Progettazione di torrette e sistemi di ormeggio FPSO per giacimenti in acque profonde in ambienti ostili

Il problema operativo

Una torretta FPSO è l'unico punto attraverso il quale passano tutto il carico di mantenimento della posizione, il sistema dei riser e i fluidi di produzione. Se le sue prestazioni sono insufficienti, la nave non può ruotare liberamente (weathervane) e il gruppo cuscinetti e giunti rotanti (swivel) viene sovraccaricato. Gli interventi correttivi sono lenti. Sostituire un cuscinetto della torretta o ritensionare un sistema di ormeggio offshore comporta un intervento lungo e dipendente dalle condizioni meteorologiche, e la perdita di produzione durante tale periodo rappresenta il costo maggiore. Nei giacimenti in acque profonde in ambienti ostili, il margine di errore si riduce ulteriormente: carichi sulle linee maggiori, più riser e una nave che deve mantenere una prua sicura durante tempeste estreme per tutta la vita del giacimento.

Una rassegna di ingegneria delle torrette su una rivista di settore osserva che l'aumento delle profondità marine e le applicazioni in ambienti ostili stanno spingendo l'ingegneria delle torrette a nuovi livelli di complessità (offshoreindustry.co.uk, FPSO Turret Mooring Systems: Internal vs External Design, Bearings & Swivels). Questo articolo tratta le scelte progettuali che determinano se una torretta di nuova costruzione eviterà tale esito: comportamento di weathervaning, percorsi di carico dei cuscinetti e selezione delle linee di ormeggio.

Contesto normativo e requisiti

Il quadro di riferimento per la progettazione di nuove costruzioni è costituito da un ristretto set di documenti:

• API RP 2SK, Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures. Copre l'analisi dell'ormeggio per condizioni integre, danneggiate e transitorie.
• ISO 19901-7, Stationkeeping systems for floating offshore structures and mobile offshore units. È la controparte internazionale per la progettazione e l'analisi dell'ormeggio.
• API RP 2FPS, Planning, Designing, and Constructing Floating Production Systems. Stabilisce il contesto a livello di sistema per scafo, ormeggio e riser.
• DNV-OS-E301, Position Mooring. È lo standard offshore della società di classifica per i sistemi di ormeggio.

La società di classifica e la base di progettazione metoceanica dell'operatore stabiliscono i periodi di ritorno del progetto effettivi, i fattori di sicurezza e i requisiti di ispezione. Questi dati vanno tratti dai documenti di progetto, non a memoria. Il cuscinetto della torretta e lo swivel sono solitamente progettati in base alle regole di classe e alle specifiche dell'operatore, pertanto è necessario definire i casi di carico del cuscinetto e i criteri di accettazione all'inizio del contratto.

Principi di weathervaning

Perché la nave ruota

Una FPSO ormeggiata tramite torretta è ancorata in un punto e libera di ruotare attorno ad esso. Le forze del vento, della corrente e del moto ondoso agiscono sullo scafo lontano dalla torretta. Ciò crea un momento di imbardata, che fa oscillare la nave finché non si stabilizza su una prua in cui il momento netto è ridotto. In pratica, questo avviene solitamente con la prua al vento, il che riduce al minimo il rollio e mantiene i carichi sull'ormeggio al livello più basso.

Posizione della torretta e comportamento di imbardata

La posizione della torretta lungo lo scafo è una variabile di progettazione primaria.

• Torretta molto a prua: la nave ha un braccio di leva lungo dietro il perno e una forte tendenza al weathervaning. La prua segue fedelmente le condizioni meteorologiche, ma la nave è più esposta a lente escursioni di imbardata quando vento, onde e corrente non sono allineati.
• Torretta più a poppa: la nave è meno stabile direzionalmente e il controllo della prua diventa più difficile.

In ambienti ostili, vento, mare lungo e corrente possono provenire da direzioni diverse. Una prua che ritarda o oscilla può esporre lo scafo al mare al traverso e aumentare i carichi di ormeggio. Lo studio sul mantenimento della posizione di Duggal, Heyl e Ryu (SOFEC, 2009), Station-keeping of FPSOs in Extreme Environments, affronta questo problema. Per verificare la risposta all'imbardata, gli strumenti sono i test su modelli e l'analisi accoppiata nel dominio del tempo, non i calcoli manuali.

Cosa deve trasmettere l'ingegnere

L'analisi del weathervaning fornisce tre input per la progettazione downstream:

1. L'intervallo di prua della nave rispetto alla disposizione dell'ormeggio, che determina quante linee sono caricate contemporaneamente.
2. L'offset massimo, che governa la progettazione dei riser e il franco tra linee e riser.
3. I carichi all'interfaccia della torretta, che dimensionano il cuscinetto e la struttura.

Carichi sui cuscinetti della turret

Il percorso del carico

I carichi delle linee di ormeggio entrano nella struttura della turret a livello della tavola delle catene o del passacavo (fairlead), quindi passano attraverso il cuscinetto nello scafo. Il cuscinetto deve sopportare carichi orizzontali, carichi verticali e un momento ribaltante, continuando a ruotare liberamente sotto carico. La tensione dei riser e i carichi dinamici dei riser si aggiungono alla componente verticale. (Offshore Magazine, Turret moorings evolve to accommodate complex subsea spreads, harsher environments), supporta un pesante carico combinato. Queste cifre mostrano come la base di progettazione per ambienti ostili stabilisca l'entità dei carichi sui cuscinetti.

La domanda chiave iniziale è come suddividere il carico tra la disposizione del cuscinetto superiore e inferiore. Tale suddivisione stabilisce la capacità di momento e la rigidezza strutturale, e decide quanto strettamente lo scafo possa mantenere l'allineamento sotto deflessione.

Considerazioni chiave di progettazione

• Deflessione dello scafo e allineamento: un cuscinetto che è rigido sulla carta ma alloggia in uno scafo flessibile subisce un carico irregolare sui rulli. Specificare la planarità dell'anello consentita e la deformazione dell'interfaccia scafo-turret come input di progettazione, quindi verificarle nell'analisi FE globale.
• Condizioni estreme rispetto alla fatica: il caso di tempesta estrema dimensiona la struttura. Tuttavia, anni di carico ciclico determinano l'usura e la fatica del cuscinetto e dei suoi supporti.
• Condizione di ormeggio danneggiato: la perdita di una linea sposta il carico su quelle vicine e cambia la direzione del carico sul cuscinetto. Eseguire il controllo del cuscinetto per i casi danneggiati e transitori da API RP 2SK, non solo per il caso integro.
• Ispezionabilità: un cuscinetto che non può essere ispezionato o manutenuto in loco diventa un rischio per tutta la durata della vita utile. Pianificare l'accesso, il monitoraggio delle condizioni e una strategia di sostituzione o riparazione durante la progettazione.

Il punto centrale rimane valido: l'ormeggio, la turret e la nave devono essere analizzati come un sistema integrato, non come pacchetti separati.

Scelte di configurazione della turret

L'articolo Turritella (Design of the Disconnectable Buoy Turret Mooring for the Turritella FPSO, OTC, 2017) descrive il design della FPSO per lo Stones Field e le sfide che ha posto per l'ormeggio a boa scollegabile. L'opzione scollegabile aggiunge complessità meccanica. Ma dove la nave deve essere in grado di lasciare il sito, può essere la risposta corretta.

Scelte di progettazione delle linee di ormeggio

Materiali e configurazione delle linee

Le acque profonde cambiano il problema del peso. Linee pesanti interamente in catena aggiungono un grande peso sospeso alla nave, che carica la turret verticalmente e riduce il carico utile. Le risposte abituali sono:

• Catena–poliestere–catena: una disposizione tesa o semi-tesa. Il segmento in poliestere riduce il peso della linea e offre una risposta più flessibile, ma richiede un'attenta valutazione del comportamento della rigidezza e della movimentazione.
• Catena–fune metallica–catena: una disposizione a catenaria più tradizionale con un track record consolidato. La fune metallica riduce il peso rispetto alla catena ma richiede una gestione della corrosione e della fatica.
• Tesa rispetto a catenaria: i sistemi tesi riducono l'ingombro e il carico verticale, ma aumentano la richiesta di sollevamento dell'ancora e rendono la tensione della linea sensibile all'offset.

La fattibilità di ormeggio e riser per una FPSO nel Golfo del Messico a 10,000 ft di profondità è stata esaminata nel documento OTC del 2005 Mooring And Riser Design For GoM FPSOs In 10,000 Ft Water Depth. Il suo approccio è quello corretto. I sistemi di ormeggio e riser sono progettati insieme perché condividono lo stesso inviluppo di offset e la stessa turret.

Compatibilità dei riser

La rigidezza dell'ormeggio stabilisce l'offset della nave, e l'offset stabilisce lo stress del riser. Bluewater descrive un design dedicato per ospitare steel lazy wave risers negli oceani più profondi, con molti riser, ombelicali e cavi di alimentazione dinamici supportati sulla stessa turret (Bluewater, FPSO and FLNG mooring). Un ormeggio che limiti bene l'offset può essere necessario per mantenere i riser in acciaio entro i loro limiti. Un ormeggio più morbido riduce i carichi sulle linee ma aumenta gli offset. Pertanto, la scelta è un'ottimizzazione del sistema, non una decisione linea per linea.

Casi di fatica e danneggiamento

In ambienti ostili, il carico di tempesta estrema governa spesso il controllo di resistenza. La fatica, nel frattempo, governa l'integrità a lungo termine dei connettori delle catene, dei passacavi e della struttura della turret circostante. Verificare quanto segue:

• Casi integri estremi e di fatica.
• Un caso con una linea danneggiata, con il conseguente offset e la ridistribuzione del carico.
• Comportamento transitorio immediatamente dopo il cedimento di una linea, che API RP 2SK tratta separatamente dalla condizione di danno stazionaria.

Scenario illustrativo: scelta di un concetto di ormeggio

Questo scenario è illustrativo e non descrive un progetto reale.

Un team di progetto sta sviluppando una nuova FPSO per un campo in acque profonde e ambiente ostile. Il numero di riser è elevato e per le linee di produzione principali si preferiscono gli steel lazy wave risers. La prima proposta di ormeggio è un sistema catenario (catenary spread) interamente in catena, principalmente perché l'operatore ha familiarità con esso.

L'analisi globale mostra due problemi. In primo luogo, il peso della catena sospesa spinge il carico verticale sul cuscinetto del turret oltre quanto accettato dal team strutturale nella fase concettuale. In secondo luogo, l'ampia impronta (footprint) della catenaria crea problemi di spazio libero con il corridoio dei riser.

Il team passa a una configurazione catena–poliestere–catena. Ciò riduce il peso sospeso e restringe l'impronta. I nuovi problemi sono una maggiore richiesta di sollevamento dell'ancora e la necessità di confermare la rigidezza del poliestere e le procedure di installazione. Il team strutturale del turret esegue nuovamente i controlli dei cuscinetti con il carico verticale inferiore, e il team dei riser ricontrolla gli offset con la nuova rigidezza. La decisione si basa sui risultati integrati, non sull'ottimizzazione di un singolo pacchetto.

Checklist decisionale

• Definire la base metoceanica, inclusi i disallineamenti di vento, onde e correnti, prima di fissare la posizione del turret.
• Confermare la posizione del turret dall'analisi della stabilità di imbardata (yaw), utilizzando test su modelli o simulazioni accoppiate nel dominio del tempo.
• Stabilire i casi di carico dei cuscinetti per condizioni di ormeggio integre, danneggiate e transitorie.
• Specificare i limiti di deflessione dell'interfaccia scafo–turret e verificarli nell'analisi globale agli elementi finiti (FE).
• Richiedere un piano di manutenzione, ispezione e monitoraggio delle condizioni dei cuscinetti prima dell'aggiudicazione del contratto.
• Revisionare l'accesso allo swivel e al trasferimento dei fluidi. Qualsiasi intervento su swivel o tubazioni contenenti idrocarburi richiede isolamento completo, depressurizzazione, verifica dell'energia zero, LOTO, rilevamento gas, precauzioni per area classificata e sfiato sicuro secondo il sistema dei permessi di lavoro.
• Valutare le opzioni interamente in catena, cavo d'acciaio e poliestere rispetto al carico verticale del turret, all'impronta e al sollevamento dell'ancora.
• Eseguire i sistemi di ormeggio e riser su un inviluppo di offset condiviso e iterare tra i team.
• Verificare la fatica per connettori, passacavi (fairleads) e supporti del turret, non solo per i segmenti di linea.
• Decidere tempestivamente se è necessario lo scollegamento, poiché ciò modifica il concetto di turret.
• Confermare i requisiti applicabili della classe e dell'operatore rispetto a API RP 2SK, ISO 19901-7, API RP 2FPS e DNV-OS-E301.

Conclusione

La progettazione del turret e dell'ormeggio per FPSO in acque profonde e ambienti ostili è un problema integrato. La posizione del turret governa il comportamento della prua (heading). La prua e l'offset governano i carichi delle linee e dei riser. Tali carichi passano attraverso un cuscinetto che deve continuare a ruotare per tutta la vita del campo. Trattare la nave, il turret, l'ormeggio e i riser come un unico modello di analisi. Rendere l'ispezionabilità dei cuscinetti un requisito di progettazione. E confrontare i materiali delle linee in base al carico verticale del turret e all'offset del riser, non solo al costo della linea.

Come passi successivi, congelare la base metoceanica e il numero di riser. Eseguire analisi accoppiate per due o tre posizioni di turret e concetti di ormeggio. Quindi coinvolgere il fornitore dei cuscinetti e la società di classifica prima che i casi di carico siano fissati.