Overview of calculation techniques of extreme wave loads on stationary offshore oil and gas platforms

• Autorzy: Mustafayev Vahid T. , Nasirov Chingiz R.

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2025.03.07

Warianty tytułu

PL

Przegląd technik obliczeniowych dotyczących ekstremalnych obciążeń falowych na stacjonarnych morskich platformach ropnych i gazowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Offshore stationary oil and gas platforms are continuously subjected tovarious dynamic loads, including wave, wind, seismic, and equipment-induced forces. Among these, wave loads have the most detrimental effect on the stability of offshore installations. When waves impact the structure, they cause material degradation, vibrations, and other damage to structural elements. Occasionally, offshore structures may be struck by extremely large waves, which can lead to catastrophic consequences. The occurrence of such waves is less predictable than other hazardous natural phenomena, such as hurricanes. Extreme wave loads are considered during the design phase and are typically evaluated using scaled models in special water pools. Various techniques exist for modeling these extreme wave loads, allowing for cost reduction and acceleration of the design process for offshore installations. The article examines different techniques used to calculate velocity distributions in a fluid medium under the influence of giant waves on offshore oil and gas installations. A brief analysis of research on the effects of tsunami waves on barriers (vertical walls and cylinders), idealizing some of the main types of offshore installations, is also presented. Wave loads play a significant role in the Caspian Sea where, based on the operating experience of various offshore oil and gas installations, such wave loads can cause significant damage to different types of platforms. For this reason, correct modeling of various dynamic loads, especially giant waves, during the design stage plays a pivotal role in ensuring safety of personnel and the environment.

PL

Stacjonarne morskie platformy ropne i gazowe są nieustannie narażone na różne obciążenia dynamiczne, w tym fale, wiatr, wstrząsy sejsmiczne oraz siły generowane przez pracujące urządzenia. Spośród tych czynników to obciążenia falowe mają najbardziej destrukcyjny wpływ na stabilność konstrukcji morskich. Oddziaływanie fal na platformy prowadzi do degradacji materiałów, powstawania wibracji oraz uszkodzeń elementów konstrukcyjnych. Czasami konstrukcje morskie są poddawane uderzeniom ekstremalnie wysokich fal, co może mieć katastrofalne skutki. Występowanie takich fal jest trudniejsze do przewidzenia niż innych zjawisk naturalnych, takich jak huragany. Ekstremalne obciążenia falowe są uwzględniane już na etapie projektowania i zazwyczaj analizowane przy użyciu modeli skalowanych w specjalnych basenach badawczych. Istnieje wiele technik modelowania tych obciążeń, co pozwala na redukcję kosztów oraz przyspieszenie procesu projektowania morskich instalacji. Artykuł omawia różne metody wykorzystywane do obliczania rozkładów prędkości w środowisku wodnym pod wpływem olbrzymich fal działających na morskie platformy naftowe i gazowe. Przedstawiono także krótką analizę badań nad wpływem fal tsunami na bariery (ściany pionowe i cylindry), które symulują niektóre z głównych typów morskich instalacji. Obciążenia falowe odgrywają szczególną rolę na Morzu Kaspijskim, gdzie – na podstawie doświadczeń eksploatacyjnych różnych morskich platform ropnych i gazowych – mogą powodować znaczne uszkodzenia różnych typów konstrukcji. Z tego względu prawidłowe modelowanie różnych obciążeń dynamicznych, w tym zwłaszcza ogromnych fal, na etapie projektowania odgrywa kluczową rolę w zapewnieniu bezpieczeństwa personelu, jak również ze względu ochrony środowiska.

Słowa kluczowe

EN

numerical methods; velocity distribution; giant waves; wave height

PL

metody numeryczne; rozkład prędkości; gigantyczne fale; wysokość fali

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2025
• Tom: R. 81, nr 3
• Strony: 210--216
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz.

Twórcy

autor

Mustafayev Vahid T.

• Azerbaijan State Oil and Industry University, Azerbaijan

autor

Nasirov Chingiz R.

• Azerbaijan State Oil and Industry University, Azerbaijan

Bibliografia

• Amaziah W.O., 2011. Design of Offshore Concrete Gravity Platforms. Nigerian Journal of Technology, 30(1): 34–46. DOI: 10.4314/njt.301.49.
• Apel J.R., 1986. Linear Response Theory for Waves in a Geophysical Fluid. Johns Hopkins APL Technical Digest, 7(1): 42–57. Azeri Central East Project Environmental & Social Impact Assessment. BP, January 2019.
• Bandyopadhyay A., Manna S., Maji D., 2021. Hydrodynamic aspects of tsunami wave motion: a review. Ocean Dynamics, 71(5):613–629. DOI: 10.1007/s10236-021-01454-z.
• Fenton J.D., Reincker M.M., 1982. A Fourier method for solving nonlinear water wave problems: application to solitary wave interaction. Journal of Fluid Mechanics, 118: 411–443.
• Gear J.A., Grimshaw R., 1983. A second order theory for solitary waves in shallow fluids. Physics of Fluids, 26 (1): 14–29. DOI:10.1063/1.863994.
• Gudmestad O.T., 2020. Modelling of Waves for the Design of Offshore Structures. Journal of Marine Sciences and Engineering, 8(4): 293–301. DOI: 10.3390/jmse8040293.
• Harlow F.H., Welch J.E., 1965. Numerical calculation of time-dependent viscous incompressible flow of fluid with free surfaces. Physics of Fluids, 8: 2182–2189.
• Hauguel A., 2010. A numerical model of storm waves in shallow water. Environmental Science, Engineering. DOI: 10.1061/9780872622647.046.
• Isaacson M. de St. Q., 1983. Solitary Wave Diffraction around Large Cylinder. Journal of Waterways, Port, Coastal and Ocean Division, 109(1): 121–127. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-950X(1983)109:1(121).
• Jensen A., 2019. Solitary wave impact on a vertical wall. European Journal of Mechanics – B/Fluids, 73: 69–74. DOI: 10.1016/j.euromechflu.2018.05.004.
• Karmakar T.K., 2019. Wave Propagation and Shallow Water Theory. Thesis for: Master of Science.
• Marchuk A.G., Chubarov L.B., Shokin Y.I., 1983. Numerical modeling of tsunami waves. Nauka Press, Siberian Branch, Novosibirsk,282.
• Myslenkova S.A., Arkhipkina V.S., Pavlova A.V., Dobrolyubova S.A., 2018. Wave Climate in the Caspian Sea Based on Wave Hindcast. Russian Meteorology and Hydrology, 43(10): 670–678. DOI:10.3103/S1068373918100060.
• Newman J., 1974. Interaction of water waves with two closely spaced vertical obstacles. Journal of Fluid Mechanics, 66(1): 97–106. DOI: 10.1017/S0022112074000085.
• Oberlies R., Khalifa J., Huang J., Hetland S., Younan A., Overstake M., Slocum S., 2014. Determination of wave impact loads for the Hebron gravity based structure (GBS). 33rd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering OMAE 2014, June 8–13, San Francisco, California, USA. OMAE2014-23503. DOI: 10.1115/OMAE2014-23503.
• Pagliara S., Kurdistani S. M., Thendiyath R., 2011. Rooster Tail Wave Hydraulics of Chutes, January. Journal of Hydraulic Engineering,137(9): 1085–1088. DOI: 10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000397.
• Pelinovsky E., Kharif C., Talipova T., 2008. Large-amplitude long wave interaction with a vertical wall. European Journal of Mechanics – B/Fluids, 27(4): 409–418. DOI: 10.1016/j.euromechflu.2007.08.003.
• Sheng S.Ji, Ouahsine A., Smaoui H., Sergent P., 2011, Numerical Prediction of Ship-Generated Waves in Restricted Channel. International Conference on Computational Methods in Marine Engineering MARINE 2011.
• Shokin Y.I., Chubarov L.B., Marchuk A.G., Simonov K.V., 1989, Computational experiment in the tsunami problem. Science. Sib. Department. Novosibirsk.
• Sonneville B., Hofland B., Mowinckel A., Paulsen B.T., 2015. Wave Impact Loads on Offshore Gravity Based Structure. 34th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, OMAE34, May 31–June 5, St. John’s, NL, Canada. DOI: 10.1115/OMAE2015-41879.
• State Website of SOCAR. <https://www.socar.az/en/page/absheron> (access: September 2024).
• Su G.H., Gardner C.S., 1969. Korteweg-De Vries Equation and Generalizations. 3. Derivation of Korteweg-De Vries Equation and Burgers Equation. Journal of Mathematical Physics, 10(3): 536–539. DOI: 10.1063/1.1664873.
• Widianto W., Khalifa J., Younan A., Karlsson T., Stuckey P., Gjorven A., 2013. Design of Hebron Gravity Based Structure for Iceberg Impact. Proceedings of the Twenty-third International Offshore and Polar Engineering, Anchorage, Alaska, June 30–July 5,1127–1134.
• Wuppukondur A., Baldock T.E., 2022. Physical and numerical modelling of representative tsunami waves propagating and overtopping in converging channels. Coastal Engineering, 174: 104120. DOI:10.1016/j.coastaleng.2022.104120.
• Zheleznyak M.I., 1985. The impact of long waves on solid vertical obstacles. In the collection: Rolling waves of tsunami onto the shore. Institute of Appl. Physicists of the USSR Academy of Sciences. Gorky, 122–139.
• Zhou D., Chan E.S., Melville W.K., 1991. Wave impact pressures on vertical cylinders. Applied Ocean Research, 13(5): 220–234. DOI: 10.1016/S0141-1187(05)80046-X.