GEMİ BORU DONANIMLARINDA GERİLME ANALİZİNİN AUTOPIPE PROGRAMI YARDIMIYLA İNCELENMESİ

Transkript

1 GEMİ İNŞAATI VE DENİZ TEKNOLOJİSİ TEKNİK KONGRESİ 08 BİLDİRİLER KİTABI GEMİ BORU DONANIMLARINDA GERİLME ANALİZİNİN AUTOPIPE PROGRAMI YARDIMIYLA İNCELENMESİ Hasan Üstün BAŞARAN 1, Yalçın ÜNSAN 2 ÖZET Son yıllarda deniz taşımacılığının dünyada önem kazandığı ve dolayısıyla da gemi yapımının hem dünyada, hem de ülkemizde giderek artan bir ölçüde gelişme gösterdiği bir gerçektir. Gemi yapımının önemli bir potansiyel hale gelmesiyle birlikte; gerek geminin seferi sırasında karşılaştığı dış kuvvetlerden doğan ve gerekse gemi donanımlarında; ağırlık, akışkan, sıcaklık, titreşim vb gibi etkilerden doğan gerilme kuvvetlerinin müsaade edilen değerlere getirilmesi ve gemide sefer sırasında doğabilecek sorunların önlenmesi istenmektedir. Bu makalede gemide sistemlerin bağlantısını ve düzenini sağlayan gemi boru donanımlarında meydana gelen gerilmelerin AutoPIPE programı yardımıyla nasıl incelenebileceği gösterilmiştir. Anahtar kelimeler : Boru donanımı, Gerilme, AutoPIPE. 1. Giriş Gemilerde boru donanımlarının önemli bir yeri vardır. Gerek ana makinenin işlevini yerine getirebilmesi için, gerekse de yardımcı makinelerle uyumlu çalışması için gemide yer alan sistemlerin birbirleriyle bağlantılarını sağlayan boru devrelerine ihtiyaç vardır. Borularla değişik sıcaklıklarda ve basınçlarda akışkanlar ve gazlar iletilir. Borularla iletilen maddeler: Tatlı su, deniz suyu, stim, değişik viskoziteli yağlar, basınçlı hava, gaz vb.dir. İstenilen maddelerin türleri, basınçları, sıcaklıkları boru donanımları dizaynında önemli yer tutar. 1 Müh., E-posta : navalarchitect1985@gmail.com 2 Y. Doç. Dr., İ.T.Ü. Gemi İnşaatı ve Deniz Bilimleri Fakültesi, Gemi İnşaatı Mühendisliği Bölümü, Ayazağa 34469, İstanbul, Türkiye. E-posta : unsany@itu.edu.tr Tel :

2 Gemi boru donanımlarındaki gerilmenin sebepleri; yer çekimi, sıcaklık farkı, iç ve dış basınç kuvvetleri, akışkan debisindeki değişimler ve sismik aktivitelerin etkilerinden kaynaklanan statik ve dinamik yüklemelerdir.[1] İşte bu yüklemelerden meydana gelen gerilmelerin analiz nedenleri de; 1. Boru ve boru elemanlarının güvenliğinin sağlanması, 2. Boruları birleştirme elemanlarının ve yine boruları destekleme elemanlarının güvenliğinin izin verilen değerler içinde kalmasının sağlanması, 3. Gerilme nedeniyle borularda meydana gelecek yer değiştirmelerin uluslar arası standartlar ve Loyd Kuralları nın belirlediği sınırlar içinde kalmasının sağlanmasıdır. Gemide birçok sistemin yer aldığı, üstelik bu sistemlerin birçoğunun da birbirine bağlı olarak çalıştığı göz önüne alınırsa; gemide sorunsuz ve düzenli bir akışın sağlanması, sistemlerde yer alan boru donanımlarının uzun süre dayanımının korunması için Boru Gerilme Analizi nin en az istenen sınırlar arasında tutulması gerektiği kaçınılmaz bir durum olarak karşımıza çıkmaktadır. Gemi boru donanımlarında gerilme analizinin sebeplerine ve önemine değindikten sonra makalenin bundan sonraki kısmında da gemi boru donanımlarında gerilme analizini inceleyebileceğimiz AutoPIPE programını tanıtıp, gerilme analizinin AutoPIPE programı yardımıyla nasıl yapılacağını görelim. 2. Autopipe Programının Tanıtımı ve Program Yardımıyla Boru Gerilme Analizi İncelenmesi AutoPIPE; boru gerilmelerini, flanş analizini, boru destekleme dizaynlarını statik ve dinamik yükleme koşulları altında yapabilen bağımsız bir bilgisayar destekli mühendislik programıdır. 22 borulama kodunun yanı sıra, Avrupa ve İngiliz standartları, API, NEMA, ANSI, ASCE, AISC, UBC ve WRC standartlarını ve dizayn limitlerini de içererek bütün sistemin daha kapsamlı bir analizini sağlar. Endüstriyel boru sistemleri dizaynıyla uğraşan şirketlerin ihtiyaçlarını karşılamak üzere geliştirilmiş olan AutoPIPE, Windows standardında komutlar, nesneye dayalı grafikleme teknolojisi ve bilgisayar destekli çizim olanağıyla kullanıcıların boru ve yapı modellerini oluşturup, görüntülemelerine ve bu sistemlerdeki sonuçları hızlı ve kolay bir şekilde almalarına imkan sağlamaktadır. Model programda geliştirilirken, modelin ekranda grafik bir görünümü yer alır. AutoPIPE; verilerin girilmesiyle birlikte, oldukça kapsamlı bir hata taraması uygular, seçilen boru dizayn standartlarına uygun bilgi girilmemesi durumunda kullanıcıyı uyarır. Grafiksel nesneye dayalı seçim olanakları sayesinde, sadece bir komut ile kullanıcılar boru özelliklerini, desteklemelerini girebilir, silebilir ya da değiştirebilir. Hatta bütün bir sistemi seçerek başka bir noktaya hareket ettirebilir. [2] 340

3 2.1 Özellikler ve Eleman Kütüphanesi (Properties and Component Library) AutoPIPE programı içinde boruları, redüserleri, teleri, valfleri, flanşları, dirsekleri, esnek birleştiricileri ve diğer fiting elemanlarını içeren anlaşılır ve kapsamlı bir malzeme özellikleri ve boru ve yapı elemanları kütüphanesi mevcuttur. Boru sistemindeki desteklemeler; çapaları, yaylı ve sabit yüklü çengelleri, tek yönlü sınırlamaları, sınır değerlerini, kılavuzları ve bağlantı çubuklarını içerir. Malzeme kütüphanesi sıcaklığa bağlı özellikleri ve koda bağlı sınırlamaları da kapsamaktadır. AutoPIPE; ASME/ANSI, JIS, DIN ve İskandinavya standartları için eleman özellikleri bulundurur. [2] 2.2 AutoPIPE Programında Yapı Modellenmesi (Structural Modeling In AutoPIPE) AutoPIPE; çerçeve elemanlı yerleşik yapı analizi ile, kullanıcıların boru analiz sistemlerinde yapının kütle ve esnekliğini de düşünmesini sağlar. Kullanıcıların istenilen açıda ve yönde dirsekleri, boru birleşim noktalarını 3 boyutlu olarak ayarlamalarına olanak verir. (Bak. Şekil 1) 341

4 Şekil 1: AutoPIPE programında 3 boyutlu modelleme. En sık kullanılan çelik yapı malzemelerinin özelliklerini içeren AISC yapı kütüphanesi AutoPIPE programı içerisinde yer alır. Kullanıcılar kolaylıkla AutoPIPE programında yer almayan çerçeve modellerini oluşturmak için çerçeve elemanlarını ve çelik malzemelerini kendileri tanımlayabilir. Çerçeve yapıları AutoPIPE ekranında yer alan elemanların simgeleri kullanılarak ya da yine komutlar yardımıyla oluşturulabilir. [2] 2.3 Lineer Olmayan Analiz Seçenekleri (Non-linear Analysis Options) AutoPIPE lineer olmayan gömülü boru hattı analizinin, açıklık ve sürtünme değerleri ile yönsel desteklemelerin, çift doğrusal yaylı desteklemelerin hesaplanmasını sağlar. Bir destek noktasında kullanıcı açıklık ve sürtünme değerlerini gerçek sınır koşullarına uydurmak için istediği gibi seçebilir. Autopipe 2 nokta sınırlama fonksiyonu ile borularla yapıların etkileşimini ve sistemdeki herhangi 2 noktanın birleşimini sağlar. AutoPIPE lineer olmayan yükleme düzeni için eşsiz olanaklara sahiptir. Örneğin, kullanıcılar yerçekimi yüklemesinden sonra rüzgar, sismik ve diğer yüklemelerin hızlı bir şekilde analizini belirleyebilir. Yine bu yüklemelerin ısıl analizden sonra yapılması da belirlenebilir. Bu durumda kullanıcılar bu yüklemeleri ayrı ayrı sistem boyunca hesaplayacakları gibi, sistemin belirli bir çevresinde de görebilecektir. Yükleme düzeni seçenekleri ayrıca kullanıcıya, yer çekimi ve ısıl yükleri lineer olmayan analiz ile ve sismik yükleri lineer analiz ile aynı hesaplama sırasında yapılması olanağı verir. [2] 2.4 Yerel Gerilme Analizi (Local Stress Analysis) İngiliz, ASME ve Kaynak Araştırma Kurulu ndaki (Welding Research Council) Standartlara uygun müsaade edilen gerilmelere ve yükleme durumlarına uygun olarak AutoPIPE programı lokal gerilme analizi yapabilir (Bak. Şekil 2). Gerilme analizinde gerilmenin belli oranlarına göre sistem renklendirildiği için gerilmenin sistemdeki gözlemi de kolaylaşır ve istenen gerilmenin üstündeki yerler daha kolay tespit edilir. API 650 kodu yardımıyla tanklardaki birçok değişik boru yükleme durumları analiz edilebilir. 2.5 Sonlu Elemanlar Metodu (Finite Elements Method) AutoPIPE; dinamik ve statik yüklemelere bağlı olarak, sonlu elemanlar metoduyla (finite element theory) boru ve yapı sistemlerini analiz eder. Sonlu elemanlar yöntemi derinlemesine bilinmese bile, programda uygun varsayımlar alındığından karmaşık sistemlerin analizi sağlanır. 2.6 Dinamik Analiz (Dynamic Analysis) 342

5 Dinamik analiz özellikleri, sistem hallerini ve doğal frekansları, harmonik yükleme analizini, zamana bağlı dinamik analiz ve kuvvet analizlerini içerir. Şekle ait analizlerde AutoPIPE otomatik olarak elemanlar boyunca kütle noktalarını yerleştirir. Su çekiçlemesi, buhar çekiçlemesi ve emniyet sübabı kuvvetleri gibi zamana bağlı dinamik analiz ile çözülebilecek problemlerin hesaplamalarını gerçekleştirir. Bu tür problemlerden doğan yer değiştirmeler programda gözlenebilir (Bak. Şekil 3). Ayrıca akıştan kaynaklanan titreşimler de yine dinamik analiz ile bulunabilir. [2] Şekil 2: AutoPIPE programıyla sistemin gerilme analizinin incelenmesi. 343

6 Şekil 3: AutoPIPE programında sistemin çizgi halinde gösterilmiş ilk hali ve kırmızı çizgi ile de sistemin gerilmeden dolayı şekil değiştirmiş durumu. 2.7 İşlem Sonrası (Post Processing) Bir sistem analiz edildikten sonra, grafik modellerine tıklanarak hemen model üzerindeki herhangi bir noktada gerilmeler, yüklemeler ve eğilmeler görülebilir. Renkli kodlu gerilmeler, animasyonlu titreşimler ve otomatik açılan uyarı pencereleri ile mühendislerin araştırıp bulmaları kolaylaştırılır. Çıkış rapor seçenekleri kullanıcılara filtreli ya da filtresiz ekranda görüntüleme veya çıktı alma gibi olanaklar sağlar. Kod gerilme birleşimleri otomatik olarak yapılır. AutoPIPE kullanıcılara en düşük ve en yüksek yükleme özetleri ile birden fazla ısıl, rüzgar, sismik, dalga, ve dinamik yüklerin hepsinin bir analiz içinde gerçekleştirilmesini sağlar. AutoPIPE programının bu grafiksel seçimleri sayesinde çıkış raporlarında modeldeki istenen noktaların çıkış değerleri alınabilir. Örneğin; 1000 noktalı bir modelin yalnızca 2 noktasını içeren bir çıkış raporu alınabilir. [2] 3. Sonuçlar Günümüzde gemide sistemlerin birleşimini ve birbirleriyle düzenli ve uyumlu çalışmasını sağlayan boru devrelerinin önemi git gide artmaktadır. Boru donanımlarında kütle, sıcaklık, titreşim, basınç vb. sebeplerle meydana gelebilecek bir gerilme durumunda; borunun, sistemin gereken çalışmasını yürütemeyecek derecede zorlanması yalnızca belli bir bölgedeki sistemi değil, bağlantılı bütün sistemleri etkileyip, sistemlerin uyumsuz çalışmasına hatta devre dışı kalmasına neden olabilir. Bu durumda özellikle gemi inşaatı mühendislerinin, gemi boru donanımlarını uluslar arası standart kodları bünyesinde bulunduran AutoPIPE programı yardımıyla tasarlamaları; boru devrelerinin 3 boyutlu gözlenip incelenebilmesine, boru donanımına gelebilecek olası yüklemelerin yapım öncesi hesaplanmasına ve hataların tasarım aşamasında giderilmesine olanak verecek ve böylece 344

7 hem gemi boru donanımlarının yapım aşaması daha hızlı ve daha az hatalı tamamlanacak, hem de gemilerin sevk sürelerinde gemide gerilmelerden ötürü meydana gelebilecek zararlar en aza indirilecektir. Kaynaklar [1] CERİT, A. Münir, Endüstriyel Borulama El Kitabı, Ankara. [2] AutoPIPE Pipe Stress Analysis Manual Tutorial, 345