Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Global buckling of subsea pipline on uneven seabed.
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Solid Mechanics (Dept.).
2014 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (One Year)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Global buckling för offshore rör på ojämn sjöbotten. (Swedish)
Abstract [en]

Exposed subsea pipelines operating under high pressure and high temperature may experience a phenomena known as global buckling. Global buckling can be described as an extensive transversal movement of the pipeline once the critical load is reached. Although that global buckling is not a failure mode itself it may lead to other failure modes such as local buckling.

This master thesis aims to investigate the global buckling phenomena of exposed subsea pipeline in order to create a parametric 3D Finite Element (FE) model in ANSYS and a post processing script in Python for global buckling analyses according to Den Norske Veritas (DNV) standards. To do this, two FE-analyses are performed, the first one for verifying the ANSYS FE-model setup and the second one to evaluate the parametric 3D FE-model for global buckling on uneven seabed. The verification is carried out on a 10 km long pipeline resting on even seabed with a geometrical imperfection and is compared with an analytical solution. This, in order to verify the FE-model setup before it is used in a more complex model with an uneven seabed. The comparison is performed for two different sizes of initial imperfection amplitudes and two different set of orthotropic friction parameters.

The parametric 3D FE-model in ANSYS is developed according to offshore standard for global buckling, DNV-RP-F110. A 4 km long gas injection pipeline section is analyzed for different functional loads where the pipeline and the seabed is implemented from real routing coordinates. The pipeline is modeled by first order pipe element and the seabed with 4-node target elements. The pipeline initially is resting on link elements, only active in compression, to simplify the installation of the pipeline and is thereafter removed. To be able to describe the orthotropic friction, including lateral break-out-resistance, is three contact elements applied on each pipe element. An elasto-plastic material model including derating effects of the material parameters caused by temperature effects is used for the pipeline. A result post processing script is developed to evaluate the result and determine the utilization according to thecombined load criterion for local buckling in DNV-OS-F101.

The verification study results show a large difference for very small deformations where the FE-model is softer than the analytical model. This is caused by the analytical solution not considering pre-buckling. After the pre-buckling the FE-model is stiffer than the analytical model which probably is due to the update of the element stiffness matrix for each iteration in the FE-model. Although the large errors in the pre-buckling region the FE-model setup can be considered as valid. The result for the gas injection pipeline shows two lateral buckles, one mode four and one mode three, where the bends in the route act as initiators. Several vertical buckles are also obtained and they are located in free spans where the sag of the pipeline is acting as initiator. The utilization of the pipeline according to the combined load criterion is below required according to DNV-standard for all load cases and no further modification of the pipeline is needed regarding the local buckling. When evaluating the parametric 3D global buckling FE-model it was concluded that converge problems mainly arise from the installation phase. The model is sensitive to large global slopes and large magnitudes of unevenness of the seabed and may result in convergence problems. In those cases, an adjustment in the pipeline installation angle is required to achieve convergence. Furthermore, the multiple contact on each pipeline element for describing the lateral break-out-resistance increases the computational time. An implementation of a new friction model which describes the lateral friction as function of lateral sliding displacement would improve the performance of the model. Besides the convergence issue was the response of the evaluation satisfying and no unphysical behavior in the response could be observed. However, in the FE-model lay tension is introduced after installing the pipeline and may be a source of error, further investigations in this area is recommended. 

Abstract [sv]

Exponerade rörledningar till havs utsätts för höga tryck och höga temperaturer under drift vilket kan resultera i ett fenomen som kallas global buckling. Global buckling kan beskrivas som en stor transversell förskjutning av röret vilket sker när den kritiska lasten har uppnås. Trots att global buckling inte innebär att röret går sönder kan det leda till exempelvis lokal buckling.

Det här examensarbetet syftar till att undersöka global buckling för exponerade rörledningar till havs för att skapa en parametrisk 3D Finita Element (FE) modell för global buckling i ANSYS och ett Pythonskript för att bearbeta FE-resultaten enligt Det Norske Veritas (DNV) standarder. För att göra detta har två FE-analyser utförts, den första för att verifiera FE-modellens implementering i ANSYS och den andra för att utvärdera den parametriska 3D FE-modellen för global buckling på ojämn sjöbotten.

Verifieringen utförs på ett 10 km lång rakt rör med en initial lateral geometrisk störning. Röret vilar på en plan havsbotten och resultaten jämförs med en analytisk lösning. Detta för att kunna verifiera FEmodellens implementation innan en mer komplex rörledning på ojämn sjöbotten analyseras. Verifieringen utförs för två olika magnituder på initial störning och för två olika kombinationer av ortotropiska friktioner.

Den parametriska 3D FE-modellen i ANSYS är utformad i enlighet med offshore standarden för global buckling, DNV-RP-F110. En 4 km lång sektion av ett gasinjektionsrör, baserat på ett verkligt rör och sjöbottenprofil, analyseras för flera olika funktionella laststeg. Rörledningen modelleras med hjälp av första ordningens rörelement och sjöbotten med 4-nod target element. För att underlätta installationen av röret på sjöbotten vilar den initialt på stänger som endast bär last i kompression, dessa avlägsnas efter att röret har installerats. Den ortoropiska friktionen, inkluderat lateral break-out-motståndet, appliceras med hjälp av tre kontaktelement på varje rörelement. Röret ges en elastoplastisk materialmodell som inkluderar förändringar av materialparametrar vid en förändring temperaturen. Det utvecklade Pythonskriptet används för att bearbeta resultatet från FE-modellen samt för att bestämma utnyttjandet av det kombinerade lastkriteriet för lokal buckling enligt DNV-OS-F101.

Resultaten från verifikationsstudien visar en stor skillnad för små deformationer där FE-modellen uppvisar ett mindre styvt beteende vilket orsakas av att den analytiska modellen inte tar hänsyn till någon deformation innan den bucklar. Efter den initiala deformationen uppvisar FE-modellen ett styvare beteende jämfört med den analytiska modellen vilket troligtvis orsakas av att FE-modellens element styvhet uppdateras för varje iteration. Trots de stora skillnaderna i initialskedet kan FE-modellens implementation betraktas som giltig.

Resultaten från gasinjektionsröret visar på två laterala bucklor, en mod fyra och en mod tre, där initiering har skett vid krökningsradier från dragningen av röret. Resultaten visar även på flera vertikala bucklor som är initierade i frispann där röret hänger ner och orsakar en geometrisk störning. Utnyttjandet av röret med avseende på det kombinerade lastkriteriet är lägre än det maximalt tillåtna enligt DNV-standarden i alla laststeg och inga modifieringar behövs med avseende på lokal buckling. I utvärderingen av den parametriska 3D FE-modellen för global buckling kunde det konstateras att konvergensproblem ofta uppstår i samband med installation av röret på havsbotten. Modellen är känslig för en stor global lutning av havsbotten och för sjöbottnar med stora magnituder av ojämnheter vilket kan resultera i konvergensproblem. I dessa fall krävs en justering av rörets installationsvinkel för att lösningen skall konvergera. För att beskriva den laterala break-out-motståndet har tre kontaktelement applicerats på varje rörelement vilket har ökat beräkningstiden. En implementation av en ny friktionsmodell där den laterala friktionen beskrivs som en funktion av den laterala förskjutningen skulle förbättra modellen avsevärt. Förutom konvergensproblem har inga onormala beteenden i resultaten observerats. Dock kan resultatet påverkas av att installationskraften är introducerad efter röret har installerats vilket bör undersökas vidare.

Place, publisher, year, edition, pages
2014.
National Category
Applied Mechanics
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-178805OAI: oai:DiVA.org:kth-178805DiVA: diva2:878361
External cooperation
Kongsberg Oil & Gas Technologies
Subject / course
Solid Mechanics
Supervisors
Examiners
Available from: 2015-12-08 Created: 2015-12-08 Last updated: 2015-12-08Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

By organisation
Solid Mechanics (Dept.)
Applied Mechanics

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 125 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf