Improvement of Fatigue Life with Local Reinforcement for Offshore Topside Module during Marine Transportation

해양플랫폼 탑사이드 모듈의 해상 운송 시 국부 보강을 통한 피로 수명 개선에 관한 연구

In this study, finite element analysis was performed to evaluate a method of increasing the fatigue life of the pipe connection structure commonly used in the topside structure of offshore platforms. MSC Patran/Nastran, a commercial analysis program, was used, and the critical structural model was selected from the global analysis. To realize the stress concentration phenomenon according to the load, modeling using 8-node solid elements was implemented. The main loads were considered to be two lateral loads and a tensile load on a diagonal pipe. To check the hotspot stress at the main location, a 0.01 mm dummy shell element was applied. After calculating the main stress at the 0.5-t and 1.5-t locations, the stress generated in the weld was estimated through extrapolation. In some sections, this stress was observed to be below the fatigue life that should be satisfied, and reinforcement was required. For reinforcement, a bracket was added to reduce the stress concentration factor where the fatigue life was insufficient without changing the thickness or diameter of the previously designed pipe. Regarding the tensile load, the stress in the bracket toe increased by 23 %, whereas the stress inside and outside of the pipe, which was a problem, decreased by approximately 8 %. Regarding the flexural load, the stress at the bracket toe increased by 3 %, whereas the stress inside and outside of the pipe, which was also a problem, decreased by approximately 48 %. Owing to the new bracket reinforcement, the stress in the bracket toe increased, but the S-N curve itself was better than that of the pipe joint, so it was not a significant problem. The improvement method of fatigue life is expected to be useful; it can efficiently increase the fatigue life while minimizing changes to the initial design.

본 연구에서는 해양플랫폼의 탑사이드 구조에서 주로 채택하고 있는 파이프 연결 구조의 피로 수명 증가를 위한 방안을 찾기 위하여, 유한요소해석을 수행하였다. 상용해석프로그램인 MSC Patran/Nastran을 적용하였으며, 대표적인 중앙부 구조 형상을 해석모델로 선정하였다. 하중에 따른 응력집중 현상을 구현하기 위하여, 8 절점 솔리드 요소를 이용한 모델링을 구현하였다. 주요하중은 횡방향 하중 2가지와 대각선 파이프에 인장 하중을 고려하였다. 주요 위치에서의 Hot spot 응력을 확인하기 위하여, 0.01 mm dummy 쉘 요소를 적용하였으며, 0.5 t와 1.5 t 위치에서의 주응력을 계산한 후 외삽법에 따라 용접부에 발생하는 응력을 추정하였다. 일부 구간에서는 만족해야 하는 피로 수명 이하로 평가되어, 보강이 필요하였다. 보강은 기존 설계된 파이프의 두께나 지름을 변경하지 않고, 피로수명이 부족한 부위에 응력집중계수를 낮출 수 있도록 브래킷을 추가하였다. 인장 하중에 대해서는 bracket toe에서 응력은 23 % 증가하였고, 기존에 문제가 된 파이프의 내측, 외측에서의 응력은 약 8 % 감소하였다. 휨 하중에 대해서는 bracket toe에서 응력은 3 % 증가하였고, 기존에 문제가 된 파이프의 내측, 외측에서의 응력은 약 48 % 감소하였다. 신규 브래킷 보강으로 인하여, bracket toe의 응력증가가 발생하였지만, S-N 커브 자체가 파이프 조인트에 비해 좋으므로 큰 문제가 되지는 않는다. 본 연구에서 적용한 국부 보강을 통한 피로 수명 개선 방법은 기존 설계안의 변경을 최소화하면서 피로 수명 증가를 효율적으로 할 수 있다는 점에서 관련 산업에서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.