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

>.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... .... .. .... .. ........... .. .

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

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