‌شناسایی مودهای خرابی لوله‌ها در زلزله

یکی از مناسبترین رو‌ش‌ها برای بررسی آسیبپذیری لرزه‌ای تاسیسات نفتی، بررسی خرابی‌ها در زلزله‌های گذشته است. با توجه به اینکه در ۵۰ سال گذشته زلزله‌های بزرگی در مناطق دارای تاسیسات مهم نفتی (خصوصاً پالایشگا‌ه‌ها) رخ داده است، با بررسی دقیق خسارت‌های وارده می‌توان خسارات احتمالی وارد بر سازه‌های صنعت نفت در زلزله‌های آینده را بطور دقیق‌تری برآورد نمود. هر چند که بانک اطلاعاتی قوی از اثرات زلزله در اکثر موارد موجود نیست‌. همچنین با بررسی رفتار سازه‌ها و تجهیزات در زلزله‌های گذشته می‌توان نقاط ضعف طراحی، اجرا و نگهداری را مشخص کرد.

بهسازی سازه‌ها در مقابل زلزله با توجه به تغییرات مکرر و تکامل آیین نامه‌ها در چند دهه اخیر از مباحث غیرقابل گریز است. اولین گام جهت بهسازی سازه‌ها، تعیین آسیب پذیری آنها در مقابل زلزله است. منظور از بررسی آسیب پذیری لرزه‌ای، بررسی تجهیزات، ارتباطات، ایمنی و نحوه عملکرد یک مجموعه در زمان وقوع زلزله است. با استفاده از این روش، با سرعت و هزینه مناسبی می‌توان مناطق دارای بیشترین سطح خطر را تعیین و برای مراحل بعد که شامل تهیه نقشه‌های اجرایی بهسازی و در نهایت اجرای بهسازی است، اولویت بندی کرد. در حال حاضر استاندارد فراگیری برای ارزیابی تجهیزات موجود در مقابل زلزله وجود ندارد و عموماً ارزیابی‌ها، داوطلبانه و با صلاحدید صاحبان صنایع صورت می‌گیرد.

بنابراین نحوه بهسازی و تصمیمات مربوط به آن، بر پایه ملاحظات سود و هزینه و با توافق مالکان یا گردانندگان این صنایع تعیین می‌شود. یکی از روش‌های بررسی آسیب پذیری، استفاده از درس‌های آموخته شده از زلزله‌های گذشته و رفتار تجهیزات در برابر نیروهای لرزه‌ای است. این روش یک روش منطقی و قابل دفاع است زیرا شرایط واقعی مجموعه در نظر گرفته می‌شود و رفتار لرزه‌ای تجهیزات مشابه در زلزله‌های گذشته بررسی می‌شود و با تلفیق اطلاعات و قضاوت مهندسی، نتایج ارزیابی میشود. علاوه بر این، روش مذکور رهنمون مناسبی برای تدوین و تکامل دستورالعمل‌های آیین نامه‌ای جهت طراحی لرزه‌ای صنایع است.

‌با توجه به وقوع زلزله‌های متعدد در ایران، متاسفانه مدارک و گزارش‌های جامعی درباره تاثیر زلزله بر شریان‌های حیاتی به ویژه خطوط لوله انتقال نفت و گاز در ایران یافت نمی‌شود. این امر می‌تواند ناشی از دو علت باشد.

1. ‌تراکم خطوط لوله انتقال مواد نفتی، در بخش غرب و جنوب غربی کشور
2. ‌عدم وجود نهادهای غیر دولتی قدرتمند در زمینه زلزله

دلایل لزوم ارزیابی و بهسازی لرزه‌ای خطوط لوله

پدیده زلزله، جزو سوانح طبیعی است که همه ساله خسارات جانی، مالی و زیست محیطی فراوانی بر جای می‌گذارد. علاوه بر خسارات انسانی در محدوده‌های مسکونی شهری و روستایی، خسارات متعدد صنعتی، مالی و زیست محیطی مهمترین معضلاتی هستند که یک زلزله در نواحی صنعتی بر جای می‌گذارد.

موضوع دیگری که اهمیت خسارت در لوله‌های انتقال نفت و گاز را بیشتر می‌نمایاند، عدم امکان تعمیم ویژگی‌های انواع خطوط لوله مختلف به یکدیگر است. در سیستم‌های خطوط لوله شبکه‌ای (مانند خطوط لوله آبرسانی)، خرابی در بخشی از سیستم باعث از کارافتادن کل شبکه نمیشود اما در سیستم خطوط لوله خطی مانند خطوط انتقال نفت یا گاز، از کار افتادن جزئی از سیستم می‌تواند خدمت رسانی کل سیستم و سیستم‌های وابسته را دچار وقفه نماید. بنابراین، خسارات خطوط لوله ناشی از زلزله دارای تبعات کوتاه مدت و درازمدت خواهد بود.در واقع هزینه تعمیر خط لوله خسارت دیده تنها بخش کوچکی از هزینه ناشی از خسارت ایجاد شده است.

تعریف عوامل آسیب پذیری لوله‌ها

داشتن شناخت مشترک از عوامل آسیب رسان برای تعیین راهکار رفع آن عوامل ضروری است. لذا در این بخش عواملی که در زمان وقوع زلزله باعث آسیب دیدگی لوله‌ها می‌شوند، نامبرده شده و هر یک به اختصار تعریف شده‌اند.

لرزش زمین

لرزش زمین به علت انتشار امواج در زمین به وجود می‌آید. پریود و دامنه این امواج به میزان انرژی آزاد شده، فاصله از منبع انرژی، نوع موج، شرایط زمین شناختی در مسیر گسترش موج، مسیر و شرایط خاک و توپوگرافی منطقه بستگی دارد. در زمان گسترش موج انرژی به سازه‌های زیرزمینی و روزمینی منتقل می‌شود. امکان دارد سازه‌های مدفون مانند خطوط لوله نیز در زمان انتشار موج تغییر مکان‌های گذرایی را تجربه نمایند.

تغییر مکان ماندگار زمین

امواج لرزه‌ای می‌توانند زمین ساختگاه و تکیه‌گاه را به صورت ماندگار جابجا کنند. تغییر مکان‌های ماندگار زمین از جمله عوامل مهم آسیب در خطوط لوله مدفون و سطحی هستند. انواع تغییر مکان‌های ماندگار شامل گسلش، زمین لغزش، روانگرایی، نشت و برکنش است.

گسلش

معمولاً گسیختگی گسل‌ها در سطح زمین اتفاق می‌افتد که می‌تواند گسیختگی افقی، قائم و یا ترکیبی از این دو باشد. آسیب پذیری تجهیزاتی که در منطقه گسیختگی قرار دارند، بسیار زیاد است.

روانگرایی

روانگرایی زمانی اتفاق می‌افتد که خاک برای مدت کوتاهی به حالت مایع درآید. این موضوع هم در زیرزمین و هم در سطح احتمال وقوع دارد. روانگرایی معمولاً در خاکهای مستغرق و بدون چسبندگی اتفاق می‌افتد. خاک‌های مستعد روانگرایی معمولاً نزدیک به سفره‌های آب زیرزمینی و در مناطقی که سطح آب بالا و نزدیک سطح زمین است یافت می‌شود. مناطقی که با مصالح غیر مهندسی پر شده باشند نیز مستعد روانگرایی هستند. احتمال و شدت روانگرایی با افزایش شدت و زمان تداوم زلزله افزایش می‌یابد. روانگرایی و حرکت‌های جانبی از مهمترین پارامترهای خسار‌ت‌زا هستند که می‌توانند ساز‌ه‌های زیرزمینی را به سطح زمین سوق داده و یا ساز‌ه‌های سطحی را در خاک غرق کنند.

نشست

لرزش زمین می‌تواند خاک را متراکم تر کرده و موجب نشست شود. البته میزان تغییر مکان ماندگار در اثر نشست کمتر از تغییر مکان در اثر روانگرایی است اما آنچه نشست را مهم می‌سازد، ایجاد تغییر مکان‌های غیریکنواخت در خاک است.

رانش خاک

حتی بدون روانگرایی، لرزش زمین می‌تواند تپه‌های خاکی را به حرکت درآورد. شدت رانش خاک به زاویه شیب، مقاومت، میزان آب و میزان تحکیم خاک و احتمال وقوع رانش خاک به زمان تداوم و شدت زلزله بستگی دارد. علاوه بر این، رانش خاک می‌تواند را‌ه‌های دسترسی را مسدود نموده و خسارات قابل توجهی رابه بار آورد.

برکنش

این پدیده که بیشتر به علت مولفه قائم زلزله اتفاق می‌افتد بر روی نقاط ورودی و خروجی (اتصالات) بیشترین آسیب را وارد می‌کند.

سابقه آسیب پذیری خطوط لوله در زلزله‌های گذشته

علیرغم وقوع زلزله‌های متعدد در مناطق مسکونی و ثبت خرابی‌های ناشی از آنها، بانک اطلاعاتی در جهان مدارک چندانی از خسارات ناشی از زلزله در مناطق صنعتی در اختیار ندارد. هنگامی که از منظر خطوط لوله انتقالی به این موضوع نگریسته می‌شود، مقدار داده‌های موجود باز هم کاهش می‌یابد. دلایل این کمبود داده‌ها نسبت به مناطق مسکونی را می‌توان ناشی از عوامل زیر دانست.

• ‌عمر کم مناطق صنعتی نسبت به مناطق مسکونی جدید.
• ‌وسعت کمتر مناطق صنعتی نسبت به مناطق مسکونی که احتمال وقوع زلزله را در آنها نسبت به مناطقمسکونی کاهش می‌دهد.
• ‌در صورت وقوع زلزله در مناطق صنعتی، بیشتر به نحوه آسیب پذیری تجهیزات توجه شده است تا لوله‌های داخل سایت.
• ‌خطوط لوله انتقالی به علت دور از دسترس بودن در اغلب موارد مورد بررسی دقیق قرار نگرفته‌اند.

مودهای خرابی در لوله‌ها در اثر زلزله

برخی از حالات خرابی در لوله‌ها و تکیه گاه‌های مربوطه در اثر زلزله، شناخته شد‌تر هستند که این حالات، که به عنوان مودهای خرابی نامیده می‌شوند، در لوله‌های سطحی و مدفون تفاوت دارند. به همین علت در دو بخش، مود خرابی در لوله‌های سطحی و مدفون بررسی می‌شوند.

‌مودهای خرابی در لوله‌های سطحی

در لوله‌های سطحی (pipeline) و لوله کشی (piping) مودهای خرابی را می‌توان به شرح زیر نام برد.

شکست لوله اتصال دهنده تجهیزات مهار نشده

در صورت اتصال لوله انعطاف ناپذیر بین تجهیزات مهار نشده، امکان شکست لوله در اثر تغییر مکان نامساو‌ی تجهیزات وجود دارد. با مهار کردن تجهیزات و استفاده از اتصالات انعطا‌ف‌پذیر، می‌توان از این نوع شکست جلوگیری نمود.

شکست لوله‌های متصل به مخازن

قسمت عمده‌ای از آسیب وارده به مخازن در زلزله‌های گذشته علاوه بر آسیب‌های مستقیم مخازن مانند کمانش‌های پافیلی، الماسی و آتش سوزی ناشی از سقف‌های متحرک، به دلیل شکست لوله‌های متصل به مخازن به ویژه لوله‌های ورودی یا خروجی مدفون به علت انعطاف پذیری بسیار کم این نوع اتصالات و اختلاف تغییر مکان‌های قابل تحمل توسط مخزن و لوله متصل است. با استفاده از اتصالات انعطا‌ف‌پذیر به ویژه در لوله‌های مدفون، امکان این نوع شکست کاهش می‌یابد.

شکست در اتصالات مکانیکی

برخی از اتصالات مکانیکی در اثر تنش‌های بیش از حد ناشی از خمش دچار شکست شده و باعث نشت مواد از محل شکست می‌شوند. طراحی صحیح و استفاده از اتصال با ظرفیت مناسب و همچنین کنترل نیرو در محل اتصال برای عدم افزایش آن از مقدار در نظر گرفته شده در طراحی باعث کاهش احتمال بروز این نوع خرابی می‌شود.

لغزش لوله‌ها از روی تکیه‌گاه‌ها

زلزله نیرویی جانبی به لوله وارد کرده و در برخی موارد باعث تاب خوردن و سقوط آن از روی تکیه‌گاه‌های ثقلی می‌شود. با مهاربندی سیستم تکیه‌گاه لوله و تعبیه تکیه‌گاه‌های لرزه‌ای در فواصل مناسب، می‌توان از این نوع خرابی جلوگیری نمود.

لغزش لوله‌های معلق

همانند لغزش لوله‌های دارای تکیه‌گاه ثابت، لوله‌های معلق نیز می‌توانند با تاب خوردن ناشی از نیروی جانبی زلزله، به اطراف برخورد کرده و دچار خسارت شوند. با حفظ فاصله مناسب و کاهش تغییر مکان جانبی محتمل در این نوع لوله‌ها، امکان جلوگیری از تخریب و ایجاد خسارت در زمان زلزله وجود دارد.

شکست لوله‌های متصل در محل اتصال

در صورتی که لوله‌ای با مهار جانبی به لوله‌ای که امکان حرکت جانبی دارد متصل باشد، به خصوص اگر لوله دارای حرکت جانبی بیشتر از لوله مهار شده باشد. امکان شکست اتصال در زمان اعمال بارهای جانبی شدید مانند باد و زلزله وجود دارد. همچنین اتصال لوله مهار شده به سقف‌های معلق نیز شکست مشابهی را در زمان زلزله ایجاد می‌کند. استفاده از اتصالات انعطاف پذیر و مهار جانبی لوله‌ها احتمال بروز این نوع خرابی را کاهش می‌دهد.

اتصالات اصطکاکی ناکافی

در صورت عدم کفایت اتصالات اصطکاکی و یا شل شدن پیچ‌های این نوع اتصالات، امکان سقوط لوله‌های متکی بر آنها وجود دارد. اجتناب از استفاده از این نوع اتصالات تا حد امکان و کنترل برنامه ریزی اتصالات اصطکاکی موجود، می‌تواند خطرات ناشی از این نوع خرابی را کاهش دهد.

عدم کفایت اتصالات جوشی

در بسیاری از موارد اتصالات جوشی فاقد کفایت لازم برای تحمل بارهای وارده در زمان زلزله هستند. این عدم کفایت می‌تواند ناشی از کیفیت نامناسب جوش (خوردگی، کرمو بودن، جوش منقطع و …) و یا نامناسب بودن جوش از نظر کمی (بعد جوش، طول جوش، مشخصات مکانیکی فلز مصرفی و …) باشد. کنترل دور‌های اتصالات جوشی و تطابق اجرا با طراحی احتمال بروز خرابی ناشی از عدم کفایت جوش در زمان زلزله را کاهش می‌دهد.

لغزش تکیه گاه‌های مهار نشده

امکان افتادن تکیه گاه‌های اصطکاکی که در آنها تمهیدات لازم جهت جذب نیروی جانبی پیش بینی نشده است و در نتیجه احتمال سقوط لوله و آسیب دیدگی آن زیاد است. مهار کردن این تکیه‌گاه‌ها و مهار جانبی لوله به آنها از احتمال خرابی لوله در زمان زلزله می‌کاهد.

مودهای خرابی در لوله‌های مدفون

عمده مودهای خرابی در لوله‌های مدفون ناشی از تغییر مکان و خرابی در خاک شامل لغزش، جابجایی‌های افقی و عمودی، نشست ناشی از تحکیم خاک و مهمتر از همه روانگرایی است.

خرابی ناشی از لغزش زمین

همانگونه که ذکر شد، باید تا حد امکان از احداث خطوط لوله در مناطقی که احتمال جابجایی خاک در اثر زلزله یا دیگر عوامل محیطی وجود دارد، اجتناب شود. در صورت اجبار به احداث خط لوله در این نواحی، با تمهیدات مناسب (تثبیت خاک، مسلح نمودن خاک و …) جلوی خرابی لوله ناشی از لغزش خاک گرفته شود.

خرابی ناشی از جابجایی

در اثر جابجایی خاک اطراف لوله به علت نیروهای ناشی از زلزله، تنش‌های کششی و فشاری به جدار لوله وارد می‌آید. در صورتی که لوله دارای مقاومت کافی باشد، قادر به تحمل این تنش‌ها است. همچنین در صورتیکه لوله یا اتصالات آن شکلپذیر باشند، قادر به جابجایی به همراه خاک پیرامون خود بوده و بنابراین تنش‌های ایجاد شده در جدار لوله کاهش می‌یابد. اگر لوله واجد هیچ یک از دو ویژگی فوق (مقاومت یا شکل پذیری) نباشد، احتمال آسیبدیدگی آن به علت جابجایی خاک اطراف افزایش می‌یابد.

خرابی در محل اتصال

همانند لوله‌های سطحی، محل‌های اتصال در لوله‌های مدفون نیز به علت تاثیرات ناشی از جابجایی، نشست یا لغزش خاک و روانگرایی از آسیب پذیری بالایی برخوردارند. استفاده از اتصالات انعطافپذیر در لوله‌های مدفون نیز باعث کاهش احتمال آسیب دیدگی لوله‌ها در زمان زلزله میشود.

خرابی ناشی از روانگرایی

روانگرایی در خاک‌های فاقد چسبندگی یکی از مهمترین دلایل خرابی لوله‌های مدفون است. در لوله‌های سطحی نیز پایه‌های نگهدارنده لوله در معرض تخریب ناشی از روانگرایی هستند. با روانگرا شدن خاک، مقاومت آن در برابر بارهای ثقلی و جانبی به شدت کاهش می‌یابد و لوله در معرض نشست قرار می‌گیرد. با افزایش شکل پذیری لوله توسط تعبیه اتصالات انعطا‌ف‌پذیر، می‌توان از وارد آمدن آسیب به آن، به علت تغییر مکان‌های ناشی از روانگرایی جلوگیری نمود. مشخص کردن نواحی مستعد روانگرایی و اجتناب از احداث لوله در آن مناطق یا بکا‌رگیری تمهیدات ویژه مانند افزایش چسبندگی خاک، راه‌های دیگری برای اجتناب از آسیب دیدگی لوله ناشی از روانگرایی هستند.

‌با توجه به مطالب بیان شده‌، نکاتی که در طرح ایمن و اجرای مناسب خطوط لوله به منظور کاهش خطرپذیری لرز‌ه‌ای خطوط قابل اشاره هستند به شرح زیر است.‌

• انتخاب مناسب محل اجرای لوله از نظر شرایط ساختگاهی، وجود گسل، پتانسیل روانگرایی، زمین لغزش، رانش و نشست خاک.
• طراحی مناسب با توجه به پارامترهای لرز‌ه‌ای ساختگاهی.
• لحاظ انعطاف پذیری مناسب برای لوله با تعبیه خم و اتصالات انعطا‌فپذیر.
• توجه به مشخصات لوله‌های متصل به هم و متصل به تجهیزات از لحاظ تغییر مکان جانبی نسبی.
• توجه به تکیه گاه لوله‌ها از لحاظ ایجاد پایداری مناسب و کافی برای لوله.
• ایجاد انعطاف پذیری کافی در محل اتصال لوله‌ها به زمین.
• ایجاد ساختار کنترل و مانیتورنگ پیوسته یا ناپیوسته در خطوط انتقال طولانی.
• توجه خاص به خطوط لوله انتقال آب آتشنشانی و طراحی آنها با بالاترین اهداف عملکردی.