أبحاث حول مكوّنات التحكم في تدفق الموائع عالية الضغط ومشعبات الضغط العالي

1. الخلفية النظرية لمكوّنات التحكم في تدفق الموائع عالية الضغط ومشعبات الضغط العالي

في العلوم والتكنولوجيا، في العديد من مسائل الميكانيكا والفيزياء، يكون الناس قد حصلوا بالفعل على المعادلات الأساسية التي يجب اتباعها، سواء كانت معادلات تفاضلية عادية أو معادلات تفاضلية جزئية، مع شروط الحل المحددة المقابلة. ومع ذلك، يمكن الحصول على حلول دقيقة بالطرق التحليلية فقط لعدد قليل من المسائل التي معادلاتها بسيطة نسبيا وهندساتها منتظمة إلى حد كبير. بالنسبة لمعظم المسائل، لأن بعض ميزات المعادلات غير خطية أو لأن هندسة منطقة الحل معقدة نسبيا، لا يمكن الحصول على إجابات تحليلية. عادة ما يكون هناك طريقتان لحل هذه المشكلات. الأول هو تقديم افتراضات مبسطة وتبسيط المعادلات والحدود الهندسية إلى شكل يمكن إدارته، والحصول على الحل تحت ظروف مبسطة. هذه الطريقة ممكنة فقط في حالات محدودة، لأن التبسيط المفرط قد يؤدي إلى أخطاء كبيرة أو حتى إجابات خاطئة. لذلك، على مدى سنوات عديدة، بحث الناس عن مسار حل آخر وطوروه: الطرق العددية. وخاصة خلال أكثر من ثلاثين عاما الماضية، ومع التطور السريع والتطبيق الواسع للحواسب، أصبح التحليل العددي أداة رئيسية لحل المشكلات العلمية والتقنية.

كان ظهور طريقة العناصر المحدودة اختراقا كبيرا في التحليل العددي للبحث. الفكرة الأساسية هي تقسيم منطقة المحلول المستمر إلى عدد محدود من العناصر المتصلة ببعضها بطريقة معينة. نظرا لأن العناصر يمكن دمجها في أشكال اتصال مختلفة والعناصر نفسها يمكن أن تكون لها أشكال مختلفة، يمكن نمذجة مجالات الحلول المعقدة. ميزة مهمة أخرى لطريقة العناصر المنتهية هي أن الدوال التقريبية المفترضة داخل كل عنصر تستخدم جزئيا لتمثيل دالة الحقل المجهول على كامل مجال الحل. عادة ما تعبر الدالة التقريبية في عنصر بقيم دالة الحقل المجهول، أو مشتقاتها، عند عقد العناصر وبواسطة دوال الاستيفاء. وبهذه الطريقة، في تحليل العناصر المنتهية للمسألة، تصبح قيم دالة الحقل المجهول أو مشتقاتها في كل عقدة مجهولات جديدة، مما يحول مسألة درجة الحرية اللانهائية المستمرة إلى مسألة درجة حرية منتهية متقطعة. بمجرد حل هذه المجهولات، يمكن استخدام دوال الاستيفاء لحساب القيم التقريبية لدالة الحقل في كل عنصر، والحصول على الحل التقريبي على كامل المجال. مع زيادة عدد العناصر، أي مع تقليل حجم العناصر، أو مع زيادة درجات حرية العناصر ودقة الاستيفاء، يتحسن التقريب باستمرار. إذا استوفى العناصر متطلبات التقارب، فإن الحل التقريبي سيتقارب في النهاية إلى الحل الدقيق.

تطورت ميكانيكا الكسر حتى الآن، وبشكل نسبي، الجزء الخطي المرن أكثر نضجا. نظريتها بسيطة، وأساسه قوي، وقد تم تطبيقه في بعض المجالات الهندسية. تشمل المعايير الرئيسية معيار غريفيث، وهو معيار معدل إطلاق الطاقة، ومعيار إروين، وهو معيار عامل شدة الإجهاد K. النظريات الرئيسية في ميكانيكا الكسور المرنة والبلاستيك هي نظرية COD، وإزاحة فتحات الشقوق، التي اقترحت في عام 1960، ونظرية التكامل J التي اقترحت في عام 1968. تشكل هاتان النظريتان جسم ميكانيكا الكسر المرن والبلاستيك ويمكن استخدامهما لتحليل عملية بدء الشقوق وانتشارها وعدم استقرارها بالكامل. كتخصص حقيقي، تطورت ميكانيكا الكسور بسرعة كبيرة. بدءا من تقديم جي. آر. إروين لمفهوم عامل شدة الإجهاد في عام 1957، له تاريخ أقل من 50 عاما في هذا السرد. يعد هذا التخصص أحد أكثر فروع ميكانيكا المواد الصلبة نشاطا، وقد أثر بشكل كبير على مجالات الهندسة مثل فيزياء المعادن، وعلم المعادن، وعلوم المواد، والطيران، والآلات، والبناء، وهندسة الزلازل. لقد أظهر حيوية قوية واستخدم على نطاق واسع لحل المشكلات الهندسية العملية. هناك العديد من التطبيقات الناجحة لميكانيكا الكسور في الداخل والخارج. حتى أن بعض الدول والدوائر وضعت معايير تصميم ومعايير قبول بناء على ميكانيكا الكسور. على سبيل المثال، تم تصميم قاذفة B-1 الأمريكية باستخدام آليات الكسور. تقييم تحمل العيوب لدعم منصات الإنتاج في حقل النفط في بحر الشمال البريطاني وخط أنابيب الغاز في ألاسكا هو أيضا تطبيقات هندسية نموذجية لميكانيكا الكسور. تطبيق ميكانيكا الكسر على الأوعية الضغطية، وخاصة الأوعية النووية، أكثر نضجا نسبيا.

يبدأ التنبؤ بضرر مشعبات الضغط العالي بتحليل السلوك المرن اللدن باستخدام طريقة العناصر المحدودة. ونظرا لتعقيد هندسة هذه المشعبات وتعذر الحصول على حل تحليلي مباشر، يُعتمد على الحلول العددية، ثم يُجرى تحليل الضرر وفق مبادئ ميكانيكا الكسر.

2. الأهمية الهندسية وقيمة التطبيق لمكوّنات التحكم في تدفق الموائع عالية الضغط ومشعبات الضغط العالي

تتكوّن مشعبات الضغط العالي من مكوّنات التحكم في تدفق الموائع عالية الضغط. تستخدم مشعبات الضغط العالي على نطاق واسع في خطوط أنابيب البتروكيماويات والغاز الطبيعي. نظرا لأنها تتحمل ضغط الصدمات العالي جدا والأحمال المتناوبة داخليا، فإن تآكل سمك الجدران يكون كبيرا. مع زيادة سنوات الخدمة، يحدث كسر الإجهاد في مشعبات الضغط العالي. في إنتاج البتروكيماويات والعمليات المشابهة، تتحمل خطوط الأنابيب والمشعبات مسؤولية نقل مواد متنوعة. بمجرد وقوع حادث، قد يتعرض الإنتاج الطبيعي للمنشأة للخطر، وقد تحدث حوادث خطيرة مثل الحريق والتسمم والانفجار. لذلك، فإن البحث في التنبؤ بالضرر وتقييم عمر الخدمة لمشعبات الضغط العالي يثير قلقا كبيرا في مجال الهندسة. تدرس هذه المقالة القضية بعمق، بدءا من تحليل القوة، وعلى هذا الأساس تجري تحليل الكسر بحدث واحد، وتحليل عمر الكسر بالتعب، وتحليل عمر نمو الشقوق لمشعبات الضغط العالي. يمكن أيضا توسيع مبادئ ونتائج هذا البحث لتشمل تحليل التنبؤ بالضرر للمواد والأجزاء مثل الأنابيب، والأغلاف، وأنابيب الحفر، وأطواق الحفر في حقول النفط وصناعات البتروكيماويات.

عادة ما تكون مشعبات الضغط العالي المستخدمة حاليا في شاحنات مضخات النيتروجين السائل، وشاحنات التكسير، وشاحنات الرمل، وشاحنات التكسير الحمضي التابعة لشركة التكسير العميق التابعة لمكتب استكشاف البترول في لياوهي عادة ما تكون ضغوط عمل تزيد عن 40 ميغاباسكال وضغط تصميم 100 ميجا باسكال. وفقا لقانون بناء وقبول هندسة خطوط الأنابيب الصناعية، GBJ235-82، تقسم خطوط الأنابيب الصناعية حسب ضغط التصميم إلى أربعة مستويات من منخفض إلى عالي. عندما يكون الضغط الداخلي p أكبر من 10 ميجا باسكال، يعتبر خط أنابيب عالي الضغط، وتكون مشعبات الضغط العالي هي المستوى الرابع. نظرا لأن مشعبات الضغط العالي في شركة تكسير البئر القاعي لها دورة خدمة طويلة وغالبا ما تتعرض لأحمال متناوبة، فإن سمك الجدران يتآكل بشكل كبير ويمكن أن تظهر تشققات الإجهاد بسهولة في مناطق تركيز الإجهاد. لضمان الإنتاج الآمن وتوفير أساس علمي للاستخدام الصحيح لمشعبات الضغط العالي، تم تطبيق نتائج البحث هنا بشكل خاص وتم الحصول على نتائج مرضية.

3. حالة البحث المحلية والدولية لمكوّنات التحكم في تدفق الموائع عالية الضغط ومشعبات الضغط العالي

حاليا، أجرى الباحثون في الداخل والخارج العديد من الدراسات حول الأضرار والفشل وطرق التقييم لمشعبات الضغط العالي وخطوط الأنابيب. ومع ذلك، فإن أحمال الضغط التي تدرس عادة أقل من 40 ميجا باسكال، وقليل جدا من الدراسات تتضمن أحمال ضغط تتراوح بين 50 ميجا باسكال إلى 100 ميجا باسكال. من نتائج الأبحاث المنشورة، تم اقتصر تحليل الإجهاد باستخدام طريقة العناصر المحدودة على نطاق التشوه المرن. في تحليل الكسور في خطوط الأنابيب، تطبق معظم الدراسات معايير الكسر الخطي المرن ولا تأخذ في الاعتبار تأثير منطقة التشقق البلاستيكية. يركز البحث الخارجي في خطوط أنابيب الضغط بشكل رئيسي على التآكل، وكسور الأنابيب، ومشاكل السلامة بعد فشل خطوط الأنابيب. لتكسير أنابيب الغاز الطبيعي والبترول بسبب التآكل، تم صياغة ANSI/ASME B31G في عام 1985. في عام 1997، نشر الدكتور ديفيد بات والدكتور بن فو من مركز أبحاث خطوط أنابيب الغاز البريطاني أوراقا بحثية وطوروا هذا المعيار، مقترحين طريقة أكثر دقة لتقييم الشقوق في خطوط الأنابيب المتآكلة تعتمد بشكل رئيسي على معايير الفشل والتحليل العددي. في أوائل الثمانينيات، أجريت أبحاث دولية واسعة حول تقنية تقييم سلامة عيوب خطوط الأنابيب. صاغت بعض الدول الصناعية معايير قبول خاصة ومواصفات تقييم العيوب لعيوب خطوط الأنابيب. في أواخر الثمانينيات، تم تنظيم برنامج دولي لأبحاث نزاهة خطوط الأنابيب شمل تسع دول ومناطق. تركز الأبحاث المحلية الحالية بشكل رئيسي على تقييم عيوب الأوعية الضغطية، بينما تركز معظم الأبحاث والتحليل والعمل التجريبي على تقييم بدء الشقوق. ومع ذلك، يجب أن يأخذ تحليل السلامة الهيكلية في الاعتبار عملية بدء التشققات والكسر وعدم الاستقرار بأكملها. لذلك، يبقى تحليل القوة والتنبؤ بعمر الإجهاد لمشعبات الضغط العالي، خاصة تلك التي تتجاوز أحمال الضغط 40 ميجا باسكال، فجوة.

4. محتوى البحث لمكوّنات التحكم في تدفق الموائع عالية الضغط ومشعبات الضغط العالي

تستخدم مشعبات الضغط العالي لنقل الوسائط وضمان تدفق الوسط بسلاسة على طول المسار المصمم. تشمل مكوّنات التحكم في تدفق الموائع عالية الضغط تجميعات الأنابيب المستقيمة عالية الضغط والوصلات الدوارة ووصلات التيه. تُجمَّع هذه المكوّنات في مشعبات الضغط العالي بحيث يصل الوسط المنقول إلى الموقع المطلوب وفقا لمتطلبات التصميم.

مادة الصنع المحلية لتجميعات الأنابيب المستقيمة والوصلات الدوارة ووصلات التيه في مشعبات الضغط العالي هي فولاذ 30Cr. أما المادة المستوردة فتقابل مطروقات الفولاذ SA372-V-3B وفق معيار ASME الأمريكي. لا تتوافر بيانات تفصيلية عن التركيب الكيميائي والخواص الميكانيكية ومعاملات الكسر لهذه المواد؛ لذا يتطلب البحث اختبارها وقياسها لدى مركز اختبارات الاهتزاز والمتانة ومختبر ميكانيكا المواد في جامعة داليان للتكنولوجيا.

محتوى البحث المحدد هو كما يلي:

تحليل قوة تجميعات الأنابيب المستقيمة ضمن مكوّنات التحكم في تدفق الموائع عالية الضغط: وفقا للمواصفات، تقسم الأجزاء عالية الضغط إلى 3 إنش و2 إنش. و1.5 إنش. الأحجام. يتم اختيار ثلاثة أجزاء عالية الضغط ممثلة من بين الأنواع الثلاثة لتحليل القوة تحت حالات الأحمال الداخلية 50 ميغاباسكال و70 ميجا باسكال و100 ميجا باسكال.

تحليل قوة وصلة دوارة ضمن مكوّنات التحكم في تدفق الموائع عالية الضغط: يتم أيضا اختيار أجزاء عالية الضغط الممثلة من 3 بوصات و2 بوصة. و1.5 إنش. مواصفات تحليل القوة تحت حالات الأحمال الداخلية 50 ميغاباسكال، 70 ميجاباكال، و100 ميجاباكال.

تحليل قوة العناصر المحدودة لوصلات التيتي ضمن مكوّنات التحكم في تدفق الموائع عالية الضغط: يتم اختيار نوع واحد مستورد ونوع محلي لتحليل القوة تحت علب الضغط الداخلي 50 ميغاباسكال، 70 ميغاباسكال و100 ميغاباسكال.

تحليل قوة العناصر المحدودة لنهايات الأنابيب المستقيمة ضمن مكوّنات التحكم في تدفق الموائع عالية الضغط: يتم تحليل القوة تحت حالات الأحمال الداخلية 50 ميغاباسكال، 70 ميغاباسكال و100 ميجا باسكال. وبما أن الكسر قد حدث في النهاية، فهناك حاجة إلى تحليل نظري لسبب الكسر.

باستخدام معايير ميكانيكا الكسر الخطية والمرونة، يتم إجراء تحليل فشل الكسر أحادي الحدث لتجميعات الأنابيب المستقيمة، ونهايات الأنابيب المستقيمة، ووصلات وصلة دوارة وقطع البداية ضمن مكوّنات التحكم في تدفق الموائع عالية الضغط.

باستخدام نظرية الإجهاد منخفض الدورة، يتم إجراء تحليل كسر الإجهاد لتجميعات الأنابيب المستقيمة، ونهايات الأنابيب المستقيمة، ووصلات وصلة دوارة وتيتي ضمن مكوّنات التحكم في تدفق الموائع عالية الضغط.

باستخدام صيغة باريس وصيغة الضرر التراكمي الخطي لماينر، يتم إجراء تحليل عمر نمو الشقوق لتجميعات الأنابيب المستقيمة، ونهايات الأنابيب المستقيمة، ووصلات وصلة دوارة وتيتي ضمن مكوّنات التحكم في تدفق الموائع عالية الضغط.