Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHT DES LANDES NORD RHEIN -WESTF ALEN
Nr. 2986 / Fachgruppe Maschinenbau/Verfahrenstechnik
Herausgegeben vom Minister für Wissenschaft und Forschung
Prof. Dr. -Ing. Konstantin Kokkinowrachos
Dipl. -Ing. Hans Georg Zibell
Lehrgebiet Grundlagen der Meerestechnik
an der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen
Spannungs- und Verformungszustand von
Pipelines bei der Verlegung im Meer
Westdeutscher Verlag 1980
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Kokkinowrachos, Konstantin:
Spannungs- und Ver~ormungszustand von Pipelines
bei der Verlegung im Meer /
Konstantin Kokkinowrachos ; Hans Georg Zibell.
- Opladen : Westdeutscher Verlag, 1980.
(Forschungs berichte des Landes Nordrhein
Westfalen ; Nr. 2986 : Fachgruppe Maschi
nenbau, Verfahrenstechnik)
NE: Zibell, Hans Georg:
© 1980 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
ISBN 978-3-531-02986-3 ISBN 978-3-322-88446-6 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-88446-6
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INHALT
1. Bezeichnungen V
2. Einleitung
3. Methoden der Verlegung. problemstellungen 3
4. Spannungs- und Verformungszustand einer
Pipeline während der Verlegung 5
4.1 Aufstellung der Differentialgleichung der
Biegelinie 5
4.2 Grundzüge einiger Lösungsverfahren 9
4.2.1 Lösung der linearisierten Differentialgleichung 10
4.2.2 Kettenlinie als Näherungslösung für die
Biegelinie 16
4.2.3 "Biegesteife" Kettenlinie (stiffened catenary) 17
4.2.4 Finite Elemente-Methode 18
4.2.5 Integrationsverfahren nach Pedersen 19
4.2.6 Das Verfahren von Neathery 23
4.3 Bewertung der Rechenverfahren 35
5. Ähnlichkeitsmechanische Betrachtung des
Spannungs- und Verformungszustandes 37
6. Ergebnisse einer Parameterstudie 41
7. Zusammenfassung 50
8. Literatur 51
9. Bildanhang 5S
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1 • BEZEICHNUNGEN
x • y kartesisches Koordinatensystem mit Ursprung
im Kontaktpunkt am Meeresboden
Koordinaten des Kontaktpunktes am Meeresboden
(Index 0); Xo = Yo = 0
Koordinaten des oberen Endpunktes der Pipe-
line (Index LI
5 laufende Bogenlänge der Pipeline gemessen
vom Kontaktpunkt am Meeresboden
Gesamtbogenlänge der Pipeline
Bogenlänge bis zum Wendepunkt der Biegelinie
X nl • Yn l n-te Ableitung von x bzw. y nach s
Winkel zwischen der Horizontalen und der Achse
der Pipeline
.J'* Winkel zwischen der Vertikalen und der Achse
der Pipeline (-J'* = ~ - J' )
"'0 . "'L Winkel am Meeresboden bzw. am oberen Ende
der Pipeline
Koordinaten des oberen Endpunktes einer Pipe-
line mit .J;. = 0
d Wassertiefe
Horizontal- bzw. Vertikalkraft
F" . F Horizontal- bzw. Vertikalkraft ohne Berück-
y
sichtigung des hydrostatischen Drucks
Längs- bzw. Querkraft
Längs- bzw. Querkraft ohne Berücksichtigung
des hydrostatischen Drucks
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M Biegemoment
E Elastizitätsmodul
I äquatoriales Trägheitsmoment
EI Biegesteifigkeit
G' Spannung
E Dehnung
ez • Eb Zug- bzw. Biegedehnung
5 Fließspannung
F
p. , Py Linienlast in x- bzw. y-Richtung
Linienlast infolge Strömung
P"str ' PYstr
p hydrostatischer Druck
w Gewicht der Pipeline pro Längeneinheit in
p
Luft
Wa Auftrieb der Pipeline pro Längeneinheit
W effektives Gewicht der Pipeline pro Längen-
einheit (w w - w )
p a
Op spezifisches Gewicht der Pipeline
;w spezifisches Gewicht des Wassers
Wand stärke des Rohres
d mittlerer Rohrdurchmesser
M
da äußerer Rohrdurchmesser
di innerer Rohrdurchmesser
d4T äußerer Durchmesser der Pipeline einschließ-
lich des Zementmantels
Aq Querschnittsfläche der Pipeline
R Krümmungsradius
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Rs Krümrnungsradius des Stingers
~ dimensionslose KenngröBe der Biegesteifigkeit
h dimensionslose KenngröBe des Horizontalzuges
t
normierte Bogenlänge ( !S = L )
s· normierte Bogenlänge ( s· = (E'5 / w)'" )
normierte Bogenlänge ( s" '" = ~)
F"L
)(... , y'.". normierte x- bzw. y-Koordinate x" SXL , y. sLY )
p. , Pr normierte Linienlast
normierte Horizontal- bzw. Vertikalkraft
Verhältnis der Bogenlänge zur Höhe des oberen
Endes der Pipeline über Meeresboden ( A = s /y )
L L
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2. EINLEITUNG
Dieser Bericht enthält die wichtigsten Ergebnisse eines For
schungsvorhabens zur Untersuchung von Pipelines während der
Verlegung im Meer, das vom Minister für Wissenschaft und For
schung des Landes Nordrhein-Westfalen gefördert wurde.
Der Einsatz von Unterwasser-Pipelines kann in vielen Fällen
die wirtschaftlich vorteilhaftere Lösung für den Transport
von Erdöl und Erdgas aus Offshore-Gebieten sein.
Die Phase des Verlegens einer Pipeline ist besonders kritisch
und kann die technische Durchführbarkeit und Wirtschaftlich
keit der gesamten Unternehmung stark beeinträchtigen.
In der Regel werden Pipelines für mittlere und größere Was
sertiefen von schwimmenden Rohrlegern aus verlegt.
Während des Verlegevorgangs können maximale Beanspruchungen
der Pipeline entstehen, die im späteren Betrieb normalerweise
nicht erreicht werden. In solchen Fällen ist der Zustand
während der Verlegung bestimmend für den Entwurf und die Aus
legung der Pipeline.
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden vorerst die wich
tigsten Berechnungsmethoden zur Erfassung des Spannungs-
und Verformungs zustandes einer Pipeline bei ihrer Verlegung
im Meer hinsichtlich ihrer Genauigkeit sowie der Grenzen
ihrer Gültigkeit überprüft und kritisch bewertet.
Ziel der in diesem Bericht beschriebenen eigenen Untersuchun
gen war, für die während der Verlegung durch statische
Lasten (Eigengewicht, Auftrieb, hydrostatischer Druck, sta
tionäre Strömungskräfte, vom Rohrleger aufgebrachter Hori
zontalzug) beanspruchte Pipeline Berechnungsunterlagen zu
erstellen, die dem Konstrukteur eine schnelle und zuverläs
sige Abschätzung des Spannungszustandes während des Verle
gens·und damit eine Beurteilung der Verlegetechnik ermög
lichen.
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In einem vorgeschalteten Abschnitt werden die wichtigsten
Methoden der Verlegung und einige der damit verbundenen
Festigkeitsprobleme kurz erörtert.
Anschließend wird der Spannungs- und Verformungszustand einer
Pipeline während der Verlegung betrachtet und die Differenti
algleichung der Biegelinie aufgestellt.
Nach einer kurzen Diskussion der wichtigsten Methoden zur Lö
sung des sich ergebenden nichtlinearen Problems werden das
Verfahren von Neathery und seine im Rahmen des Forschungs
vorhabens vorgenommenen Erweiterungen dargelegt.
Es folgt eine Bewertung der numerischen Verfahren, wobei ins
besondere die Bereiche der Gültigkeit der Lösung der lineari
sierten Biegegleichung sowie der Kettenlinie besprochen
werden.
In einem weiteren Abschnitt wird aufgezeigt, wie durch ähn
lichkeitsmechanische Betrachtungen dimensionslose Kennzahlen
für den Spannungs- und Verformungs zustand einer Pipeline wäh
rend der Verlegung abgeleitet werden können.
Die Ergebnisse von mehreren systematisch ausgewählten Bei
spielen sind in Abhängigkeit dieser Kennzahlen in Form von
Kurvenscharen aufgetragen, die in der Praxis zur ·überschlägi
gen Auslegung von Pipelines während der Verlegung benutzt
werden können.
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3. METHODEN DER VERLEGUNG. PROBLEMSTELLUNGEN
Zur Verlegung von Pipelines im Meer sind je nach Wassertiefe,
Durchmesser und Länge der Pipeline vier Verfahren gebräuch
lich und zwar die Lay-Barge-, die Reel-Barge-, die Floating
String- und die Bottom-Pull-Methode (/1/; Abbildungen 1 bis 6).
Bei den ersten drei Verfahren wird die Pipeline von einem
schwimmenden Rohrleger aus verlegt. Es stellt sich dabei
wegen der relativ großen, nicht unterstützten Länge der Pipe
line zwischen Meeresboden und Rohrleger je nach Wassertiefe,
Gewicht, Auftrieb, Horizontalzug und Verlegeverfahren ein
s- bzw. J-förmiger Verlauf der Pipeline ein.
Die Lay-Barge-Methode ist das wichtigste Verfahren zur Ver
legung von Pipelines mittleren und größeren Durchmessers in
tieferem Wasser. Die Reel-Barge-Methode unterscheidet sich
von der Lay-Barge-Methode lediglich dadurch, daß die auf einer
Trommel gelagerte Pipeline vor dem Verlegen abgerollt werden
muß. Wegen des begrenzten Durchmessers der Trommel und der
im Falle von Stahlpipelines durch das Auf trommeln entstehen
den plastischen Verformung ist diese Methode nur für Pipe
lines kleineren Durchmessers geeignet. Bei der Floating
String-Methode. ist die sich bei der Verlegung einstellende
Konfiguration der Pipeline von der Größe und der Anordnung
der beim Absenkvorgang verwendeten Auftriebskörper abhängig.
Die Bottom-Pull-Methode ist nur in unmittelbarer Küsten-
nähe und für relativ kurze Pipelines anwendbar. Bei dieser
Methode wird die Pipeline an Land gefertigt und über Rollen
ins Meer gezogen.
Für die sich bei der Verlegung einstellende Konfiguration
der Pipeline sind die statischen Lasten (Eigengewicht, Auf
trieb, hydrostatischer Druck, stationäre Strömungskräfte,
Horizontalzug aufgebracht vom Rohrleger) maßgeblich.
überschreitet der Durchmesser eine bestimmte Größe, so wird
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die Pipeline schwimmfähig. Der zu ihrem Absenken notwendige
Abtrieb wird mit Hilfe eines Zementmantels erreicht, der auch
Schutz vor Korrosion und Beschädigung bietet. Das "effektive
Gewicht" der Pipeline pro Längeneinheit, definiert als die
Differenz zwischen Gewicht und Auftrieb je Längeneinheit, wird
dabei so eingestellt, daß ein sicheres Absenken und Aufliegen
der Rohrleitung auf dem Meeresboden gewährleistet ist. Ein
mögliches unkontrolliertes Aufschwimmen der ROhrleitung ist
unter allen Umständen zu vermeiden.
Bei der S-förmigen Konfiguration der Verlegelinie treten in der
Nähe des Meeresbodens (Sag-Bend-Bereich) und in der Nähe der
Meeresoberfläche (Over-Bend-Bereich) maximale Krümmungen und
daraus resultierend maximale Biegebeanspruchungen der Pipeline
auf. Im Over-Bend-Bereich können diese Beanspruchungen schon
bei kleineren Wassertiefen eine derartige Größe erreichen, daß
eine Entlastung der Rohrleitung durch eine Ablauframpe (Stin
ger) notwendig wird. Die Biegebeanspruchung der Rohrleitung
im Bereich des Stingers wird von dessen Krümmungsverlauf be
stimmt, so daß sich aus Festigkeitsgründen ein minimaler zu
lässiger Krümmungsradius für den Stinger ergibt.
Qie notwendige Länge des Stingers ergibt sich aus der Neigung
der Rohrleitung gegenüber der Horizontalen im Kontaktpunkt
der frei hängenden Pipeline mit dem Stinger, in dem die KrUm
mungen beider Elemente gleich sind. Durch das Aufbringen ei
nes Horizontalzuges vom Rohrleger aus läßt sich sowohl die
Krümmung der Rohrleitung im Sag-Bend-Bereich als auch die
Stingerlänge reduzieren.
In größeren Wassertiefen ist die Verlegung ohne Horizontalzug
nicht mehr möglich. Hier können sich notwendige Stingerlängen
ergeben, die technisch nicht mehr realisierbar sind, geht
man von der Forderung nach Fertigung der Pipeline auf dem
Rohrleger in horizontaler Lage aus. Verzichtet man dagegen
auf diese Forderung, so kann die J-Methode (Abb. 3) bei
größeren Wassertiefen eingesetzt werden (/20/,/46/,/47/).
