CARATTERIZZAZIONE MECCANICA DEL RIVESTIMENTO ESTERNO DELL’AREA DI GIUNZIONE DELLE CONDOTTE SOTTOMARINE MEDIANTE SIMULAZIONE FEM DI UN TEST DI IMPATTO SU SCALA REALE

The subsea pipelines are designed to withstand the impacts due to fishing devices, in fact, the pipeline design includes external protection systems (coating and field joint coating) to adequately withstand these dynamic loads. In particular, the analyzed offshore pipeline has a Concrete Weight Coating (CWC) applied on external anticorrosive coating in Three-Layer Polyethylene (3LPE) and the ends of the uncoated and welded pipe joints have been applied a field joint coating system with infill material. The infill material used is Solid Polyurethane (Solid PU), mixture of polyol and isocyanate. This material is specifically designed for offshore application and is subject to full scale impact testing to characterize its mechanical behavior, in accordance with the DNV-RP-F111. The aim of this thesis is: 1) Simulate the full scale impact test using finite element analysis; 2) Define the model of material that best represents the real infill material used. During the finite element model development, two models of the infill material have been investigated, i.e. elastic-plastic and hyperelastic-plastic models. To define the hyperelastic-plastic behaviour of solid PU, compressive material test results have been considered, in accordance with the ASTM D695-15. The finite element analysis shows that the hyperelastic-plastic model is the most appropriate to simulate the permanent deformation generating during the impact. This model of material, which includes the strain energy potential of Marlow model, required the calibration of the plastic curve, using an elastic strain limit of 42.2% to extend the finite element analysis scenarios and then to analyze the behavior under operational load of the offshore pipelines that is not easy to test in the laboratory.

Le condotte sottomarine per il trasporto di olio o gas sono realizzate saldando giunti di tubo di lunghezza pari a circa 12.2 m e l’area risultante, chiamata field joint, necessita di essere rivestita con materiali opportunamente concepiti per applicazioni offshore. In particolare, dopo aver preparato la superficie risultante dall’unione di due giunti di tubo, viene applicato il materiale di riempimento, detto infill material, che nel caso specifico è il poliuretano solido, ovvero una miscela di poliolo e isocianato: tale materiale viene iniettato utilizzando uno stampo che verrà rimosso solo successivamente. La caratterizzazione meccanica del poliuretano solido è molto complessa, infatti, questo materiale è progettato per assorbire l’energia d’impatto minimizzandone il trasferimento energetico alla tubazione sottostante. Tale materiale deve superare un severo test d’impatto, definito dalla normativa DNV-RP-F111, poiché durante la vita operativa le condotte sottomarine possono sperimentare carichi dinamici provocati dai dispositivi da pesca. L’obiettivo di questa tesi è: 1) Definire il corretto modello di materiale che meglio rappresenta il poliuretano solido; 2) Riprodurre agli elementi finiti il test d’impatto su scala reale. La calibrazione del modello agli elementi finiti avviene analizzando due modelli costitutivi del materiale di riempimento, ovvero il modello elasto-plastico e il modello iperelastico-plastico, utilizzando le curve a compressione del poliuretano solido, ottenute in accordo alla ASTM-D695-15. Le numerose simulazioni eseguite con il modello elasto-plastico, dimostrano che il poliuretano solido non ha comportamento elastico lineare, poiché anche se incrementassimo le proprietà meccaniche del materiale nel range osservato dal test di compressione non si ottiene la medesima profondità d’impronta rilevata dal test d’impatto su scala reale. Successivamente si è adottato il modello iperelastico-plastico, con potenziale di energia di deformazione per unità di volume Marlow, che richiede la definizione del limite elastico di deformazione per la singola curva testata poiché, rispetto al precedente modello, si ha un comportamento elastico non lineare. Con questo modello si è osservato che, variando il limite elastico di deformazione o fissando il limite elastico di deformazione e variando le proprietà meccaniche nel range osservato dal test di compressione, si ottiene la stessa profondità d’impronta rilevata dal test d’impatto su scala reale, pertanto il modello iperelastico-plastico è rappresentativo del poliuretano solido. Una volta validato il modello agli elementi finiti vengono eseguite delle analisi energetiche che evidenziano come il poliuretano solido sia un’ottima barriera per la protezione della tubazione sottostante, poiché solo una modesta percentuale del carico è trasferita ad essa. In conclusione, il modello agli elementi finiti riproduce fedelmente il test d’impatto su scala reale e, tale modello, può essere adottato per estendere gli scenari di analisi sulle condotte sottomarine sotto carico operativo, poiché il test in laboratorio non è di facile esecuzione.