MAPLES: Multi-fidelity and Probabilistic Lifetime Estimation for Slender Marine Structures

Havet, med sine ustanselige bølger, sterke strømmer og flytende plattformer, utgjør betydelige utfordringer for slanke marine konstruksjoner som stigerør og dynamiske strømkabler. Et kritisk problem er virvelinduserte vibrasjoner (VIV), som kan påvirke sikkerheten og levetiden til disse konstruksjonene. VIV oppstår når vann strømmer rundt konstruksjonene og danner virvler som skaper rytmiske vibrasjoner, noe som potensielt kan føre til utmattelse og skader over tid. Mange av disse konstruksjonene, som ble designet og installert før 2004, nærmer seg slutten av sin planlagte levetid, noe som skaper en utfordring: hvordan kan deres operasjonelle levetid trygt forlenges uten at de byttes ut fullstendig? Tradisjonelle tilnærminger skiller effektene av bølger og VIV, noe som resulterer i usikkerhet i sikkerhetsfaktorene. Overdrevent konservative faktorer fører til kostbare design, mens undervurdering kan resultere i feil og operasjonsstans. Disse metodene tar heller ikke hensyn til de kombinerte effektene av bølger, strømmer og bevegelser i flytende plattformer, som ofte opptrer samtidig. Ett fremskritt er bruken av tidsdomenebaserte VIV-modeller, som simulerer hvordan konstruksjoner oppfører seg under virkelige forhold og gir et klarere bilde av deres ytelse over tid. Dagens teknologier har likevel fortsatt begrensninger, noe som fører til høyere sannsynligheter for svikt. MAPLES-prosjektet har som mål å takle utfordringene til dagens teknologi gjennom probabilistisk og multi-presisjonsmodellering. Ved å kombinere data fra både laboratorieeksperimenter og reelle målinger, søker MAPLES å forbedre nøyaktigheten av levetidsestimater, redusere usikkerhet og muliggjøre tryggere, mer kostnadseffektive design. Denne tilnærmingen vil øke forståelsen av den underliggende fysikken, optimalisere sikkerhetsfaktorene og gjøre operasjonene mer effektive, samtidig som behovet for dyrt og unødvendig avansert design reduseres.

Slender marine structures, such as marine risers and dynamic power cables, are exposed to complex environmental loads due to waves, currents and floater motions. The response to these loads in terms of Vortex Induced Vibrations (VIV) is associated to large uncertainties, representing a safety risk and a major design consideration, adding notable costs to all stages of the system development. In addition, over 300 top-tensioned risers and 100 steel catenary risers installed worldwide prior to 2004 are close to the end of their designed service lives. Potential lifetime extension relies on the accurate prediction of the accumulated fatigue damage by also considering the changes in design conditions over time. MAPLES intends to use the monitored data, time-domain formulations, artificial intelligence and multi-fidelity modelling to realize accurate algorithms for decision support related to the inspection, maintenance and repair of marine risers and dynamic power cables for future applications. With a limited number of sensors available due to cost considerations, active use of monitored data for model update and uncertainty estimations is considered mandatory for obtaining robust and cost-effective installations. The results will also improve the present design practice by considering the simultaneously acting wave and VIV loads. The extended application of hybrid models that combine ML with classical modelling provides more accurate modelling of risers and slender structures in general with an increased understanding of the underlying physics. Incorporating uncertainty measurements in ML models for physical systems is of high value, and something that is underexplored to date. Methodologies for multi-fidelity training of hybrid models can maximize the use of limited data. The ambition is to improve lifetime prediction of slender marine structures by reducing uncertainty for cost-effective and safe designs as well as operation/decision support.