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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.6 No.1 pp.51-58
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2015.6.1.051

A Comparative Study of Subsea Pipeline Global Buckling Control Method

Koo Kim1, Do-Kyun Kim2, Han-Suk Choi3, Kyu-Sik Park4
1Junior Employee, Product Development Team, HHIC TMS, Busan, Korea
2Senior Lecturer (=Assistant Professor), Department of Civil and Environmental Engineering, Universiti Teknologi PETRONAS, Bandar Seri Iskandar, Perak, Malaysia
3Professor, Graduate School of Engineering Mastership, POSTECH, Pohang, Korea
4Principal Researcher, Steel Business Division, POSCO, Seoul, Korea
Corresponding Author : Park, Kyu-Sik Steel Business Division, POSCO, Teheran-ro 440, Gangnam-gu, Seoul 135-777, Korea. Tel: +82-2-3457-1679, Fax: +82-2-3457-6000, kyusik.park@posco.com
March 6, 2015 March 15, 2015 March 17, 2015

Abstract

Global buckling is a bending of pipeline and it occurs when the stability of pipeline is distributed by excessive axial force. Subesea pipeline is subjected to axial force induced by temperature and pressure from well and resulting phenomena should be controlled in appropriate manner. Global buckling of subsea pipeline is still ongoing research subject and is studied various organization. In this study, various control methods such as buoyancy module, sleeper, and snake lay for global buckling of subsea pipeline were numerically investigated with various design parameters. From the numerical simulation results, the global buckling control method using sleepers shows better results than buoyancy module and snake lay control methods in the sense of combined stress after buckling. Furthermore, the global buckling of full scale pipeline of 80km with uneven seabed profile were successfully managed when the sleeper was installed.


해저 파이프라인의 전체 좌굴 제어 방법 비교

김 구1, 김 도균2, 최 한석3, 박 규식4
1한진중티엠에스 사원
2PETRONAS 공과대학교 교수
3포항공과대학교 교수
4포스코 전문연구원

초록


    Ministry of Trade, Industry and Energy
    H2001-13-1001

    1.서론

    일반적으로 해양에서 자원(Oil and Gas)을 개발하기 위해서는 해저생산시스템(Subsea Production System), 생산 및 수송 파이프라인(Flowline, Pipeline, Riser), 처리시설(Topside Processing System) 등이 필요하다.

    파이프라인은 생산된 오일과 가스를 안전하고 효율 적으로 수송할 수 있도록 설계되어야 한다. 또한, 파 이프라인은 사용연한 동안 구조적 안정성을 확보해야 하며, 비용, 일정, 확장성, 신뢰성, 시공성, 유연성 등 의 다양한 변수고려가 요구된다. 해양구조물 설계를 위해서는 직경, 설계압력, 설계온도, 압력 및 온도 형 상, 환경하중, 지반 물성치, 유체특성성 등이 필요하 다. 또한, 파이프라인과 관계된 설계기준에서는 파이 프의 설치경로, 부식, 직경, 파열, 붕괴, 국부좌굴, 안 정성, 자유경간, 변형, 전체좌굴, 축방향 워킹 (Walking), 피로 등을 검토하는 것을 제시하고 있다 (API 2009, DNV 2007).

    전체좌굴은 파이프라인의 온도, 압력, 설치시 잔류 인장력 등에 의한 압축력 때문에 발생하며, 심해 개발 로 인해 Fig. 1과 같이 고온고압의 유정의 개발이 늘 어나면서, 이러한 전체좌굴에 의한 파이프라인의 파괴 가능성은 점차 증가하고 있다.

    20세기 후반이후 해저 파이프라인의 좌굴에 대한 연구가 진행되었으며, Palmer(1974)는 전체좌굴에 의 한 파이프라인의 파괴 가능성을 최초로 제시하였다. Hobb(1984)은 철도 레일의 좌굴에 관한 연구를 파이 프라인에 확장해 전체좌굴에 대한 파이프라인의 파괴 가 발생하지 않는 용량을 계산하기 위해 서로 다른 파괴모드를 고려하였다.

    파이프라인 전체좌굴에 대한 설계 가이드라인 제시 를 위해, Hotpipe 프로젝트와 Safebuck JIP (Joint Industry Project)가 시작되었다. Hotpipe 프로젝트의 결과는 2001년 처음으로 출판되었으며, 그 이후 DNV-RP-F110(DNV, 2007)으로 개정되었다. 또한, 2002년 시작된 Safebuck JIP에는 파이프라인의 설치, 제작, 운영, 설계 등을 담당하는 많은 관련업계가 참 여하여, 2008년 연구결과를 출판하였다 (Safebuck, 2015).

    파이프라인과 지반의 상호작용은 전체좌굴의 해석 에 매우 중요한 요소이며, 파이프라인의 매립여부와 관계된다. Muff 등(1989), Aubeny 등(2005), Randolph 와 White(2008)는 이러한 파이프라인의 매립을 이론 적으로 접근했으며, Safebuck JIP와 DNV는 경험식을 고려하였다.

    Matheson 등(2004)은 스네이크 레이(Snake Lay) 방 법을 이용해 초기좌굴 위치를 계산하기 위한 이론식 을 제안했으며, Guan 등(2007), Rundsag(2008), Liu 등(2012)은 스네이크 레이 방법을 최적화하기 위한 방법을 제안하였다. Bai와 Brunner(2009)는 이중 슬리 퍼(Dual Sleeper) 방법의 성능을 검증하였으며, Anunes등(2010)은 부유체의 의한 파이프라인의 좌굴 영향도를 살펴보았다.

    또한, 최근에는 복합재료를 이용한 라이저(Riser) (Yoo 등, 2014)의 개발 및 적용이 활발히 되고 있으 며, 향후에는 강재 파이프라인의 좌굴 방지를 위해 복 합재료의 활용도가 증가될 전망이다.

    본 논문에서는 파이프라인의 전체좌굴을 방지하기 위해 기존에 제시된 스네이크 레이, 슬리퍼, 부유모듈 방법을 수치해석 기법을 통해 각 방법의 상호 장단점 을 비교하고자 한다.

    2.파이프라인 전체좌굴

    2.1.파이프라인 변형 및 유효축력

    파이프라인 설계 초기단계에서 유효축력 및 임계좌 굴력을 계산함으로서 좌굴에 민감한 파이프라인의 위 치를 예측할 수 있다. 파이프라인의 축력은 식 (1)과 같은 파이프라인의 변형이 해저면과의 마찰에 의해 구속될 때 발생하게 된다.

    ϵ total = ϵ E + ϵ υ + ϵ T ϵ f ϵ r
    (1)

    여기서, εtotal : 전체변형률

    εE : 캡 효과에 의한 변형률

    εv : 포아송 효과에 의한 변형률

    εT : 온도에 의한 변형률

    εf : 지반 이동에 의한 변형률

    εr : 설치 이후 잔류인장력에 의한 변형률

    파이프라인이 해저면의 마찰력에 의해 구속되는 길 이를 가상앵커길이라고 한다. 파이프라인의 축력과 가 상앵커길이외의 관계는 Fig. 2와 같으며, 파이프라인 의 변형과 지반의 구속력에 따라 식 (2) 및 (3)과 같 이 가상앵커길이를 계산 할 수 있다.

    여기서, La - long : 긴 파이프라인 가상앵커길이

    La - short : 짧은 파이프라인 가상앵커길이

    Ltotal : 파이프라인 길이

    A : 파이프라인 단면적

    E : 탄성계수

    μ : 지반 마찰계수

    Ws : 단위길이당 파이프라인 수중질량

    L α long = ϵ E + ϵ υ ϵ T ϵ r AE μ w s
    (2)
    L α short = L total 2
    (3)

    파이프라인의 변형이 지반의 마찰력에 의해 구속된 영역에서의 유효축력은 식 (4)와 같이 계산할 수 있 다.

    S = H Δ pi A i 1 2 υ A s α Δ TE
    (4)

    여기서, H : 잔류 설치 인장력

    Δpi : 운영 전후 압력차

    Ai : 내부 단면적

    v : 포아송비

    α : 온도팽창계수

    ΔT : 운영 전후 온도차

    2.2임계좌굴력

    임계좌굴력은 Hobb(1984)에 의해 제안된 수정 오일 러 좌굴식을 이용해 식 (5)와 같이 계산할 수 있다.

    p o = p + k 3 μ w S L 1 + k 2 AE μ w s L 5 EI 2 1 / 2 1
    (5)

    여기서, p0 : 좌굴이전 축력

    p : 좌굴이후 축력

    L : 좌굴길이

    k : 좌굴과 관계된 상수

    I : 관성모멘트

    식 (5)에서 최소 좌굴이전 축력을 계산함으로서 임 계 좌굴력을 구할 수 있다. 또한, 각 모드별 좌굴길이 는 Fig. 3과 같다.

    3.전체좌굴 제어 수치예제

    3.1.전체좌굴 제어방법

    본 논문에서는 Fig. 4와 같이 전체좌굴을 제어하는 방법으로 부유모듈, 슬리퍼, 스네이크 레이 3가지를 고려하였다.

    부유모듈은 가장 최근에 사용되는 방법으로서 2011 년에 실제 적용되었다. 부유모델의 개념은 필요한 부 분에 파이프라인 무게를 감소시킴으로서 횡방향 구속 력을 저감시키는 것이다. 그러나, 심해에서 많이 사용 되는 PIP(Pipe in Pipe)와 같이 무게가 무거운 파이프 라인의 경우 과도한 부유모듈이 필요한 단점이 있다.

    슬리퍼는 수직방향으로 파이프라인의 결함을 유도 해 횡방향 구속력을 감소시키는 장치이다. 그러나, 슬 리퍼의 높이가 높을 경우 자유경간이 발생해 와류진 동이 발생할 수 있는 단점이 있다.

    스네이크 레이는 파이프라인 설치시 결함을 유도하 기 때문에 앞서 설명한 다른 두 방법에 비해 설치비 용이 증가할 수 있으며, 설치 반경이 적절하지 않을 경우 추가적인 조치가 필요하다.

    3.2.설계과정 및 설계기준

    DNV-RP-F110(DNV, 2007)에서 파이프라인의 좌굴 은 평평한 해저면 위의 파이프라인, 평평하지 않은 해 저면 위의 파이프라인, 매설된 파이프라인에 대해 설 계기준 및 해석과정을 제시하고 있으며, 본 논문에서 는 평평하지 않은 해저면 위의 파이프라인을 고려하 였다. Fig. 5는 전체좌굴 설계과정을 나타낸 것이며, 파이프라인의 거동에 대한 각 설계기준은 Table 1과 같다.

    3.3.설계데이터

    본 논문에서 고려된 파이프라인 및 콘크리트 코팅 의 제원은 Table 2, 3과 같다.

    본 논문에서는 횡방향 좌굴해석을 위해 식 (6)과 같은 Ramberg-Osgood 응력-변형률 곡선을 이용하였 다 (Kyriakides and Corona, 2007).

    ϵ = σ E 1 + 3 7 σ σ 0 n 1
    (6)

    여기서, σ0 , n : 항복응력 및 인장응력에 따른 변수

    3.4.해석결과

    3.4.1.단일 좌굴 발생시 제어방법 비교

    Fig. 6은 부유모듈을 전체좌굴 제어방법으로 사용했 을 경우 해석결과를 나타낸 것이다. Fig. 6(a))에서 보 듯이 온도 및 부유모듈에 의해 감소된 파이프라인의 무게가 동일할 때 부유모듈 길이가 증가할수록 좌굴 진폭이 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, Fig. 6(b)에 서 보듯이 동일한 조건에서 온도가 증가할수록 좌굴 진폭이 증가하는 것을 알 수 있다. 그러나, Fig. 6(c) 에서 보듯이 온도변화에 따른 파이프라인의 응력변화 는 크지 않은 것을 알 수 있다.

    Fig. 7은 슬리퍼가 설치된 파이프라인의 좌굴해석 결과를 나타낸 것이다. Fig. 7(a)에서 보듯이 슬리퍼를 일정한 간격(21m)을 두고 2개를 설치했을 경우가 1개 를 설치했을 경우보다 좌굴진폭이 감소한 것을 알 수 있다. 또한, Fig. 7(b)에서 보듯이 슬리퍼 높이가 증가 할수록 좌굴진폭이 증가했다.

    Fig. 8은 스네이크 레이 방법으로 설치시 파이프라 인의 좌굴해석 결과를 나타낸 것이다. Fig. 8(a)에서 동일한 오프셋 각도일 경우 반경에 따라 좌굴진폭이 큰 변화가 없음을 알 수 있으며, Fig. 8(b)와 같이 온 도가 감소할수록 파이프라인의 응력이 감소하는 것을 알 수 있다.

    Fig. 9는 전체좌굴 제어방법에서 가장 작은 좌굴 후 파이프 응력을 나타낸 것이다. 이때 부유모듈은 파이 프라인 무게가 80% 감소, 부유모듈 길이 150m, 1개 슬리퍼는 높이 2m, 2개 슬리퍼는 높이 1.4m, 간격 21m, 스네이크 레이는 반경 1,200m 일때의 결과를 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이 슬리퍼를 2개 사용한 경우가 가장 작은 응력을 나타냈으며, 이 결과를 이용 해 80km 길이의 파이프라인 좌굴해석을 수행하였다.

    3.4.2.80km 파이프라인 전체좌굴 해석

    80km 파이프라인 전체좌굴 해석에 사용된 압력 및 온도 형상은 Fig. 10과 같다.

    Hobb의 법칙(Hobb, 1984)을 이용해 파이프라인의 좌굴 가능성을 검토할 결과 Fig. 11과 같이 초반 25km 구간에서 좌굴 가능성을 확인하였다. 따라서 이 후 유한요소 기법을 이용한 상세해석은 초반 25km 구간에 대해 수행하였다.

    별도의 전체좌굴 제어장치가 설치되지 않은 경우 Fig. 12(a)와 같이 25km 구간에서 총 5개의 좌굴이 발생했으며, 응력검토 결과 Fig. 12(b)와 같이 파이프 의 허용응력을 초과하였다. 따라서 전체좌굴을 제어하 기 위해 높이 1.2m, 간격 21m로 총 12개의 슬리퍼를 설치하였다. 그 결과 Fig. 13(a)와 같이 12개의 좌굴이 발생했으며, 그에 따라 Fig. 13(b)와 같이 파이프라인 전체에서 허용응력을 만족하였다.

    4.결 론

    본 논문에서는 해저 파이프라인의 전체좌굴을 제어 하기 위해 사용되고 있는 부유모듈, 슬리퍼, 스네이크 레이 방법을 수치해석 기법을 통해 검토하였으며, 연 구결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.

    1. 각 방법에서의 임계 좌굴력은 슬리퍼, 부유모듈, 스네이크 레이 방법 순으로 나타났다. 좌굴형상은 부 유모듈과 슬리퍼는 설계변수에 따라 민감하였으나, 스 네이크 레이 방법은 상대적으로 안정적인 형상을 보 였다. 또한, 좌굴 후 응력은 슬리퍼를 일정한 간격으 로 설치하는 이중 슬리퍼일 경우 가장 작게 나타났다. 따라서 좌굴 후 응력을 기준으로 했을 때 슬리퍼가 해저 파이프라인의 전체좌굴을 제어하는 방법으로 가 장 효과적이었다.

    2. 슬리퍼를 설치한 평탄하지 않은 해저면에 설치 된 파이프라인의 경우 제어하지 않은 경우에 비해 좌 굴점이 증가해 좌굴 후 응력이 허용응력을 만족하는 결과를 보였다.

    Figure

    KOSACS-6-51_F1.gif

    High Temperature and High Pressure Wells (Baird, 1993)

    KOSACS-6-51_F2.gif

    Virtual Anchor Length and Axial Force along Pipeline

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    Length of Buckle

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    Global Buckling Control Methods

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    Global Buckling Design Flow

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    Single Buckling Analysis Results with Buoyancy Module

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    Single Buckling Analysis Results with Sleeper

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    Single Buckling Analysis Results with Snake Lay

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    Analytical Check for Susceptibility of Buckling

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    Pressure and Temperature Profile

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    Analytical Check for Susceptibility of Buckling

    KOSACS-6-51_F12.gif

    Analysis Results for Uncontrolled Buckling

    KOSACS-6-51_F13.gif

    Analysis Results for Controlled Buckling

    Table

    Required Pipe Integrity Checks (DNV, 2007)

    Pipeline Data

    Concrete Coating Data

    Reference

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