FSHR 기본 최적 형상 설계 연구

Abstract

최근 Offshore Oil & Gas 산업에서는 점차 깊은 수심에서의 자원개발이 발전되고있으며, 특히 지난 14 년동안 심해저 생산시설 수심이 2~3 배 가량 증가하였다. 심해저 자원개발에서 중요한 키 포인트 중 하나는 어떤 라이저 종류를 채택하느냐 이다. 이미 필드에서 증명된 라이저 종류로는 Steel catenary riser (SCR), top-tension riser (TTR),flexible riser (FR) 그리고 hybrid riser (HR)이 있다. Hybrid riser 컨셉의 주요 이점은 플렉시블 점퍼로 이어진 FPU 와 수직 라이저간의 오프셋에서 기인한다. 이 오프셋에서의 분리 효과로 인해 피로문제에 대해 하이브리드 라이저가 좋은 구조적인 응답을 나타낼 수 있다. 본 논문에서는 하이브리드 라이저의 종류 중 하나인 freestanding hybrid riser (FSHR)에 초점을 두고 FSHR 최적 형상을 결정하는 절차에 대해 연구하였다. FSHR은 수직 라이저가 해저면에서 지지대 (foundation)에 연결되어 상단부의 부력체 (buoyancy can)에 의해 지탱되어 있다. 또한 플렉시블 점퍼가 Gooseneck 을 통해 수직 라이저와 연결되어 최종적으로 플랫폼 (FPU)에 도달하게 되는 형태로 구성되어있다. 이러한 FSHR 시스템의 전체적인 형상을 결정하는 인자는 크게 4 가지로,플랫폼과 수직 라이저 사이의 경간 거리, 부력체의 크기, 수면하 부력체의 위치 그리고 플렉시블 점퍼의 총 길이로 고려된다. 이 형상인자들은 서로 종속되어 있으며, 이를 고려한 파라메트릭 분석을 통해 FSHR 의 최적 형상 후보군들을 도출하였다. 또한 도출된 후보군들의 각 형상인자들의 수치들을 조합하여 FSHR 초기 설계에 유용한 기준으로 사용할 수 있는 무차원 파라메타 범위를 제시하였다. 도출된 형상 후보군들 중 구조적으로 안전한 설계 범위 안에 들어오는지 확인하기위해 상용 프로그램 Orcaflex 를 사용하여 각 하중케이스 하에서 강도분석 및 피로해석을 수행하였다. 강도해석에 있어서 수직라이저의 상단과 하단부 연결점에서 높은 응력이 작용한다. 따라서 이 부분은 Tapered-Stress 조인트(TSJ)와 플렉시블 조인트와 같은 장치를 부착하여 보완하게 된다. 한편, 플렉시블 점퍼는 각각의 특성을가지는 여러가지 층으로 구성되어 있으며 이러한 기하학적 특성은 굽힘 거동에 있어서 이력 굽힘 모멘트 커브 특성으로 나타난다. 따라서 Orcaflex 프로그램에서 이러한 특성을 반영하여 설계 코드에 따라 플렉시블 점퍼의 허용 가능한 곡률반경 (Minimum Bend Radius)에 대해서도 분석하였다. 피로해석에 있어서 수직라이저에 피로 데미지를 주는 주요 인자는 크게 wave-induced motion (WIM), vortex-induced vibration (VIV), BC vortex-induced motion (BC VIM) 가 있다. FSHR 시스템은 다른 타입의 라이저 시스템과는 달리 부력체 주변에 발생하는 와류에 의한 응답에 기인한 피로문제가 발생하게 된다. 이러한 분석의 결과를 바탕으로 형상인자들에 따른 응력, 곡률 반경, 피로데미지의 변화양상에 대해 살펴보았다. 마지막으로, FSHR 의 주요 구성요소에 대한 간략화 된 비용 평가를 통해 구조적으로 안전한 설계 범위 안의 형상 후보 군들 중 가장 경제적인 형상후보군을 도출하였다.

In recent years, oil & gas field developments have increased dramatically in deep and ultra-deep water, almost 2~3 times of water depth of production facilities in the 14yr. The measured water depth for developments in major fields such as the West of Africa (WoA), Brazil and Gulf of Mexico (GOM) are getting higher every year. One of the key points in deepwater developments is selecting a type of riser technology. There are several flied-proven riser concepts such as steel catenary riser (SCR), top tension riser (TTR), flexible riser (FR) and hybrid riser (HR). Even though there are different versions of the hybrid riser depending on configuration itself, the evident technical benefit of this concept is derived from an offset where the floating production unit (FPU) is connected with the vertical riser by flexible jumper (FJ). The vertical riser is decoupled from FPU motion so that fatigue on the vertical riser is insignificant. This decoupling effect can improve FSHR performance. In this paper, freestanding hybrid riser (FSHR) as one of versions in hybrid risers was focused on, and procedure on optimization of FSHR configuration was suggested. The FSHR is comprised of a vertical steel riser connected to the seabed via a foundation and tensioned by buoyancy can (BC) giving the uplift force. The flexible jumper connects the vertical riser to the FPU through a gooseneck. There are four main parameters that have an influence on FSHR behavior such as span distance between the platform and the vertical riser, BC buoyancy, BC water depth and FJ length. These parameters are coupled with each other. Considering this point, this paper introduces the method to extract geometrically optimal configuration of FSHR through parametric study. And then, non-dimensional parameters are suggested as a useful configurational standard in a preliminary design of FSHR. To extract optimal configuration in the aspect of structural integrity, strength and fatigue analysis are performed on the vertical steel riser using commercial program called Orcaflex. In strength analysis, critical parts on the vertical riser are typically at the ends of connection of vertical riser. This can be accommodated using tapered-stress joint (TSJ) or flex-joint. When it comes to the flexible jumper, it consists of multiple layers having different properties and roles itself. This composition leads to hysteresis features in bending behavior. Therefore, flexible jumper need to be modeled reflecting this characteristic in Orcaflex, and then bend radius of the flexible jumper is analyzed based on the industrial design code. In fatigue analysis, vertical riser normally takes fatigue damage from each contributing mechanism categorized: wave-induced motion (WIM), vortex-induced vibration (VIV), BC’s vortex-induced motion (BC VIM) which FSHR only has unlike other riser types and are actively studied by many researchers. So, this fatigue mechanism and the results from each configuration case are discussed Finally, simplified cost-estimate method considering cost-estimate factors to the main components of FSHR is established. By applying to optimal configuration candidates which are satisfied with structural design criteria, the optimal configuration in the cost was selected.