Opciones de diseño de amarre y torreta para FPSO en entornos hostiles

Las FPSO amarradas por torreta en entornos hostiles tienden a fallar de algunas formas reconocibles. El rodamiento de la torreta se carga más allá de lo que el casco y su estructura de soporte fueron construidos para soportar. Una línea de amarre se rompe y las supervivientes no pueden soportar la carga que se les transfiere. O el buque permanece conectado durante una tormenta de la que debería haberse retirado. Cada uno de estos casos termina mal: parada de planta no planificada, daños en los risers o pérdida de posición. No se puede atornillar una torreta a un casco terminado, por lo que la disposición del amarre, el conjunto de risers, la disposición de los rodamientos y la filosofía de desconexión deben decidirse en conjunto y de forma temprana.

Este artículo ofrece a los ingenieros mecánicos y estructurales una visión a nivel de diseño de esas opciones vinculadas. Se basa en las fuentes de investigación enumeradas al final y en la práctica establecida.

Contexto de normas y requisitos

El diseño de torretas y amarres se rige por las normas de mantenimiento de posición y producción flotante. No existe una norma única dedicada a las torretas. Los documentos que verá citados con más frecuencia son:

• API RP 2SK, Diseño y análisis de sistemas de mantenimiento de posición para estructuras flotantes, que cubre el análisis de amarre, los límites de tensión de las líneas y las condiciones intactas y dañadas.
• ISO 19901-7, Sistemas de mantenimiento de posición para estructuras marinas flotantes y unidades marinas móviles, la contraparte internacional para el diseño y análisis de amarres.
• API RP 2FPS, Planificación, diseño y construcción de sistemas de producción flotantes, que cubre todo el sistema de producción flotante, incluyendo el buque, el amarre y la interfaz del riser.

Las sociedades de clasificación añaden sus propias reglas para la estructura de la torreta, los rodamientos y el amarre de posición. Los operadores suelen añadir especificaciones del proyecto por encima. Defina la edición y los criterios de aceptación que se aplican a su proyecto, y hable con la autoridad certificadora desde el principio sobre cómo se clasificará la operación desconectable. Las condiciones intactas, dañadas (pérdida de una línea) y transitorias son todos casos de diseño. Cada combinación de carga impulsa el dimensionamiento del rodamiento y la estructura.

Por qué la torreta es el motor del diseño

La torreta permite que el buque actúe como una veleta mientras las líneas de amarre permanecen fijas al lecho marino. La proa gira hacia el entorno dominante, lo que reduce las cargas que el amarre debe resistir. En sitios hostiles ese beneficio es grande, y es por eso que la torreta se considera crítica para el clima severo. El precio es que cada carga de amarre y riser se transmite al casco a través de una interfaz giratoria.

El punto central sigue siendo válido. El amarre, la estructura de la torreta, el rodamiento y el casco deben analizarse como una única trayectoria de carga acoplada. No los trate como paquetes separados.

Cargas en los rodamientos de la torreta

Componentes de carga

El rodamiento y su estructura de soporte ven una combinación de acciones:

• Carga de amarre horizontal. Los componentes horizontales de la tensión de la línea se suman y reaccionan como carga radial en el rodamiento.
• Carga vertical. Peso propio de la torreta, componentes de tensión vertical de la línea, cargas de suspensión de risers y umbilicales, y el peso del conjunto de juntas giratorias (swivel) donde la torreta lo soporta.
• Momento de vuelco. Las cargas de amarre y riser actúan a una elevación diferente del plano del rodamiento, por lo que el rodamiento soporta un momento además de la fuerza radial y axial. En un estado de mar hostil, este momento es a menudo lo que rige la disposición de los rodillos.
• Efectos dinámicos e inerciales. El movimiento del buque impone cargas inerciales sobre una gran masa giratoria. La torreta nunca deja de ver carga oscilante.

Interacción con el casco

La deformación del casco es la parte que la gente más subestima. Un casco con forma de barco se flexiona bajo la flexión de las olas y a medida que la carga y el lastre se mueven. El rodamiento tiene que mantener su geometría permitida a través de todos esos ciclos. En el diseño, verifique:

1. Planitud y redondez de la pista bajo la deflexión de la viga del casco, no solo en aguas tranquilas.
2. Rigidez de la estructura de soporte de la torreta al casco. La flexibilidad local cambia la forma en que se comparte la carga entre los rodillos del rodamiento.
3. Fatiga en las conexiones de la torreta al casco, que ciclan en cada estado del mar.
4. Tolerancias de fabricación e instalación. Los errores de alineación reducen el margen del rodamiento contra cargas extremas.

Disposición de rodamientos y juntas giratorias

El tipo de rodamiento (rodillos de varias filas, rodillos cónicos o rodillos esféricos) es un equilibrio entre la capacidad de carga, la tolerancia a la deformación y la mantenibilidad. Cualquiera que elija, diseñe el acceso para inspeccionar y cambiar las piezas de desgaste, y espacio para el accionamiento o freno que controla la rotación.

El conjunto de juntas giratorias (swivel) es su propia vía de falla. Transporta fluido a través de la interfaz giratoria, por lo que el trabajo de sellado en él implica manipular equipos que contienen hidrocarburos. Cualquier trabajo en el swivel sigue la secuencia completa de aislamiento: aislar, despresurizar, verificar energía cero, aplicar LOTO, controlar las fuentes de ignición en el área clasificada, realizar detección continua de gas y ventilar a una ubicación segura.

Mooring layout choices

Spread versus turret

El fondeo por extensión (spread mooring), con líneas fijadas a lo largo del casco, es la alternativa tradicional. Sin una torreta, el buque no puede veletear (weathervane). Recibe las cargas ambientales desde cualquier dirección en la que las líneas lo hayan fijado. Donde el clima es variable y severo, esto supone una penalización grave, y la torreta suele ser la opción preferida. Si una dirección domina y el campo es sencillo, el spread mooring aún puede competir. La torreta conlleva el coste y la complejidad de la interfaz giratoria.

Line grouping and redundancy

Las líneas de la torreta suelen agruparse alrededor de su circunferencia. Los puntos más importantes son:

• Load sharing after a line failure. La configuración debe sobrevivir a la pérdida de una línea sin que las adyacentes fallen en cadena. Esta es una comprobación estándar en las normas de mantenimiento de posición (stationkeeping).
• Directional bias. Si el clima extremo tiene una dirección dominante, la orientación del grupo y la distribución de la rigidez pueden ajustarse a ella, siempre que los casos en otras direcciones sigan cumpliendo los criterios.
• Riser clearance. Los corredores de líneas y los de risers compiten por el mismo lecho marino y columna de agua. Evalúe el riesgo de colisión tanto en condiciones intactas como dañadas.
• Fairlead and chain stopper loads. En el estopor, las líneas transmiten alta tensión y movimiento angular a la torreta. Es un punto sensible a la fatiga, por lo que el desgaste de la cadena y la flexión allí requieren una planificación de inspección explícita.

Riser arrays drive turret design

Cada riser o umbilical adicional significa otra posición de suspensión, una torreta y un conjunto de swivels más grandes, más carga y una coordinación más estrecha con las líneas de fondeo. La profundidad del agua, el propósito del buque y el entorno son las variables principales. Los diseños modernos para entornos hostiles deben alojar arreglos complejos de múltiples risers dentro del casco. Si el plan del campo contempla añadir risers más adelante, decida de antemano si la torreta dispondrá de ranuras de reserva.

Disconnect versus weathervane-only

What is being decided

Una torreta conectada permanentemente veletea durante la tormenta de diseño y permanece en posición. Un sistema desconectable permite que el buque se retire, dejando el fondeo y los risers en una boya, para regresar más tarde.

Comparison

Design issues specific to disconnectable systems

• Buoy behaviour when disconnected. La boya, el fondeo y los risers deben ser estables, con movimientos, huelgos y cargas de riser aceptables mientras el buque está ausente.
• Reconnection loads. El contacto entre la boya y la estructura receptora del buque en estados de mar residual es un caso de carga propio, y establece la ventana meteorológica operativa para la reconexión.
• Emergency disconnect. Una desconexión rápida debe aislar y asegurar los risers que transportan hidrocarburos de forma segura. La secuencia debe ser diseñada, probada y ensayada.
• Fatigue and wear. Los ciclos repetidos de conexión cambian el panorama de fatiga y desgaste para conectores y guías.

Illustrative scenario

El siguiente es un ejemplo construido, no un proyecto real.

Un operador planea un FPSO en un sitio remoto donde la tormenta extrema es mucho más severa que el clima operativo típico. Dos conceptos compiten: una torreta interna permanente y una torreta de boya desconectable.

Para la torreta permanente, el análisis muestra que el momento de vuelco sobre el cojinete en la tormenta extrema es el factor determinante. Cumplirlo implica una estructura de soporte de la torreta más rígida y un cojinete más grande. El caso dañado (pérdida de una línea) también rige el dimensionamiento de las líneas. El equipo del proyecto acepta un mayor coste de acero y cojinete para mantener la producción continua.

Para el concepto desconectable, la tormenta de diseño conectado es más leve, lo que reduce la presión sobre el cojinete y las líneas. Luego, el equipo descubre que el sistema de risers debe diseñarse para la condición desconectada, y que la ventana meteorológica de reconexión determina el tiempo de actividad de la producción. La verdadera cuestión es si el tiempo acumulado desconectado, más el riesgo de cada operación de conexión, es aceptable.

La respuesta depende de con qué frecuencia el sitio obliga realmente a una partida, y de si la torreta permanente puede diseñarse con un margen creíble. Compare ambos en cuanto a margen estructural, operabilidad y riesgo, utilizando los datos metoceánicos del sitio. No lo resuelva con una regla empírica.

Lista de verificación para la toma de decisiones

• Defina los entornos extremos y operativos, incluyendo las direcciones dominantes y su persistencia, antes de elegir el tipo de torreta.
• Confirme la trayectoria de carga desde la línea hasta el ancla en el lecho marino a través de la torreta, el rodamiento y el casco, y analícelo como un único sistema acoplado.
• Verifique la geometría del rodamiento bajo la deformación del casco en todas las condiciones de carga, no solo en aguas tranquilas.
• Trate el momento de vuelco como un caso de carga primaria del rodamiento, no como uno secundario.
• Verifique los casos intactos, de pérdida de una línea y transitorios frente al estándar de mantenimiento de posición aplicable.
• Coordine el arreglo de risers y los corredores de amarre, incluyendo interferencias en condiciones dañadas.
• Decida tempranamente sobre los slots de risers de repuesto y futuras conexiones, porque la torreta no puede crecer fácilmente después.
• Identifique las ubicaciones críticas por fatiga: frenos de cadena, escobenes, conexiones de torreta a casco y el rodamiento.
• Si considera la desconexión, defina la ventana meteorológica de reconexión, la secuencia de desconexión de emergencia y el comportamiento de la boya mientras está desconectada.
• Planifique el acceso para inspección del rodamiento, el accionamiento, el swivel y los frenos durante la fase de diseño.
• Para trabajos relacionados con el swivel y los risers en equipos que contienen hidrocarburos, aplique la secuencia completa de aislamiento de energía: aislar, despresurizar, verificar energía cero, aplicar LOTO, controlar las fuentes de ignición en el área clasificada, realizar detección continua de gas y ventear a una ubicación segura, de acuerdo con las regulaciones de seguridad de procesos y marítimas aplicables para la jurisdicción.
• Acuerde los requisitos de clase y certificación para el sistema desconectable con la autoridad al inicio.

Conclusión

En una FPSO para entornos hostiles, la torreta, el amarre y el arreglo de risers se comportan como un solo sistema, con el rodamiento en el centro. Considere el momento de vuelco y la deformación del casco como casos primarios del rodamiento, y dimensione el amarre tanto para condiciones dañadas como intactas. La elección entre permanente o desconectable se reduce al margen estructural por un lado y al costo operativo y de seguridad de salir y regresar por el otro.

A continuación, recopile los datos metoceánicos del sitio y el plan de risers, someta ambos conceptos al análisis acoplado requerido por API RP 2SK o ISO 19901-7, y lleve los resultados a la autoridad certificadora antes de que el diseño del casco y la torreta quede bloqueado.