Pipeline Free Span Fatigue Based on DNV RP & Time Domain VIV Modelling Procedures

Abstract

Fritt spennende undervannsrør er utsatt for ulike miljøbelastninger, hvorav virvelinduserte vibrasjoner (VIV) er en av de viktigste bidragsyterne til utmattingssvikt. VIV er et selvutløsende fenomen forårsaket av samspillet mellom havstrømmer og bølger med røret, som kan indusere høy-amplitude svingninger og høye spenningskonsentrasjoner langs røret. De skadelige effektene av VIV på integriteten til fritt spennende undervannsrør har blitt grundig studert de siste tiårene, noe som har ført til utviklingen av ulike VIV-prediksjonsmodeller og verktøy. Imidlertid forblir VIV en betydelig utfordring i design og drift, og ytterligere forskning er nødvendig for å forbedre forståelsen av VIV-mekanismer og øke påliteligheten til VIV-prediksjon på rør i fritt spenn.

Denne masteroppgaven undersøker utmattingsskaden på et fritt spennende rør for et gitt scenario ved hjelp av to ulike VIV-prediksjonsmodeller; den anbefalte responsbaserte modellen i DNV-RP-F105 og en nylig utviklet tidsdomene VIV (TD-VIV) modell ved NTNU. Programvaren FatFree brukes i samsvar med den responsbaserte modellen, og den endelige elementmetoden (FEM) verktøyet SIMLA brukes for TD-VIV modellen. Studien inkluderer også en sensitivitetsanalyse av skulder-elementene på røret og en parameterstudie av de hydrodynamiske koeffisientene brukt for TD-VIV modellen.

Studien finner at den årlige skaden i in-line retning mellom FatFree og SIMLA er i god overensstemmelse, mens skaden i cross-flow retning viser en størrelsesorden forskjell mellom de to, der FatFree er mer konservativ. Sensitivitetsanalysen understreker betydningen av å velge riktig element for utmattingsskadeberegninger i SIMLA, der det sees en betydelig forskjell i maksimal skade mellom nærliggende elementer på grunn av ikke-lineære effekter og skiftende grensebetingelser som finnes i TD-VIV modellen. Parameterstudien viser at standardparametrene for TD-VIV modellen i SIMLA korrelerer godt med responsmodellen i FatFree for responsamplituden i in-line retning, og en redusert kvadratisk dragkoeffisient predikerer en betydelig større respons amplitude. Ingen av parametersettene samsvarer godt med responsmodellen i FatFree for responsamplituden i cross-flow retning, og responsmodellen er generelt mer konservativ sammenlignet med TD-VIV modellen for alle strømhastigheter, noe som forklarer den høyere skaden i cross-flow retning.

Alt i alt gir studien innsikt i betydningen av å velge riktig modell og parameteroppsett for VIV-prediksjon i utmattingsskadeberegninger for fritt spennende rør. Resultatene antyder at det er behov for ytterligere arbeid for å validere TD-VIV modellen med referansedata og utvikle standardprosedyrer og koeffisienter for ulike fri spenn situasjoner.

Free spanning subsea pipelines are subjected to various environmental loads, among which vortex-induced vibrations (VIV) are one of the most significant contributors leading to fatigue failure. VIV is a self-excited phenomenon caused by the interaction between ocean currents and waves with the pipeline, which can induce large-amplitude oscillations and high stress concentrations at specific locations of the pipeline. The detrimental effects of VIV on the integrity of free spanning subsea pipelines have been widely studied in the past decades, leading to the development of various VIV prediction models and tools. However, VIV remains a major challenge in design and operation, and further research is required to improve the understanding of VIV mechanisms and enhance the reliability of VIV prediction.

This master thesis investigates the fatigue damage of a free-spanning pipeline for a given case scenario using two different VIV prediction models; the recommended response-based model in DNV-RP-F105 and a newly developed time-domain VIV (TD-VIV) model at NTNU. The software FatFree is used in compliance with the response-based model, and the finite element method (FEM) tool SIMLA is used for the TD-VIV model. The study includes a sensitivity analysis of the shoulder elements and a parameter study on the hydrodynamic coefficients used for the TD-VIV model.

The study finds that the in-line damage per year calculated by FatFree and SIMLA is in good agreement, but the cross-flow damage shows an order of magnitude difference between the two, with FatFree being more conservative. The sensitivity analysis highlights the importance of choosing the correct element for fatigue damage calculations in SIMLA, with a significant difference seen in the maximum damage between neighbouring elements due to non-linear effects and shifting constraints present in the TD-VIV model. The parameter study shows that the default parameters for the TD-VIV model in SIMLA correlate well with the response model in FatFree for the in-line response amplitude, while a reduced quadratic drag coefficient predicts a significantly larger response. None of the parameter sets corresponds well with the response model in FatFree for the cross-flow response amplitude, and the response model is generally more conservative compared to the TD-VIV model for all current velocities, explaining the higher cross-flow damage per year in the case scenario.

Overall, the study provides insights into the importance of choosing the correct model and parameter sets for VIV prediction in fatigue damage calculations for free-spanning pipelines. The results suggest further work is needed to validate the TD-VIV model with reference data and develop standard procedures and coefficients for different free-span situations.