Design and Development of a Bend Stiffener for Flexible Pipelines in Offshore Industries

Abstract

Denne rapport omhandler udviklingen af et nyt design, af en bøjningsstiver til fleksible rør i olieindustrien. Arbejdet er udført i samarbejde med National Oilwell Varco Denmark I/S (NOV), som har leveret opgavebeskrivelsen for projektet. Rapporten er udarbejdet, som en speciale afhandling på kandidatuddannelsen i Design af Mekaniske Systemer på Aalborg Universitet. Formålet med projektet er at udvikle og designe en ny bøjningsstiver, med lavere isolationsevne. Dette skyldes, at det nuværende design er årsag til, at overfladen på de fleksible rør nedbrydes, fordi temperaturen er for høj ved bøjningsstiveren. Rørets overflade der er lavet af polyamid ældes og hydrolyse processen (reaktion med vand) fremskyndes, når temperaturen er for høj. Det nuværende design af bøjningsstiveren er lavet af polyuretan, som har en relativ høj isolationsevne. Virksomheden, NOV, ønsker et nyt design med den samme mekaniske opførsel, som den nuværende bøjningsstiver. Rapporten lægger ud med, at bestemme opførslen af den nuværende bøjningsstiver for, at etablere en reference opførsel, der kan benyttes til, at tilpasse opførslen af det nye design. Derudover analyseres det nuværende design også termisk, for at bevise, at temperaturen er et reelt problem. Dernæst undersøges de omgivelser og ydre påvirkninger der kunne have indflydelse på designet af bøjningsstiveren. Analysen af den nuværende bøjningsstiver efterfølges af en kravspecifikation, der er delt op i primære og sekundære krav, som designet skal opfylde. Designfasen tager form efter kravspecifikationen og bygger på en metode udviklet til industriel produkt design. Designfasen går gennem nogle trin, hvorved de bedste intuitive design forslag kommer videre. Denne del af projektet slutter med et konceptdesign, der består af næsten udelukkende af stål, hvilket har forholdsvis ringe isolationsegenskaber. Dette design optimeres mod den rette mekaniske reference opførsel bestemt tidligere i projektet. Ved denne optimering opstår nogle problemer i opførslen, som er design betinget. Herefter bliver designet ændret til en kombination af konceptdesignet og det nuværende design. Dette design optimeres ved brug af Finite Element Methods og optimeringsalgoritmer. Dette gøres for at opnå den ønskede opførsel. En termisk analyse udføres hvor konvektion er inkluderet, for at bevise at temperatur kravet er overholdt i det nye design. Dette design raffineres i forhold til design detaljer, formålet med disse detaljer er bl.a. at undgå styrkemæssige problemer, som fx kærvfølsomhed. Oprindeligt var det ikke en del af projektet, at modellere det fleksible rør, da en model af denne skulle være givet fra projektstart. Denne model udeblev imidlertid og derfor blev en model udviklet i projektet. Denne model har til formål, at bestemme den ækvivalente bøjningsstivhed af røret. Modellen er baseret på en række videnskabelige artikler omhandlende modellering af rør. Kapitlet om rørmodellering beskriver tre ækvivalente stivheder, baseret på forskellige bøjningstilfælde af røret. Efter at røret er modelleret, kan styrken af det nye design evalueres. Det viser sig, at det nye design ikke er stærkt nok og kan ikke dimensioneres til den rette styrke uden at gå på kompromis med den mekaniske opførsel, hvilket er uhensigtsmæssig. En procedure for udmattelses beregninger var udarbejdet, men da den statiske styrke ikke var overholdt, var der intet incitament for, at bestemme udmattelses levetiden. Dog er udmattelses proceduren præsenteret i appendiks for den interesserede læser. Projektet efterlader et åbent designforslag, med basis for videreudvikling. Med dette projekt er alt forarbejdet gjort, for at kunne udvikle en ny bøjningsstiver. Alle nødvendige data og modeller er udviklet og samlet, hvilket ikke var tilgængeligt før dette projekt. Især bør det bemærkes at projektet bidrager med en modellering af det fleksible rør, som kan anvendes til, at bestemme en ækvivalent stivhed for røret.

This project is focused on the design development of a bend stiffener, for flexible pipelines in the oil industry. The problem with the old design is that it is too insulating, which causes the outer wall of the pipe to fail. The design is developed through a design process consisting of several iterations. The final design is based on a combination of the current design and a conceptual design developed through the report. The design is optimized towards a desired behaviour, where the current bend stiffener design is used as reference. A model of the equivalent stiffness of the flexible pipe was needed in order to evaluate the strength of the bend stiffener. A pipe model was therefore developed. The stresses determined in the strength analysis was too high, and it was concluded that the design could not be dimensioned to withstand the stresses without compromising the mechanical behaviour. The reports leaves an open design process, ready for further development. All necessary data and models have been developed in this project to continue the process. The design fulfilled the mechanical behaviour and the temperature requirement.

A master thesis from Aalborg University

Design and Development of a Bend Stiffener for Flexible Pipelines in Offshore Industries

[Design og Udvikling af en Bøjningsstiver til Fleksible Rør i Offshore Industrien]