Islaster på en FPSO

Abstract

Denne masteroppgaven forklarer hvordan ekstreme islaster påvirker skroget på en FPSO lokalisert i isbelagte områder. En omfattende studie av isteori ble utført. Kunnskap om isfysikk og ismekanikk er viktig for å bedre kunne forstå kreftene fra is på en konstruksjon. Hvordan is sviker imot en konstruksjon har en betydelig effekt på islasten.

Lokale modeller av skroget på en FPSO har blitt designet og analysert i ABAQUS for å finne responsen ved interaksjon med islaster. DNV GL, IACS og ISO 19906 har reguleringer for offshorekonstruksjoner som opererer i isbelagt hav. Disse reguleringene har blitt brukt når modellene i denne oppgaven ble designet. Fire forskjellige modeller ble etablert med forskjellige stivergeometri, stiverdimensjoner og stiveravstand. Modellenes respons ble analysert ved forskjellige istrykk beregnet fra DNV GL, IACS og ISO 19906. De lokale designlastene fra DNV GL og ISO 19906 er likere, sammenlignet med de fra IACS. Dette skyldes likheter i beregningen av designlast mellom DNV GL og ISO 19906. Alle tre designlaster resulterte i en høyere spenning enn flytspenning. Dette tyder på at modellene vil oppføre seg ulineært, siden spenning-tøyingsforholdet ikke lenger er lineært. Ved ikke-lineær oppførsel vil små endringer i spenning resultere i store endringer i forskyving. Fra analysene med designlast fra reguleringene, kunne en se viktigheten av stiverdimensjoner. Som forventet kunne modellene med T-stivere absorbere mer spenning enn de med I-stivere, som resulterte i mindre forskyving av platen. I tillegg vil en smalere stiveravstand resultere i lavere spenninger i platen.

Kritiske tøyning for modellene ble utforsket i henhold til reguleringer fra DNV GL. Som forventet hadde modellen med T-stivere og minst stiveravstand størst kritisk tøyning. Modellen med I-stivere og stor stiveravstand hadde en minste kritisk tøyning. Designlastene fra DNV GL og ISO 19909 resulterte i maksimal hovedtøyninger som var mindre enn kritisk tøyning, mens designlasten for IACS resulterte i maksimal hovedtøyning som var større enn kritisk tøyning. I dette tilfellet er det viktig å gjøre en vurdering om lasten fra IACS er litt for konservativ.

Stål blir sprøtt ved lave temperaturer. Materialer er generelt kvalifisert ved en "design temperatur", som typisk er på 20⁰C under maksimal operasjonstemperatur. Store deformasjoner er forventet i Arctic grunne muligheten for kollisjon med isberg. I Arktisk kan en forvente operasjonstemperaturer så lavt som -40⁰C, som betyr at design temperaturen til stålet må være -60⁰C. Store deformasjoner er forventet i Arctic grunne muligheten for kollisjon med isberg.

This master thesis aims to explain how impacts of extreme ice loads affect the hull of an FPSO located in ice-infested areas. An extensive study of ice theory was conducted. Knowledge about ice physics and mechanics is important in order to better understand the forces from ice on a structure. The mode of ice failure against a structure has a significant effect on the magnitude of the ice action. Different types of ice failures may occur on the same structure depending on interaction velocity and ice condition, even during the same event.

Local models of the hull of a FPSO has been successfully designed and analysed in ABAQUS in order to find the response due to local ice actions. DNV GL, IACS and ISO 19906 provides regulations for offshore structures operating in ice-covered seas. These regulations have been used in the deign process of the models. Four different models were established with different stiffener geometry, stiffener dimensions and stiffener spacing. The response of the models were analysed using different ice pressures obtained from DNV GL, IACS and ISO 19906. The local design loads provided by DNV GL and ISO 19906 are more similar than the design load obtained from IACS. This is due to similarities in the calculation of the design load between DNV GL and ISO 19906. All three design loads resulted in stresses above the yield strength. This implies that the models will get non-linear behaviour, due to the stress-strain relationship no longer is linear. In non-linear behaviour; small changes in stresses could lead to big changes in displacement. \\\\ From the analyses with design load provided by the regulations, one could also see the importance of the stiffener dimensions. As expected, the models with tee-bar stiffeners could absorb more stresses than the flat-bar stiffeners, resulting in lower displacements of the plate. In addition, a narrower stiffener spacing also resulted in lower stresses in the plate.

The critical strains for the stiffened plates were investigated according to DNV GL's regulations. As expected, the model with tee-bars and smallest stiffener spacing had the largest critical strain. While the model with flat-bars and large stiffener spacing had the smallest critical strain. The design loads from DNV GL and ISO 19909 resulted in maximum principal strains that were less than the critical strain, while the design load from IACS resulted in maximum principal strains that were greater than the critical strains. Steels becomes brittle at low temperatures. Materials are in general qualified at so called "design temperatures", which typically lies \(20^o C\) below maximum expected service temperature. Large deformations are expected in the Arctic.