Fatigue Design of Cables for Energy Transport

Abstract

Under vann brukes strømkabler til å distribuere strøm til offshoreinstallasjoner. Strømkablene består av innvendige strømledere som er beskyttet av flere lag med materiale. Ekstruderte blyhylser fungerer som et beskyttende lag mot inntrenging av sjøvann. Under ekstrudering av disse hylsene av bly kan det forekomme små ujevnheter i materialet. Strømkablene blir utsatt for syklisk belastning, og det er avgjørende at de tåler belastningen kablene blir utsatt for. I det beskyttende laget er det en Pb-Sb-Sn-legering som brukes. Det er av stor interesse å beregne utmattingslevetiden til dette beskyttende laget, og da spesielt med tanke på effekten av ujevnhetene. Dette er komplisert å undersøke på grunn av materialets høye duktilitet og lave smeltetemperatur, noe som fører til tidsavhengig deformasjon allerede ved romtemperatur.

Hensikten med denne oppgaven er å undersøke hvordan ujevnheter påvirker utmattelseslevetiden til blyhylser. Resultater fra fysiske tester er blitt brukt til å lage en materialmodell som gjenskaper materialresponsen til syklisk belastning ved bruk av Isight. "Power law"-modellen er brukt, noe som har gitt tilfredsstillende resultater. Det er laget FEM i Abaqus, både med og uten ujevnheter, for å teste hvordan dette påvirker utmattingslevetiden. Videre har det blitt laget kurver med tøyning mot levetid for tester utført med en tøyningshastighet på 1E-2s^-1 og 1E-3s^-1. Dette har blitt gjort med det som tilsvarer den høyeste Von Mises-tøyningen og den nominelle tøyningen, for modeller med og uten ujevnheter.

Oppgaven består av en solid litteratur- og teorigjennomgang, etterfulgt av utredning av utmattingslevetiden for blyhylsene. Resultatene indikerer at levetiden er noe forkortet på grunn av tilstedeværelsen av ujevnheter, hvor den gjennomsnittlige reduksjonen er 70% for testene med en tøyningshastighet på 1E-2s^-1 og 30% for testene med en tøyningshastighet på 1E-3s^-1. I fremtidig arbeid er det anbefalt å bruke mer nøyaktige målinger av ujevnhetene som forekommer i blyhylsene, for bruk i FEM og testing. Det bør utføres flere tester der like lasttilfeller benyttes, både med og uten ujevnheter.

Underwater power cables are used to distribute power to offshore installations. The power cables consist of internal conductors that are protected by different layers of material. A lead sheathing works a protective layer against seawater penetration. During extrusion of the lead sheathings, it sometimes occurs small impurities or irregularities in the material. The power cables are subject to cyclic loading, and they must withstand the loading conditions. The investigation of the fatigue life and material response of the Pb-Sb-Sn alloy used in the lead sheathings is highly important, especially looking at the impact of irregularities. The procedure is complicated due to the materials' high ductility and low melting temperature, leading to time-dependent deformation as creep at room temperature.

The purpose of this thesis is to investigate how irregularities impact the fatigue life of lead sheathings. Results from experimental testing have been used to create a material model that replicates the material response to cyclic loading using Isight. The power law creep model has been applied, given a sufficient fit. Finite element models with and without irregularities have been made in Abaqus to investigate the impact on fatigue life. Strain-life curves have been obtained from fatigue tests with strain rates of 1E-2s^-1 and 1E-3s^-1, for both the highest equivalent Von Mises strain and the nominal strain for models with and with irregularities.

The thesis provides a substantial literature and theory review, followed by an investigation of fatigue life. Results indicate a shortened fatigue life due to the presence of irregularities. Reduction in life was, on average 70% for tests with a strain rate of 1E-2s^-1 and 30% with a strain rate of 1E-3s^-1. In future work, it is recommended to obtain accurate measurements of the irregularities to use in finite element modeling and testing. There should be conducted more tests with the same loading modes for specimens with and without irregularities.