Bewertung der Ermüdung von Freispan-Unterwasserleitungen

Zusammenfassung Die strukturelle Integrität von Unterwasseröl- und -gasleitungen unter Freispanbedingungen muss unter Berücksichtigung der Wechselwirkung mit dem Meeresboden, dem hohen Umgebungsdruck sowie den Wirkungen von Wellen und Strömungen bewertet werden. Extreme Umweltbelastungen können auch zu wirbelinduzierter Vibration (VIV) aufgrund der Einwirkungen von Wellen und Strömungen in den Freispannen führen. Ermüdungsversagen kann in Freispanen von Unterwasserleitungen auftreten, unabhängig davon, ob sie mit VIV in Zusammenhang stehen oder nicht. Das untersuchte Szenario befindet sich in einer Tiefe zwischen 20 m und 50 m im Campos-Becken, Brasilien. Diese Studie basiert auf der Vorhersage von Ermüdungsschäden in Freispan-Unterwasserleitungen und trägt zur Verhinderung von Ausfällen bei, die zu schweren sozio-ökologischen Schäden führen können. Ein numerisches Modell wurde entwickelt, basierend auf der Finite-Elemente-Methode, um die Wechselwirkung mit dem Meeresboden sowie die Umwelteinwirkungen von Wellen und Strömungen auf Freispan-Stahlrohre zu reproduzieren. Das Modell ermöglicht die Schätzung der daraus resultierenden Spannungsänderungen zur Bewertung von Ermüdungsschäden gemäß einer geeigneten S-N-Kurve und unter Verwendung der Palmgren-Miner-Regel zur linearen Schadensakkumulation. Das nautische Gebiet 74 wurde berücksichtigt, um Parameter der langfristigen Wellenverteilung zu schätzen, um Meereszustände mit signifikanten Wellennhöhen (HS) zu erreichen, die dem Nullübergangs-Wellenzeitraum (TZ) gemäß dem Standard DNVGL-RP-C205 entsprechen. Die Steifigkeit des Bodens (Sand) wurde in vereinfachter Weise basierend auf dem DNVGL-RP-F114-Standard berücksichtigt, wobei die dynamischen Steifigkeitswerte in axialer, vertikaler und seitlicher Richtung in der Rohr-Boden-Wechselwirkung geschätzt wurden. Die nichtlineare Stokes-Wellentheorie 5. Ordnung wurde angenommen. Das numerische Modell wurde in einer parametrischen Studie mit variierenden Rohrdimensionen (Verhältnis von Außendurchmesser zu Wanddicke, D/t, und Spannlänge), Wassertiefe und Meereszustand verwendet. Die Stabilität der analysierten Fälle wurde gemäß dem DNV-RP-F109-Standard bewertet, um die Möglichkeit von VIV aufgrund der Einwirkungen von Wellen- und Strömungslasten zu bewerten, die durch den DNVGL-RP-F105-Standard charakterisiert sind. Basierend auf den erhobenen Spannungsänderungen in den numerischen Simulationen und unter Verwendung der S-N-Kurve "D" (Seewasser mit kathodischer Korrosionsschutz), die im DNV-GL-RP-C203-Standard vorgeschlagen wird, sowie der Palmgren-Miner-Regel zur linearen Schadensakkumulation wurden die Ermüdungslebensdauern der analysierten Fälle geschätzt.