Improved VIV Prediction of Free Spanning Pipelines and Cables

Abstract

Sammendrag

Denne oppgaven omhandler validering og kalibrering av en tidsplanmodell for å beregne virvelindusert respons (VIV) av frie spenn i rørledninger utsatt for strømkrefter. Målet med var på den ene siden å presentere det som er gjort tidligere knyttet til dette fenomenet, inklusive eksisterende beregningsmetoder, og på den andre siden å etablere en tidsdomenemodell (TD VIV-modellen) i stand til å regne dynamisk respons til en fri-spenn rørledning under VIV-eksitasjon. Fokuset i denne analysen var både på den rene in-line (IL) VIV som forekommer ved lave reduserte hastigheter og på de kombinerte in-line og cross-flow (CF) vibrasjonene, som observeres ved høyere reduserte hastigheter.

Den hydrodynamiske kraftmodellen som vurderes i denne oppgaven er basert på det faktum at de virvelinduserte kreftene kan kombineres med Morison’s ligning for å få de totale væskeinduserte kreftene. Dette betyr at drag-leddet i Morison’s ligning benyttes til hydrodynamisk demping, og det er derfor ikke nødvendig å formulere en separat dempingsmodell. En annen viktig del av denne hydrodynamiske lastmodellen er en synkroniseringsmodell, som er i stand til å fange samspillet mellom virvelavløsningen og responsen til konstruksjonen som medfører at virvelavløsning og respons låser seg til hverandre. Kraftmodellen er basert på empiriske hydrodynamiske koeffisienter oppnådd via full- og modellskala-eksperimenter. De tilgjengelige resultatene fra tre modelltestserier ble brukt for validering og kalibrering av TD VIV-modellen. De to hovedmålene med denne kalibreringsprosedyren var på den ene siden å finne ett enkelt sett med hydrodynamiske koeffisienter som gir resultater i god overensstemmelse med referansedataene for alle de undersøkte testseriene, og på den andre siden å oppnå dette ved bruk av et tilstrekkelig bredt synkroniseringsområde i in-line synkroniseringsmodellen for å kunne bruke ett enkelt sett med hydrodynamiske parametere for å ta hensyn til både de rene IL- og de CF-induserte IL-vibrasjonene. Av denne grunn ble flere sett med hydrodynamiske parametere undersøkt ved å etablere ulike numeriske modeller i det ikke-lineære elementmetodeprogrammet RIFLEX der lastmodellen for VIV er inkludert. RIFLEX ble så benyttet til statiske og dynamiske analyser av de undersøkte tilfellene.

De oppnådde resultatene ble sammenlignet med relevante eksperimentelle og numeriske (beregnet av frekvensdomenemodellen VIVANA) referansedata. På grunnlag av denne foreløpige komparative studien ble det generelle, optimale parametersettet for alle de tre undersøkte testseriene identifisert. Deretter ble det utført en grundig sammenligning mellom resultatene oppnådd ved bruk av dette optimale parametersettet og de respektive eksperimentelle dataene, og det ble funnet at TD VIV-modellen er i stand til å fange ganske nøyaktig VIV-responsene observert under modelltestene med hensyn til alle testseriene. Mer spesifikt, selv om noen ikke-ubetydelige avvik mellom de eksperimentelle dataene og resultatene av tidsdomeneanalysen ble observert under den nevnte foreløpige komparative studien, viste denne mer detaljerte sammenligningen at resultatene av TD VIV-modellen faktisk er i god overensstemmelse med den faktiske responsen til rørledningen. Det viktigste funnet i denne analysen var det faktum at TD VIV-modellen ble funnet å gi forbedrede resultater sammenlignet med andre tradisjonelt brukte metoder for analyse av dynamiske fenomener som VIV, slik som modalanalyse- og frekvensdomene-verktøyene. Slike metoder er basert på linearisering av problemet, som igjen kan føre til feil resultater, spesielt ved høye strømningshastigheter der de ikke-lineære effektene er mer signifikante.

Til slutt ble den validerte og kalibrerte TD VIV-modellen benyttet til å undersøke et realistisk tilfelle av en rørledning med fritt spenn, også tatt i betraktning den komplekse rør-jord-interaksjonen, som var neglisjert i de tidligere analysene. Hovedfokuset i denne analysen var undersøke av effektene fra demping på grunn av rør-jord-interaksjon og effekten av de ikke-lineære grensebetingelsene med hensyn til de induserte spenningene og utmattingsskadeakkumuleringen. Av denne grunn ble to forskjellige jordmodeller, en lineær og en ikke-lineær, utviklet og deretter implementert i RIFLEX og to forskjellige nivåer av jorddemping ble undersøkt. På bakgrunn av disse analysene ble det funnet at de to jordmodellene gir nesten identiske resultater med hensyn til de predikerte dominante vibrasjonsfrekvensene både i IL- og CF-retningene, mens det ble observert noen mer signifikante avvik med hensyn til de predikerte responsamplitudene. i begge retninger og de respektive funnene for de induserte bøyespenningene og akkumulering av utmattelsesskader. Disse avvikene ble funnet å være spesielt store i nærheten av skuldrene og innenfor den jordstøttede delen av rørledningen. Til slutt ble det funnet at reduksjonen av nivået av jorddempning ikke påvirker de forutsagte vibrasjonsfrekvensene, mens den påvirker betraktelig resten av de undersøkte VIV-responsene, og til slutt øker de ovennevnte avvikene mellom de to jordmodellene.

Abstract

This thesis presents the outcome of the work done in order to validate and calibrate the semi-empirical time domain tool developed recently at NTNU with the aim to predict the response of flexible marine structures experiencing Vortex-Induced Vibrations (VIV). The goal of this work was on the one hand to present the basic aspects and the fundamental theoretical knowledge related to VIV and the several existing methods for the estimation of it, and on the other hand to establish a time domain model (TD VIV model) capable of accurately capturing the dynamic response of a free spanning pipeline under VIV excitation. The focus of this analysis was both on the pure in-line (IL) VIV occurring at low reduced velocities and on the combined in-line and cross-flow (CF) vibrations, which are observed at higher reduced velocities.

The hydrodynamic force model considered in this thesis is based on the fact that the vortex-induced forces can be combined with Morison’s equation in order to get the total fluid-induced forces. In this way, the drag term of Morison’s equation is utilized in order to directly account for the damping term of the vortex-induced forces and hence the formulation of a separate damping model is not required. Another crucial part of this hydrodynamic load model is the determination of a well-established synchronization model, which is capable of capturing accurately the interaction between the vortex-shedding phenomenon and the response of the structure during the exceptionally important lock-in phenomenon. The basis of this hydrodynamic force model lies on the utilization of empirical hydrodynamic coefficients obtained via full- and model-scale experiments. The available results from three model Test Series were utilized for the validation and calibration of the developed TD VIV model. The two main goals of this calibration procedure were on the one hand to find one single set of hydrodynamic coefficients that gives results in good agreement with the reference data for all the examined Test Series and on the other hand to achieve this while using a sufficiently wide synchronization range in the in-line synchronization model in order to be able to use one single set of hydrodynamic parameters to account for both the pure IL and the CF-induced IL vibrations. For this reason, several sets of hydrodynamic parameters were examined. Subsequently, structural and numerical models of the examined pipelines were established and combined with the above hydrodynamic load model by means of the non-linear finite element software RIFLEX. Then, RIFLEX was utilized in order to perform the static and dynamic analyses of the examined cases.

The obtained results were compared with relevant experimental and numerical (calculated by the frequency domain model VIVANA) reference data. On the basis of this preliminary comparative study, the overall optimum parameter set for all three examined Test Series was identified. Subsequently, an in depth comparison between the results obtained using this optimum parameter set and the respective experimental data was conducted and it was found that the TD VIV model is able to capture quite accurately the VIV responses observed during the model tests with regard to all three examined Test Series. More specifically, although some non-negligible deviations between the experimental data and the results of the time domain analysis were observed during the aforementioned preliminary comparative study, this more detailed comparison showed that the results of the TD VIV model are in fact in good agreement with the actual response of the pipeline. The most important finding of this analysis was the fact that the TD VIV model was found to give improved results compared to other traditionally used methods of analysis of dynamic phenomena like VIV, such as the modal analysis and the frequency domain tools. Such methods are based on the linearization of such complex and inherent non-linear phenomena and consequently they inevitably often lead to unreasonable results, especially when high flow velocities are considered, for which the non-linear effects are more significant.

Finally, the last step of the present thesis was to utilize this validated and calibrated TD VIV model in order to investigate a realistic case of Vortex-Induced Vibrations in a free spanning pipeline, taking also into account the complex pipe-soil interaction, which was neglected in the previous analyses. The main focus of this analysis was on the investigation of the effects from damping due to pipe-soil interaction and the effect of the non-linear boundary conditions with respect to the induced stresses and the fatigue damage accumulation. For this reason, two different soil models, one Linear and one Non-Linear, were developed and then implemented into RIFLEX and two different levels of soil damping were examined. On the basis of these analyses, it was found that the two soil models give almost identical results with regard to the predicted dominant vibration frequencies both in the IL and the CF directions, while some more significant deviations were observed with regard to the predicted response amplitudes in both directions and the respective findings for the induced bending stresses and the accumulation of fatigue damage. These deviations were found to be especially profound in the vicinity of the shoulders and within the soil-supported part of the pipeline. Finally, it was found that the reduction of the level of soil damping does not influence the predicted vibration frequencies, while it affects considerably the rest of the examined VIV responses, ultimately increasing the above mentioned discrepancies between the two soil models.