Residual stress prediction in armour layer of flexible pipes for offshore application

Recently failures have occurred in some flexible pipes for offshore application. One of the factors that contribute the occurrence of the collapse, is residual stresses, caused by the manufacturing process. So, the control of residual stress becomes a very important task for the safety of this critical products. In recent years, the finite element method has become the preeminent method for computer prediction of residual stresses caused by various manufacturing processes. This work offers a better understand of the process parameters influence on the residual stresses in the final product. The forming of a cylindrical helix, that will compose the tensile armour layer of a flexible pipe, is simulated by finite element method. The material definition is assessed by a comparison between the residual stress of a three-point bending test and the equivalent numerical model. Starting from the shaped wire, the cylindrical helix is formed by two couple of rollers angularly and vertically misaligned. Several factors influence the geometry of the cylindrical helix, some parameters are chosen to vary. From the analysis of variance, the vertical movement of the last couple of rollers affects the pitch of the formed cylindrical helix, instead the angular misalignment is crucial in determining the diameter. Then, fixing a particular configuration, the loading and unloading phases to which the tension wire is subject during the forming of the helix are examined. After the cylindrical helix forming, the distribution of residual stresses along the wire axis seems to follow the typical trend of a beam subjected to plastic bending. There are perturbations due to the contacts with rollers and it seems that a maximum value is reached in these zones. However, as for the residual stresses along the wire axis, the maximum value, far away the contact zones, is a third of the material yield stress.

Recentemente si sono verificati guasti in alcuni tubi flessibili per applicazione offshore. Uno dei fattori che contribuisce al verificarsi di un collasso, è la presenza di tensioni residue, causata dal processo di fabbricazione. Quindi, il controllo delle sollecitazioni residue diventa di estrema importanza per la sicurezza di questi prodotti fondamentali. Negli ultimi anni, il metodo ad elementi finiti è diventato il metodo principale per la previsione al computer delle sollecitazioni residue causate da vari processi di fabbricazione. Questo lavoro permette una miglior comprensione dell’influenza dei parametri di processo sulle tensioni residue del prodotto finale. Con il metodo degli elementi finiti viene simulata la formazione di un'elica cilindrica, che costituirà lo strato di armatura di trazione di un tubo flessibile. La definizione del materiale è valutata mediante un confronto tra la sollecitazione residua di una prova di flessione a tre punti e il modello numerico equivalente. Partendo dal filo sagomato, l'elica cilindrica è formata da due coppie di rulli angolarmente e verticalmente disallineati. Diversi fattori influenzano la geometria dell'elica cilindrica, alcuni parametri sono variati. Dall'analisi della varianza, il movimento verticale dell'ultima coppia di rulli influenza il passo dell'elica cilindrica formata, invece il disallineamento angolare è cruciale nel determinare il diametro. Si sceglie quindi una configurazione e si studiano le fasi di carico e scarico a cui è soggetto il filo di tensione durante la formazione dell'elica. Dopo la formazione dell'elica cilindrica la distribuzione delle tensioni residue lungo l'asse del filo sembra seguire il tipico andamento di una trave sottoposta a flessione plastica. Ci sono perturbazioni dovute ai contatti con i rulli e sembra che in queste zone si raggiunga un valore massimo. Tuttavia, per quanto riguarda le tensioni residue lungo l'asse del filo, il valore massimo, lontano dalle zone di contatto, è un terzo del carico di snervamento del materiale.