بررسی عددی تقویت لوله‌های تحت‎ ‎فشار دارای ترک خارجی در راستای طولی با استفاده از ‏CFRP‏ در شرایط بهره‌برداری

نوع مقاله : مکانیک جامدات

نویسنده

استادیار، دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط‌زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

چکیده

تعمیر و تقویت لوله‌ها و مخازن تحت فشار با استفاده از مواد کامپوزیتی CFRP در سال‌های اخیر رشد چشمگیری داشته است که ازجمله مزایای آن‌ها می‌توان به‌سرعت نصب، امکان تعمیر در شرایط سرویس و همچنین هزینه پایین اشاره نمود. در بسیاری از موارد ازجمله تعمیر و تقویت لوله‌های تحت فشار امکان خارج کردن لوله از شرایط سرویس وجود ندارد که استفاده از برخی گزینه‌های تقویت نظیر جایگزینی قسمت آسیب‌دیده یا انجام جوشکاری بر روی لوله‌ی تحت سرویس را ناممکن می‌سازد. به همین دلیل استفاده از CFRP جهت تعمیر لوله‌های تحت فشار می‌تواند بسیار مفید باشد. بااین‌وجود اختلاف خواص مصالح فولادی و کامپوزیتی اثرپذیری آن‌ها را با چالش‌های جدی مواجه می‌نماید. در این تحقیق به بررسی تعمیر و تقویت لوله‌های دارای ترک طولی با تأکید بر حفظ فشار داخلی بهره‌برداری حین تعمیرات پرداخته‌شده است. نتایج نشان می‌دهد که وجود فشار اولیه بهره‌برداری قبل از بستن CFRP ظرفیت لوله را تا حد زیادی کاهش می‌دهد. این کاهش ظرفیت به دلیل مشارکت کم CFRP در باربری در فشارهای پایین به دلیل اختلاف مدول الاستیسیته CFRP و فولاد است. بااین‌وجود نرخ کاهش ظرفیت در فشارهای اولیه بالا کاهش می‌یابد.

تازه های تحقیق

  • قویت مخازن تحت فشار ترک‌خورده با CFRP
  • تقویت لوله‌ها تحت شرایط سرویس
  • بررسی اثر پلاستیسیته نوک ترک بر تعمیر و تقویت مخازن تحت فشار

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Numerical Study on Rehabilitation of the Pressurized Pipes Containing Longitudinal External Crack using CFRP under Service Load

نویسنده [English]

  • Hamid Bayesteh
Assistant Professor, Faculty of Civil, Water and Environmental Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
چکیده [English]

In recent years, there has been a substantial growth in the utilization of CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) composite materials for repairing and reinforcing pipes. This method offers notable advantages, including rapid installation, the feasibility of implementation under service conditions, and cost-effectiveness. The repair and reinforcement of pressurized pipes, particularly in cases where taking the pipe out of service is not feasible, present challenges. Traditional options such as replacing damaged sections or welding on pipes in service become impractical. CFRP emerges as a valuable solution in such scenarios. Nevertheless, the distinct properties of steel and composite materials pose significant challenges to their efficacy. This research employs numerical modeling to investigate the repair and strengthening of pipes with longitudinal cracks under different internal pressures and service conditions. The findings indicate that the presence of initial pressure before applying CFRP diminishes the pipe's capacity. This reduction is attributed to the limited contribution of CFRP to load-bearing at low pressures, owing to the disparate modulus of elasticity between CFRP and steel. However, the rate of capacity reduction decreases with higher initial pressures, highlighting the complexities involved in effectively utilizing CFRP for repairing pressure pipes.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Pressurized pipes
  • Pressurized cylinders
  • Crack
  • Rehabilitation
  • CFRP

مراجع

[1] Reed RP, Smith J, Christ B. The economic effects of fracture in the United States. 1983.
[2] Pluvinage G, Elwany MH. Safety, reliability and risks associated with water, oil and gas pipelines: Springer Science & Business Media; 2007.
[3] Bai Y. Pipelines and risers: Elsevier; 2001.
[4] Fang B, Atrens A, Wang J, Han E, Zhu Z, Ke W. Review of stress corrosion cracking of pipeline steels in “low” and “high” pH solutions. Journal of materials science. 2003;38:127-32. DOI :10.1023/A:1021126202539.
[5] Shouman A, Taheri F. Compressive strain limits of composite repaired pipelines under combined loading states. Composite Structures. 2011;93(6):1538-48. DOI :10.1016/j.compstruct.2010.12.001.
[6] da Costa Mattos H, Reis J, Paim L, Da Silva M, Junior RL, Perrut V. Failure analysis of corroded pipelines reinforced with composite repair systems. Engineering Failure Analysis. 2016;59:223-36. DOI :10.1016/j.engfailanal.2015.10.007.
[7] Shadlou S, Taheri F. On the effectiveness of composites for repair of pipelines under various combined loading conditions: A computational approach using the cohesive zone method. Journal of Pressure Vessel Technology. 2017;139(2):021405. DOI :10.1115/1.4035081.
[8] Alexander C, Ochoa OO. Extending onshore pipeline repair to offshore steel risers with carbon–fiber reinforced composites. Composite Structures. 2010;92(2):499-507. DOI :10.1016/j.compstruct.2009.08.034.
[9] Alexander C, editor Assessing the use of composite materials in reinforcing offshore risers and pipelines. International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering; 2011. DOI :10.1115/OMAE2011-49425.
[10] Lesani M, Bahaari M, Shokrieh M. FRP wrapping for the rehabilitation of Circular Hollow Section (CHS) tubular steel connections. Thin-Walled Structures. 2015;90:216-34. DOI :10.1016/j.tws.2014.12.013.
[11] Hosseini-Toudeshky H, Fadaei E. Effects of composite patch geometry on collapse load of pressurized steel pipes with internal longitudinal flaws. Applied Mechanics and Materials. 2012;152:381-6. DOI :10.4028/www.scientific.net/AMM.152-154.381.
[12] Benyahia F, Albedah A, Bachir Bouiadjra BA, Belhouari M. A comparison study of bonded composite repairs of through-Wall cracks in pipes subjected to traction, Bending moment and internal pressure. Advanced Materials Research. 2015;1105:41-5. DOI :10.4028/www.scientific.net/AMR.1105.41.
[13] Achour A, Albedah A, Benyahia F, Bouiadjra BAB, Ouinas D. Analysis of repaired cracks with bonded composite wrap in pipes under bending. Journal of Pressure Vessel Technology. 2016;138(6):060909. DOI :10.1115/1.4033449.
[14] Meriem-Benziane M, Abdul-Wahab SA, Zahloul H, Babaziane B, Hadj-Meliani M, Pluvinage G. Finite element analysis of the integrity of an API X65 pipeline with a longitudinal crack repaired with single-and double-bonded composites. Composites Part B: Engineering. 2015;77:431-9. DOI :10.1016/j.compositesb.2015.03.008.
[15] Duell J, Wilson J, Kessler M. Analysis of a carbon composite overwrap pipeline repair system. International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2008;85(11):782-8. DOI :10.1016/j.ijpvp.2008.08.001.
[16] Abduljabbar A, Khazal H, Hassan AKF. Experimental study on repair of cracked pipe under internal pressure. Periodicals of Engineering and Natural Sciences. 2022;10(6):67-76. DOI :10.21533/pen.v10i6.3369.
 
مکانیک هوافضا
دوره 20، شماره 2 - شماره پیاپی 76
شماره پیاپی 76، فصلنامه تابستان
تیر 1403
صفحه 29-38

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 09 دی 1402
  • تاریخ بازنگری: 20 دی 1402
  • تاریخ پذیرش: 06 اسفند 1402
  • تاریخ انتشار: 01 تیر 1403

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار