پاسخ دینامیکی یک رایزر کاتینری فولادی در منطقه لمس به پایین

نکات برجسته

•
این مطالعه یک مدل عددی جدید را برای تجزیه و تحلیل پاسخ دینامیکی و آسیب خستگی یک بالابر فولادی جهانی (SCR) در منطقه لمس به پایین (TDZ) ارائه می‌کند.
•
در مدل جهانی SCR، یک چارچوب استرس موثر نوآورانه برای تعامل SCR- بستر دریا استفاده شده است. بر خلاف روش‌های مرسوم که بر ضریب کاهش برای کل بستر دریا در TDZ تکیه می‌کنند، پاسخ طبیعی بستر دریا را تحت بارگذاری چرخه‌ای پیچیده به دقت ثبت می‌کند.
•
این مقاله، مدل جهانی SCR را توسعه می‌دهد، حباب آب، ویژگی‌های مختلف بستر دریا، و اثرات بالارفتن شناور بر آسیب خستگی SCR را مطالعه می‌کند. درک این عوامل برای درک جامع رفتار SCR در TDZ ضروری است.

خلاصه

این مقاله یک مدل عددی را برای تجزیه و تحلیل پاسخ دینامیکی و آسیب خستگی یک بالابر فولادی جهانی (SCR) در منطقه لمس به پایین (TDZ) معرفی می‌کند. این مدل دارای یک مدل نوآورانه برهمکنش لوله و خاک بر اساس یک چارچوب جدید تنش موثر برای ارزیابی مقاومت خاک در حال تغییر ناشی از حرکت چرخه‌ای SCR است و در نتیجه امکان ارزیابی دقیق‌تری از اثرات قالب‌گیری مجدد خاک و ترانشه بر روی خاک را فراهم می‌کند. پاسخ های دینامیکی SCR مدل جهانی SCR در یک نرم افزار تجاری المان محدود – ABAQUS، با مدل برهمکنش لوله و خاک که از طریق یک زیربرنامه عنصر تعریف شده توسط کاربر یکپارچه شده است، پیاده سازی شده است. مجموعه ای جامع از شبیه سازی های حوزه زمانی برای بررسی تکامل بستر دریا و توسعه متعاقب آن ترانشه در امتداد خط لوله بستر دریا انجام شده است. این شبیه‌سازی‌ها بینش‌های ارزشمندی را در مورد عملکرد ساختاری SCR در TDZ ارائه می‌کنند. علاوه بر این، این تحقیق اثرات حباب آب، تغییر استحکام و سفتی بستر دریا، و حرکت بالا رفتن شناور را بر آسیب خستگی ناشی از SCR جهانی بررسی می‌کند. درک این عوامل برای به دست آوردن درک گسترده ای از رفتار SCR در TDZ ضروری است. یافته‌ها بینش‌های قابل‌توجهی را ارائه می‌دهند که می‌توان از آنها برای بهینه‌سازی شیوه‌های طراحی موجود و افزایش کارایی و ایمنی زیرساخت‌های دریایی استفاده کرد. درک این عوامل برای به دست آوردن درک گسترده ای از رفتار SCR در TDZ ضروری است. یافته‌ها بینش‌های قابل‌توجهی را ارائه می‌دهند که می‌توان از آنها برای بهینه‌سازی شیوه‌های طراحی موجود و افزایش کارایی و ایمنی زیرساخت‌های دریایی استفاده کرد. درک این عوامل برای به دست آوردن درک گسترده ای از رفتار SCR در TDZ ضروری است. یافته‌ها بینش‌های قابل‌توجهی را ارائه می‌دهند که می‌توان از آنها برای بهینه‌سازی شیوه‌های طراحی موجود و افزایش کارایی و ایمنی زیرساخت‌های دریایی استفاده کرد.

کلید واژه ها

رایزر کاتنری فولادی (SCR)

برهمکنش لوله و خاک

نرم شدن بستر دریا

تغییر مقاومت خاک

ترانشه بستر دریا

آسیب خستگی

نمادها

ج _الف

ضریب جرم اضافه شده

ج _د

ضریب درگ

قطر SCR نفوذی

د _ب

آسیب خستگی انباشته

F _h

نیروهای هیدرودینامیکی

اچ

دامنه حرکت بالا

گرادیان استحکام بستر دریا

سختی مماس

_حداکثرK

حداکثر سختی مماس که از آخرین برگشت در نفوذ یا استخراج اتخاذ شده است

تعداد مجاز چرخه تا شکست

N _ج

ضریب ظرفیت باربری

N _T-bar

ضریب ظرفیت باربری T-bar

پارامتر نرخ تولید فشار منفذی

مقاومت در برابر نفوذ SCR

q _s

مقاومت در بستر دریا

q _ب

شناوری خاک

تو _{_}

مقاومت برشی زهکشی نشده

تو _هستی ( $\bar{z}$ )

مشخصات مقاومت برشی زهکشی نشده

تو _{، من}

مقاومت برشی زهکشی نشده درجا

s _{u, av}

متوسط مقاومت برشی زهکشی نشده

s _{u, cyc}

استحکام برشی زهکشی نشده سیکلی

تو _{، اوباش}

استحکام خاک را بسیج کرد

اس _تی

حساسیت خاک

(s _u /σ′ _v0 ) _NC

نسبت مقاومت زهکشی نشده معمولاً یکپارچه شده است

تو _ای

پروفایل فشار منافذ اضافی

u _e,r

پروفیل فشار منفذ اضافی بالقوه باقیمانده

u _{e, max}

حداکثر پروفایل فشار منافذ اضافی

v _s

عملکرد تأثیر قدرت

حجم مشخص

v _اولیه

حجم خاص اولیه

عمق خاک

$\hat{z}$

عمق نرمال شده خاک، z / D

z _e

عمق نقطه مرجع جسم نفوذ کننده در زیر سطح خاک

${\hat{z}}_{e}$

عمق نرمال شده، z _e / D

وسعت ناحیه نفوذ قدرت

وسعت ناحیه نفوذ کرنش

فشار مشخصه

$η$

فاکتور اشتراک بار

$λ$

گرادیان خط تثبیت نرمال (NCL)

$κ$

گرادیان خط تخلیه بارگذاری مجدد (URL)

$Φ$

پارامتر قدرت توده ای

$Φ_{s t e a d y}$

مقدار ثابت پارامتر مقاومت توده ای

$k_{Φ}$

ضرب کننده پارامتر قدرت

چگالی آب

σ _a

تنش محوری

σ _ب

تنش خمشی

σ _ج

محدوده استرس

σ’ _v

استرس موثر عمودی

σ’ _{v، eqm}

تنش موثر عمودی تعادل

σ’ _v،NCL

استرس موثر عمودی در NCL

σ’ _{v، RSL}

استرس موثر عمودی در RSL

σ’ _v0

تنش موثر ژئواستاتیک درجا

کرنش برشی تجمعی (مطلق).

ε ₉₉

کرنش برشی تجمعی (مطلق) مورد نیاز برای درجه قالب گیری مجدد برابر با 99%

$ε_{95, Φ}$

پارامتر شکل پذیری اوج مقاومت

μ( $\hat{z}$ )

تابع توزیع تأثیر کرنش

فاصله عمودی بین عمق نفوذ جسم و یک افق خاک مشخص شده با قطر جسم نرمال شده است

$Λ$

نسبت کرنش حجمی پلاستیک

$Γ_{N C L}$

حجم خاص، v ، σ’ _v = 1 کیلو پاسکال در NCL

پارامتر سختی مماس غیر خطی

γ’

وزن واحد موثر خاک

1 . معرفی

رایزر زنجیره ای فولادی (SCR) یکی از راه حل های پرکاربرد برای انتقال محصولات هیدروکربنی از دهانه چاه بستر دریا به تاسیسات شناور در توسعه میدان نفت و گاز در آب های عمیق است. یکی از نگرانی‌های اصلی در طراحی SCR، پیش‌بینی دقیق آسیب خستگی ناشی از حرکات چرخه‌ای SCR، به ویژه در ناحیه لمس به پایین (TDZ) است. تعامل طولانی‌مدت بین بستر دریا و SCR در TDZ تأثیر قابل‌توجهی بر پاسخ‌های دینامیکی و عملکرد خستگی SCR دارد، که تأثیر قابل‌توجه شرایط بستر دریا، یعنی استحکام و سفتی خاک را برجسته می‌کند [1 ] ، [2]، در SCR در TDZ. بنابراین، یک رویکرد طراحی قوی برای پیش‌بینی خستگی SCR ضروری است. یک مدل رایزر جهانی کارآمد که قادر به شبیه سازی پاسخ دینامیکی SCR است، همراه با یک مدل دقیق لوله-خاک که منعکس کننده ویژگی های غیرخطی برهمکنش لوله و خاک است، عناصر کلیدی برای دستیابی به شبیه سازی های دقیق هستند.

چندین مدل لوله-خاک برای توصیف واکنش SCR و برهمکنش بستر دریا توسعه داده شده است. اکثر این مدل‌ها از روش تحلیل تنش کل [3] ، [4] ، [5] استفاده می‌کنند که مسیرهای بارگذاری (به عنوان مثال، نفوذ اولیه، بالا بردن، تماس قطع، و نفوذ مجدد) را با استفاده از مدل‌های هیسترتیک مختلف محاسبه می‌کند. حلقه‌های پسماند بسته یا باز (همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است )، در طول حرکات چرخه‌ای SCR [6] ، [7] ، [8] ، [9]. در مدل حلقه بسته، نفوذ مجدد نقطه ای را که لوله برای استخراج می چرخد قطع می کند و در نتیجه یک حلقه هیسترتیک بسته ایجاد می شود. از سوی دیگر، مدل “حلقه باز” نفوذ اضافی را که در طول فرآیند نفوذ مجدد رخ می دهد، محاسبه می کند. مدل‌های ثبت رفتارهای نفوذ پیشرونده SCR معمولاً فرمولی را برای پاسخ بار-جابجایی اتخاذ می‌کنند، بدون اینکه مستقیماً تخریب استحکام و سختی طبیعی خاک ناشی از بارگذاری چرخه‌ای را در نظر بگیرند. در نتیجه، آنها نمی توانند به طور صریح ویژگی های بستر دریا را به تغییر در تنش موثر خاک مرتبط با ایجاد فشار منافذ اضافی ناشی از برش چرخه ای زهکشی نشده مرتبط کنند . اخیراً یک مدل جدید برهمکنش لوله و خاک توسط ژو و همکاران گزارش شده است. [29]. این مدل بر اساس چارچوب تنش مؤثر [10] ، [11] ، [12] با استفاده از مکانیک خاک حالت بحرانی، فرآیند محاسبه را با پیوند دادن مقاومت خاک به تغییرات تنش مؤثر در طول بارگذاری چرخه‌ای ساده می‌کند. بار-جابجایی پیچیده یک قطعه SCR را می توان با یک معادله ساده بدست آورد. این مدل می تواند به طور بالقوه برای پیگیری درک جامع تر از تعامل لوله-خاک و تأثیر آن بر عملکرد کلی SCR مورد استفاده قرار گیرد.

برای شبیه‌سازی سراسری سیستم رایزر جهانی ، چند مطالعه با استفاده از روش‌های شبه استاتیک یا دینامیکی که در جدول 1 خلاصه شده است، انجام شده است . مدل AB در ابتدا برای تجزیه و تحلیل جهانی افزایش استفاده شد ، در حالی که مدل RQ بعداً به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفت. مدل RQ در نرم افزارهای تجاری مانند Orcaflex گنجانده شده است و همچنین در بسته های نرم افزاری دیگر توسعه یافته است. بای و همکاران [15] مدل RQ را در Cable3D RSI پیاده سازی کرد تا تجزیه و تحلیل دینامیکی SCR را در TDZ در حوزه زمان انجام دهد. دونگ و شیری [17]چندین محدودیت را در مدل RQ شناسایی کرد، به ویژه با توجه به پاسخ جهانی SCR. این محدودیت‌ها شامل برآورد بیش از حد نفوذ نفوذ و تنش تماس چرخه‌ای، و همچنین ناتوانی در مدل‌سازی صریح توسعه ترانشه است (گزارش‌شده توسط یوان و همکاران [34] و روئی و همکاران [39] ). ژائو و همکاران [18] یک تجزیه و تحلیل حالت پایدار ساده از یک سیستم SCR را با ترکیب یک مدل الاستوپلاستیک و چارچوب تنش موثر [10] برای بررسی اندرکنش SCR- بستر دریا در شرایط شبه استاتیک انجام داد. جانبازی و شیری [19] با استفاده از چارچوب تنش مؤثر، تحلیلی پویا برای سیستم افزایش دهنده جهانی انجام دادند [11]به منظور بررسی اثر تحکیم خاک بر عملکرد خستگی SCR. به طور کلی، یافته های مطالعات مختلف در مورد تجزیه و تحلیل سیستم رایزر جهانی نشان می دهد که حرکات چرخه ای شناور منجر به تمرکز تنش SCR در TDZ می شود. با این حال، در نظر گرفتن پاسخ‌های دینامیکی SCR جهانی و تغییر خواص بستر دریا ناشی از بارگذاری دینامیکی متناظر (همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است ) در تحلیل‌های موجود محدود می‌ماند. با این حال، در بسیاری از مطالعاتی که در بالا مورد بررسی قرار گرفت، تغییر مقاومت خاک در تجزیه و تحلیل جهانی بالابرها در نظر گرفته نشده است.

جدول 1 . خلاصه ای از مطالعات جهانی SCR.

تحلیل جهانی	مدل لوله-خاک	حوزه استرس	تغییر مقاومت خاک	روش تجزیه و تحلیل
آبنی و بیسکونتین [6]	AB ^یک مدل	استرس کلی	خیر	شبه استاتیک
شیری و راندولف [13]	مدل RQ ^b			شبه استاتیک
الوستا و همکاران [14]				پویا
بای و همکاران [15]
لیو و همکاران [16]
دونگ و شیری [17]
ژائو و همکاران [18]	مدل الاستوپلاستیک	استرس موثر	آره	شبه استاتیک
جانبازی و شیری [19]	پیشنهاد شده توسط Hodder و همکاران. [11]			پویا
این مطالعه	پیشنهاد شده توسط ژو و همکاران. [10]			پویا در حوزه زمان

آ: آبنی و بیسکونتین [6] .
ب: راندولف و کویگین [8] .

در مطالعه حاضر، پاسخ دینامیکی و عملکرد خستگی یک SCR در TDZ با پیشنهاد یک مدل SCR جهانی با مدل جدید لوله-خاک مورد بررسی قرار گرفته است [10] . مدل جدید لوله-خاک، که مبتنی بر مفهوم تنش موثر است ، در مدل جهانی SCR در آباکوس پیاده‌سازی شده است. مدل جهانی SCR پیشنهادی قادر به توصیف ویژگی‌های غیرخطی پیچیده استبرهمکنش لوله و خاک و شبیه سازی پاسخ دینامیکی خیزشگر جهانی. پس از تأیید، تأثیر حرکت شناور، خواص بستر دریا، و اثر حباب آب بر پاسخ افزایش دهنده جهانی با انجام شبیه‌سازی‌های دینامیکی در حوزه زمان مورد بررسی قرار می‌گیرد. پارامترها، از جمله مشخصات تعبیه بالابر، کاهش تنش موثر، توزیع تنش و لنگر خمشی، و آسیب خستگی تجمعی تجزیه و تحلیل می‌شوند. بینش‌های ارزشمند برای طراحی و بهینه‌سازی سیستم‌های افزایش دهنده زیردریایی بر اساس یافته‌های این مطالعه ارائه شده است.

2 . مدل برهمکنش لوله و خاک

این مطالعه از یک چارچوب استرس مؤثر جدید پیشنهاد شده توسط ژو و همکاران استفاده می‌کند. [10] برای به تصویر کشیدن تعامل دینامیکی لوله و خاک. بر اساس اصول مکانیک خاک در حالت بحرانی [20] ، این چارچوب به طور مناسب تغییرات تنش مؤثر خاک ناشی از فشار آب منفذی ناشی از بارگذاری چرخه‌ای را محاسبه می‌کند . در نتیجه، می‌تواند پاسخ طبیعی بستر دریا را در امتداد SCR در طول بارگذاری چرخه‌ای پیچیده، انحراف از روش‌های مرسوم که بر یک ضریب کاهش برای کل بستر دریا در منطقه لمس به پایین (TDZ) متکی هستند، دریافت کند. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، برای مدل سازی سیستم لوله-خاک، بستر دریا به یک ستون تک بعدی تقسیم می شود.. به جای استفاده از چشمه‌های خاکی بسیار ساده شده [13] ، ویژگی‌های خاص خاک به عناصر منفرد خاک اختصاص داده می‌شود. این رویکرد نمایش رفتار دینامیکی سیستم لوله-خاک را افزایش می دهد و امکان تجزیه و تحلیل جامع تری را فراهم می کند. خاک بارگذاری و تخلیه دوره ای عمودی را تجربه می کند و اجزای تحلیلی این فرآیند به طور خلاصه در این بخش، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، نشان داده شده است . توضیحات دقیق تر را می توان در ژو و همکاران یافت. [10] .

2.1 . تغییرات در تنش موثر بستر دریا به دلیل بارگذاری چرخه ای

تولید فشار منفذی اضافی در طول بارگذاری چرخه ای تخلیه نشده، u _e ( $\hat{z}$ ) (جایی که $\hat{z}$ = z / D عمق نفوذ نرمال شده است. D قطر SCR است)، به کرنش پلاستیک تجمعی ε ( $\hat{z}$ ) در هر حوزه خاک، همانطور که در شکل 3 (الف) نشان داده شده است. نرخ تولید فشار منفذ اضافی را می توان به صورت محاسبه کرد(1) $\frac{δ u_{e} (\hat{z})}{δ ε (\hat{z})} = \frac{χ}{ε_{99}} {[\frac{u_{e,r} (\hat{z})}{u_{e,max} (\hat{z})}]}^{p} = \frac{χ}{ε_{99}} {[\frac{σ_{v}^{'} (\hat{z}) - σ_{v, R S L}^{'} (\hat{z})}{σ_{v, N C L}^{'} (\hat{z}) - σ_{v, R S L}^{'} (\hat{z})}]}^{p}$ که در آن کرنش برشی تجمعی افزایشی مربوط به جاسازی پیشرونده جسم است $δ \hat{z}$ _m و با تابع تاثیر وزنی بیان می شود، $δ ε (\hat{z}) = 4 μ (\hat{z}) δ {\hat{z}}_{m}$ (جزئیات مشاهده شده در ژو و همکاران [10] ) ; χ $= \frac{(1 - {0.01}^{1 - p})}{1 - p} u_{e,max} (\hat{z})$ یک فشار مشخصه است. ε ₉₉ کرنش برشی مشخصه ای است که نشان دهنده درجه 99 درصد کاهش مقاومت از حالت خاک سالم به حالت کاملاً چرخه ای است. p یک توان ثابت است که شکل تولید فشار منفذی را کنترل می کند. u _e,r فشار منفذ اضافی باقیمانده برابر با فاصله بین تنش موثر عمودی فعلی است $σ_{v}^{'}$ و استرس موثر بر RSL $σ_{v, R S L}^{'}$ ; $u_{e, m a x}$ حداکثر فشار منفذ اضافی بالقوه را نشان می دهد، ${u_{e, m a x} = σ}_{v, N C L}^{'} - σ_{v, R S L}^{'}$ (جایی که $σ_{v, N C L}^{'}$ همانطور که در شکل 3 (b) نشان داده شده است، استرس موثر بر NCL است . استرس موثر عمودی روی RSL $σ_{v, R S L}^{'}$ توسط ژو و همکاران پیشنهاد شده است. [10] و هودر و همکاران. [11] به عنوان(2) $σ_{v, R S L}^{'} (\hat{z}) = {(\frac{s_{u}}{σ_{v 0}^{'}})}_{NC} \frac{σ_{v 0}^{'} (\hat{z})}{Φ S_{t}} e x p \{\frac{Λ [Γ_{NCL} - v_{initial} (\hat{z}) - λ l n (σ_{v 0}^{'} (\hat{z}))]}{λ - κ}\}$ جایی که ${(s_{u} / σ_{v o}^{'})}_{N C}$ نسبت استحکام زهکشی نشده معمولاً یکپارچه است. $Λ$ نسبت کرنش حجمی پلاستیک است . $Γ_{N C L}$ حجم خاص در است $σ_{v}^{'}$ = 1 کیلو پاسکال در NCL. v _اولیه حجم خاص اولیه است. $λ$ و $κ$ به ترتیب شیب NCL و URL هستند. S _t حساسیت خاک است. $Φ$ یک پارامتر مقاومت توده ای است که به کرنش برشی تجمعی مرتبط است [10] . توزیع مشخصات فضایی عمودی فشار منفذ اضافی در شکل 3 (ج) نشان داده شده است.

2.2 . تغییر سفتی بستر دریا و بسیج استحکام خاک

مقاومت برشی زهکشی نشده s _u ، در هر عمق خاک، از تنش موثر عمودی جاری از طریق پارامتر مقاومت کلوخه به دست می آید. $Φ$ (3) $s_{u} (\hat{z}) = Φ σ_{v}^{'} (\hat{z})$ جایی که $σ_{v}^{'} (\hat{z}) = σ_{v, e q m}^{'} (\hat{z}) - u_{e} (\hat{z})$ همانطور که در شکل 3 (د) نشان داده شده است. میانگین مقاومت برشی زهکشی نشده در مجاورت عمق جریان SCR s _{u,av را} می توان با ادغام مقاومت فعلی خاک محاسبه کرد.(4) $s_{u, a v} = \int_{{\hat{z}}_{e} - α}^{{\hat{z}}_{e} + α} s_{u} (\hat{z}) v_{s} (\hat{z}) d z$ جایی که v _s $(\hat{z})$ یک تابع تأثیر قدرت است، α وسعت تأثیر در بالا و پایین خط مرکزی SCR است.

یک مدل مقاومت-جابجایی غیرخطی برای به تصویر کشیدن تحرک مقاومت خاک به‌عنوان معکوس حرکت که از طریق سختی مماس در حال فروپاشی نمایی K رخ می‌دهد، استفاده می‌شود.(5) $δ (\frac{s_{u, m o b}}{s_{u, a v}}) = δ (\hat{z}) K$

تعیین سفتی مماس K با نسبت تغییر در قدرت متحرک مرتبط است.(6) $K = \{1 - {[\frac{Δ (\frac{s_{u, m o b}}{s_{u, a v}})}{Δ (\frac{s_{u, m a x}}{s_{u, a v}})}]}^{ζ}\} K_{\max}$ جایی که $(\frac{|Δ s_{u, m o b}|}{s_{u, a v}})$ تغییر قدرت نرمال شده فعلی است که از 1- تا 1 متغیر است، $(\frac{|Δ s_{u, m a x}|}{s_{u, a v}})$ تغییر استحکام نرمال شده بالقوه در محدوده 0-2 قرار دارد، همانطور که در شکل 3 (f) نشان داده شده است. ς ضریب توان برای کنترل نرخ تغییر در سفتی مماس است. K _max حداکثر سفتی مماس است که آخرین حرکت معکوس چرخه ای یک طرفه یا دو طرفه رخ می دهد.

2.3 . تغییرات در مقاومت نفوذ عنصر SCR در TDZ

به طور کلی، مقاومت نفوذ عنصر SCR q از مقاومت بستر دریا q _s (نگاه کنید به شکل 3 (h)) و شناور خاک _qb( نگاه کنید به شکل 3 (i)) تشکیل شده است.(7) $q (\hat{z}) = q_{s} (\hat{z}) + q_{b} (\hat{z})$ که در آن(8) $q_{s} (\hat{z}) = N_{c} s_{u, a v}$ و(9) $q_{b} (\hat{z}) = f_{b} A_{s} γ^{'} \frac{1}{D}$ s _u,av در رابطه (8) میانگین مقاومت برشی زهکشی نشده حاصل از چارچوب است و Nc (نگاه کنید به شکل 3 (g)) ضریب ظرفیت باربری است که با عمق خاک متغیر است _.(10) $N_{c} = a {(\hat{z})}^{b}$ که در آن a = 7.1 و b = 0.33 برای $\hat{z}$ ≤ 0.75 [21] و a = 6 و b = 0.15 برای $\hat{z}$ > 0.75 [22] .

شناوری خاک q _b ، در معادله. (9) بر اساس اصل ارشمیدس است که با وزن واحد موثر خاک مرتبط است $γ'$ ، سطح مقطع نرمال شده بخش غوطه ور SCR A _s و ضریب f _b .

2.4 . کاهش استحکام خاک به دلیل حباب آب

در این مطالعه، تأثیر حباب آب بر روی استحکام بستر دریا در نزدیکی خط مشترک آب-خط گل، جایی که حرکت مداوم SCR در حال نزدیک شدن یا عبور است، ثبت می‌شود.

برای به تصویر کشیدن این پدیده در چارچوب تنش موثر، تنظیمات با افزایش حساسیت خاک، St و تغییر RSL به سمت چپ (یعنی سطح تنش موثر کم) انجام _{می‌شود .}این رویکرد منجر به کاهش تنش موثر و استحکام خاک پس از قالب‌گیری چرخه‌ای می‌شود که امکان مدل‌سازی استحکام کمتر خاک به دلیل حباب آب را فراهم می‌کند. در نتیجه، تشکیل یک ترانشه بستر دریا در امتداد SCR را می توان به حساب آورد. این تحقیق بینش هایی را در مورد پاسخ پویا و آسیب خستگی سیستم افزایش دهنده جهانی ارائه می دهددر مجاورت خط مشترک آب و گل و لای. با در نظر گرفتن اثرات حباب آب، تغییرات در استحکام خاک و تشکیل ترانشه در نتیجه، درک جامع تری از رفتار سیستم در شرایط دینامیکی به دست می آید. همچنین شایان ذکر است که فرسایش بستر دریا می تواند تحت تأثیر طیف وسیعی از عوامل قرار گیرد که شامل گردابه های ناشی از جریان های زیر دریا، حرکت دینامیکی لوله در TDZ، ویژگی های بستر دریا و غیره می شود. بنابراین، بررسی عمیق در مورد اثرات حباب آب نیازمند بیشتر پالایش در مطالعات آینده

3 . مدل خیز جهانی

در این بخش، مدل رایزر جهانی با استفاده از مدل جدید لوله-خاک برای قسمت زیرین ارائه شده است. مدل جهانی با استفاده از نرم افزار تجاری ABAQUS (2010) [23] پیاده سازی شده است که به طور گسترده برای تجزیه و تحلیل SCR ها استفاده می شود [24] ، [25] ، [26] .

3.1 . جزئیات مدل و روش های تجزیه و تحلیل

یک مدل SCR جهانی بر اساس ویژگی های ساختاری ذکر شده در جدول 2 توسعه یافته است . همانطور که به صورت شماتیک در شکل 2 نشان داده شده است ، SCR دارای یک پیکربندی معمولی است که به یک پلت فرم Spar متصل است . طول کل SCR 2000 متر و قطر بیرونی رایزر 0.457 متر است. عمق آب عملیاتی 935 متر است. SCR با یک المان تیر اویلر-برنولی 2 گره مدل شده است. اندازه مش SCR 1.0 متر است به جز بخش رایزر 600-1000 متر تا نقطه لنگر ، که قرار است در ناحیه لمس به پایین قرار گیرد و اندازه مش 0.5 متر انتخاب شده است.

جدول 2 . جزئیات پارامترهای SCR.

مولفه های	ارزش های
طول کل SCR	2000 متر
قطر خارجی	0.457 متر
قطر داخلی	0.415 متر
ضخامت دیوار	0.021 متر
مدول الاستیک	207 گیگا پاسکال
نسبت پواسون	0.3
چگالی رایزر در هوا	7850 کیلوگرم بر متر ³
وزن زیر آب	1000 نیوتن بر متر
ارتفاع نقطه توقف	920 متر
زاویه توقف	15.7 درجه
عمق آب	935 متر

نیروهای هیدرودینامیکی (شامل نیروی پسا و نیروی اینرسی) وارد بر SCR با معادله موریسون [27] محاسبه می شود که می تواند به صورت بیان شود.(11) $F_{h} = \frac{1}{2} ρ D C_{d} (- \dot{x}) |\dot{x}| + \frac{π D^{2}}{4} ρ C_{a} (- \ddot{x})$ جایی که x ، $\dot{x}, \ddot{x}$ و به ترتیب جابجایی، سرعت و شتاب افزایش دهنده هستند. Cd _و C _a به ترتیب ضرایب درگ و جرم اضافه شده هستند . ρ چگالی آب است. اولین عبارت در سمت راست معادله. (11) به میرایی هیدرودینامیکی ناشی از نیروی کشش چسبناک آب اشاره دارد و عبارت دوم نیروی اینرسی است که می تواند دوره طبیعی SCR را به دلیل اثر جرم اضافه شده تغییر دهد .

معادله موریسون ذاتاً در ماژول AQUA ABAQUS ساخته شده است. در شبیه سازی های حاضر، ضریب پسا 0.65 و ضریب جرم اضافه شده 1.0 انتخاب شده است [28] . شناوری رایزر با ماژول AQUA نیز در نظر گرفته شده است.

ادغام مدل برهمکنش لوله-خاک در تجزیه و تحلیل جهانی رایزر از طریق اجرای یک مدل چارچوب تنش موثر در یک زیربرنامه عنصر تعریف شده توسط کاربر به دست می آید. این زیربرنامه که در فرترن نوشته شده است، به عنوان بخشی از کتابخانه عنصر کاربر Abaqus (UEL) گردآوری شده است. بستر دریا به عنوان یک ستون یک بعدی از عناصر خاک، با اندازه 0.01 متر در جهت عمودی و 1 متر در جهت افقی، همانطور که در مطالعات قبلی توصیه شده بود، مدل‌سازی می‌شود [29 ]برای دقت شبیه سازی در طول تعامل لوله و خاک، مدل چارچوب برای ایجاد رابطه بین نیروی واکنش بستر دریا و عمق نفوذ SCR استفاده می‌شود. جابجایی چرخه ای SCR همچنین می تواند برای ارزیابی تغییر استحکام و سفتی بستر دریا در نظر گرفته شود، که پیامدهایی برای توزیع بارها در امتداد SCR و پیکربندی SCR تعبیه شده پس از بارگذاری چرخه ای دارد.

روش‌های تحلیل دینامیکی رایزرها را می‌توان به دو دسته اصلی طبقه‌بندی کرد: روش‌های حوزه فرکانس و دامنه زمان. روش‌های دامنه فرکانس در مقایسه با روش‌های حوزه زمان، کارایی بالاتری را ارائه می‌دهند. با این حال، کاربرد آنها محدود به سیستم هایی است که عمدتاً رفتار خطی از خود نشان می دهند. در مقابل، روش‌های حوزه زمان، علی‌رغم ماهیت محاسباتی فشرده‌شان، بررسی جامعی از غیرخطی‌ها، مانند برهم‌کنش‌های غیرخطی لوله و خاک و هیدرودینامیک را ممکن می‌سازد. در شبیه‌سازی‌های حاضر، تحلیل دینامیکی در حوزه زمان برای محاسبه تمام اثرات غیرخطی انجام می‌شود . روش تجزیه و تحلیل پاسخ دینامیکی یک SCR جهانی در ABAQUS در شکل 4 نشان داده شده است.. نوع آنالیز، ایستا یا پویا، در شروع تجزیه و تحلیل ABAQUS/Standard مشخص می شود و طرح افزایش زمان بر اساس فایل ورودی تعیین می شود. برای هر مرحله زمانی، ابتدا جابجایی شناور محاسبه می شود که جابجایی اجباری در بالای SCR را تعیین می کند. متعاقبا، تکرارها برای رسیدن به تعادل جابجایی و نیرو در هر گره SCR شروع می‌شوند. در طول هر تکرار، تشکیل ماتریس سختی جهانیمورد نیاز است، و جابجایی گره های در تماس با بستر دریا به زیربرنامه UEL منتقل می شود. سپس سفتی بستر و نیروهای واکنش با استفاده از مدل برهمکنش لوله-خاک، که جابجایی های SCR را در نظر می گیرد، محاسبه می شود. با گنجاندن اثرات سختی و مقاومت بستر دریا، تعادل جهانی هر گره SCR ارزیابی می‌شود. اگر معیار همگرایی تعادل برای همه گره ها برآورده شود، افزایش زمان فعلی به پایان می رسد و مرحله زمانی بعدی شروع می شود. این روند تا زمانی که تجزیه و تحلیل کامل شود تکرار می شود.

برای تجزیه و تحلیل چنین SCR انعطاف پذیر طولانی در ABAQUS، ممکن است یک مشکل همگرایی به دلیل غیرخطی بودن بالای سازه مواجه شود. برای تسهیل همگرایی، یک فرآیند بالا بردن SCR برای دستیابی به پیکربندی نصب SCR قبل از شبیه‌سازی رایزر جهانی همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است انجام می‌شود.. در ابتدا، SCR به عنوان یک بالابر مستقیم که روی بستر دریا قرار دارد با نقطه لنگر ثابت در مختصات (0، 0) و انتهای دیگر SCR در موقعیت A (2000، 0) مدل‌سازی می‌شود. بستر دریا به عنوان صلب مدل‌سازی شده است تا از هرگونه اختلال غیرواقعی خاک جلوگیری شود. در مرحله بعد، SCR از موقعیت A به موقعیت B بلند می شود و بستر دریا سفت و سخت باقی می ماند. سپس مراحل مشابهی برای بالا بردن انتهای بالایی SCR از B به E تکرار می شود. پس از رسیدن انتهای بالایی SCR به نقطه آویزان (HOP) (1460، 920)، مدل صلب بستر دریا برداشته می شود و غیرخطی است . بستر دریا (یعنی مدل لوله-خاک) فعال می شود. در این مرحله، نفوذ اولیه رایزر به بستر دریا برقرار می شود و پیکربندی SCR، با زاویه هنگ آف 15.7 درجه، در حین نصب به دست می آید.

3.2 . مفهوم تحلیل خستگی

روش تحلیل خستگی بر اساس منحنی های SN به طور گسترده در طراحی سازه استفاده شده است [30] . فرض بر این است که آسیب خستگی یک ماده را می توان با یک معادله SN توصیف کرد(12) $N = A {(Δ σ)}^{- m}$ که در آن N تعداد مجاز چرخه های شکست برای محدوده تنش است $Δ σ$ و m و A ثابت‌های مادی هستند که از آزمون‌های خستگی تعیین می‌شوند .

در تجزیه و تحلیل حاضر، منحنی DNV SN ‘C’ در آب دریا با حفاظت کاتدی [31] استفاده می شود که یک منحنی SN دو بخش است که در شکل 6 نشان داده شده است . برای محاسبه دامنه تنش رایزر، از ترکیب خطی تنش های خمشی و محوری به عنوان تنش خستگی بر اساس DNV-RP-F204 استفاده می شود [32] .(13) $σ_{c} = σ_{a} + σ_{b}$ که σ _a تنش محوری ناشی از کشش و σ _b تنش خمشی است.

با رویکرد خستگی منحنی SN ، عمر خستگی را می توان بر اساس قانون Palmgren-Miner [33] محاسبه کرد، که فرض می کند آسیب خستگی تجمعی یک جمع خطی از آسیب فردی از تمام بازه های محدوده تنش در نظر گرفته شده است، به عنوان مثال،(14) $D_{b} = \sum_{i = 1}^{b} \frac{n_{i}}{N_{i}}$ که در آن D _b آسیب خستگی انباشته است. b تعداد بلوک های استرس است. n _i تعداد چرخه های تنش در بلوک تنش i و N _i تعداد چرخه های شکست در محدوده تنش ثابت Δ σ _i است .

4 . مطالعه موردی

در این بخش، یک مطالعه موردی با استفاده از مدل جهانی SCR پیشنهادی برای نشان دادن شایستگی آن ارائه شده است. قبل از شبیه سازی، اعتبار مدل لوله-خاک ابتدا با مقایسه نتایج آن با تست های بخش SCR گزارش شده توسط یوان و همکاران تایید می شود. [34] و ژو و همکاران. [29] ، اطمینان از نمایش دقیق فعل و انفعالات لوله و خاک. به دنبال آن، دقت و قابلیت اطمینان مدل رایزر جهانی، که UEL را برای مدل لوله-خاک ترکیب می‌کند، از طریق مقایسه با داده‌های شبیه‌سازی توسط نرم‌افزار استاندارد صنعت، Flexcom تأیید می‌شود. در نهایت، پاسخ جهانی SCR، با HOP آن در معرض 1000 حرکت هارمونیکچرخه های ناشی از حرکات هیو اسپار مورد بررسی قرار می گیرد. تمرکز اولیه بر روی تعبیه پیش رونده رایزر و پاسخ نیرو-جابجایی برای بخش های مختلف رایزر در TDZ است.

4.1 . پارامترهای مدل و مورد شبیه سازی

پارامترهای مدل لوله-خاک در جدول 3 خلاصه شده است . خواص اساسی خاک ( $γ'$ ، OCR) و پارامترهای وضعیت بحرانی ( $λ$ ، $κ$ ، $Λ$ ، $Γ_{N C L}$ ، و ${(s_{u} / σ_{v o}^{'})}_{N C}$ ) از آزمایش‌های استاندارد ژئوتکنیکی/آزمایش‌های نفوذ سنج [34] ، [35] ، [36] نشات گرفته‌اند . حساسیت خاک St ₌ 4، از آزمون نفوذ و استخراج چرخه ای توسط یوان و همکاران تعیین می شود. [34] با ضریب ظرفیت باربری N _T-bar = 10.5 [37] . کرنش مشخصه ε ₉₉ = 600 و پارامتر کنترل p = 2.95 برای به تصویر کشیدن تولید فشار منفذ اضافی همانطور که توسط ژو و همکاران پیشنهاد شده است استفاده می شود. [10] برای ثبت کاهش بیشتر در استحکام و سفتی بستر دریا ناشی از حباب آب.

جدول 3 . پارامترهای مدل لوله-خاک.

جزء چارچوب	پارامتر	شرح	ارزش
هندسه	D	قطر SCR (مقیاس نمونه اولیه)	0.457 متر
ویژگی های خاک	γ’	وزن واحد موثر	6 کیلو نیوتن بر متر ³
	OCR	نسبت تثبیت بیش از حد	1
	اس _تی	حساسیت	4 (10، 20) *
حالت بحرانی	λ	شاخص فشرده سازی	0.205
	κ	شاخص تورم	0.044
	Λ	نسبت کرنش حجمی پلاستیک	0.6
	( s _u /σ′ _vo ) _NC	نسبت مقاومت زهکشی نشده به طور معمول یکپارچه شده است	0.16
	Γ _NCL	حجم ویژه، v ، در σ’ _v = 1 کیلو پاسکال در NCL	3.251
ایجاد فشار منافذ اضافی	ε ₉₉	پارامتر کرنش برشی تجمعی	600
	پ	پارامتر نرخ کرنش برشی	2.95
	β	وسعت ناحیه نفوذ کرنش	0.5 D
فرآیند تجمیع	T ₅₀	زمان غیر بعدی برای تثبیت 50٪	0.09
فرآیند تجمیع	متر	پارامتر سطح جاسازی	1.4
مقاومت کلی خاک و واکنش سختی	Φ _ثابت	پارامتر قدرت در شرایط ثابت و قالب‌گیری مجدد	0.6 (1.2، 1.8) ^**
	α	وسعت منطقه نفوذ قدرت	0.5 D
	_حداکثرK	حداکثر سختی مماس	200
	ς	پارامتر قانون قدرت برای بسیج قدرت	0.32

*: توجه داشته باشید. حساسیت 4 در حالت پایه استفاده می شود، در حالی که مقادیر 10 و 20 برای بررسی تأثیر حساسیت خاک استفاده می شود.
**: توجه داشته باشید. پارامتر مقاومت 0.6 در حالت پایه استفاده می شود، در حالی که مقادیر 1.2 و 1.8 برای بررسی تأثیر گرادیان مقاومت خاک استفاده می شود.

برای تعیین محدوده ناحیه تأثیر کرنش برشی و ناحیه تأثیر مقاومت، α = 0.5 و β = 0.5 به ترتیب بر اساس مکانیسم شکست گزارش شده توسط راندولف و وایت [22] اتخاذ می‌شوند . حداکثر سختی مماس، Kmax = ₂₀₀ و پارامتر قانون توان ς = 0.32 با ارائه یک توافق خوب در برابر اندرکنش لوله و خاک اندازه‌گیری شده در آزمایش لوله تعیین می‌شوند [34] .

در شبیه‌سازی جهانی SCR، تنها حرکت افزایشی اسپار در نظر گرفته می‌شود، بنابراین باعث می‌شود که انتهای بالایی SCR به‌طور عمودی در جهت y حرکت کند . یک حرکت صعودی منظم با دامنه H = 2.0 متر و دوره 10 ثانیه در HOP SCR اعمال می شود. یک شبیه‌سازی دینامیک حوزه زمان متشکل از 1000 چرخه حرکت بالا انجام می‌شود. نواحی اطراف نقطه لمس به پایین (TDP) و نقطه لمس پایین (TBP) برای آشفتگی خاک بسیار مهم هستند، همانطور که توسط مطالعات قبلی تایید شده است [15]، [ 17 ] .

موارد انجام شده در مطالعه حاضر در جدول 4 آمده است . در مرحله اول، مدل لوله-خاک و مدل افزایش دهنده جهانی به ترتیب از طریق Validation I و Validation II تایید می شوند . بر اساس مدل‌های معتبر، مقاومت‌های نفوذ بخش‌های مختلف SCR در TDZ با شبیه‌سازی سراسری (به عنوان Case برای PSI ) بررسی می‌شوند. به دنبال آن، اثرات سه پارامتر طراحی حیاتی بر تعامل بین لوله و خاک با گنجاندن توسعه ترانشه، استحکام بستر دریا و حرکت بالارفتن شناور از طریق موارد برای پاسخ‌های جهانی رایزر بررسی می‌شود . شایان ذکر است که در مورد اثر حباب آب، ارزش بالایی ازS _t استفاده می شود (گزارش شده توسط ژو و همکاران [29] و یوان و همکاران [34] ).

جدول 4 . موارد شبیه سازی

تجزیه و تحلیل می کند	k (kPa/m)	اس _تی	H (m)	ملاحظات
اعتبار سنجی I	1	4	–	شبیه سازی مدل لوله-خاک در برابر یوان و همکاران. [34]
اعتبار سنجی II	1	4	–	مدل جهانی رایزر در برابر Flexcom
مورد برای PSI	1	4	2	مقاومت در برابر نفوذ SCR
مواردی برای پاسخ های خیزش جهانی	1	4	2	تأثیر استحکام و سفتی بستر دریا
	2
	3
	1	4	2	اثر حباب آب
		10
		20
	1	4	1	اثر حرکت صعودی
			2
			3

4.2 . اعتبار سنجی مدل برهمکنش لوله و خاک و مدل جهانی بالابر

قبل از شبیه‌سازی SCR جهانی، مدل لوله-خاک برای شبیه‌سازی رفتار بخشی از SCR تحت بارگذاری چرخه‌ای در برابر آزمایش‌های بخش SCR گزارش‌شده توسط یوان و همکاران تأیید شد. [34] و ژو و همکاران. [29] که شامل هر دو آزمون کنترل جابجایی و کنترل بار بود. پس از اجرای چارچوب تنش موثر در زیرروال UEL، یک عنصر کاربر تک در شبیه‌سازی Abaqus با اعمال جابجایی اجباری به عنصر کاربر برای آزمایش‌های کنترل جابجایی و اعمال نیروی متمرکز به عنصر کاربر برای آزمایش‌های کنترل بار مورد آزمایش قرار گرفت . از آنجایی که این مطالعه در درجه اول بر قالب‌گیری مجدد خاک متمرکز است، فقط آزمون «کوتاه‌مدت» در نظر گرفته شد.

در آزمایش جابجایی کنترل شده، بخش لوله از عمق نرمال شده نفوذ کرد $\hat{z}$ = -1 (یک قطر بالاتر از خط گل) به $\hat{z}$ = 3 برای 200 چرخه بارگذاری. مقایسه بین نتایج شبیه‌سازی شده و اندازه‌گیری‌های تجربی از ژو و همکاران. [29] در شکل 7 ارائه شده است . برای این آزمایش “خط شکن”، که در آن هر چرخه از سطح مشترک آب-خط گل عبور می کند، حباب مداوم آب در طول بارگذاری چرخه ای منجر به استحکام خاک کمتری نسبت به مقاومت خاک کاملاً قالب گیری شده می شود. در مدل چارچوب تنش مؤثر، این پدیده را می توان با اختصاص حساسیت خاک بالاتر، St ، و سپس انتقال خط مقاومت کاملاً قالب‌گیری شده، RSL، به سمت بالابر در یک فضای تنش مؤثر حجمی خاص، به‌دقت _{ثبت کرد (}شکل 3ب)، که نشان دهنده تنش مؤثر کمتر ناشی از «شکستن خط گل» چرخه ای و به نوبه خود استحکام کمتر بستر دریا است ( شکل 3 e را ببینید). با تغییر استحکام بستر دریا توسط چارچوب تنش موثر، مقاومت نفوذ SCR q _s از طریق معادلات محاسبه می شود. (7) , (8) , (9) , (10) . نرمال شده q _s,N / q _s,1 (که در آن N عدد چرخه است) در برابر عدد چرخه در عمق نرمال شده $\hat{z}$ = 2 در شکل 7 (الف) ارائه شده است. نتایج نشان می‌دهد که اثر حباب آب بر مقاومت در حال تغییر نفوذ در مقایسه با داده‌های اندازه‌گیری شده به خوبی توسط مدل گرفته شده است. پروفیل های مقاومت نفوذ SCR نفوذ و استخراج در تعداد چرخه های مختلف نیز مطابقت خوبی را نشان می دهد همانطور که در شکل 7 (ب) نشان داده شده است. در آزمایش بار کنترل شده، قطعه لوله از آن نفوذ کرد $\hat{z}$ = -1 تا عمقی که مقاومت نفوذ q برابر با 8 کیلو پاسکال است و سپس برای 100 سیکل استخراج می شود. همانطور که شکل 7 (c) نشان می دهد، مشاهدات تجربی عمق نفوذ پیشرونده در q = 8 کیلو پاسکال، که نشان دهنده تخریب استحکام و سفتی خاک به دلیل قالب گیری مجدد و حباب آب است، به طور موثر توسط مدل پیشنهادی تقلید شده است. پروفیل‌های مقاومت نفوذ تطابق خوبی بین شبیه‌سازی‌ها و اندازه‌گیری‌ها در N = 1، 2، 10 و 100 نشان می‌دهند (توجه داشته باشید که چرخه 10 داده‌های منتشر نشده از آزمایش گزارش‌شده توسط یوان و همکاران [34] است ، اما توسط ژو و همکاران ارائه شده است. همکاران [29]) که نشان می دهد مدل برهمکنش لوله و خاک با موفقیت در زیربرنامه UEL پیاده سازی شده است.

مدل جهانی رایزر پیشنهادی در برابر نتایج حاصل از یک ابزار طراحی استاندارد صنعتی که برای شبیه‌سازی پاسخ نصب یک رایزر از HOP به بستر دریا استفاده می‌شود، تأیید می‌شود. شایان ذکر است که ابزارهای طراحی موجود قادر به محاسبه چرخه به چرخه تخریب بستر دریا نیستند. بنابراین در اعتبارسنجی فقط مرحله نصب در نظر گرفته می شود. پیکربندی پس از نصب SCR در شکل 8 نشان داده شده استو در مقایسه با مشخصات جهانی SCR به دست آمده از Flexcom – یک حل‌کننده دینامیک بالابر تجاری که از همان ویژگی‌های بستر دریا استفاده می‌کند. هر دو مدل مشخصات SCR یکسان و عمیق ترین نفوذ حدود 0.2 متر در امتداد TDZ را نشان می دهند. این مقایسه نشان می‌دهد که مدل رایزر جهانی پیشنهادی می‌تواند هم پاسخ جهانی و هم انحنای محلی را در TDZ رایزر به دقت ثبت کند. در بخش بعدی، نتایج حاصل از تحلیل‌های اضافی با در نظر گرفتن بارگذاری چرخه‌ای برای تأکید بیشتر بر شایستگی‌های مدل مورد بحث قرار خواهد گرفت.

4.3 . نتایج و بحث

برای مورد شبیه سازی جهانی برای PSI ، پروفایل های SCR در اعداد چرخه های مختلف ( N ) در شکل 9 نشان داده شده است . پس از نصب، SCR در TBP 0.24- متر با بستر دریا تماس می گیرد (توجه داشته باشید که مقدار منفی عمق خاک را نشان می دهد). همانطور که بارگذاری چرخه ای رخ می دهد، رایزر تعبیه شده به تدریج نفوذ می کند و به موقعیت نسبتاً پایدار در N = 1000 می رسد. پروفیل های SCR در TDZ به صورت یک شکل ملاقه ارائه می شوند و TBP 0.37 متر به سمت نقطه لنگر حرکت می کند.و TDP 3.5 متر به سمت HOP حرکت می کند. این فرآیند را می‌توان به تولید فشار منفذی اضافی ناشی از بارگذاری چرخه‌ای نسبت داد که در نتیجه تنش مؤثر و استحکام بستر دریا را کاهش می‌دهد و ناحیه نفوذ در حال گسترش در TDZ برای توزیع مجدد بار در امتداد SCR عمل می‌کند.

پاسخ نیرو-جابجایی چهار گره (گره 903، گره 928، گره 953 و گره 981) در بخش های مختلف رایزر در TDZ در شکل 10 ارائه شده است . توجه داشته باشید که در زیرشکل ها، محور y عمق نفوذ و محور x نشان دهنده مقاومت نفوذ است. منحنی‌های نیرو-جابجایی چهار گره، اشکال متمایزی را نشان می‌دهند، که رفتار متنوع عناصر لوله را در TDZ در پاسخ به فرآیند قالب‌گیری مجدد خاک ناشی از دامنه‌های مختلف جابجایی لوله منعکس می‌کند. از منظر جهانی، مقاومت نفوذ بالاتر برای بخش‌های رایزر با عمق نفوذ عمیق‌تر، مانند گره 903، گره 928، و گره 953 بسیج می‌شود، در حالی که کمی کمتر از 3 کیلو پاسکال برای گره 981 بسیج می‌شود.

گره 981 که به عنوان TDP در نظر گرفته می شود و در اطراف خط گل قرار دارد، حرکات چرخه ای قابل توجهی را در عمق کم تجربه می کند. در طول هر چرخه، بخش لوله باید به عمق بیشتری نفوذ کند تا استحکام بیشتری در خاک ایجاد شود و در نتیجه یک سری حلقه های پسماند ایجاد شود . با افزایش تعداد چرخه‌ها، حلقه‌های پسماند باریک‌تر می‌شوند، که نشان‌دهنده نفوذ عمیق‌تر و تغییرات کوچک‌تر در مقاومت نفوذ هنگامی که استحکام خاک به طور کامل قالب‌گیری می‌شود. در مقابل، گره 953، که در یک سایت عمیق تر با دامنه حرکتی بسیار کوچکتر از گره 981 قرار دارد، منحنی نیرو-جابجایی با شکل متفاوتی را نشان می دهد، جایی که حلقه های پسماند تشکیل نشده است. این را می توان به تعبیه نصب عمیق بخش SCR نسبت داد، جایی که استحکام بستر دریا بالا است وتعادل بارحتی اگر مقاومت ژئوتکنیکی به طور کامل بسیج نشده باشد، به دست می آید. منحنی نیرو-جابجایی مشابهی برای گره 928 مشاهده می شود که در کمترین عمق قرار دارد و تغییر مقاومت در برابر نفوذ در طول هر چرخه به دلیل کمترین جابجایی چرخه ای کمتر از گره 953 است. در هر دو مورد، بخش‌های لوله به تدریج تحت بارگذاری چرخه‌ای عمیق‌تر نفوذ می‌کنند که نشان‌دهنده کاهش چرخه‌ای مقاومت خاک است، و خاک «تازه» نیز با مقاومت برشی بالاتر بسیج می‌شود. برای گره 903، که در لبه ناحیه نفوذ چرخه ای قرار دارد، دامنه حرکت و مقاومت نفوذ در ابتدا بسیار کوچک است زیرا بیشتر بارگذاری چرخه ای توسط خاک در امتداد SCR تعبیه شده مقاومت می کند. با این حال، با توزیع مجدد بار و گسترش ناحیه نفوذ چرخه ای، نیروی نفوذ در گره 903 افزایش می یابد.

5 . عوامل کلیدی طراحی برای تحلیل خستگی رایزر

این بخش بر ارزیابی اثرات پارامترهای طراحی بر تعامل جهانی بالارو- بستر دریا و تخریب مقاومت بستر دریا تمرکز دارد. علاوه بر این، پاسخ‌های دینامیکی رایزر جهانی، مانند نیروی برشی و لنگر خمشی در TDZ، ارزیابی می‌شوند. تاریخچه زمانی تنش برای بحرانی ترین گره نیز ارائه شده است و آسیب خستگی با استفاده از منحنی SN محاسبه می شود. هدف اصلی این تحلیل، به دست آوردن بینشی در مورد تأثیر این پارامترهای طراحی بر تعامل لوله و خاک و پاسخ ساختاری کلی سیستم است. این در نهایت به شناسایی پارامترهای طراحی حیاتی و اصلاح فرآیند طراحی برای SCR ها کمک می کند.

5.1 . اثر توسعه ترانشه

شکل 11 پروفیل های SCR را پس از 1، 10، و 1000 چرخه حرکت بالا، در کنار خطوط تنش موثر خاک با مقادیر مختلف_Stنشان می دهد . مقاومت اولیه خاک،_su _,i، برای هر سه شبیه‌سازی سازگار است، اما با St تغییر می‌کند ، که منجر به تخریب مقاومت خاک حتی کمتر از مقاومت خاک قالب‌گیری مجدد می‌شود. بارگذاری چرخه ای اعمال شده به بالابر اجازه می دهد تا بستر دریا به سمت یک حالت ثابت با نفوذ مداوم خط لوله نرم شود. شکل 11₍ ب) نشان می دهد که حساسیت خاک بالاتر (یعنی St = 20) منجر به کاهش بیشتر تنش موثر و در نتیجه کاهش مقاومت خاک تحت بارگذاری چرخه ای می شود. _{خاک در مجاورت TBP پس از 1000 چرخه کاملاً قالب‌گیری می‌شود ،} که طی آن تنش مؤثر تقریباً 15 برابر برای St = 4 (و 75 برابر برای St = 20) _کاهش می‌یابد و مقادیر $σ_{v, R S L}^{'}$ برای هر دو S _t = 4 و S _t = 20 بسیار کمتر از $σ_{v, N C L}^{'}$ . علاوه بر این، توجه به این نکته مهم است که ناحیه نفوذ چرخه ای با محدوده محدود از عمق -0.32 متر در N = 1 تا -0.57- متر در N = 1000 گسترش می یابد. این نشان می دهد که توزیع مجدد نیروی چرخه ای در امتداد SCR نمی تواند ایجاد انبساط آزاد خط لوله در امتداد جهت افقی در TDZ، اگرچه خاک نرم شده است. بنابراین، تحت همان حرکت افزایشی شناور، تنها یک تفاوت جزئی در مشخصات رایزر تشخیص داده می‌شود، با TBP کمی عمیق‌تر برای St _بالاتر .

شکل 12 میانگین نیروهای برشی و گشتاورهای خمشی در TDZ را به دنبال 1000 سیکل حرکت نشان می دهد. پروفیل های SCR با St متغیر _، انحناهای کمی متفاوت در محدوده 700 متر تا 750 متر از طول قوس SCR نشان می دهند که نتیجه توزیع مجدد نیروی نفوذ در امتداد SCR است که منجر به تغییرات متناظر در میانگین نیروهای برشی و گشتاورهای خمشی در این می شود. دامنه. با این حال، توزیع نیروی برشی میانگین و گشتاورهای خمشی در سایر محدوده‌های طولی اساساً یکسان باقی می‌مانند.

برای بررسی تاثیر حساسیت خاک بر آسیب خستگی SCR، توزیع آسیب خستگی در TDZ در شکل 13 نشان داده شده است.(ب). قابل توجه، منحنی آسیب خستگی دو قله مجزا را نشان می دهد. اولین پیک مربوط به TDP است که از تعامل بین بستر دریا و SCR ناشی می شود. قله دوم تقریباً 30 متر دورتر از TDP، به سمت نقطه آویزان مشاهده می شود. این قله دوم به خم شدن قابل توجهی نسبت داده می شود که به عنوان انتقال از نقطه حمایتی بستر دریا (یعنی TDP) به تعلیق تقریباً عمودی عمل می کند. در طول حرکت بالا رفتن سکو، ارتعاش این بخش انتقالی عمدتاً تحت تأثیر حرکت شعاعی SCR است که منجر به دامنه تنش خمشی دینامیکی بزرگ و در نتیجه آسیب خستگی بیشتر می‌شود. از سوی دیگر، در ناحیه تعلیق تقریباً عمودی، حرکت SCR اساساً در زیر بالا آمدن سکوی اجباری محوری است که منجر به آسیب خستگی قابل توجهی کمتر می‌شود.[38] .

در مطالعه حاضر، بحرانی ترین نقطه SCR به عنوان TDP شناسایی شده است و تاریخچه زمانی تنش این نقطه داغ در شکل 13 (الف) برای چرخه های 995 تا 1000 نشان داده شده است. می توان مشاهده کرد که محدوده تنش در این نقطه داغ با افزایش حساسیت خاک، اندکی کاهش می یابد، که منجر به کاهش متناظر در آسیب خستگی می شود که در شکل 13 (ب) نشان داده شده است. این نشان می دهد که تأثیر حباب آب بر پاسخ های SCR به دلیل توزیع مجدد قابل توجه بار چرخه ای به این نقطه داغ محدود می شود.در امتداد SCR علاوه بر این، استحکام نرم شده بستر دریا ناشی از حباب بزرگ آب در واقع برای عمر خستگی TDP مفید است. با این حال، افزایش آسیب خستگی در قله دوم منحنی آسیب خستگی با افزایش حساسیت خاک مشاهده می شود.

5.2 . تأثیر استحکام بستر دریا

شکل 14 پروفیل های SCR شبیه سازی شده و خطوط تنش موثر خاک را پس از 1، 10 و 1000 چرخه حرکت افزایشی نشان می دهد. سه شیب مختلف استحکام بستر دریا، k (تعریف شده به صورت d s _u /d z ) 1، 2 و 3 کیلو پاسکال بر متر، که بیانگر شرایط بستر نرم، متوسط و سخت است. در این مطالعه، برای شبیه‌سازی گرادیان‌های مقاومت خاک بالا k = 2 و 3 kPa/m، از مقادیر افزایش‌یافته پارامتر مقاومت Φ_ثابت استفاده شد (Φ_ثابت = 1.2 برای k = 2 کیلو پاسکال بر متر؛ Φ_ثابت = 1.8 برای k = 3 کیلو پاسکال بر متر). این رویکرد باعث افزایش استحکام خاک در همان سطح تنش موثر می‌شود.

همانطور که انتظار می رود، استحکام بیشتر بستر دریا منجر به مقاومت در برابر نفوذ بیشتر می شود که منجر به تعبیه رایزر کم عمق تر در طول چرخه اول می شود. از آنجایی که حساسیت خاک St در هر سه مورد ثابت است، استحکام خاک به سطوح مختلف کاهش می‌یابد، به طوری که مقاومت خاک قالب‌گیری شده برای بستر نرم کمتر از مقاومت خاک برای بستر سخت است _.در نتیجه، پس از چرخه‌های متعدد، تعبیه‌ای عمیق‌تر برای بستر نرم دریا (یعنی k = 1 کیلو پاسکال بر متر) مشاهده می‌شود.

در طول فاز بارگذاری دینامیکی، SCR به تدریج به بستر دریا نفوذ می کند زیرا استحکام خاک به صورت دوره ای قالب گیری می شود، در نهایت به عمق پایداری می رسد که در آن استحکام قالب گیری مجدد می تواند در برابر بارگذاری SCR مقاومت کند، همانطور که در شکل 14 (الف) نشان داده شده است. با این حال، به دلیل حرکت رایزر و توزیع مجدد بار در طول نفوذ پیشرونده رایزر در بستر دریا، برخی از بخش های لوله نمی توانند همان دامنه بار را به طور نامحدود حمل کنند. برهمکنش بین SCR و بستر دریا باعث می شود که رایزر انعطاف پذیر شدت بار وارد بر بستر دریا را مجدداً توزیع کند. برای شرایط سخت بستر دریا در این مطالعه (یعنی k = 3 کیلو پاسکال بر متر)، بار متمرکز در مجاورت TBP به سختی به سمت نقطه لنگر در طول چرخه ها رها می شود (یعنی حرکت در افقی)، و SCR در یک ترانشه باریک محدود می شود که منجر به افزایش قابل توجهی می شود. در عمق جاسازی در پایین SCR، همانطور که در شکل 14 (ب) نشان داده شده است. در نتیجه، یک منطقه قالب‌گیری عمیق‌تر خاک برای بستر دریا با k = 3 kPa/m بین 760 متر و 800 متر مشاهده می‌شود.

شکل 15 میانگین نیروهای برشی و لنگرهای خمشی را با قدرت های مختلف بستر دریا در TDZ پس از 1000 سیکل مقایسه می کند. با توجه به پیکربندی ها و نفوذهای مختلف SCR در شرایط مختلف بستر دریا، تغییر محسوسی در میانگین نیروهای برشی و گشتاورهای خمشی در محدوده طول بالابر مشاهده می شود.از 700 متر تا 750 متر همانطور که استحکام بستر دریا افزایش می‌یابد، تغییر نیروی میانگین بزرگ‌تر می‌شود و پیک نیرو به سمت TDP تغییر می‌کند، با روند مشابهی برای اوج میانگین لنگر خمشی مشاهده می‌شود. این را می‌توان به این دلیل نسبت داد که خاک نرم‌تر منجر به تغییر کوچک‌تری در انحنا در محدوده طول بالابر از 700 متر تا 750 متر می‌شود، در حالی که خاک سفت‌تر تمایل دارد که رایزر را به یک ترانشه باریک‌تر محدود کند و در نتیجه تغییر بزرگ‌تری در طول بالابر ایجاد می‌کند. انحنا این نتیجه گیری مشابه نتیجه گیری دونگ و شیری است [17] .

تاریخچه زمانی تنش نقطه داغ برای سه مورد (واقع در x = 789 متر)، در شکل 16 (a) مقایسه شده است. می توان مشاهده کرد که هر دو فرورفتگی تنش و تاج ها با استحکام و سفتی بستر دریا افزایش می یابند که این افزایش چندان قابل توجه نیست. به همین ترتیب، اولین پیک آسیب خستگی با سفتی بستر دریا همانطور که در شکل 16 (ب) نشان داده شده است، افزایش می‌یابد، و دومین پیک آسیب خستگی روند مشابهی را نشان می‌دهد. این نتایج نشان می‌دهد که یک بستر سفت‌تر منجر به انحنای بزرگ‌تر و آسیب خستگی بیشتر در نقطه داغ می‌شود، که با نتیجه‌گیری به‌دست‌آمده توسط Bai و همکاران همخوانی دارد. [15] .

5.3 . اثر حرکت صعودی

اثر حرکت افزایش ارتفاع شناور با تغییر دامنه ارتفاع H از 1 متر، 2 متر تا 3 متر بررسی می شود. شکل 17 پروفیل های SCR و خطوط تنش موثر خاک را برای دامنه های مختلف ارتفاع پس از 1، 10 و 1000 چرخه حرکت افزایشی نشان می دهد. دامنه حرکت افزایشی فلوتر تأثیر قابل توجهی بر پروفیل رایزر دارد. با افزایش دامنه حرکت بالا، موقعیت TDP به سمت راست منتقل می شود، در حالی که مکان TBP به سمت چپ منتقل می شود و توسعه ترانشه عمیق تری مشاهده می شود. با افزایش تعداد چرخه، ناحیه قالب‌گیری مجدد تنش مؤثر به طور گسترده‌تری گسترش می‌یابد. با این حال، از آنجایی که St ثابت نگه داشته می شود و بستر دریا نسبتاً نرم است ₍k = 1 کیلو پاسکال در این مورد)، نیروی متمرکز بر TBP راحت تر به نقطه لنگر منتقل می شود و در نتیجه تنش موثر خاک در جهت رو به پایین کاهش می یابد .

میانگین نیروهای برشی و لنگرهای خمشی با دامنه‌های مختلف حرکت صعودی پس از 1000 سیکل در شکل 18 نشان داده شده است که مقادیر قله‌های متمایز و مکان‌های متناظر را در امتداد رایزر تعبیه‌شده در محدوده طولی از 700 متر تا 750 متر نشان می‌دهد. برخلاف اثر استحکام بستر دریا، تغییر در نیروی برشی میانگین کاهش می‌یابد و پیک نیرو به سمت نقطه لنگر با افزایش دامنه حرکت افزایش می‌یابد. این را می توان به نفوذ بیشتر SCR در محدوده طول 700-750 متر نسبت داد که دامنه حرکت صعودی افزایش می یابد، که منجر به تغییر انحنای بارزتر در رایزر در این بخش می شود.

منحنی‌های تاریخچه زمانی تنش نقطه داغ که در معرض دامنه‌های مختلف حرکت صعودی قرار دارند در شکل 19 مقایسه شده‌اند . همانطور که انتظار می رود، دامنه حرکت بزرگ باعث نوسانات شدید در تنش می شود. در نتیجه، دامنه تنش و آسیب خستگی مربوطه به طور قابل توجهی با دامنه حرکت افزایش می یابد. به طور قابل توجهی، افزایش دامنه حرکت افزایش می تواند بحرانی ترین نقطه SCR را از TDP به نقطه تعلیق دور از TDP تغییر مکان دهد همانطور که در شکل 19 (ب) نشان داده شده است.

6 . نتیجه گیری

این مطالعه توسعه یک مدل SCR جهانی را ارائه می‌کند که دارای یک چارچوب تنش مؤثر برای تجزیه و تحلیل دقیق برهم‌کنش لوله و خاک است. مدل ایجاد شده مبنایی برای پیش‌بینی استحکام بستر دریا و پاسخ ساختاری پویا SCR در TDZ فراهم می‌کند. با انجام یک سری شبیه‌سازی دینامیک حوزه زمان بر روی مدل افزایش دهنده جهانی، این مطالعه بر بررسی اثرات سه پارامتر طراحی حیاتی تمرکز دارد. نتایج کلیدی زیر از تجزیه و تحلیل حاصل می شود:

1.
شبیه‌سازی‌ها فرآیند قالب‌گیری مجدد خاک را نشان می‌دهند و نشان می‌دهند که پروفیل‌های جهانی رایزر به تدریج با فرآیند نفوذ تغییر می‌کنند. یک پروفیل نفوذ پایدار را می توان پس از تعداد کافی چرخه حرکت SCR به دست آورد، اما بخش های مختلف لوله در TDZ پاسخ های نیرو-جابجایی متفاوتی را نشان می دهند. بخش‌های نزدیک TDP برهمکنش مکرری را با خط گل تجربه می‌کنند که منجر به حلقه‌های پسماند در منحنی‌های نیرو-جابجایی می‌شود. با این حال، بخش‌های عمیق‌تر، دامنه‌های پاسخ کوچک‌تری را بدون ایجاد حلقه‌های پسماند نشان می‌دهند. در طی چرخه ها، ناحیه نفوذ گسترش می یابد و بخش های دور از TDP بسیج می شوند و بار را در امتداد SCR توزیع می کنند.
2.
پروفیل بالابر نسبت به ترانشه بستر دریا ناشی از حباب آب بسیار حساس نیست و تنش TDP با افزایش عمق ترانشه به دلیل توزیع مجدد قابل توجه بارگذاری دینامیکی در امتداد SCR کاهش می یابد، اما افزایش تنش در بخش انتقال (از TDP به تعلیق) مشاهده می شود.
3.
استحکام بالاتر بستر دریا منجر به مقاومت در برابر نفوذ بیشتر می شود که منجر به جاسازی نسبتاً کم عمق SCR می شود. در TDZ، ناحیه قالب‌گیری مجدد در TDZ با افزایش استحکام بستر دریا باریک‌تر و عمیق‌تر می‌شود، زیرا بار روی رایزر کمتر قادر به گسترش به سمت نقطه لنگر است. این باعث انحنای زیاد و در نتیجه آسیب خستگی زیاد برای رایزر می شود.
4.
حرکات بزرگ شناور باعث ایجاد ارتعاشات قابل توجه در رایزر می شود که منجر به آسیب خستگی زیاد می شود. علاوه بر این، منطقه توسعه ترانشه به سمت نقطه لنگر با افزایش حرکات شناور افزایش می یابد. این یافته‌ها بر اهمیت در نظر گرفتن حرکات شناور در طراحی و عملکرد سیستم‌های SCR تاکید می‌کنند.

به طور کلی، بینش های ارائه شده توسط این مطالعه رفتار پویا و آسیب خستگی سیستم های جهانی SCR را روشن می کند. یافته‌ها می‌توانند به طراحی‌ها و عملیات آینده چنین سیستم‌هایی اطلاع دهند و کارایی و قابلیت اطمینان آن‌ها را افزایش دهند.

بیانیه مشارکت نویسنده CRediT

ژنگو گائو: مفهوم‌سازی، روش‌شناسی، نرم‌افزار، اعتبارسنجی، تحلیل رسمی، نگارش – بررسی و ویرایش. ویچن وانگ: نوشتن – پیش نویس اصلی، مدیریت داده، تجسم. زفنگ ژو: روش‌شناسی، نرم‌افزار، نظارت، مفهوم‌سازی، نوشتن – بررسی و ویرایش. یو یان: منابع، اعتبارسنجی، نوشتن – بررسی و ویرایش. Dhruba L. Pradhan: مفهوم سازی، روش شناسی، نوشتن – بررسی و ویرایش.