بعد از تکمیل بررسی زمین شناسی و آگاهی بر عملیاتی بودن HDD، طراح تمرکز خود را بر انتخاب لوله مناسب معطوف میدارد. لوله مناسب لولهای است که همه الزامات هیدرولیکی خط لوله شامل ظرفیت جریانی، درجه فشار کاری و ظرفیت تحمل نوسانات فشاری یا خلأ را در بر بگیرد.
در مقاله قبل به راهنمایی در زمینه حفاری جهت دار و بررسی های ژئوتکنیکی پرداختیم در این مقاله به مباحث انتخاب نسبت ابعادی لوله و ملاحظات طراحی در بار خارجی خالص خواهیم پرداخت.
انتخاب نسبت ابعادی لوله پلیاتیلن
بعد از تکمیل بررسی زمین شناسی و آگاهی بر عملیاتی بودن HDD، طراح تمرکز خود را بر انتخاب لوله مناسب معطوف میدارد. لوله مناسب لولهای است که همه الزامات هیدرولیکی خط لوله شامل ظرفیت جریانی، درجه فشار کاری و ظرفیت تحمل نوسانات فشاری یا خلأ را در بر بگیرد. در کاربردهای HDD، علاوه بر الزامات هیدرولیکی، لوله میبایست قادر به تحمل (1) بارهای ناشی از کشش معکوس که شامل کشیدن لوله در مسیر، فشار هیدرولیک خارجی و تنشهای خمشی کششی میشوند، و (2) بارهای خارجی (خاک ریزی پس از نصب، آبهای زیر زمینی، و سربارهای بوجود آمده در طی طول عمر خط لوله) باشد. در اغلب موارد، مقدار باری که لوله در هنگام نصب با آن مواجه میشود، از جمله ترکیب نیروی کششی (کشیدن لوله درون مسیر) و فشار خارجی، بیشترین باری است که لوله در طی طول عمر خود تجربه مینماید. مابقی این مقاله در مورد انتخاب نسبت ابعادی (DR) بر اساس بارهای ناشی از کشش معکوس و نیروهای خارجی، بحث میکند. (لولههای پلیاتیلن بر اساس DR طبقه بندی میشوند. DR به معنای «نسبت ابعادی» و برابر با قطر خارجی لوله تقسیم بر حداقل ضخامت دیواره آن است).
طراح است که تمام مسئولیت تناسب و کاربردی بودن معادلات و پارامترهای داده شده را برای هر پروژه خاص، بر عهده دارد. حفاری جهت دار، یک تکنولوژی رو به تحول است و پروتکلهای طراحی صنعتی مربوط به آن، کماکان در حال توسعه هستند. طراحی درست، نیازمند قدرتی چشم گیر در تشخیص حرفهای است. به طراح توصیه میشود در هنگام تهیه یک طرح HDD به استاندارد ASTM F1962 با عنوان «استفاده از حفاری جهتدار افقی (Maxi-Horizontal) برای قرار دادن لولهها یا انشعابات پلیاتیلنی در زیر موانع، شامل گذر از رودخانهها» مراجعه کند.
معمولاً طراح برای انتخاب نسبت ابعادی، کار خود را با انتخاب نسبت ابعادی لازم برای تحمل فشار داخلی آغاز میکند. سپس بررسی میکند که آیا این نسبت ابعادی برای تحمل بار ناشی از زمین، بارهای زنده و بارهای ناشی از آب زیر زمینی، کافی هست یا خیر. در صورت کفایت، در مرحله بعد، نیروهای لازم برای نصب (کشش معکوس) لحاظ میشوند. نهایتاً طراح DR را انتخاب میکند که فراهم کننده هر سه الزام است: فشار، بارهای کاری و بار ناشی از کشش معکوس.
اگرچه ممکن است تنشهایی در دیواره لوله بوجود بیایند که ناشی از ترکیب فشار داخلی جریان و خمیدگی دیواره یا بارهای موضعی باشند، بطور کلی، با موضوع فشار داخلی و تنشهای ناشی از بارهای عملیاتی خارجی، به عنوان دو مقوله مستقل از هم برخورد میشود. این مطلب اساساً به این دلیل مجاز است که پلیاتیلن مادهای چقرمه است، و معمولاً گسیختگی آن ناشی از میانگین تنش وارد بر آن است و نه تنشهای بیشینه موضعی. بیاد داشته باشید که در مورد فشار داخلی، فاکتور ایمنی بالایی اعمال شده است و گِردسازی مجدد لوله تحت فشار داخلی، موجب کاهش چشم گیر تنشهای ناشی از بارهای خارجی میشود (یکی از استثنائات این مسئله، بروز خلأ داخلی است، که باید با فشار خارجی ترکیب شود - یعنی اثر آنها هم افزاست).
تغییر شکل حفره چاه
ملاحظات طراحی در بار خارجی خالص
در این بخش و بخش بعدی، بارهای خارجی ناشی از دفن که در لولههای حفاری جهتدار بوقوع میپیوندند، مورد بحث قرار میگیرند. یکی از فاکتورهای مهم در تعیین آنکه کدام بارها به لوله وارد میشوند، شرایط حفره چاه است؛ یعنی اینکه حفره چاه باز مانده و گِرد است یا دچار فرو ریختگی شده است. این مسئله عمدتاً وابسته به نوع زمین، روش حفاری، و وجود دوغاب (مخلوط گِل و کندههای حفاری) میباشد. چنانچه حفره چاه بعد از حفاری دچار تغییر شکل نشود (گِرد باقی بماند)، بارهای زمینی حول حفره چاه توزیع میشوند و فشار خاک اندکی به لوله منتقل میشود. توجه کنید که فشار وارد بر لوله، به دلیل وجود دوغاب یا هر گونه آب زیرزمینی، فشار هیدرواستاتیک است. خود دوغاب ممکن است به حفظ باز بودن حفره چاه کمک کند. در صورت فروریختگی یا تغییر شکل ناگهانی حفره چاه، بار زمین بر لوله وارد خواهد شد. فشار حاصله ممکن است از فشار دوغاب تجاوز نماید، مگر آنکه کمانش تونلی قابل ملاحظهای در بالای حفره چاه صورت پذیرد. در مواقعی که کمانش تونلی بوقوع نمیپیوندد، فشار خارجی وارده برابر با ترکیب فشار بار ناشی از زمین، آب زیرزمینی و بارهای زنده است. در گذر از رودخانه، کمانش اندکی در خاکهای سست بستر رودخانه بوجود میآید. مقدار فشار وارده اغلب برابر با تنش ژئوستاتیک (گاهی به آن بار منشوری گفته میشود) است. در خاکهای مستحکم، کمانش در بالای حفره چاه ایجاد میشود و اغلب اوقات فشار وارده، حتی بعد از فرو ریختن همه تاج حفره چاه روی لوله، کمتر از تنش ژئوستاتیک است. اگر رسوبات خاکی از جنس رس سفتی که سیمانی شده و یا بصورت بخشی سنگی شده است باشند، حفره چاه بدون تغییر شکل یا با تغییر شکل اندکی، باز میماند. در این حالت، فشار وارده درست برابر با هِد فشاری دوغاب یا هِد آب زیرزمینی است.
علاوه بر فشارهای خارجی واضح مانند هِد فشاری دوغاب و آب زیرزمینی، بروز خلأ داخلی در لوله هم به دلیل حذف فشار جو از درون لوله، منجر به افزایش فشار خارجی میشود. از طرف دیگر، وجود یک فشار داخلی مثبت در لوله باعث تعدیل فشار خارجی میشود. از معادلاتی که در ادامه میآیند میتوان برای حصول فشار خارجی، یا آنچه گاهی به نام اختلاف فشار بین داخل و خارج لوله از آن یاد میشود، استفاده نمود.
فشار خارجی خالص را، بسته به شرایط حفره چاه میتوان از معادله 1 (حفره چاه تغییر شکل یافته / فرو ریخته) یا معادله 2 (حفره چاه باز) بدست آورد:
PN = PE + PGW + PSUR - PI معادله 1
PN = PMUD - PI معادله 2
که در آن
PN = فشار خارجی خالص، psi
PE = فشار خارجی ناشی از فشار زمین، psi
PGW = فشار آب زیرزمینی (شامل ارتفاع آب رودخانه)، psi
PSUR = بارهای زنده و سربارها، psi
PI = فشار داخلی، psi (در حالت خلأ، مقدار آن منفی است)
PMUD = فشار هیدرواستاتیک دوغاب حفاری یا فشار آب زیرزمینی، در صورتی که دوغاب بتواند تنش برشی را منتقل نماید،
144/(PMUD=(PMUDHB
که در آن:
gMUD = وزن واحد حجم دوغاب (گِل حفاری و کندههای حفره)، pcf
HB = اختلاف ارتفاع بین پایینترین نقطه در مسیر چاه و حفره ورودی یا خروجی، فوت
(عدد 144 به منظور تبدیل واحد، در این معادله منظور شده است)
طراح در هنگام محاسبه فشار خارجی خالص، توجه ویژهای به منظور نمودن همه بارهای وارده و مدت زمان اعمال آنها میکند. در واقع اکثر خطوط لوله، در یک چرخه کاری عمل میکنند که شامل این موارد است: (1) بی فشار شدن یا تخلیه شدن، (2) کار در فشار عملیاتی، (3) طغیان، (4) خاموشی (توقف کار) و (5) وقایع خلأ و پیک افزایش فشار. از آنجایی که هر یک از موارد فوق منجر به شکلگیری فشار خارجی خالص متفاوتی میشود، طراح همه مراحل طول عمر خط لوله را به منظور طراحی پروژه در نظر میگیرد.
علاوه بر تعیین بار، باید توجه ویژه به طول مدت اعمال هر بار داشته باشیم. لوله پلیاتیلن، ویسکو الاستیک است، به این معنا که خواص کارایی آن به زمان بارگذاری وابسته است. به عنوان مثال، یک مجرای HDD با توجه به مدول ظاهری دراز مدت خود، در برابر فشار ثابت آب زیرزمینی و خاک، مقاومت میکند. از طرف دیگر، ممکن است یک شاه لوله HDD در اثر خلأ ناگهانی تحت پدیده چکش آبی قرار بگیرد. در موقع بروز خلأ، فشار خارجی خالص برابر با مجموع فشار خارجی و فشار خلأ است. از آنجاییکه ضربه بصورت آنی اتفاق میافتد، محدود به مدول ظاهری کوتاه مدت لوله است که ممکن است 4 برابر بزرگتر از مدول ظاهری دراز مدت آن باشد.
در مورد خطوط لوله تحت فشار باید به مدت زمانی که لوله بعد از اتمام ساخت، خالی از فشار باقی میماند، توجه داشت. این مدت ممکن است چندین ماه طول بکشد. بیشتر خطوطی که با حفاری جهتدار نصب شده و حاوی سیال هستند، دارای هِد فشاری استاتیک خواهند بود که بعد از یک بار پر شدن لوله، شکل گرفته و در لوله باقی میماند. باید این هِد فشاری را از فشار خارجی ناشی از بار زمین و آب زیرزمینی کسر نمود. طراح باید در ذهن داشته باشد که بارهای خارجی هم ممکن است با گذشت زمان، تغییر کنند، بعنوان نمونهای از این رویداد میتوان از طغیان نام برد.