Responses of a Catenary-Shape Pipe Subjected to Combined Wave and VIV Loads

Abstract

Slanke strukturer til havs er utsatt for strøm og bølger. Disse miljøforholdene kan forårsake virvelinduserte vibrasjoner (VIV) som kan lede til tretthet. En god forståelse av VIV-fenomenet er derfor av stor betydning for å forbedre påliteligheten og levetiden til stigerør. Et semi-empirisk tidsdomeneanalyseverktøy for VIV, først introdusert av Thorsen (2016) og videreutviklet av Ulveseter (2018) og Kim et al. (2022) er implementert i analyseprogramvaren SIMA-RIFLEX. Denne nye lastmodellen tillater fullstendig integrert VIV-analyse, som tar hensyn til strukturell ikkelinearitet og tidsvarierende strøm, i motsetning til tidligere metoder hvor tidsdomenekraftrespons kombineres med frekvensdomene VIV-respons, noe som gav mindre nøyaktige resultater. Den nye belastningsmodellen er derfor viktig da den gir mulighet for en mer fysisk korrekt representasjon av VIV-respons, og for bedre estimater av tretthet. Hensikten med denne oppgaven var å teste og validere lastmodellen på en stålstigerør (SCR) utsatt for strøm og bølger. Dette ble gjort ved å sammenligne analyseresultatene med eksperimentelle data fra modelltestene utført av Mo (1998). Denne oppgaven, som bygger videre på prosjektarbeid gjort høsten 2023 (Auestad, 2023), består av en litteraturgjennomgang av VIV-fenomenet, med hovedfokus på tidsdomenelastmodellen. Videre, en beskrivelse av en SIMA-RIFLEX modell av stigerøret som ble testet av Mo (1998) i fullskala. For å bekrefte at modellen kan representere VIV-effekter, presenteres og diskuteres resultater fra flere analyser hvor modellen er eksponert for lignende miljøer som de testet av Mo (1998). Databehandling av målte og eksperimentelle data viste seg å være tidskrevende. Flere koder ble laget med dette formålet. Kodene er beskrevet i senere seksjoner og inkludert i Appendix. Mye tid ble derfor brukt på databehandling, av både eksperimentelle og predikerte resultater gjennom hele prosjekted. Flere koder ble laget for dette formålet og er beskrevet og inkludert i vedlegget. Resultatene som ble funnet i dette prosjektet var veldig lovende og viste at lastmodellen kunne representere VIV fysikken for et ledningsformet stigerør.

Offshore slender structures such as risers are exposed to currents and waves. These environmental conditions can induce vortex induced vibrations (VIV) that might cause fatigue. A good understanding of the VIV phenomenon is thus of great importance in improving the reliability and lifespan of risers. A semi-empirical time domain analysis tool for VIV, first introduced by Thorsen (2016) and further developed by Ulveseter (2018) and Kim et al. (2022) has been implemented in the analysis software SIMA-RIFLEX. This new state of the art load model allows for a full integration of VIV analysis accounting for structural non-linearity and time-varying flow, as opposed to previous methods that had to rely on combining time domain force response with the frequency domain VIV response, leading to less accurate results. The new load model is therefore important as it allows for a more physically correct representation of VIV response, and for better estimation of riser fatigue. The purpose of this thesis, a continuation of work done autumn 2023 (Auestad, 2023), was to test and validate the load model on a a steel Catenary Riser (SCR) exposed to currents and waves. This was done by comparing the results against experimental data from the riser test conducted by Mo (1998). This thesis consists of a literature review of the VIV phenomenon, reviewing experiments and current developments, with focus on the time domain load model. A model of the full-scale riser tested by Mo (1998) has been created in SIMA-RIFLEX, where the time domain model is implemented as VIVANA-TD. To confirm that the model can represent VIV effects, results from several analyses where the model is exposed to similar environments to those tested by Mo (1998) is presented and discussed. Post-processing of experimental and predicted results proved time-consuming. Several codes were made for this purpose, performing several tasks. These are described in later sections and included in the Appendix. The results found in this thesis were very promising and showed that the time-domain load model could accurately represent the physics of VIV for a catenary shape riser.