A Study on Analytical Model for Stress of Tensile Armor in Flexible Riser Subjected to Combined Loads

Abstract

The un-bonded type flexible riser shows the nonlinear behavior with greatly varying bending stiffness according to the contact state of the helical armor layers. Since the flexible risers are subjected to various combined loads including tension, pressure, and bending moment, which varies with time, an analytical model describing the axial stress of tensile armor layer is needed to perform fatigue analysis. The objective of this study is to develop an analytical model that can calculate the nonlinear bending stiffness of the flexible riser and the axial stress hysteresis of the tensile armor layer when tension and bending moment are applied together with internal and external pressures. This is accomplished by dividing into three sub- steps as follows. First, an analytical model that can calculate contact pressure between layers by reflecting layer separation caused by tension. Unlike pressure alone, when tension is applied, there is a gap between the layers due to the radial displacement between the layers. In this study, the contact pressure between layers are calculated by using an analytical model of axisymmetric load, which can reflect the layer separation phenomenon, and compared with FE analysis results. Second, analysis of slip mechanism of tensile armor layer and modification of existing bending model. The slip mechanism of the tensile armor layer is generally accepted as the explanation of the axial force of the tendon induced by the curvature and the friction between the tendon and the adjacent layer. However, the analytical model has a very small critical curvature and a very high bending stiffness in the stick state when compared with the actual experimental results and FE analysis results. Therefore, the analytical model for bending behavior is modified by considering the shear deformation and the radial displacement of the section, and it is verified by comparing with FE analysis results. Third, a case study on various combined load cases is conducted. The moment hysteresis results of a flexible riser for different load cases are obtained using an analytical model including axisymmetric model and modified bending model to evaluate the effects of external pressure and tensile force on nonlinear bending behavior.

Flexible riser는 해저 유정으로부터 해상 플랫폼까지 oil 및 gas를 수송하는 다층구조의 파이프이다. 특히 Un- bonded type flexible riser의 경우, helical armor layer를 이루는 나선형 tendon들과 인접한 polymer layer들의 접촉 상태에 따라 굽힘 강성이 크게 달라지는 비선형 거동을 보인다. 본 연구는 최종적으로 내압 및 외압과 더불어 tension 및 bending moment가 가해질 때, flexible riser의 비선형 굽힘 강성 및 tensile armor layer의 axial stress hysteresis를 계산할 수 있는 analytical model을 개발하는 것을 목표로 한다. 이를 아래와 같은 세 가지 세부 단계로 나누어 달성하였다. 첫 번째, tension에 의해 발생하는 layer separation을 반영하여 layer간 접촉 압력을 계산 가능한 해석적 모델 검증. 압력만 작용하는 경우와 달리 tension이 작용할 때는, layer간 반경방향 변위가 달라 layer 사이에 gap이 발생한다. 본 연구에서는 layer separation 현상을 반영할 수 있는 축 대칭 하중에 대한 해석적 모델을 이용하여 layer 간 접촉 압력을 계산하고 FE 해석 결과와의 비교를 수행하였다. 두 번째, tensile armor layer의 stick/slip 매커니즘 분석 및 기존의 bending model 수정. tensile armor layer의 stick/slip 매커니즘은 tendon과 인접한 layer 사이의 마찰력과 curvature에 의해 유도되는 tendon의 axial force를 이용한 설명이 일반적으로 받아들여지고 있다. 그러나 실제 실험 결과 및 FE 해석 결과와 비교했을 때, analytical model에서는 critical curvature가 매우 작고, stick 상태에서의 bending stiffness는 매우 크게 평가되는 문제가 발생한다. 따라서 이를 수정하기 위해 단면의 전단 변형과 반경 방향 변위를 고려하여 해석적 모델을 수정하고, FE 해석 결과와 비교하여 검증하였다. 세 번째, 다양한 복합 하중에 대한 case study 수행. 수정된 axisymmetric model과 bending model을 포함하는 analytical model을 이용하여 외압, 인장력, bending moment 등의 복합 하중이 가해질 때, flexible riser의 moment hysteresis에 대한 case study를 수행하여 외압 및 인장력이 flexible riser의 굽힘 거동에 미치는 영향에 대해 분석하였다.