Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

58
1 di 58 USO DELLA SIMULAZIONE NUMERICA NELL’INGEGNERIA OFFSHORE Paolo Monti Responsabile Analisi Avanzate Saipem Energy Services S.p.A. Sealine & Subsea Division

description

xxx

Transcript of Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

Page 1: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

1 di 58

USO DELLA SIMULAZIONE NUMERICA

NELL’INGEGNERIA OFFSHORE

Paolo Monti

Responsabile Analisi AvanzateSaipem Energy Services S.p.A.

Sealine & Subsea Division

Page 2: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

2 di 58

LO SVILUPPO DI GIACIMENTI PETROLIFERI OFFSHORE

Page 3: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

3 di 58

LE PIATTAFORME FISSE

Page 4: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

4 di 58

I SISTEMI DI PRODUZIONE GALLEGGIANTI

Page 5: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

5 di 58

I SISTEMI DI PRODUZIONE SOTTOMARINA

risers

Infield Flowlines between subsea wells and floating production system:

Transportation of (unprocessed) multiphase fluidHigh pressure & TemperatureSmall diameters (max 14”-16”)Short lengths (max 15-20 km)

Intrafield Flowlines or Pipelines to Shore Plants(Processed) Single Phase FluidMedium Diameters (16”-24”)Medium-Long Distances (< 100-200 km)

Page 6: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

6 di 58

I SISTEMI IN ACQUE PROFONDE

Progettazione / Produzione: > 1500 m Pianificazioni: > 2000 mPerforazioni: > 3000 m

Page 7: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

7 di 58

LE CONDOTTE SOTTOMARINE

GALSI

SAPRI-MILAZZO

SHTOKMAN

BLUE STREAM

IRAN-INDIA

SOUTH STREAM

NORD STREAM

Trunklines(Processed) Single Phase FluidLarge diameters (30”-48”)Very Long Distances (hundreds of km)

Page 8: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

8 di 58

IL GRUPPO SAIPEM

Page 9: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

9 di 58

PERFORAZIONEPERFORAZIONE

PRODUZIONE DI GIACIMENTIPRODUZIONE

DI GIACIMENTI

PROGETTAZIONE E INSTALLAZIONEDI PIATTAFORME

PROGETTAZIONE E INSTALLAZIONEDI PIATTAFORME

PROGETTAZIONE E INSTALLAZIONEDI TUBAZIONI

PROGETTAZIONE E INSTALLAZIONEDI TUBAZIONI

PROGETTAZIONE E INSTALLAZIONEDI TUBAZIONI A TERRAPROGETTAZIONE E INSTALLAZIONEDI TUBAZIONI A TERRA

PROGETTAZIONE DI IMPIANTI PETROLCHIMICIPROGETTAZIONE DI IMPIANTI PETROLCHIMICI

PERFORAZIONE ONSHOREPERFORAZIONE ONSHORE

Page 10: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

10 di 58

L’USO DELLA SIMULAZIONE NUMERICA

NELL’INGEGNERIA OFFSHORE

Page 11: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

11 di 58

L’USO DELLA SIMULAZIONE NUMERICA NELLA PROGETTAZIONE DI STRUTTURE OFFSHORE

Simulazione numerica finalizzata alla progettazione strutturale di impianti offshore

Supporto all’installazione di condotte sottomarine, di piattaforme, di impianti sottomarini

Supporto alla perforazione di pozzi sottomarini

Progettazione non convenzionale, analisi avanzate, verifiche di dettaglio

Studio di eventi incidentali

Simulazione del movimento di navi, a seguito dei carichi meteomarini (onda, corrente superficiale, vento)

Page 12: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

12 di 58

TIPOLOGIE DI ANALISI STRUTTURALI PER PROGETTAZIONE

E VERIFICHE DI DETTAGLIO

Analisi staticheAnalisi lineariAnalisi non lineari

o Non linearità del materiale (elasticità non lineare, elasto-plasticità)o Non linearità geometrica (grandi spostamenti e/o grandi deformazioni)

Analisi in campo post-bucklingAnalisi dinamiche

Analisi modale (calcolo delle frequenze proprie)Analisi della risposta a forzanti armonicheAnalisi transitorie (carichi variabili nel tempo con legge assegnata)Analisi sismicheAnalisi di vibrazioniAnalisi lineari e non lineari

Analisi termicheAnalisi stazionarie e transitorieAnalisi lineari e non lineari (proprietà del materiale dipendenti dalla temperatura, trasmissione del calore per radiazione)Analisi di transizione di fase

Altre analisiRisposta ad impatto o a fenomeni esplosiviAnalisi accoppiata termo-strutturaleAnalisi di criticità di difetti di saldature

Page 13: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

13 di 58

PROGETTAZIONE INSTALLAZIONE PERFORAZIONE

Page 14: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

14 di 58

PROGETTAZIONE DI PIATTAFORMEDeck

Jacket

Analisi strutturali per progettazione:In place (statica)FaticaSismaTrasportoInstallazione

Carichi dovuti a:Peso ProprioPeso impiantiVento / Onda / CorrenteSismaTrasporto Installazione

Page 15: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

15 di 58

PROGETTAZIONE E INSTALLAZIONE DICONDOTTE SOTTOMARINE Varo a J

Varo a S

Analisi strutturali per progettazione:Dimensionamento della sezioneInterazione con il fondo marino irregolareCondizioni operative (pressione e temperatura)Installazione

Carichi dovuti a:Peso ProprioOnda / CorrentePressione e temperaturaProfilo del fondo marinoImpatto con attrezzatura da pescaInstallazione

Page 16: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

16 di 58

PROGETTAZIONE DI RISERS DI PRODUZIONE

Analisi strutturali per progettazione:Analisi statica e dimensionamento della sezioneAnalisi dinamica (moto ondoso e movimento nave)Analisi a faticaInterazione tra linee adiacentiInterazione tra risers e linee di ormeggioAnalisi di installazione

Carichi dovuti a:Peso ProprioOnda / CorrentePressione e temperaturaMovimento del sistema di produzione galleggianteInstallazione

Page 17: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

17 di 58

LIFTING ANALYSIS (PLATFORM INSTALLATION)

Heaviest Lift: 12150 ton

Obiettivo: definire stati di mare limite per effettuare l’operazione

Page 18: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

18 di 58

LOWERING ANALYSIS(SUBSEA STRUCTURE INSTALLATION)

Obiettivo: definire stati di mare limite per effettuare l’operazione

Page 19: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

19 di 58

Carichi dovuti a:Peso ProprioOnda / CorrenteMovimento della nave di perforazione

S12000

Analisi strutturali:Dimensionamento del sistema di tensionamento del drilling risers (tensionatore idraulico + elementi galleggianti) Analisi dinamica (moto ondoso e movimento nave)

SUPPORTO ALLE ATTIVITA’DI PERFORAZIONE

Page 20: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

20 di 58

VERIFICHE DI DETTAGLIO

Page 21: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

21 di 58

VERIFICA LOCALE DI UN JACKET DI PIATTAFORMA

Verifica locale della connessione tra struttura e pali di fondazione

Page 22: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

22 di 58

ANALISI DEL GANCIO DI UNA GRU

Verifica di sollevamento al limite della capacità nominale

Page 23: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

23 di 58

Rullo di varo

TubazioneRicoprimento

in gomma

VERIFICA LOCALE DI CONTATTO RULLO DI VARO - TUBAZIONE

Page 24: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

24 di 58

ANALISI TERMICA DI UNA SALDATURA

Torcia di saldatura

Andamento nel tempo della temperatura nell’acciaio

Page 25: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

25 di 58

ANALISI NON CONVENZIONALINELLA PROGETTAZIONE

DI CONDOTTE SOTTOMARINE

Page 26: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

26 di 58

IL FENOMENO DEL LATERAL BUCKLING E DEL PIPEWALKING

Condizioni di carico per le condotte sottomarine sempre più gravose, soprattutto ad alta profondità e quando trasportano idrocarburo non trattato:

Temperatura operativa idrocarburo trasportato: fino a 110 – 130 °CPressione operativo idrocarburo trasportato: fino a 30 – 40 MPa

L’attrito tra tubo e terreno impedisce l’espansione e induce un carico di compressione nella condotta:

Tale carico può superare il Carico Critico Euleriano; la condotta si instabilizza:o Condotta appoggiata sul fondo marino (spostamento laterale libero): instabilità nel

piano orizzontale lateral bucklingo Condotta interrata (spostamento laterale impedito): instabilità nel piano verticale

up-heaval bucklingDurante le fermate ed i successivi ri-avviamenti dell’impianto, per determinate condizioni la condotta è soggetta ad uno spostamento longitudinale complessivo pipewalking

Page 27: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

27 di 58

IL FENOMENO DEL LATERAL / UPHEAVAL BUCKLING

UP-HEAVAL BUCKLINGPost-buckling Configuration

Initial Configuration

Pipeline

Seabottom

LATERAL BUCKLING

Page 28: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

28 di 58

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500

Posizione (m)

Tem

pera

tura

(°C

)

Transient Temperature Profiles

Seabottom Slope

Deepwater flowline

SCR

Floating Production System

Riser Tension

wellhead

Tem

pera

ture

Position

Start-up

(F)PLET

IL FENOMENO DEL PIPEWALKING

Page 29: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

29 di 58

Pipe walking

SCR

Pipeline Global Axial DisplacementInitial position

End of life

Few meters

wellhead (F)PLET

spool

Hot End

Cold End

Pipe walking

IL FENOMENO DEL PIPEWALKING (2)

Page 30: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

30 di 58

IL FENOMENO DEL LATERAL BUCKLING

Approccio nel passato: prevenzione del fenomeno[evitare lo sviluppo di forze di compressione (expansion spools) e/o

lo sviluppo dell’instabilità (interramento della condotta)]⇓

Approccio non praticabile e/o non economico (soprattutto ad elevate profondità)

⇓Approccio attuale: controllo del fenomeno

[permettere e controllare lo sviluppo dell’instabilità]⇓

DISPONIBILITA’ DI METODI DI CALCOLOE PROGETTAZIONE “ROBUSTI”:

Metodologie analiticheMetodologie numeriche

Page 31: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

31 di 58

LA SALDATURA

cianfrino

Page 32: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

32 di 58

VALUTAZIONE DI CRITICITA’DI DIFETTI ALL’INTERNO DI

SALDATURE

Difetti dovuti a:Mancanza di fusioneElevate autotensioniProcesso di solidificazione materiale di apportoFabbricazione della tubazione (difetti nel materiale base)

Rilevati da controlli non distruttiviRadiografiaUltrasuoni

I difetti possono essere già presenti nel materiale base, generarsi durante la saldatura, generarsi a seguito della storia di carico.

Difetti superficiali

Difetti superficiali

Difetti interni

Difetti nel materiale base

Axial Stress

Axial Stress

I difetti crescono durante la vita della condotta, soprattutto per l’azione di carichi ciclici (anche se le sollecitazioni massime sono ben inferiori al limite elastico).

La crescita può diventare instabile, e può portare al collasso del componente strutturale o al collasso dell’intera struttura.

Difficile tecnicamente e/o estremamente costoso riparare il danno in opera (anche in assenza di collasso strutturale), in particolare ad alta profondità.

La progettazione deve garantire l’integrità strutturale, lungo tutte le fasi della vita dell’impianto, attraverso delle analisi che permettono di valutare la criticità di un difetto, in funzione delle sue dimensioni e della storia di carico attesa.

Page 33: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

33 di 58

EVENTI INCIDENTALI

Page 34: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

34 di 58

STRONG VIBRATION ANALYSIS

Verifica delle vibrazione indotte da eventi incidentali, per valutare l’efficacia dei sistemi di sicurezza

Eventi incidentali analizzati:Impatto di una imbarcazione contro il jacketCollisione di elicotteroCaduta di oggetti in piattaformaEsplosione

t [ms]

F [k

N]

FHi

0.5 t i

ti

Storia di carico

Page 35: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

35 di 58

RISPOSTA STRUTTURALE A ESPLOSIONI SOTTOMARINE

R

Charge

Gas bubble

Shock wave front

p

t

Primary pressure peak(shock wave)

Secondary pressure peak(shock wave)

Page 36: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

36 di 58

INTERAZIONE CON UNA CONDOTTA SOTTOMARINA

)cos2(pp incr α−=

CONDOTTA

CARICA ESPLOSIVA

CONDOTTA

CARICA ESPLOSIVA

Page 37: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

37 di 58

CHARGE WEIGHT vs. DISTANCE RELATIONSHIP

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

CHARGE  DIS TANC E  [m]

 TNT CHARGE W

EIG

HT  [Kg]

ULS

E las tic  L imit

S LS

Elastic RegionElasto-plastic Region

Page 38: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

38 di 58

RISPOSTA STRUTTURALE AD ESPLOSIONI

Posizione carica esplosiva

Acqua

Intercapedine d’aria

Page 39: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

39 di 58

COLLASSO PROGRESSIVO DI UN TETTO GALLEGGIANTE DI SERBATOIO

Studio del danneggiamento progressivo di un tetto galleggiante a doppio pontone, a seguito del progressivo allagamento dei cassoni dovuto al malfunzionamento del sistema di drenaggio.

tetto

serbatoio

liquido

Page 40: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

40 di 58

SIMULAZIONE DEL MOVIMENTO DELLE NAVI

Page 41: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

41 di 58

The execution of offshore operations (pipelaying, drilling, platform installation) strictly depends on the ship motion

The prediction of the vessel motion is fundamental to define the limiting environmental conditions for offshore operations

NECESSITY OF ACCURATE AND ROBUST VESSEL

SIMULATION AND ANALYSIS TOOLS, VALIDATED ON MODEL TESTS

Page 42: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

42 di 58

LOADS ACTING ON OFFSHORE VESSELS

Environmental Loads

Wave LoadsFirst Order Loads (periods < 15-20 sec) Barge motion around nominal position

Second Order (Drift) Loads (periods > 20-50 sec) counteracted by DP System / Mooring Lines

Wind LoadsSlow Wind variation counteracted by DP System / Mooring Lines

Wind Gusts

Surface Current LoadsSteady load counteracted by DP System / Mooring Lines

Other Loads

Pipeline Loads

Platform Weight

Drilling Riser Loads

Restoring Loads

Dynamic Positioning Loads

Mooring Loads

Page 43: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

43 di 58

LOADS ACTING ON OFFSHORE VESSELS (2)

Barge Length Draft

Wave LoadWind Load Surface

Current1° Order 2° Order

Mean Max Mean Max Mean Max

Ship 165 m 7.4 m 0 kN 45500 kN 600 kN 8950 kN 900 kN 1600 kN 440 kN

Semi-sub 200 m 27.5 m 0 kN 51300 kN 600 kN 3980 kN 1800 kN 3100 kN 2000 kN

300 m 10.4 m 0 kN 90000 kN 1510 kN 10850 kN 1750 kN 3000 kN 1500 kN

Beaufort Scale #8 (Gale):

Wind velocity = 70 km/h

Max wave height = 7.0 m

Surface current = 1 m/sec

Page 44: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

44 di 58

MOTION OF OFFSHORE VESSELS

Six Degrees of Freedom (rigid body)Three translational (surge, sway, heave)

Three rotational (roll, pitch, yaw)

Roll, Pitch, and Heave are oscillatory around nominal position, and driven by hydrodynamic stiffness

Surge, Sway, Yaw are a combination of oscillatory and drift motion

-5

0

5

10

15

20

25

0 50 100 150 200 250 300

wave frequency motion

slow drift motiontotal motion

)t(F)t(F)t(F)t(F)t(FxKxBx)MM( restoringstructcurrentwindwavehyd

...

add −+++=+++

Page 45: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

45 di 58

MOTION OF OFFSHORE VESSELS (2)

Vessel motion obtained through numerical simulations

Vessel 3D model validated through the comparison between the

numerical motion and model test results

NECESSITY OF INTEGRATION BETWEEN NUMERICAL MODELS AND

MODEL TESTS

A.P. (aft perpendicular)

x

y

z

Base Line

Page 46: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

46 di 58

BASIN TESTS

Model Scale = 1:50/70

Page 47: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

47 di 58

BASIN TESTS (2)

Page 48: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

48 di 58

WIND TUNNEL TESTS

Page 49: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

49 di 58

DYNAMIC POSITIONING SYSTEM

Thruster System

Control System

Position Reference System

Page 50: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

50 di 58

VesselDP

CONTROL SYSTEM

Vessel Position “Measured” Position

ResultantThruster Forces

Wave Forces

Current Forces

Wind Forces

Other Forces

Filtered Wind ForcesWind Velocity & Heading

Pipe & Stinger & Tensioner

Model

Pipe / StingerForces

Vessel HydrodynamicDatabase

Pipe / Stinger Forces

Mooring Forces

FIPLAFully Integrated PipeLaying Analysis tool

Page 51: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

51 di 58

STRUMENTI DI CALCOLO PER LA SIMULAZIONE NUMERICA

E LORO INTEGRAZIONE

Page 52: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

52 di 58

LE METODOLOGIE ANALITICHE

Ipotesi semplificative, che portano ad una soluzione in forma chiusa:

Lateral buckling:o Forma predefinita della configurazione

deformata in campo post-bucklingo condotta perfettamente rettilinea e di

lunghezza infinitao Azione assiale di compressione costante

lungo l’intera condottao Comportamento perfettamente elastico

lineare del materialeo Grandi spostamenti, ma piccole deformazionio Attrito di tipo rigido-Coulombiano

Modo 1 Modo 2

Modo 3 Modo 4

L LL

L L

Configurazione post-buckling

L = lunghezza caratteristica

Pipewalking:o Pressione e temperature constanti lungo la condottao Comportamento perfettamente elastico lineare del materialeo Attrito di tipo rigido-Coulombianoo Pendenza del terreno costanteo Gradiente di temperatura constante

Con facilità forniscono una soluzione preliminare

Page 53: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

53 di 58

LE METODOLOGIE NUMERICHE (FEM)

Risultati FEM ritenuti rappresentativi del reale comportamento della condotta

Necessità di codici di calcolo “robusti”: Ansys / Abaqus

Attenzione all’uso di analisi FEM in presenza di medio-lunghe condotte (> 8-10 km) e/o temperature medio-alte (> 70-90 °C), e/o numero elevato di fermate & riavviamenti: elevate dimensioni del modello e/o elevati tempi di calcolo

Risultati più precisi,con tempi più lunghi

Page 54: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

54 di 58

L’INTEGRAZIONE DELLE DIVERSE METODOLOGIE NELLA PROGETTAZIONE DI

CONDOTTE SOTTOMARINE

Le metodologie analitiche e numeriche hanno caratteristiche complementari, che ne facilitano l’integrazione durante la progettazione

Pro ControMetodologie analitiche

Facilità e velocità d’usoCapacità di descrizione qualitativa del fenomenoPossibilità di sviluppare analisi di sensitività

Minore accuratezza dei risultatiPredizione conservativa dello stato tensionale (lateral buckling)

Metodologie numeriche

Maggiore accuratezza nei risultatiMigliore gestione dell’attrito tubo-terreno

Tempi di calcolo elevati (a volte eccessivi)Difficoltà di sviluppo di analisi di sensitività

Page 55: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

55 di 58

Fase di progetto Requisiti di progetto Metodologie adottate

Fase iniziale / concettuale

Studio e comparazione di diverse alternative, in tempi breviAnalisi di sensitività e valutazione influenza dei diversi parametriAccuratezza non elevata nei risultati

Ampio uso delle metodologie analiticheUso delle metodologie numeriche limitato, e mirato a rimuovere eccessive conservatività

Fase di DettaglioStudio dettagliato di poche alternative, in tempi medio-lunghiElevata accuratezza nei risultati

Uso delle metodologie analitiche come guida alla successiva analisi numericaUso esteso delle metodologie numeriche

L’INTEGRAZIONE DELLE DIVERSE METODOLOGIE NELLA PROGETTAZIONE DI

CONDOTTE SOTTOMARINE (2)

Page 56: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

56 di 58

I RISCHI DELLASIMULAZIONE NUMERICA

Page 57: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

57 di 58

I RISCHI DELLA SIMULAZIONE NUMERICA

La simulazione numerica è sempre più diffusa nell’industria, per progettare o simulare eventi incidentali, favorita dagli attuali codici e strumenti di calcolo. Essa presenta sia dei vantaggi che dei rischi.

Vantaggi:permette di riprodurre fedelmente la realtà, con costi contenuti

Rischi:l’efficacia dello strumento di calcolo viene enfatizzata, a scapito della valutazione ingegneristica del problema che si sta analizzandola simulazione numerica diventa il “fine” della propria attività, e non “mezzo” a supporto dei tempi e degli obiettivi della progettazionesi tende sempre più a “riprodurre” la realtà, piuttosto che “simularla”: le strategie di calcolo non sempre sono ottimizzate, in funzione del risultato atteso

Page 58: Seminario Paolo Monti 13-1-2011.pdf

58 di 58

Mantenere sempre il pieno controllo del problema ingegneristico: non delegare al computer la comprensione del fenomeno oggetto dello studio.

La comprensione del fenomeno fisico deriva dalle equazioni che lo governano.

Fondamentale definire modelli interpretativi semplificati, per:Comprendere il fenomenoCapire l’influenza dei vari parametriAcquisire l’ordine di grandezza del risultato

Il risultato deve essere (qualitativamente) noto a priori.

Ogni risultato è sbagliato, fino a quando non sono convinto della sua correttezza.

I RISCHI DELLA SIMULAZIONE NUMERICA (2)