Dynamic Compression of Rigid and Flexible Risers: Experimental and Numerical Results

Abstract

Dynamic compression and buckling are critical issues in the viability analysis of rigid and flexible risers developed for offshore applications, especially concerning deep-water operations. Those subjects have been addressed both numerically and analytically. However, few experimental data for validation purposes is found in literature. This paper presents a set of experimental results on the dynamic compression of rigid and flexible risers in catenary configurations, obtained by means of towing-tank tests. Two small-scale models have been built, the first one emulating the dynamic behavior of a steel catenary riser (SCR) and the other representing a much more flexible line. Uniform circular motion has been applied to the top of the models, emulating the floating system first-order oscillations. Different amplitudes of top motion have been considered, each one of them imposed with different frequencies of oscillation. Tension has been measured at the top of the models. The influence of current velocity has also been evaluated. Dynamic tension estimations obtained through finite element analysis are compared to the experimental results. Tension amplitude and critical compression load values are evaluated and compared for both, the steel catenary (SCR) and the flexible models. Comparisons show, in general, a fair agreement between simulations and experiments, reassuring the reliability of numerical models. Results also demonstrate that finite element code provides good predictions of maximum tension loads even when the risers are subjected to high levels of dynamic compression and buckle. Nevertheless, it is clearly noted that difficulties arise in the treatment of flexible structures under severe buckling and torsion. The accuracy of analytical methods proposed for the estimation of critical compression loads is also discussed, based on the experimental results.

Compressão dinâmica em risers

“…Em (Simos & Fujarra, 2006) 12 , os resultados analíticos decorrentes de ) e de (Ramos Jr & Pesce, 2003) Dada a natureza não-linear do fenômeno de compressão dinâmica, é importante a citação de mais alguns trabalhos, não relacionados a risers, tais como: (Nayfeh & Mook, 2008); Lestari & Hanagud (2001), que apresentam o problema de vibração não-linear em vigas flambadas com algumas soluções analíticas exatas e avaliam o comportamento pós-flambagem; e (Emam & Nayfeh, 2004), onde é discutido o problema da dinâmica de vigas flambadas sujeitas a excitação ressonante, com resolução do problema linear discretizado e comparação entre resultados numéricos e experimentais.…”

“…As Figuras 3.3 e 3.4 corroboram e ilustram os resultados das formulações realizadas na presente seção, mostrando, para dois casos distintos (provenientes, respectivamente, dos trabalhos de Ribeiro et al (1998) -SCR e de Simos & Fujarra (2006) -riser flexível), as trações efetivas ao longo da linha estática. Em ambos os casos, foram confeccionados e ilustrados dois gráficos distintos:…”

“…Economicamente, esse caso é pouco provável, embora facilmente verificável em experimentos. Nesse sentido, recomenda-se uma investigação pormenorizada dos resultados de (Simos & Fujarra, 2006). No limite, um cabo horizontal retesado é capaz de reproduzir esse resultado com bastante fidelidade.…”

“…A Figura 4.1 ilustra e organiza o procedimento descrito para determinação da matriz de ensaios. A fim de dar sustentação ao procedimento apresentado, o mesmo foi utilizado para avaliar os resultados decorrentes de Ribeiro et al (1998), de (Simos & Fujarra, 2006), de Aranha & Pinto (2001) , onde ω é a maior frequência de vibração lateral, a ser incluída na análise;…”

“…De acordo com Leira (2010), "a experiência indica que o incremento de tempo utilizado nas simulações não deve ultrapassar um vigésimo a um décimo do menor período natural do movimento, para qualquer grau de liberdade do modelo" (em casos em que haja risco de instabilidades), prática que também foi utilizada e explicitamente citada por Simos & Fujarra (2006). Em todos os casos, foram utilizados incrementos temparais que garantissem um mínimo de 20 pontos por período simulado.…”