Sea state optimization of ILT equipment integrated with rigid pipelines on TechnipFMC's reel-lay vessel Deep Energy

Abstract

Denne masteroppgaven omhandler rigid-rørlegging med integrerte ILT-installasjoner på TechnipFMCs «reel-lay» skip Deep Energy på grunt vann. Rigide rørledninger og installasjoner har blitt studert i et bredt og generelt omfang for å lære og forstå ingeniørdisiplinen på et dypere nivå før det spesifikke installasjonsproblemet studeres videre. Deep Energy er et av de mest avanserte fartøyene i sitt slag og har mange installasjonsrekorder. Det meste av virksomheten er i Nordsjøen, hvor værforholdene kan være tøffe, og havtilstanden ofte er høy. Ved installasjoner av ILT på grunt vann under sjæsetting resulterer påkjenningene på rørledningen ofte i den mest kritiske lavsjøtilstanden med lavest bølger. I kombinasjon med en trendende økning i størrelse og vekt på ILT-installasjonene, har noen nyere installasjoner hatt krav på kun litt over én meter høye Hs for flere bølgeretninger. Disse installasjonene har vært avhengig av en stor kran som i utgangspunktet ikke var designet for denne type bruk, og fartøyledelsen ønsker å finne nye løsninger på grunn av risiko og manglende kontroll ved bruk av kranen til dette formålet. Deep Energy og tidligere installasjoner har blitt studert, og et konsept har blitt foreslått for å løse noen av problemene som involverer kranavhengighet og øke Hs for en generell ILT-installasjon. Konseptet er en stor avtagbar ramme, kalt Rail Frame, som en ILT kan gli gjennom sjøsettingen på. Den er utviklet og modellert i Inventor og strukturelt analysert i Ansys. Rail Framens praktiske egenskaper er studert med Deep Energy fartøyet for å bekrefte at det ikke er i veien for annet utstyr siden fartøyet allerede er tungt utstyrt med tidligere installasjonsutstyr. Resultatene fra den strukturelle og praktiske funksjonaliteten ser ut til å fungere bra, men det er rom for forbedringer, spesielt på hengseldesignet. En dynamisk analyse utført med OrcaFlex utføres på rørledningen med en tidligere installasjon av en ILT, med og uten Rail Frame konseptet. Resultatene viser at konseptet vil forbedre sjøtilstanden og kontrollen gjennom sjøsetting betraktelig når ILTen ligger på Rail Framen. Men når ILTen forlater Rail Framen og kun er støttet fra en oppdriftsmodul, øker spenningene raskt og dette blir sjøtilstandens kritiske punkt. Konseptet har derfor bevist at det vil øke kontrollen for en generell ILT-installasjon tilstrekkelig uten hovedkranen og vil sannsynligvis forbedre sjøtilstanden for operasjoner med det kritiske punktet direkte i bølgesonen. Ytterligere analyser bør utføres på slike installasjoner for å vurdere den potensielle forbedringen. Å øke sjøtilstanden for alle fremtidige ILT-installasjoner ville være den optimale løsningen, men det er ingen enkel prestasjon. Konseptet som foreslås i denne masteroppgaven har potensial til å forbedre noen sjøtilstander for noen installasjoner og vil helt sikkert øke kontrollen sammenlignet med kranen. Før noe mer av Rail Frame-potensialet studeres videre, bør selve fartøyet analyseres for å se om det kan holde Rail Framens reaksjonskrefter.

The problem addressed in this master thesis concerns rigid pipe-laying with integrated ILT installations on TechnipFMC's reel-laying vessel Deep Energy in shallow waters. Rigid pipelines and installations have been studied in a broad general scope to learn and understand the engineering discipline on a deeper level before the specific installation problem is studied further. Deep Energy is one of the most advanced vessels of its kind and holds many installation records. Most of its operations are in the north sea, where weather conditions can be harsh, and the sea state is often high. During installations of ILTs in shallow waters, when it is launched from the vessel through the splash zone, the stresses on the pipeline often result in the most critical low sea state. In combination with a trending increase in size and weight of the ILT installations, some recent installations have had requirements of just above one meter high Hs for several wave headings. These installations have been dependent on a large crane that was not initially designed for this type of use, and the vessel management wants to find new solutions due to the risk and lack of control when using the crane for this purpose. The Deep Energy and previous installations have been studied, and a concept has been proposed to solve some of the issues involving the crane dependency and increase the Hs for a general ILT installation. The concept is a large removable frame, named Rail Frame, on which the unit can slide through the splash zone. It has been developed and modeled in Inventor and structurally analyzed in Ansys. The Rail Frame's practicality is studied with the Deep Energy vessel to confirm no compromise to other equipment since the vessel is already heavily equipped with other installation gear. The results from the structural and practical functionality seem to work well, but there is room for improvement, especially on the hinge design. A dynamic analysis done with OrcaFlex is performed on the pipeline with a previous installation of an ILT, with and without the Rail Frame. The results show that the concept will considerably improve the sea state and control through the splash zone when the ILT is on the Rail Frame. However, when the ILT leaves the Rail Frame to free float with support from a buoyancy module, the stresses quickly rise and become the sea state's critical point. Hence, the concept has proven it will increase control for a general ILT installation sufficiently without the main crane and will likely improve the sea state for operations with its critical point directly in the splash zone. Further analysis should be performed on such installations to evaluate the potential improvement. Increasing the sea state for all future ILT installations would be the optimal solution, but it's no easy feat. The concept proposed in this master thesis has the potential for improving some sea states for some installations and certainly will increase the control compared to the crane. Before any more of the Rail Frame potential is studied further, the vessel itself should be analyzed to see if it can hold the Rail Frame's reaction forces.