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A Study on the Nonlinear Global Dynamic Analysis of Flexible Risers Using Theoretical Approaches
이론적 접근법을 이용한 유연식 라이저의 비선형 동적 거동 해석에 관한 연구

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Authors
김정두
Advisor
장범선
Issue Date
2020
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
Flexible RisersSlip of helical wiresNonlinear bendingGlobal dynamic analysisFatigue
Description
학위논문 (박사) -- 서울대학교 대학원 : 공과대학 조선해양공학과, 2020. 8. 장범선.
Abstract
Flexible risers have been widely utilized for the transfer of oil and gas products from the well to production units. The components of flexible risers, unlike steel risers, experience complex contact phenomena during the operation. The contact between helical wires of tensile armor layers and adjacent layers especially results in a significant bending nonlinearity, making it hard to estimate the structural responses. The use of finite element analysis (FEA) method to perform the local analysis of flexible risers has been tried but it still has a limitation in expanding it to realistic irregular motions. Hence, the dynamic analysis using analytical models is more likely to be employed because it can directly trace the stress time history inside the cross-section.
The use of analytical models is associated with the theoretical derivation of internal stress and cross-sectional resultants. In most cases, however, the interaction between helical wires and sheath layers is expressed with significant simplifications, which leads to a considerable error in the evaluation of structural responses of flexible risers. Another important issue in the assessment of flexible risers is the reproduction of nonlinear bending responses when carrying out the global dynamic analysis. In general, most researchers assumed that the axisymmetric loads such as tension and pressure are constant regardless of the motion. The above assumption is reasonable from the perspective of the fact that internal and external pressure not much varies depending on the time.
The recent application of flexible risers, however, is shifting towards to allow a relatively large offset of floating platforms for cost reduction in mooring systems. That is, some critical regions of flexible riser systems can experience a severe variation of tension due to the motion of platforms. This indicates that the contact pressure on the surface of helical wires is no longer constant, and may change depending on time.
This study aims at suggesting a new dynamic analysis method for flexible risers which can reflect the realistic and detailed interaction between layers. The analytical model presented in this study involves both the friction continuity and shear deformation of internal layers, by which the accuracy problem of conventional analytical models can be improved.
Considering the time-varying contact pressure, this study proposes a stiffness update method. The stiffness update method takes a continuous variation of contact pressure and incorporates this into the global dynamic analysis. Therefore, the realistic axis-symmetric loads are involved in the global dynamic analysis.
Based on the proposed methods, some comparative studies are performed herein. It is manifested that the shear deformation of internal layers gives a significant reduction in stress range by postponing the slip of helical wires and that the varying tension resulted from the motion of flexible riser systems can lead to additional fatigue damage.
유연식 라이저는 심해의 원유 및 가스를 상부 부유체로 이송하기 위해 주로 사용되는 파이프라인의 일종이다. 일반적 파이프라인과 달리, 유연식 라이저는 여러 강재와 폴리머 튜브를 포함하며 굽힘 거동 시 내부의 마찰로 인하여 비선형 굽힘 변형을 수반하는 것이 특징이다. 특히, 헬리컬 와이어와 인접한 폴리머 재질의 접촉 현상은 유연식 라이저의 극한강도 및 피로 수명에 상당한 영향을 미치므로 이를 설계 단계에서 반영할 필요가 있다. 유연식 라이저의 구조 안전성 평가를 위해 유한요소해석법(FEA)가 활용되기도 하나, 해당 방법은 장시간 파랑하중을 반영한 동적 해석에 한계가 있다. 따라서, 유연식 라이저의 동적 구조해석 및 장기 피로해석을 위해서는 이론적 접근법에 기반한 해석적 모델(analytical model)을 활용하는 것이 일반적이다.
선행 연구에서 제안된 해석적 모델은 유연식 라이저의 변위와 내부 응력장을 명시적으로 유도하여 계산 효율성을 개선하였으나, 단면 내 마찰현상을 상세히 반영할 수 없다는 점에서 한계가 있다. 또한, 이전의 해석적 모델들은 인장력에 의해 실시간으로 변화하는 접촉 압력을 고려하지 못하는 문제가 있다. 근래 설치된 대부분의 유연식 라이저는 수심 1000 m 이상의 심해 환경에서 운영되므로, 깊이 별 변화하는 내/외압 및 시간에 따라 변화하는 인장력에 의한 내부 접촉압력의 변화를 해석 단계에서 반영할 필요가 있다.
본 연구는 유연식 라이저의 정밀한 구조 안전성 및 피로수명 평가를 위한 새로운 동적 해석 기법을 제시한다. 본 연구에서 제안하는 동적 해석 기법은 유연식 라이저 단면의 전단 변형으로 인한 단면 뒤틀림 효과와 시간에 따라 변화하는 접촉압력을 동적 해석단계에 반영하여 해석의 정밀도를 개선한다. 유연식 라이저 단면의 뒤틀림 현상은 폴리머 재질의 낮은 전단강성으로 인하여 발생하며 헬리컬 와이어의 응력장을 감소시킨다. 이러한 단면의 뒤틀림 현상을 고려하기 위해, 본 연구는 교차하는 헬리컬 와이어의 전단 변위와 나선형으로 발생하는 와이어 내 축력의 평형 방정식을 성립, 정밀한 응력장을 유도한다. 시간에 따라 변화하는 접촉 압력의 변화를 고려하기 위해 해당 연구는 stiffness update method를 제안하였다. 제안된 stiffness update method는 접촉 압력의 변화로 인한 내부 응력장 및 강성의 변화를 실시간으로 추적하는 방법으로, 동적 인장력에 의한 유연식 라이저 내 굽힘강성의 변화를 추적할 수 있다.
앞서 제안된 해석적 모델을 기반으로 본 연구는 유연식 라이저의 대규모 동적 해석이 가능한 해석 프로그램을 개발한다. 개발 프로그램은 반 암시적 기법(semi-implicit method) 기반의 시간 전진법(time-marching method)를 활용하여 실제 해양 환경 하 유연식 라이저의 동적 변형을 계산한다. 해당 프로그램은 제안된 해석적 모델을 적용하여 유연식 라이저의 층간 연성작용을 상세히 반영, 고정밀의 동적 해석 및 구조안전성 평가를 수행한다. 해당 프로그램을 활용, 본 연구는 유연식 라이저의 내부 전단 변형 및 시간에 따라 변화하는 접촉 압력이 유연식 라이저의 구조강도 및 피로수명에 미치는 영향에 대하여 조사한다. 조사 결과, 내부 전단 변형은 헬리컬 와이어의 축 방향 변형률을 감소하여 피로 수명을 개선하는 것으로 확인된다. 반면, 시간에 따라 변화하는 접촉 압력은 헬리컬 와이어 내 응력장의 변동폭을 증가시켜 피로 수명을 악화하며 구조 안전성을 저하시키는 것으로 확인되었다.
Language
eng
URI
https://hdl.handle.net/10371/169331

http://dcollection.snu.ac.kr/common/orgView/000000161357
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Appears in Collections:
College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Naval Architecture and Ocean Engineering (조선해양공학과)Theses (Ph.D. / Sc.D._조선해양공학과)
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