Excessive dynamic-tension variations on the top-tensioned risers (TTRs) deteriorate the structural integrity and cause potential safety hazards. This phenomenon has become more remarkable in the development of deep-water fields with harsher environmental loads. The conventional prediction method of tension variations in hydro-pneumatic tensioner (HPT) has the disadvantage to underestimate the magnitude of cyclic loads. The actual excessive dynamic tension variations are larger when considering the viscous frictional fluid effects. In this paper, a suppression method of tension variations in HPT is modeled by incorporating the magneto-rheological (MR) damper and linear-force actuator. The mathematical models of the combined HPT and MR damper are developed and a force-control scheme is introduced to compensate the excessive tension variations on the riser tensioner ring. Numerical simulations and analyses are conducted to evaluate the suppression of tension variations in HPT under both regular- and irregular-wave conditions for a drilling riser of a tensioned-leg platform (TLP). The results show that significant reduction of tension variations can be achieved by introducing the proposed system. This research has provided a theoretical foundation for the HPT tension control and related structural protection.
The effect of vertical riser support system on the dynamic behaviour of a classical spar platform is investigated. Spar platform generally uses buoyancy-can riser support system, but as water depth gets deeper the alternative riser support system is required due to safety and cost issues. The alternative riser support system is to hang risers off the spar platform using pneumatic cylinders rather than the buoyancy-can. The existing numerical model for hull/mooring/riser coupled dynamics analysis treats riser as an elastic rod truncated at the keel (truncated riser model), thus, in this model, the effect of riser support system can not be modeled correctly. Due to this reason, the truncated riser model tends to overestimate the spar pitch and heave motion. To evaluate more realistic global spar motion, mechanical coupling among risers, guide frames and support cylinders inside of spar moon-pool should be modeled. In the newly developed model, the risers are extended through the moon-pool by using nonlinear finite element methods with realistic boundary condition at multiple guide frames. In the simulation, the vertical tension from pneumatic cylinders is modeled by using ideal-gas equation and the vertical tension from buoyancy-cans is modeled as constant top tension. The different dynamic characteristics between buoyancy-can riser support system and pneumatic riser support system are extensively studied. The alternative riser support system tends to increase spar heave motion and needs damper system to reduce the spar heave motion.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.8
no.4
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pp.287-296
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1996
A mathematical model for the dynamic analysis of the riser system is developed to investigate the effect of internal flow on the free vibration of marine riser system which includes a steady flow inside the pipe. A semi-analytical method using series expansion is employed to derive Eigenvalue problem to facilitate the evaluation of the system frequencies, and its validity is given through the comparison of the solutions with the conventional method using system matrices. The algorithm is implemented to develop computer programs for the estimation of the system frequency. The investigations of the effect of internal flow on system frequency are performed according to the change of parameters such as top tension, internal flow velocity, and so on. It is found that the effect of internal flow can be controlled by the increase of top tension. However, careful consideration has to be given in the design point, particularly for the long riser.
Kang, Hooi-Siang;Kim, Moo-Hyun;Aramanadka, Shankar S. Bhat
Ocean Systems Engineering
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v.7
no.1
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pp.21-38
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2017
In real sea environments, excessive dynamic axial tension variations can be exerted on the top-tensioned risers (TTRs) and lead to structural integrity issues. The traditional riser-tension-variation analysis, however, by using parametric formulation is only conditionally valid under certain strict limits and potentially underestimates the total magnitudes of tension variations. This phenomenon is especially important for the long stroke tensioner in dry-tree semisubmersible with larger global heave motion and longer stroke. In this paper, the hydro-pneumatic tensioner (HPT) is modeled in detailed component-level which includes a set of hydraulic and pneumatic components. The viscous fluid frictional effect in the HPT is considered. The main objectives are (i) to develop a detailed tension variation model of the HPT; (ii) to identify the deviations between the conventional parametric formulation and component-level formulation; (iii) to numerically analyze the tension variation of long stroke tensioner in a dry-tree semisubmersible (DTS). The results demonstrate the necessity of component-level formulation for long stroke tensioner in the development of DTS.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.7
no.2
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pp.198-208
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1995
Combining Iwan-Blevin's model into the approximated form of the nonlinear model derived for the dynamic analysis of the riser system with the inclusion of internal flow, current-vortex model is developed to investigate the effect of internal flow on vortex-induced vibration due to inline current The riser system includes a steadly flow inside the pipe which is modeled as an extensible or inextensible tubular beam. Galerkin's finite element approximation are implemented to derive the matrix equation of equilibrium for the finite element system. The investigations of the effect of internal flow on vibration due to inline current are performed according to the change of various parameters such as top tension, infernal flow velocity. current velocity, and so on. It is found that the effect of internal flow on vibration due to vortex shedding can be controlled by the increase of top tension. However, careful consideration has to be given, in design point in order to avoid the resonance band occurding near vortex shedding frequency, particularly for the long riser.
Green hydrogen presents a sustainable and environmentally friendly solution for clean energy production and transportation. This study aims to identify the optimal profile of green hydrogen transportation risers originating from a floating offshore wind turbine (FOWT) integrated with a hydrogen production facility. Employing the Cummins equation, a fully coupled dynamic analysis for FOWT with a flexible riser was conducted, with the tower, mooring lines, and risers described using a lumped mass line model. Initially, motion response amplitude operators (RAOs) were compared with openly published results to validate the numerical model for the FOWT. Subsequently, a parametric study was conducted on the length of the buoyancy module section and the upper bare section of the riser by comparing the riser's tension and bending moment. The results indicated that as the length of the buoyancy module increases, the maximum tension of the riser decreases, while it increases with the lengthening of the bare section. Furthermore, shorter buoyancy modules are expected to experience less fatigue damage, with the length of the bare section having a relatively minor impact on this phenomenon. Consequently, to ensure safety under extreme environmental conditions, both the upper bare section and the buoyancy module section should be relatively short.
Steel catenary riser (SCR) is a popular/economical solution for the oil/gas production in deep and ultra-deep water. The behavioral characteristics of SCR have a high correlation with the motion of floating production facility at its survival and operational environments. When large motions of surface floaters occur, such as FPSO in 100-yr storm case, they can cause unacceptable negative tension on SCR near TDZ (touch down zone) and the corresponding elastic deflection can be large due to local dynamic buckling. The generation, propagation, and decay of the elastic wave are also affected by SCR and seabed soil interaction effects. The temporary local dynamic buckling vanishes with the recovery of tension on SCR with the upheaval motion of surface floater. Unlike larger-scale, an-order-of-magnitude longer period global buckling driven by heat and pressure variations in subsea pipelines, the sub-critical local dynamic buckling of SCR is motion-driven and short cycled, which, however, can lead to permanent structural damage when the resulting stress is greatly amplified beyond the elastic limit. The phenomenon is extensively investigated in this paper by using the vessel-mooring-riser coupled dynamic analysis program. It is found that the moment of large downward heave motion at the farthest-horizontal-offset position is the most dangerous for the local dynamic buckling.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.7
no.1
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pp.75-90
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1995
A mathematical model for the dynamic analysis of a riser system with the inclusion of internal flow and nonlinear effects due to large structural displacements is developed to investigate the effect of internal flow on marine riser dynamics. The riser system accounts fir the nonlinear boundary conditions and includes a steady flow inside the pipe which is modeled as an extensible or inextensible. tubular beam subject to nonlinear three dimensional hydrodynamic loads such as current or wave excitation. Galerkin's finite element approximation and time incremental operator are implemented to derive the matrix equation of equilibrium for the finite element system and the extensibility or inextensibility condition is used to reduce degree of freedom of the system and the required computational time in the case of a nonlinear model. The algorithm is implemented to develop computer programs used in several numerical applications. The investigations of the effect of infernal flow on riser vibration due to current or wave loading are performed according to the change of various parameters such as top tension, internal flow velocity, current velocity, wave period, and so on. It is found that the effect of internal flow can be controlled by the increase of top tension. However, careful consideration has to be given in the design point particularly for the long riser under the harmonic loading such as waves. And it is also found that the consideration of nonlinear effects due to large structural displacements increases the effect of internal flow on riser dynamics.
A vessel/mooring/riser coupled dynamic analysis program in time domain is developed for the global motion simulation of a turret-moored, tanker based FPSO designed for 6000-ft water depth. The vessel global motions and mooring tension are simulated for the non-parallel wind-wave-current 100-year hurricane condition in the Gulf of Mexico. The wind and current forces and moments are estimated from the OCIMF empirical data base for the given loading condition. The numerical results are compared with the OTRC(Offshore Technology Research Center: Model Basin for Offshore Platforms in Texas A&M University) 1:60 model-testing results with truncated mooring system. The system's stiffness and line tension as well as natural periods and damping obtained from the OTRC measurement are checked through numerically simulated static-offset and free-decay tests. The global vessel motion simulations in the hurricane condition were conducted by varying lateral and longitudinal hull drag coefficients, different mooring and riser set up, and wind-exposed areas to better understand the sensitivity of the FPSO responses against empirical parameters. It is particularly stressed that the dynamic mooring tension can be greatly underestimated when truncated mooring system is used.
This paper presents a fully three-dimensional numerical approach for analyzing deepwater drilling riser-conductor system vortex-induced vibrations (VIV) including nonlinear soil-structure interactions (SSI). The drilling riser-conductor system is modeled as a tensioned beam with linearly distributed tension and is solved by a fully implicit discretization scheme. The fluid field around the riser-conductor system is obtained by Finite-Analytic Navier-Stokes (FANS) code, which numerically solves the unsteady Navier-Stokes equations. The SSI is considered by modeling the lateral soil resistance force according to nonlinear p-y curves. Overset grid method is adopted to mesh the fluid domain. A partitioned fluid-structure interaction (FSI) method is achieved by communication between the fluid solver and riser motion solver. A riser-conductor system VIV simulation without SSI is firstly presented and served as a benchmark case for the subsequent simulations. Two SSI models based on a nonlinear p-y curve are then applied to the VIV simulations. Also, the effects of two key soil properties on the VIV simulations of riser-conductor systems are studied.
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