0200 consideraciones principales de diseño
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Contenidos del Tema 0200 – Características del Ambiente Marino 0201 – Principales Requisitos de Diseño 0202 – El comportamiento de Buques y Estructuras Flotantes
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JJE Sección: 02 – Consideraciones Principales de Diseño para Instalaciones de Producción Offshore (1)
0200 - Características del Ambiente Marino • Hay elementos comunes o similares para onshore (Ingeniería de Diseño)
• Diseño • Estructural • Civil – Fundaciones • Naval • Perforación • Producción (submarina o en superficie) • Procesos
• Flow Assurance • Topsides
• Presencia del mar presenta desafíos de diseño • Es una amenaza constante
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Características del Ambiente Marino Rango de Ambientes
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Características del Ambiente Marino • Son consideraciones promedio (DOMINANTES) significativas para la ingeniería de
diseño • Efectos a largo plazo (fatiga) en buques y estructuras fijas
• Eventos Extremos • Golfo de México: Huracanes con corrientes parásitas • China: tifón • Mar del Norte: una tormenta de invierno • Océano Indico: monzón • Costa del Pacífico: terremoto, tsunami • África Occidental:
• Tormenta Eléctrica • Corrientes inusualmente fuertes • Cambio de dirección de corrientes marinas
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Características del Ambiente Marino • Profundidad del Agua
• Efectos a largo plazo (fatiga) en buques y estructuras fijas • Muy superficiales hasta los 3000 m ( 10000 pies) • Parámetro Principalmente Estático
• Variación con las mareas • Presión Hidrostática
Las Principales Fuerzas Ambientales • OLAS
• 1era Fuerza de Importancia • Impulsadas por el viento • Mar de Fondo
• Ambientes Severos, en conjunto y se potencian • Ambientes Calmos, rara ocurrencia simultánea
• Corta Duración o Estacional • Cinco Parámetros Medibles y Registrables
• Frecuencia o período • Amplitud o altura • Velocidad • Longitud • Dirección
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Las Principales Fuerzas Ambientales • OLAS
• Los parámetros: • Determinan el régimen de oleaje y estado temporal del mar
• En un lugar determinado • Si son eventos extremos • Variaciones estacionales • Medias anuales o mensuales
• Los regímenes de olas difieren en la energía que transportan • La energía de una ola es proporcional al cuadrado de su altura • La frecuencia debe ser conocida para evitar efectos de resonancia con buques
o estructuras • Altura Significativa de Ola Hs (promedio del tercio de olas mas altas – Espectro) • Altura de Ola Extrema (registro histórico)
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Intensidad Energética Media del Oleaje (kW/m). Sorensen 2004
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Las Principales Fuerzas Ambientales • VIENTOS
• 2da Fuerza Ambiental en importancia • Factor de Diseño Importante en velocidades extremas
• Vientos sostenidos de alta velocidad • Ráfagas extremas • Gradiente de velocidad respecto a la superficie del agua • Direccionalidad
• Sistemas de amarres
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Las Principales Fuerzas Ambientales • CORRIENTES MARINAS
• Mediciones sencillas • Complicación de registros históricos para una completa descripción
• Aceleraciones • Cambios bruscos
• Factor de Diseño Dominante en zonas de climas calmos • Gradiente de velocidad función de la profundidad • Vórtices de derrame • VIV
• Risers • Amarres • TLP y SPAR
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Las Principales Fuerzas Ambientales • MAREAS
• Ascenso y Descenso en Línea de Agua: • Estructuras fijas: niveles de cubierta y topsides
• Zona Splash (ciclos de mojado y secado) • Estructuras Flotantes: tensión en líneas de amarre
• Subsidencia lecho marino
• Compactación del reservorio • Ekofisk (80)
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• Subsidencia del Lecho Marino (continuación)
• Ekofisk – Enormes esfuerzos de Ingeniería y Construcción • 1987 – 6.5 metros de elevación • Cambio Climático (Recientes Investigaciones)
• 0.5 a 1 m por siglo
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Las Principales Fuerzas Ambientales • DIRECCIONALIDAD
• Sobre todo estructuras flotantes • Oleaje • Vientos • Corrientes marinas • “Rosa de los Vientos”
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Las Principales Fuerzas Ambientales • CARACTERÍSTICAS DEL SUELO MARINO
• Composición variable entre regiones y diferentes zonas margen continental • Importante tener un conocimiento completo
• Fundaciones Estructuras Fijas • Asentamiento Plataformas CGB
• Sismicidad y Estabilidad del lecho marino • Oleoductos y Gasoductos
• QUÍMICA DEL AGUA
• Salinidad • Temperaturas
• CORRIENTES PARÁSITAS • Diferencias de Temperaturas
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Determinación de los Factores Controlantes • EN AMBIENTES OFFSHORE
• Un factor, o una combinación de factores son el o los DOMINANTES • Factor DOMINANTE CONTROLA el diseño • Es un proceso complicado de evaluar
• Efectos de fenómenos únicos y severos • Efectos a largo plazo
• La situación difiere según
• Calmo • Moderado • Severo
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• AMBIENTES CALMOS
• Por definición un ambiente calmo no puede ofrecer una tormenta destructora de una plataforma
• Corrientes marinas serán los factores dominantes
• En África Occidental se experimentan persistentes corrientes de mar de fondo
• Significativo en términos de fatiga para estructuras y sistemas de amarres.
Factor de Diseño Controlante en Ambientes Calmos
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• AMBIENTES MODERADOS
• Una tormenta severa puede tener potencial destructivo
• Combinación de: • Ola Extrema • Vientos de 160 km/hr • Fuertes Corrientes Parásitas
• Importancia de la direccionalidad de las fuerzas de fatiga.
Factor de Diseño Controlante en Ambientes Moderados
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• AMBIENTES SEVEROS
• De igual consideración • Fenómenos de Fatiga • Tormenta Extrema
• Se aumentan los costos de las
instalaciones • Fallos Estructurales
• Alexander Kielland • 123 vidas humanas
Factor de Diseño Controlante en Ambientes Severos
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• FALLA POR FATIGA EN ESTRUCTURA
SOLDADA EN D6
Alexander Kielland – Ekofisk - 1980
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• Las instalaciones offshore deben estar diseñadas para:
• Resistir o sobrevivir fuerzas ambientales de una magnitud determinada
• Los factores de diseño se determinan mediante cálculo de probabilidad de ocurrencia durante la vida útil.
• Agencias Reguladoras y Entes Técnicos, define o recomiendan: • Tormentas de Diseño • Olas de Diseño • Para 50 o 100 años
• En 2005 en el Golfo de México hubieron tres tormentas categoría 5, o superiores al criterio de los cien años.
Notas Finales sobre Factores de Diseño
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• Naufragio de la Alexander Keilland (00:03:17) https://www.youtube.com/watch?v=fNI6_8JQXzQ • Falla Simulada en la Alexander Keilland (00:02:39) https://www.youtube.com/watch?v=7QVn3NUW_aQ • El Desastre de la Ocean Ranger (00:04:47) - https://www.youtube.com/watch?v=e-1m1og8Iqo • Ocean Ranger en las noticias (00:07:20) - https://www.youtube.com/watch?v=npPMoHz7Rgg • Documental 1/6 National Geographic (00:09:22) - https://www.youtube.com/watch?v=Zc-gEtByAV4 • Documental 2/6 National Geographic (00:09:33) - https://www.youtube.com/watch?v=EdThd9tXU5w • Documental 3/6 National Geographic (00:08:01) - https://www.youtube.com/watch?v=fS2PU9Ohd2s • Documental 4/6 National Geographic (00:09:48) - https://www.youtube.com/watch?v=6hRZHEWntN0 • Documental 5/6 National Geographic (00:06:59) - https://www.youtube.com/watch?v=pQ3eTkgmaaA • Documental 5/6 National Geographic (00:06:16) - https://www.youtube.com/watch?v=KyHEfDmFRos
Videoreferencias
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0201 – Principales Requisitos de Diseño • Cada instalación offshore debe cumplir una serie de requisitos generales de diseño
definidos. • Las instalaciones deben ser adecuadas para sus objetivos o propósito, y deben
cumplir ciertos criterios de: • construcción, • instalación, • operación, • mantenimiento y • remoción.
• En la discusión que sigue, se revisan estas consideraciones y los desafíos que
plantean para el diseño de instalaciones offshore.
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0201 – Principales Requisitos de Diseño • Adecuación según propósito de las instalaciones
• Debe cumplir los objetivos para lo cual fue diseñada y construida • Debe ser capaz de sobrevivir a las condiciones ambientales predeterminadas • Debe ser capaz de recibir y procesar los tipos y volúmenes de fluidos a ser
producidos • Debe ser habitable para la tripulación y demás personal auxiliar
• Condiciones Ambientales
• Para cada fase del proyecto • Duración de eventos extremos o fenómenos de larga duración durante 50 o
100 años • API: brinda consideraciones ambientales adicionales
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Principales Requisitos de Diseño
• Tipos de Fluidos y Volúmenes • Composición (envolvente de fases) • Impurezas • Caudales • Calidad de Productos • Define
• Tamaño y peso de Topsides • Control de Costos
• Subestimación (NO) • Sobreestimación (NO)
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Principales Requisitos de Diseño
• Habitabilidad • Según tamaño y funciones
• Albergue y Soporte Vital y Operativo • Plataformas Hotel
• Personal Adicional durante: • Montaje • Comisionado • Puesta en Marcha • Tareas especiales (workover)
• Todos los elementos de Seguridad • Sistemas de Emergencia
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Principales Requisitos de Diseño
• Construcción • Procedimientos de construcción
• Diseño Standard Astilleros Standard • Diseño Standard Cumplimiento de Cronogramas • Diseños Inusuales Mayores Costos
• Soldaduras Especiales • Materiales Exóticos • Limitación de Contratistas
• Diseños Inusuales Incertidumbre Cronogramas • Trabajo Onshore
• Siempre que sea posible • Trabajo Offshore
• No siempre se puede evitar • Conexionado, tie-ins, montaje topsides
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Principales Requisitos de Diseño
• Estabilidad y Flotación • Durante ciertas etapas todas las estructuras deben
• Presentar características de flotación • Estabilidad hidrostática e hidrodinámica • Fenómenos Meteorológicos Extremos
• Localización del Trabajo • Requisitos regulatorios sobre mano de obra local • FPSO en Corea del Sur • SPAR en Finlandia
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Principales Requisitos de Diseño
• Transporte e Instalacion • Transporte
• Húmedo (mayoría flotantes) • En Seco (jackup)
• Montaje • Fase Crítica • Cargas Impuestas Extremas • Ventana de Tiempo
• Cargas de Montaje como Factor Controlante • Jackets con cargas máximas durante montaje • CGB con enormes presiones hidrostáticas • Tensionado crítico para las TLP|
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Operación
• Garantía de Producción • Costo Unitario • Condiciones Ambientales
• Normales • Límite extremo
• Operabilidad • Casos de Producción • Design / OffDesign • Salida de servicio • Funciones específicas
• Descarga en FPSO
Seguridad, Salud y Medioambiente
• Condicion de Operación • Garantía de
• Seguridad del personal • Integridad del Medioambiente
• Tareas Simultáneas • Producción /Workover
• Pronósticos Climáticos • Amarres desconectables • Evacuación
Principales Requisitos de Diseño
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CAPEX
• Gastos de Capital • Capital Expenditures • Conocido como Inversión Inicial
OPEX
• Gastos de Operación • Operating Expenditures
• Capital de Trabajo
Principales Requisitos de Diseño
Costos durante la Vida Útil
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JJE Sección: 02 – Consideraciones Principales de Diseño para Instalaciones de Producción Offshore (30)
• CAPEX • Decisiones de diseño • Selección de tecnologías • Decisiones durante construcción • Afectarán OPEX • Estimación previa
• OPEX • Se definen por las decisiones de
diseño • Aumentos de OPEX por bajas en
CAPEX • Bajas en CAPEX por aumentos
en OPEX
Mantenimiento
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• EL MANTENIMIENTO ES INEVITABLE • Dureza medio marino • Necesidades mas estrictas • Adecuación e Integridad • Instalaciones para su Operación • “Fitness for Purpose”
• Requerimientos de Inspección • Accesibilidad
• Inspección humana • Inspección robotizada
• Enfoques de Mantenimiento • Inspección • Mantenimiento • Reparación
Principales Requisitos de Diseño - Mantenimiento
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JJE Sección: 02 – Consideraciones Principales de Diseño para Instalaciones de Producción Offshore (32)
• IMR • Históricamente con MTBF • Enfoque Prescriptivo • Reparación se hace cuando el
equipo falló
• Estudios de Seguridad • Evaluación de Riesgo
• Confiabilidad • Equipos • Componentes
• Reemplazo de piezas • Antes del fallo • Calendario Anual • Predictivo
Principales Requisitos de Diseño - Mantenimiento
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JJE Sección: 02 – Consideraciones Principales de Diseño para Instalaciones de Producción Offshore (33)
• Convención de la Plataforma Continental (Ginebra, 1958) • Convención de las Naciones Unidas sobre el derecho del Mar (Montego Bay, 1982)
• Requisitos para eliminación completa de • Instalaciones offshore abandonadas, pozos submarinos,
manifolds, plantillas, flowlines, risers, ductos. • Criterios de remoción parcial o in situ • Detoxificación
• Taponamiento y Abandono (P&A, Plugging and Abandon)
• Golfo de México (bien documentado) • Mar del Norte (grandes remociones)
• Técnicas
• Cortes • Re-flotación • Derrumbe • Remolque a la costa
Principales Requisitos de Diseño - Remoción
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JJE Sección: 02 – Consideraciones Principales de Diseño para Instalaciones de Producción Offshore (34)
• Aunque el agua se considera un elemento hostil • Permite un tipo de operación que es clave:
• TRANSPORTE DE OBJETOS DE GRAN MASA • Troll A: 1.2 millones de toneladas. Peso seco de 656 kTons
• Jackets • De Base Pesada • MODU’s
0202 – Comportamiento de Buques y Estructuras Flotantes
Deben Flotar Deben Ser estables
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JJE Sección: 02 – Consideraciones Principales de Diseño para Instalaciones de Producción Offshore (35)
• Desplazamiento y Flotabilidad • Flotabilidad:
• Fuerza Vertical Ascendente • “Buoyancy”
• La Flotabilidad permite el desplazamiento de los objetos sobre el agua • El desplazamiento debe conllevar la estabilidad • Estabilidad
• Objetos que flotan pero no ofrecen estabilidad: • Pelota de goma inflada (no estable) • Un tronco de madera (estabilidad parcial)
• Es la capacidad de: • Mantener una superficie preferida por encima del agua • Mantener el nivel de flotación dentro de parámetros definidos
Comportamiento de Buques y Estructuras Flotantes
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JJE Sección: 02 – Consideraciones Principales de Diseño para Instalaciones de Producción Offshore (36)
• Estabilidad • Metacentro (M) • Centro de Gravedad (G)
Comportamiento de Buques y Estructuras Flotantes
• Centro de Carena (B) • Punto de Referencia en la Quilla (K)
Si Altura Metacéntrica (MG) < 0 Zozobra, Naufragio
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JJE Sección: 02 – Consideraciones Principales de Diseño para Instalaciones de Producción Offshore (37)
• Altura Metacéntrica • Puede ser muy pequeña • FPSO en el Golfo de México
• 500.000 barriles de almacenamiento • Sobrevivencia a Tormenta de 100 años • Tanques de lastre 15% completos • Carga en Tanques de hasta 90% • ALTURA METACÉNTRICA DE 0.15 m
Comportamiento de Buques y Estructuras Flotantes
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• Movimientos de los Buques (IMPORTANTE) • Navío Estable (amarrado o flotando
libremente: • Seis grados de libertad
• Traslaciones: • 1. Movimiento vertical de ascenso y
descenso: Arfada (heave) • 2. Movimiento lateral a ambas bandas: Deriva
(sway) • 3. Movimiento longitudinal
de avance o retroceso (surge)
Comportamiento de Buques y Estructuras Flotantes
• Rotaciones: • 4. Según el eje vertical 'Z' : Guiñada de
rumbo (yaw). • 5. Según el eje trasversal 'Y': Cabeceo
(pitch). • 6. Según el eje longitudinal
'X': Balanceo o rolido (roll).
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JJE Sección: 02 – Consideraciones Principales de Diseño para Instalaciones de Producción Offshore (39)
• Movimientos de los Buques (IMPORTANTE) • Navío Estable (amarrado o flotando
libremente: • Seis grados de libertad
• Traslaciones: • 1. Movimiento vertical de ascenso y
descenso: Arfada (heave) • 2. Movimiento lateral a ambas bandas: Deriva
(sway) • 3. Movimiento longitudinal
de avance o retroceso (surge)
Comportamiento de Buques y Estructuras Flotantes
• Rotaciones: • 4. Según el eje vertical 'Z' : Guiñada de
rumbo (yaw). • 5. Según el eje trasversal 'Y': Cabeceo
(pitch). • 6. Según el eje longitudinal
'X': Balanceo o rolido (roll).
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