It is generally acknowledged that the Steel Catenary Riser (SCR) is the most cost-effective riser type for deep-water offshore fields among various risers, including the SCR, flexible riser, and hybrid riser. However, in West Africa, the SCR type may not be suitable for FPSO systems because the large vertical motion of the floater brings about a considerable riser dynamic response. In this paper, an SCR system is designed for the FPSO in the West African field, where the use of a hybrid riser has been preferred. The proposed SCR configuration fulfills the design criteria of the API, such as the strength check and fatigue life. Moreover, a sensitivity analysis is also carried out to improve the certainty in the SCR design of a deep-water FPSO. The parameters affecting the strength and fatigue performance of the SCR are considered.
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.
Meeting the touchdown point (TDP) target box is one of the challenges during catenary riser installation, especially for deep water or ultra-deep water riser systems. TDP location mismatch compared to the design can result in variation of riser configuration, additional hang-off misalignment, and extra bending loads going into the hang-off porch. A good understanding of the key installation parameters can help to minimize this mismatch, and ensure that the riser global response meets the design criteria. This paper focuses on investigating the potential factors that may affect the touchdown point location, and addressing the challenges both in the design stage and during installation campaign. Conventionally, the vessel offset and current are the most critical factors which may affect the TDP movement during installation. With the offshore exploration going deeper and deeper in the sea (up to 10,000ft), other sources such as the seabed slope and seabed soil stiffness are playing an important role as well. The impacts of potential sources are quantified through case studies for steel catenary riser (SCR) and lazy wave steel catenary riser (LWSCR) in deep water application. Investigations through both theoretical study and numerical validation are carried out. Furthermore, design recommendations are provided during execution phase for the TDP mismatch condition to ensure the integrity of the riser system.
A numerical model based on the mode superposition method is used to study the vortex-induced vibration response characteristics of a deep-sea riser such as steel catenary riser (SCR). A steel catenary riser can be modeled using a flexible cable with simple supports at both ends. The natural frequency, mode shape and mode curvature of the riser are calculated and the vortex-induced vibration response of the riser is obtained using the equilibrium of the input and output power. The mode superposition method is applied to the vibrational stresses for each mode to calculate the overall riser fatigue life.
The challenges involved with fatigue damage assessment of steel catenary riser (SCR) in the touchdown zone (TDZ) are primarily due to the non-linear behaviour of the SCR-seabed interaction, considerable uncertainty in SCR-seabed interaction modelling and geotechnical parameters. The issue of fatigue damage induced by the cyclic movements of the SCR with the seabed has acquired prominence with the touch down point (TDP) interaction in the TDZ. Therefore, the SCR-seabed response is critical for reliable estimation of fatigue life in the TDZ. Various design approaches pertaining to the lateral pipe-soil resistance model are discussed. These techniques have been applied in the finite element model that can be used to analyse the lateral SCR-seabed interaction under hydrodynamic loading. This study investigates the sensitivity of fatigue performance to geotechnical parameters through a parametric study. In this study, global analyses are performed to assess the influence of vertical linear seabed springs, the lateral seabed model and the non-linear seabed model, including trench evolution into seabed, seabed normalised stiffness, re-penetration offset parameter and soil suction resistance ratio, on the fatigue life of SCRs in the TDZ.
Kim, Y.T.;Kim, D.K.;Choi, H.S.;Yu, S.Y.;Park, K.S.
Structural Engineering and Mechanics
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제61권6호
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pp.737-746
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2017
The touch down zone (TDZ) and top connection point of the vessel are most critical part of fatigue damage in the steel catenary riser (SCR). In general, the linear soil model has been used to evaluate fatigue performance of SCRs because it gives conservative results in the TDZ. However, the conservative linear soil model shows the limitation to accommodate real behavior in the TDZ as water depth is increased. Therefore, the riser behavior on soft clay seabed is investigated using a nonlinear soil model through time domain approach in this study. The numerical analysis considering various important parameters of the nonlinear soil model such as shear strength at mudline, shear strength gradient and suction resistance force is conducted to check the adoptability and applicability of nonlinear soil model for SCR design.
The design challenges when attempting to obtain sufficient strength for a deepwater steel catenary riser (SCR) include high stress near the hang-off location, an elevated beam-column buckling load due to the effective compression in the touchdown zone (TDZ), and increased stress and low-cycle fatigue damage in the TDZ. Therefore, a systematic strength analysis is required for the proper design of an SCR. However, deepwater SCR analysis is a new research area. Thus, the objective of this study was to develop an overall analysis procedure for a deepwater SCR. The structural behavior of a deepwater SCR under various environmental loading conditions was investigated, and a sensitivity analysis was conducted with respect to various parameters such as the SCR weight, weight of the internal contents, hang-off angle (HOA), and vertical soil stiffness. Based on a deepwater SCR design example, it was found that the maximum stress of an SCR occurred at a hang-off location under parallel loading direction with respect to the riser plane, except for a wave dominant dynamic survival loading condition. Furthermore, the tensile stress governed the total stress of the SCRs, whereas the bending stress governed the total stress at the TDZ. The weight of the SCR and internal contents affected the maximum stress of the SCR more than the HOA and vertical soil stiffness, because the weight of the SCR, including the internal contents, was directly related to its tensile stress.
The purpose of this study is to suggest guidelines for riser fatigue analysis in terms of selection of reasonable analysis method. Three analysis methods (spectral, regular wave, rain-flow counting) are introduced and compared. As the riser systems give non-linear response, the time-domain analysis method is more preferred than frequency-domain analysis method. The spectral fatigue analysis method, however, is still useful for identifying fatigue prone areas. Once stress RAO is established, fatigue damage can be calculated very quickly. The regular wave method and the rain-flow counting method are more time consuming but give more exact results compare to spectral method. In case of regular wave method, a set of regular waves which represent random sea states is considered for dynamic analysis. The rain-flow counting method is the most intuitive and exact method because it refers time history stresses containing most of non-linear effects of the riser system. However, it is not common for early design stage to use rain-flow counting method because of its high cost. In this study, it was confirmed that the regular wave method is the most cost effective way in specific cases. However, if the system is highly non-linear, it seems that the regular wave method gives less accurate results than rain-flow counting method. Therefore, it is imperative that the engineers select appropriate analysis method based on design stage and given engineering period. This paper also discusses the theoretical background of each calculation method and hydrodynamic aspects of marine riser systems. A steel catenary riser (SCR) line on FPSO was considered and marine dynamic program (OrcaFlex) was used for static and dynamic analysis.
Kim, D.K.;Choi, H.S.;Shin, C.S.;Liew, M.S.;Yu, S.Y.;Park, K.S.
Structural Engineering and Mechanics
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제53권5호
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pp.881-896
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2015
In this study, a method for fatigue performance estimation of deepwater steel catenary riser (SCR) under short-term vortex-induced vibration was investigated for selected S-N curves. General tendency between S-N curve capacity and fatigue performance was analysed. SCRs are generally used to transport produced oil and gas or to export separated oil and gas, and are exposed to various environmental loads in terms of current, wave, wind and others. Current is closely related with VIV and it affects fatigue life of riser structures significantly. In this regards, the process of appropriate S-N curve selection was performed in the initial design stage based on the scale of fabrication-related initial imperfections such as welding, hot spot, crack, stress concentration factor, and others. To draw the general tendency, the effects of stress concentration factor (SCF), S-N curve type, current profile, and three different sizes of SCRs were considered, and the relationship between S-N curve capacity and short-term VIV fatigue performance of SCR was derived. In case of S-N curve selection, DNV (2012) guideline was adopted and four different current profiles of the Gulf of Mexico (normal condition and Hurricane condition) and Brazil (Amazon basin and Campos basin) were considered. The obtained results will be useful to select the S-N curve for deepwater SCRs and also to understand the relationship between S-N curve capacity and short-term VIV fatigue performance of deepwater SCRs.
Steel Catenary Risers (SCR) are the simplest and often the most economic solution compared to other riser types such as flexible pipe, riser towers, top tensioned risers, etc. The top of a SCR is connected to the host platform riser porch. The other end of the SCR connects to flowlines from subsea wells. The riser touchdown point (TDP), which is the location along the riser where contact with the sea floor first occurs, exhibits complex behaviors and often results in compression and fatigue related issues. Heave dynamic responses of semisubmersibles in extreme and operating sea states are crucial for feasibility of SCR application. Recent full field measurement results of a deep draft semisubmersible in Hurricane Gustav displayed the considerable discrepancies in heave responses characteristics between the measured and the simulated results. The adequacy and accuracy of the simulated results from recognized commercial software should be examined. This finding raised the awareness of shortcomings of current commercial software and potential risk in mega investment loss and environmental pollutions due to SCR failures. One main objective of this paper is to attempt to assess the importance and necessity of accounting for viscous effects during design and analysis by employing indicator of viscous parameter. Since viscous effects increase with nearly third power of significant wave height, thus newly increased metocean criteria per API in central Gulf of Mexico (GoM) and even more severe environmental conditions in Western Australia (WA) call for fundamental enhancements of the existing analysis tools to ensure reliable and robust design. Furthermore, another aim of this paper is to address the impacts of metocean criteria and design philosophy on semisubmersible hull sizing in WA and GoM.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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