수중 라이저 광대역주파수 진동해석을 통한 피로수명 예측 연구

Abstract

해양 자원의 개발 제약은 기술 발전으로 해결되고 있으며, 깊은 수심에서 유전개발 필요성이 강조되고 있다. 특히 해양 유전에서 가장 중요한 유연 라이저는 지면에 고정되어 있지 않고, 수면을 관통하고 있어 파도 및 조류에 의해 와류기인진동(Vortex Induced Vibration; VIV)이 발생한다. 이로 인해 반복된 진동으로 피로파괴 예측을 위해 수중 라이저의 진동수와 진폭의 파악이 중요하다. 본 논문은 유체-구조 연성(Fluid-Structure Interaction; FSI)의 기법 중 하나인 Wake Oscillator Model을 이용하여 균일류 내 유연한 실린더의 동적거동을 수치해석 기법을 이용해 해석한다. 진폭 관점에서 Single Van der Pol 식을 사용하여 실린더의 Span에 따른 다양한 진동 모드 중첩을 통해 RMS 변위의 비대칭성 구현과 RMS 변위 및 최대 진폭을 예측할 수 있다. 다음으로, 진동수관점에서 Single Van der Pol 식의 진동수 항을 구조 변위 및 시간에 대한 함수로 변경한 Broadband Frequency Van der Pol식을 사용함으로써 수중 라이저 VIV 광대역주파수를 구현하여 정확한 진동수를 예측할 수 있다. 개발한 수b치해석 방법을 활용함으로써 높은 정확도의 수중 라이저의 피로수명 예측이 가능했다.

The development constraints of marine resources are being solved through technological advances, and the need for oilfield development in deep waters is being emphasized. In particular, flexible subsea riser, one of the most important part in offshore oil fields is not fixed to the ground, but penetrates the water surface, so Vortex Induced Vibration (VIV) is generated by waves and currents. For this reason, it is important to understand the frequency and amplitude of the subsea riser to predict fatigue failure due to repeated vibration. This study analyzes the dynamic behavior of a flexible cylinder in a uniform flow using the Wake Oscillator Model, one of the techniques of Fluid-Structure Interaction (FSI). From the amplitude point of view, using the Single Van der Pol equation, it is possible to predict the asymmetry of RMS displacement and the RMS displacement and maximum amplitude through overlapping of various vibration modes according to the span of the cylinder. Next, from the frequency point of view, by using the Broadband Frequency Van der Pol equation, which changes the frequency term of the Single Van der Pol equation into a function of structural displacement and time, it is possible to accurately predict the frequency by realizing the underwater riser VIV broadband frequency. By using the developed numerical analysis method, it was possible to predict the fatigue life of the riser with high accuracy.