوق ذخیره ارزی واریز شود.

ایران در تلاش است با سرمایه گذاری در آمد حاصل از نفت در زمینه‌های متفاوت تنوع اقتصادی ایجاد کند. این کشور سعی دارد با ایجاد موقعیت‌های مطلوب سرمایه‌گذاری میلیارد‌ها دلار سرمایه خارجی جذب کند.
بر اساس گزارش مجله گاز و نفت مورخ ۱/۱/۲۰۰۴ منابع نفتی ایران به ۸/۱۲۵ میلیارد بشکه می‌رسد که معادل ۱۰ درصد کل منابع نفتی دنیا است (در حالی که مساحت ایران تنها حدود ۵ درصد مساحت خشکیهای کره زمین است). بخش عظیم منابع نفتی ایران در جنوب غربی خوزستان نزدیک به مرز عراق و خلیج فارس قرار دارد. تعداد حوزه‌های نفتی بزرگ ایران به ۳۲ حوزه می‌رسد که ۲۵ حوزه آن در خشکی و ۷ حوزه در دریا واقع شده است. در شش ماه اول سال ۲۰۰۴ ، ایران ۱/۴ میلیون بشکه در روز نفت تولید کرد که ۹/۳ میلیون بشکه آن نفت خام بود.
ظرفیت حوزه‌های فعلی نفت هر سال با کاهش طبیعی ۲۰۰ هزار تا ۲۵۰ هزار بشکه در روز روبروست و این امر نشان دهنده نیاز مبرم این حوزه‌ها به مدرن شدن و بهنه شدن است.
ایران روزانه ۶/۲ میلیون بشکه نفت صادرمی‌کند که بازارهای اصلی آن ژاپن، چین، کره جنوبی، تایوان و کشورهای اروپایی هستند. این کشور بزرگترین صادرکننده نفت خام سنگین در خاورمیانه نیز به شمار می‌آید.
مصرف نفت داخلی ایران در سال ۲۰۰۳ به ۴/۱ میلیون بشکه در روز رسید. این رقم با افزایش جمعیت و بزرگ شدن اقتصاد ایران رو به افزایش است. ایران سالانه ۳ میلیارد دلار یارانه برای محصولات نفتی پرداخت می‌کند. این کشور همچنین سالانه حدود ۲ میلیارد دلار برای واردات محصولات نفتی هزینه می‌کند. در حال حاضر قیمت بنزین در ایران یکی از ارزان‌ترین قیمت‌های دنیا است.
در اکتبر سال ۱۹۹۹ ایران بزرگترین اکتشاف نفت خود در طول ۳۰ سال گذشته را اعلام کرد. در این اکتشاف یک حوزه نفتی بزرگ به نام آزادگان در جنوب غربی خوزستان کشف شد. ظرفیت حوزه نفتی آزادگان حدود ۲۶ میلیارد بشکه تخمین زده شده است. همچنین در فوریه سال ۲۰۰۱ شرکت ملی نفت ایران خبر از کشف یک منبع نفتی بسیار بزرگ به نام دشت آبادان در آبهای کم عمق بندر آبادان داد. بر اساس خبر اعلام شده احتمال می‌رود دشت آبادان ذخیره نفتی به اندازه آزادگان داشته باشد.
ایران همچنین دارای ۹۴۰ تریلیون فوت مکعب ذخایر گاز طبیعی است. با چنین رقمی‌ایران پس از روسیه دومین تولید کننده بزرگ گاز طبیعی در دنیا محسوب می‌شود. حوزه‌های بزرگ گاز ایران عبارتند از: پارس جنوبی (۲۸۰ الی۵۰۰ تریلیون فوت مکعب)، پارس شمالی(۵۰ تریلیون فوت مکعب)، کنگان (۲۹ تریلیون فوت مکعب)، نار( ۱۳ تریلیون فوت مکعب)، خانگیران (۱۱ تریلیون فوت مکعب) و بسیاری دیگر.
بر خلاف افزایش روزافزون مصرف داخلی گاز طبیعی، ایران کشور مستعدی برای صادرات گاز محسوب می‌شود. در حال حاضر گاز طبیعی تقریبا نیمی ‌از مصرف کل انرژی ایران را شامل شده و دولت در تلاش است سهم گاز طبیعی را در مصرف انرژی در این کشور افزایش دهد.
بزرگترین حوزه گاز طبیعی ایران در پارس جنوبی واقع شده است. بررسی‌های اخیر نشان داده است که این حوزه ۲۸۰ تریلیون فوت مکعب گاز طبیعی دارد. این در حالی است که برخی آمارها حاکی از ذخیره ۵۰۰ تریلیون فوت مکعبی گاز در این منطقه است. توسعه و بهره برداری از پارس جنوبی در حال حاضر بزرگترین پروژه انرژی در ایران است. این پروژه تا کنون موفق به جذب ۱۵ میلیارد دلار سرمایه‌گذاری شده است.
پیش بینی می‌شود تولید گاز طبیعی در فازهای ۱ تا ۱۴ پارس جنوبی تا سال ۲۰۰۵ به ۲۱۸ هزار و تا سال ۲۰۱۵ به ۶۲۸ هزار بشکه در روز برسد (آمار شرکت فکتز).
به گزارش وزارت نفت ایران فروش گاز پارس جنوبی به مدت ۳۰ سال درآمدی معادل ۱۱ میلیارد دلار در سال برای این کشور ایجاد خواهد کرد.
در ژانویه سال ۲۰۰۲ خط لوله گاز بین ایران و ترکیه راه اندازی شد. صدورگاز ایران به ترکیه تا سال ۲۰۰۷ به ۳۵۰ میلیارد فوت مکعب می‌رسد. در اکتبر سال ۲۰۰۲ آژانس بین‌المللی انرژی اتمی‌ پیش‌بینی کرد ایران بزرگ‌ترین تأمین‌کننده گاز دنیا در آینده خواهد بود. ایران تصمیم دارد صادرات گاز طبیعی خود به اروپا را تا سال ۲۰۰۷ به ۳۰۰ میلیارد فوت مکعب در سال برساند. در ماه مارس ۲۰۰۲ نیز ایران توافقنامه‌ای را با یونان امضا کرد که بر اساس آن لوله‌های صدور گاز طبیعی به ترکیه به شمال یونان نیز کشیده شوند. پیش بینی می‌شود از طریق همین لوله‌ها گاز طبیعی به کشورهای رومانی و بلغارستان نیز منتقل شود. اتریش نیز در ژانویه سال ۲۰۰۴ تفاهم نامهای را با ایران در خصوص همکاری جهت ایجاد خط لوله گاز ۴ میلیارد دلاری «نابوکو» از ایران به ترکیه و سپس به اتریش امضا کرد. چنانچه تصمیم ایجاد چنین خط لولهای در پایان امسال قطعی شود، صادرات گاز ایران به اتریش در سال ۲۰۰۹ آغاز خواهد شد. ایران و هندوستان نیز تفاهم نامه مشابه را در سال ۱۹۹۳ برای ایجاد خط لوله گاز طبیعی امضا کردند که ایجاد این خط لوله به دلیل شرایط سیاسی و امنیتی منطقه تاکنون عملی نشده است. هندوستان یکی از مشتریان گاز طبیعی فازهای ۷ و ۸ پارس جنوبی به شمار خواهد آمد. پیش بینی می‌شود گاز طبیعی صادر شده به هندوستان به ۵ میلیون تن در سال برسد و به مدت ۲۰ سال ادامه داشته باشد. تاریخ احتمالی شروع صادرات گاز پارس جنوبی به هندوستان سال ۲۰۱۰ پیش بینی شده است. چین نیز از جمله کشورهای علاقمند به خریداری گاز طبیعی ایران است. در ماه مارس ۲۰۰۴ خبرگزاری‌ها اعلام کردند که شرکت چنین «زوهای زنرونگ» موافقت پارلمان چین را برای خرید ۲۰ میلیارد دلار گاز طبیعی از ایران در طول ۲۵ سال جلب کرده است. واردات چین از سال ۲۰۰۸ آغاز خواهد شد. در حال حاضر همین شرکت قرارداد خرید روزانه ۲۴۰ هزار بشکه نفت از ایران را نیز در اختیار دارد.

با توجه به مطالب فوق و این نکته که اغلب منابع بزرگ دریایی کشورمان با کشورهای همسایه مشترک است، میتوان به اهمیت صنایع فراساحلی در ایران پی برد.
سابقه صنعت فراساحلی در ایران به پیش از انقلاب اسلامی بر میگردد. در آن زمان شرکتهای غیر بومی(عموماً امریکایی) کار نصب سکوها و خطوط لوله زیردریایی را انجام میدادند. پس از انقلاب و با شروع جنگ هشت ساله با عراق، صنعت فراساحلی متوقف شد و مجدداً پس از جنگ در دهه ۹۰ شروع شد. از جمله این فعالیتها میتوان ترمیم سکوهای حوزه نفتی ابوذر، توسعه میدان نفتی سلمان و میدان گازی پارس جنوبی را نام برد. با شروع مجدد فعالیتهای فراساحلی و با هدف داخلی سازی این صنعت، نصب خطوط لوله زیردریایی نیز در حوزه فعالیت شرکتهای داخلی قرار گرفت به طوری که شرکت تاسیسات دریایی ایران اولین کارخانه پوشش ده لولههای دریایی را در سال ۱۹۹۷ و اولین بارج لولهگذار خود (ابوذر ۱۲۰۰) را در سال ۲۰۰۰ به بهره برداری رسانید. اولین خط لوله نصب شده توسط این بارج فاز یک پارس جنوبی به طول حدود ۱۰۵ کیلومتر بود که اخیراً به بهره برداری رسیده است. با بهره برداری از این پروژه روزانه دو میلیون و پانصد هزار متر مکعب گاز طبیعی و چهل هزار بشکه میعانات گازی تولید خواهد شد. سهم شرکتهای ایرانی در ساخت و بهره برداری از این پروژه ۷۰ درصد بوده است که ساخت و نصب خط لوله زیر دریایی نیز از آن جمله بوده است. این پروژه در نوع خو بینظیر بوده و یکی از افتخارات ملی محسوب میشود. بارج ابوذر ۱۲۰۰ هم اکنون در حال نصب خط لوله پروژه سلمان (توسعه میدان نفتی سلمان) است. اما این بارج به تنهایی جوابگوی پروژه های عظیم کشور نمیباشد. بنابراین شرکتهای خارجی هنوز سهم زیادی در نصب خطوط لوله زیردریایی در خلیج فارس دارند. همزمان با نصب خط لوله فاز ۱ پارس جنوبی، شرکت هوندایی کره کار نصب خطوط لوله فازهای ۲ و ۳ را انجام داد. سال گذشته نیز خط لوله فازهای ۴ و ۵ همین پروژه به طول حدود ۲۰۰ کیلومتر توسط شرکت سایپم ایتالیایی به اتمام رسید. هم اکنون شرکت آلسیس از کشور هلند در حال نصب خط لوله فازهای ۶ و ۷ به طول ۲۰۰ کیلومتر توسط بارج Solitaire میباشد. بارج لولهگذار مذکور بزرگترین بارج لولهگذار جهان است که قابلیت خواباندن ۶ کیلومتر خط لوله را در روز دارد.
شرکتهای صنایع دریایی ایران (صدرا) و صنایع دریافن قشم (صدف) در تلاشاند با اتمام ساخت بارج لولهگذار صدفـصدرا ۱۳۲ به جمع فعالان لوله گذاری در خلیج فارس بپیوندد. این بارج قرار است عملیات نصب خط لوله فاز ۸ پارس جنوبی را انجام دهد.
نکته این که هر کدام از پروژه های فوق میلیونها دلار برای کشور هزینه در برخواهد داشت و انجام هر کدام از آنها توسط شرکتهای داخلی به صرفه جویی ارزی قابل توجه می انجامد.

با توجه به این که دانشگاهها و مجامع علمی هر جامعهای نقش بزرگ و غیر قابل انکاری در توسعه و پیشرفت صنعت و تکنولوژی در آن جامعه دارند، جای سئوال است که آیا جامعه علمی کشور ما تاکنون فعالیتی در جهت رشد و توسعه این فن آوری(لولهگذاری دریایی) داشته است؟ تا آنجا که نگارنده مطلع است در میان اسناد و مدارک علمی کشور فقط یک پایان نامه کارشناسی ارشد موجود است که مرتبط با صنعت لولهگذاری زیردریایی میهباشد[۶]. این تحقیق نیز به تحلیل دینامیکی لولههای زیردریایی پس از نصب میهپردازد. بنابراین تاکنون هچ نوشتهای به زبان فارسی در مورد نصب خطوط لوله در بستر دریا وجود نداشته است. این در حالی است که این موضوع برای کشور در حال توسعهای چون ایران که مالک نفت خیزترین آبهای جهان (آن هم مشترک با همسایگان مرزی) است، بیهنهایت استراتژیک و مهم است.
بنابراین واضح است که هدف از این تحقیق بعد از آشنایی خود نگارنده با این موضوع، عبارت است از باز کردن فصلی مقدماتی به امید اینکه در آینده نزدیک شاهد انجام کارهای پیشرفتهای در دانشگاهها باشیم. از این رو مطالبی در این نوشته آورده شده است که شاید از نظر متخصصان و آشنایان به این فن نامربوط به عنوان اصلی و یا توضیح واضحات به نظر آید. این مطالب صرفاً برای آشنایی دانشجویان و به جهت ترغیب ایشان به تحقیق پیرامون مسائل مختلف این موضوع گنجانده شده است.
در انتها باید یادآور شویم که اگرچه خطوط لوله زیردریایی بیشتر برای انتقال نفت و گاز استفاده میهشوند؛ اما موارد دیگری نیز همچون انتقال آب شرب وجود دارد. خط لوله قشم- بندر عباس برای انتقال آب شرب که هم اکنون در حال ساخت میهباشد نمونهای از این دست میباشد.

 

[P O U R I A]

۳-۱) نکات مهم در طراحی خطوط لوله زیر دریایی


بعد از آنکه استفاده از خط لوله زیر دریایی برای انتقال در یک پروژه خاص از نظر اقتصادی و استراتژیکی و غیره، توجیه پذیر ارزیابی شد، خط لوله باید توسط گروهی از متخصصین طراحی شود که یکی از مهمترین مراحل پروژه خواهد بود. مراحل مختلف طراحی یک خط لوله زیردریایی به اختصار عبارتند از:
اولین وظیفه طراح سیستم خط لوله انتخاب مسیر آن است. گاهی این وظیفه ساده و روشن است. اگر بستر دریا هموار باشد، یک خط مستقیم بین نقاط انتهایی کوتاهترین و اقتصادیترین مسیر است. اما بیشتر اوقات موانع و تقاطع هایی وجود دارند که طراح را مجبور به انتخاب یک مسیر پیچیده تر مینمایند. فاکتورهای درگیر ممکن است فیزیکی یا محیطی یا سیاسی و یا مربوط به استفاده های دیگر انسان از بستر دریا باشد.


وظیفه بعدی تصمیم گیری در مورد قطر خط لوله است. این تصمیم عمدتاً به عهده هیدرولیک است. اگر قطر خیلی کوچک باشد، افت فشار بین دو انتها بسیار زیاد خواهد بود. اما اگر قطر خیلی زیاد باشد، هزینه بطور غیر ضروری زیاد خواهد شد و مدهای جریان نامطلوب ممکن است رخ دهد. سپس طراح باید مشخص کند که خط لوله فولادی، مختلط و یا انعطاف پذیر است و سپس تصمیمات جزئی در مورد ترکیبات و مشخصات مواد بگیرد. این انتخاب با فاکتورهای اندرکنشی زیادی همچون مقاومت در برابر خوردگی، قابلیت جوش پذیری، مقاومت، استحکام در برابر شکست و هزینه درگیر است.
انتخاب بعدی ضخامت دیواره خط لوله است. این اصولاً یک مسئله مهندسی سازه است، بطوری که طرا ح مجبور است اطمینان حاصل کند که لوله برای مقاومت در برابر انواع بارگذاری ها از جمله فشار داخلی، فشار خارجی، خمش و خستگی در حین ساخت، نیروهای متمرکز و ضربه به اندازه کافی قوی است.
تقریباً همه خطوط لوله زیر دریایی یک پوشش خارجی برای حفاظت از خوردگی دارند که با یک سیستم حفاظت کاتدیک تکمیل میشود. حفاظت کاتدیک در صورت آسیب دیدن پوشش ضدخوردگی از خوردگی خارجی حفاظت میکند. بسیاری از خط لوله ها پوشش وزنی اضافی بتنی دارند تا پایداری آن ها را در برابر موج ها و جریانات آب تامین کند و پوشش ضدخوردگی را در برابر آسیب های مکانیکی حفاظت کند. برخی خط لوله ها یک یا چند لایه اضافی از عایق حرارتی دارند که برای نگهداری سیال درون خط لوله در دمای بالا لازم است. برخی از خط لوله ها برای حفاظت در برابر خوردگی یا برای تامین سطح داخلی صاف و صیقل برای کاهش مقاومت در برابر جریان پوشش های داخلی دارند.


یک خط لوله باید قابل ساخت باشد. طراح باید محدودیت های سیستم های ساخت موجود و چگونگی طراحی خط لوله که بتواند بطور اقتصادی و ایمن ساخته بشود را بداند. انتخاب تکنولوژی اجرا، به فاکتورهای ذیل بستگی دارد: تجهیزات و تکنولوژی لوله گذار، شرایط محیطی، هزینه ها و مهمتر از همه، قطر لوله و عمق گذاری.
بسیاری از خط لوله ها در شیارهای طولانی قرار میگیرند و یا در خاک مدفون میشوند که این کار به جهت تهیه پناهگاه در مقابل نیروهای هیدرودینامیکی برای حفاظت آن ها در مقابل آسیب های مکانیکی یا برای تهیه عایق حرارتی و مقاومت در برابر کمانش قائم انجام میگیرد.
خط لوله ها همیشه بطور پیوسته در تماس با بستر دریا نیستند، و گاهی ممکن است دهانه هایی که خط لوله از روی نقاط پست پروفیل بستر دریا پل میزند وجود داشته باشند. دهانه ها ممکن است مسائل سازه ای مختلفی را بوجود بیاورند و ممکن است نیاز به اصلاح داشته باشند. بستر دریای ناهموار همچنین میتواند باعث ایجاد کمانش قائم شود که در آن خط لوله روی کف دریا قوس میزند که باید در این مورد خیلی احتیاط کرد و اگر نیاز بود پروفیل بستر اصلاح شود. خطوط لوله میتوانند بطور جانبی نیز کمانش کنند.

 

[P O U R I A]

۲) روش های مختلف لوله گذاری
از ابتدای شروع لوله گذاری در دهه ۵۰ تاکنون روش های مختلفی برای نصب خطوط لوله در بستر دریا بکار گرفته شده است. در یک دسته بندی کلی میتوان این روش ها را به دودسته زیر تقسیم کرد:

۱-۲) لوله گذاری با روش کشیدن
در این روش خط لوله در کارگاهی در ساحل ساخته میشود و سپس بوسیله یک یا جند شناور یدک کش به محل مورد نیاز در دریا کشیده میشود. اگر خط لوله خیلی بلند باشد آن را در قطعات متعددی ساخته و به محل حمل میکنند و در آنجا به یکدیگر متصل میکنند. روش مذکور عموماً برای خطوط لوله کوتاه از نظر طول و برای هر عمقی به کار میرود. ویژگی این روش این است که کلیه عملیات ساخت خط لوله زیردریایی در ساحل انجام میشود در حالی که در روش های دیگر (بجز روش قرقره ایـ بخش ۳-۲-۲ را ببینید.) حداقل عملیات اتصال لوله ها برای تشکیل خط لوله در خود دریا صورت میگیرد. اما روش کشیدن لوله مزیت بزرگی نسبت به روش قرقره ای دارد و آن این است که برای لوله های با قطر بزرگ روش قرقره ای کاربرد ندارد. از دیگر مزیت های این روش سرعت آن است. همچنین در این روش دیگر نیاز به تجهیزات بسیار گران بارج لوله گذار (بخش ۲-۲ را ببینید) نمیباشد.
پارامترهای اقتصادی اصلی برای فاز نصب در یک عملیات کشیدن لوله عبارت است از (۱) اندازه و تعداد یدک کش های مورد نیاز، (۲) تعداد و طول قطعات لوله، (۳) سرعت و حساسیت نسبت به آب و هوا در عملیات کشیدن لوله، (۴) روش نصب بشکه های شناوری و جداسازی آن ها از خط لوله، (۵) روش اتصال قطعات خط لوله به یکدیگر و (۶) روش های قرار دادن رشته های لوله بر کف دریا است.
این روش به نوبه خود به سه روش کشیدن لوله در سطح دریا ، کشیدن لوله در مجاورت نزدیک بستر دریا ، کشیدن روی بستر دریا تقسیم میشود[۱۶]. از پروژه هایی که تاکنون به این روش انجام شده میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
• کشیدن یک رشته لوله ۱۹ مایلی در خلیج فارس ـ ۱۹۶۰ بلندترین خط لوله نصب شده در یک بار کشیدن.
• خواباندن و تعمیر چندین رشته آزمایشی در اعماق ۲۶۰۰ تا ۶۶۰۰ فوت در سال ۱۹۶۰ تا ۱۹۶۳ ـ عمیق ترین خط لوله به روش کشیدن
• کشیدن سطحی یک رشته آزمایشی به طول ۱ کیلومتر در امتداد ۵۶۰ مایل ساحل در سال ۱۹۷۵ـ طولانیترین مسافت کشیدن لوله.
• اولین کشیدن میان عمقی (نزدیک بستر دریا) ـ یک دسته روکش شده متشکل از سه خط جریان ۲۶۴ مایل کشیده شد و به سر چاه ها متصل شدـ سال ۱۹۸۰

۲-۲) لوله گذاری به روش بارج
در این روش همانطور که از نامش پیداست لوله توسط یک بارج (شناوری شبیه به کشتی که معمولاً توسط شناورهای دیگر همچون یدک کش ها کشیده میشود) به بستر دریا خوابانده میشود. روش کار به این شکل است که بارج لوله گذار بوسیله یک سیستم نگهداری ایستگاهی در سطح آب مستقر میشود بطوریکه راستای آن مطابق با راستای مسیر خط لوله است. این در حالی است که یک سر خط لوله در بارج نگهداری شده و قسمتی از آن بطور معلق در آب شناور است تا به بستر دریا برسد. سپس با حرکت آهسته بارج به سمت جلو، لوله ها یک شاخه یک شاخه به انتهای خط لوله جوش داده میشوند و بارج به اندازه طول همان شاخه لوله به جلو حرکت میکند(به غیر از روش قرقره ای). این رویه را رویه لوله گذاری معمولی مینامند(شکل ۲). این روش خود در طول زمان به سه روش عمده زیر توسعه یافته است:

۱-۲-۲) لوله گذاری به روش S-lay
روش S-lay در واقع اولین روش بکار گرفته شده در صنعت لوله گذاری دریایی نوین است که ابتدا در خلیج مکزیک استفاده شد. از آنجا که در این روش شکل تقریبی دهانه خط لوله از بارج تا بستر دریا شبیه حرف S میباشد، آن را S-lay نامیدند. این روش یک تکنولوژی مشهور و مقرون به صرفه برای استفاده در لوله گذاری آبهای سطحی تا عمیق میباشد. بطوری که خطوط لوله زیر دریایی غالباً با این روش نصب میشوند و اکثر بارجهای لوله گذار بر اساس روش S-lay ساخته میشوند(شکل۲). در این بخش ابتدا اجزای مختلف یک بارج S-lay را توضیح داده(۱-۱-۲-۲ تا ۳-۱-۲-۲) و سپس نحوه انجام عملیات لوله گذاری را بیان میکنیم(۴-۱-۲-۲ و ۵-۱-۲-۲). تقریباً تمام بارج های لوله گذار که مطابق با روش s-lay ساخته شده اند، در ساختمان خود دارای اعضای کلیدی زیر برای انجام عملیات لوله گذاری میباشند:

۱-۱-۲-۲) سیستم ایستایی بارج
شناورهای لوله گذار برای انجام عملیات لوله گذاری باید قادر به ایستادن در سطح آب به معنی جلوگیری از حرکت های صفحه ای در سطح دریا (Sway Surge ,Yaw,) باشند. از این سیستم همچنین جهت حرکت بارج به اطراف در هنگام عملیات نصب استفاده میشود. کشش افقی که لوله به کشنده ها و بنابراین به بارج وارد میکند نیز توسط همین سیستم تحمل میشود و به بستر دریا منتقل میشود. برای این منظور نیز دو سیستم متفاوت وجود دارد:
• سیستم سنتیـ ایستایی با لنگر: در این سیستم بارج مجهز به چندین (حدود ۱۰ و بیشتر) وینچ قدرتمند است که کنترل لنگرهای بزرگ اطراف بارج را به عهده دارند. لنگرها در مواقع لزوم توسط یدک کش های کمکی مخصوصی جابجا میشوند و در بستر دریا قرار میگیرند. هر کدام از کابل های ارتباطی لنگر بیش از ۱۰۰۰ متر طول دارند و تنش زیادی را برای کنترل ایستایی بارج و حرکت دادن آن تحمل میکنند. این سیستم برای آب های عمیق و فوق عمیق کاربردی ندارد.

شکل ۲) شناور لوله گذار به روش S-lay

​

شکل ۳) سیستم ایستایی بارج توسط لنگر(سیستم سنتی)​

 

[P O U R I A]

• سیستم ایستایی دینامیکی : وقتی لوله گذاری در آب های عمیق انجام می گیرد، به عنوان مثال عمق های ۵۰۰ متر وبالاتر؛ استفاده از سیستم ایستایی سنتی خیلی سخت و تقریباً ناممکن می شود. طول کابل ها خیلی زیاد شده و تاثیر آن ها در کنترل بارج به شدت افت می کند. در این شرایط استفاده از روش ایستایی دینامیکی یک ضرورت است. در این روش موتورهای کوچک قوی در ته بارج مستقر هستند که آب را در جهت لازم با فشار پمپ می کنند تا بارج ایستایی خود را در صفحه افقی بدست آورد. این موتورها می توانند در صفحه افقی هر جهتی قرار بگیرند. معمولاً چند موتر در عقب و چند موتور در جلوی بارج مستقر هستند(شکل ۴). این سیستم حتی در آب های سطحی (زیر ۳۰۰ متر) مزایای جانبی قابل توجهی را خواهد داشت. به عنوان مثال عملیات هدایت و مدیریت یدک کش های جابجا کننده لنگرها و همچنین عملیات جابجایی لنگرها توسط شناورهای مذکور در حین نصب که یک عملیات بسیار حساس به شرایط آب و هوایی است در این روش حذف می شود. همچنین بارج لوله گذار خیلی سریع می تواند برای انجام عملیات نصب آماده شود (دیگر نیازی به استقرار چندین لنگر در اطراف بارج وجود ندارد.). بخصوص در نواحی متراکم از تاسیسات دریایی مثل مجاورت سکوهای نفتی عملیات با سیستم ایستایی دینامیکی بسیار راحتتر است. دیگر نیازی نیست توجه خود را به تاسیسات موجود که ممکن است توسط لنگرها آسیب ببینند متمرکز کنیم. با این حال استفاده از این سیستم گرانتر است و در آب های سطحی هنوز از سیستم سنتی استفاده زیادی میشود[۱۵].

شکل ۴) سیستم ایستایی دینامیکی​

 

[P O U R I A]

۲-۱-۲-۲) رمپ لوله گذاری
یک رمپ بلند و تقریباً افقی است که نقش خط تولید خط لوله را دارد. این رمپ معمولاً از ابتدای بارج شروع شده و در انتهای بارج ختم می شود(شکل۲ و ۵).
در تمام طول رمپ لوله گذاری خط لوله بر روی تکیه گاه هایی متشکل از غلطک های فولادی نگهداری می شود. این جعبه غلطک ها قابلیت تنظیم ارتفاع و دوران مختصری دارند(شکل۵). ضمناً تمام ایستگاه های تولید خط لوله که در ذیل آمده است، تا انتهای بارج در همین رمپ واقع شده است. نکته اینکه سرعت انجام لوله گذاری ارتباط مستقیم با قابلیت های تجهیزات موجود در همین رمپ دارد.

شکل ۵) رمپ لوله گذاری​

شکل ۶) جعبه غلطک، تکیه گاه لوله در رمپ لوله گذاری​

 

[P O U R I A]

• ایستگاه سرهم بندی لوله ها: این ایستگاه معمولاً اولین ایستگاه رمپ فوق الذکر می باشد. در این ایستگاه یک شاخه لوله به انتهای خط لوله اضافه شده و برای عملیات جوشکاری تنظیم می شود. لوله اضافه شده باید کاملاً در راستای خط لوله قرار بگیرد بطوری که محور خط لوله یک خط راست باشد(شکل ۶ و ۲).
• ایستگاه های جوش: برای جوش دادن لوله¬ها به انتهای خط لوله معمولاً از چند ایستگاه جوش نیمه اتوماتیک یا اتوماتیک استفاده می شود. تعدد ایستگاه های جوش سرعت نصب را بالا می برد(شکل۷).

شکل ۷) ایستگاه سرهم بندی لوله​

شکل ۸) ایستگاه های جوش​

 

[P O U R I A]

• ایستگاه تست غیر مخرب و تعمیر جوش: بعد از اتمام جو شکاری و به جهت بررسی سلامت جوش از یک تست غیر مخرب( معمولاً تست ماورای صوت ) استفاده می شود و در صورتی که جوش معیوب باشد آن را برش داده و مجدد جوش می دهند. زمانی که جوش یک لوله معیوب باشد سرعت لوله گذاری به شدت کاهش می یابد(شکل ۸).

شکل ۹) ایستگاه تست غیر مخرب​

 

[P O U R I A]

• کشنده ها : کشنده ها ماشینهای هیدرولیک مختلط هستند که لوله را در حین لوله گذاری نگه میدارند. اینکار به وسیله اعمال یک فشار کنترل شده به سطح تماس لوله/کشنده انجام میشود. کشنده ها به لوله برای بدست آوردن انحنای S شکل در دهانه معلق بین بارج و بستر دریا کمک می کنند. کشنده در واقع تکیه گاه گیردار لوله در بارج را فراهم میکند و پایداری خط لوله در حال نصب را تامین می کند. دهانه لوله گذاری به دلیل کشش ناشی از کابل های مهارِ متصل به لنگر و/ یا سیستم ایستایی دینامیکی، که به وسیله کشنده ها به خط لوله منتقل میشود، شکل S به خود میگیرد[۱۱]. برای کنترل انحنای دهانه آزاد لوله در بارج به آن کشش اعمال میشود. به همین منظور گوی های شناور کمکی نیز می توانند در طول خط لوله توزیع شوند. کشش مورد نیاز به عمق آب، وزن لوله، شعاع قابل قبول انحنا در ناحیه خمش منفی و تنش قابل قبول در ناحیه خمش مثبت بستگی دارد[۸]. معمولاً یک یا دو دستگاه کشنده در بارج وجود دارد(شکل ۲ و ۹). تقریباً تمامی مدل های تحلیلی و عددی لوله گذاری، این نقطه را نقطه شروع مدل خط لوله در بارج میدانند.

شکل ۱۰) کشنده لوله​

 

[P O U R I A]

• ایستگاه پوشش محل جوش : در این ایستگاه که معمولاً قبل و یا بعد از کشنده قرار دارد، محل جوش لوله ها توسط عایق های ضد خوردگی پوشش داده می شوند. اگر به جهت سنگین کردن لوله ها و حفاظت از پوشش ضد خوردگی، پوشش بتنی بر روی لوله ها اعمال شده باشد، در این ایستگاه در محل جوش نیز توسط بتن پلیمری پوشیده میشود(شکل۱۰).

شکل ۱۱) پوشش محل جوش​

 

[P O U R I A]

۳-۱-۲-۲) استینگر
وقتی عملیات جوش و پوشش محل اتصال به پایان رسید، خط لوله رمپ را برای ورود به استینگر ترک می کند، جایی که لوله به وسیله غلطک هایی نگهداری می شود که به جهت فراهم آوردن یک منحنی مناسب در لوله به طور منظم برای یک طول معینی چیده شده اند. استینگر، یک سازه ی خرپا شکل دارای انحنا (و یا مستقیم) است که لوله را برای ده ها متر و یا چند صد متر بیرون از شناور همراهی می کند(شکل ۲). در اکثر موارد رمپ استینگر بر روی تکیه گاه های معلق در آب (پونتون یا مخازن هوا) نگهداری می شود و بنابراین در مقایسه با رمپ واقع در بارج بسیار انعطاف پذیر است. بنابراین لوله می تواند استینگر را با شیبی ترک کند که یک انتقال تدریجی بین رمپ صلب و دهانه ی لوله گذاری انعطاف پذیر را تضمین می کند(بخش را ببینید).
امروزه بیشتر خطوط لوله بوسیله یک شناور و به روشs-lay نصب می شوند. یکی از دلایل آن این است که رمپ تقریباً افقی و طول کامل شناور می تواند جهت جوشکاری در چند ایستگاه، تست و آنالیز جوش، وارد نمودن نیروی کشش و کنترل مداوم بکار گرفته شود و دلیل دیگر این است که بسیاری از پیمانکاران درباره ابزارهای این روش تجربیات بسیاری دارند و در طول مدت زمان طولانی مهارت زیادی بدست آورده اند[۱۰].


۴-۱-۲-۲) عملیات نرمال لوله گذاری
نحوه لوله گذاری به این صورت است که لوله ها یکی یکی به ابتدای خط تولید منتقل می شوند. پس از اتمام عملیات در تمام ایستگاه های ذکر شده در خط تولید، بارج لوله گذار به اندازه ی طول یک لوله به جلو حرکت می کند در حالی که کشنده نیروی کششی مداومی را به خط لوله وارد می کند.
مقدار این نیرو و پیکربندی استینگر بستگی به عوامل مختلف مثل عمق آب دریا دارد که قبلا برای تمام خط لوله توسط گروه مهندسی محاسبه شده و نتایج آن درقالب جداولی درآمده است. پس از آنکه بارج به اندازه یک لوله حرکت کرد(این حرکت توسط وینچ های مربوط به لنگر تامین می شود.) جا برای ورود لوله دیگر فراهم می شود و این کار به همین شکل ادامه پیدا می کند. همین که بارج به تدریج به سمت جلو حرکت می کند، لنگرهای سیستم ایستایی (در سیستم سنتی) نیاز به جابجایی دارند. برای جابجایی و حمل لنگرها در حین انجام عملیات لوله گذاری از دو یدک کش با عرشه باز و دارای وینچ های قوی استفاده می شود.


۵-۱-۲-۲) رها سازی لوله به بستردریا و بازیافت آن
بارج های لوله گذار در حین نصب معمولاً با یک محدودیت بزرگ مواجه هستند. این محدودیت عبارت است از قابلیت لوله گذاری در شرایط آب و هوایی مختلف. تمامی بارج های لوله گذار ظرفیت معینی در لوله گذاری نسبت به شرایط جوی دارند. این شرایط عبارتند از ارتفاع و جهت موج ها، سرعت و جهت جریان دائمی آب، سرعت و جهت وزش باد در سطح دریا و در شرایط نادر و استثنایی جریان گردابی و شدت آن. بطور مثال بارج صدف ـ صدرا ۱۳۲ قابلیت لوله گذاری تا ارتفاع ۲٫۵ متر موج دریا و سرعت جریان آب برابر ۱٫۵ نات و سرعت باد ۱۵ متر بر ثانیه را دارد. اگر شرایط جوی از این حد مخصوص تجاوز کند، ادامه عملیات ممکن است به بارج و خط لوله آسیب جدی وارد کند. از این جمله می توان بارج لوله گذار Boss355 متعلق به شرکت سایپم را در جریان لوله گذاری فازهای ۴ و ۵ پارس جنوبی در سال ۲۰۰۳ نام برد. در حین عملیات، شرایط جوی طوفانی باعث تجاوز کشش لوله از حد مجاز ظرفیت کشنده شد و باعث گسیختگی کشنده و رهایی اتفاقی لوله از بارج شد. در جریان این اتفاق، لوله ی رها شده به بستر دریا اثابت کرد و ۳۰۰ متر از خط لوله کاملاً تخریب شد. همچنین زمان زیادی جهت بازیابی لوله از بستر دریا و جدا سازی خط لوله ی تخریب شده صرف شد. برای جلوگیری از چنین اتفاقاتی باید ادامه ی عملیات متوقف شده و لوله با رویه ی مخصوصی به بستر دریا رها شود تا آسیبی به خط لوله و بارج نرسد. پس از برطرف شدن شرایط بحرانی مجدداً باید لوله را با رویه ی معکوس بازیابی کرد تا عملیات نصب ادامه یابد. عملیات ذکر شده را عملیات رهاسازی و بازیابی لوله می نامند. برای این منظور یک سیستم وینچ و کابل قوی همانند آن ها که برای سیستم ایستایی استفاده می شوند در بارج تعبیه شده است که به وینچ و کابل A/R معروف است(شکل ۱۱). کابل فوق به انتهای لوله ی سربسته ای به نام هد کششی متصل می شود(شکل ۱۲). هد کششی خود به آخرین شاخه ی لوله جوشش داده می شود.

شکل ۱۲) کابل و قرقره A/R در ابتدای رمپ لوله گذاری وینچ A/R در طبقه پایین واقع شده است.​

 

[P O U R I A]

سپس بارج به آرامی به سمت جلو حرکت میکند و لوله توسط کشش مداوم کابل A/R انحنای S شکل خود را بدست می آورد. کشش کابل A/R در واقع شرایطی شبیه کشنده را بوجود می آورد. به تدریج که بارج به جلو حرکت می کند؛ لوله به بستر دریا رها میشود. عملیات بازیابی نیز عکس عمل رها سازی میباشد. مادامی که لوله در بستر دریا رها شده است، کابل A/R به آن متصل است، اما نیرویی به آن وارد نمی کند. در این حالت بارج موقعیت خود را حفظ کرده و سیستم ایستایی فعال می باشد. نکته این که اگر شرایط جوی از حد معینی بگذرد، سیستم ایستایی نیز باید متوقف شده، کابل A/R رها میشود و بارج به محل امنی پناه می برد.

شکل ۱۳) عملیات رهاسازی لوله​

موضوع رهاسازی لوله به دلیل شرایط آب وهوایی بسیار پرهزینه بوده و بنابراین پیمانکاران همواره در تلاش برای افزایش قابلیت آب و هوایی بارج های خود هستند.
لازم به ذکر است که در شرایط اورژانسی مثل خرابی یکی از اعضای اصلی نیز این رویه اعمال میشود.

 

[P O U R I A]

۲-۲-۲) لوله گذاری به روش J-lay
از زمان آغاز فعالیت های نفت و گاز در دریا روند اکتشاف و حفاری و سپس تولید در آب های عمیق تر همواره بطور پیوسته ادامه داشته است. بطوری که روش های سنتی دیگر جوابگوی نیازهای چنین عمقی نبود. روش S-lay نیز از این قائده مستثنی نبود. طرحهای توسعه یافته هم اکنون پروژه هایی در آبهای عمیق تا ۳۵۰۰ متر و بیشتر دارند. با نگاه به این رقابت در آب های بسیار عمیق، صنعت فراساحلی برای کسب اطلاعات مورد نیاز و توسعه ی تکنولوژی خط لوله فراخوانده شد تا یک تکنولوژی نصب جدید و قابل اطمینان در آب های بسیار عمیق و بسترهای ناهموار دریا برای بهبود بخشیدن به قدرت پیشگویی مهندسی رفتار تحت سرویس در تمام طول عمر طراحی و یافتن معیارهای فنی مناسب برای فائق آمدن بر خطرات محیطی، در آبهای بسیار عمیق ایجاد کند[۱۱].
با این هدف روش J-lay به عنوان یک روش دیگر جهت نصب خط لوله در آب های بسیار عمیق در ابتدای دهه ی ۱۹۹۰ توسعه یافت(شکل ۱۴).
در این روش همانطور که از اسمش پیداست، در حین نصب خط لوله شکل حرف J را به خود می گیرد. این شکل بوسیله پایین بردن لوله در آب توسط یک شیب تقریباً عمودی به دست می آید. بنابراین انحنای موجود بر روی ناحیه خمش منفی که در روش S-lay برای رسیدن به شیب مورد نیاز لوله در ابتدای دهانه ی معلق بوسیله ی استینگر تامین می شد در این روش به کلی حذف می شود. شیب مذکور محدودیت عمده ی گسترش روش S-lay در آبهای عمیق را بیان می کند (شکل ۱۵).

شکل ۱۴) بارج لوله گذار به روش J-lay – به رمپ عمودی لوله گذاری در میان دو جرثقیل توجه کنید.​

شکل ۱۵) مقایسه روشهای S-lay و J-lay در آبهای عمیق​

روش J-lay لوله گذاری را در کشش های افقی بسیار پایین تر برای کنترل موقعیت تنش در ناحیه خمش مثبت ممکن می سازد. نتیجتاً کشش موثر باقیمانده در خط لوله در نقطه تماس با زمین در مقایسه با روش S-lay می تواند ناچیز و قابل صرفه نظر به شمار آید. این تنش می تواند پیامدهای قابل ملاحظه ای برای خطوط لوله گذارده شده بر بستر دریای ناهموار و بنابراین بر طول واقعی دهانه ی آزاد و اثرات موجود مربوطه میان آن ها داشته باشد. سیستم ایستایی دینامیکی موثرترین و عملی ترین روش برای نگهداری شناور J-layدر مسیر و بنابراین رهایی از مسائل کنترل کابل های مهار بسیار بلند و در ضمن کم تاثیرتر در آبهای عمیق است. روش J-lay استینگر بلند آسیب پذیر را حذف می کند. عیب آشکار روش J-lay این است که رمپ پرشیب عملیات جوشکاری را بغرنج می سازد. برای حفظ سرعت لوله گذاری به شکل رقابتی، عمده ی عملیات جوشکاری به طور مثال سرهم بندی دو یا چند شاخه لوله، پیش از اتصال عمودی به خط لوله بر روی عرشه یا در کارگاهی در خشکی انجام می شود. اتصال و تنظیم عمودی مقطع بلندی از چند شاخه لوله و جوشکاری آن به قسمت معلق خط لوله نیاز به ابزار مخصوص دارد[۱۱].

 

[P O U R I A]

۳-۲-۲) لوله گذاری به روش قرقره ای
همانطور که در بخش ۲-۱ بیان شد، معمولاً در طراحی میادین نفتی پیچیده در دریا علاوه بر خطوط اصلی که محصولات را به تاسیسات ساحل می رساند، خطوط درون میدانی نیز وجود دارند. قطر خارجی خطوط لوله ی اصلی معمولاً بیش از ۱۶ اینچ است در حالی که در خطوط جریان درون میدانی کمتر از ۱۶ اینچ است. بنابراین با توجه به قطر خارجی کم خطوط لوله ی درون میدانی می توانند انعطاف پذیر باشند[۲]. این روش که تاریخچه ی آن در فصل اول ارائه شد، برای خواباندن خطوط لوله با قطر کم و انعطاف پذیر در اعماق کم و زیاد بوجود آمد.
مراحل اصلی این روش عبارتند از :
• کارگاه ساخت ساحلی : این کارگاه یکی از اجزای مهم و لاینفک روش قرقره ای است. در این کارگاه که طول خیلی زیادی دارد، لوله ها که از قبل پوشش شده اند، به طول معینی تقریباً برابر طول کارگاه، به یکدیگر متصل می شوند و بازرسی می گردند و تشکیل یک خط لوله ی ممتد می دهند. برای یک پروژه به تعداد لازم از این لوله ها تولید شده و آماده ی بارگیری به بارج می شوند(شکل ۱۷).
• حمل و ذخیره ی لوله روی قرقره: در این مرحله ی لوله های ساخته شده به دور قرقره ی بزرگی روی بارج پیچیده می شوند. در این حین کرنش پلاستیک کنترل شده ای به لوله وارد می شود. پس از بارگیری، بارج می تواند به میدان لوله گذاری حمل شود.

شکل ۱۶) کارگاه ساحلی روش قرقره ای​

 

[P O U R I A]

• لوله گذاری: وقتی بارج به محل رسید، لوله را با حرکت به جلوی خود از روی قرقره باز کرده و در محل خود میخواباند(شکل ). این عمل رویه خاصی دارد که خارج از مبحث این نوشته میباشد[۲].

شکل ۱۷) لوله گذاری به روش قرقره ای​

روش قرقره ای در حال حاضر بطور گسترده ای برای خطوط با قطر کم استفاده می شود. این روش سرعت تولید خیلی خوبی را به ارمغان می آورد. اما صرفه ی اقتصادی آن وابسته به ظرفیت بارگیری قرقره ها و نزدیکی میدان لوله گذاری به کارگاه تولیدی لوله های آن در ساحل است[۱۵].

 

[P O U R I A]

۳) لوله گذاری به روش S-lay ــ تعاریف و قراردادها
۱-۳) سیستم مختصات لوله گذاری
برای حل مسائل مهندسی مربوط به لوله گذاری از جمله آنالیز نصب خط لوله اتخاذ یک سیستم مختصات الزامی است. جزئیات این سیستم می تواند در مسائل مختلف یا در نرم افزارهای متفاوت تغییر کند و قراردادی است. مهم این است که سیستم انتخاب شده سازگاری مناسبی با مسئله ی مورد نظر داشته باشد و بنابراین تعریف صورت مسئله و حل آن را با کمترین محاسبات و به راحتی ممکن سازد. در این جا سیستم مختصات اتخاذ شده توسط نرم افزار Offpipe را که یکی از نرم افزارهای پیشرفته و مشهور اجزای محدود برای آنالیز لوله گذاری است، به اختصار شرح می دهیم (بخش ۷ را ببینید) [۱۴]. شرح این سیستم هم به فهم بهتر مسئله کمک می کند و هم خواننده را قادر می سازد که خروجی آنالیز نرم افزار فوق را که در این پایان نامه از آن استفاده شده است، درک کند.


۱-۱-۳) سیستم‌ مختصات سراسری
مختصات لوله، کابل، تکیه‌گاه لوله، گره‌های استینگر و هندسه مدل اجزای محدود بوسیله یک سیستم مختصات عمومی سراسری تعریف می‌شوند. برای آنالیز لوله‌گذاری، این سیستم مختصات سراسری همانطور که در اشکال ۱۸ الی ۲۰ نشان داده شده است، می باشد.

شکل ۱۸) محورهای مختصات سراسری​

شکل ۱۹) موقعیت مبدا مختصات سراسری هنگامی که هدینگ ، زاویه تریم و افست بارج برابر صفر باشد.​

 

[P O U R I A]

خط سیر خط لوله همانطور که از نامش پیداست راستایی است که خط لوله در بستر دریا دارد. اگر خط لوله خوابیده شده بر بستر دریا منحنی شکل باشد، راستای مماس بر خط لوله در نقطه تماس بخش معلق با بستر دریا ملاک عمل خواهد بود. زاویه هدینگ بارج، زاویه تریم و آفست بارج در شکل ۲۰ تعریف میشوند.

شکل ۲۰) موقعیت مبدا سیستم سراسری هنگامی که هدینگ، زاویه تریم و افست بارج برابر صفر نباشد.​

زاویه ی تریم برابر صفر است هنگامی که عرشه ی بارج لوله گذار موازی سطح آب باشد، و مثبت است هنگامی که نوک شناور بالاتر از انتهای شناور باشد.
زاویه ی هدینگ برابر صفر است هنگامی که لوله گذار موازی خط سیر خط لوله باشد و مثبت است اگر دوران آن حول محور Y در جهت عقربه های ساعت باشد، هنگامی که از بالا به آن نگاه می کنیم.
زاویه ی تریم و هدینگ نسبت به مرکز حرکت بارج تعریف می شوند. مرکز ثقل بارج یا هر نقطه ی مرجع مناسب دیگری ممکن است به عنوان مرکز حرکت بارج انتخاب شوند.
آفست بارج در جهت Z برابر تصویر تغییر مکان مرکز حرکت بارج از حالت اولیه ی خود در جهت Z است. آفست بارج با محور Z هم علامت است.
در سیستم مختصات سراسری محور X، محور افقی است و طوری قرار گرفته است که بر روی سطح آب (سطح صاف و آرام) منطبق است. محور X موازی خط سیرخط لوله است. نقاط مثبت محور X به سمتی است که لوله خوابانده می‌شود(جهت حرکت شناور).
محور سراسری Y عمود بر سطح آب است. محور Y به سمت بالا جهت گرفته است، بصورتی که مختصات سراسری Y در نقاط سطح آب برابر صفر است و در بالای سطح مثبت است. نکته اینکه محورهای سراسری X و Y بشکلی تعریف می‌شوند که خطی که لوله در امتداد آن در بستر دریا خوابانده می‌شود (مرکز فرضی خط سیر خط لوله) در صفحه XY واقع می‌شود.
محور سراسری Z افقی و عمود بر صفحه ی سراسری X-Y است. جهت‌گیری محور Z به شکلی است که محورهای Z, Y, X تشکیل یک سیستم مختصات راست گرد را می‌دهند . توجه کنید که محورهای X و Z بشکلی تعریف می‌شوند که صفحه X-Z دقیقاََ منطبق بر سطح آب می‌باشد.
موقعیت مبدأ مختصات سیستم سراسری تا حدی بوسیله هندسه فیزیکی مسئله ی لوله‌گذاری و تا حدی بوسیله استفاده کننده تعیین می‌شود. قرارگیری صفحات X-Y و X-Z سراسری بطور اتوماتیک بوسیله ی موقعیت ثابت خط مرکزی مسیر عبور خط لوله در سطح آب معین می‌شوند.

قرارگیری صفحه Y-Z سراسری (صفحه‌ای که X=0) بوسیله موقعیت داده شده توسط کاربر برای مبدأ سیستم مختصات لوله‌گذار تعیین می‌شود . موقعیت صفحـه Y-Z سراسری طوری انتـخاب می‌شود که بر موقعیت صفحه Y-Z در سیستم مختصات لوله‌گذار منطبق شود، هنگامی که هدینگ، زاویه تریم و افست شناور در راستای سراسری X برابر صفر باشد.
شکل ۱۹ موقعیت مبدأ سیستم مختصات سراسری را هنگامی که هدینگ، زاویه تریم و افست برابر صفر هستند، نشان می‌دهد. نکته اینکه سیستم‌های مختصات شناور لوله‌گذار و سراسری در این مورد موازی هستند و مبدأ دو سیستم تقریباً منطبق هستند همانطور که به وسیله مقایسه دو تصویر ۱۸ و ۲۳ قابل مشاهده است. تنها اختلاف بین این دو سیستم مختصات که در دو شکل مذکور نشان داده شده است، موقعیت صفحه X-Z می‌باشد. در سیستم مختصات سراسری، صفحه X-Z بوسیله سطح آب تعیین می‌شود. در سیستم مختصات لوله‌گذار، صفحه X-Z منطبق بر سطح عرشه ی شناور است.
شکل۲۰ موقعیت مبدأ سراسری را هنگامی که اعداد غیر صفر برای هدینگ، زاویه تریم و افست شناور داده می‌شوند نشان می‌دهد. نکته اینکه در این مورد دو سیستم مختصات دیگر موازی نخواهند بود و مبدأ مختصات دو سیستم بوضوح بر هم منطبق نیستند .
موقعیت نقطه X=0 در سیستم مختصات شناور اختیاری است و بوسیله کاربر انتخاب می‌شود. جهت سازگاری، مبدأ سیستم مختصات بارج لوله‌گذار در تمامی توضیحات و مثال‌های داده شده در این نوشته در تیر انتهای بارج لوله‌گذار قرار خواهد گرفت.
موقعیت و جهت‌ دهی انتخاب شده برای سیستم مختصات سراسری مزایای متعددی دارد. مختصات سراسری Y در یک نقطه تراز یا عمق آن نقطه را نسبت به سطح آب تعیین می‌کند. مختصات Z سراسری مسافت افقی از یک نقطه تا مرکز خط سیر خط لوله را تعریف می‌کند. موقعیت سیستم‌ مختصات سراسری نسبت به خط سیر لوله ثابت است و هنگامی که لوله‌گذار حرکت کند تغییر نمی‌کند. بنابراین، مقایسه حل بدست آمده ناشی از موقعیت‌های مختلف بارج لوله‌گذار ساده است. موقعیت انتخابی برای مبدأ سیستم مختصات سراسری تفاوت بین سیستم‌های مختصات سراسری و لوله‌گذار را به حداقل می رساند که تفسیر نتایج آنالیز لوله‌گذاری را آسان می‌کند.

 

[P O U R I A]

۱-۱-۱-۳) مختصات زاویه‌ای
به دلیل اینکه دوران‌های بزرگ سه بعدی همانند دوران‌های ساده حول محورهای X,Y,Z سراسری نمی‌تواند بیان شود، مختصات زاویه‌ای یک نقطه در سیستم مختصات سراسری به عنوان زوایای اولر تعریف می‌شوند. زوایای اولر دوران‌هایی هستند که در یک دسته ی ثابت از قبل تعیین شده حول محورهای غیر عمود از دوران اعمال می‌شوند. مختصات زاویه‌ای استفاده شده در offpipe در شکل ۱۸ نشان داده شده است.
• زاویه ی افقیα : زاویه افقی، زاویه تصویر شده در صفحه X-Z ، بین محور X′ خط لوله، کابل یا استینگر و محور سراسری X است. نکته اینکه زاویه افقی، دوران حول محور Y را بیان می‌کند. زاویه افقی مثبت است، اگر این زاویه در جهت عقربه‌های ساعت باشد، هنگامی که شناور از بالا مشاهده می‌شود. در واقع اگر زاویه یک دوران دست چپ حول محور Y را بیان کند، مثبت است.
• زاویه ی عمودیβ : زاویه عمودی، زاویه بین محور طولی X′ خط لوله، کابل یا استینگر و صفحة افقی X-Z است. توجه کنید که زاویه عمودی یک دوران حول محور Z′ را بیان می‌کند که افقی و عمود بر محور طولی خط لوله یا استینگر است. زاویه عمودی هنگامی که یک دوران دست راست حول محور Z′ را بیان می‌کند مثبت است.
• زاویه ی پیچشψ : زاویه بین محور″Z خط لوله، کابل یا استینگر و صفحة X′-Z′ شیبدار نشان داده شده در شکل ۱۸ است. نکته اینکه زاویه پیچش، دوران حول محور X′ خط لوله، کابل یا استینگر است. زاویه پیچش هنگامی که دوران دست راست حول محور X′ را نشان می‌دهد مثبت است.
باید ذکر شود که مجموعه مختصات زاویه‌ای بالا، تنها مجموعه ی مشابهی نیست که می‌تواند استفاده بشود. ترکیبات ممکن دیگری از زوایای اولر وجو دارند که می‌توانند بطور برابر معتبر باشند. مجموعه مختصات زاویه‌ای فوق به این دلیل انتخاب شده است که طبیعی‌ترین سیستم مرجع مطرح شده برای یک مشاهده‌گر ایستاده بر روی عرشه ی بارج لوله‌گذار یا دیگر شناورها است.
تعریف فوق از زاویه افقی α با قرارداد استفاده شده برای هدینگ بارج سازگار است و زاویه عمودی شیب یا کجی لوله یا کابل نسبت به سطح زمین را تعریف می‌کند. نکته اینکه زاویه عمودی از هدینگ مستقل است و بنابراین معنی یا تفسیر فیزیکی یکسانی در هر دو آنالیز دو بعدی و سه بعدی دارد[۱۴].


۲-۱-۳) صفحات و محورهای اصلی
برای راحتی کار بهتر است نیروهای داخلی در خط لوله و استینگر، تنش ها یا کرنش‌های لوله و خصوصیات فیزیکی المان‌های استینگر در غالب محور‌های اصلی و صفحات اصلی مقاطع عرضی خط لوله و استینگر تعیین شوند.


۱-۲-۱-۳) محورهای اصلی
دو محور اصلی مقاطع عرضی خط لوله و استینگر بوسیله ی محورهای Y″ و Z″ در شکل‌های ۲۱ و ۲۲ نشان داده شده‌اند. محورهای اصلی Y″ و Z″ بخاطر جهت‌گیری ‌شان در اینجا بترتیب بعنوان محورهای عمودی و افقی مقاطع عرضی خط لوله و استینگر منتسب می‌شوند.
برای خط لوله، محور اصلی افقیZ″، محور موازی با صفحه X-Z سراسری (به عبارتی صفحه ی افقی) و عمود بر محور طولی خط لوله، X″ است که در شکل ۲۱ نشان داده شده است. محور اصلی عمودی Y″، محور عمود بر دو محور اصلی افقی Z″ و طولی X″ خط لوله است. نکته این که محورهای X″و Y″و Z″طوری تعریف می‌شوند که تشکیل یک سیستم مختصات قائم راست گرد می‌دهند. همچنین توجه کنید که جهت محورهای اصلی برای خط لوله مستقل از زاویه پیچش است. محور اصلی Z″همیشه افقی است و محور اصلیY″ همیشه در صفحه عمودی ای که بوسیله محور طولی X″خط لوله تعریف می‌شود، واقع می‌شود.
برای استینگر، محورهای اصلی افقی Z″و عمودیY″، محورهای افقی و عمودی محلی تعریف شده بوسیله تقارن مقطع عرضی استینگر هستند، همانطور که در شکل ۲۲ نشان داده شده است. نکته اینکه محورهای اصلی سطح مقطع عرضی استینگر چنان تعریف می‌شوند که تشکیل یک سیستم قائم راست گرد می‌دهند. همچنین توجه کنید که جهت‌ محورهای اصلی استینگر به زاویه ی پیچش وابسته است. محورهای اصلی سطح مقطع استینگر با استینگر می‌چرخد[۱۴].

شکل ۲۱) جهات محورهای اصلی برای المانهای لوله و کابل​

شکل ۲۲) جهات محورهای اصلی برای المانهای استینگر بوسیله تقارن مقطع عرضی استینگر تعریف میشوند.​

 

[P O U R I A]

۲-۲-۱-۳) صفحات اصلی
دو صفحه اصلی مقاطع عرضی خط لوله و استینگر، صفحاتی هستند که بوسیله محور طولی X″و محورهای اصلی Y″و Z″سطح مقطع عرضی خط لوله و استینگر تعریف می‌شوند(Y″- X″ ، Z″ – X″ در شکل‌های ۲۱ و ۲۲). دو صفحه اصلی سطح مقطع عرضی خط لوله و استینگر، بدلیل جهت‌گیری‌شان در اینجا صفحات اصلی عمودی و افقی مقطع عرضی خط لوله و استینگر نامیده می‌شوند. صفحه اصلی افقی صفحه‌ای است که بوسیله محورهای اصلی X″و Z″تعریف می‌شود و صفحه اصلی عمودی صفحه‌ای است که بوسیله محورهای اصلی X″و Y″تعریف می‌شود.
ممان‌ها و همچنین تنش‌ها یا کرنش‌های خمشی که از خمش خط لوله و استینگر حول دو محور اصلی سطح مقطع عرضی مربوطه‌شان ناشی می‌شوند، در اینجا ممان‌ها و همچنین تنش‌ها یا کرنش‌های خمشی افقی و عمودی نامیده می‌شوند. ممان‌ها و تنش‌های خمشی که ناشی از خمش حول محور اصلی افقی سطح مقطع عرضی خط لوله و استینگر هستند، بترتیب ممانها و تنشهای خمشی عمودی نامیده می‌شوند، زیرا آنها نتایج بارها و تغییر شکل‌هایی هستند که در صفحه اصلی عمودی خط لوله و استینگر قرار دارند.
ممان‌ها و تنش‌های خمشی که ناشی از خمش حول محور اصلی عمودی سطح مقطع عرضی خط لوله و استینگر هستند، بترتیب ممانها و تنشهای خمشی افقی نامیده می‌شوند، زیرا آنها نتایج بارها و تغییر شکل‌هایی هستند که در صفحات اصلی افقی خط لوله و استینگر قرار دارند.
تنش‌ها و نیروهای داخلی لوله در استینگر و خط لوله در غالب صفحات اصلی عمودی و افقی بیان می‌شوند، زیرا این شاخص به جداسازی اثرات دو بعدی و سه بعدی کمک می‌کند. در یک آنالیز سه بعدی، ممان‌ها و تنش‌های خمشی در صفحه عمودی بطور عمده نتایج وزن و کشش لوله، شناوری استینگر و نیروهای دیگر عمل کننده در صفحه عمودی هستند. بنابراین ممان‌ها و تنش‌های خمشی در صفحه عمودی شبیه به نتایج بدست آمده در یک آنالیز دو بعدی خالص هستند.
ممان‌ها و تنش‌های خمشی افقی به عبارت دیگر بطور اصلی نتایج نیروها و تغییر مکان‌های عمل کننده در راستایی که عمود بر صفحه عمودی است، هستند. بنابراین ممان‌ها و تنش‌های خمشی در صفحه افقی بطور عمده اثرات خارج صفحه‌ای یا سه بعدی را بیان می‌نمایند[۱۴].


۳-۱-۳) سیستم مختصات لوله‌گذار
مختصات و زوایای نقاط بر روی لوله‌گذار در غالب سیستم مختصات موقت جهت‌دار لوله‌گذار که در شکل ۲۳ نشان داده شده است بیان می‌شوند. در این سیستم مختصات، تراز (مختصات Y) و زوایای تکیه‌گاه‌ها و تمام نقاط دیگر بر روی لوله‌گذار نسبت به عرشه لوله‌گذار تعریف می‌شوند. برای مشخص کردن این ترازها و زوایا، ابتدا فرض می‌شود که عرشه افقی باشد (در زاویه تریم صفر).

شکل ۲۳) مختصات محلی بارج لوله گذار که برای تعریف هندسه بارج استفاده میشود.​

موقعیت صفحه Y-Z در سیستم مختصات لوله‌گذار (نقطه X=0) بوسیله کاربر انتخاب می‌شود و بطور ضمنی بوسیله مقادیری که برای مختصات X تکیه‌گاه‌ها و دیگر نقاط روی لوله‌گذار داده می‌شوند، تعریف می‌شود.
آنچه مورد نیاز است فقط این است که مختصات تمام نقاط روی لوله‌گذار در ترم‌هایی از یک سیستم منفرد سازگار تعریف شوند و اینکه مقادیر مختصات با حرکت از انتهای کشتی به سمت جلوی آن افزایش ‌یابد. اگر چه، قرار دادن مبدأ سیستم‌ مختصات لوله‌گذار در تیر انتهای بارج لوله‌گذار همانطور که درشکل ۲۳ نشان داده شده است، یک استاندارد عملی است و توصیه می شود.
سیستم مختصات بارج لوله‌گذار برای ساده‌سازی مسئله ی تعریف هندسه ی بارج و استینگر استفاده می‌شود. چون موقعیت نقاط روی بارج نسبت به عرشه ی بارج لوله‌گذار تعریف می‌شوند، عمق آبخور، زاویه تریم و هدینگ و افست بارج می‌تواند تغییر یابد، بدون نیاز به اینکه کاربر مختصات هر نقطه روی بارج را دوباره محاسبه کند. حتی اگر لازم باشد که تراز نقاط روی بارج را به سطح آب نسبت دهیم، این می‌تواند بوسیله تنظیم ارتفاع عرشه و زاویه ی تریم برابر با صفر صورت پذیرد.
توجه کنید که سیستم مختصات لوله‌گذار فقط برای مشخص کردن مختصات نقاط روی لوله‌گذار و استینگر در داده‌های ورودی استفاده می‌شود. در خروجی چاپ شده ی بسته ی نرم افزاری offpipe، مختصات گره‌های لوله و کابل بر روی بارج لوله‌گذار و استینگر همیشه در سیستم مختصات سراسری بیان می‌شوند [۱۴].

 

[P O U R I A]

۲-۳) پروفیل لوله در حین نصب
برای تکنولوژی لوله گذاری S-lay، خط لوله در حین لوله گذاری به نواحی مختلفی تقسیم می شود. اکثر مراجع خط لوله از بارج تا نقطه ی اتصال با بستر دریا را به دو ناحیه تقسیم می کنند. مرجع ۷ این بخش از خط لوله را برای در نظر گرفتن برخی اثرات دینامیکی به سه ناحیه زیر تقسیم می کند:
• ناحیه ی خمش منفی : بخشی از خط لوله روی رمپ لوله گذاری و استینگر، از کشنده تا نوک استینگر (که تقریباً بر نقطه عطف منحنی خط لوله منطبق است). در ناحیه ی خمش منفی همانطور که از نامش پیداست، لوله دارای انحنای منفی است به این معنی که تار بالایی لوله در کشش و تار پایینی آن در فشار است.
• ناحیه ی نوک استینگر : بخش کوچکی از خط لوله بین سومین غلطک از انتهای استینگر و نقطه عطف منحنی خط لوله. بنابراین این ناحیه را می توان زیرمجموعه ای از ناحیه ی خمش منفی دانست که در انتهای آن واقع شده و در آن اثرات دینامیکی قابل توجهی وجود دارد.
• ناحیه ی خمش مثبت : قسمتی از خط لوله که از نوک استینگر شروع می شود و تا نقطه ی اتصال با بستر دریا -TDP- ادامه می یابد[۷]. در این ناحیه بر خلاف ناحیه ی خمش منفی لوله دارای انحنای مثبت است (شکل ۱۸).

شکل ۲۴) نامگذاری نواحی خط لوله در روش S-lay​

همچنین در امتداد نواحی مختلف مذکور در بالا نقاط مهمی وجود دارند که عبارتند از:
• پاشنه ی انتهای بارج : عبارت است از نزدیکترین تکیه گاه لوله (تکیه گاه نقطه ای و یا وسط تکیه گاه با طول محدود) به انتهای بارج
• قلاب استینگر : قلابی است در انتهای بارج که انتهای خرپای استینگر توسط لولاهایی به آن متصل می شود.
• نقطه ی برخیزش : آخرین تکیه گاه لوله بر روی استینگر که لوله با آن در تماس است و بعد از آن لوله در آب معلق خواهد بود.
• نقطه ی تماس پایینی : اولین نقطه ای از خط لوله که بستر دریا را لمس می کند و پس از آن لوله بطور پیوسته یا منقطع در تماس با بستر دریا است.

لازم به ذکر است که در تقسیم بندی دیگری خط لوله از بارج لوله گذار تا نقطه ی پایینی را به دو قسمت زیر تقسیم می کنند:
• دهانه ی نگهداری شده : بخشی از خط لوله از ابتدای خط تولید در لوله گذار تا نقطه ی برخیزش.
• دهانه ی معلق : بخشی از خط لوله از نقطه ی برخیزش تا نقطه ی تماس پایینی.

همچنین از آنجایی که بستر دریا معمولاً دارای پستی و بلندی های زیادی است، در پروفیل خط لوله پس از نقطه ی تماس پایینی دهانه های غیر متّکی ای شکل می گیرد که در دو طرف بر شانه های بلند بستر دریا خوابیده است. این دهانه ها را دهانه های آزاد می نامند.
در رویه ی نرمال لوله گذاری که در بخش ۲-۲-۱-۲ تشریح شد لوله معمولاً در یک مسافت تقریباً طولانی در کف دریا خوابیده است و لوله گذاری از طریق بارج ادامه دارد. در این حالت در بستر دریا و پس از نقطه ی تماس پایینی نقطه ای را می توان یافت که عملیات لوله گذاری بر شرایط آن (از لحاظ نیرو، تنش و تغییر مکان) تاثیری ندارد. در شروع اولیه ی عملیات لوله گذاری نیز در وسط دریا یا در ساحل یک نقطه ی مفصلی وجود دارد که عملیات خواباندن لوله از آن نقطه شروع می شود. در هر دو حالت نقطه ی مذکور را نقطه ی ثبات می نامند. این نقطه از این جهت مهم است که در تحلیل عملیات لوله گذاری خط لوله را می توان تا این نقطه مدل کرد.

 

[P O U R I A]

۳-۳) حرکات بارج لوله گذار
حتی زمانی که بارج لوله گذار بوسیله ی سیستم های ایستایی پیشرفته و قدرتمندی بر روی دریا مهار می شود وجود حرکات موضعی بارج ناشی از امواج و نیروی باد اجتناب ناپذیر است. این خاصیت اجسام شناور در آب است که حتی با نیرو های کم از تعادل ساکن خارج شوند. این نیروها به دلیل تغییر مداوم در اندازه و جهت ماهیت دینامیکی دارند. اگر بارج لوله گذار را یک جسم صلب در دریا فرض کنیم، می توان تمام حرکات موجود در آن را به یک نقطه نسبت داد. با این فرض بارج لوله گذار دارای ۶ حرکت ممکن در دریا است، همانطور که هر نقطه ای در فضا دارای ۶ درجه ی آزادی است. در بخش ۱-۱-۳ اشاره شد که در بارج لوله گذار نقطه ای به نام مرکز حرکت وجود دارد که زوایای تریم و هدینگ را به آن نسبت داده می شوند. اکنون حرکات بارج را نیز به آن نقطه نسبت می دهیم. این شش حرکت عبارتند از(شکل ۲۵):
• سرج : حرکت بارج در راستای محور محلی X″ بطوری که با آن محور هم جهت است.
• هیو : حرکت بارج در راستای محور محلی Y″ بطوری که با آن محور هم جهت است.
• سواِی : حرکت بارج در راستای محور محلی Z″ بطوری که با محور مذکور هم جهت است.
• رُل : دوران بارج حول محور محلی X″ بطوری که یک دوران راست‌گرد حول محور متناظرش را بیان می‌کند.

شکل ۲۵) مرکز حرکت بارج لوله گذار و قرارداد علامت برای شش حرکت بارج لوله گذار در دریا​

• پیچ : دوران بارج حول محور محلی Y″ بطوری که یک دوران راست‌گرد حول محور متناظرش را بیان می‌کند.
• یاو : دوران بارج حول محور محلی Z″ بطوری که یک دوران چپ ‌گرد حول محور متناظرش را بیان می‌کند.

 

[P O U R I A]

۴-۳) شرایط محیطی ـ آب و هوایی
شرایط آب و هوایی عمدتاً شامل سه بخش زیر می شود:

۱-۴-۳) جریان آب دریا
منظور از جریان آب دریا، جریان مداومی است که سرعت و جهت آن دارای تغییرات پی در پی و در زمان کوتاه نمی باشد. اگر چه سرعت و جهت آن در طی زمان تغییر می یابد. بنابراین می توان آن را جریان دائمی دانست. جریان مذکور مثل موج ها سطحی نبوده و گاهی تا بستر دریا ادامه دارد. جریان آب می تواند دارای مولفه های افقی و عمودی باشد. در دریا معمولاً مولفه ی عمودی کوچک بوده و قابل صرفه نظر کردن است. بنابراین بردار سرعت برای یک جریان ثابت، افقی(موازی با سطح آب) فرض می‌شود و مولفه عمودی سرعت جریان ثابت آب در نظر گرفته نمی‌شود. پروفیل سرعت برای یک جریان ثابت به وسیله وارد کردن مقادیر سرعت جریان افقی و جهت جریان مشخص می‌شود. این مقادیر در یک سری از اعماق گسسته آب‌، که از سطح آب شروع می شود و تا بستر دریا ادامه دارد، وارد می‌شود. از درون‌یابی خطی برای تعیین سرعت و جهت جریان در نقاط میانی استفاده می شود. نمونه یک پروفیل سرعت جریان در شکل ۲۶ نشان داده می‌شود.
سرعت جریان ثابت همچنین در بستر دریا برابر صفر قرار داده می‌شود. این برای اطمینان از پایداری هیدرو دینامیکی خط لوله خوابیده بر بستر دریا (فرض می‌شود خط لوله در لایه مرزی خوابیده است.) انجام می‌شود.

شکل ۲۶) نمونه پروفیل سرعت جریان آب​

 

[P O U R I A]

قرارداد علامت برای تعیین جهت جریان ثابت مثل همان قراردادی است که برای تعیین هدینگ بارج لوله‌گذار استفاده شد. جهت جریان زاویه‌ای بین بردار سرعت افقی جریان و محور سراسری X است. جهت جریان مثبت است اگر چرخش بردار سرعت جریان حول محور عمودی Y در جهت عقربه‌های ساعت باشد هنگامیکه از بالا نگاه شود. جهت صفر درجه متناظر با جریانی است که در جهت مثبت محور X جریان دارد. جهت ۹۰ درجه مربوط به جریانی است که در جهت مثبت محور Z جریان دارد. قرارداد علامت استفاده شده برای جهت جریان در شکل ۲۷ نشان داده شده است.

​

. شکل ۲۷) قرارداد علامتها برای جریان آب دریا و موج ها
​

۲-۴-۳) موج ها
​

موج ها میتوانند اثرات مهم و مخربی در عملیات لوله گذاری داشته باشند. این اثرات حتی میتوانند باعث توقف عملیات شوند. اگرچه سیستم ایستایی بارج یکی از عوامل مقابله با موج ها است اما دامنه تاثیر آن محدود بوده و بخصوص اثر ناچیزی بر حرکات خارج صفحه ای(مثل هیو) دارند. مرجع ۱۴ برای بدست آوردن حرکات ایجاد شده در لوله‌گذار ناشی از موج و همچنین نیروهای هیدرودینامیکی عمل‌کننده به خط لوله و استینگرموج ها را به دو دسته موج منفرد منظم و طیف موج دو بعدی تقسیم میکند:


۱-۲-۴-۳) موج‌های با قائده
فرض می‌شود که یک موج منظم دو بعدی است (که دارای عرض سینه بی‌نهایت است). سرعت و شتاب ذره آب ناشی از موج منظم با استفاده از تئوری موج ایری یا خطی محاسبه می‌شوند[۱۹]. تئوری موج خطی، برای ارزیابی از تئوری‌های موج پیچیده‌تر ارزان‌تر است و ضمناً برای موج‌های با ارتفاع میانه و ملایم که در طی لوله‌گذاری با آن مواجه می‌شویم مناسب‌تر عنوان شده است. به همین دلیل برای آنالیز لوله‌گذاری استفاده می‌شود.
علامت قراردادی استفاده شده به منظور تعیین جهت حرکت یک موج منظم مثل همان است که برای هدینگ لوله‌گذار و جریان ثابت استفاده شد. جهت موج به وسیله زاویه بین بردار افقی که به جهت حرکت موج اشاره می‌کند و محور X سراسری داده می‌شود. جهت حرکت مثبت است هرگاه چرخش جهت بردار موج حول محور عمودی Y در جهت حرکت عقربه‌های ساعت باشد هنگامی‌که از بالا نگاه شود. جهت صفر درجه متناظر با موجی است که در حال حرکت در جهت محور مثبت X است. جهت ۹۰ درجه متناظر با موجی است که در حال حرکت در جهت مثبت محور Z است. علامت قراردادی استفاده شده برای جهت موج در شکل ۲۷ نشان داده شده است.۲-۲-۴-۳) طیف موج
یک طیف موج ممکن است به وسیله ارجاع یک فرمول استاندارد (پیرسون – موسکویچ، ITTC، برت اشنایدر و . . .) یا به وسیله وارد کردن یک سری از جفت مقادیر فرکانس موج و دانسیته طیف در غالب جدول مشخص شود. نمونه یک طیف موج در شکل ۲۸ به صورت گرافیکی توضیح داده شده است. نکته اینکه محور قائم در شکل ۲۸، دانسیته طیف، مربع دامنه مؤلفه‌های موج تقسیم بر دو برابر محدوده فرکانس را بیان می‌کند و محور افقی فرکانس دایروی اجزای موج در واحد رادیان بر ثانیه را بیان می‌کند.

​

. شکل ۲۸) نمونه یک طیف موج​

 

[P O U R I A]

مرجع ۱۴ یک سری از فرمول‌های استاندارد که به کاربر اجازه می‌دهد به سادگی طیف موج را بر پایه خصوصیات دریای متناظر تعریف کند، تهیه می‌کند. فرمولهای پشتیبانی شده به وسیله نرم افزار Offpipe عبارتند از:

۱) برت اشنایدرA : دانسیته طیفی به عنوان یک تابع از ارتفاع معنی دار موج Hs و فرکانس موج در نقطه پیک طیفی ωp تعریف می‌شود. دانسیته طیفی عبارت است از

​

​

S: دانسیته طیفی
ω: فرکانس دایره‌ای مؤلفه موج
ωp: فرکانس دایره‌ای موج در نقطه پیک طیفی
Hs: ارتفاع معنی دار موجH1/3


2) برت اشنایدرB : دانسیته طیفی به عنوان یک تابع از ارتفاع معنی دار موج Hs و فرکانس موج در نقطه پیک معنی دار ωs تعریف می‌شود. دانسیته طیفی با فرمول زیر داده می‌شود:

ωs: فرکانس (دایروی) معنی دار موج.

 

[P O U R I A]

۳) پیرسون ـ موسکویچ : دانسیته طیفی یک دریای کاملاً توسعه یافته به وسیله یک تابع از سرعت باد U در ارتفاع ۱۹٫۵ متر بالای سطح آب ساکن تعریف میشود. دانسیته طیفی با فرمول زیر داده می‌شود
g: ثابت گرانش
U: سرعت باد در ۱۹٫۵ متر بالای سطح آب.۴) ITTC: دانسیته طیفی به عنوان یک تابع از ارتفاع معنی دار موج Hs تعریف می‌شود. دانسیته طیفی با فرمول زیر داده می‌شود (سیستم S.I)

 

[P O U R I A]

5) ISSC : دانسیته طیفی به عنوان یک تابع از ارتفاع معنی دار موج Hs و فرکانس میانگین موج ωm تعریف می‌شود و با فرمول زیر داده می‌شود
​

​

ωm: فرکانس دایروی میانگین موج


۶) JONSWAP: دانسیته طیفی به عنوان یک تابع از ارتفاع معنی دار موج Hs و دو ضریب تعریف شده به وسیله کاربر A و B تعریف می‌شود و به وسیله فرمول زیر داده می‌شود:
​

​

توان q به وسیله فرمول زیر داده می‌شود:
​

​

ωp : فرکانس دایروی موج در نقطه پیک طیفی
A و B: ضریب تعریف شده توسط کاربر
g: ثابت گرانشی ‌
t: 07/0 اگر ω < ωp و ۰۹/۰ اگر ω > ωp


7) فرمول عمومی : دانسیته طیفی به عنوان یک تابع از یک ضریب عمومی تعریف شده به وسیله کاربر،B و توان C تعریف می‌شود و به وسیله فرمول زیر داده می‌شود:
​

​

B: ضریب تعریف شده توسط کاربر
C: توان تعریف شده توسط کاربر

نکته اینکه طیف موج داده شده به وسیله فرمول‌های آیتم‌های ۱ تا ۵ بالا همگی دارای یک شکل تابعی هستند. تنها تفاوت بین این طیف‌ها روشی است که ضرایب و توان‌های معادله تعریف می‌شوند. همچنین توجه کنید که طیف موج عمومی داده شده به وسیله آیتم ۷ بالا شکل تابعی مشابهی با آیتم‌های ۱ تا ۵ دارد و تهیه شده است تا کاربر بتواند یک طیف موج بر پایه چند متغیر شرایط دریایی دیگر تعریف کند. اگر شکل‌های مشهودتر استاندارد داده شده در آیتم‌های ۱ تا ۵ کافی نباشد.

یک طیف موج از نظر ریاضی به وسیله تعداد محدودی از مؤلفه موج ‌های گسسته ‌بیان می‌شود. تعداد مؤلفه‌ موج های استفاده شده می‌تواند به وسیله کاربر مشخص شود. در بسیاری از موارد، پانزده (۱۵) تا بیست (۲۰) مولفه موج برای بیان دقیق یک طیف موج کافی است. پروفیل سطح موج و سرعت و شتاب ذره آب، بوجود آمده از موج برای طیف با استفاده از سوپر پوزیشن خطی محاسبه می‌شوند. مقادیر آنها به وسیله جمع ترازهای سطح و شتاب‌ها و سرعت‌های ذره آب ناشی از مؤلفه‌ موج های تکی که طیف را می‌سازند، تعیین می‌شود. سرعت و شتاب ذره آب برای هر مؤلفه موج با استفاده از تئوری موج خطی یا ایری محاسبه می‌شوند.​

 

[P O U R I A]

وقتی که یک طیف موج به وسیله یکی از فرمول‌های استاندارد محاسبه می‌شود، فرکانس‌های مؤلفه موج به شکلی انتخاب می‌شوند که تمام مؤلفه‌های موج دارای انرژی (دامنه یکسان) برابر باشند. این روش برای انتخاب فرکانس‌ مؤلفه‌های موج تمایل به متمرکز کردن مؤلفه موجها در بخشی از طیف که دارای بیشترین انرژی است، دارد.
هنگامی که یک طیف موج به وسیله یک جدول از فرکانس‌های موج و دانسیته‌های طیفی تعریف می‌شود، این جفت مقادیر برای ساخت یک سری از پانل‌های ذوزنقه‌ای شبیه آنچه که در شکل ۲۹ نمایش داده شده است استفاده می‌شوند. این پانل‌ها یک تخمین پاره خطی به طیف موج را تهیه می‌کند. بخشی از طیف موج که به وسیله هر پانل بسته شده است، به وسیله یک مؤلفه موج تکی بیان می‌شود. تعداد مؤلفه‌ موج های استفاده شده یکی از تعداد جفت مقادیر طیفی وارد شده کمتر است (دو مقدار یک پانل را تعریف می‌کند، سه مقدار دو پانل را و …). دامنه هر مؤلفه موج چنان انتخاب می‌شود که مؤلفه موج انرژی برابری را به عنوان بخشی از طیف موج بسته شده به وسیله پانل دارد. فرکانس هر مؤلفه موج متناظر با مرکز سطح پانل انتخاب می‌شود.

. شکل ۲۹) یک طیف موج اختیاری میتواند بوسیله یک جدول از مقادیر گسسته برای عرض های طیفی تعریف بشود.
​

جریان گردابی نیز یکی دیگر از شرایط آب و هوایی است که بسیار خطرناک است. اما از آنجا که در مقابل شرایط بیان شده فوق نادر بوده و معمولاً لوله گذاری در چنین شرایطی انجام نمیشود در اینجا توضیح داده نمیشود.

۳-۴-۳) باد
باد مستقیماً بر قسمت بیرونی بارج اثر میگذارد. اگرچه جریان باد باعث ایجاد و تقویت موج ها نیز میشود. باد نیز در حالات بحرانی میتواند موجب توقف عملیات شود. اثر باد به سرعت و جهت آن و همچنین به سطح بادگیر بارج لوله گذار بستگی دارد. در اینجا باد را نیز همچون جریان دریا افقی در نظر میگیریم. قرارداد جهت باد افقی همانند جریان آب و موج ها در نظر گرفته میشود. ضمناً فرض میشود سرعت و جهت باد در زمان کوتاه تغییر محسوسی نداشته باشد.​

 

[P O U R I A]

۴) بارگذاری
تمام نیروهای وارد به سیستم لوله گذاری در حین عملیات نصب را میتوان به ۲ دسته نیروهای استاتیکی و دینامیکی تقسیم کرد. نیروهای دینامیکی را عموماً نیروهای ناشی از عوامل آب و هوایی و نیروهای اندرکنشی که منشاء تغییر(در جهت و اندازه) آنها همان عوامل آب و هوایی هستند تشکیل میدهند. از طرف دیگر نیروهای وارد بر سیستم لوله گذاری را میتوان به دسته های زیر تقسیم کرد:
۱-۴) نیروهای وارد بر بارج لوله گذار
برخی از نیروهای وارد بر بارج لوله گذار در حین نصب خط لوله میتوانند اثرات بزرگی بر تنشها و تغییر شکلهای خط لوله داشته باشند. در شرایط عادی نیروهای زیر بر یک بارج وارد میشوند:
۱-۱-۴) مقاومت در برابر یدک کشیدن
نیرویی است که باید به بارج لوله گذار وارد شود تا بارج لوله گذار به سمت جلو حرکت کند. در واقع نیرویی که یدک کشها نیاز دارند تا بتوانند بارج را به سمت جلو حرکت دهند. این نیرو از نظر ماهیت یک نیروی پَسای هیدرودینامیک است که از حرکت سیال بر جسم جامد ایجاد میشود. حال اگر جهت و اندازه این نیروی هیدرودینامیک با زمان تغییر کند یک نیروی دینامیکی و در غیر اینصورت اثرات استاتیکی بر روی جسم دارد.
مقاومت در برابر یدک کشیدن معمولاً به واسطه ضریبی به نام ضریب پَسا محاسبه می شود[۱۷]. ضریب فوق از طریق آزمایشات مدل می تواند بدست آید. نیروی مذکور به شدت به شکل بدنه بارج (قسمتی که در تماس با سطح آب است) وابسته است. بین یک بارج با بدنه مستطیلی و یک بارج با بدنه کشتی شکل نسبت ضرایب مذکور میتواند برابر ۱۰ باشد (نمودار شکل ۲۶).

شکل ۳۰) مقاومت تخمینی در برابر سرعت بارج به نقل از مرجع ۱۷- منحنی میانی مربوط به بارج لوله گذار صدف صدرا ۱۳۲ است.
​

نکته مهم این است که پایداری ایستایی بارج نیز به شکل بدنه بسیار حساس است. بطوری که اگرچه بدنه کشتی شکل مقاومت کمی در برابر سر خوردن بارج دارد، اما پایداری کمی نسبت به حرکات بارج (بخصوص حرکت رُل و سِرج) دارد. همین امر باعث میشود که عملیات ایستایی به سختی صورت گیرد و تغییر شکلهای دینامیکی اولیه زیادی به خط لوله وارد شود که تبعات زیادی خواهد داشت. از اینرو طراحان بدنه مستطیلی را ترجیح میدهند. بارجهای نیمه زیرآبی نیز که بر روی دو پونتون بزرگ مکعبی شکل قرار دارند از این جهت بر دیگر بارجهای لوله گذار ارجحیت دارند.
همچنین عمق آبخور در نیروی مقاوم فوق موثر است. هر چه عمق آبخور بیشتر شود مقاومت در برابر یدک کشیدن بیشتر میشود و پایداری بارج بیشتر میشود. از طرفی این نیرو به سرعت بارج نیز وابسته است(نمودار شکل ۲۶). بطوری که در سرعت صفر مقدار این نیرو برابر صفر است. هر چه سرعت بارج بیشتر شود این نیرو نیز افزایش مییابد. از آنجا که در حین نصب خط لوله سرعت بارج مقدار ناچیزی است این نیرو در روند نصب خط لوله تاثیر چندانی ندارد و فقط زمانی که لوله گذار ملزم به طی مسافت طولانی برای رسیدن به محل عملیات میشود اهمیت مییابد[۱۷].

 

[P O U R I A]

۲-۱-۴) نیروها و ممانهای ناشی از جریان آب
بارج لوله گذار نسبت به جریان آب دریا مقاومت نشان میدهد. بر این اساس نیروها و ممانهایی در هنگام وجود چنین جریانی بر بدنه بارج وارد میشود. همچون بخش قبل این نیروها از وجود سرعت نسبی بین بارج و آب سطح دریا شکل میگیرد و ماهت هدرودینامیکی پَسا دارد. بنابراین هنگامی که جریان آب در جهت ۱۸۰ درجه(بخش ۴-۳ را ببینید) باشد مقاومت بارج در برابر یدک کشیدن برابر نیروی وارد شده به بارج بر اثر جریان آب است. تفاوت این دو در این است که در حالت اول لوله گذاری انجام نمیشود و بارج در حال حرکت است اما در حالت دوم بارج ثابت بوده و مشغول انجام عملیات میباشد. بنابراین نیروهای وارد شده در اینجا بر روند لوله گذاری اهمیت زیادی دارد. تمامی فاکتورهای موثر ذکر شده در بخش قبل(۱-۱-۴) در اینجا نیز موثرند. جریان آب افقی میتواند از هر جهتی به بارج حمله کند. در این حین اگر جهت حمله با محور تقارن بارج (اگر وجود داشته باشد و مرکز دوران بارج نیز روی آن واقع شده باشد) موازی باشد هچ ممانی به بدنه بارج وارد نمیشود. در غیر این صورت یک ممان یاو (دوران بارج حول محور محلی Z″) به مرکز دوران وارد میشود.
نیرو و ممان وارده به بارج ناشی از جریان آب تا حد زیادی توسط سیستم ایستایی بارج مهار میشود. ارزیابی نیروها و ممانهای مذکور میتواند بر پایه تحقیقات زیر انجام شود:
• تحقیق و آزمایش بر روی مدلهای با بدنه مشابه بارج مورد نظر
• نتایج آزمایشات یدک کشیدن با یک پونتون متقارن
• مطالعات تونل باد با یک جسم سه بعدی
برای محاسبه نیرو میتوان جریان وارده را به دو جهت طولی (موازی محور X″) و عرضی (موازی محور Z″) تقسیم کرد. سپس با متقارن دانستن بارج حول محورهای یاد شده تحقیقات و محاسبات را فقط برای زوایای صفر تا ۹۰ درجه انجام داد. این فرضیات برای بارجهای کاملاً مستطیلی صادق بوده و برای بارجهای با هندسه شبیه به مستطیل تخمین خوبی است. با این فرضیات مرجع ۱۷ روابط تجربی زیر را برای بارج صدف- صدرا ۱۳۲ بدست آورده است:
• تعیین نیروهای طولی ناشی از جریان آب:
نیروهای طولی عمل کننده بر بارج لوله گذار بوسیله آزمودن نتایج بدست آمده از مدل تستهای انجام شده بر شناورهای با بدنه مشابه استخراج شدهاند. بر این اساس نیروهای مقاوم متناسب با فشار دینامیکی q در نظر گرفته شدند:

​

بطوریکه:
ρ جرم حجمی آب دریا بر حسب کیلوگرم بر متر مکعب استkg/m3 .
v سرعت نسبی بارج بر حسب متر بر ثانیه است[m/s].
مقدار نهایی نیروهای طولی که میتواند مقاومت بارج محسوب شود بوسیله فرمول داخلی زیر تعیین میشود:

​

بطوریکه:
q فشار دینامیکی بر حسب کیلوگرم متر بر مجذور ثانیه است .
cFx ضریب بدون بعد نیروی طولی است.
حجم جابجا شده کشتی برحسب متر مکعب است .
برای بارج های جعبه شکل ضریب cFx برابر ۰٫۲۳ عدد مناسبی برای یک جریان منطبق بر محور طولی بارج است. برای جریانی که جهت آن از محور مرکزی طولی بارج دور میشود، یک ضریب کاهش متناسب اعمال میشود تا جهت جریان عرضی که نیروهای طولی کاملاً از بین میروند.
• تعیین نیروهای عرضی ناشی از جریان آب:
برای بدست آوردن نیروهای عرضی عمل کننده به بارج نتایج آزمایشات یدک کشیدن با یک پونتون متقارن مطالعه شدند. برای این کار آزمایشات یدک کشیدن تحت زوایای متفاوت جریان انجام شده و اندازه گیری نیروها و ممان¬ها را در ۶ درجه آزادی را شامل میشوند.
مجدداً نیروها متناسب با فشار دینامیکی q هستند. همچنین نتایج نیروهای عرضی با یک ضریب نیروی بی بعد cFy و سطح عرضی زیر آب Ay (حاصل ضرب طول کشتی در عمق آبخور).
در نتیجه نیروهای عرضی میتوانند به کمک فرمول زیر بدست آیند:

​

بطوریکه:
cFy ضریب بی بعد نیروی عرضی
Ay سطح زیر آب عرضی
ضریب بی بعد نیرو دارای خصوصیات غیر خطی نسبت به جهت نسبی جریان است که باید با آزمایشات فوق بدست آید.
• تعیین ممان های یاو ناشی از جریان آب:
بزرگای ممان های یاو ایجاد شده توسط جریان آب که بر بدنه بارج لوله گذار عمل میکند از نتایج آزمایش یدک کشیدن با پونتونی که قبلاً شرح داده شد و با کمک تحقیق تونل باد بوسیله جسم سه بعدی مشابه به هندسه بارج در زیر آب بدست می آیند. با توجه به فرضیات بیان شده قبلی در مورد تقارن بارج ممانهای ایجاد شده در جهت طولی و عرضی کوچک بوده و قابل صرفه نظر هستند. برای جهات دیگر نیز باید از آزمایشات فوق بهره گرفت.
نکته اینکه نیروها و ممانهای بدست آمده فوق ناشی از جریان آب در آب عمیق و نامحدود است.۳-۱-۴) نیروها و ممانهای ناشی از وزش باد
همانطور که در بخش ۳-۴-۳ بیان شد وزش باد باعث ایجاد نیرو و ممان در بارج میشود. ارزیابی نیروها ممانهای عمل کننده به بارج بر پایه تحقیق آزمایش مدل باد بر روی شناورهای با نقشه مشابه عرشه صورت میگیرد. در واقع اثرات باد مستقیماً به شکل سازه بالای آب شناور مربوط میشود. مرجع ۱۷ نیروهای طولی و عرضی و همچنین ممان یاو ایجاد شده بر اثر باد را به شکل زیر ارائه میکند:
نیروها و ممان های بوجود آمده بوسیله ضرایب بی بعد CXAF، CY و CN بدست می آیند. این ضرایب به نوبه خود از تحقیقات ذکر شده بالا بدست می آیند:
​

​

بطوری که:​

​

q هد دینامیکی جریان هوای نزدیک شونده است.
ROH جرم حجمی هوا است ۱٫۲۲۵۵ kg/m3.
AF سطح تصویر شده جلویی است M2.
AL سطح تصویر شده سطح جانبی است M2.
Loa طول کلی است (M).
نیروی طولی Fx و نیروی عرضی Fy و ممان یاو N از فرمولهای زیر بدست میآیند.​

 

[P O U R I A]

۴-۱-۴) نیروی ناشی از موجها
همانطور که در بخش ۳-۳ گفته شد موجها حرکات دینامیکی به بارج لوله گذار تحمیل میکنند. در واقع حرکات مذکور باعث بوجود آمدن شتاب (و شتاب زاویهای) و بنابراین نیرو (و ممان) در شش درجه آزادی بارج میشوند. از آنجا که بارجها معمولاً بعنوان اجسام صلب مدل میشوند(بخش بعدی را ببینید) نیروها و ممانهای وارده به بدنه بارج ناشی از موجها اهمیت زیادی ندارند. در عوض دامنه حرکات ایجاد شده و شتاب آنها اهمیت زیادی در روند عملیات لوله گذاری دارند. بنابراین در بررسی اثر امواج حرکات ایجاد شده و تبعات آن برای خط لوله بررسی میشود. حرکات شناور در امواج بوسیله عملگرهای دامنه پاسخ جابجایی (RAOs) تعریف میشوند. هر RAO جابجایی یا به اختصار RAO، شامل یک جفت از اعدادی است که پاسخ شناور را برای یک درجه آزادی خاص در یک جهت موج و فرکانس خاص تعریف میکند. دو عدد فوق عبارتند از یک دامنه که دامنه حرکت شناور را به دامنه موج مرتبط میسازد و یک زاویه فاز که زمان بندی حرکت شناور نسبت به موج را تعریف میکند. به عنوان مثال، RAO حرکت سرج برابر ۰٫۵ در یک موج به ارتفاع ۴ متر( و بنابراین دامنه ۲ متر) به این معنی است که شناور دارای حرکت سرج بین ۱+ و ۱- متر از موقعیت استاتیکیاش خواهد بود و RAO دوران پیچ برابر ۰٫۵ درجه در متر در موج مذکور به این معنی است که شناور دارای دوران پیچ بین ۱+ و ۱- درجه خواهد بود. از آنجا که شناور ۶ درجه آزادی دارد: ۳ درجه آزادی تغییر مکان طولی و ۳ درجه آزادی دورانی، بنابراین دادههای RAO شامل ۶ جفت عدد (دامنه+ فاز) برای هر دوره تناوب و جهت است. دامنه RAO و فاز برای انواع مختلف شناور، و برای یک نوع مشخص از شناور با عمق آبخور، جهت موج، سرعت پیشروی و فرکانس موج تغییر میکند. بدست آوردن مقادیر دقیق برای دامنه و فاز RAOها بسیار مهم است اگر مدل دینامیکی بایست مدل شود. RAOها میتوانند بوسیله آزمایشات مدل و یا از طریق نرمافزارهای ویژه و با تحلیل حرکت بدست آیند. دادهها ممکن است در دو شکل جداول عددی یا نمودارهای گرافیکی ارائه شوند[۱۸]. علاوه بر دادههای واقعی RAO مسائل زیر باید مشخص شود:
• مختصات مبدأ RAO و مبدأ فاز- فرض میشود که ۲ مبدأ بر مرکز حرکت بارج منطبق باشند.
• سیستم استفاده شده برای تعریف حرکت موجها- مطابق با بخش ۲-۴-۳
• سیستم مختصات استفاده شده برای تعریف حرکت بارج- مطابق با بخش ۳-۳
• آیا واحد داده های RAO دورانی برابر درجه دوران در متر ارتفاع موج (/m°) است یا برابر دوران در واحد شیب موج(بی بعد) – دراینجا واحد اول در نظر گرفته میشود.
• مرجع زمان برای زاویه فازها و قرارداد استفاده شده در گزارش(به عبارتی فازها بصورت تقدم یا تاخیر گزارش میشوند.)
در مرجع ۱۴ (offpipe) حرکات ششگانه به صورت صریح و به عنوان توابعی از زمان، به وسیله حالت موج و عملگر‌های دامنه پاسخ (RAOs) حرکت بارج لوله گذار تعریف می‌شوند. حالتهای موج می‌تواند در دو وضعیت (۱) موج منظم تنها و (۲) یک طیف موج دو بعدی ، در داده های ورودی برنامه مشخص شود. بنا بر تعریف این مرجع عملگر‌های دامنه پاسخ حرکت لوله گذار منحنی‌هایی هستند که دامنه، زاویه فازی و فرکانس‌های هر کدام از حرکات شش‌گانه بارج لوله گذار را به عنوان توابعی از دامنه، زاویه فازی و فرکانس موج‌های تجربه شده به وسیله بارج تعیین می‌کنند.هنگامی که یک موج منظم تعیین می‌شود RAOهای حرکت لوله گذار در ورودی فقط برای فرکانس موج تنها داده می‌شوند در حالی که هدینگ بارج(قبل از اعمال موج) در نظر گرفته می‌شود. هنگامی که یک طیف موج استفاده می‌شود، RAOها باید درشکل جدول وارد شوند تا محدوده کامل فرکانس‌های موجود درطیف را پوشش دهند.
برای یک موج منظم، هم پروفیل سطح موج و هم حرکات ایجاد شده در لوله گذار در نتیجه موج، سینوسی فرض می‌شوند. دوره تناوب هر کدام از حرکات ششگانه لوله گذار برابر با دوره تناوب موج فرض می‌شود. بنابراین هر کدام از حرکات شش‌گانه لوله گذار به عنوان تابعی از زمان بوسیله معادله‌ای به فرم زیر داده می‌شوند:

​

به نحوی که:
R: RAO حرکت لوله‌گذار ارزیابی شده در فرکانس‌ω
H: ماکزیمم ارتفاع موج از نقطه اوج تا پست ترین نقطه
ω: فرکانس دایروی موج (ثانیه/ رادیان)
t: زمان (ثانیه)
Φ: زاویه فاز حرکت، ارزیابی شده در فرکانس ω
حرکات دینامیکی بارج در مرکز حرکت آن تعریف می‌شوند (بخش ۱-۱-۳ را ببینید).
برای یک موج منظم، پروفیل سطح موج در مرکز حرکت لوله‌گذار بوسیله یک معادله به شکل زیر داده می‌شود:

​

​

نکته اینکه هر کدام از حرکات بارج که توسط معادله۱-۴ تعیین می‌شوند متناسب با ارتفاع موج داده شده بوسیله معادله ۲-۴ است و ثابت تناسب بوسیله عملگر دامنه پاسخ R داده می‌شود. همچنین توجه کنید که بطور کلی حرکات بارج بیرون از فاز با پروفیل موج هستند. اختلاف فاز بین هر حرکت و پروفیل موج بوسیله زاویه فازΦ داده می‌شود.

یک طیف موج دو بعدی بوسیله تعداد محدودی از مولفه موج های گسسته بیان می‌شوند. فرض میشود که هر کدام از این مولفه موج ها همانند تک موج منظم ملاحظه شده در بالا سینوسی باشند. پاسخ بارج لوله‌گذار به یک طیف موج بوسیله جمع پاسخ‌هایش به هر کدام از مولفه موج های فردی استفاده شده برای بیان طیف (سوپر پوزیشن خطی) بدست می‌آید. پاسخ بارج به هر مولفه موج سینوسی فرض می‌شود که دوره تناوب آن برابر با دوره تناوب مولفه موج است. بنابراین برای طیف موج، هر کدام از حرکات ششگانه بارج بوسیله یک معادله به شکل زیر داده می‌شود:

​

​

بطوریکه:
ωi: فرکانس i امین مولفه موج
Ri: RAO برای حرکت ارزیابی شده در فرکانس ωi
Hi: ماکزیمم ارتفاع موج برای i امین مولفه موج
Φi: زاویه فاز حرکت ارزیابی شده در ωi
برای یک طیف موج، پروفیل سطح موج در مرکز حرکت بارج، بوسیله یک معادله به شکل زیر داده می‌شود:

​

​

نکته این که RAOهای تعریف شده در بالا، همچنین میتواند برای بیان بار(نیرو وممان) وارده بر یک شناور ناشی از موجها بکار رود به جای آنکه مستقیماً حرکت آن را مشخص کند. در این مورد مقدار دامنه، بزرگای نیرو(در سرج، سواِی و هو) یا ممان(در جهات رُل، پیچ یا یاو) را بیان میکند؛ در حالی که معنای فاز تغییری نمیکند. به این نوع RAO عملگر دامنه پاسخ نیرو میگویند. بطور مثال، RAO نیروی سرج برابر ۳۰۰ کیلونیوتن بر متر در موجی به ارتفاع ۶ متر (و بنابراین دامنه موج برابر ۳ متر) به این معنی است که شناور یک نیروی سرج هارمونیک متغیر از ۹۰۰- تا ۹۰۰+ کیلونیوتن را در هر سیکل موج تجربه میکند و RAO ممان پیچ برابر ۱۰۶ کیلونیوتن متر بر متر(kN.m/m) در موج مذکور به این معنی است که شناور یک ممان متغیر حول محور Y″ (پیچ) بین ۱۰۶×۳+ و ۱۰۶×۳- کیلونیوتن متر را تجربه خواهد کرد.
RAOهای نیروی موج نمیتوانند بطورکامل حرکت شناور را تعریف کنند، آنطور که RAOهای جابجایی این کار را انجام میدادند. RAOهای نیرو صرفاً نیرو و ممانی را که موج بر شناور وارد میکند تعریف میکنند. بنابراین، میتوان از این نیرو و ممان به همراه دیگر نیروهای وارد بر بارج و اطلاعات جرم و اینرسی بارج، حرکت آن را از معادله حرکتش تعیین کرد[۱۸]. قرارداد علامت هر ۲ نوع RAO یکسان است.​