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ANTECEDENTES
El nacimiento de la industria offshore surge en 1947 con Kerr-McGree en el Golfo de Mxicoalcanzando una profundidad de 4.6 m para explotar un pozo petrolfero. La estructura se
compona de una cubierta de madera de 11.6 m x 21.6 m sustentada sobre pilotes que
alcanzaban una profundidad de 31.7 m. Desde este momento se fueron introduciendo
innovaciones en los distintos tipos de estructuras offshore, tanto fijas como flotantes, situadas
cada vez en emplazamientos ms profundos y con condiciones ambientales ms hostiles. Un
avance importante se produjo con la plataforma COGNAC, estructura fija que se compona de
tres estructuras separadas dispuestas una sobre otra, con la que se alcanz 312 m de
profundidad. La mayor profundidad alcanzada con una estructura fija de este tipo se logra en
1991 con 412 m. A partir de aqu, la bsqueda de mayor profundidad se traduce en estructuras
fijas cada vez ms caras y difciles de instalar.
Ante este panorama surge una alternativa innovadora y barata, la torre arriostrada "Lena", la
cual permite la deformacin de sus elementos para soportar las cargas y est sostenida por un
conjunto de tirantes para resistir las cargas de huracanes. Con este tipo se alcanza una
profundidad de 500 m. Todas estas estructuras mencionadas han sido construidas en acero, no
obstante en la dcada de los ochenta se construyen algunas con hormign en aguas muy
hostiles en el mar del Norte.
Figura 1.Evolucin de la plataforma fija (profundidad en metros)
Finalmente, cabe mencionar que en 1975 se instala en el Reino Unido en el Mar del Norte el
primer sistema flotante, que se trataba de un semi-sumergible convertido. Con el desarrollo de
estas plataformas flotantes se redefini el concepto de aguas profundas en el campo de las
estructuras offshore llegndose a alcanzar los 3000 m de profundidad.
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DISEN O DE UNA PLATAFROMA
La estructura de una plataforma marina tiene la funcin de soportar los equipos deperforacin, procesos auxiliares, necesarios para la extraccin, adecuacin y transporte de los
hidrocarburos, en un medio tal que las sujeta al efecto del oleaje, corrientes marinas, mareas,
viento y sismo.
IDENTIFICACIN ESTRUCTURAL DE UNA PLATAFORMA
Una plataforma marina fija consta de tres componentes principales: superestructura,
estructura y pilotes.
Figura 1. Componentes estructurales principales de una plataforma
La superestructura es la parte de la plataforma que sobresale del agua, su funcin es soportar
los equipos e instalaciones de proceso mediante cubiertas y cuyas cargas se transmiten a los
pilotes a travs de columnas. El nmero de cubiertas depende de la funcin asignada a la
plataforma.
La subestructura queda sumergida en el agua, est conformada por marcos trapezoidales
rigidizados por riostras, sus piernas alojan y dan apoyo lateral a los pilotes desde el fondo
marino hasta su extremo superior, que es donde se conectan con la subestructura y la
superestructura.
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Los pilotes son elementos tubulares hincados en el suelo, se prolongan a travs de las piernas
de la subestructura hasta conectarse con la superestructura para recibir las cargas.
TIPOS DE PLATAFORMA ACORDE A LOS SERVICIOS QUE SOPORTALos complejos petroleros marinos estn constituidos por plataformas de diferentes servicios
tales como: produccin, enlace, compresin y habitacin. Para complementar dichos
complejos se instalan estructuras secundaras destinadas al soporte de quemadores, sistemas
de telecomunicacin y puentes; estos ltimos necesarios para el paso peatonal y el apoyo de
tuberas entre plataformas contiguas.
Las estructuras offshore se pueden clasificar en dos grupos: las apoyadas en el fondo
marino, objeto de nuestro estudio, y las flotantes.
Las estructuras apoyadas en el fondo marino, a excepcin de las construidas en hormign, son
perfiles tubulares de acero soldados que actan como un entramado que soporta el peso de la
estructura total y las fuerzas debidas a las olas, la corriente marina y el viento.
Se diferencias dos tipos:
- "Fijas". Se consideran de este tipo cuando la frecuencia natural ms baja del
movimiento de flexin de la estructura est por encima de la frecuencia ms alta
de excitacin de ola significativa. Se comportan como un cuerpo rgido y deben
resistir todas las fuerzas dinmicas del ambiente.
- "Compliant". Pertenecen a este tipo cuando la frecuencia natural ms baja est
por debajo de la energa de ola. Las fuerzas del ambiente provocan que este tipo
de estructuras se desven, pero la magnitud de las cargas dinmicas es
enormemente reducida, lo que permite que este tipo de estructuras sea ms
econmica para aguas ms profundas respecto al tipo anterior.
FIGURA 3. Torre Compliant
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- Existe una estructura intermedia que en ambientes suaves se comporta como fija y
cuando se excede de un determinado lmite se comporta como dcil.
Dentro de las denominadas fijas podemos diferenciar los siguientes tipos:
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Plataforma mnima. Para aguas poco profundas, estructuras simplificadas con una
pequea cubierta.
FIGURA 4. Ejemplo de plataforma mnima
- Estructura Jacket. Formada por perfiles tubulares de acero conectados que forman
una armadura tridimensional.
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Estructuras de gravedad. Principalmente hechas de hormign, se sustentan en su
gran volumen y peso. Son susceptibles de erosin en la base y hundimiento por su
naturaleza.
FIGURA 5.Estructura offshore de hormign
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- Jack-ups. Se trata de una barcaza generalmente formada por tres patas que
soportan una cubierta flotante. Se denomina as porque cuando es necesario sus
patas se fijan al fondo marino y la cubierta se desliza sobre ellas colocndose al
nivel de la superficie del mar.
FIGURA 6. Plataforma Jack-Up
En cuanto a las estructuras "Compliant" encontramos los siguientes tipos:
- Plataforma articulada. Torre unida en su base con una junta Cardan que es libre de
oscilar sobre esta unin debido a las condiciones ambientales. Bajo la junta se fija
al fondo marino por pilotes o por base de gravedad. Su uso general es como
sistema de amarre para petroleros.
- Torre dcil. Son bastantes transparentes a las olas, diseadas para deformarse
ante las fuerzas ambientales.
- Torre arriostrada. Estructura delgada apoyada en el fondo marino y sostenida por
un conjunto simtrico de tirantes. Aplicables en aguas profundas hostiles.
ESTRUCTURA JACKET
Dadoquenuestroestudiovaaconsistirenelanlisisdelcomportamientodinmicodeuna
estructura Jacket sometida a la accin del oleaje, es de inters describir ms
detalladamenteestetipodeestructura.
Comosehacomentado,setratadeunaarmaduratridimensionaldeperfilestubulares
deaceroquepresentande4a8patasdeformablesparaconseguirlaestabilidadfrentea
las olas. Este tipo es propio y econmico para profundidades menores a 100 m. Se
componeprincipalmentede3elementosestructurales:
- Cubierta.Puedesermodularo integrada. Formadaporentramado debarrasy
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placas para formar un suelo. Soportan cargas de equipo de operacin, de
serviciosrequeridosporelpersonal,etc.,dependiendodelafuncinousodela
estructura.
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Torre.Susfuncionessonsoportarlascondicionesambientales,recibirlacarga
delacubiertaytransferirlaalacimentacin,ascomoservirdesoportepara
otro tipodeelementosysubestructuras queexistandebidoalusoquese le
estdando a laestructura.Los componentesprincipalesde latorreson: las
patasobarrasverticales,lasbarrashorizontalesydiagonalesqueconectanlas
patas,ylasjuntas.
FIGURA 6.Estructura Jacket
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Cimentacin.Secompone generalmentedepilotesmetlicos hincadosenel fondo
marinoquepuedenestarunidosalaspatasdedosformas,encajandoelextremodel
piloteenelinteriordelapata,porloqueesevidentequeeldimetroexteriordelpilote
debeserinferioraldimetrointeriordelapata,otambinsepuedefijarelpiloteal
pilarhacindolopasaratravsdeunosconectoressoldadosalpilar.
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FIGURA 7.Cimentacin. (a) Pilote fijado mediante conectores. (b) Pilote fijado directamente a extremo inferior de la pata principal
SolicitacionesLas cargas ms significativas para el diseo de plataformas son: el peso propio, oleaje,
corrientes marinas, mareas, viento, sismo y efectos dinmicos.
Para la definicin de los parmetros meteorolgicos y oceanogrficos (metocenicos), tales
como: altura de la marea, altura y perodo de las olas, velocidades de las corrientes y del
viento as como sus correspondientes direcciones, debern realizarse campaas de medicin
para ajustar modelos matemticos, mediante los cuales se determinan valores de estos
mismos parmetros para huracanes o tormentas de invierno para diferentes perodos de
retorno.
Vida til
La evaluacin estructural de plataformas marinas ha adquirido gran relevancia debido a que
con el mejoramiento de las tcnicas de perforacin, recuperacin y operacin de pozos
petroleros la vida econmicamente productiva de los yacimientos se ha incrementado y en
algunos casos excede los 25 aos de vida til considerada para diseo de las plataformas, por
lo que es necesario prolongarla. Por otra parte la industria petrolera costafuera es cada vez
ms exigente con respecto a la seguridad de sus instalaciones para con la vida humana y el
medio ambiente, debido a que las plataformas marinas para la explotacin de hidrocarburos
presentan un incremento en el riesgo estructural a medida que aumenta su tiempo en servicio
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Modelacin, Anlisis y Diseo
El propsito fundamental del diseo estructural es lograr plataformas seguras, funcionales y
econmicas; para lograrlo, se aplican modelos matemticos para calcular y verificar los
esfuerzos en cada miembro y conexin de las plataformas.
El diseo se inicia con la generacin de un modelo numrico que se integra con la forma
geomtrica de la estructura, las propiedades mecnicas de sus elementos, de la cimentacin y
del suelo de soporte; estos modelos se utilizan para simular la estructura bajo diversas
condiciones de carga que se presentan durante su construccin, instalacin y operacin. Las
cargas ms significativas son: peso propio, oleaje, corrientes marinas, viento y sismo.
La solucin de este modelo da como resultado los desplazamientos y las fuerzas a que estn
sujetos los elementos estructurales, con lo cual se efecta el dimensionamiento de los mismos,
as como de sus conexiones. Todo este proceso se realiza cumpliendo con la normatividad
vigente.
FABRICACIO N E INSTALACIO N
El armado de la subestructura, superestructura, mdulos y pilotes, se efecta en patios de
construccin habilitados para el manejo de estructuras robustas y pesadas, los cuales se
encuentran ubicados en la margen de un ro.
La subestructura se fabrica en posicin horizontal en el patio; al trmino de esta etapa se
carga, corrindola sobre las vigas de fabricacin hacia la barcaza que efectuar el transporte
hasta el sitio de instalacin; al llegar a su destino se desliza del chaln al mar, en donde flota
libremente. Para su colocacin en posicin vertical se emplean sistemas de inundacin;
posteriormente se apoya sobre el fondo marino, se nivela y se procede al hincado de los
pilotes. Los tubos empleados en la fabricacin de estos pilotes se ensamblan en patio para
formar los tramos que se acoplarn durante el hincado; dichos tramos se transportan tambin
en una embarcacin.
La superestructura se fabrica en el patio, en posicin vertical, se carga y transporta en forma
similar a la subestructura, sobre una barcaza desde la cual se iza para colocarla sobre los
extremos superiores de los pilotes, que sobresalen de la subestructura.
Los mdulos se fabrican y equipan en patio, se cargan, transportan e izan en forma similar a la
superestructura.
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- Impacto Ambiental Significante.
- Impacto Ambiental Insignificante.
Se entiende que el impacto ambiental es causado cuando por el colapso de la estructura se
derrama aceite o gas que estuviese almacenado en las cubiertas o circulando por los ductos
instalados en la estructura.
De la combinacin de las anteriores categoras de exposicin para la vida y el medio ambiente
resultan seis posibilidades, sin embargo debido a que no existen los casos de plataformas
Tripuladas-No evacuadas, las posibilidades se reducen a cuatro.
Al caso de No tripulada-impacto ambiental insignificante, se le denomina plataforma de
mnima consecuencia.
Informacin para la evaluacin de las plataformas
Para realizar una evaluacin debe recopilarse informacin suficiente del estado estructural
general de la plataforma tanto de la superestructura como de la subestructura. Esta
informacin es recopilada durante inspecciones programadas, aplicando diferentes niveles de
inspeccin dependiendo de la importancia del componente estructural y del tipo de dao
encontrado.
Los resultados de las inspecciones son revisados por ingenieros especialistas quienes evalan
cada uno de los conceptos inspeccionados dictaminando el estado global de la estructura, lo
que determinar si se requiere una revisin estructural de la plataforma.
PROCEDIMIENTO DE EVALUACIO N
Durante la evaluacin de plataformas existentes se aplican tres niveles de anlisis de diferente
complejidad, al satisfacerse uno de ellos se considera que la estructura cumple con las
condiciones necesarias para seguir operando.
A continuacin se explica cada uno de los tres niveles de anlisis:
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Anlisis simplificado
El propsito de un anlisis simplificado es identificar de manera rpida el estado de la
estructura, la informacin estructural y de inspeccin disponible as como las cargas utilizadas
para el diseo de la plataforma.
Los conceptos que se toman en cuenta en este anlisis son:
a)
Causas que originan la evaluacin.
b) Categorizacin.
c) Evaluacin de las condiciones estructurales.
d) Revisin de las bases de diseo.
En forma general puede decirse que si al aplicar un anlisis simplificado se identifica que la
plataforma en cuestin no tiene daos significantes, tiene una altura adecuada en su primera
cubierta de tal manera que el oleaje de tormenta no la golpee y no haya sufrido cambios
significantes desde su diseo, se considera como aceptable para continuar en condiciones de
servicio siempre y cuando cumpla con las siguientes dos condiciones:
a) La plataforma es de consecuencia mnima, esto es No tripulada-impacto ambiental
Insignificante
b)
Fue diseada con la novena edicin del API-RP2A (1977) o posterior. Adicionalmente
deber de mostrarse que las cargas por oleaje utilizadas para el diseo de la
plataforma se definieron acorde a la novena edicin o posterior.
Anlisis elstico estructural a nivel de diseo
Si una plataforma no cumple con el anlisis simplificado, el segundo nivel consiste en un
anlisis elstico a nivel de diseo.
El anlisis a nivel de diseo es similar al aplicado durante el diseo de plataformas nuevas, se
consideran todos los factores de seguridad y se utilizan los esfuerzos nominales en vez de los
esfuerzos de fluencia.
Anlisis de resistencia ltima
Si una plataforma no cumple con el anlisis elstico a nivel de diseo, se podr realizar un
tercer nivel consistente en un anlisis de resistencia ltima. El anlisis de resistencia ltima
puede ser efectuado empleando mtodos elsticos o mtodos inelsticos. El primer caso se
aplica para verificar que las juntas y elementos no excedan su resistencia ltima, e inclusive
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puede realizarse un anlisis a nivel de diseo eliminando todos los factores de seguridad, tanto
en cargas como en materiales. En el segundo caso se debe tomar en cuenta el
comportamiento no lineal de elementos, juntas y cimentacin en el modelo estructural, y la
plataforma debe ser capaz de soportar las cargas definidas de acuerdo a su categora de
exposicin, sin colapsarse.
Para identificar si la plataforma analizada cumple con el anlisis de resistencia ltima, deber
revisarse la relacin del cortante de resistencia ltima entre el cortante a nivel de diseo para
la direccin ms desfavorable y sta deber ser mayor o igual que 1.7. A esta relacin se le
conoce como resistencia de reserva antes del colapso.
CRITERIO METOCEANICO
El criterio para establecer los parmetros de las solicitaciones oceanogrficas y meteorolgicas
(criterio metocenico) para evaluar una plataforma existente se definen en base a:
a) Regin geogrfica
b)
Categora de exposicin de la plataforma
c) Tipo de anlisis aplicado: nivel de diseo o resistencia ltima
Cada regin geogrfica requiere de un criterio metocenico en particular, que debe cumplir
con las siguientes condiciones:
-
Debe existir informacin obtenida de mediciones hechas en tormentas de invierno y
huracanes, o modelos numricos soportados por dicha informacin.
- La extrapolacin de datos de tormentas para perodos de retorno largos debe estar
debidamente sustentada.
-
Que el criterio sea determinado aplicando la misma lgica utilizada en la seccin 17 del
API RP2A.
Para cualquier categora de exposicin, la altura mnima de la cubierta inferior de la plataforma
a evaluar debe ser mayor que la altura de la cresta de la ola ms la altura de la marea, ambos
correspondientes a un anlisis de resistencia ltima.
Los parmetros que definen el criterio metocenico son:
Altura de ola vs tirante de agua
Marea de tormenta
Direccin de oleaje y corriente
Velocidad de corriente
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Perodo de la ola
Velocidad del viento
CONSIDERACIONES DE MEDIDAS MITIGANTES
Cuando una plataforma ha sido evaluada y no cumple con los requerimientos definidos por
alguno de los tres niveles de anlisis mencionados anteriormente, ser necesario aplicar
medidas mitigantes para cumplir con el anlisis a nivel de diseo o el de resistencia ltima. Las
medidas mitigantes son modificaciones estructurales o de procedimientos de operacin para
la reduccin de cargas, incremento en la resistencia de la plataforma o la reduccin de
consecuencias en caso de falla
Las medidas mitigantes ms comunes son:
1. Reduccin de cargas.
Reduccin de cargas gravitacionales.
Reduccin de fuerzas hidrodinmicas removiendo elementos no estructurales tales
como atracaderos, defensas y crecimiento marino.
2. Reforzamiento de la plataforma.
Refuerzo local de la estructura.
Refuerzo global de la estructura.
Mejoramiento de la vida por fatiga.
Reparacin de daos existentes.
3. Reduccin de consecuencias de operacin.
Convertir a la plataforma a no tripulada.
Estancia del personal nicamente durante el da.
Incrementar los sistemas de seguridad para evitar descontroles.
Evitar el almacenaje de materiales contaminantes a bordo.
Identificadas las medidas mitigantes ms convenientes para la plataforma en cuestin se
deber cumplir con el anlisis a nivel de diseo o con el de resistencia ltima.
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ANA LISIS DE COSTOS
La aplicacin de medidas mitigantes resulta muy costosa ya que estos trabajos se realizan conequipo y personal alojados en barcos gra de gran tamao por la magnitud de las cargas a
movilizar, y en algunos casos mediante el apoyo de buzos especializados. Por tal razn es
necesario identificar una adecuada combinacin de las diferentes medidas mitigantes posibles
de aplicar para cada caso en particular, ya que algunas resultan ms costosas tanto por su
aplicacin como por el mantenimiento requerido para que continen siendo efectivas, tal es el
caso de la remocin del crecimiento marino para la disminucin de las fuerzas por oleaje.
Por otra parte, una vez identificada la alternativa ms efectiva y econmica para una-
plataforma, para cumplir con los requerimientos y continuar en condiciones seguras de
operacin, es necesario estimar los costos de la aplicacin de las medidas mitigantes para
compararlos con los costos del aceite y gas que an producir el yacimiento y as determinar la
rentabilidad de la inversin.
CONCLUSIONES
La evaluacin de plataformas existentes aplicando metodologas tal como la presentada en la
seccin 17 del API RP2, permitir tomar decisiones fundamentadas desde el punto de vista
tcnico, repercutiendo tambin en el aspecto econmico, esto conduce a que las plataformas
que han consumido gran parte de su vida til o que presentan daos o cambios significantes
puedan continuar operando en condiciones seguras tanto para el personal como para el medio
ambiente. La aplicacin de este tipo de metodologas permite tambin que las plataformas
sean certificables, cumpliendo con la normatividad internacional.