KFUPM ePrints

Dynamic Analysis of Fiberglass-Reinforced Plastic Pipes with Thickness Discontinuity using Wavelet-based Finite Element

l Dynamic Analysis of Fiberglass-Reinforced Plastic Pipes with Thickness Discontinuity using Wavelet-based Finite Element. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img]PDF (PhD Dissertation) - Accepted Version
Restricted to Abstract Only until 14 December 2017.

4Mb

Arabic Abstract

لقد أصبحت الأنابيب البلاستيكية المقواه بالألياف الزجاجية (FRP)في العقود القليلة الماضية بديلا قابلا للتطبيق للصلب المطلي، والفولاذ المقاوم للصدأ وغيرها من الأنابيب المعدنية في العديد من التطبيقات الهندسية المتعلقة بتوليد الطاقة والمعالجة الكيميائية ونقل النفط والغاز وتصريف ومعالجة مياه الصرف الصحي وغيرها من التطبيقات الصناعية. تآكل السطح الداخلي، والذي يمكن أن يأخذ عدة أشكال بسبب التفاعلات الكيميائية والحرارة، أو مزيج من هذه التأثيرات، هو النوع الشائع والواضح لتلف الأنابيب البلاستيكية المقواه بالألياف الزجاجية (FRP) مع طول مدة استخدامها. وهذه الظاهرة تتسبب في تناقص سمك الأنابيب والتوصيلات، والتي يمكن أن تهدد سلامة هيكلها، و بالتالي قد تؤدي إلى إهدار الموارد، وزيادة فترة توقف المصنع، وفقدان الإيرادات و أحتمالية حدوث الأعطال الكارثية. في هذه الرسالة، تم دراسة السلوك الديناميكي لأنابيب الألياف الزجاجية (FRP) في وجود تآكل موضعي في السمك الداخلي (ترقق الجدار الداخلي) على أشكال هندسية مختلفة، والتي قد تحدث في مواقع مختلفة على طول فترة استخدامها. ومن أجل فحص السلامة الهيكلية للأنبوب، لقد تم اعتماد طريقة العنصر المحدود المبني على أساس المويجات (WBFEM) للحصول على نموذج عددي عالي الكفاءة والدقة. فالمويجات تستطيع عمل تحاليل متعددة الدقة، وبالتالي تمتلك مزايا فريدة لنمذجة التأثيرات الموضعية والتقطعات الهيكلية. وعنصر الأنابيب المحدود تم بناءه في حيز المويجات ثم يتم تحويله إلى الحيز المادي. ولقد تم التوصل الي صيغ مفصلة من المصفوفات اللازمة للأنابيب الرقائقية المركبة باستخدام المويجات المخددة spline)-(B ومويجات هيرميت المثلثية. كما تم تبني نظريات العتبات المرنة لكل من أويلر- برنولي وتيموشينكو. وقد تم صياغة و حل المشكلة العامة للقيمة الذاتية للحصول على الخصائص المرنة لأنابيب الألياف الزجاجية (FRP). والنموذج المطور في هذا البحث يمكن تطبيقه لدراسة الأنابيب الفارغة كما يمكن تطبيقه كذلك على أنابيب نقل السوائل وذلك في حالة وجود او عدم وجود تآكلات داخلية في السُمك. وللتدليل على دقة وكفاءة النموذج المستحدث، تم مقارنة نتائج المحاكاة العددية مع نتائج الدراسات السابقة المنشورة، وأيضا النتائج التي تم الحصول عليها بواسطة ANSYS. بالإضافة إلى توفير المعلومات المتعلقة بالسلامة الهيكلية للأنابيب الزجاجية، قد تم استخدام النموذج الديناميكي المستحدث لإنتاج بعض الحلول القياسية لسد فراغ في الدوريات المنشورة، والتي لا تحتوي على أية بيانات قد تكون وثيقة الصلة باهتزازات الأنابيب المركبة التي تحوي عيوب سطحية داخلية. كما تشير نتائج هذه الدراسة إلى إمكانية استخدام إشارات الإهتزاز، كأساس عملي لاستحداث انظمة مراقبة دائمة في المستقبل لكشف ورصد العيوب السطحية الداخلية في خطوط الأنابيب، وذلك من أجل التطبيقات العملية في الصناهة.

English Abstract

In the past few decades, Fiberglass-Reinforced Plastic (FRP) pipes have become a viable alternative to coated steel, stainless steel and other metallic pipes in many engineering applications related to power generation, chemical processing, oil and gas transportation, municipal wastewater drainage and treatment and other industrial applications. Internal surface attack, which can take several forms due to chemical reactions, heat, erosion, or a combination of such influences, is the main apparent type of aging damage in in-service FRP piping. This phenomenon will cause thickness discontinuity in pipes and fittings, which could compromise their structural integrity and could thereby lead to waste of resources, increase plant downtime, revenue loss and possible catastrophic failures. In this work, the dynamic behavior of FRP pipes with internal thickness discontinuity (wall-thinning) of different geometries, which may occur at different locations along its span, has been investigated. In order to examine the structural integrity of the pipe, the wavelet-based finite element method (WBFEM) has been adopted to obtain a numerical model of high efficiency and fidelity. Wavelets have multi-resolution analysis and therefore possess unique advantages for capturing localized effects and structural discontinuities. The finite pipe element was constructed in the wavelet space and then transformed to the physical space. Detailed expressions of the required matrices are derived for the laminated composite pipe using the B-spline and Trigonometric hermite wavelets scaling functions. Both Euler-Bernoulli and Timoshenko beam theories are considered. The generalized eigenvalue problem has been formulated and solved to obtain the modal characteristics of the FRP pipe. The developed model is equally applicable to empty pipes as well as pipes conveying fluid; with or without internal thickness discontinuities. To demonstrate the accuracy and efficiency of the developed approach, the results of the numerical simulations are compared with the available results in literature and those obtained by ANSYS. In addition to providing information related to the FRP pipe structural integrity, the developed dynamic model has been utilized to produce some benchmark solutions to fill a gap in the literature, which does not contain any published data pertinent to vibrations of composite pipes with internal surface defects. For future practical applications, the results of this investigation attested to the potential of using the vibration signature as a viable basis for establishing online schemes for detecting and monitoring the internal surface defects in pipelines.



Item Type:Thesis (PhD)
Subjects:Engineering
Research
Mechanical
Divisions:College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor:Khulief, Yehia A.
Committee Members:El-Gebeily, Mohamed A. and Arif, Abul Fazal M. and Al-Nassar, Yagoub N. and Sunar, Mehmet V.
ID Code:140144
Deposited By:WASIU ADEYEMI OKE (g200902450)
Deposited On:16 Jul 2017 14:21
Last Modified:16 Jul 2017 14:21

Repository Staff Only: item control page