Structural integrity of offshore steel pipelines for natural gas and hydrogen transmission

Abstract

The doctoral research investigates the structural integrity of steel pipelines transporting a mixture of natural gas and hydrogen in offshore applications. Structural integrity issues associated with offshore pipelines are examined from the perspective of structural mechanics. The study focuses on the cold forming process of pipes intended for deepwater applications and on its effect on both the collapse pressure and the mechanical properties of the finished pipe product. In particular, the effects of a mild heat treatment as a post-production processing method are also investigated, with the aim of improving the mechanical properties of the pipes and, consequently, their resistance to collapse pressure and buckle propagation pressure. In addition, the phenomena of collapse and buckle propagation are studied in pipes made of a non-linear elastic material, while the boundaries between stable and unstable post-buckling behaviour are investigated as a function of material non-linearity. The research is further extended to the study of hydrogen embrittlement, with regard to its effect on the mechanical properties of pipeline steels and the resulting implications for the structural behaviour of pipelines. To investigate this phenomenon, a numerical framework is developed for its simulation at the continuum scale, while an experimental setup is also developed for the mechanical testing of steel specimens pre-charged with hydrogen. The manufacturing process of cold formed pipes is investigated through the development of a finite element methodology capable of accurately predicting the geometric and mechanical properties of the final product. The methodology focuses on the JCO-E manufacturing process, which is a widely used method for producing large diameter pipes for deepwater applications. The model developed in ABAQUS finite element software is calibrated using actual manufacturing parameters, and the computationally produced pipe is validated against the mechanical and geometric properties of the actual line pipe. Furthermore, the finite element model is capable of estimating the collapse pressure of the pipe within a unified analysis that begins with the forming process and concludes with its response under external pressure. Following validation of the finite element model against actual measurements, the developed procedure is employed as a tool for conducting sensitivity analyses of parameters affecting the quality of the final product in terms of its geometry, mechanical properties, and collapse pressure. These results are used to optimize the manufacturing process and have provided an improved design guide for the pipe manufacturer (pipe mill). In addition, a standalone application is developed for simulating the JCO-E process and the collapse behaviour of the pipe. The primary objective of this work is to produce a user-friendly tool for industry without requiring the execution of computationally demanding and time consuming finite element analyses involving the calibration of numerous parameters. The application is validated against corresponding measurements and predictions obtained from actual pipes and from the finite element model. Moreover, the research examines the beneficial effects of heat treatment on cold formed pipes in terms of improving the mechanical properties and the resistance of the final product to collapse under external pressure. As an additional application of the phenomenon of pipe collapse under external pressure, pipes made of non-linear elastic material are investigated by examining their resistance to collapse under uniform external pressure, with particular emphasis on identifying the conditions that trigger collapse localisation. Finally, the phenomenon of hydrogen embrittlement, and its influence on the mechanical properties of pipeline steels, are investigated through a combined experimental and numerical study. An experimental setup is developed for the electrochemical charging of steel specimens. The setup is based on a three-electrode system, in which the steel specimen serves as the cathode. Following the electrochemical charging procedure, the specimen is subjected to slow strain rate tensile (SSRT) testing to investigate the effects of hydrogen-induced damage. Furthermore, the numerical simulation is implemented in ABAQUS finite element software, in which a Continuum Damage Mechanics model coupled with a hydrogen diffusion model is developed. The effect of hydrogen on the mechanical properties is introduced through a phenomenological relation that couples the damage evolution to the local hydrogen concentration. The model is used to simulate SSRT tests and to capture the hydrogen-induced material degradation observed in the experiments. The results of the finite element analyses are in good agreement with the corresponding experimental results and demonstrate the capability of the developed simulation methodology to capture the observed material degradation due to hydrogen.

Η διδακτορική έρευνα διερευνά τη δομική ακεραιότητα χαλύβδινων αγωγών που μεταφέρουν μείγμα φυσικού αερίου και υδρογόνου σε υπεράκτιες εφαρμογές. Τα ζητήματα δομικής ακεραιότητας που σχετίζονται με τους υπεράκτιους αγωγούς διερευνώνται από τη σκοπιά της μηχανικής των κατασκευών. Η μελέτη επικεντρώνεται στη διαδικασία ψυχρής διαμόρφωσης σωλήνων που προορίζονται για εφαρμογές σε μεγάλα θαλάσσια βάθη και στην επίδρασή της τόσο στην πίεση κατάρρευσης όσο και στις μηχανικές ιδιότητες του τελικού προϊόντος σωλήνα. Ειδικότερα, διερευνώνται επίσης οι επιδράσεις μιας ήπιας θερμικής κατεργασίας ως μεθόδου επεξεργασίας μετά την παραγωγή, με στόχο τη βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων των σωλήνων και, κατά συνέπεια, της αντοχής τους στην πίεση κατάρρευσης και στην πίεση διάδοσης της ύβωσης. Επιπλέον, τα φαινόμενα της κατάρρευσης και της διάδοσης της ύβωσης μελετώνται σε σωλήνες από μη γραμμικό ελαστικό υλικό, ενώ διερευνώνται τα όρια μεταξύ σταθερής και ασταθούς μεταλυγισμικής συμπεριφοράς σε συνάρτηση με τη μη γραμμικότητα του υλικού. Η έρευνα επεκτείνεται περαιτέρω στη μελέτη της ψαθυροποίησης λόγω υδρογόνου, ως προς την επίδρασή της στις μηχανικές ιδιότητες των χαλύβων αγωγών και τις συνακόλουθες επιπτώσεις στη δομική συμπεριφορά των αγωγών. Για τη διερεύνηση του φαινομένου αυτού, αναπτύσσεται ένα αριθμητικό πλαίσιο για την προσομοίωσή του σε κλίμακα συνεχούς μέσου, ενώ παράλληλα αναπτύσσεται και πειραματική διάταξη για τη μηχανική δοκιμή χαλύβδινων δοκιμίων που έχουν προηγουμένως φορτιστεί με υδρογόνο. Η διαδικασία παραγωγής σωλήνων ψυχρής διαμόρφωσης διερευνάται μέσω της ανάπτυξης μιας μεθοδολογίας πεπερασμένων στοιχείων, ικανής να προβλέπει με ακρίβεια τις γεωμετρικές και μηχανικές ιδιότητες του τελικού προϊόντος. Η μεθοδολογία επικεντρώνεται στη διαδικασία παραγωγής JCO-E, η οποία αποτελεί ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδο για την κατασκευή σωλήνων μεγάλης διαμέτρου για εφαρμογές σε μεγάλα θαλάσσια βάθη. Το μοντέλο που αναπτύχθηκε στο λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων ABAQUS βαθμονομείται με τη χρήση πραγματικών παραμέτρων παραγωγής, ενώ ο σωλήνας που προκύπτει υπολογιστικά επικυρώνεται μέσω σύγκρισης με τις μηχανικές και γεωμετρικές ιδιότητες του πραγματικού σωλήνα γραμμής. Επιπλέον, το μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων είναι σε θέση να εκτιμήσει την πίεση κατάρρευσης του σωλήνα στο πλαίσιο μιας ενιαίας ανάλυσης, η οποία ξεκινά από τη διαδικασία διαμόρφωσης και ολοκληρώνεται με την απόκριση του σωλήνα υπό εξωτερική πίεση. Μετά την επικύρωση του μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων βάσει πραγματικών μετρήσεων, η αναπτυχθείσα διαδικασία χρησιμοποιείται ως εργαλείο για τη διεξαγωγή αναλύσεων ευαισθησίας των παραμέτρων που επηρεάζουν την ποιότητα του τελικού προϊόντος ως προς τη γεωμετρία του, τις μηχανικές του ιδιότητες και την πίεση κατάρρευσης. Τα αποτελέσματα αυτά χρησιμοποιούνται για τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας παραγωγής και έχουν συμβάλει στη διαμόρφωση ενός βελτιωμένου οδηγού σχεδιασμού για τον κατασκευαστή σωλήνων (pipe mill). Πέραν τούτου, αναπτύσσεται μια αυτοτελής εφαρμογή για την προσομοίωση της διαδικασίας JCO-E και της συμπεριφοράς του σωλήνα έναντι κατάρρευσης. Πρωταρχικός στόχος της παρούσας εργασίας είναι η δημιουργία ενός εύχρηστου εργαλείου για τη βιομηχανία, χωρίς να απαιτείται η εκτέλεση υπολογιστικά απαιτητικών και χρονοβόρων αναλύσεων πεπερασμένων στοιχείων, οι οποίες προϋποθέτουν τη βαθμονόμηση πολυάριθμων παραμέτρων. Η εφαρμογή επικυρώνεται μέσω σύγκρισης με αντίστοιχες μετρήσεις και προβλέψεις που προκύπτουν από πραγματικούς σωλήνες και από το μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων. Ακόμη, η έρευνα εξετάζει τις ευεργετικές επιδράσεις της θερμικής κατεργασίας σε σωλήνες ψυχρής διαμόρφωσης, ως προς τη βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων και της αντοχής του τελικού προϊόντος σε κατάρρευση υπό εξωτερική πίεση. Ως μια επιπλέον εφαρμογή του φαινομένου της κατάρρευσης σωλήνων υπό εξωτερική πίεση, μελετώνται σωλήνες από μη γραμμικό ελαστικό υλικό, με έμφαση στην αντοχή τους σε κατάρρευση υπό ομοιόμορφη εξωτερική πίεση και, ειδικότερα, στον προσδιορισμό των συνθηκών που προκαλούν την τοπικοποίηση της κατάρρευσης. Τέλος, το φαινόμενο της ψαθυροποίησης υδρογόνου και η επίδρασή του στις μηχανικές ιδιότητες των χαλύβων αγωγών διερευνώνται μέσω συνδυασμένης πειραματικής και αριθμητικής μελέτης. Αναπτύσσεται πειραματική διάταξη για την ηλεκτροχημική φόρτιση χαλύβδινων δοκιμίων. Η διάταξη βασίζεται σε σύστημα τριών ηλεκτροδίων, στο οποίο το χαλύβδινο δοκίμιο λειτουργεί ως κάθοδος. Μετά τη διαδικασία ηλεκτροχημικής φόρτισης, το δοκίμιο υποβάλλεται σε δοκιμή εφελκυσμού με χαμηλό ρυθμό παραμόρφωσης (slow strain rate tensile, SSRT), προκειμένου να διερευνηθούν οι επιδράσεις της βλάβης που προκαλείται από το υδρογόνο. Επιπλέον, η αριθμητική προσομοίωση υλοποιείται στο λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων ABAQUS, στο οποίο αναπτύσσεται μοντέλο Μηχανικής Βλάβης Συνεχούς Μέσου συζευγμένο με μοντέλο διάχυσης υδρογόνου. Η επίδραση του υδρογόνου στις μηχανικές ιδιότητες εισάγεται μέσω μιας φαινομενολογικής σχέσης, η οποία συζεύγει την εξέλιξη της βλάβης με την τοπική συγκέντρωση υδρογόνου. Το μοντέλο χρησιμοποιείται για την προσομοίωση δοκιμών SSRT και για την αποτύπωση της προκαλούμενης από το υδρογόνο υποβάθμισης του υλικού που παρατηρείται στα πειράματα. Τα αποτελέσματα των αναλύσεων πεπερασμένων στοιχείων παρουσιάζουν καλή συμφωνία με τα αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα και καταδεικνύουν την ικανότητα της αναπτυγμένης μεθοδολογίας προσομοίωσης να αποτυπώνει την παρατηρούμενη υποβάθμιση του υλικού λόγω της παρουσίας υδρογόνου.