Σχεδιασμός, ανάλυση και βελτιστοποίηση συστήματος απάντλησης πετρελαίου από ναυάγια σε μεγάλα βάθη

Abstract

In this PhD work, the mechanical design of a Sub sea Oil Recovery Structure is carried out. The structure is consisted of 6 different parts. The mechanical design methodology starts with the calculation of the diameter of the mooring lines for a tension force of 10000 kN. The fluid/structure interaction is a design aspect for the Riser tube. Analytical equations were used to identify the dimensions of each riser tube’s part in order to avoid Vortex Induced Vibrations (VIV). As a second step, the oil upward movement into the riser tube was investigated. The buoyancy flow was examined using CFD analysis for both, vertical and inclined tube position to confirm that the crude oil could overcome the frictional forces due to contact with the internal tube’s wall. The external flow field around the riser tube, with the mooring lines along its periphery, was investigated in order to calculate the hydrodynamic coefficients for a range from 0.1 to 0.7 m/sec. This analysis was necessary since it helps to quantify the hydrodynamic load for the structural analysis. The structural analysis for the riser tube parts was performed using FEM and it was used for the study of the behavior under “local” loads such as the sea current’s dynamic pressure. The Buffer Bell’s analysis is based on the prediction of hydrodynamic coefficients (obtained from CFD analysis) and the use of a FE model for the structural analysis of the Buffer Bell hull subject to the hydrostatic pressure. The maximum displacement of the system due to the sea currents was also examined. A scale model test was performed in a water tunnel and a dynamic response model was created in order to predict the system’s behavior under operational loads and during the deployment phase. Additional, a FE model was developed to predict the loads (forces and moments) acting on the stiffening rings and the dome interface unit during the operational scenario. This FE model was compared with the Dynamic Response Model for the maximum displacement criterion. The maximum loads (forces and moments) from the Maximum Displacement FE model was used for the calculation of the dimensions of the stiffening ring and the dome interface unit. Finite element models were developed for these two components. A CFD analysis was performed to investigate the pressure distribution over the surface of the Dome. This pressure load and the reaction forces resulted from the analysis of the Dome Interface Unit were used to calculate the stresses faced by the Dome and the total force applied on the mooring system. For the dimensioning of the anchoring system, the highest force calculated for the mooring lines was chosen. The volume of cement for the anchoring system was calculated in order to withstand this force. Analytical equations were used to secure the anchor’s stability on different types of seabed (cohesion or cohesion less). At the end, the maximum calculated force on the mooring line was compared against the force resulted during the first step in order to confirm that fracture does not occur. The conclusions from this analysis is that the system can be applied to all depths (shallow waters, ultra-deep waters) but also the final erection time should be minimized in order to increase the system’s efficiency.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύσσεται ο υδροδυναμικός και δομικός (μηχανολογικός) σχεδιασμός μιας υποθαλάσσιας κατασκευής για την απάντληση πετρελαίου σε μεγάλα βάθη. Η κατασκευή αποτελείται από 6 διαφορετικά τμήματα. Ο μηχανολογικός σχεδιασμός ξεκίνησε με την προσαρμογή κατάλληλων προδιαγραφών για το κάθε εξάρτημα. Το πρώτο εξάρτημα από το οποίο ξεκίνησε η ανάλυση είναι τα καλώδια ενίσχυσης των οποίων το φορτίο προέντασης είναι ήδη γνωστό από τα κριτήρια σχεδιασμού και τον αρχικό σχεδιασμό και περιορίζεται στους 1000 τόνους (10000 kN). Πραγματοποιήθηκε η τελική επιλογή του υλικού και των χαρακτηριστικών που έπρεπε να έχει ώστε να ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις του θαλάσσιου περιβάλλοντος. Ο κατακόρυφος αγωγός με βάση την φιλοσοφία ανάπτυξης του συστήματος θα έπρεπε να αποτελείται από επιμέρους τμήματα αγωγών πεπερασμένου μήκους, κατασκευασμένους από πολυαιθυλένιο οι οποίοι καλύπτουν το συνολικό επιχειρησιακό βάθος. Η αλληλεπίδραση του θαλασσίου ρεύματος με τον αγωγό (Fluid Structure Interaction) για την κάθε διαφορετική ταχύτητα του θαλασσίου προφίλ ώστε να αποφευχθεί η πιθανότητα εμφάνισης επαγόμενων στροβίλων που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε ανεπιθύμητες ταλαντώσεις και σε κόπωση (Vortex Induced Vibration, VIV) τέθηκε σε πρώτη προτεραιότητα. Ο συνδυασμός αναλυτικών σχέσεων και πειραματικών δεδομένων από την βιβλιογραφία χρησιμοποιήθηκαν για να υπολογιστεί το μήκος των επιμέρους τμημάτων των αγωγών ώστε να περιοριστούν οι υψηλές εγκάρσιες μετατοπίσεις λόγω των ταλαντώσεων. Η μελέτη της διφασικής ροής πετρελαίου/νερού σε κώδικα πεπερασμένων όγκων (FLUENT) πραγματοποιήθηκε τόσο για κατακόρυφη όσο και για κεκλιμένη θέση του αγωγού για να επιβεβαιωθεί ότι το αργό πετρέλαιο διατηρεί ανωστική πορεία προς την επιφάνεια ξεπερνώντας τις δυνάμεις τριβής που αναπτύσσονται λόγω της επαφής με τα τοιχώματα των αγωγών. Η ταχύτητα του μίγματος της εσωτερικής ροής καταγράφεται ώστε να ελεγχθεί η εσωτερική μεταβολή της πίεσης του αγωγού. Πιθανή υψηλή διαφοροποίηση της υδροστατικής πίεσης στο εσωτερικό του αγωγού σε σχέση με το εξωτερικό θα οδηγούσε σε επιπλέον φορτία στην δομή του αγωγού (ο αγωγός θα λειτουργούσε τοπικά ως πιεστικό δοχείο). Η προσομοίωση της εξωτερικής ροής γύρω από τμήμα του αγωγού με τα καλώδια ενίσχυσης τοποθετημένα στην περιφέρειά του σε κώδικα πεπερασμένων όγκων FLUENT πραγματοποιήθηκε για τον προσδιορισμό των υδροδυναμικών συντελεστών στο εύρος ταχυτήτων 0.1-0.7 m/sec. Επίσης η μοντελοποίηση αυτή έδειξε κατά πόσο η θέση των νημάτων επηρεάζει ή όχι την δημιουργία επαγόμενων στροβίλων γύρω από τον αγωγό. Η δομική ανάλυση με χρήση πακέτου πεπερασμένων στοιχείων (NASTRAN/ PATRAN) έδειξε τα επίπεδα των μέγιστων τάσεων και μετατοπίσεων που αναπτύσσονται λόγω της ύπαρξης της δυναμικής πίεσης η οποία και καταπονεί τοπικά τους αγωγούς. Η αποθηκευτική δεξαμενή (πλωτήρας και συλλέκτης) σχεδιάστηκε με χρήση βασικών υπολογισμών ώστε να επιτευχθεί η κατάλληλη χωρητικότητα αλλά και η προδεγεγραμμένη άνωση. Ο προσδιορισμός των υδροδυναμικών συντελεστών πραγματοποιήθηκε σε FLUENT έτσι ώστε να διερευνηθεί το ροικό πεδίο γύρω από την δεξαμενή καθώς και το μέγεθος των δυνάμεων που μεταφέρονται στο σύστημα από την αλληλεπίδρασή της με το θαλάσσιο ρεύμα. Η δομή του πλωτήρα σχεδιάστηκε με χρήση βασικών δομικών υπολογισμών και η συνολική του συμπεριφορά κάτω από τα φορτία υδροστατικής πίεσης ελέγχθηκε με πεπερασμένα στοιχεία (NASTRAN/PATRAN). Η δομή του συλλέκτη διαστασιολογήθηκε με βάση την επίδραση της δυναμικής πίεσης ένεκα της ροής γύρω του. Επίσης παρατίθονται οι βασικές δομικές αναλύσεις των συνδέσμων που χρησιμοποιήθηκαν για την ένωση των διαφόρων τμημάτων πλωτήρα και συλλέκτη. Το μοντέλο πλήρους κλίμακας αναπτύχθηκε με βάση τα πειράματα της υδροσήραγγας που πραγματοποιήθηκαν στην MARIN και με βάση του μοντέλου δυναμικής απόκρισης που δημιουργήθηκε στο ORCAFLEX από την SIREHNA. Σκοπός του μοντέλου πλήρους κλίμακας (με την χρήση NASTRAN/PATRAN) ήταν να εξομοιώσει την απόκριση του μοντέλου του ORCAFLEX το οποίο είχε ρυθμιστεί με βάση την υδροσήραγγα ώστε να υπολογιστούν οι δυνάμεις που μεταφέρονται στους δακτυλίους ενίσχυσης και τα φορτία (δυνάμεις και ροπές) που μεταφέρονται στο ενδιάμεσο στοιχείο. Τα δύο μοντέλα θα έπρεπε να εμφανίζουν την ίδια μέγιστη μετατόπιση ώστε να θεωρηθούν όμοια. Στην φάση αυτή τα καλώδια ενίσχυσης που μοντελοποιούνται με μονοδιάστατα στοιχεία στο NASTRAN/PATRAN . Το ενδιάμεσο στοιχείο αποτέλεσε το εξάρτημα στο οποίο μεταφέρονται τα φορτία του αγωγού στο σημείο σύνδεσης (δυνάμεις και οι ροπές) καθώς και οι δυνάμεις από τα καλώδια ενίσχυσης. Η δομική του ανάλυση περιλαμβάνει την διαστασιολόγηση του με βασικούς υπολογισμούς και την χρήση πεπερασμένων στοιχείων για τον έλεγχο τοπικών υπερφορτίσεων που δεν ήταν εφικτό να προσδιοριστούν με αναλυτικές σχέσεις. Ο θόλος επηρεάζεται από την ταχύτητα των θαλασσίων ρευμάτων που κινούνται γύρω του και αποτελούν τις κύριες δυνάμεις που τον επηρεάζουν. Η μοντελοποίηση της δυναμικής πίεσης πάνω στον αγωγό γίνεται με την χρήση υδροδυναμικού μοντέλου σε FLUENT ενώ η δομική του αντοχή προσδιορίστηκε με χρήση μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων σε NASTRAN/PATRAN. Οι δυνάμεις μεταφέρονταν στα καλώδια ενίσχυσης του θόλου που με την σειρά τους τις μετέφεραν στο σύστημα αγκύρωσης στον βυθό. Το σύστημα αγκύρωσης διαστασιολογείται με αναλυτικούς υπολογισμούς από την βιβλιογραφία με βάση την μέγιστη δύναμη που μεταφέρεται από τα καλώδια αγκύρωσης του θόλου. Οι διαστάσεις του είναι συνάρτηση τόσο της σύστασης του βυθού όσο και της μέγιστης επιτρεπόμενης διάστασης που επιλέγεται από τα πλοία που συμμετέχουν στην ανάπτυξη του συστήματος. Τα βασικά συμπεράσματα που προέκυψαν από την ανάλυση ήταν η δυνατότητα της περαιτέρω ανάπτυξης του συστήματος σε ρηχά και πολύ βαθιά ύδατα καθώς και η ανάγκη για την μείωση του χρόνου κατασκευής ώστε να αυξηθεί η αποδοτικότητα του συστήματος.