SIĞLAŞMA BÖLGESİNDE DENİZALTI BORU HATLARI ALTINDA YEREL OYULMA

Transkript

1 SIĞLAŞMA BÖLGESİNDE DENİZALTI BORU HATLARI ALTINDA YEREL OYULMA Burak KIZILÖZ (1), Esin ÖZKAN ÇEVİK (2), Yalçın YÜKSEL (3) 1 Dr.,Kocaeli Büyükşehir Belediyesi, İSU Genel Müdürlüğü, Darıca Şube Müdürü, Darıca-Kocaeli, burakkiziloz@gmail.com 2 Prof. Dr., Yıldız Teknik Üniversitesi, İnşaat Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Davutpaşa- İstanbul, Tel: , esincvk@gmail.com 3 Prof. Dr., Yıldız Teknik Üniversitesi, İnşaat Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Davutpaşa- İstanbul, Tel: , yalcinyksl@gmail.com ÖZET Boru hatları altındaki oyulma derinliği bu yapıların inşaa ve işletme aşamasında önemli bir rol oynamaktadır. Bu yüzden düzensiz dalga etkisine maruz boru hatları altındaki oyulma derinliği tasarım sırasında doğru bir şekilde tahmin edilmelidir. Oyulma üzerine etkili tüm boyutlu ve boyutsuz parametreler ayrı ayrı incelenmiştir. Çevik ve Yüksel (1999) in tanımlamış oldukları boru Ursell sayısının düzensiz dalgalar için de oyulmayı yüksek korelasyon katsayıları ile tahmin ettiği görülmüştür. Farklı karaktersitik dalga parametrelerini içeren altı denklem oyulma derinliğinin hesaplanması için önerilmiştir. Buna ilaveten düzenli ve düzensiz dalgaların birlikte değerlendirilmesi durumunda düzensiz fırtına dalgalarını hangi karakteristik dalga parametrelerinin temsil etmesi gerektiği araştırılmış ve H s-t m ile H rms-t p çiftinin kullanılması ile elde edilen oyulmanın düzenli dalga şartlarındaki oyulmaya eşdeğer olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Anahtar kelimeler: Boruhattı, yerel oyulma, düzensiz dalga LOCAL SCOUR UNDER SUBMARINE PIPELINES IN SHOALING REGION ABSTRACT Local scour under submarine pipelines play an important role during the construction and operation of these structures. So, the scour depth under submarine pipelines exposed to irregular waves should be correctly estimated during the design process. All the dimensional and non-dimensional parameters effective on scour depth were investigated seperately. The modified Ursell parameter defined by Çevik and Yüksel (1999) also determined the relative scour depth with high correlation coefficient for irregular waves. For the estimation of the scour depth exposed to irregular waves, six different equations consisting of different characteristic wave parameters were suggested. In addition to this, the wave parameters characterizing the sea state of irregular wave attack which causes the same scour depth as that caused by regular waves were investigated and obtained as H s-t m and H rms-t p pairs. Key words: Pipeline, local scour, irregular wave 259

2 GİRİŞ Deniz altı boru hatları günümüzde petrol, doğal gaz, endüstriyel ürünler, su ve arıtılmış suların taşınması için yaygın olarak kullanılmakta olan deniz yapılarındandırlar. Ancak, tasarım ve uygulamaları son derece güç olan bu yapılar proje ömürleri boyunca stabilitelerini koruyarak hizmetlerini sürdürmelidirler. Denizaltı boru hatları denizel ortamda dalga, akıntı ve dalgaakıntı etkilerine maruzdurlar. Dalga, boru hattı ve taban etkileşimi ile değişen akım yapıları boru hatları altında oyulmaya neden olmaktadır. Boru hatlarının tasarımları sırasında dikkate alınması gereken önemli problemlerden biri bu yapıların altında meydana gelebilecek yerel oyulmalardır. Meydana gelen oyulma ile boru hattı etrafındaki akım yapısı değişebilmekte, boru hattı titreşimlerle ve/veya oyulma çukuruna sarkmak suretiyle kırılarak hasar görebilmektedir. Silindirik kazıklar, köprü ayakları ve boru hatları çevresindeki oyulma konusu bugüne kadar pek çok araştırmacının ilgisini çekmiştir. Denizaltı boru hatlarındaki yerel oyulma problemi ile ilgili olarak yapılmış önemli çalışmalardan bazıları Sumer ve Fredsoe (1990, 1996, 2002), Çevik ve Yüksel (1999), Myrhaug ve Rue (2003). Boru hatları etrafında meydana gelen oyulma başlıca üç aşamadan oluşmaktadır: Oyulmanın başlangıcının en önemli sebebi borulanmadır. Bunu tünel erozyonu izlemektedir. Tünel erozyonu menba ve mansap arasındaki basınç farklılığından kaynaklanmaktadır. Bunuda art-iz erozyonu takip etmektedir (Şekil 1). Akıntı ve dalga etkisindeki oyulma arasındaki en önemli fark dalga etkisinde kuvvetli mansap erozyonunun boru hattının her iki tarafında gelişmesindendir (Şekil 2). Bu durum boru hattının altındaki oyulma çukurunun daha yumuşak bir eğime sahip olması ile sonuçlanmaktadır. Sumer ve Fredsoe (1990) tabana oturan ve dalga etkisine maruz boru hatlarındaki oyulmanın Keulegan-Carpenter (KC) sayısı ve boru çapı ile ilişkili olduğunu göstermişler ve maksimum oyulma derinliği için aşağıdaki ifadeyi vermişlerdir. S 0.1 KC D (1) Burada S oyulma derinliği ve D boru çapıdır. Çevik ve Yüksel (1999) düzenli dalga şartlarında yatay ve 1/5 ve 1/10 eğimli tabanda yapmış oldukları oyulma deneyleriyle sığlaşma bölgesinde maksimum oyulma derinliğini boru Ursell sayısının fonksiyonu ile aşağıdaki gibi elde etmişlerdir. S URB D (2) Boru Ursell sayısı Ursell parametresi ile rölatif dalga yüksekliği (H/D) kullanılarak elde edilmiştir. Burada H, L ve d sırasıyla yerel dalga yüksekliği, yerel dalga boyu ve yerel su derinliğidir. U RB 2 H UR D 2 HL 3 d H D H L 3 2 d D (3) 260

3 Ursell sayısı dalganın sahip olduğu enerjiyi ve tabana iletilen enerjinin büyüklüğünü tanımlamaktadır (İbrahim ve Nalluri, 1986). Şekil 1 Oyulmanın safhaları Şekil 2 Tek yönlü akımda vorteks sistemi ile tekyönlü ve salınımlı akımda oyulma 261

4 Sumer ve Fredsøe (1996) JONSWAP dalga spektrumu kullanarak oyulma üzerinde düzensiz dalgaların etkisini araştırarak (1) eşitliğini aşağıdaki gibi revize etmişlerdir. S UmTp 0.1 KC 0.1 (4) D D Burada, T p, pik periyot, U m ise; Um 2 u (5) u tabandaki u yörüngesel hızın standart sapmasını ifade etmektedir. Mrhaug ve Rue (2003) düzensiz dalgalara maruz yatay boru hatlarındaki oyulmayı en iyi H 1/10 parametresinin tanımladığını ifade etmişlerdir. Sumer ve Fredsoe (2002) boru hattı pürüzlülüğünün ve hareketli taban durumunda Shields parametresinin oyulma sürecinde önemli bir etkisinin olmadığını ifade etmişlerdir. Bu çalışmada geçiş derinliğinden kıyıya kadar olan bölge içerisindeki düzensiz dalga etkilerine maruz boru hatları altındaki oyulma belirlenmeye çalışılmıştır. Bu nedenle sığlaşma bölgesinde düzlem taban ve 1/10 kıyı eğimi üzerinde sabit ve rijit denizaltı boru hattı altındaki yerel oyulma derinliği normal yaklaşan düzensiz dalga etkisinde deneysel olarak araştırılmıştır. Düzensiz dalga etkisindeki boru hatları altında meydana gelebilecek oyulma derinliğini belirlemek için deneylerden elde edilen veriler kullanılarak çoklu regresyon analizi ile ifadeler geliştirilmiştir. Ayrıca düzenli dalga şartları altında meydana gelen oyulma derinliği ile aynı oyulma derinliğine neden olan düzensiz dalga etkisindeki bir fırtınayı temsil edecek karakteristik dalga parametrelerinin neler olması gerektiği araştırılmıştır. Çalışmanın bu aşamasında Çevik ve Yüksel (1999) e ait veriler kullanılmıştır. ÇALIŞMA YÖNTEMİ Deneysel çalışma Yıldız Teknik Üniversitesi İnşaat Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Hidrolik Anabilim Dalı, Hidrolik ve Kıyı-Liman Mühendisliği Laboratuvarı nda mevcut düzensiz dalga kanalında gerçekleştirilmiştir. İki boyutlu oyulma deneyleri 1 m genişliğinde, 1 m yüksekliğinde ve 20 m uzunluğundaki dalga kanalında yapılmıştır (Şekil 3). Kanalın 14 m uzunluğu boyunca her iki kenarı 19 mm kalınlığında camdan olup, 6 m uzunluk ise 4 mm kalınlığında sacdan yapılmıştır. Düzlem tabana ve 1/10 eğime sahip çelik rampadan oluşturulmuş şev üzerine 25 cm yüksekliğinde olan kum serilmiştir. Kullanılan kuvars kumunun granülometrik özellikleri; d 50=1.28 mm, d 90= 1.89 mm ve standart sapması =1.57 dir. Deneylerde hareketli taban malzemesi olarak kullanılan kum yıkanmış ve özel elek analizine tabi tutulmuş kuvars kumudur. Dalga kanalı içindeki dalga üreticisinden, 8 m mesafede olan düzlem taban başlangıcına kadar su derinliği 60 cm, 10 metre mesafede olan 1/10 kıyı eğimi başlangıcına kadar su derinliği 35 cm dir. Dalgalar 1/10 eğimli tabanın bitiminden 8 m daha açıkta olan 60 cm su derinliğinde piston tipi dalga üreticisi ile üretilmiştir. Dalga üreticisi yansıyan dalgaları ölçmek suretiyle pedal hareketini düzelterek dalga yansımalarını 262

5 abzorbe etmektedir. Deneylerde düzensiz dalgalar Bretschneider spektrum modeli kullanılarak üretilmiştir. 5 5m f 4 0 p 1.25(f p /f) S(f) e fp f (6) Şekil 3 Dalga kanalının şematik gösterimi Burada m 0 serbest su yüzeyinin toplam varyansı, f p ise pik spektral frekanstır. Üretilen dalgalar; dalga üreticisinin önünde 4 nolu prob kullanılarak, oyulma deneylerinin yapıldığı konumlarda düzlem tabanda 35 cm su derinliğinde ve 1/10 eğimli tabanda 31 ve 23 cm su derinliklerinde 3, 2 ve 1 nolu problar kullanılarak ölçülmüşlerdir (Şekil 3). Üretilen düzensiz dalgalara ait dikkate alınan karakteristik dalga parametreleri H 1/10, H s, H rms, H maks, T m, T p dir (Şekil 5). Düzlem tabanda ve 1/10 şev eğiminde farklı konumlardaki boru hattı altında meydana gelen yerel oyulmayı belirlemek için dört farklı çaptaki D=3.23, 4.90, 7.70, cm, rijit silindir borular düzensiz dalgaların geliş doğrultusuna dik ve tabana oturacak şekilde yerleştirilerek oyulma deneyleri gerçekleştirilmiştir. Şekil 4 de gösterildiği gibi düzlem tabanda 35 cm, 1/10 şev eğimi üzerinde d=23 cm ve d=31 cm su derinliklerine yerleştirilen boru modelleri ile oyulma deneyleri gerçekleştirilmiştir. Şekil 4 Ölçüm konumlarının şematik resmi Düzensiz fırtına dalgaları etkisinde boru hattı altındaki oyulma derinliğini belirlemek için 8 farklı dalga şartında, 3 farklı konumda ve 4 farklı boru çapında olmak üzere toplam 96 adet deney gerçekleştirilmiştir. Deneylerde 263

6 kullanılan dalga paremetrelerinin aralıkları; belirgin dalga yüksekliği (H s), cm, pik periyot (T p) s, dalga boyu (L p) cm ve oyulma derinliği (S) cm olarak elde edilmiştir. Sığlaşma bölgesinde oyulma deneylerine geçilmeden önce seçilen dalga şartlarının neden olacağı profiller belirlenmeye çalışılmıştır. Bu profillerin, boru hatları çevresindeki oyulma çukurları üzerine olan etkilerinin anlaşılması açısından önemlidir. Burada gelişen profillerin tamamının kıyı çizgisinde yığılma ile normal profil olduğu gözlenmiştir. Bu profillerden birine örnek olarak Şekil 6 da gösterilmektedir. a) Düzenli dalga b) Düzensiz dalga Şekil 5 Düzenli ve düzensiz karakteristik dalga parametrelerinin şematik gösterimi. Şekil 6. Normal profil (H s0/l p0=0.026, ξ 0=0.623, C=1.93) 264

7 DÜZENSİZ DALGA ETKİSİNDE OYULMA Düzensiz dalga etkisinde oyulmanın büyüklüğünün araştırılması amacıyla olayda etkili her bir boyutlu parametre (Hi, T, L, D, d) ve boyut analizi sonucunda elde edilen boyutsuz parametrelerin değişimleri tek tek incelenmiştir. Bu araştırmalar sonucunda düzensiz dalga şartlarında oyulmayı en iyi boru Ursell sayısının ifade ettiği görülmüştür. Ancak düzensiz dalga şartlarında fırtına bir çok karakteristik dalga parametresi (H 1/10, H s, H rms, H maks, T m, T p) ile ifade edilebilmektedir. Bu nedenle oluşturulan her bir karakteristik dalga parametresi çiftinin kullanılması ile elde edilen boru Ursell sayıları için rölatif oyulma derinlikleri incelenmiştir. Şekil 7 de görüldüğü gibi karakteristik dalga parametrelerinden H rms T p çiftinin kullanılması ile elde edilen boru Ursel sayısına karşılık rölatif oyulma derinliğinin değişimi incelendiğinde bu parametrenin rölatif oyulma derinliğini son derece iyi ifade ettiği görülmektedir. Rölatif oyulma derinliği boru Ursell sayısı cinsinden aşağıdaki gibi ifade edilebilmektedir. S URB (7) D Şekil 7. Düzlem ve 1/10 eğimli tabanda S/D nin U RB ile değişimi (H rms-t p) Farklı karakteristik dalga parametrelerinin kombinasyonu kullanılarak boru Ursel sayıları ile hesaplanan rölatif oyulma derinlikleri için denklem (7) dekine benzer ancak farklı katsayı ve üstel değerleri olan ifadeler elde edilmiştir. Rölatif oyulma derinliği için genelleştirilmiş ifade aşağıdaki denklem (8) de görülmektedir; S b aurb (8) D Burada a katsayı ve b ise üstel değerdir. Düzlem taban ve 1/10 şev eğiminde farklı karakteristik dalga parametrelerinin kullanılmasıyla elde edilen rölatif oyulma derinliği (S/D) ifadeleri ile korelasyon katsayıları Çizelge 1 de görülmektedir. Rölatif oyulma derinliğinin belirlenmesinde değişik dalga yüksekliklerinin bir fark yaratmadığı ancak 265

8 dalga periyodunun korelasyon katsayısını az da olsa değiştirdiği görülmekle birlikte denklemlerin tamamı yüksek bir korelasyon katsayısına sahiptir. Çizelge 1 Düzlem ve 1/10 eğimli tabanda farklı karakteristik dalga parametrelerinin kombinasyonu ile elde edilen U RB sayıları ile rölatif oyulma derinliği değişiminin (R), SI ve OKH değerleri Sıra Denklem S/D Denklem R OKH SI No Değişkenleri a b No 1 H 1/10-T p (9) 2 H s-t p (10) 3 H rms-t p (11) 4 H 1/10-T m (12) 5 H s-t m (13) 6 H rms-t m (14) Şekil 8 de ise ölçümlerden elde edilen rölatif oyulma derinliğinin (S/D) (10) nolu denklem kullanılarak tahmin edilen (S/D) ile değişimi verilmiştir. Grafikten ölçülen ve tahmin edilen rölatif oyulma derinliklerinin oldukça uyumlu oldukları ve korelasyon katsayısının da yüksek olduğu görülmektedir. Şekil 8. Düzlem ve 1/10 eğimli tabanda ölçülen rölatif oyulmanın(s/d) ile tahmin edilen rölatif oyulma (S/D) değişimi Düzensiz dalga şartlarında gerçekleştirilen bu deneysel çalışmadan elde edilen verilerin literatürde Lucassen (1984) ve Sümer & Fredsøe (1990) nun düzenli dalga şartlarında yapmış oldukları çalışmalarla birlikte değerlendirildiğinde sonuçların uyumlu olduğu Şekil 9 da görülmektedir. 266

9 Şekil 9. KC sayısına karşılık maksimum denge oyulma derinliği değişimi DÜZENLİ ve DÜZENSİZ DALGA ETKİSİNDE OYULMA Çalışmanın bu bölümünde düzenli (Çevik ve Yüksel, 1999 dan alınan veriler) ve düzensiz dalga etkisindeki oyulma derinliklerinin birlikte değerlendirilmesi halinde düzenli dalga şartları altında meydana gelen oyulma derinliği ile aynı oyulma derinliğine neden olan düzensiz dalga etkisindeki bir fırtınayı temsil edecek karakteristik dalga parametrelerinin neler olması gerektiği incelenmiştir. Seçilen su derinliği, boru çapı, dalga yüksekliği, dalga periyodu, dalga boyu parametreleri kullanılarak düzenli dalga ifadesinden elde edilen rölatif oyulma derinliğine karşı düzensiz dalga şartlarındaki fırtına için farklı karakteristik dalga parametreleri ile elde edilen rölatif oyulma derinliği değişimleri değerlendirilmiştir. Bu değerlendirmeden elde edilen en iyi iki sonuç Şekil 10 da gösterilmektedir. Ancak farklı karakteristik dalga parametrelerinin kullanılması durumunda iyi uyum sağlamayan şekiller burada yer almamaktadırç Şekil 10a da düzenli dalga için verilen denklem 2 den elde edilen S/D ile H s-t m kullanılarak verilen düzensiz dalga ifadesi denklem 13 den elde edilen S/D değişimi, Şekil 10b de ise yine düzenli dalga için verilen denklem 2 den elde edilen S/D ile H rms-t p kullanılarak verilen düzensiz dalga ifadesi denklem 11 den elde edilen rölatif oyulma derinliklerinin değişimi görülmektedir. Şekil 10b de H rms-t p ile temsil edilen düzensiz fırtınaya ait oyulma derinliklerinin düzenli dalga etkisindeki fırtınanın yaratmış olduğu oyulma derinliği ile benzer davranış göstermekle birlikte küçük dalga yüksekliklerinde bir miktar sapma izlenmektedir. Şekil 10a gerek küçük gerekse büyük oyulma derinlikleri için sonuçların son derece uyumlu oldukları görülmektedir. Elde edilen bu sonuçlar doğrultusunda düzenli ve düzensiz dalga etkisinde yapılan tüm deney verilerinin birlikte değerlendirilmesi ile elde edilen en iyi iki 267

10 rölatif oyulma derinliği ifadeleri ile korelasyon katsayıları Çizelge 2 de (14) ve (15) nolu denklerde gösterilmiştir. Şekil 10 Düzenli dalga etkisindeki oyulmaya karşılık düzensiz dalga etkisindeki oyulma değişimi Çizelge 2. Düzlem ve 1/10 eğimli tabanda farklı karakteristik dalga parametrelerinin kombinasyonu ile elde edilen U RB sayıları ile rölatif oyulma derinliği değişiminin korelasyon katsayıları (R) Sıra No Dalga koşulu S/D Denklem Denklem R a b No H s-t m (15) 1 Düzenli 2 ve Düzensiz H rms-t p (16) Şekil 11a da Hs-Tm karakteristik dalga parametrelerin yer aldığı (15) nolu denklem kullanılarak tüm düzenli ve düzensiz şartlardaki deney sonuçları birlikte değerlendirildiğinde boru Ursell sayısı ile rölatif oyulma derinliğinin uyumlu olduğu ve yüksek korelasyon katsayısına sahip olduğu görülmektedir. Şekil 11b de ise ölçümden elde edilen rölatif oyulma derinliklerinin denklem (15) den elde edilen rölatif oyulma derinlikleri ile değişimlerinin son derece uyumlu oldukları görülmektedir. 268

11 (a) (H s-t m) (b) Şekil 11 S/D nin Boru Ursell sayısı ile değişimi (H s, T m) BULGULAR Çalışma kapsamında oyulma derinliği üzerine etkili olabilecek her parametrenin oyulma derinliği ile değişimi ayrı ayrı incelenmiş ve tek başlarına saçılımların fazla olduğu görülmüştür. Bu nedenle boyut analizi ile elde edilen etkili boyutsuzlar da araştırılmıştır. Çevik ve Yüksel (1999) in düzenli dalgalarla yapmış oldukları çalışmada boru etkisini de içeren ve çok daha yüksek bir korelasyona sahip olan boyutsuz boru Ursell sayısının, U RB, gerek geçiş derinliği gerekse sığ su şartları bir arada dikkate alındığında rölatif oyulma derinliğini oyulma derinliğini en iyi belirlediğini ifade etmişlerdir. Farklı karakteristik dalga parametreleri kombinasyonu kullanılarak boru Ursell sayıları ile hesaplanan rölatif oyulma derinliği ifadelerinin hepsi yüksek korelasyon katsayılarına ortalama kare hataların ise düşük değerlere sahip 269

12 oldukları görülmüştür. Bu nedenle düzensiz dalga etkisinde oyulma derinliği hesabında bu ifadelerin herhangi birinin kullanılması önerilebilmektedir. Ayrıca düzenli ve düzensiz dalga etkisindeki oyulma derinliklerinin birlikte değerlendirilmesi halinde düzenli dalga şartları altında meydana gelen oyulma derinliği ile aynı oyulma derinliğine neden olan düzensiz dalga etkisindeki bir fırtınayı temsil edecek karakteristik dalga parametrelerinin neler olması gerektiği incelenmiştir. Düzensiz dalgaları içeren fırtınaların H s- T m ve H rms-t p çiftleri ile temsil edildiklerinde düzenli dalga fırtınaları ile aynı oyulma derinlikleri yarattıkları görülmüştür. KAYNAKLAR Cevik, E. ve Yüksel, Y., Scour under submarine pipelines in waves in shoaling conditions, Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Eng., Vol. 125, No. 1, Myrhaug, D. ve Rue, H., Scour below pipelines and around vertical piles in random waves, Coastal Engineering, Vol. 48, Sumer, B.M. ve Fredsøe, J., Scour below pipelines in waves, Journal of Waterways, Port, Coastal and Ocean Engineering, ASCE, Vol.116, No.3, Sumer, B.M. ve Fredsøe, J. 1996, Scour around pipelines in combined waves and current, Proc. 7 th International Conference on Off-shore Mechanics and Arctic Engineering Conference, ASME, Florence, Italy, Vol.V, Pipeline Technology, Sumer, B.M. ve Fredsøe, J The mechanics of scour in the marine environment. Vol. 17, World Scientific. 270