Daglig er vi avhengige av ressurser som hentes opp fra havbunnen. For å transportere disse ressursene trygt og effektivt fra undervannsbrønner til prosesseringsanlegg på overflaten, kreves det nøyaktige og finjusterte systemer.
Stigerør er store rørledninger som transporterer ressurser fra brønner på havbunnen opp til prosesseringsanlegg. Under drift utsettes disse rørene for både ytre belastninger fra bølger og havstrømmer, og indre belastninger fra gasser og væsker som strømmer gjennom dem. Disse belastningene gir gjentatte spenningsvariasjoner i stigerørene, som over tid kan føre til slitasje, kjent som utmattingsskader.
Utmatting er særlig utbredt ved transport av en kombinasjon av gasser, væsker og faste stoffer, såkalt flerfasestrømning. Når gass og væske transporteres sammen, kan strømningen danne vekslende væskeplugger («slugs») og gasslommer. Dette kalles slugstrømning. De påfølgende endringene i trykk og bevegelsesmengde skaper varierende krefter i stigerøret. Dette påvirker utmattingsskaden ved kritiske punkter langs stigerøret, slik som opphengspunktet, den oppadbuede delen av stigerøret («hog bend») og området der stigerøret møter havbunnen («touchdown»-sonen).
Modernisering av tradisjonell ingeniørpraksis
- Å kunne forutsi hvordan samspillet mellom indre og ytre krefter påvirker stigerør er avgjørende for å kunne beregne levetiden deres nøyaktig. Dagens ingeniørpraksis er imidlertid fortsatt preget av betydelig usikkerhet, fordi de ulike belastningsprosessene ofte vurderes hver for seg, og lastene deretter kombineres ved hjelp av forenklede metoder, sier Naiquan Ye, forskningsleder ved SINTEF.
Tidligere studier av samtidige dynamiske belastninger har vist at slike forenklede metoder i enkelte tilfeller kan sterkt undervurdere den samlede utmattingsskaden, mens andre forenklede tilnærminger er for konservative. Å beregne utmattingsskaden fra hver belastningsprosess hver for seg er usikkert i forhold til fysikken, og slike metoder gjør det lett å undervurdere den samlede utmattingsskaden som oppstår når belastningene skjer samtidig.
Derfor trenger industrien mer representative eksperimenter som kan gi mer pålitelige data for å forutsi utmattingsskader.
Testet kombinerte laster fra slugstrømning og bølger
Forskere ved SINTEF har i samarbeid med Equinor funnet en mer nøyaktig måte for å forutsi utmatting i stigerør på. Prosjektgruppen bygde en skalamodell av et stigerør med såkalt «lazy-wave»-konfigurasjon i SINTEFs Havbasseng, og gjennomførte tre testtyper: belastning fra slugstrømning alene, bølgelast alene og kombinerte tester med både slugstrømning og bølgebelastning. Denne modellen gjør det mulig for forskerne å skille stigerørets reaksjon på de enkelte prosessene og deretter undersøke hva som endrer seg når begge prosessene virker samtidig.
Testene inkluderte bølgeinduserte bevegelser og injisering av væskeplugger i den nedre enden av stigerøret. Sensorer og kameraer registrerte både den strukturelle responsen i røret og strømningen innvendig. Modellens størrelse og omfanget av det kombinerte testprogrammet gjør at forsøket er blant de største i sitt slag, både innen akademisk forskning og industriell testing, ifølge prosjektgruppen.
Utformet for å gi bedre beregningsmetoder
Et særtrekk ved modelloppsettet er at selve røret var gjennomsiktig. Kameraer kunne dermed registrere gass- og væskestrømmene inne i stigerøret samtidig som modellen var i bevegelse. Ved hjelp av bildebehandling blir opptakene gjort om til kvantitative beskrivelser av strømningen langs røret. Dette gjør det mulig å knytte det som skjer inne i stigerøret til den målte strukturelle responsen.
- Den gjennomsiktige modellen gjør det mulig for oss å observere den interne strømningen og stigerørets respons samtidig. Dette er avgjørende når vi ønsker å forstå samspillet mellom belastningene, i stedet for å behandle belastningsprosessene uavhengig av hverandre, forklarer Benjamin Smeltzer, forsker ved SINTEF.
De eksperimentelle dataene gir et kontrollert referansegrunnlag for å vurdere numeriske modeller. I prosjektet kobles strukturell modellering i analyseprogrammet RIFLEX sammen med dynamisk modellering av flerfasestrømning i simulatoren LedaFlow. Ved å sammenligne numeriske beregninger med målingene fra modelltestene kan forskerne vurdere hvor godt den koblede modelleringen fanger opp samspillet mellom laster fra slugstrømning, bølgeinduserte bevegelser og stigerørets dynamiske respons.
- Det umiddelbare målet er ikke å hevde at alle usikkerheter er eliminert, men å etablere et sterkere kunnskapsgrunnlag for validering og videreutvikling av modellene. Dersom samspillet mellom belastningene kan representeres mer nøyaktig, kan ingeniører ta bedre beslutninger om utformingen av nye stigerør, og bedre forutsi gjenværende levetid for stigerør som allerede er i drift, sier Smeltzer.
Et grunnlag for fremtidige undersøkelser
SINTEFs spesialister innen konstruksjonsteknikk, marine operasjoner og eksperimentell hydrodynamikk, i samarbeid med spesialister innen prosessteknologi, sto for utviklingen av det eksperimentelle designet og gjennomføringen av modelltestene. Utviklingen av testoppsettet krevde flere runder for å lykkes med å integrere stigerørsmekanikk, flerfasestrømning, instrumentering og bildebehandling i ett og samme eksperiment.
Under en demonstrasjon av testene i Havbassenget beskrev Equinor arbeidet som en imponerende felles innsats og fremhevet den vitenskapelige og pedagogiske verdien av å kunne se fullskalaprinsippene for stigerørsmekanikk demonstrert så tydelig.
- De foreløpige resultatene er lovende og tyder på at eksperimentene samsvarer med teoretiske resultater som ble publisert sammen med DNV i fjor, sier Guttorm Grytøyr, seniorspesialist innen stigerørteknologi i Equinor.
Det gjennomførte testprogrammet fokuserte spesielt på laster fra slugstrømning og bølger. I fremtidige studier kan den samme metodikken utvides til mer komplekse kombinasjoner, slik som virvelinduserte svingninger, bølger og slugstrømning. Målet er å utvikle en mer helhetlig modellering av den koblede dynamikken mellom stigerøret og den innvendige strømningen i røret.
