Scelte Progettuali di Ormeggio e Torretta per FPSO in Ambienti Ostili

Le FPSO ormeggiate tramite torretta in ambienti ostili tendono a guastarsi in alcuni modi riconoscibili. Il cuscinetto della torretta viene caricato oltre quanto lo scafo e la sua struttura di supporto sono stati costruiti per sopportare. Una linea di ormeggio si rompe e quelle superstiti non possono sostenere il carico che viene scaricato su di esse. Oppure l'unità rimane collegata durante una tempesta che avrebbe dovuto evitare. Ognuno di questi casi finisce male: fermata di manutenzione non pianificata, danni ai riser o perdita della posizione. Non è possibile bullonare una torretta su uno scafo finito, quindi il layout di ormeggio, la serie di riser, la disposizione dei cuscinetti e la filosofia di scollegamento devono essere stabiliti insieme e precocemente.

Questo articolo offre agli ingegneri meccanici e strutturali una visione a livello di progettazione di queste scelte collegate. Si basa sulle fonti di ricerca elencate alla fine e sulla pratica consolidata.

Contesto degli standard e dei requisiti

La progettazione della torretta e dell'ormeggio rientra negli standard di stationkeeping e di produzione galleggiante. Non esiste un unico standard dedicato alla torretta. I documenti citati più spesso sono:

• API RP 2SK, Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures, che copre l'analisi dell'ormeggio, i limiti di tensione delle linee e le condizioni integre e danneggiate.
• ISO 19901-7, Stationkeeping systems for floating offshore structures and mobile offshore units, la controparte internazionale per la progettazione e l'analisi dell'ormeggio.
• API RP 2FPS, Planning, Designing, and Constructing Floating Production Systems, che copre l'intero sistema di produzione galleggiante, inclusi il vascello, l'ormeggio e l'interfaccia del riser.

Le società di classifica aggiungono le proprie regole per la struttura della torretta, i cuscinetti e l'ormeggio di posizione. Gli operatori solitamente aggiungono specifiche di progetto supplementari. Individuate l'edizione e i criteri di accettazione applicabili al vostro progetto e parlate precocemente con l'autorità di certificazione su come verrà classificata l'operazione scollegabile. Le condizioni integre, danneggiate (una linea persa) e transitorie sono tutti casi di progettazione. Ogni combinazione di carico guida il dimensionamento del cuscinetto e della struttura.

Perché la torretta è il driver del progetto

La torretta consente al vascello di ruotare come una banderuola (weathervane) mentre le linee di ormeggio rimangono fissate al fondale marino. La prua oscilla verso l'ambiente dominante, il che riduce i carichi che l'ormeggio deve resistere. In siti ostili questo vantaggio è notevole, ed è per questo che la torretta viene definita critica per il meteo avverso. Il prezzo è che ogni carico di ormeggio e riser si trasmette allo scafo attraverso un'interfaccia rotante.

Il punto centrale rimane valido. L'ormeggio, la struttura della torretta, il cuscinetto e lo scafo devono essere analizzati come un unico percorso di carico accoppiato. Non trattateli come pacchetti separati.

Carichi dei cuscinetti della torretta

Componenti del carico

Il cuscinetto e la sua struttura di supporto sono soggetti a una combinazione di azioni:

• Carico di ormeggio orizzontale. Le componenti orizzontali della tensione della linea si sommano e reagiscono come carico radiale sul cuscinetto.
• Carico verticale. Peso proprio della torretta, componenti verticali della tensione della linea, carichi di sospensione di riser e ombelicali e il peso dello swivel stack dove la torretta lo sostiene.
• Momento ribaltante. I carichi di ormeggio e riser agiscono a un'altezza diversa dal piano del cuscinetto, quindi il cuscinetto sopporta un momento oltre alla forza radiale e assiale. In uno stato del mare ostile, questo momento è spesso ciò che governa la disposizione dei rulli.
• Effetti dinamici e inerziali. Il movimento del vascello esercita carichi inerziali su una grande massa rotante. La torretta non smette mai di vedere carichi oscillanti.

Interazione con lo scafo

La deformazione dello scafo è la parte che le persone sottovalutano di più. Uno scafo a forma di nave si flette sotto il piegamento delle onde e mentre il carico e la zavorra si spostano. Il cuscinetto deve mantenere la sua geometria ammissibile attraverso tutti questi cicli. In fase di progettazione, verificare:

1. Planarità e rotondità della pista sotto la deflessione della trave dello scafo, non solo in acque calme.
2. Rigidezza della struttura di supporto torretta-scafo. La flessibilità locale sposta il modo in cui il carico viene condiviso tra i rulli del cuscinetto.
3. Fatica nelle connessioni torretta-scafo, che ciclicamente lavorano in ogni stato del mare.
4. Tolleranze di fabbricazione e installazione. Gli errori di allineamento erodono il margine del cuscinetto contro i carichi estremi.

Disposizione dei cuscinetti e dello swivel

Il tipo di cuscinetto (a rulli a più file, a rulli conici o a rulli sferici) è un compromesso tra capacità di carico, tolleranza alla deformazione e manutenibilità. Qualunque sia la scelta, progettate l'accesso per ispezionare e sostituire le parti soggette a usura e lo spazio per l'azionamento o il freno che controlla la rotazione.

Lo swivel stack è un percorso di guasto a sé stante. Trasporta fluidi attraverso l'interfaccia rotante, quindi intervenire sulle tenute significa maneggiare apparecchiature contenenti idrocarburi. Qualsiasi lavoro sullo swivel segue la sequenza completa di isolamento: isolare, depressurizzare, verificare l'assenza di energia, applicare LOTO, controllare le fonti di innesco nell'area classificata, eseguire il rilevamento continuo dei gas e sfiatare in un luogo sicuro.

Mooring layout choices

Spread versus turret

L'ormeggio a raggiera (spread mooring), con linee fissate lungo lo scafo, è l'alternativa tradizionale. Senza una torretta, l'unità non può orientarsi al vento (weathervane). Subisce i carichi ambientali da qualunque direzione le linee l'abbiano fissata. Dove il meteo è variabile e severo, questo è un pesante svantaggio, e la torretta è solitamente la preferita. Se una direzione domina e il campo è semplice, lo spread mooring può ancora competere. La torretta porta con sé il costo e la complessità dell'interfaccia rotante.

Line grouping and redundancy

Le linee della torretta sono solitamente raggruppate attorno alla sua circonferenza. I punti più importanti:

• Load sharing after a line failure. Il layout deve sopravvivere alla perdita di una linea senza che quelle vicine cedano in sequenza. Questo è un controllo standard nelle norme di mantenimento della posizione (stationkeeping).
• Directional bias. Se il meteo estremo ha una direzione dominante, l'orientamento del gruppo e la distribuzione della rigidezza possono essere sintonizzati su di essa, a patto che i casi fuori direzione superino comunque i test.
• Riser clearance. I corridoi delle linee e quelli dei riser si contendono lo stesso fondale e la stessa colonna d'acqua. Valutare il rischio di collisione sia in condizioni integre che danneggiate.
• Fairlead and chain stopper loads. Allo stopper, le linee trasmettono alta tensione e moto angolare alla torretta. È un punto sensibile alla fatica, quindi l'usura della catena e la flessione in quel punto richiedono una pianificazione esplicita delle ispezioni.

Riser arrays drive turret design

Ogni riser o ombelicale extra significa un'ulteriore posizione di sospensione, una torretta e un gruppo swivel più grandi, più carico e un coordinamento più stretto con le linee di ormeggio. Profondità dell'acqua, scopo dell'unità e ambiente sono le variabili fondamentali. I moderni design per ambienti ostili devono alloggiare complessi array multi-riser all'interno dello scafo. Se il piano di sviluppo del campo prevede l'aggiunta di riser in futuro, è necessario decidere in anticipo se la torretta debba avere slot di riserva.

Disconnect versus weathervane-only

What is being decided

Una torretta collegata permanentemente si orienta al vento durante la tempesta di progetto e rimane in posizione. Un sistema scollegabile consente all'unità di allontanarsi, lasciando l'ormeggio e i riser su una boa, per poi tornare in seguito.

Comparison

Design issues specific to disconnectable systems

• Buoy behaviour when disconnected. La boa, l'ormeggio e i riser devono essere stabili, con movimenti, franchi e carichi sui riser accettabili mentre l'unità è assente.
• Reconnection loads. Il contatto tra la boa e la struttura ricevente dell'unità in stati di mare residuo è un caso di carico a sé stante e definisce la finestra meteo operativa per la riconnessione.
• Emergency disconnect. Uno scollegamento rapido deve comunque isolare e mettere in sicurezza i riser che trasportano idrocarburi. La sequenza deve essere progettata, testata e provata.
• Fatigue and wear. Cicli di connessione ripetuti cambiano il quadro di fatica e usura per connettori e guide.

Illustrative scenario

Quello che segue è un esempio costruito, non un progetto reale.

Un operatore pianifica una FPSO in un sito remoto dove la tempesta estrema è molto più severa del tipico meteo operativo. Due concetti si confrontano: una torretta interna permanente e una torretta a boa scollegabile.

Per la torretta permanente, l'analisi mostra che il momento ribaltante sul cuscinetto nella tempesta estrema è il fattore determinante. Soddisfarlo significa una struttura di supporto della torretta più rigida e un cuscinetto più grande. Il caso danneggiato (una linea persa) governa anche il dimensionamento delle linee. Il team di progetto accetta costi maggiori per l'acciaio e il cuscinetto per mantenere la produzione continua.

Per il concetto scollegabile, la tempesta di progetto in condizione collegata è più lieve, il che allenta la pressione sul cuscinetto e sulle linee. Successivamente, il team scopre che il sistema riser deve essere progettato per la condizione scollegata e che la finestra meteo di riconnessione determina l'uptime della produzione. La vera questione diventa se il tempo cumulativo di scollegamento, sommato al rischio di ogni operazione di connessione, sia accettabile.

La risposta dipende dalla frequenza con cui il sito impone effettivamente la partenza e se la torretta permanente può essere progettata con un margine credibile. Confrontare le due soluzioni su margine strutturale, operabilità e rischio, utilizzando i dati metoceanici del sito. Non decidere in base a regole empiriche.

Checklist decisionale

• Definire gli ambienti estremi e operativi, incluse le direzioni dominanti e la loro persistenza, prima di scegliere il tipo di torretta.
• Confermare il percorso del carico dalla linea all'ancora sul fondale attraverso la torretta, il cuscinetto e lo scafo, e analizzarlo come un unico sistema accoppiato.
• Verificare la geometria del cuscinetto sotto la deformazione dello scafo in tutte le condizioni di carico, non solo in acque calme.
• Trattare il momento ribaltante come un caso di carico primario del cuscinetto, non secondario.
• Verificare i casi integri, di perdita di una linea e transitori rispetto allo standard di stazionamento applicabile.
• Coordinare l'array di riser e i corridoi di ormeggio, inclusi i rischi di collisione in condizioni danneggiate.
• Decidere tempestivamente sugli slot per riser di riserva e i futuri allacciamenti, poiché la torretta non può essere facilmente ampliata in seguito.
• Identificare i punti critici per la fatica: ferma-catene, passacavi, collegamenti torretta-scafo e il cuscinetto.
• Se si considera la disconnessione, definire la finestra meteorologica di riconnessione, la sequenza di disconnessione di emergenza e il comportamento della boa durante la disconnessione.
• Pianificare l'accesso per l'ispezione di cuscinetto, azionamento, swivel e fermi durante la fase di progettazione.
• Per lavori su swivel e riser su apparecchiature contenenti idrocarburi, applicare la sequenza completa di isolamento energetico: isolare, depressurizzare, verificare l'assenza di energia, applicare LOTO, controllare le fonti di innesco nella area classificata, eseguire il rilevamento continuo dei gas e sfiatare in un luogo sicuro, in conformità con le normative sulla sicurezza dei processi e marittime applicabili per la giurisdizione.
• Concordare fin dall'inizio con l'autorità i requisiti di classe e certificazione per il sistema scollegabile.

Conclusione

Su una FPSO per ambienti difficili, la torretta, l'ormeggio e l'array di riser si comportano come un unico sistema, con il cuscinetto al centro. Considerare il momento ribaltante e la deformazione dello scafo come casi primari per il cuscinetto e dimensionare l'ormeggio sia per le condizioni danneggiate che per quelle integre. La scelta tra sistema permanente o scollegabile si riduce al margine strutturale da un lato e ai costi operativi e di sicurezza legati all'allontanamento e al ritorno dall'altro.

Successivamente, raccogliere i dati metoceanici del sito e il piano dei riser, sottoporre entrambi i concetti all'analisi accoppiata richiesta da API RP 2SK o ISO 19901-7 e presentare i risultati all'autorità di certificazione prima che il design dello scafo e della torretta venga bloccato.