Steel lazy wave riser system in deep water and harsh environment
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3150434Utgivelsesdato
2024Metadata
Vis full innførselSamlinger
- Institutt for marin teknikk [3472]
Sammendrag
Olje og gass produksjon og utvinning flytter seg mot dypere vanndyp, utsatt for sterke værtilstander. Stigerør teknologi har blitt utviklet for å kunne få tak i olje og gass fra dype vanndyp. Stigerørsystemet fungerer som ein link mellom flyteren og havbunnsinstalasjoner må tilfredsstille en rekke kriterier som et resultat av kreftene systemet er utsatt for. Grunnen til at disse kriteriene blir fulgt er for å sikre et sikkert system. Da feil på stigerørsystemet kan føre til store miljømessige og økonomiske konsekvenser.
I utviklingen av stigerørsystem til dypvannslokasjoner har SCR oppstått som et gunnstig alternaltiv grunnet at den er en enkel konstruksjon samtidig som å være priseffektiv. Det som har vist seg å være et av hovedproblemene med SCR er at det kan forekomme utmatting i stigerøret ved TDP. Dette er spesielt for SCR som er kombinert med flytere med relativt store hev bevegelser. Eksempel på slike flytere semi-submersible platformer og FPSO skip (Q. Bai and Y. Bai 2005).
SLWR konfigurasjonen har blitt presentert som et alternaltiv til SCR da denne konfigurasjonen har bedre forutsetninger for å bli utsatt for sterke værtilstander. Konfigurasjonen blir også fremstilt å bedre kunne håndtere store bevegelser i flyteren. Grunnen til dette er at flyteseksjonen til stigerøret absorberer flyterbevegelser slik at de påvirker stigerøet ved TDP i mindre grad. Som en del av denne avhandilngen vil en SLWR konfigrasjon bli undersøkt i sterke værtilstander.
En beskrivelse av de generelle stigerørsystemene med fokus på geomtri, material og stigerørskomponenter. Teorien for hvordan å utføre statiske, dynamiske og utmattingsanalyser vil bli presenetert. For å utføre denne typen analyser på SLWR konfigurasjonen har programmet SIMA RIFLEX blitt brukt. For å sikre et sikkert design brukes regelverk for å sjekke at systemet har tilstrekkelig styrke. Noen regelverk som blir brukt for stigerør er DNV-ST-F201 og API STD 2RD.
Et casestudie av en SLWR konfigurasjon på 1500 meters vanndyp utsatt for sterke værtilstander ble gjennomført. Flyteren som ble brukt som en del av studiet var en semi-submersible platform. De globale analysene av sitgerørskonfigurasjonen ble utført med bruk av SIMA RIFLEX analyse programmet. Den dynamiske analysen ble utført i irregulære bølger presentert gjennom JONSWAP spekteret. 100 års bølgetilstand fra Nordsjøen ble satt som Hs = 17m of Tp = 18.8s. En 10 års strømningstilstand ble brukt for å beskrive de sterke værtilstandene. Disse lastkombinasjonene ble brukt som ULS lasten. Lavfrekvent drift av flyteren ble satt som 8% for ULS tilstanden og 10% for ALS tilstanden.
Det kombinerte last kriteriet fra DNV-ST-F201 ble brukt for å evaluere om SLWR konfigurasjonen har tilstrekklig styrke til å tåle funksjonelle og miljølatster. Den maksimale nedover hastigheten i hang-off punktet ble brukt for å bestemme den verste sjøtilstanden. Resultatet fra den statiske og dynamiske analysen ble brukt til å kalkulere utnyttelsen av stigerørskonfigurasjonen. Ut fra disse utrekningene ble det funnet at de mest kritiske punkene for systemet var ved hang-off, i sag bøyen og i TDP. Den største utnyttelsen av stigerøret ble funnet i nærheten av hang-off punktet for den gjennomsnittlige flyter posisjonen i ULS tilstanden. Den største utnyttelsesverdien var 0.817 som betyr at SLWR konfigurasjonen har tilstrekkelig styrke i streke værtilstander da utnyttelsen var under 1.
Utmattingsanalysen av SLWR konfigurasjonen ble utført med hensyn på bølgeindusert utmatting. Sjøtilstandene som ble brukt i analysen ble reknet ut fra et omni-direksjonelt scatter diagram. Scatter digarammet ble blokket for å redusere den beregningsmessige størrelsen. Utmattingsanalysen ble gjennomført for 18 sjøtilstander i 12 forskjellige bølgeretninger. Det ble undersøkt effekten av å ha en konisk seksjon ved hang-off punktet. Det ble funnet at den koniske seksjonen hadde stor effekt på utmattingslevetiden ved hang-off punktet. I utmattingsanalysen ble det funnet at de kritiske punktene i SLWR konfigurasjonen var ved hang-off og i TDP. Den laveste utmattingslevetiden ble funnet i TDP og var på 1057 år, som betyr at SLWR konfigurasjonen har tilstrekklig utmattingsliv for et stigerør med design levetid på 25 år.
Et paramterstudie ble utført av flyteseksjonen til SLWR konfigursjonen. Flyteseksjonlengden og flytemodulgeometiren var parameterene som ble undersøkt. Den største utnyttelsen av stigerøret ble funnet i TPD i den nære ULS offseten for den konfigurasjonen med de minste flytemodulene. Der den største utnyttelseverdien av stigerøret var 0.885. Dette betyr at alle konfigurasjonene som ble utforsket har tilstrekkelig styrke til å motstå sterke værtilstander. Som en del av utmattingsanalysen ble det funnet at flyteseksjonen har stor effekt på utmattingslevetiden til stigerøret. Det kommer frem at flyteseksjonen har lite effekt på utmattingslevetiden i nærheten av hang-off punktet. Det som også kom frem var at flyteseksjoenen har stor effekt på utmattingslevetiden i TDP. I analysen ble det funnet at den laveste utmattingslevetiden var 33 år for konfigurasjonen med de minste flytemodulene i TDP. Fra parameterstudiet ble det funnet at det å ha en tilstrekkelig flyteseksjon for en SLWR konfigurasjon vil føre til økt utmattingslevetid for stigerørsystemet. Oil and gas production and exploration moves towards larger water depths, subjected to harsh environmental conditions. Riser technology has been introduced to carry out the retrieval of deep water oil and gas resources. The design of the systems that connects the surface floater to the subsea installation must satisfy a set of criteria due to the load the system is subjected to. This is to ensure a safe design as failure of the system can have major consequences both financially and environmentally.
In the development of deep water riser technology, the steel catenary riser (SCR) configuration has emerged as a preferred solution due to it's simplicity as well as being cost effective. The main drawback with the SCR is that it can be subjected low fatigue life at the touch down point (TDP) when paired with a floater with high heave motions such as a Semi-submersible platform or a floating production storage and offloading (FPSO) ship (Q. Bai and Y. Bai 2005).
The steel lazy wave riser (SLWR) configuration is presented as a riser configuration that is better suitable for harsh environments. The configuration is also stated to be better suited for large floater motions. This is due to the buoyancy section of the SLWR configuration decouples the floater motions from the TDP (\cite{SLWR}). As a part of this thesis the SLWR configuration will be investigated when it is subjected to harsh environmental conditions.
A general description of riser systems is carried out as a part of the thesis. Where geometry of riser configuration, riser materials and riser components are described. The methods used to carry out static, dynamic and fatigue analysis are presented. The computer program SIMA RIFLEX is used to analyse the SLWR configuration. In order to ensure a safe design, design codes are used to determine if the system can be described as safe. DNV-ST-F201 and API STD 2RD are design codes that are used for riser systems.
A case study of a SLWR configuration at a water depth of 1500 meter subjected to harsh environment was carried out. The floater used for the analysis is a semi-submersible platform. The global analysis of the riser configuration was carried out in SIMA RIFLEX. In the dynamic analysis of the riser configuration were irregular waves applied using the JONSWAP spectrum. The waves applied were 100 year North sea wave conditions with a Hs = 17m and TP = 18.8s. The configuration was also subjected to a 10 year North sea current. This load condition combination is assumed to be the ULS load condition. The slow drift floater offset is assumed to be 8% of the water depth in the ULS condition and 10% for the ALS condition.
The combined load criteria from DNV-ST-F201 was applied to determine if the SLWR configuration has sufficient strength against environmental and functional loads. In order to determine the worst sea state was the 90th percentile largest downward velocity at the hang-off applied. The static and dynamic analysis of the SLWR configuration was used to calculate the utilization of the riser system. From the calculations, it was found that the most critical areas of the riser were near the hang-off, at the sag bend and at the TDP. The largest utilization was located near the hang-off point in the mean ULS offset condition. The largest utilization value was 0.817. This means that the SLWR has sufficient strength to withstand harsh environmental conditions as the utilization calculated from the design code was less than 1.
The fatigue analysis of the SLWR configuration was carried out with respect to wave induced fatigue. The sea state conditions used for the analysis was obtained from a omni-directional scatter diagram. The scatter diagram was blocked in order to reduce the computational load. The analysis was carried out for 18 sea states in 12 different wave directions. The effect of having a taper section was investigated and it was found that including a taper section to the riser hang-off increase the fatigue life at the hang-off substantially. It was found from the fatigue analysis that the critical areas of the SLWR configurations was near the hang-off and at the TDP. The lowest fatigue life for the system was found at the TDP and was 1057 years. This means that the SLWR configuration has a sufficient fatigue life for a 25 year design life according to the DNV-ST-F201.
The parametric study was carried out to see the effect of changing the buoyancy section of the SLWR configuration. The parameters investigated were the buoyancy section length and the buoyancy module geometry. It was found that the largest utilization was located at the TDP in the ULS near offset for the smallest buoyancy module geometry. The largest utilization value was found to be 0.885. This means that all the configuration investigated had sufficient strength to be subjected to harsh environmental conditions. In the fatigue analysis of the configurations, it was found that the buoyancy section had a large effect on the fatigue life of the system. The buoyancy section had little effect on the fatigue life near the hang-off. The fatigue life at the TDP was greatly effected by the buoyancy section. It was found that the fatigue life of the smallest buoyancy module geometry only had a fatigue life of 33 years at the TDP. From the parametric study, it was found that modeling a sufficient buoyancy section greatly improve the fatigue life of the SLWR configuration subjected to wave induced fatigue.