PIPELINES AND RISERS · ELSEVIEH OCEAN ENGINEERING BOOK SERIES VOLU.\1E 5 PIPELINES AND RISERS YONGBAI Stavanger University College, N-4091 Stavanger, Norway an d American Bureau

ELSEVIEH OCEAN ENGINEERING BOOK SERIES VOLU.\1E 5

PIPELINES AND RISERS

YONGBAI Stavanger University College, N-4091 Stavanger, Norway

an d American Bureau of Shipping, Houston, TX 77060, USA

OCEAi'J ENGINEERING SERIES EDITORS

R. Bhattacha:ryya US Naval Academy,

Annapolis, JVID, USA

M.E. McCormick The Johns Hopkins Unìversity,

Baltimore, MD, USA

2001 ELSEVIER

Amsterdam - London - New York - Oxford - Paris - Shannon - Tokyo

TABLE OF CONTENTS

Serics Prefacc Forcword l'reface

Chapter l lntroduction

Xl

v vi i ix

l. l lntroducrion .. . ... .. .. .... ..... ..... .. ... ...... .. ...... ... .... ... ... .. ...... .. ... ... .. ... .. ... .. .. .. .. ... .. ... 1 1 .~ Design Stages an d Process... .. .... .. ............. ......... ... .. .... .. .... ..... .. .... .... ........ .. ................. !

1.2. 1 DesignStages..... .. .. ... ..... .... .. ......... .. .. .......... ... ... .... .... ...... ..... .. ... .. ... ......... ! 1.2 .2 Design Process .. .. ... .. .... .. .... .. .... .. .. .... ........ . .. .. .. ...... ... .. ..4

1.3 Design Through Analysis (DTA).... .... .. .. ........ .. ..... ... .. .. .. .. 7 1.4 Pipe1ine Design Analysis ... . .. ..... .. .. .. ...... .. ...... . .... 9

1.4. 1 Generai ...... ... ................ .. ... .. .. .. .... ... .... .. ..... ..... ... .. .. .. ... .. ................... 9 l .4.2 Pipeline Stress Checks .. . ..... .. ............. .. ... .. ....... ..... .. .. ...... .. .... .. . .. .. 9 1.4.3 Span Ana1ysis.......... .. .... . ............ .... ........ .. .. .. .... ... .... .. ... .. .. .. .. ........ .. .. ... ..... ..1 O 1.4.4 On-bottom St:ability Analysis.... .............. .. .. ... .... ... ....... .... ... .. ....... .. .. ... .... ..... .1 1 1.4.5 Expansion Anaiysis .......... ..... .. ... .... .. .. ......... ... ... .... .... ... .... .. ......... .. .. .. .. ... ......... .. ... .1 4 1.4.6 Buckling i\nalys is .. .. ...... ........ .. .... .. .. ... .. .. ... ... . ... ...... ...... ..... ...... ..... .......... ...... ........ .. . 14 l .4.7 Pipelinc lnstallation......... .. ....... .... .. .... ... ......... .... ... .... .. ... ... .. .... .. ... .. ..... ... .. ... .. .. ... .. ......... ... . .. . l 7

1.5 Pipeiine Simuiator.. ... .. ....... ........ ........... ... ...... .. .. .... .. .. .... .. .. ... ..... .. ... .. ........... .. ................. . ... 19 1.6 References..... ..... ..... .. ... .. .... ..... .... ....... .. .... .. .... ... ... .. ... .. .... ... ... .. .... ... .. .. ... ... .. .. .... ...... ... ... .. ... ... ... . . ... 22

Chapter 2 Wall-thìckness and Materia l Grade SelectiollJ 23

2. l Generai........... .. ... .. ... ... .. .. ... ... ... ... ..... ... ... ... ... ... ... ... . .. ... ....... ...... .... ... .. .. .... .. ........ .. .. ... ... ... ...... .... .. . .. 23 2.1 .1 Generai..................... .. ........ ...... .... ... ... .. .. .... .... .. ..... .... .. .. .. ... ... .. ..... .... ...... .. ......... .. .... . .. .. ... 23 2. l .2 Pipeline Design Codes ... ..... .... ...... ... ..23

2 .2 Materia! Grade Selection.. .. ..... ... .. ... ... ......... ... ...... ..... ... ... .. .... ...... .. .... .... . .... .... ..... ........ ....... 24 2.2.1 Generai Principle... ... . .. .. ........... .............. 24 2.2.2 Fabrication, Installarion and Operating Cost Considermions ... ..... . .. .... ...... ... ........ .. .. .. ...... .. 25 2.2.3 Materia! Gradc Optimization ............. ............. .. ...... . . .... ..... .... ...... ......... ......... 25

2.3 Pressure Containment (hoop stress) Design... ..... ..... .. ... . .. ...... ....... ..... .... .... .......... .. ........ 26 2.3.1 Generai.... ... .. .............................. ........... .. .... ..... .. ..... ..... ........ .. .. .. .. ... .. ... 26 2.3.2 Hoop Stress Criterion of DNV (2000) ... ................. .. .. .. ........ ..... .. ... .. .. .. ... .. .. .. .. ... ... 27 2.3.3 Hoop Stress Criterion of ABS (2000) .... .. .. ... ....... ... .. .. ....... .. .. .. .. .......... 28 2.3.4 API RP 11 11 (1998) .... ....... .... .... .. ....... .. .. .... ...... ... .. .. .. ... .. .... ...... .... ... ............ 29

2.4 Equivaient Stress Criterioo .. .. . ...... ...... .......... ...... ............. .... .. ........ ..... .. ........ .. .... .. .. .. .. ..... .. ............ ..... 31 2.5 Hydrostatic Collapse ........ ............ ........................... ... .... ... .. ... .. .. .. ... ... .... .. ... .... ...... .... ..... ....................... 32 2.6 W ali Thickness and Lcngth Design for Buckie Arrestors .... .. .. ..... .... ......... .. ..... ..... .... ..... ..... .. .. ... .. .... ... .. 34 2.7 Buckle Arrestor Spacing Design.... .. .... .. ..... ..... .... ... ... .... ... .. .. .. ... ........... 35 2.8 Refèrences . .. ........ ..... .. .. .. .............. ... .. .... ..... ... ... .. ... .. .. .. ........ ... .. ....... 36

Chapter 3 Buckling/Collapse of Deepwater Mctallic Pipcs 39

::;, l Generai ............ ... ............ ....... .. ... ... .. .. .... .. ......... .... .. .. ... .. .. .. ... ....... ... .. ...... ....... .. .. ........ . 39 3.2 Pipe Capacity under Singie Load .. .. .. .. ..... .... .. ............... .... .. .... .. .. .. . . .... .. .. ... ... .. ..... .... .. .. .. ... .40

3.2.1 Generai ... .. .. ... ..... ... ..... ..... .. .... .. ... ... ... .. ... .... .. ..... .... ... .... ..... ..... . . ... ..... .. ... .... ... ... .. .. .. .. ....... ...... 40 3.2.2 External Pressure ......... .. ..... .. .......... .. .. .. ..... ... ... ... .. ... ...... ... .... . . .... , ... .. ........... .. .... ... ... ...... .... .41

Bending Moment Capacity ..... ........ .. .. .. .............. ... .... . . . ..... ..... .... .. .. ... .. .. .. ... .. .. .. ... .. .. . 44 Pure Bending .... .. ... ... .. ... .. .... .. ... ..... .. ..... ..... .. ... .

3.2.3 3.2.4 3 2.5 3.2.6 3.2.7

Pure Internai Pressure ... ... ... .. ............. ... ... .... .. .......... ...... .. ....... .. .. ..... ..... .. . .. .... ... 46 ..... . .46 .. .... 46 Pure Tension .. .. ....... .

Pure Compression ............. .. ... .... .. .... .... ...... ... ..... .... ... .. .. ... .. ..... .... .. .. ... ... ........ ............ 47

\Il

.> .. > Pipe Capacity under Coupk Lond... .. . ............. ,......... .... .. . ............. ·17 3.3. 1 Combined Prcssure and Axial Force ... ... ......... .. ..... .... .. ....... ... . ... •17 3.3.2 Combined External Prcssure and [knding...... .. . .. ..... ... .. .... .. ....... .... .. . ... 48

3.4 l'ipcs undcr l'rcssurc i\xìal Forc~ and Bending ...... .. ... ............ .... .. ... ... . .. . 49 3.4. 1 Case l - Corrodcd Arca in Comprcss ion .. .. ... .. ... ..... ... .. .. ..... .. .. .. 49 3.4.2 'l'be Lucation ofthe Fully Plastic Neutra! Axis.. .................... .... .. .... .... .. .... .. ..... .. .. . .. ... 5 1 3 .4.3 The 13cnding Momcnt ................. .. .. .... .. .. .... .. .... .. .... .. ....................... .. ..... ............ .. .. .. .. .. .. .. .. .......... 5 1

3.5 Finite Element Mode!........ ....... .......... ..... ... ... .. .... . . ..... .... .. ...................... ....... ........... .... .. , ................. 55 3.5. 1 General .. ..................... ...... ..... ........... .. .. .......................... .............. .. ..... ... ... ... .......... .. ........... ...... ..... 55 3.5.2 Analytical Solution Versus Finite Elcment Resuhs .......... ... .. .. ............................... ..................... .. 56 3.5.3 Capacity ofl'ipes Subjccted to Sing le Loads .............................................. ......... .......... ................ ·6 3.5.4 Capacity of Pipes Subjected to Combined Loads .............................................. .......... ................... 58

3.6 References ................. .................................... .. .... .. .... .. ................................ ........................... .. .. ............ 61

Chapter 4 Limit-state bascd Strength Design 63

4 .1 lntroduction ... .... .. .. .... .......... ... ... ..... .. ... .. ... ......... .. .... .. .. ...... ... ... ...... ... ...... ... ........ . ....... 63 4.2 Out of Roundncss Serviceabil ity Limit.. ... .... .. .. .... .... .. ..... ....... .... ... ....... ...... ........... :.. ..... .. .... .. 64 4.3 Bursting..... ...... ...... .. ... ..... ... ................... .... ... ... .... .. ... ........................ ..... .... .. .... .. ........ ..... .. . .. ......... 65

4.3.1 Hoop Stress vs. Gquivalent Stress Criteria .......................... .. ... .. ........ .. ... ..... ...... .... . .... .. ......... ....... 65 4.3.2 Bursting Strength Criteria for Pipe! inc ..... ..... .. ........... .......... ......... .. .... .... .. ..... ... ...................... ....... 65

4.4 Local Budding/Collapsc ............... ............ ....... ......... ... .... .. ................... .. .... ......... ...... ............... ............. 67 4.5 Fracn1re ..... ............... ...... ..... ........... .... ............. ................. ..... .. .......... .... .. ................... ..... ...... .... .... ..... .... 70

4.5.1 PD6493 Assessment ............... ................ .............................. .......................... ................................ 70 4.5.2 Plastic Collapse Assessment .............. ............................. ....................................... .. ...................... 72

4.6 Fat igue .. .. .. .......... .. .... ..... ...................... ....... ..... ....... ....................... .... ..................................................... 73 4.6.1 Generai ...... .............................. .... ... .. ............... ..... ........................................ .. ...... ...... ... ..... .... ...... .. 73 4.6.2 4.6.3

4.7 4.8 4 .9 4. 10 4. 11

Fatigue Assessmcnt bascd on S-N Curves .. ...... .. .... ........................ ... .... ...... ... .. ..... ...... .... .... .......... 74 Fatigue Assessment based on t.E-N Curves ........ ................. .. ... ..... .... ...... .......... ...... ... .. ......... ........ 74

Ratcheting ........ .... .. .............. ........... ...... ............... ............ .. .......... ... ... ... ..... ... .. ... ....... ..... .. ..... ...... ......... .. 75 Dynamic Strength Criteria ...... .... .......... .... ... ..... .. .. .... ... ........ ........ .. .... .. ........ .... ... ..... .. .. ....... ........ .. ... ...... 75 Accumulated Plastic Stra in ... ... .. ..... ...... .... ...... .. ........... ... ....... ... .... ......... ..... .... ... .... ... ......... .................... 75 Stra in Concentration at Fie id Joints Due to Coatings ...... ........................ ....... .. ... .. .. ...... ...... .. ......... ....... 76 Rcferences ........... ....... .. ... ......... ... .. ........... .... .. ..... ....... ...... ................... .. .... ..... .. .... .... .. ......... .... ............. 76

Chapter 5 Soil and Pipe Interaction 79

5.1 General ........................................................ .................................. ................................... ...................... 79 5.2 Pipe Penetration in Soil ............. ............... ... .... .. ..................................................... ................................ 79

5.2. 1 Verley and Lund Method ...... .. ... .... .. ... .... .. ............ ........................................ .. .. ........ ..... ................ 79 5.2.2 Classica! Method .. .. ..... ...... .... ... .. ... ... .... ..... ... .. .. .... ........ ... .. ................. ... .... ..... ... .. ....... ......... .... .... ... SO 5.2.3 Buoyancy Method .... .. .............. .. .. .... ... ...... .. ................................. ...... .. .. .. ... .. ...... ....................... .. 81

5.3 Modeling Friction and Brcakout Forces ... .. .......... .... ........... .. ............... .... ...... .. ........ .. ... .... .. ......... ... .. .. . 82 5.3.1 Anisotropie Friction ........ ... ....... .... .. ........... .. .. ...... .. ... ..... .. .. .... ........ ..... .. .. ........ .. ......... ........ ..... ..... 82 5.3.2 Breakout Force ........... .. ..... ......... .. ..... .. .......... .. ... ... .. .. ..... .. .. ... .. .... ..... ..... .... ..... .. ...... ... .......... .. ....... 82

5.4 References .. ..... ..... .............. .......... ...... .................. ... .... ..... .......... ... .... .. ... ............ ... .... ... ....... .. ........ .. ....... 83

Chaptcr 6 Hydrodynamics around Pipes 85

6. 1 Wave Simulators ................ ..... ...... ..... .................. ...... ........................................................... .. ............. 85 6.2 Choice of Wave Theory ................................ ....... ....................................... ..... .............. ......... .. ............. 85 6.3 Mathematical Formulations used in the Wave Simulators ............................. ............ .......... .............. .... 85

6.3. 1 Gencral ....... ..... ..................... .. ... ......... .... ... ..... ... .... .. ... .. .. .................... ..... ..... ..... ..... ...... .... .............. 85 6.3.2 20 Regular Long-Crested Waves ......... .. ..... .... .... .. .. ......................... .. .. ........................................ 86 6.3.3 20 Random Long-Crcsted Waves ....... ................. ... ........... .. ........ ... .. ... .... ................ ........ ............. 87

6.4 Steady Currcms .. ... .......... .. .. ...... ..... .. .. .... .. .... .. .... .. ...... .. .. ... .. ...... .. ............. ..... .. ........ .. .... .. ..... .... .. ... ..... .. 90

( 'ont<.:IJ!.'

6.5 llydrodynamic r orccs .. .. .... .. ... .. .... .. .... ..... .. .... .. . 6.5. l ll ydrodynamic Orag and lnertia Forces .. . .. .. .. . 6.5.2 Hydrodynam ic Li f1 Forces ... .. .. .. .. ... .. ..

6.6 Rcfcrenccs ..... ... ... .. .... .... ...... . .. .. .. ... .. .. .. ... ... ... ... .... .

Chapt(·r i Finite Element Analys is of ln-situ Behavior

Xlii

. .. 91 . ...... 9 1

..94 . ... .. 95

97

7. 1 lnrroduction..... ..... .. ... ....... ........ .. .... .... .. ... .... .. .... .. .... . .. .. .. ... ... .. .. .. ... .... . .. .... .. .. ... ... .. .. 97 7.2 Descript ion of the Finite Elcment Mode!... .. .. .. ..... .... .. . .. .. ... .. ..... .... .... .. 98

7.2.1 Sratic Ana1ys is Problcms.. .... .... ... .. ........ .... .. .. .. .. .. ... .. .. ...... .... ... . .. .. . 98 7.1.2 Dynamic Analysis Problems ... .... .. .. ......... .... .. .. ... .. .. ... ... .. 1 00

7.3 Steps in an Analysis nnd Choice of i\nalys i~ Procedure.. .. ......... .... .. ... .. ....... .. ... .. ..... .. . .. 1 O l 7.3.1 Tllc Staric Analysis Procedure........... ...... ...... ... ...... ... .. .... ... .. .. .... . .. ... .... ..... ............. ... .. .. . 101 7.3.2 The Dynamic Analysis Procedure .... .. .... .... ... .. ..... .. .. .. ... .. ... ... . .. .... .. .. ..... .101

7.4 Eleme nt Typeo used in the Mode!.. ... .. ..... ....... ..... .... .. ...... ...... .. ... .. .. ... .... .. ... .... ......... . 102 7.5 Non-linearity and Seabed Mode[.... .. .. ....... ... ... .. ......... ....... .... .. ........... .. .... .. ... ..... . l 04

7.5. 1 Materia! Mode l.. ..................... .. .. .. .. ... .. ... .. .. .. .. ... .. ... .. ..... ... .. ....... .l 04 7.5.2 Geometrica] non- linearity .. .... ....... .. .... .......... .. ........ .. .. .... ...... ..... .... ... .. . .... 105 7.5.3 Boundary Conditions .. .. ..... .. .... .. .......... .. ......... ..... .. .. ... ....... .. .. .. ... . .. .. .. ... .. ..... .. .. ... ... .. .... . 105 7.5.4 Seabed Mode! ... ... ... .. ... . .. .. ... ... ... ...... .. .. ..... ........ .... .. .... .. ...... .. .. ..... .. .......... ... .. ...... ..... ... ... .... ... ... ... ! 05

7.6 Val idarion ofrhe Finite-Element Mode!. . ..... ...... .. .. .. .. .. .. ... .. .. .. .. ... ..... .. ....... ... .. 106 7.7 Reterences...... ... . .......... .... . .. ... .. .. .. ...... ...... ... ....... .. .. ... .. .. .... .. .. .. .. .... .. ...... .. ........ .. ..... l 06

Chaptcr 8 O n-bottom Stability 109

8.1 Generai ... ... .. ... .. .... .. .. .. .... .. .... .. .. .... .. .... . .. .. .. .. ..... .. .. ... .. .... .. .. .... ... .... .. .. ...... . .. .. .. ........ ..... . l 09 8.2 Force Balance: Tbc Simplified Method .. ...... .... .. . ... .. .. .. .. ... .. .... .. .... .11 O 8.3 Acceptance Criteria.. ... ............ ... .. ... .. .... ............ .. ...... .. .. ..... .. .. ..... .. . .. I lO

8.3.1 Allowable Latera! Displacemenr.. ...... ...... ..... .. ... .. .. .. . .. I lO 8.3.2 Lirnit-state Strength Critcria........... ............. .... .. ... .. ... .. .. ... .. .... ..... .. ... l l O

8.4 Specia l Purpose Program for Stability Analysis .. .... .. .......... ..... ... .. .. ... ....... I li 8.4. 1 Genera i.. ... ........ .. .... .. .. .... ..... .. .... .. .... .. ................... .. ........ .. .. ..... .. .. .. .......... ..... 111 8.4.2 PONDUS ... .. ... .. .......... .... .. .. .................. .. ... .. ...... ... .. ..... ..... ........... ... .. ......... .. ....... .... .. ........ .. ....... 111 8.4.3 PIPE .... .. ... .... .. ......... .. ..... ......... .. .............. ........... .. ... .. ...... ........... ... .............. ...... .... ..... .. ....... .. ... 1 l 3

8.5 Use ofFE Ana lysis for lntervention Des ign. .. ... .. .... ..... ....... .... .. .. .... ...... .. ... ... .. .. .. ...... .. .. .. ....... 114 8.5.1 Design Procedure ... .. ...... ..... .. .. .... .... ........... ...... ... .. ...... ...... .. .. .. .. ... .. .. .. ....... ... .. ..... .. ....... ... ..... . ! l 4 8.5.2 Seabed lnrervenrion.. .. .... .. .. .... .. .. .. ... .. ... .. .... .. .. .. .. .. .. .. ... ....... .. .. .. .......... ..... l l 4 8.5.3 EfTect ofSeabed lntervent ion .... .. ...... .... ... ......... .. .... .. .... ...... .. .... ... .. ... ... .. .. ........ .... .. ......... .... ........ ] 15

8.6 Refe rences ..... ...... ...... ... .. ..... .... ..... ... ...... .. ... .... ... .. ... ... .... .. ... ... ..... ..... . .... ....... ... ...... ... .. ........ ... .. .... ...... .. ! 16

Chapter 9 Vortex-induccd Vibrations (VlV) and Fatiguc l 17

9.1 Generai.... ... .... .. ..... .. .. .. ........... ....... .. ... .... .. ...... .. .. ..... ........ .... .. .. .... .... . .. ....... .. . 117 9 .2 Free-span VIV Analys is Procedure .. .... .. .. ... .. .. ... .. .... ... .. .. .. .. ........ ........ ... .. ... .. ... ... ..... ... .. ............ 119

9.2. l Structural Analysis.... ........ .... ....... .. ... .. .... .. .......... .. ........ .. .......... .. ........ .. .... ....... .... ... ... .. .. ... 119 9.2.2 Hydrodynamic Description .. .. .... .. .... .. ... .. .... ........ . .. ............. ....... ................ ... .. .. .. .. .. .. ... .. 120 9.2.3 So il Stiffness Analysis .... .. .. .... .. ... ...... ...... ...... ..... .. .. .. .. ..... .... ..... ...... .. ...... .... .. .. .. ..... .... ..... .. 121 9.2 .4 Vibration Amplitude and Stress Range Analysis . . .... ..... .. .. .. ... .. .. ...... .. ........ .... ...... 124 9.2.5 Fatigue Mode!... .. .. ..... .. ........ ..... .. ...... . ..... ... .. ...... .. .... .... ........... .. ... .. .. ... .. ... ..... ...... ..... .... .. 124

9.3 Farigue Design Critcria ............ .. .... ....... ......... .. .......... .... ... .... .. ...... .. .... .. ....... ... .. ................ ............. .. 124 9.3.1 Accumulated Fat igue Darnage ....... , ... .. ...... .. .. .... .. .... .. .. .. ..... ......... .. .... .. ........ ....... ........ ......... .. ..... 124 9.3.2 S-N Curves .. .. .. .. .. ..... .. .. .. ..... .. .. ........ .. .... ... .. ........... .... .... .. ...... .. .. .. .. .. ... ... 125

9.4 Rcsponse Arnplitude ..... .. ....... .... .. .... ........................... .. .. ...... . .. . .. .... .... .... .. .. .. .. ... ... .. ........ ...... .. . 12 5 9.4. l ln-line VJV in Current Dominated Conditions....... .. .. ...... . .... ...... .. .. .. .. .... .. .. .. .. .. ... .. . .... .... . 125 9.4 .2 Cross-flow VIV in Combined W ave and Curre nt.. .... ..... .. .. .. .. ....... ... .. .. .. .. .... ..... .............. 128

9.5 Moda! Ana lysis ..... ..... .. .. .. .... ..... .. ... ........... .... .. ........... .. .. .. .. .. . .. .... .. . .. ... .. .. ... ... 129 9.5.1 lntroduction ............... ..... ........ .... .. .... .... .... ... ..... ............ ....... ... ..... ... .... ...... . .. ..... ... .. ........ .. .... ........ 129

>.l\' ( 'onten1s

9.5.2 Single Span Moda l Analysis ......... ....... ... ... .. ..................................... . . .... .. .... ...... ....... ...... 130 9.5.3 Multiple Span Moda! Analysis ....... .. .. .. ... ...... ........... ... ....................... . . ...... .. .. .... .... ... . .. ... 130

9.6 l::.xmnple Cas~s ... .. .. ... ... ..... .. ... ..... . .. .. .. .......... .... .................................. ..... . . .......... ...... ........... 131 9.6.1 Generai.. ..... ... ..... ............... .. ... ... .. .. .. .... .................... . 9.6.2 Fatigue Asscssmcnt... .... .. .... .. ........... .. .

<). 7 Rcferences ... ... .. .... .. ..... .. .... .. .... ... .. .. ............. .

Chaplcr IO Force Mode! and Wave Fatigue

.. .. .. .. .. .. .. 13 l .. .. 133 . .. .. 135

137

IO. l lntroduction ................................. ...... ..... ....... ........................................... .......... .......... ........ .. ............ 137 10.2 Fatigue Analysis ............ ... ........... ......... ................... ............................. ... .. .................. .. ........ ............. .. l38

l 0.2.1 Fatigue of Frcc-spanning Pipelincs ........................ .................................... .................................. 138 10.2.2 Fatiguc Damagc Asscssment Procedure ...................................................................................... 140 10.2.3 Fatigue Damagc Acceptancc Critcria ........ .. ............................ ..... .......................... ...................... l41 l 0.2.4 Fatigue Darnage Calculated using Time-Domain Solution ............................. ... ........ .... .. .......... .. 142 l 0.2.5 Fatigue Damagc Calculated Using Frequcncy Domai n Solution ...... ...... ............ ...... .. ..... 142

l 0.3 Force 1\tlodel....................................... .... .... .... .. .... .......................................... . .. ........ .. ..... .. ... .. 144 l 0.3.1 The Equation of lll· linc 1\tlotion fora Single Span.. ..... .. ..................... .. .. ..... .... .... .. .. .... 144 10.3.2 Moda! Analysis ............. .... .. .... ....... ......... .... ...... ...... ...... .............. ... .. ...... 145 l 0.3.3 T ime Domai n Solution ................. ..... .... .. ........... .. ... .. .................. ...... .... ................... .. .147 l 0.3.4 Frequency Domai n Solution.... .......... .. .............................. ... ................. ......... ............. 150

l 0.4 Comparisons of Frequency Domai n an d T ime Domai n Approaches ........ .... ...... .. ......... ......... ............ 152 l 0.5 Conclusions an d Recommendations .......... ....... ................................ ......... .. .............. ............ ............. 153 l 0.6 References ................................ ............................................ .. ........ ... ........................... .. ... ................. 154

Chapter Il Trawl l mpact, Pullover and Hooking Loads 155

l l. l lntroduclion ........... .................................... ........................ ......................... .. .................. .. ........ .......... l 55 11 .2 Trawl Gears ... .. .. .......... ... .. ... .. .... ................. .. .... .. .... ..... .. .. ....... ...................... .. ... ..... ............. ... .............. l 55

11.2.1 Basic Types ofTrawl Gear ............... .. ... .. ............. .. ........ ................. .... ...... .. .. .. ... .............. ........... 1.55 l 1.2.2 Largest Tra wl Gear in Prcsem Usc ..... .. .... .. ................ ... .... ........ ............... ... .. .. .... .... .. .................. 156

l 1.3 Acceptance Criteria ............................... ..... .... ..... ... ......... ......... .. ........ .. ... ..... ...... .. ... ...... ... .... ... ... .......... 156 11.3. l Acceptance Critcria for 1mpact Response Analyses ............................ .. ..... ..... ... .. .... .... ..... .. ........ 1.56 11.3.2 Acceptancc Criteria for Pul lover Responsc Analyses ........ ............................. .... .. ... .... .. ........ .. .... 157

l 1.4 lmpact Response Analysis .............. ....................... ... .. ...... ... ........................ ......... .. ........ .. ........ .. ......... 157 l l .4.1 General .............. ......... ....... .................................. ............ .. ........ .. ..... .............. ..... ............... ..... .... . l 57 l 1.4.2 Methodology for lmpact Resj)Onse Analysis ............................. ..... ..... .. ............................ .......... 157 l l .4.3 Steel Pipe and Coating Stiffness .................................................................................................. 160 11.4.4 Trawl Board Stiffncss. Mass and Hydrodynamic Added Mass .................................................... l63 11.4.5 lmpact Resj>Onse .................... ........................... .................................................. .. ....................... 165

l 1.5 Pullover Loads ........................................................................................................................... .. ........ 166 11.6 Finite Element Modc1 for Pullover Response Analyses ........ ........................ .. ..................................... 168

l 1.6.1 General .......................... .. .. ...................... .. .. .. .. ....................... ..... .. ... ... .. .. ... ...... .. ... ... .... .. .... .. .... .... l68 l 1.6.2 Finite Element Models ............ ............. .. ............... .. ........ ..................... ............. .. .. ... ......... ...... .. ... 168 l l .6.3 Analysis Methodology ....... .. ......... ..... .... ......... .. .... .. ........ .. ......... .. ......... .. .. ..... .. ... .... .. ..... .. ...... ...... 169

11 .7 Case Study .. .. .. .. ................................................... .. .... .. ... ........... ........................ ...... .. .. ..... .... .. ... .. .. .... .. 170 l 1.7.1 Generai... ... ................ ............. .............. ............. .. ... .. ... .................... .. .. ..... .. ............. 170 11.7.2 Trawl Pull-Over For Pipelines on an Uncvcn Seabcd.......................... ..... .. ............. 170

Il.& References ................ .. ................................................. ... ................... ...................................... ..... ..... l 75

Chapter 12 lnstallation Design 177

12. l lnrroduction........................................ .. ...................... .. .......... .. .............. ................................. 177 12.2 Pipcline lnstallation Vessels ............ ............ .. .... ... .............................................. ................................. 178

l 2.2.1 Pipelay Scmi-Submersibles ................. ... ... ......................... ...... ............................. ..... .................. l78 l 2.2.2 Pipelay Ships and Bargcs .......... .. .... .. .......... .. .......... .. ................... .. ....... .. .............. ....... .. .. .. ..... .. ... 182

12 .2.3 12.2.4

Pipelay Rcd Sh ips ........... ............... ......... .... .... .... .. ...... .. .. .. .. ........... .......................... .. .... 183 fow or Pull Vessds ......... ....................... ............ .......... .... .. ......... ...... ........ ........... ... ...... ........ .... 184

l :u Software OfFP1PE and C od~ Rcquircmcnts... . .. ... .. .. .. ....... ... ....... ...... 1 RS 12.3. 1 OFfPIPE ...... ................. .......... ..... ............. ...... ..... ... ... ................ ..... ... ............ .... ... ....... ......... ..... . 185 12.3.2 Code Requ ircments ... .. .. .. .. .. ... .. .. .... .. .. . .. .... .... .. . ....... .. .. .. .. .. ... .... ... ...... .......... ... ...... .. ..... 186

12.4 Physicall3uckground lor htstallation .. ........... ........ ..... ..... .. ............... ...... ... ..... .. ... ........... ... .. ........ ... .... 186 12.4.1 S-lay Method .. ......... .. .... ...... .... .. .... .... .. .. .... ... ... .. .. .. . .... ........ ...... .. ..... .. ... .... ........... ... ........... . 186 12.-1.2 Static Conliguration ...... ......... ..... ....... ....... ........ .. ..... ... .. . ....................... .... .... ... ......... .... ... .. .. ..... .. 188 12 .4.3 Curvawrc in Sagbcnd .... .. .... .... .. ... ..... . .. ...... ... .. .. ... .. ....... ........ ...... ....... .. ........ .. ...................... 188 12.-l..l Hydrostatic Pres.~ure ................. ........... .... .. ........ .. ..... ... ... .... ......... .... ..... ... .. ....... ......... .. ..... ... ... ..... 191 12.4.5 Curvature in Ovcrbend .. ... .. .. .... .. ........... .... .. .. ......... ... .... ..... ... ...... ..... .. ........ .................... ............ .. l92 12.4.6 Stra in Concenrration and Residua l Strain .... .... ... ..... ... ......... ....... ... ....... ... ........ ....... .... .. .. ............. 193 12.4.7 Rig id Section in thc Pipcline .. .. .. ............ ... .. .... ...... . .... ..... ............ .. .......... ..... .... ......... ...... 193 12.4.8 Dry weighliSubmerged weight ..... ... .. .. .... ............. .. ... ......... ... ........ .. ...... .... ... ........ .......... ......... .... . l94 12.4.9 Thcoretk<tl Aspccts of Pipe Rotation .. ..... .. ...... ... ......... ... ... .... ..... .. .. ........... ......... .......... .. ............ . l96 12.4.10 htstallation Behaviour of Pipe with Residua l Curvature .... .... ...... .... ................................... ..... 20 l

12.5 Finite Element Analysis Procedure for lnstallation of In· li ne Valves .. .... ........... ........ ....... .. ...... .... ...... 204 l 2.5.1 Finding Stati c Confìguration ... ...... .............. ... ...... ....... ..... ..... .. ...... ... .. .. .. .... .......... .. .... ... .......... .. ... 204 12.5.2 Pipe line Sliding on Stinger .... .. ... .... .. ...... .. .. ........... .. .... ....... ... ....... .......... ........................... .. ......... 207 12.5.3 lnstallation of ln-line Valve .... ....... ............. ... ....... .... .... ... ..... ....... ... ..... .......... .. ... ....... ...... ....... ... .. 208

12.6 Two Medium Pipeline Design Concept ...... ... .. .. ........... .. .. ...... .. .... ....... .... .......... .......... ................... ..... 209 12.6.1 lntroduction ... .... .. .... .... ............. .... ........ ................. .. .. .. .... .. ..... ... ....... ... ...... ... ... ..... .. ................ .. .... 209 12.6.2 WaJI-thickness Design for Three Medimn and Two Medium Pipelincs .... .... .......... .............. .... .. 2 1 O 12.6.3 lmplication t o lnstallmion, Tcsting and Operation .......... ... ........ .. .... .. ......... .. ......................... ... ... 2 11 12.6.4 lnstalling Free Flooding Pipclines ....... .. .... ........... .................. ...... .... ............... .... .......... ............... 2 l l 12.6.5 S-Lay vs. J-Lay ... .. .. ... .. ....................... ... .. .. .... ....... ...... ....... .... ..... .... ..... ... .. .. ... ....... . , ...... .......... .. ... 2 13 12.6.6 Economie lmplication .... ........... .. ... ..... ... .............. ...... ..................................... ........... ........ .......... 2 15

12.7 Rcferences ... .. .............. ...... .... ..... ....... ........ .... ..... ....... ... ... ... ......... ... .. ..... ...... ...... ... .... .... ....... .... , .. ... ... .. 2 16

Cha ptcr 13 Reliab ility-Hased Strcngth Design of Pipclincs 2 19

13. l Generai ........ .. ..... .... .. .... .. .. ..... ...... .. .. .. ........ ...... ..... ... ..... ... ........ ... .... ........ .. ... .......................... .. .. ....... .. 2 19 13.2 Reliability-bascd Design ................... .. ... ............ ..... ............ .................................. ............ ............. ... .. 220

13.2. 1 Generai ........... .. .... .... ..... .......... ... ..... .... ... ... ..... ....... .. .... ... .. ... ... , .. ..... .. .. .. ..... ..... ..... ...... ... ... ....... ..... 220 13.2.2 Deterministic vs. Probabilistic Design ...... .. ................. ............ .... ...... ... .......... .... ..... ........... ..... .... 220 13.2.3 Load Cftècts and Combinations .. ........... ....... .. ....... ... ... .. .... ..... ............. .... ... ...... ... .. ..... .... ... .. ..... ... 220 13.2.4 l RFD Design f ormat ..... ............................. ...... ...... ...... ................... ................ ............................ 22 1 13.2 .5 Calculation ofFai lure Probabi lity ..... .. ... .... ..... .... .. .. ..... ... .. ...... ............. ................ ..... ....... .. .. .... .... 221

13.3 Unccrtainty Mcasures .. ............... ..... ....... ................ .. ........... .......... ...... ...... .... .................... .... .. .... ... ..... 222 13.3. l Gencra l ....... .... .. ..... .. ... ... .. .... .... .. .. .... ..... ............ .... .. .. ... ... ...... .. ........... .. .. .. ..... ... ....... .... ..... ..... ... .. .. . 222 13.3.2 Classification of Unccnainties ...... .............................. ...... ....... ................... ............. ...... .. .. ...... .... 222 13.3.3 Selection of Distribution Functions ....... ....... ..... .... .. .... .. ..... .. ... ....................... .. ...... .... ...... ............ 223 13.3.4 Determinarion of Statistica l Valucs ............ ..... ...... .. .... ... .... ...... .... ............................ ..... .. ........ .. ... 223

13.4 Calibration o f Safety l'actors ... .. ... . .. ... ...... .... .. ... .. ... .... ........ .. ...... .. ... ... ... .................. ......... ..... .............. 223 13.4. l General .................... ............ ............ .... ..... , .... .. , .......... .. .......... ...... ... ........... .. .... .... ~ ................... ... 223 13.4.2 Target Re liability Lt!vels ... ........ ......... .. ...... ..... ... .. .... .. .... .. .......................... ... ....... .. ........ .. ....... ..... 224

13.5 Buckling/Collapse of Corrodcd Pipes .... ..... ........ .... ..... ........ .... ..... ..... ....... ........... .. .. ... ..... ...... ...... .. ... ... 224 13.5. 1 Buckling/Collapse ...... .. .. .. ... ..... ... ...... .... ..... .. ... .. ... ... ... .. .... ... .... ................ ......... ........ .. ......... ..... .... 224 13.5.2 Analytical Capacity Equation .. ..... ... .... .. ...... .... , ..... .. .... ..... ....... ...... ... .. .. ........ .. ............. .. ...... ...... ... 225 13.5.3 Design Format .. ... ..... .......... .... ... ......... .. .... ... .... .... ... .... .. ....... .. .. ...... .. ........ .. ........... ...... ............. ..... 225 l 3.5.4 Limit-State Function ..... ....... ..... ............. .. ..... .. , ................ ..... ..... .. ........ .......... ...... .. ......... ...... .... ... 225 13.5.5 Cali bration ofSafety Factors .... ...... , ... .. ... ... ..... , .... ... ..... .... ... .. ....... ... ............................................. 226

l 3.6 Conclusions ................. .... ..... ........... ................ ....... .. .... ..... ... ... .. ... ... .......... ... ...... .... .. .. ...... .. ............ .. .... 227 13.7 Rcfcrences .. .... .......... ....... ... .... .... .. .... ... .. .. ... .. .. .... ..... ..... ....... .... .. ..... .............................. ..... .................. . 227

XVI Conlenl.\

Chapter 14 Remaining Stren~th of Corroded Pipes 229

14. 1 lntroduction ... .. .... .... ... ... ....... .... .. ... .... ... ..... ... ... .... .......... ...... .... .. .... ... ... .... . . .. .......... 229 14.2 Rcview of Existing Critcri a......... ......... ... .... .. ... . ........ .. .. ...... .. .. ... ..... .. 230

l 4.2.1 NG- 18 Criterion ..... .. .. ... .... ..... ... ... .. . ... .. . .. .. .. .... .. ......... ... .. .. . 230 14.2 .2 133 JG Critcrion.. .. .. .. .... .. ........... . ... .. ......... ..... .. ..... . .. ....... .. .. .. ... 23 1 14 .2.3 Evaluation of Existing Criteria.. . .... ... . ... .... ..... ............ ..... . .. .... .... .. ..... ..... ... ..... 232 14.2.4 Corros ion Mechan ism .. ...... ........ . .. .. .. .. ......... ....... ....... ........ ..... ... ....... ...... ...... ... .. 232 14.2.5 Materia! Paramctcrs ......... .. .. .... ... . ....... .... ....... ............... .... ...... ..... .... ...... .. .... .... .. .. .... ... .. .. .. ... 235 14 .2.6 Problems excluded in thc 031 G Criteria ... ......................................... ............... .......................... 236

14.3 Development ofNew Criteria ........ ............................. ................................ .. .... ..... ..... ......................... 237 14A Evaluation ofNcw Criteria .................. .. ............................................ .................................................. 240 14.5 Reliability-based Design ........................ ................................................. ............................................. 240

14.5.1 Target Failure Probability ........ .................. ..................... ..... .. ............... ..... .... ..... ..... ......... .. ......... 24 l 14.5.2 Design Equation and Limit State Function ........... ........................... .......... ...... .... .... .... ... .. ........... 241 14.5.3 Uncertainty .. ..... ..... ........................ .. ................ ........... ........... .. ... ............... ....... .... .... .... .... .. .......... 243 14.5.4 Safety Leve l in the 03 1 G Criteria . ............ .... . ......... .. .............. ........... .............. .... ...... .. .. .... ... ... 245 14.5.5 Reliability-bascd Calibration ............... ...... .. ... .. .. ... .. .. .... ...... ... .......... ..... ...... ...... .... .. ... .. .. ... .. ... .. .. 245

14.6 Example Applications ... ................ ... .. .... .. ...... .. ... ... ... ... ..... .. .. ... .... ........ .. .... ......... .. ... ... ... .. .... .. ....... ....... 246 14.6. 1 Condition 1\sscssrnent ..... ..... ...... ..... ....... .. ... ... .. ... ........ ........ ... ...... ...... ..... .. ... .. .... ..... ..... ... .. .......... 249 14.6.2 Rchabilitation ......... ............ .. .... .. ... .. ....... ... ......... .. ...... ... ...... .................. ...... ... ... ... .. .. ... ... ...... ........ 254

14.7 Conclusions ......................................... .......... .... ... ... ...... ... .. .............. .. .................. ... ... .. ......... ............... 254 14.8 Rcferences .. .......................................... ..... .. .... .. .... .. ........... ..................... ..... ......... .. .......... ... ......... .. ..... 254

C haptcr 15 Residua! Strength of Dented P ipe.s with Cracks 257

15. l lntroduction ....... ............................. ............ ..... ............. ............... ...... ...... ........................ ...... ............... 257 l 5.2 Fracrure of Pipes with Longitudinal Cracks ......... ............................................ .. ... .. ............................. 258

15.2. l Failure Pressure o f Pipes with Longitudinal Cracks ...................... ......... .......... ...... ..................... 258 15.2.2 Burst Pressure of Pipes Containing Combined Dent and Long itudinal Notch.... .259 15.2.3 Burst St rength Criteria .. ... ....... ........................... .................. ..... .. .. .......... .. .... ........ .......... ... .. ... . . 26 1 15.2.4 Comparisons with Tesi. .............. ... ...... ................. ..... ... .......... ......... .. ........ .. ... .. ..... ....... .. .. . 26 l

l 5.3 Fracture of Pipes with Circumfcren tia l Cracks ........... ....... .... ............ .......... .. .... .. .. .. .... .. .. ..... .. .. .......... . 262 l 5.3.1 Fracture Condition and Critica i Stress ............ .... ..... .. .. ... ... ........ .... .. ............... .. ... .... .... ........ ........ 262 15.3.2 Materia l Toughncss. K,, ......... .. ............ ..... ... .... ... .. .. ...... ... .. ...... ............ ... .... .. .... ... .. .. ... ... ... .. ...... ... 263 l 5.3.3 N et Section Stress, cr . .... ..... ...... .. ..... ..... .. .. .... ...... ..... ................ .... ........... ..... ...... .... ... .. ...... .. .......... 263 15.3.4 Maximum Allowablc Axial Stress ....... .. ............ .................................... ............. .. .................... ... 263

15.4 Reliability-based Assessmem and Calibration ofSafety Factors ......................................................... 263 15.4. l Design Formats vs. LSF ................ ......................................................... ............................ .......... 264 15.4.2 Uncertainty Measurc ....................... ............... ............................................. ..... .... ........................ 265 15.4.3 Reliability Analysis Methods .... ...... ............ ....................................... ... .. .. .. .......... .... ............... .... 266 15.4.4 Target Safety Level ............. ..... ..... ............... ..... .... .. ..... ...... ..... ... ... ..... ... ... ... .............. .......... .... ... .. 267 l 5.4.5 Calibration ........................... .... .... ... ...... ...... ......................... ... ... .. ... .. .. ........ ............... .. ...... .. .. ....... 267

15.5 Design Examples ... ................. ..... .. .... ... . ..... .. ...... ............ ............. ......... .. .......... ........ ..... ..... .. ....... .. ... .. .. 267 15.5. 1 Case Description ...... ...... ... .. ... ... .... ... .... ...... ... .... ........ ........ ... .. ... .. .. ......... .. ..... ...... ...... ..... .... ... ....... 267 l 5.5.2 Parameter Measuremenls .. ........... ... .. .. ....... .... ....... .. ........ .. .. .......... ...... ... ... ..... ... .. ..... ... .. .... .... ....... 268 15.5.3 Rel iability Assessments ... ..... ..... ..... .... ... .... .. .. ...... ... .. ... ... .... .. ........ ... .. .... ... ... ... .. .. ........ ......... ... .... . 268 15.5.4 Sensitivity Study ....... ... ..... ......... .. ........ .. ... .. .... ... ..... .. ... ... .... .. ............ ............ ... ...... ......... .. ..... .... .. 272 15.5.5 Calibration of Safcty Factor .................... .. ............... .. ............... .. ........... ..... ........ .. .. ..... .. ....... ....... 273

15.6 Conclusions .. ... ... .. ......... ........... ......... .. ...... ........... ................... .......... .... ... ... .. ....... ....... ..... ......... .. ... ... .. . 274 15.7 References .......... ................................ .............. .... .. .... .. ... .. .................... ..... .. ... .. ... ............... .. ............... 274

Chapter 16 R isk Analys is applied to Subsea Pipeline Engineering 277

l 6. l lntroduction ................... ............................. .......... .. ..................... .. ........ ............ .................... .... ..... .... .. 277 16. l .1 Generai ... ... ....... ........... ...... ....... ..... .......... ............ .......... ... .............. .......... .. ... .. ....... .. ............ ... 277

('onlents XVII

1 6 1.2 Risk Analysis O bjcctivcs..... . .. .. ..... .. .. .. .... ... ... ... ... .. ... .. .... ..... ..... ..... .... ..... .. ... ..... .. .. . ........ 277 16.1.3 Risk An;J iysis Conccpts .. ... .. . .. .. .... ...... .. .. .. .. .. .. .. .... .. .. .. .... .. .. .... .. .. ....... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .... 278

16.2 i\cccpta ncc Criter ia. .. .. ..... .... ... .. . ....... .. .. .. ..... ... .. .. .. .. .... .... .... .. .. .. .. ... .. ... .. ... .. ..... .. 2 79 l 6.2.1 Genew l .. .. .. ... .. .. .... ... .. .. .. ... . ... ... .. .. .. .... .. .... .. ... .... .. . .. .. 279 16.2.2 Individua i Ri sk . .. ...... ...... ..... .... .. .. .. ... .... ...... ..280 16 2 .3 Societal Risk .. ..280 l 6.2A Environmental Risk. ..28 1 16.2.5 Financial Risks .... .. .. .282

16.3 ldc ntification of lnitiati ng Events .283 16.4 Cause Analysis .... .. .. ........... .. . .................. ..283

l6.4. l Generai.... ..... ..... ... .. ............. .. ..... .. 283 16.4.2 Fault Trec Analysis .. .... .. .... .. .... .... ...... .. ... .......... 284 16.4.3 Event T ree Analysis ........ ..... .. ........ ...... ... .. ... .. ...... 284

16.5 Probabi lity of ln itiating Even ts .. .... .. .... .... .. ........... .. ..... ........ .. ..... .. ..... .. .. ... ... .. ....... ... ... 284 16.5.1 Generai .... .. .. ... .. ....... ... .. .. ....... ..... .. .... .. ....... ... .. .. ... .. .. ... .. .. ..... .. 284 16.5.2 HOE Frequency ... .. ..... .. ... ... ..... .. .. .............. .. .. . 285

16.6 Cuuses o f Risks ... .. .. ....... .. .... .. .. .... ...... ..... ..... ....... ... . ... .... .. ..2 87 16.6.1 Generai ...... ....... ... ....... ..... ..... .. .... .. ... .. .... .. . .. .... .. .... ...... ... ...... .. ..287 16.6.2 l" Party Individua i R isk ......... .. .... ......... ... ... ... ... .. .... ... ...... .. ....... .... ...... .... .. .... .. ... ... . ..287 16.6.3 Societal, Environrnental and Materia ! Loss Risk .. .. .. .. ........ ... ... .... ...... ..... .. ... .288

16.7 Consequence Analysis ........ .. ..... .... .. .............. ....... ......... .. ... ..... .. .. .. ....... ...... ... .. .. ..... . .. ... .. ... ..288 16.7.1 Consequence Modeling .. .. . .. .. .. .. .. ... .. .... ... ... .. .. .. .... ....... ... ...... .... ...... .. .. .... ........ 288 16.7.2 l" Party Individuai and Societal Risk . ..... ............ .. ......... .... ...... .... .. .. .... .. .. ... .. ... ....... ... .. ... .. .... 291 16.7.3 Environmental Risks ....... .. ...... ....... ...... ........ ...... ............ ... .. .. .. .... .. .. .... .. .. .. .. .... .... .. ... ... .... .. .. . 29 1 l 6.7.4 Materia! Loss Risk ............. ..... ................. .. .. .... .. .... .. .... .......... ..... .... .. ......... .. ........... ...... ......... 291

16.8 Example l: Ris.k analysis for a Subsea Gas Pipel ine .. ... .... .. .. ....... ... .. .. .... .. .. .... ... .. .. ........ .... ............ .. . . 292 16.8.1 Generai.... .......... .. .. ...... .. ........... ..... ......... .. .... ......... ... .. ..... ... .. . ,...... .. ...... ... .. .. .292 16.8.2 Gas Releases.. . ..... ....... ......... ..... .. ..... ...... ..... .. ... ... ... ... .. ... .. ... ... .. ... .. ... .. .. .. ... ... ...... ..... .. ......... 292 16,8.3 Ind ividua i Risk... .... ..... ........ ... .. ..... .... ... ........ .. .. ... .... .. ........ .. .... .. .. .. ... ... ..... .. ...... ... 294 16 .8.4 Societal Risk.. ... .... ... .. .... .. ...... .. ..... ... .... . .... ........ .. .. ......... .... .. .. .. .. .. .. ... ...... ... ... .. .. ... ...... ... ... 295 16.8.5 Environme ntal Risk ........ ...... .. .... . .. ..... .. .............. .... .. .. ... ... .. .. ... ..... .. ..... ... .... .. ... .. . 297 16.8.6 Risk of Materia! Loss .. .. .. .... .. ...... .. .. . .. ....... .. .. ..... ... .. 297 16.8. 7 Risk Estirnation .... .. .. ........................ .. .. . .. .. 298

16 9 Example 2: Dropped O~ject Risk i\nalysis .. .... ..298 16.9.1 Generai ... ...... .. .. ... .. ...... ... .... .. .. ... .... .. .... ..298 16.9.2 Acceptable Risk Levels .. .. ... .... .. ... ...... ... .... .. ... ...... . ... .. 298 16.9.3 Quantitative Cause Analysis.. .. .. .. ............ .. ..... .. .. ... ..299 16.9.4 Results .... .. ........... ... .. .... .. .. .. .. ... .. ... ...... ... .... ..... .. ..... ..30 l 16.9.5 Consequence Ana lysis.. .. ........ ... .. .. ..... ... .... ..... ............ .. .. ... ..302

16.1 O References .... .. .... ...... .... .. .. ..... .. ... .. ... .... .. .... .. ... ...... . .. .. .. .. ... .... ..... ..303

C hapter 17 Route Optimizat ion, T ie-in and Protection 305

17. 1 lntroduction.......... ..... .. ....... ....... ..... .... . .. ........... ......... ..... .... .. ... ..... ..... .. .... ... ...... .. .. .. ... ...... .305 17.2 Pipel ine Routing.... .. .......... .. ..... ..... .. .... .. .... ... .. ........ . .. . ...... 305

l 7.2. 1 Generai Principle........ .. .... .. .. ........ ..... ....... ....... .... ... ..... . ... ... 305 17.2.2 Fabrication, lnstallation and Operational Cost Considerations ...... .... .. .. .... .. .. ... .. ..... 306 l 7.2.3 Route Optimization .... ... .. ... .. ... ... ..... ..... .. .... .. ... .... .. .. .. .. .... .. ... .. ... .. ... .. .. .. ..... .. . .. .... .. ........ .. ...... ....... . 306

17.3 Pipe line Tie-ins .. . .. .. ... .. .. ... ....... ... .... .... ... .............. .... . .. .. ... .... ...... .... ... .. .. .. .. ...... .. .. ..... ... ....... .. .. ... 307 17.3.1 Spoolpieces ............... ... .. ...... .......... ......... .. ....... .. ... .. .... . .. .. ... ... .... .. .. ... ..... .. ... .. .. .. ... ... .. .. ... .. ... .... .. .. . 307 17.3.2 Latera! Pull. .. .. .. ..... .. .... ...... ... .. .. ...... ... . .. .......... .... .... .... .. .... .. .. .... ..... ..... ....... ... ..... .. .. ..... .. .. .. ... 309 17.3.3 J-TubePull-ln .......... .. ....... .. .... ...... .... .. .. ..... ...... .. ... .................. ... ........ .. .... .. ...... ...... .. .. ... .. .. .. .. ... .. . 310 17.3.4 Connect and Lay Away................... ............... ... .. .... ... ... ...... ... .. ...... .. .. .. ......... ..... .. ... ..... ... .. .... .. .310 17.3.5 Stalk-on. .. .. .... .. .. .... ..... .. .. ... .... ..... .... .. ... .. .. ..... .. .. ..... .. ....... .. .. .. .. ....... ... ... .. .. .. .. .. ... .. .. ... .. .. .. .... ... ..3 15

17.4 Flowline Trenching!Bury ing...... ... .. ... .... ........ ..... .. .... ....... .. .. .......... ....... .. ... ........ .... . .. 3 15 17.4.1 Jet Sled .. .. .. .. .. .... ... .. .. ...... 3 15 17.4.2 Ploughing.. .. ....... .... .... .. .. .. ... .... .. .... .. .. ... . 317

\\ Colll.tllls

22.2.1 l" Order W ave Loading ~nd Floatcr :Y1otion lnducèd F;uiguc .................... ..... ............... ........... .413 2~.2.2 ~nd Ordcr Floater Motion l nduc~d fatiguc ...... ........... ......... .. .... .. .. .......... .... . . .. 415 22 2.3 VIV lnduccd Fatigue.................. .... .. ... ... .... .. .. .......... ... .. .. .. ........ .. .... . .4 16 22.2 .4 Other Fatigue Causcs ...... ..... .... .. .. .. ... .... .. ..... .... .. .. ... ......... .. ...... .... ...4 17

22.3 Ri ser VIV J\na lysis Program ........ .. .. .... .. . ... .. ............ .. .. .. .. .... .. . .. .4 1 S 22.4 Flexible Riser Ana lysis l'rognun... .. .. ...... ... ... ..... ........ .. .... ... ..... .. .. ... ... .. .. .. .. .... .. .. .. . .. 4 19 22.5 Vor1 e:-: -induced Vibrat ion l' rediction ..... ....... ... .. .... .. ... .... ... .. ................. ... ..... .. .. .. .. .. .... .. .. ...... 42 1 22.6 Fatigue Life.... .. ... .. ... .. ... ..... ...... .... ....... .. .. .... .... ... .. ...... .... .......... ..... ... ...... .... ... .. .. ... ... .. ......... . .. .422

22.6.1 Estimate of Fatiguc Lifc ........... ..... .. .... .... .. .... ............ ................. .... .... ............ .......... .. ............ .. .. .422 22.6.2 Effect of lnspcction on r:'atiguc Analysis ................................. ...... ................................. ... ........ .422

22.7 Voncx-lnduced Vibration Suppression Dcvices .................................................. ................................ -123 22.8 Fatigue of Deepwatcr Mctallic Risers ..... ............................................................................................. -123

22.8.1 Gcneral ....................... ......... ...... .. ... ... .... ...... ............................. .... .......... .......... ..... ....................... 423 22.8.2 Riser Fatigue ................... ....... ......... ............ ....... ............................... ..... ......... ..... ............ .. .. .... .. .424 22.8.3 Conclus ions ................ .......... ...... ... .... .. .. .. .. ...... .. ... ... .. .......... ..... .............. .... .. .... ..... ..... ............... .. 430

22.9 References ... .... ........................ .... .......... ... ... ...... ....... ... ... .. .... .. ................... .. .... ........ ... .... .. .. .. .. .. ..... ..... .430

Chnptcr 23 Piping Systcms 433

23. l lmroduction .......... .. ... .. ... ......... .. .. .. .... ... ... ..... .. ......... .. ......... ... ....... ..... .. .. ... .. .... ... ................ ... ... ..... .... .. 433 23.2 Des ign Criteria ....... .. ... ... .................... ..... ..... ... .... .. ...... ... .. .. ... ........ .... .. .... ... .... ... .. ... . ....... ..... .. ... 433

23.2 .1 General .. ...... ..... ... .. ............... ........... ........ .... ....................... ..... .. .............. ... .. .... ..... .... ......... .. ..... .. .433 23.2.2 Allowable Stress/Strain Levels .. .... .. ............ ................ .. ............... .......... ... .. ..... ......... .................. 435

23.3 Load Cases .... ......................... ............. ..... ....... .......... .................. ..... ............... ..... ..... ... ... .... ................. 436 23.4 Finite Element Models ....................... ....................................... ............. .......... .... ....................... ......... 437 23.5 References ... ........ .... ................................... ............ ..................... ........... ......... ..... ............... .. ............... 439

C haptcr 24 Pipe-in-Pipe and Bundle Sys tems 441

24. 1 Generai .. ....... .. ..... ..... ..... .. ............ .. ... ....... . .. .... .... ...... ............. .. ........ .... .. .. ... ...... ......... .... ..... . .... .. 441 24.2 Pipe-in-Pipe System ... ... .. ......... ............ ... .. ... ... .. .. .. ... ..... .... ..... .......... ..... ... .. .... ...... . ....... .. . ... ... 44 1

24.2 .1 lntroduction ...... ... .. .... ... ...... .. ........ ... ....... .. .. ... .... .. ...... .. .... .... ... .. .... .... .. .. ... .... ...... . ... ... 44 1 24.2.2 Why Pipe-in-Pipe Systcms .... ..... ..... ..... .. .......... .... ... .. .. ... ........ .. ..... ..... ... ... .. ........ ... ...... ..... ....... .... 442 24.2.3 Configuration ............ ...... .. .. .... ..... ... . ...... ....... ... ... ... ... .. .. ......... ... ........ .......... ........... .. .... ... ............ 443 24.2.4 Strucrural Design and Analysis .... .... .. ......... ........ ...... ... ........ .... .... ...... ... ............... .... ..... ... ... .. ... ... 444 24.2.5 Wa ll-thickness Design and Materia) Selection .............. ................... .. ..... .............. ... .. ... ... ........... 446 24.2.6 Failurc Modcs ....................... ................. ................ ... ............... ...... ................... ..... ..... ... .. ............ 447 24.2. i Design Criteria ........................... ............ ...... ............. .......................... .... .......... .......... .... ............. 447 24.2.8 lnsulation Considerations ............................. .......................................... .. ... ...... ...... .................. ... 449 24.2.9 Fabrication and ficld Joints ....... ............................... .................... .......................... .. .. ............. ... .449 24.2. 1 O lnstallation .......... ............. ........ .. .... ...... ........... .... .... ................... ...... ... ................... ..... ..... .. ....... 450

24.3 Bund le Systern ... ... .. .. .......... .. ............. ... ... .......... .. .... .. .... .. ..... ................ .... ... ... .. ....... .... .. ...... .. .... .... .... .. 45 1 24.3.1 General .. ... .. .. ... ...... ................ ...... .. .. ..... .... .... ... .. ... ..... ............... .. ......... ... ... ...... ...... .. .... .... .. ........... 45 1 24.3 .2 Bundle Configurarions .......... ..... ... .. ............. .. ....... .. ... ... ............ ................ .. .. ... .. ... .. ... ....... ..... .. .. . .452 24.3.3 Design Requiremcnts for Bundle System ........................ ..... .. .... ....... ......... ................... ........ ...... 453 24.3 .4 Bundle Safèty Class Dcl'inition ....... ........ ......... ........ .. .............. ... .. ... .. ..... ... ......... ... . .. .... .. .... ... 453 24.3.5 Functional Requiremenr ....... ...... .. ... ..... .. .. ... ... ..... ..... ... ... ........... ... .. .. ... .. ... ... .. .. ... ....... ..... .. ... .... .... .4.34 24.3.6 lnsulation and Heat-Up System .... .. .... .. .... .. ........ ..... ................. .... .. .. ... ... .. ... .... ....... ..... .... ............. 454 24.3.7 Umbilica ls in Bund lc ........... ..... .. .... ....... ..... .. .... .. ............... ...... .... .. .... .... ..... ..... ......... .. ... .. ............ 455 24.3.8 Design Loads ....................... ............ ........... .. ..... ..... ...... ..................... ................... .... .. ........ ........ .456 24.3.9 lnstallation by CDTM .......... ............................................. ..... .. ........ ........... ................................ .463

24.4 References ........ ............................ ............................. .................................... .......... ...... ....................... 465

Cha ptcr 25 LCC Modcling a s :1 Occision Making Tool in Pipclinc Des ig n 467

25. 1 lntroduction .... ... ............... ............. ... ... ... ... .. ... .... ... ... .. ..... ............ ............ ..... . . .. ..... 467 25.1 .1 Generai .. .. .. .... ......... ....... .. ......... ...... ...... ... .. ............ .. ........................ ... .. .. ....... 467

:?S. I .::! Probabi listic vs . Detcnn inistic LCC modcls 2:'. 1.3 Economie Yil lue An<llysis

25.2 lnitia l Cost ... .. ... ... ...... . . .... ... .. .... . . 25.2 .1 Gener;tl . 25.2.1 25.2 .3 25 2.<-1

.V1ana~emeni

IJe~igr t/Erlgineeri n g, Services i'vfareriab and Fabrication

25.25 ìvlarine Operations. ~5 .2.6 Operation

25.3 l' inancial Risk 253 .1 Generai ..... 25.3.2 Probabil ity of Failurc .. .... .. .. .. .. .. .. ..

XXI

.. .. .468 . ..468 . .. 469 . . .469

.. ..... 470 .. 47 1

.. .. .. ... .. .. ... .. .. ..... .. .. .. .. .. .... ... .... .. .. .. ........ .. .. .. .... 472 .. ..... .. .. .. .. .. .. .. .. . . .. ... .. ... .. ... .. .. .. ... .472

.. .. .. ..... .. .. ....... .. .. .. ... .... ... . .. .... .472 ...... ..... .. .. ... .. ... ....... .. .... ... ... ... .. ...... .. 472 . .. ... ..... .. ....... .. .. .. .... ... ..... ....... ..... . .. .472

.. .. 473 25.3.3 Conscquence .. ... ... .. .... . .. .... .... . .. ... . .. .... .... .. .... ... ... .. ...... ... .. .... ...... .. ..... ... . .. .... . .... 4 73

25.4 T ime v« lue of Money .... ..... ..... .. .... .. .. .... .. ....... .. .... ..... .. .. .. .. .. .... .. .. .. . .. .. .. .. .. ..... .. .. .. ... .... ... . .. .. .475 25.5 Fabrication Tolcr«nce Ex«mplc Us ing tbc Li fc-Cyclc Cost Modcl .. ...... . ...476

25.5.1 Gener«l .. .. .. .... .. .. .. .... .. .... .. .. .... .. .... ... ... . .. .. .... .. .... .. .. 476 25.5.2 Background ... .. .... .. ... .. . .. ... .. ... .. .. .. .. .. .. ... .. .... .. ... ..476 25.5.3 Stcp 1- Detinition of Structurc.. .. .. .. .. .... .. ... ..... .. .... .. .. . .476 25.5.4 Step 2- Quality Aspect Considered .. .... .. .. .. .. .. . .. .. 476 25.5.5 Step 3- Failure Mocles Considerecl .. ... .. . .. .. .. ............ .. . 476 25 5.6 Step 4- Limit State Equations ..... ..... .. ... .. .. .. ... .. .. .. .4 76 25.5.7 Step 5- Deflnition ofParameters and Variables ... .. ...... .. .. .... .. .. .. ... .. .. .... .. . .. . 479 25.5.8 Stcp 6- Reliability Analysis .... ..... .. ...... .. .. . .. ... .. . .. ...... ... .. .. ..... .. .. .. .. .. .482 25.5.9 Step 7- Cost of Consequence ... ....... ... .. .... .. ... .. .. .. ...... ... .. ... .. ........ .. ....... .. .. .... .. .. .. ......... .. .. ... .. .. .. . .. .482 25.5.1 O Step 8- Calculmion of Expected Costs .... .... .. ... .. .... .. ... .... .. .. ... .. .... .. .. .... .. .. ..... ... .. .. .. ... .. .. .. ... .. .. .. 483 25.5.11 Step 9- lnitial Cost .. .... .. .. ... .. .. .... .... .. .. .. .. .. .. ... .. .. .. ........ .... ....... .... .. .. .. .. .. .. .. . .. .. .. ... .. .... ... . .. .. ...... .. 484 25.5.1 2 Step IO- Cornpal'ison ofLifc-Cyc le Costs .. .. .. .. .. .. ... .... .. .... .. .. .. .... ... . .. .. .. ... .. .. . .. .. .. .. .. .. .... .. . .. 484

25.6 On-Bottom Stabi lity Example ... ... ...... .. .... .. ... ... .. .... .... .. ... ...... ...... .. ............. ... ... .. ... ..... .. ... ...... .. .... ....... .485 25.6.1 lntroduction... .. ... .. ... ..... ... ... .. .... .. ... ... ... ... ..... ... ... .... ... ...... ... .. .... .. .. .. .... .. ... ..... ..... ......... .. ... .. ... . .. .483 25.6.2 Step 1- Detì nit ion o f Systern ......... ............................ .......... .. ....... .. .4 85 25.6.3 Step 2- Quality Aspects Consiclered ..... .. ............... .... ....... .. .. .. 485 25.6.4 Step 3- Failure Modes .... .... ... .... .. .... .. .... .. ... .. .... .. .... .. .......... .. .. ...... .... .. .. .. .... .......... .. ... ...485 25.6.5 Step 4- Lirnit State Equat ions ................... ........ .. .. ..486 25.6.6 Step 5- Detìn ition o f Variables and Parameters .... .. .486 25.6. 7 Step 6- Reliabil ity Analysis .. .... ... .... .. ......... ...486 25.6 8 Step 7- Cost o r Consequence ... ...... ....... .. .. .. ....... .. .. .. ..... ..... 486 25.6.9 Step 8- Expected Cost .... ... ... ... .. ........ .... .... ... .. .. 486 25.6.1 O Step 9-lnitial Cost ...... .. .... .. . .. ... ..... ........ .. .. .. ....... ...... .. .. .... .. .. .. .... .. ... .. .. 487 25.6 1 l Step l 0- Comparison of Life-Cycle Cost ... .. ...... .. ... .... ....... ... ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .... .. . .. .. ..... .... ... ..487

25.7 References .... ... ........ ......... ..... ...... ..... .. .... .. ... ... ... .... .. ... ... ... .... ..... ... .. ..... ... ... .. ... .... .......... .... .......... .. .... .. 487

Chaptct· 26 Design Examples 489

26. 1 G0neral ..... ..489 26.2 Asgard Flowlines Project .. .. .. . . .. .. ........... .. ... .... .. ... .... ...... ... ... .... .. .. .. . .. .... ... 489

26.2. 1 Genera i ...... ...... .. .... ... . 26.2.2 Challenges and Eng ineering lnnovat ions .. .... .. ... .... ... .. .. .. .. ....... ......... ..

.489 . .... . .489

26.2.3 Design Approach ... .. .. .. .. ... .. . . .... .. ... .... ... .. .. .. .. ... .. .. .... .. .. .. ................. .. .. ... .. .. . .... . .490 26.2.4 Limit-state Design .... .. ...... ..... .. .. ....... ... ... ... .... .......... .... ... .... .... ...... ...... ..... .. .. ...... ..... .... .... .. ... .... .. . 492

26.3 Asgard Transport Project .. .... .. .. .. ........ .. .. ...... ... ........ .. .... .. .. ............ ..... .. .. .. .492 26.3 .l Generai .. .. .. ... .. .... .. .. ...... .... .... ....... .. .. .. .... ..... .. .. ... .. ... ...... .. .. .. .. .. .. .. .. .. ......... .. .. .. .. .. .. 492 26.3.2 Design Approach.. ..... ... . .... . .. .. ... ......... ... ... .. .... .. .. .. ........ .. ........... .. 493 26.3.3 Limit-state Design .. ... .... .. .. .. ............. ...... ...... .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. ....... ..... ................ .494

26.4 References .... . .. ... .... .. ... .. ... .. ..... .. .. ... .. .. . .. ......... .. ..... ... .. .. ...... .. ..... ... .. ... ... .. ....... ... .... .. .. ... .... ...... . 495

Sub,ject Jndex 497