Trawl interference loads for offshore power cables
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/2780143Utgivelsesdato
2020Metadata
Vis full innførselSamlinger
- Institutt for marin teknikk [3473]
Sammendrag
Målet med denne avhandlingen var å undersøke hvilke trållaster som oppstår som en følge av interaksjon mellom klumpvekter og offshore kraftkabler med fokus på pull-over stadiet. I tillegg skulle sensitivitet av treffvinkel, relativ penetrasjon mellom klumpvekt og kabel samt førspenning i kabelen undersøkes. Til slutt skulle pull-overlastene sammenlignes med DNVGL-RP-F111 og responsen til kabelen sjekkes opp mot relecante regelverk.
Alle simulasjoner ble gjort det ikke-lineære finite element programmet SIMLA, som er skreddersydd for slanke strukturer. Finite element formulasjonen og løsningsprosedyrer for programmet er beskrevet i et separat kapittel. Videre er også bakgrunn for undersjøiske kabler, teori om trålutsyr, relevante regler og regulasjoner samt tidligere forskning på trållaster inkludert.
Klumpvektsmodellen er basert på en fysisk modell som tidligere har blitt brukt av Sintef Ocean. Klumpvekten blir i analysen aksellerert opp til en hastighet på 2.4 m/s før interaksjonen intreffer og har en tørr vekt på 5924 kg. Trålbord-nodene er holdt fast på tvers av trålretningen mellom start av analysen til T = 50.0 s. Etter dette ble frihetsgraden sluppet opp for å muiliggjøre glidning mellom klumpvekt og kabel. Dette førte til at sveipelinene lukket seg og trålbordene ble trukket innover mot klumpvekten. Interaksjonskreftene vil derfor sannsynligvis være på den konservative siden.
Resultatene viste at DNVGL-RP-F111 predikerte en maksimal horisontal pull-over last som var opp til fire ganger den som ble funnet i SIMLA modellen. Varigheten på interaksjonen var også betydelig lengre enn den faktiske varigheten funnet i simulasjonene. Man kan derfor konkludere med at DNVGL-RP-F111 ikke kan brukes til å estimere laster fra interaksjon mellom klumpvekter og kraftkabler. Funnet var ikke overraskende da bøyestivheten til kraftkabler er mye lavere en den for til stålrør.
Sensitivitet av maksimal pull-overkraft, maksimal aksialkraft, maksimum kurvatur og maksimum global forflyttning av kabelen for treffvinkler 90 deg, 80 deg, 40 deg og 20 deg. Her tilsvarer 90 deg en perpendikulær treffvinkel og 0 deg tilsvarer en paralell treffvinkel. For treffvinkelene 40 deg og 20 deg startet klumpvekten å skli langs kabelen etter kontakt var opprettet, og varigheten så ut til å øke når treffvinkelen ble redusert. I kombinasjon med en relativ penetrasjon på 63 mm ble den maksimale pull-over lasten, maksimale aksialkraften, maksimale kurvaturen og den maksimale globale forflyttningen størst ved en perpendikulær treffvinkel. Den maksimale vertikale pull-over kraften viste seg å ikke bli betydelig påvirket av treffvinkelen. Resultatene viste også at den maksimale horisontale pull-over kraften og den maksimale aksialkraften var lavest for moderate treffvinkler, og den maksimale globale forflyttningen var høyere for lavere treffvinkeler.
Konfigurasjonene med 80 deg treffvinkel hadde en betydelig kortere pull-over varighet enn for de andre treffvinklene. Dette førte til at hellingsvinkelen på klumpvekten endret seg raskt under interaksjonen og det oppstod konvergensproblemer. Tidssteget måtte deles på ti og konvergensradiusen måtte økes fra 1e-8 til 5e-4, hvilket betydde en drastisk reduksjon i løsningspåliteligheten. For å motvirke store fluktuasjoner i pull-over lasten, ble gjennomsnittsverdien tatt over 500 steg i stedet for over 100 steg for bruk i plottings. Likevel var det mulig å observere store fluktuasjoner i pull-over kraften for disse simulasjonene. De maximale pull-over kreften fra lokale topper i konfigurasjoner med 80 deg treffvinkel ble derfor ikke tatt med i betraktningen når sensitivitetsstudiene ble utført.
Sensitivitetsstudiet for relative penetetrasjoner ble gjort for verdiene: 13 mm, 63 mm og 113 mm. Resultatene viste at maksimum pull-over kraft, maksimal aksialkraft, maksimal kurvatur og makismal global forflyttning øker når den relative penetrasjonen øker. Størrelsesorden på effekten var i stor grad påvirket av treffvinkelen, spesielt for for lave treffvinkler.
Klumpvekten klarte ikke å krysse kraftkabelen når en treffvinkel på 20 deg ble kobinert med en relativ penetrasjon på 113 mm. Interaksjonen endte med kontinuerlig glidning langs kabelen som varte fram til analysen ble avsluttet rundt 40 sekunder etter kontakt mellom klumpvekten og kabelen intraff. Den maksimale horisontale pull-over kraften og den maksimale kurvaturen økte gradvis under interaksjonen og forbipasserte de største verdiene for en perpendikulær treffvinkel. Gyldigheten av disse resultatene er likevel usikker, da klumpvekten gled inn i soner med større mesh størrelser. Videre var også løftkreftene fra trålbordene ikke var modellert, noe som førte til store bevegelser på tvers av trålretninge. Det er derfor usikkert om forfyttningen av trålposene og trålbordne for disse simulasjonene er korrekt.
Til slutt demonstrerte resultatene at førspenningen hadde en liten til ingen effekt på trålinteraksjonen. Ved å redusere førspenningen fra 10 kN til 1 kN ble det funnet at den maksimale pull-overkraften og den maksimale aksialkraften hadde en marginal reduksjon og den maksimale forflyttningen og den maksimale kurvaturen hadde en marginal økning.
Design-begrensningene på kurvatur og aksialkraft var basert på regler for fleksible risere. Ved å sammenligne verdiene fra simulasjonene ble det funnet at opp til 9.5 % og 80 % av kapasiteten ble brukt for henholdsvis aksialkraft og kurvatur. Man kan derfor konkludere med at lastnivåene som oppstår i kabelen fra interaksjonen med klumpvekten ikke overskrider tillatte nivåer. Det er likevel mulig at kabelen må beskyttes da glidningen langs kabelen for små treffvinkler kan true integriteten av ytterkappa. The objective of this thesis was to investigate trawling loads from the interaction between roller clump weights and subsea power cables with focus on the pull-over phase. In addition, a sensitivity study of the effect of hit angle, relative penetration between the clump weight roller and the pre-tension in the cable were to be conducted. Finally, the load levels were to be compared to DNVGL-RP-F111 and further checked against design limits for relevant rules.
All simulations were preformed in the SIMLA software, a special purpose on-linear finite element program developed for slender structures. A brief description of the applied finite element formulations and solution procedures is included in a separate chapter. Furthermore, background containing build up and mechanical properties of subsea power cables, trawling gear concepts, relevant rules and regulations as well as previous research on trawl gear interference loads is included.
The clump weight model were based on a physical model previously used by Sintef Ocean. The clump weight model were accelerated to a velocity of 2.4 m/s before the interaction occurred, and had a dry mass of 5925 kg. In order to allow for a sliding motion in the model, the translation constraints of the trawl board nodes transverse to the trawl direction were released T = 50.0 s. As a result, the trawl boards were dragged in towards the clump weight closing the trawl net. The interaction forces are therefore likely to be on the conservative side.
The results showed that the DNVGL-RP-F111 overpredicted the maximum horizontal pull-over with up to four times the force that was found in the SIMLA model. The duration of the interaction was also found to be significantly shorter than predicted. DNVGL-RP-F111 can therefore not be used to predict trawl loads from the interaction between subsea power cables and clump weights. The finding were expected as the offshore power cables are flexible where steel pipelines are rigid.
Sensitivity of pull-over force, axial force, maximum global displacement and maximum curvature were studied for hit angles 90 deg, 80 deg, 40 deg, and 20 deg. Where 90 deg correspond to a perpendicular angle between the trawl direction and the power direction and 0 deg correspond to a parallel one. The clump weight started to slide along the cable or hit angles 40 deg and 20 deg, and the results indicated that the duration of the sliding motion will increase with a reduced hit angle. In combination with a 63 mm relative penetration, the largest maximum pull-over load, maximum axial force, maximum global displacement and maximum curvature occurred for a perpendicular hit angle. In the vertical direction, the maximum pull-over force were found to not be significant affected by the hit angle. The maximum horizontal pull-over force and maximum axial pull over force were at its lowest for moderate hit angles, while the maximum displacement and maximum curvature were found to decrease with the hit angle.
The case with a 80 deg hit angle had a considerable lower pull-over time compared to the other cases. As a consequence, the quick tilting motion occurring after contact between the clump weight and the power cable had been established led to convergence problems. The time step had to be divided by ten and the convergence radius increased from fra 1e-8 to 5e-4 drastically reducing the accuracy. As a countermeasure, amount of steps used in pull-over force averaging were raised from 100 to 500 for this hit angle. Nevertheless, large spikes could be observed in some of the pull-over history plots. The maximums found from these plots were therefore not taken into consideration when the sensitivity studies were preformed.
The sensitivity study of relative penetration were preformed with values of 13 mm, 63 mm and 113 mm. Generally it were found that the maximum pull-over force, maximum axial force, maximum global displacement and maximum curvature increased with the relative penetration. The effect varied greatly with the hit angle, and the relative penetration were found to be especially important for the 20 deg hit angle.
The clump weight were not able to cross the power cable when a 20 deg hit angle and a 113 mm relative penetration were combined. The interaction ended up in a continuous sliding motion, which lasted to the end of the simulation up, 40 seconds after contact between the clump weight and the cable were established. While sliding, the horizontal pull-over force, axial force, displacement and curvature were gradually increasing, at some point surpassing the maximum values found for a perpendicular case. However, due to the long duration of the simulation, the trawl net configuration was significantly deformed and the clump weight were able to slide out of the cable section with a refined mesh size. The validity of the results for his case are therefore questionable.
Finally, the simulation results demonstrated that the pre-tension had a minor to none effect on the response. By reducing the pre-tension from 10 kN to 1 kN it were found that the maximum pull-over force and maximum axial force had a slight decrease while the maximum displacement and maximum curvature had a slight increase.
The design limits, used to check the load levels up against capacity, were based on rules for flexible risers. Comparing with the design limit, the maximum axial forces and maximum curvatures for the most critical case combination were found to be 9.5 % and 80 % of the design limit respectively. The load levels resulting from the interaction with the clump weight were hence found to be within safe bounds. It is nevertheless probable that the cable have to be protected as the continuous sliding motion that can occur for small hit angle may threaten the integrity of the outer sheath.