On-Bottom Hydrodynamic Stability of Offshore Pipelines Performing 3D Analysis in SIMLA

Abstract

Målet med denne masteroppgaven er å utføre en 3D hydrodynamisk stabilitetsanalyse av en undervannsrørledning på sjøbunn, for å demonstrere fordelene med en 3D funksjonalitet sammenlignet med eksisterende metoder. Hydrodynamisk stabilitet er et av de viktigste problemstillingene knyttet til rørledninger som er plassert på havbunnen. Hittil har dette problemet blitt løst ved å vurdere en 2D-modell, der vurderingen av 3-dimensjonaliteten til røret og havbunnen er ekskludert. Presis og pålitelig modellering av samspillet mellom rørledning, havbunn og sjøbelastning har stor betydning for å kunne oppnå en design som både er robust og kostnadseffektiv. Det nyutviklede dataprogrammet SIMLA er laget for å inkludere relevante hydrodynamiske belastninger og jordmodeller i et generelt 3D FE-rammeverk.

For å adressere dette målet ble SIMLA brukt til å utføre ulike dynamiske stabilitetsanalyser. Det ble i hovedsak tatt for seg en rørledning av stål på en flat sjøbunn av sand, som ligner på et eksisterende eksempel modellert i det aktuelle 2D-verktøyet PONDUS. En sammenligningsstudie av resultatene ble utført for å redegjøre for mulige forskjeller mellom programmene. Deretter ble det utført parameterstudier med hensyn på bølgekinematikk og effekten av frispenn. Påvirkningen av ulike jordforhold ble vurdert ved å sammenligne en jordmodell av leire med en jordmodell av sand. I tillegg har det blitt utført en litteraturstudie knyttet til hydrodynamisk stabilitet på sjøbunn og programvarene PONDUS og SIMLA.

Hovedfunnene fra dette arbeidet viser at SIMLA produserer en større sideveisforskyving på røret enn PONDUS for en gitt seed verdi. Imidlertid anses avviket for å være en konsekvens av statistisk variasjon, forskjell i den numeriske modellen brukt for å beregne interaksjon mellom rør og jord og en begrenset simuleringstidsramme. Resultatene fra parameterstudiene gir en god representasjon av fenomener knyttet til rørledningsdesign på sjøbunn. Fordeler slik som en forbedret jordmodell og muligheten til å vurdere frispenning, har spesielt blitt demonstrert i denne oppgaven.

The objective of my thesis is to perform a 3D on-bottom hydrodynamic stability analysis of a submarine pipeline for the purposes of demonstrating the advantages of a 3D functionality as compared to existing methods. On-bottom stability is one of the most critical elements in the design of submarine pipelines. Up to now, this problem has been solved by considering a 2D model, excluding consideration of the 3-dimensionality of the pipe and the seabed. Precise and reliable modelling of the interaction between the pipelines, seabed and environmental actions is of key importance in order to obtain a robust yet cost effective design. The newly developed computer program SIMLA has been developed to include relevant hydrodynamic load and soil models into a general 3D FE framework.

To address the objective, SIMLA was utilised to perform dynamic lateral stability analyses of various case scenarios. The main case considers a pipeline of steel on a flat seabed of sand that is similar to an example modelled in the existing state-of-the-art 2D tool PONDUS. A comparison of the results was performed to evaluate possible dissimilarities between the programs. Thereafter, parameter studies with respect to wave kinematics and the effect of free spanning, were conducted. The influence of different soil conditions was considered by comparing a clay soil model with a sand soil model. In addition, a study of the literature related to on-bottom hydrodynamic stability and the softwares PONDUS and SIMLA, has been performed.

The main findings from this work show that SIMLA produces a larger lateral pipe response than PONDUS for a given seed value. However, the deviation is considered to be a consequence of statistical variation, difference in the numerical model applied for pipe-soil interaction and limited simulation time frame. The results obtained from the parameter studies provide a good representation of phenomenons related to on-bottom pipeline design. Advantages related to an improved soil model and the capability of considering free spanning have especially been demonstrated in this thesis.