Design of a high-pressure and high-diameter composite pipeline

In the Oil&Gas sector, the pipelines used to transport oil and gas, traditionally built out of steel, feature some critical issues. The reasons are many and varied: along the initial stretch, in close proximity to the extraction wells, acids and sulphurs cause widespread problems of corrosion and along the rest of the pipeline maintenance and management of the infrastructure is always complex as it is frequent. The adoption of composite materials with a polymer matrix, by their very own nature light and corrosion resistant, could provide notable benefits. However, to this date, a consolidated design approach, congruent with existing regulations, which uses composite materials does not exist. The objective of this thesis is to design a pipeline for Oil&Gas applications using composite materials, based upon EC-R fibre and epoxy resins, trying to rationalize the whole design process and to supply the designer with the tools necessary for his work. Furthermore, various software’s were implemented which allowed us to: Forecast the characteristics of the foil via analytical models - APT, Analytic Prevision Tool Simulate the state of stress of the pipeline under internal pressure – HST, Hydrostatic Simulation Tool Adopting the productive process of filament winding, these software’s allow for the optimization of the fibre winding angle, θ°, and of the fibre fraction, V_f. Designing the pipeline in accordance to the criteria outlined in the BS EN ISO 14692, analysed in both of its editions, the processes of appraisal and guide line are analysed and confronted via the following software’s: QT2002, Qualification Tool 2002 and QT2016, Qualification Tool 2016. It was concluded that the second edition gives greater attention to axial loads, which turn out to be the principal cause of breakage, forcing the designer to use a winding angle which enhances the pipeline’s capacity to bare axial loads, even if these are not contemplated. From the undergone simulations, it is possible to foresee that future regulations will require about 17% increase in thickness.

Nel settore Oil&Gas le condutture usate per il trasporto di petrolio e gas, usualmente costruite in acciaio, rappresentano una criticità. I motivi sono diversi: nel primo tratto, in prossimità dei pozzi di estrazione, ci sono enormi problemi di corrosione dovuti alla presenza di acidi e solfuri, nel resto delle condutture, la manutenzione e la gestione sono sempre complesse e frequenti. L’utilizzo di materiali compositi a matrice polimerica, per loro natura leggeri e resistenti alla corrosione, potrebbe portare dei notevoli benefici. Non esiste però un approccio progettuale che sia consolidato, in accordo alle normative esistenti, e che permetta di utilizzare i materiali compositi per queste applicazioni. Lo scopo di questa tesi consiste nel provare a progettare una conduttura per applicazioni Oil&Gas con materiali compositi, basati su resine epossidiche e fibre EC-R, cercando di razionalizzare tutto il processo progettuale e fornire al progettista degli strumenti che siano di ausilio al suo lavoro. In particolare, sono stati implementati degli strumenti di calcolo integrati fra loro che permettono: La previsione delle caratteristiche della lamina attraverso modelli analitici – APT, Analytic Prevision Tool La simulazione dello stato di sforzo della condotta sottoposta a pressione interna – HST, Hydrostatic Simulation Tool Considerando il processo produttivo di Filament-Winding, questi programmi consentono l’ottimizzazione dell’angolo di avvolgimento delle fibre, θ°, e della frazione di fibra, V_f. Progettando in accordo con i criteri della normativa BS EN ISO 14692, analizzata nelle sue due edizioni, i processi di qualifica e linee guida vengono analizzati e confrontati con l’ausilio di programmi integrati: QT2002, Qualification Tool 2002 e QT2016, Qualification Tool 2016. Si è concluso che la seconda edizione pone maggiore attenzione ai carichi assiali, che risultano essere la prima causa di rotture, e obbliga quindi il progettista ad utilizzare un angolo di avvolgimento che aumenti le capacità della pipeline di sostenere carichi assiali, anche non previsti. Dalle simulazioni effettuate, si evince inoltre che il futuro processo normativo comporterà un aumento di spessore intorno al 17%.