굽힘 효과를 고려한 다점계류 된 심해용 FPSO의 계류삭 피로평가

Abstract

Consistently, the demand for offshore energy development with regards to oil and gas resources has increased, and the field has required state of the art technologies and concepts for better engineering productivity. In particular, the mooring system, which plays a major role in keeping floaters in position in deep and ultra-deep water, also requires more stringent requirements, not only for strength, but also for fatigue.

This paper covers the fatigue assessment of chain links, a component of the mooring system of floaters. In general, the mooring chains are designed only for tension fatigue, with little consideration given to the bending stiffness. However, in cases of increased water depth, the floater is normally installed in a taut or semi-taut mooring configuration so that it can minimize the horizontal offset from the external environmental loads. To make such a taut line configuration, high pretension is generated by pulling up the mooring lines. Unfortunately, an instance of friction-induced bending can be generated between chain links according to the mooring line’s angular change. These types of bending stresses are referred to as OPB (Out-of-Plane Bending) and IPB (In-Plane Bending) stress, which can cause fatigue failures

i.e. OPB/IPB fatigue.

The objective of this study is to propose a proper assessment procedure for fatigue calculation of mooring chains, including the friction-induced bending phenomenon. To that end, using ABAQUS, nonlinear FE analyses were used to determine the mechanical properties (e.g. stress concentration factor (SCF) and bending stiffness) between chain links for the angular behavior and nominal tension. Finally, the fatigue lives of the first chain links were obtained and analyzed by utilizing FEAs results from a spread-moored deepwater FPSO,

As mentioned above, ABAQUS, a conventional tool for nonlinear FE analysis, was utilized to investigate the mechanical behavior of chain links under their angular change. Through these analyses, the effects of factors such as pretension and friction coefficient were examined. Thereafter, bending stiffness and stress concentration factors on the chain were calculated. Based on these calculations, it was determined that a higher pretension generated higher bending stiffness and stress levels. It should be noted that a friction coefficient of 0.7 was applied in the analysis as per the recommendation of OPB JIP (Joint Industry Project). In Chapter 6, this is described in further detail.

Chapter 7 covers the assessment procedure for chain fatigue by taking into account the bending phenomenon of chain links, and, to calculate fatigue life, its application to deepwater FPSOs with a semi-taut mooring configuration. Hydrodynamic properties of the FPSO, i.e. Response Amplitude Operator (RAO) and Quadratic Transfer Function (QTF), were obtained by using DNV WADAM. In addition, by using BV ARIANE7, the six (6) Degrees of Freedom (DOF) of the FPSO (in terms of the mooring legs) were computed based on quasi-dynamic analysis, which made it possible to obtain the time series of the FPSO motions both quickly and accurately. The line dynamic analysis used to compute the dynamic motions of the mooring line was performed by using OrcaFlex in time domain, from which the cycle numbers and ranges of chain interlink angles and tension were computed using the Rainflow Counting method. In the analysis, the bending stiffness, along with the interlink angle of the chain was applied as input. Thereafter, each mooring chain’s fatigue life was calculated. Finally, the effects of friction-induced bending on chain fatigue were compared and analyzed. On-site environments used for this study were the metocean data collected from the West African Offshore. The Ochi-Hubble spectrum and Kaimal spectrum were utilized for wave and wind realization, respectively.

From these studies, it was possible to conclude that friction-induced OPB/IPB fatigue of mooring chains is significant in three ways. First, in the case of semi-taut or taut mooring configurations normally used for deepwater or ultra-deepwater, the bending phenomenon of mooring chains is especially relevant in terms of fatigue strength. Second, higher pretension decreased the fatigue strength of the chains to a much greater extent than was previously known. Finally, In-plane Bending (IPB) was also found to be an essential factor in chain fatigue.

Lastly, this paper covers results only for the FE-based mechanism between chain links to determine the friction-induced bending effects in which the basis was theoretical and analytical. Therefore, in a future project, to reach more definitive conclusions, it will be necessary to a) look into other effects on the chain’s OPB/IPB fatigue, such as corrosion and marine growth on mooring chains, and b) to collect various experimental data.

Oil 및 Gas 자원과 관련된 해양에너지 개발에서는 지속적으로 새로운 최첨단의 기술과 높은 생산성 등이 요구되고 있다. 특히, 심해 및 초극심해에서 가동되는 부유식 해양설비의 경우 변화무쌍한 해양환경에 대하여 제 위치를 유지(Station-keeping)하는데 있어서 중요한 역할을 하는 계류시스템에 대한 강도 및 피로평가와 관련한 요구조건 역시 점차 강화되고 있다.

본 연구는 계류시스템의 구성요소 중의 하나인 계류삭(Mooring Chain)에 대한 피로평가를 다루고 있다. 일반적인 계류삭의 피로평가는 계류계를 구성하는 계류삭 간의 굽힘강성을 무시하고 단순히 인장변화에 따른 영향만을 고려하고 있다. 하지만, 해양설비의 가동 수심이 깊어짐에 따라 부유체의 수평거동을 최소화하고 경비를 절감하기 위하여 선인장력(Pre-tension)을 최대한 가하여 주는 타우트(Taut) 혹은 세미타우트(Semi-taut)형식의 계류방식이 많이 사용되고 있다. 이러한 방식의 경우 계류삭 상호간의 마찰력 증대로 부유체의 운동에 따른 계류선의 각 변화에 따라 계류삭에 면내외(In-plane or Out-of-plane) 굽힘 응력이 발생하여, 이에 따른 IPB (In-Plane Bending) 및 OPB (Out-of-Plane Bending) 피로손상을 유발시킨다.

본 연구의 목적은 이러한 굽힘 효과가 고려된 계류삭의 피로손상을 평가하는 것으로, 비선형 유한요소해석(Non-linear FE Analysis)을 통한 인장력과 각변화에 따른 계류삭 간의 굽힘강성 및 계류삭 면에서의 응력집중계수 등을 계산하는 방법과 굽힘 효과를 고려한 계류삭의 피로수명 계산 절차를 제안하는 것이다. 그리고 이러한 결과물들을 다점계류 된 심해용 FPSO의 계류계에 적용하여, 인장효과만을 고려한 일반적인 경우와 굽힘 거동을 함께 고려한 경우에 있어서의 피로수명을 계산하고 비교 분석하여, 이를 통하여 심해용 계류시스템 피로설계의 기술적 지식을 정립하는 것이다.

계류삭의 굽힘 하중에 대한 기계적 거동 검토는 비선형유한요소 프로그램인 ABAQUS를 사용하여 선인장력(Pre-tension)과 마찰계수에 따른 계류삭 간의 굽힘강성(Bending Stiffness) 및 응력집중계수(Stress Concentration Factor)를 계산하였다. 해석 결과로부터 선인장력이 클수록 큰 굽힘강성과 응력을 나타내었다. 기본적으로, 계류삭 간의 마찰계수는 OPB JIP (Joint Industry Project)의 제안에 따라 0.7을 사용하였고, 마찰계수에 따른 응력의 변화를 확인하기 위하여 다양한 값을 사용하여 그 결과를 비교 분석하였다. 본 해석에 대한 자세한 사항은 본문의 6장에 기술하였다.

본문의 7장에서는 계류삭의 굽힘 효과를 고려한 계류삭의 피로수명 계산 절차를 제공하고 있으며, 이를 세미타우트(Semi-taut) 형식으로 다점계류된 심해용 FPSO에 적용하여 피로수명을 계산하였다. FPSO의 유체역학적 특성인 진폭응답함수(Response Amplitude Operator) 및 이차전달함수(Quadratic Transfer Function)는 DNV (Det Norske Veritas) 선급의 WADAM을 사용하여 계산되었다. 계류된 FPSO의 거동 계산은 준동적해석(Quasi-dynamic Analysis) 기준의 BV (Bureau Veritas) ARIANE7을 사용하였으며, 이 방법을 사용하면 해양의 수많은 가동조건에 대하여 계류시스템을 고려한 부유체의 거동을 시간이력 대별로 정확하고 빠르게 구할 수 있다. 이렇게 구해진 FPSO의 6자유도 거동은 계류선의 선동적해석(Line Dynamic Analysis)에 사용되었으며, Rainflow Counting 방법으로 계류삭 간의 각 변화폭과 인장력 변화폭을 계산하고 피로수명을 계산하였다. 여기서, 비선형 유한요소해석(Non-linear Finite Element Analysis)을 통해 계산된 굽힘강성 등이 계류선의 동적 거동 계산을 위한 모델링에 사용되었다. 적용된 해양환경은 서부아프리카 해역을 대상으로 하고 있으며, 해당 해역에서의 파랑, 바람 및 조류에 대한 자료가 사용되었다. 특히, 서부아프리카 해역의 파랑 특성인 너울과의 중첩 환경을 고려하여 Ochi-Hubble 스펙트럼을 사용하였고, 풍속은 Kaimal 스펙트럼을 사용하였다.

본 연구의 결과, 계류삭의 피로수명 산정 시 일반적으로 적용되는 인장력 변화에 따른 피로수명에 비하여 굽힘 효과를 함께 고려할 경우의 피로수명이 상당히 낮음이 확인되었다. 이는 계류삭의 피로해석 시 선인장력이 큰 심해역 또는 초극심해용 부유체에 있어서 굽힘 효과가 필수적인 요소라는 것을 의미한다. 더욱이, 계류삭의 굽힘 효과를 고려할 때, 정적 인장력이 큰 계류계에서 더 큰 피로손상이 계산되었으며, 면내굽힘의 영향이 전체 피로수명 계산에 미치는 영향이 작지 않음도 발견할 수 있었다.

끝으로, 본 연구에서는 계류삭 간의 마찰로 유발되는 굽힘 거동에 대한 메커니즘을 이론적, 해석적 바탕에서만 기술하였으나, 향후 추가 연구로써 이에 대한 다양한 실험적 검증과 실제 해상환경에서 계류삭의 피로수명에 영향이 클 것으로 판단되는 부식, 해양생식(Marine Growth) 등이 어떻게 OPB / IPB 피로손상에 영향을 미치는가에 대한 검토 및 분석이 필요할 것이다.