[논문]해저 파이프라인의 전체 좌굴 제어 방법 비교

김구; 김도균; 최한석; 박규식

doi:10.11004/kosacs.2015.6.1.051

해저 파이프라인의 전체 좌굴 제어 방법 비교
A Comparative Study of Subsea Pipeline Global Buckling Control Method 원문보기

복합신소재구조학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures, v.6 no.1, 2015년, pp.51 - 58

김구 (한진중티엠에스) , 김도균 (PETRONAS 공과대학교) , 최한석 (포항공과대학교) , 박규식 (포스코)

Abstract ▼ AI-Helper

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.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

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

가설 설정

부유모듈은 가장 최근에 사용되는 방법으로서 2011년에 실제 적용되었다. 부유모델의 개념은 필요한 부분에 파이프라인 무게를 감소시킴으로서 횡방향 구속력을 저감시키는 것이다. 그러나, 심해에서 많이 사용되는 PIP(Pipe in Pipe)와 같이 무게가 무거운 파이프라인의 경우 과도한 부유모듈이 필요한 단점이 있다.

제안 방법

본 논문에서는 Fig. 4와 같이 전체좌굴을 제어하는 방법으로 부유모듈, 슬리퍼, 스네이크 레이 3가지를 고려하였다.
본 논문에서는 해저 파이프라인의 전체좌굴을 제어하기 위해 사용되고 있는 부유모듈, 슬리퍼, 스네이크 레이 방법을 수치해석 기법을 통해 검토하였으며, 연구결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.

이론/모형

DNV-RP-F110(DNV, 2007)에서 파이프라인의 좌굴은 평평한 해저면 위의 파이프라인, 평평하지 않은 해저면 위의 파이프라인, 매설된 파이프라인에 대해 설계기준 및 해석과정을 제시하고 있으며, 본 논문에서는 평평하지 않은 해저면 위의 파이프라인을 고려하였다. Fig.
Hobb의 법칙(Hobb, 1984)을 이용해 파이프라인의 좌굴 가능성을 검토할 결과 Fig. 11과 같이 초반25km 구간에서 좌굴 가능성을 확인하였다.
본 논문에서는 횡방향 좌굴해석을 위해 식 (6)과 같은 Ramberg-Osgood 응력-변형률 곡선을 이용하였다 (Kyriakides and Corona, 2007).
임계좌굴력은 Hobb(1984)에 의해 제안된 수정 오일러 좌굴식을 이용해 식 (5)와 같이 계산할 수 있다.

성능/효과

(1) 각 방법에서의 임계 좌굴력은 슬리퍼, 부유모듈, 스네이크 레이 방법 순으로 나타났다. 좌굴형상은 부유모듈과 슬리퍼는 설계변수에 따라 민감하였으나, 스네이크 레이 방법은 상대적으로 안정적인 형상을 보였다.
(2) 슬리퍼를 설치한 평탄하지 않은 해저면에 설치된 파이프라인의 경우 제어하지 않은 경우에 비해 좌굴점이 증가해 좌굴 후 응력이 허용응력을 만족하는 결과를 보였다.
또한, 좌굴 후 응력은 슬리퍼를 일정한 간격으로 설치하는 이중 슬리퍼일 경우 가장 작게 나타났다. 따라서 좌굴 후 응력을 기준으로 했을 때 슬리퍼가 해저 파이프라인의 전체좌굴을 제어하는 방법으로 가장 효과적이었다.
(1) 각 방법에서의 임계 좌굴력은 슬리퍼, 부유모듈, 스네이크 레이 방법 순으로 나타났다. 좌굴형상은 부유모듈과 슬리퍼는 설계변수에 따라 민감하였으나, 스네이크 레이 방법은 상대적으로 안정적인 형상을 보였다. 또한, 좌굴 후 응력은 슬리퍼를 일정한 간격으로 설치하는 이중 슬리퍼일 경우 가장 작게 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	파이프라인의 구조적 안정성을 위해 고려되어야 하는 변수는 무엇인가?	파이프라인은 생산된 오일과 가스를 안전하고 효율적으로 수송할 수 있도록 설계되어야 한다. 또한, 파이프라인은 사용연한 동안 구조적 안정성을 확보해야 하며 비용, 일정, 확장성, 신뢰성, 시공성, 유연성 등의 다양한 변수고려가 요구된다. 해양구조물 설계를 위해서는 직경, 설계압력, 설계온도, 압력 및 온도 형상, 환경하중, 지반 물성치, 유체특성성 등이 필요하다.
	해저 파이프라인의 좌굴 중 전체좌굴의 원인은 무엇인가?	전체좌굴은 파이프라인의 온도, 압력, 설치시 잔류 인장력 등에 의한 압축력 때문에 발생하며, 심해 개발로 인해 Fig. 1과 같이 고온고압의 유정의 개발이 늘어나면서, 이러한 전체좌굴에 의한 파이프라인의 파괴 가능성은 점차 증가하고 있다.
	해양구조물 설계를 위해 필요한 것은 무엇인가?	또한, 파이프라인은 사용연한 동안 구조적 안정성을 확보해야 하며 비용, 일정, 확장성, 신뢰성, 시공성, 유연성 등의 다양한 변수고려가 요구된다. 해양구조물 설계를 위해서는 직경, 설계압력, 설계온도, 압력 및 온도 형상, 환경하중, 지반 물성치, 유체특성성 등이 필요하다. 또한, 파이프라인과 관계된 설계기준에서는 파이프의 설치경로, 부식, 직경, 파열, 붕괴, 국부좌굴, 안정성, 자유경간, 변형, 전체좌굴, 축방향 워킹(Walking), 피로 등을 검토하는 것을 제시하고 있다 (API 2009, DNV 2007).

참고문헌 (17)

Anunes, B., Solano, R., and Vaz, M. (2010), "Analytical Formulation of Distributed Buoyancy Sections to Control Lateral Buckling of Subsea Pipelines," Proceedings of the International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, Shanghai, China.
API (2009), "Design, Construction, Operation and Maintenance of Offshore Hydrocarbon Pipelines (Limit State Design)," API-RP-1111, American Petroleum Institute, USA.
Aubeny, C. P., Shi, H., and Murff, J. (2005), "Collapse Loads for a Cylinder Embedded in Trench in Cohesive Soil," International Journal of Geomechanics, 5, pp. 320-325.

상세보기
Bai, Q., Qi, X., and Brunner, M. (2009), "Global Buckle Control with Dual Sleepers in HP/HT Pipelines," Proceedings of Offshore Technology Conference, TX, USA.
Baird, T., Drummond, T. R., Mathison, D., and Langseth, B. (1993), "High Pressure, High Temerature Well Logging, Perforating and Testing," Schlumberger, USA.
DNV (2007), "Global Buckling of Submarine Pipelines," DNV-RP-F110, Det Norske Veritas, Norway.
Guan, J., Hansen, H. F., and Nystrom, P. R. (2007), "Optimized Solutions to Control Lateral Buckling of Pipelines with Snake Lay," Proceedings of the International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, Trondheim, Norway.
Hobb, R. (1984), "In-Services Buckling of Heated Pipelines," Journal of Transportation Engineering, 110(2), pp. 175-189.

상세보기
Kyriakides, S., and Corona, E. (2007), "Mechanics of Offshore Pipelines: Volume 1: Buckling and Collapse," Elsevier, USA.
Liu, U., Li, X., and Zhou, J. (2012), "Post-buckling Studies on Snaked Lay Pipeline with New Shape,"Journal of Information and Computational Scicence, 9, pp. 3315-3324.
Matheson, I., Carr, M., Peek, R., Saunders, P., and George, N. (2004), "Penguins Flowline Lateral Buckle Formation Analysis and Verification," Proceeding of the International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, Vancouver, Canada.
Murff, J., Wagner, D., and Randolph, M. (1989), "Pipe Penetration in Cohesive Soil," Geotechnique, 39, pp. 213-29.

상세보기
Palmer, A. (1974), "Lateral Buckling of Axially Constrained Pipes," Journal of Petroleum Technology, 26. pp. 1283-1284.

상세보기
Randolph, M., and White, D. (2008), "Pipeline Embedment in Deepwater: Processes and Quantitate Asessment," Proceedings of Offshore Technology Conference, TX, USA.
Rundsag, J. (2008), "Optimized Snaked Lay Geometry," Proceedings of the International Offshore and Ploar Engineering Conference, Vancouver, Canada.
Safebuck (2015). http://www.safebuck.com/
Yoo Y., Jae H. M., Park, S. Y.., and Choi, S. H. (2014), "Structural Integrity Monitoring of the Marine Riser with Composite Structure,"Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures, Vol. 5, No. 4, pp. 44-51. (in Korean).

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