Norsk Offshore Dag 2005 Alvheim FPSO - Integrerte analyser av skrog og topside

1. Norsk Offshore Dag 2005 • Alvheim FPSO • - Integrerte analyser av skrog og topside • Maskin induserte vibrasjoner i topside, maskindrift, støy, arbeidsmiljø, utmatting

2. Hvorfor integrerte analyser Som bakgrunn litt om pålitelighet og karakteristiske laster Prinsipielle forskjeller på langtids fordeling for faste/fast-forankrede inretninger, og værhane innretninger. Kort og langstids statistikk Skipstøyninger og interaksjoner, fabrikasjons og installasjonstoleranser Usikkerheter ved manuelle kombinasjoner av enkelt effekter Integrerte analyser helt enkelt det mest korrekte, OG !!! Det minst arbeidskrevende Integrerte analyser av skrog og topside

3. Pålitelighet og karakteristiske laster Sannsynlighets tetthett Konstruksjonsmotstand (material styrke fordeling) Lastvirking (lastfordeling) • Myndighetskravet sier at • Bruk kar. Lastvirkning som det nivået som har 10-2 årlig sannsyn. For overskridelse, F100 • Bruk kar. Styrke som middel-2std.av. • Med de gitte last og material faktorer har du da tilfredstillende pålitelighet. • Sier IKKE at du må finne Største sannsynlig maks, evt 90% kvantil, i en 100 års tilstand, eller responsen til “100 årsbølgen”, det er bare historisk sett “forenklede” veier til målet. Karakteristisk lastvirking fm Karakteristisk styrke Brudd når Last > styrke Respons (spenning, kraft etc) Du skal bare finne den langtidsfordelte F100 på en eller annen troverdig måte.

4. 5% 15° 15% 15° 60% 15% 5% Langtidsfordeling, retningsfordeling Ulike sett for FLS og ULS 100 års y-aksl: Langtidsfordelt: 2.86 m/s2 (7.5 grad offset, sett med mest vid retn. fordeling, og cos2 spredning) 100 års Hs-Tp, 3 timer, 45 grader konstant, cos2. Mest sannsynlige maks: 4.2 m/s2 ( 46% høyere ) Weibull fordeling for FPSO ??? Ax -> h=1.0 Ay -> h=0.65 Hvordan kombinere ?

5. Topside modellering

6. Stool modellering global modell Elastomer lager, vertikalt mykt

7. Skip med stooler Klargjort for å erstatte superelement med fin stool modell for stokastisk utmatting

8. Sammenstillt modell

9. Global resultater, samvirke • Horisonal tvang, MÅ!! Dekobles • Statisk friksjon stor for stål mot stål, meste parten av utmattingen vil skje uten glidning. En eller anne form for lager nødvendig • Vertikal ut av planet deformasjoner, variende fra 1.4 til 8 mm (innenfor hver modul) • Virkningen av 10 mm ut av planet fra lite til betydelig • Mye analyse arbeid vil være nødvendig for å vise at man ikke behøver koblede analyser • Fab toleranser både på planet og rotasjon av fundament • Elastomer lager, god design. Koblede analyser det enkleste Spenninger pga 10 mm ut av planet, nominelle uten SCF Tvangs spenninger i piperack fundament Hvordan regne på alt dette, og hvis f.eks gitt Ax of Ay uavhengig max med manuelle kombinasjoner ??

10. PAU design, Stool med påvirket del av skrog ULS: 100 års krefter FLS: 20 års krefter med tilhørende weibullfaktor Langskips Spenninger fra Global model • Topside Moduler: • Stokastisk utmatting • ULS, stokastiske verdier for reaksjonskrefter, akslerasjoner, stavkrefter  Design Bølger

11. Super element med fint mesh inn i global model for stokastisk utmatting av stool Hvorfor ikke Sub-modell ??

12. Vibrasjoner

13. Vibrasjonsmodell Rør til og fra kompressor skal med i modellen

14. Vibrasjons moder 28.029 28.116 28.162 28.289 28.289 28.290 28.290 28.495 28.706 28.971 28.971 29.038 29.227 29.294 29.369 29.515 Ca 600 ! Moder opp til 60 Hz 7 Hz 24 Hz

15. Moder forts. 29 Hz 56 Hz

16. Vibration modes on a gas-export header with nozzles

17. Contact Jan Wigaard Vetco Aibel +47 668 43445 jan.wigaard@no.abb.com, or Andreas Fredborg Vetco Aibel +47 668 43647 andreas.fredborg@no.abb.com for further information

18. Principle of Kvitebjørn two step vibration isolation solution

19. Insights and Philosophy Vetco Aibel and Ingemansson consider dynamic process loadings to pose a serious safety challenge. • Dynamic loads are difficult to foresee, peak response is controlled by damping - a factor that oftenly has to be guessed. • Damping is provided more or less by chance in conventional pipe design. • Simulation can therefore easily by off by orders of magnitude. • Our approach to remedy this situation is therefore to actively design a high- and documented- amount damping into a system to make it robust • Dynamic stress levels can thereby be cut to a fraction of the conventional undamped situation.

20. Example: Dynamic stiffness of multidegree of freedom system F(t) The dynamic stiffness varies by several orders of magnitude as frequency changes and drop to valuessignificantly smaller than thestatic stiffness.

21. Why Damping? A typical high frequency vibration problem: • Broad frequency excitation does not allow stiffening or mass loading to shift resonance out of the excited frequency range. Adding steel truly is of little use as resonance is shifted in frequency but vibration magnitude is not effected. • The response is resonant and consequently, peak amplitudes are controlled by the structure’s damping. • The problem is complex with almost infinitely many possibilities of resonance in local modes, global modes, local pipe-wall modes and interaction modes. • Important resonances are likely to shift in frequency and magnitude with environmental conditions. • Therefore, it can be cumbersome to avoid excitation frequencies by tuning resonance frequencies. • Conclusion – design a damping solution to cut vibration/fatigue, as damping is the governing property and as damping countermeasures lead to robust designs.

22. Dynamic response before and after damping y-direction 3 mm/s , frequency = 89 Hz With original measured modal damping ratios, P1 = 319 MPa With measured modal damping ratios on the damped system, P1 = 7.7 MPa Stress reduced by a factor of 41.5 on the full scale mockup . Stress reduction proportional to increase in damping. Lab tests show a modal damping increase of 10 to 40 times that of conventional piping, with a potential for further improvement

23. Vetco Aibel/Ingemansson damping solutions Example of Vetco Aibel and Ingemansson damping solutions (patent pending).The solution shown below counters vibration of a branch with a valve. The solutions can be mounted with cold work solely. The solution can be applied subsea.

24. Mockup: with and without damper solution(patent pending) Conventional pipe on steel beam supports Same pipe fittedwith damping solution Click on a picture to animate and listen to the differencebetween the conventional pipe and the damped pipe NOTE - MPEG files must be located in the directoryof this presentation foranimation to function Damping from shear deformation in layers of visco elastic material You listen to sound from a 3-axial acceleration signal amplified though a loadspeaker the accelerometer is the tiny metal cube near the hammer Measured resultsSolid curves = conventional pipe Dashed curves = with damping solution Strain/Force Acceleration/Force Conventional Damped

25. Watergas Compressor fatigue failure Skid eigenmodes at driving frequencies Resonance with skid modes results in faituge failure and Gas Leak Design solution: add structural damping, FE model with dampers included Frequency response function with and without damping Visco dampers from Gerb used

26. Damped Skid