Excessive dynamic-tension variations on the top-tensioned risers (TTRs) deteriorate the structural integrity and cause potential safety hazards. This phenomenon has become more remarkable in the development of deep-water fields with harsher environmental loads. The conventional prediction method of tension variations in hydro-pneumatic tensioner (HPT) has the disadvantage to underestimate the magnitude of cyclic loads. The actual excessive dynamic tension variations are larger when considering the viscous frictional fluid effects. In this paper, a suppression method of tension variations in HPT is modeled by incorporating the magneto-rheological (MR) damper and linear-force actuator. The mathematical models of the combined HPT and MR damper are developed and a force-control scheme is introduced to compensate the excessive tension variations on the riser tensioner ring. Numerical simulations and analyses are conducted to evaluate the suppression of tension variations in HPT under both regular- and irregular-wave conditions for a drilling riser of a tensioned-leg platform (TLP). The results show that significant reduction of tension variations can be achieved by introducing the proposed system. This research has provided a theoretical foundation for the HPT tension control and related structural protection.
Kim, Do Kyun;Wong, Eileen Wee Chin;Lekkala, Mala Konda Reddy
Structural Monitoring and Maintenance
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v.6
no.4
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pp.365-387
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2019
This study aims to provide useful information on the fatigue assessment of a top-tensioned riser (TTR) subjected to vortex-induced vibration (VIV) by performing parametric study. The effects of principal design parameters, i.e., riser diameter, wall thickness, water depth (related to riser length), top tension, current velocity, and shear rate (or shear profile of current) are investigated. To prepare the base model of TTR for parametric studies, three (3) riser modelling techniques in the OrcaFlex were investigated and validated against a reference model by Knardahl (2012). The selected riser model was used to perform parametric studies to investigate the effects of design parameters on the VIV fatigue damage of TTR. From the obtained comparison results of VIV analysis, it was demonstrated that a model with a single line model ending at the lower flex joint (LFJ) and pinned connection with finite rotation stiffness to simulate the LFJ properties at the bottom end of the line model produced acceptable prediction. Moreover, it was suitable for VIV analysis purposes. Findings from parametric studies showed that VIV fatigue damage increased with increasing current velocity, riser outer diameter and water depth, and decreased with increasing shear rate and top tension of riser. With regard to the effects of wall thickness, it was not significant to VIV fatigue damage of TTR. The detailed outcomes were documented with parametric study results.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.8
no.4
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pp.287-296
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1996
A mathematical model for the dynamic analysis of the riser system is developed to investigate the effect of internal flow on the free vibration of marine riser system which includes a steady flow inside the pipe. A semi-analytical method using series expansion is employed to derive Eigenvalue problem to facilitate the evaluation of the system frequencies, and its validity is given through the comparison of the solutions with the conventional method using system matrices. The algorithm is implemented to develop computer programs for the estimation of the system frequency. The investigations of the effect of internal flow on system frequency are performed according to the change of parameters such as top tension, internal flow velocity, and so on. It is found that the effect of internal flow can be controlled by the increase of top tension. However, careful consideration has to be given in the design point, particularly for the long riser.
Kang, Hooi-Siang;Kim, Moo-Hyun;Aramanadka, Shankar S. Bhat
Ocean Systems Engineering
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v.7
no.1
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pp.21-38
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2017
In real sea environments, excessive dynamic axial tension variations can be exerted on the top-tensioned risers (TTRs) and lead to structural integrity issues. The traditional riser-tension-variation analysis, however, by using parametric formulation is only conditionally valid under certain strict limits and potentially underestimates the total magnitudes of tension variations. This phenomenon is especially important for the long stroke tensioner in dry-tree semisubmersible with larger global heave motion and longer stroke. In this paper, the hydro-pneumatic tensioner (HPT) is modeled in detailed component-level which includes a set of hydraulic and pneumatic components. The viscous fluid frictional effect in the HPT is considered. The main objectives are (i) to develop a detailed tension variation model of the HPT; (ii) to identify the deviations between the conventional parametric formulation and component-level formulation; (iii) to numerically analyze the tension variation of long stroke tensioner in a dry-tree semisubmersible (DTS). The results demonstrate the necessity of component-level formulation for long stroke tensioner in the development of DTS.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.7
no.2
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pp.198-208
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1995
Combining Iwan-Blevin's model into the approximated form of the nonlinear model derived for the dynamic analysis of the riser system with the inclusion of internal flow, current-vortex model is developed to investigate the effect of internal flow on vortex-induced vibration due to inline current The riser system includes a steadly flow inside the pipe which is modeled as an extensible or inextensible tubular beam. Galerkin's finite element approximation are implemented to derive the matrix equation of equilibrium for the finite element system. The investigations of the effect of internal flow on vibration due to inline current are performed according to the change of various parameters such as top tension, infernal flow velocity. current velocity, and so on. It is found that the effect of internal flow on vibration due to vortex shedding can be controlled by the increase of top tension. However, careful consideration has to be given, in design point in order to avoid the resonance band occurding near vortex shedding frequency, particularly for the long riser.
The effect of vertical riser support system on the dynamic behaviour of a classical spar platform is investigated. Spar platform generally uses buoyancy-can riser support system, but as water depth gets deeper the alternative riser support system is required due to safety and cost issues. The alternative riser support system is to hang risers off the spar platform using pneumatic cylinders rather than the buoyancy-can. The existing numerical model for hull/mooring/riser coupled dynamics analysis treats riser as an elastic rod truncated at the keel (truncated riser model), thus, in this model, the effect of riser support system can not be modeled correctly. Due to this reason, the truncated riser model tends to overestimate the spar pitch and heave motion. To evaluate more realistic global spar motion, mechanical coupling among risers, guide frames and support cylinders inside of spar moon-pool should be modeled. In the newly developed model, the risers are extended through the moon-pool by using nonlinear finite element methods with realistic boundary condition at multiple guide frames. In the simulation, the vertical tension from pneumatic cylinders is modeled by using ideal-gas equation and the vertical tension from buoyancy-cans is modeled as constant top tension. The different dynamic characteristics between buoyancy-can riser support system and pneumatic riser support system are extensively studied. The alternative riser support system tends to increase spar heave motion and needs damper system to reduce the spar heave motion.
A numerical scheme based on a mode superposition method is presented for the dynamic response analysis of a top-tensioned riser (TTR) under sheared current loads. The natural frequencies and mode shapes of the TTR have been calculated analytically for a beam with a slowly varying tension and pinned-pinned boundary conditions at the top and bottom ends. The lift coefficients and corresponding amplitudes used to estimate the vortex-induced modal force and damping for each mode were predicted via iterative calculations based on the input and output power balancing concept. Here, the power-in regions were controlled by the normal distribution function, for which the center was coincident with the lock -in location by local vortex-shedding, and the range was defined by the constant standard deviation for the reduced velocity by the local current speed. Finally, dynamic responses such as root-mean-squared displacement and stress were calculated using the mode superposition technique. In order to verify the presented scheme, a numerical calculation was performed for a TTR under an arbitrary linearly sheared current and linearly varying tension. A comparison with the results of the existing software showed that the presented scheme could give reliable and feasible solutions. Case studies were performed to investigate the effects of various current loads and tensions.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.13
no.1
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pp.223-235
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2021
The Vortex-Induced Vibration (VIV) test system on deepwater riser based on Bare Fiber Bragg Grating (BFBG) sensor technology was designed. Meanwhile, a riser VIV response numerical model was established based on the work-energy principle. The results show that the first-order vibration frequency dominates the vibration of the riser, and as the velocity increases, the dominant frequency of the riser gradually increases under the effect of different top tensions. At the same velocity, as the top tension increases step by step, the dominant frequency and fatigue damage at the same position along the axial length of the riser both gradually decreases. The model test and numerical simulation show a relatively consistent change, maintaining a high degree of agreement. The process control system based on BFBG of model test has excellent performance, and FBG sensors have great advantages in VIV test of a vertical riser in water.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.7
no.1
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pp.75-90
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1995
A mathematical model for the dynamic analysis of a riser system with the inclusion of internal flow and nonlinear effects due to large structural displacements is developed to investigate the effect of internal flow on marine riser dynamics. The riser system accounts fir the nonlinear boundary conditions and includes a steady flow inside the pipe which is modeled as an extensible or inextensible. tubular beam subject to nonlinear three dimensional hydrodynamic loads such as current or wave excitation. Galerkin's finite element approximation and time incremental operator are implemented to derive the matrix equation of equilibrium for the finite element system and the extensibility or inextensibility condition is used to reduce degree of freedom of the system and the required computational time in the case of a nonlinear model. The algorithm is implemented to develop computer programs used in several numerical applications. The investigations of the effect of infernal flow on riser vibration due to current or wave loading are performed according to the change of various parameters such as top tension, internal flow velocity, current velocity, wave period, and so on. It is found that the effect of internal flow can be controlled by the increase of top tension. However, careful consideration has to be given in the design point particularly for the long riser under the harmonic loading such as waves. And it is also found that the consideration of nonlinear effects due to large structural displacements increases the effect of internal flow on riser dynamics.
Static and dynamic analyses of a very flexible and light riser, for upwelling the deep ocean water, is performed. In this numerical study, an implicit finite difference algorithm is employed for three-dimensional riser equations. Fluid non-linearity and bending stiffness are considered and solved, using the Newton-Raphson iteration. Maintaining the depth of end point of a flexible and light riser is very important for upwelling deep ocean water in a floating type development system. Weight is attached at the end point of the riser in order to maintain its intake depth. It is designed under the strong surface current and the configuration of the rise is predicted. In the dynamic analysis, the tension variation at the top point of the riser is presented. T e results of this study can contribute to the design of the development system in floating type for upwelling deep ocean water.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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