There is considerable disparity between predictions of marine riser vortex-induced vibration (VIV) fatigue damage, and often the agreement between computer models and observed VIV-related damage is inaccurate by orders of magnitude. Resulting problems for deepwater riser design are the need for large safety factors on fatigue damage predictions and the use of expensive vortex-suppression devices (e.g. helical strakes). Understanding is especially limited for long risers, which may be excited in multiple and higher modes. Norwegian Deepwater Programme (NDP)—a group of oilfield licensees in Norway—has commissioned experiments on riser models over a range of scales and current conditions in order to improve the ability to predict VIV. Recently, testing of a model with an L/D (length-to-diameter ratio) of 1400 was conducted at Marintek's Ocean Basin in Trondheim. The riser was tested without VIV suppression and with various strake arrangements. Testing was performed on an innovative test rig that could simulate uniform and linearly sheared currents, with a composite fibre model that featured a dense array of high-quality instrumentation. In-line and cross-flow responses were considered important with respect to fatigue. Indeed, this study reinforces recently published results that in-line fatigue damage is as severe as cross-flow fatigue damage. However, industry analysis approaches generally ignore in-line damage due to VIV. The findings also indicate that the response character of a bare riser can be quite distinct from that of a riser partially or fully covered with helical strakes. In addition, while helical strakes of different types can be effective in mitigating VIV fatigue of long risers, their performance is dependent on their geometry. Finally, the results suggest that a key consideration in VIV fatigue design is the length of suppression coverage and the nature of the flow to which the bare section of the riser is exposed.

Abstract The slender marine structure (e.g., deep water riser systems) subjected to vortex induced vibrations (VIV) can oscillate simultaneously in both cross-flow (CF) and in-line (IL) direction relative to the flow direction. The IL response is important as it may contribute to fatigue damage to the same order of magnitude as the CF responses for high mode responses. A combined CF and IL load model is also required for prediction of VIV responses in more complex flow conditions. The time domain VIV prediction load model has been extended to include an IL VIV load term. The present study aims to validate the latest combined CF and IL load model using laboratory tests and evaluate its limitations. The validation results showed that the averaged spatial and temporal energy transfer process between fluid and structure is sufficiently described by the load model. The time domain VIV load model is able to obtain reasonable prediction of key VIV responses, including curvature, frequency, fatigue damage, higher harmonic responses in both CF and IL directions as well as drag amplification in one single non-linear time domain analysis. This overcomes some of the limitations in the present frequency prediction models.

Abstract The slender marine structures, such as marine risers and dynamic power cables, etc. are exposed to waves and currents. Vibrations due to periodic vortex shedding around the structure can lead to fast accumulation of fatigue damage and amplified drag loads. Vortex Induced Vibrations (VIV) often represent a safety risk and a major design consideration adding notable costs to all stages of the system development. It is known that the presence of waves may disrupt organized vortex shedding and affect structures’ dynamic responses and resulting drag loads. However, the present frequency domain VIV prediction tools can only consider constant current. The fatigue damages due to VIV and waves have to be calculated independently, and then combined afterwards. In addition, the influences on the drag loads are neglected. These have been some of the major uncertainties in the present design practice, which is more pronounced for shallow water applications, e.g., power cables to floating wind turbines. There are both lack of understanding of the wave-VIV interactions and reliable prediction tools. In present study, a model test of a steel catenary riser (SCR) subjected to wave and VIV loads carried out at SINTEF Ocean were studied. Relevant test cases were selected and analysed to understand the influences of wave loads on VIV responses. Nonlinear time domain VIV simulation using VIVANA-TD were also carried out, which showed good agreement between prediction and model test results. Other relevant studies were also examined and parameters that may affect structure responses under wave and VIV loads were discussed.