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Sistemas Estructurales:Plataformas petrolferas

Instituto Tcnicode la Estructura

en Acero

I T E A

17


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NDICE DEL TOMO 17

SISTEMAS ESTRUCTURALES:PLATAFORMAS PETROLFERAS

Leccin 17.1: Plataformas petrolferas: Introduccin general ............ 1

1 INTRODUCCIN ............................................................................................. 4

2 PLATAFORMAS PETROLFERAS ................................................................. 6

2.1 Introduccin a los tipos bsicos ......................................................... 6

2.2 Entorno ................................................................................................... 6

2.3 Construccin ......................................................................................... 72.4 Reglamentos .......................................................................................... 7

2.5 Certificacin e inspeccin de garanta ............................................... 7

3 EXPLOTACIN DE UN YACIMIENTO DE PETRLEO/GASMEDIANTE PLATAFORMAS .......................................................................... 8

3.1 Introduccin ........................................................................................... 8

3.2 Plataforma cimentada sobre jacket para aguas poco profundas .... 8

3.3 Plataforma cimentada sobre estructura de hormign ...................... 9

4 JACKETS Y CIMENTACIN SOBRE PILOTES ............................................ 104.1 Introduccin ........................................................................................... 10

4.2 Cimentacin sobre pilotes ................................................................... 10

4.3 Resistencia de apoyo de los pilotes ................................................... 11

4.4 Proteccin frente a la corrosin .......................................................... 11

5 MDULOS SUPERIORES .............................................................................. 12

5.1 Introduccin ........................................................................................... 12

5.2 Mdulos superiores cimentados sobre jackets ................................. 12

5.2.1 Conceptos .................................................................................. 12

I

NDICE


3/304

5.2.2 Diseo estructural para los mdulos integrados .................. 12

5.2.3 Diseo estructural para los mdulos superioresfundados sobre jacket .............................................................. 13

5.3 Diseo para los mdulos superiores cimentados sobreestructura de hormign ........................................................................ 13

6 EQUIPOS Y MDULOS DE VIVIENDA ........................................................ 14

7 CONSTRUCCIN .......................................................................................... 15

7.1 Introduccin ........................................................................................... 15

7.2 Construccin de jackets, mdulos, instalaciones y equipos ........... 15

7.2.1 Jackets instaladas con gra .................................................... 15

7.2.2 Jackets instaladas mediante lanzamiento .............................. 157.2.3 Mdulos, instalaciones y equipos sobre estructura

de hormign (EBG) ................................................................... 15

7.2.4 Mdulos de jackets ................................................................... 16

7.3 Levantamientos en alta mar ................................................................. 16

7.3.1 Buque gra ................................................................................ 17

7.3.2 Disposicin de las eslingas, eslingas y grilletes ................... 17

7.4 Transporte martimo y sujecin durante el mismo ............................ 18

7.5 Izado a bordo ......................................................................................... 197.5.1 Introduccin ............................................................................... 19

7.5.2 Deslizamiento ............................................................................ 19

7.5.3 Plataformas remolque ............................................................... 19

7.5.4 Cabrias en A o gras tipo Manitowoc ..................................... 20

7.6 Desmontaje de plataformas en desuso .............................................. 20

8 ANLISIS ESTRUCTURAL ........................................................................... 21

8.1 Introduccin ........................................................................................... 218.2 Fase en la obra ...................................................................................... 21

8.3 Fase de construccin ........................................................................... 21

9 ASPECTOS DE COSTES .............................................................................. 22

9.1 Introduccin ........................................................................................... 22

9.2 Inversin de Capital (CAPEX) .............................................................. 22

9.3 Gastos de explotacin (OPEX) ............................................................ 22

10 EXPLOTACIONES EN AGUAS PROFUNDAS .............................................. 23

11 RESUMEN FINAL .......................................................................................... 24

II


4/304

12 GLOSARIO DE TRMINOS .......................................................................... 24

13 BIBLIOGRAFA .............................................................................................. 25

14 BIBLIOGRAFA ADICIONAL ......................................................................... 25

Leccin 17.2: Cargas I: Introduccin y cargas de entorno ................. 27

1 INTRODUCCIN ............................................................................................. 30

2 CARGAS DEL ENTORNO .............................................................................. 31

2.1 Cargas del viento .................................................................................. 31

2.2 Cargas oscilantes ................................................................................. 322.2.1 Teoras de ondas ....................................................................... 32

2.2.2 Estadstica de la ola .................................................................. 35

2.2.3 Fuerzas del oleaje sobre los elementos de construccin .... 36

2.3 Las cargas de las corrientes ................................................................ 39

2.4 Cargas de los sesmos ......................................................................... 39

2.5 Cargas de hielo y nieve ........................................................................ 41

2.6 Cargas debidas a las variaciones de la temperatura ........................ 41

2.7 Desarrollo de la vida marina ................................................................ 41

2.8 Mareas .................................................................................................... 42

2.9 Movimiento del lecho marino ............................................................... 42

3 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 43

4 BIBLIOGRAFA ............................................................................................... 43

Leccin 17.3: Cargas II: Otras cargas ................................................... 45

1 CARGAS PERMANENTES (PROPIAS) ......................................................... 48

2 CARGAS OPERATIVAS (DINMICAS) ......................................................... 49

3 CARGAS PRODUCIDAS DURANTE LA FABRICACIN Y EL MONTAJE ...... 51

3.1 Fuerzas verticales ascendentes .......................................................... 51

3.2 Fuerzas de izado ................................................................................... 53

3.3 Fuerzas del transporte ......................................................................... 53

3.4 Fuerzas de lanzamiento y de posicionamiento en vertical .............. 55

III

NDICE


5/304

4 CARGAS ACCIDENTALES ............................................................................ 57

5 COMBINACIONES DE CARGAS ................................................................... 58

6 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 607 BIBLIOGRAFA ............................................................................................... 60

8 BIBLIOGRAFA ADICIONAL .......................................................................... 60

Leccin 17.4: Anlisis I ........................................................................... 61

1 INTRODUCCIN ............................................................................................. 64

2 MODELO ANALTICO .................................................................................... 65

2.1 Clculo de vigas (Stick model) ............................................................ 652.1.1 Uniones ...................................................................................... 65

2.1.2 Elementos .................................................................................. 65

2.2 Modelos de chapa ................................................................................. 65

3 CRITERIOS DE ACEPTACIN ....................................................................... 66

3.1 Verificacin de los reglamentos .......................................................... 66

3.2 Mtodo de la tensin admisible ........................................................... 66

3.3 Mtodo del estado lmite ...................................................................... 66

3.3.1 Coeficientes de ponderacin ................................................... 67

3.3.2 Coeficientes del material .......................................................... 68

3.3.3 Clasificacin de las condiciones de diseo ........................... 68

4 DIMENSIONAMIENTO PRELIMINAR DE LAS BARRAS .............................. 69

4.1 Magnitudes de los pilotes de la jacket ............................................... 69

4.2 Magnitudes de las patas de la plataforma .......................................... 69

4.3 Arriostramientos de la jacket ............................................................... 69

4.4 Arriostramiento del mdulo ................................................................. 69

5 ANLISIS ESTTICO IN SITU ....................................................................... 70

5.1 Modelo estructural ................................................................................ 70

5.1.1 Modelo principal ........................................................................ 70

5.1.2 Equipos accesorios .................................................................. 70

5.1.3 Modelo de la cimentacin ........................................................ 70

5.2 Cargas .................................................................................................... 70

5.2.1 Cargas gravitatorias .................................................................. 70

5.2.2 Cargas del entorno ................................................................... 70

5.3 Combinaciones de cargas .................................................................... 71

IV


6/304

6 ANLISIS DINMICO ..................................................................................... 72

6.1 Modelo dinmico ................................................................................... 72

6.2 Ecuaciones de movimiento .................................................................. 726.2.1 Masa ........................................................................................... 72

6.2.2 Amortiguamiento ....................................................................... 72

6.2.3 Rigidez ........................................................................................ 73

6.3 Frecuencias y perfiles del modo vibratorio libre ............................... 73

6.4 Mtodo de superposicin modal ......................................................... 73

6.4.1 Anlisis del dominio de la frecuencia ..................................... 74

6.4.2 Anlisis espacio temporal ........................................................ 74

6.5 Mtodos de integracin directa ........................................................... 747 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 76

Leccin 17.5: Anlisis II .......................................................................... 77

1 ANLISIS DE FATIGA .................................................................................... 80

1.1 Modelo de fatiga .................................................................................... 80

1.1.1 Modelo estructural .................................................................... 80

1.1.2 Modelo de la carga hidrodinmica .......................................... 80

1.1.3 Modelo de la tensin en los nudos ......................................... 80

1.1.4 Modelo de los daos por fatiga ............................................... 80

1.1.5 Expresin de forma cerrada ..................................................... 81

1.2 Anlisis determinista ............................................................................ 81

1.3 Anlisis espectral .................................................................................. 81

1.4 Fatiga debida al viento ......................................................................... 821.4.1 Rachas de viento ....................................................................... 82

1.4.2 Remolinos .................................................................................. 82

2 CONDICIONES ANORMALES Y ACCIDENTALES ....................................... 83

2.1 Anlisis de sesmos .............................................................................. 83

2.1.1 Modelo ........................................................................................ 83

2.1.2 Requisitos de ductilidad ........................................................... 83

2.1.3 Mtodo de anlisis .................................................................... 83

2.2 Impacto ................................................................................................... 83

V

NDICE


7/304

2.2.1 Impacto de objeto cado/buque ............................................... 84

2.2.2 Explosin e incendio ................................................................ 84

2.3 Colapso progresivo ............................................................................... 843 EMBARQUE Y TRANSPORTE ....................................................................... 85

3.1 Embarque ............................................................................................... 85

3.1.1 Deslizamiento ............................................................................ 85

3.1.2 Izado a bordo mediante remolque ........................................... 85

3.2 Transporte .............................................................................................. 85

3.2.1 Modelo de arquitectura naval ................................................... 85


4 MONTAJE ........................................................................................................ 864.1 Lanzamiento .......................................................................................... 86

4.1.1 Modelo de arquitectura naval ................................................... 86


4.2 Posicionamiento en vertical ................................................................. 86

4.3 Amarre .................................................................................................... 86

4.4 Estabilidad sin el apoyo de los pilotes ............................................... 86

4.5 Pilotaje .................................................................................................... 86

4.6 Levantamiento ....................................................................................... 87

4.6.1 Modelo ........................................................................................ 87

4.6.2 Coeficientes de diseo ............................................................. 87

4.6.2.1 Coeficiente de ponderacin de cargas (CPC) ........... 87

4.6.2.2 Coeficiente de amplificacin dinmico (CAD) .......... 87

4.6.2.3 Coeficiente del efecto de la inclinacin ..................... 87

4.6.2.4 Coeficiente del efecto de la rotacinde la barcaza (CER) ...................................................... 88

4.6.3 Coeficientes de consecuencias ............................................... 88

5 ANLISIS Y DISEO LOCAL ........................................................................ 89

5.1 Uniones pilote/camisa .......................................................................... 89

5.2 Elementos situados en la zona de salpicaduras ............................... 89

5.3 Nudos reforzados .................................................................................. 89

5.4 Equipos accesorios .............................................................................. 89

5.4.1 Tubera de conduccin de petrleo (raisers), caissonsy tubos en J ............................................................................... 89

5.4.2 Conductores o guas ................................................................ 89

VI


8/304

5.5 Helipuerto .............................................................................................. 90

5.6 Elementos de las antorchas ................................................................. 90


Leccin 17.6: Cimentaciones ................................................................. 93

1 INTRODUCCIN ............................................................................................. 96

1.1 Clasificacin de los suelos .................................................................. 96

1.2 Suelos granulares ................................................................................. 96

1.3 Suelos cohesivos .................................................................................. 96

1.4 Estratos formados por varias capas ................................................... 96

2 DISEO ........................................................................................................... 97

2.1 Cargas de diseo .................................................................................. 97

2.1.1 Cargas gravitatorias .................................................................. 97

2.1.2 Cargas del entorno ................................................................... 97

2.1.3 Combinaciones de cargas ........................................................ 972.2 Resistencia axial esttica del pilote .................................................... 97

2.2.1 Friccin lateral a lo largo del cuerpo(friccin del cuerpo) .................................................................. 98

2.2.2 Esfuerzo en el apoyo ................................................................ 98

2.2.3 Penetracin del pilote ............................................................... 98

2.3 Resistencia lateral del pilote ................................................................ 98

2.3.1 Curvas P-y .................................................................................. 98

2.3.2 Anlisis lateral del pilote .......................................................... 982.4 Hincamiento del pilote .......................................................................... 98

2.4.1 Frmulas empricas .................................................................. 99

2.4.2 Ecuacin de onda ..................................................................... 99

3 DIFERENTES TIPOS DE PILOTE .................................................................. 100

3.1 Pilotes hincados .................................................................................... 100

3.2 Pilotes insertados ................................................................................. 100

3.3 Pilotes perforados y rellenados mediante inyeccin ........................ 101

3.4 Pilotes acampanados ........................................................................... 101

VII

NDICE


9/304

4 FABRICACIN E INSTALACIN ................................................................... 102

4.1 Fabricacin ............................................................................................ 102

4.2 Transporte .............................................................................................. 1024.2.1 Transporte en barcaza .............................................................. 102

4.2.2 Modo de auto flotacin ............................................................. 102

4.2.3 Transporte dentro de la jacket ................................................. 102

4.3 Martinetes .............................................................................................. 102

4.3.1 Martinetes de vapor .................................................................. 102

4.3.2 Martinetes diesel ....................................................................... 104

4.3.3 Martinetes hidrulicos .............................................................. 104

4.4 Instalacin .............................................................................................. 1044.4.1 Manejo y colocacin de los pilotes ......................................... 104

4.4.2 Uniones del pilote ..................................................................... 104

4.4.3 Colocacin del martinete ......................................................... 108

4.4.4 Hincamiento ............................................................................... 109

4.5 Uniones pilote/jacket ............................................................................ 109

4.5.1 Calzas soldadas ........................................................................ 109

4.5.2 Sistema de bloqueo mecnico ................................................. 1094.5.3 Hormigonado ............................................................................. 110

4.6 Control de calidad ................................................................................. 110

4.7 Plan de emergencia .............................................................................. 111

5 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 114

6 BIBLIOGRAFA ............................................................................................... 114


Problema Resuelto 17.1: Cimentaciones .............................................. 115

1 RESUMEN ....................................................................................................... 119

2 HIPTESIS GENERALES .............................................................................. 119

2.1 Perfil asumido de las curvas ............................................................... 121

2.2 Presin de sobrecarga ......................................................................... 122

3 MODELO (vase tambin la figura 1) .......................................................... 122

3.1 Tamao del pilote .................................................................................. 122

VIII


10/304

3.2 Caractersticas del sustrato ................................................................. 122

3.2.1 Capa de arcilla blanda .............................................................. 122

3.2.2 Capa de arcilla dura .................................................................. 1223.2.3 Capa de arena ............................................................................ 122

3.3 Cargas sobre el pilote en el nivel del lodo ......................................... 122

4 CAPA DE ARCILLA BLANDA ........................................................................ 124

4.1 Curvas P-Y ............................................................................................. 124

4.1.1 Expresiones generales ............................................................. 124

4.1.2 Curva p-y tpica ......................................................................... 125

4.2 Curvas t-z ............................................................................................... 126

4.2.1 Expresiones generales ............................................................. 1264.2.2 Curva t-z tpica .......................................................................... 127

4.3 Curvas de la interaccin suelo/pilote ................................................. 128

5 CAPA DE ARCILLA DURA ............................................................................. 129

5.1 Curvas P-Y ............................................................................................. 129


5.1.2 Curva p-y tpica ......................................................................... 130

5.2 Curvas t-z ............................................................................................... 1315.2.1 Expresiones generales ............................................................. 131

5.2.2 Curva t-z tpica .......................................................................... 131


6 CAPA DE ARENA ........................................................................................... 132

6.1 Curvas P-Y ............................................................................................. 132


6.1.2 Curva p-y tpica ......................................................................... 133

6.2 Curvas t-z ............................................................................................... 1346.2.1 Expresiones generales ............................................................. 134

6.2.2 Curva t-z tpica .......................................................................... 134


6.4 Resistencia de la punta ........................................................................ 135

7 DESPLAZAMIENTOS Y FUERZAS EN EL PILOTE ...................................... 138

7.1 Modelo viga-pilar utilizando ecuaciones diferenciales ..................... 138

7.1.1 Comportamiento axial .............................................................. 138

7.1.2 Comportamiento lateral ............................................................ 138

IX

NDICE


11/304

7.2 Modelo viga-pilar utilizando el procedimientode la diferencia finita ............................................................................ 139

7.3 Resultados del clculo de la diferencia finita .................................... 140

7.3.1 Comportamiento axial .............................................................. 140

7.3.2 Comportamiento lateral ............................................................ 141

7.3.3 Accin combinada (efecto de segundo orden) ...................... 141

8 BIBLIOGRAFA ............................................................................................... 143

Leccin 17.7: Uniones tubulares en estructuras petrolferas ............. 145

1 INTRODUCCIN ............................................................................................. 148

2 DEFINICIONES ............................................................................................... 149

2.1 Definiciones geomtricas ..................................................................... 149

2.2 ndices geomtricos ............................................................................. 150

3 CLASIFICACIN ............................................................................................. 151

3.1 Uniones en T y en Y .............................................................................. 151

3.2 Uniones en X ......................................................................................... 151

3.3 Uniones en N y en K ............................................................................. 151

3.4 Uniones en KT ....................................................................................... 152

3.5 Limitaciones .......................................................................................... 152

3.6 Cmo clasificar una unin ................................................................... 152

4 SEPARACIN Y SOLAPE .............................................................................. 153

4.1 Definiciones ........................................................................................... 153

4.2 Limitaciones .......................................................................................... 153

4.3 Uniones multiplanares .......................................................................... 1535 DISPOSICIN DE LAS UNIONES ................................................................. 154

6 RESISTENCIA ESTTICA .............................................................................. 155

6.1 Cargas tenidas en consideracin ........................................................ 155

6.2 Esfuerzo cortante de perforacin ........................................................ 155

6.2.1 Esfuerzo cortante de perforacin actuante ............................ 155

6.2.2 Esfuerzo cortante de perforacin admisible .......................... 155

6.2.3 El mtodo API ............................................................................ 156

6.3 Uniones de solapamiento ..................................................................... 157

X


12/304

6.4 Uniones reforzadas ............................................................................... 158

6.4.1 Definicin ................................................................................... 158

6.4.2 Rigidizacin circular ................................................................. 1587 CONCENTRACIN DE TENSIONES ............................................................ 159

7.1 Coeficiente de la concentracin de tensiones ................................... 159

7.2 Ecuacin de Kellog ............................................................................... 159

7.3 Frmulas paramtricas ......................................................................... 159

7.3.1 Ecuaciones de Kuang para uniones en T/Y [4] ...................... 160

7.3.2 Ecuaciones de Kuang para uniones en K [4] ......................... 160

7.3.3 Ecuaciones de Kuang para uniones en KT [4] ....................... 160

8 ANLISIS DE FATIGA ................................................................................... 1618.1 Rango de tensin nominal ................................................................... 161

8.1.1 Histograma de la ola ................................................................. 161

8.1.2 Carreras de tensin nominales ................................................ 161

8.2 Carreras de tensin del punto crtico ................................................. 161

8.3 Curvas S-N ............................................................................................. 162

8.4 ndice de los daos de fatiga acumulativos ....................................... 162

9 RESUMEN FINAL .......................................................................................... 163

10 BIBLIOGRAFA .............................................................................................. 163

Problema Resuelto 17.2: Uniones .......................................................... 165

1 RESUMEN ....................................................................................................... 168

2 DESCRIPCCIN GEOMTRICA .................................................................... 169

3 TERMINOLOGA ............................................................................................. 170

4 CARGAS ......................................................................................................... 171

5 CLCULO DEL CIZALLAMIENTO DE PUNZONAMIENTO .......................... 172

5.1 Tensin tangencial de perforacin actuante ...................................... 172

5.2 Tensin tangencial de punzonamiento admisible ............................. 173

5.2.1 Definicin y clculos numricos de Qt ................................... 173

5.2.2 Definicin y clculos numricos de Qq .................................. 174

5.2.3 Clculos de vpa ......................................................................... 176

5.3 Combinacin de todos los datos ........................................................ 177

6 DESCRIPCIN GEOMTRICA ...................................................................... 179

XI

NDICE


13/304

7 CARRERA DE LA TENSIN NOMINAL ........................................................ 181

8 COEFICIENTE DE CONCENTRACIN DE TENSIONES (CCT) ................... 182

9 SNTESIS DE CARGA .................................................................................... 185

Leccin 17.8: Fabricacin ....................................................................... 187

1 INTRODUCCIN ............................................................................................. 190

1.1 Fases de construccin ......................................................................... 190

1.2 Filosofa de la construccin ................................................................ 190

2 INGENIERA DE LA EJECUCIN .................................................................. 1933 FABRICACIN ................................................................................................ 196

3.1 Procesos de fabricacin ....................................................................... 196

3.2 Fabricacin de los nudos ..................................................................... 198

3.3 Subconjuntos de la jacket .................................................................... 199

3.4 Control dimensional .............................................................................. 199

4 MONTAJE Y ELEVACIN DE LA JACKET ................................................... 201

4.1 Montaje de la jacket .............................................................................. 201

4.2 Elevacin de la jacket ........................................................................... 2025 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 206

6 BIBLIOGRAFA ............................................................................................... 206


APNDICE 1 ........................................................................................................ 207

Leccin 17.9: Instalacin ........................................................................ 211

1 INTRODUCCIN ............................................................................................. 214

1.1 Fases del proyecto ................................................................................ 214

1.2 Filosofa de la construccin ................................................................ 214

1.3 Programacin de la instalacin ........................................................... 216

2 IZADO A BORDO Y AMARRE MARTIMO .................................................... 218

3 TRANSPORTE MARTIMO ............................................................................. 221

4 INSTALACIN EN EL EMPLAZAMIENTO MARINO ..................................... 223

4.1 Retirada de la jacket de la barcaza ..................................................... 223

XII


14/304

4.1.1 Lanzamiento .............................................................................. 223

4.1.2 Levantamiento ........................................................................... 224

4.2 Posicionamiento en vertical y colocacin sobre el lecho marinode la jacket ............................................................................................. 225

4.2.1 Posicionamiento en vertical mediante controldel lastrado e inundacin ......................................................... 225

4.2.2 Posicionamiento en vertical mediante la utilizacinde buque gra ............................................................................ 227

4.3 Estabilidad sobre el lecho marino ....................................................... 229

5 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 231

6 BIBLIOGRAFA ............................................................................................... 231


Leccin 17.10: Superestructuras I ......................................................... 233

1 INTRODUCCIN ............................................................................................. 236

2 ASPECTOS BSICOS DEL DISEO ............................................................ 238

2.1 Espacio y elevaciones .......................................................................... 238

2.2 Requisitos de la distribucin ............................................................... 238

2.3 Cargas .................................................................................................... 239

2.4 Control de interconexiones .................................................................. 240

2.5 Ingeniera de pesaje .............................................................................. 240

3 SISTEMAS ESTRUCTURALES ...................................................................... 242

3.1 Seleccin del mdulo para las estructuras principalessoportadas en jackets .......................................................................... 242

3.2 Seleccin de los mdulos sobre estructurasde hormign (EBG) ............................................................................... 242

3.3 Tipos de piso ......................................................................................... 243

3.4 Tipos de paneles de piso para pisos con acerosconvencionales ..................................................................................... 244

3.5 Estabilizacin del piso .......................................................................... 244

4 DISEO DE LA CUBIERTA ............................................................................ 245

4.1 Introduccin ........................................................................................... 245

4.2 Chapa del piso ....................................................................................... 245

4.3 Trancaniles ............................................................................................. 246

XIII

NDICE


15/304

4.4 Baos de cubierta ................................................................................... 246

4.5 Arriostramiento horizontal ................................................................... 248



Leccin 17.11: Superestruturas II .......................................................... 251

1 INTRODUCCIN ............................................................................................. 254

2 DISEO DE LA ESTRUCTURA PRINCIPAL ................................................. 2552.1 Introduccin ........................................................................................... 255

2.2 Diseo del prtico de la estructura principal .................................... 255

2.3 Diseo de las vigas de celosade la estructura principales ................................................................. 256

2.4 Diseo de los cerramientos resistentes de las estructurasprincipales ............................................................................................. 257

2.5 Paredes sin carga ................................................................................. 258

2.6 Soportes de las gras .......................................................................... 258

3 ANLISIS DE LAS ESTRUCTURAS DEL MDULO .................................... 260

3.1 Introduccin ........................................................................................... 260

3.2 Diseo de las vigas compuestas ......................................................... 260

3.3 Resistencia de las uniones .................................................................. 260

3.4 Puntos para el levantamiento .............................................................. 261

3.5 Diseo del piso ...................................................................................... 261

3.6 Soportes para los mdulos .................................................................. 262

4 CONSTRUCCIN ............................................................................................ 2634.1 Introduccin ........................................................................................... 263

4.2 Fabricacin ............................................................................................ 262

4.2.1 Operaciones ............................................................................... 263

4.2.2 Aspectos del diseo ................................................................. 263

4.3 Pesaje ..................................................................................................... 263

4.4 Embarque ............................................................................................... 263

4.4.1 Operaciones ............................................................................... 263

4.4.2 Aspectos del diseo para el embarque .................................. 264

XIV


16/304

4.5 Transporte martimo y sujecin durante el mismo .......................... 265

4.5.1 Operaciones ............................................................................... 262

4.5.2 Aspectos del diseo del transporte martimoy del amarre durante el mismo ................................................ 266

4.6 Montaje .................................................................................................. 266

4.6.1 Operaciones ............................................................................... 266

4.6.2 Aspectos del diseo del montaje mediante levantamiento .. 267

4.7 Conexin ............................................................................................... 268

4.8 Puesta en servicio ............................................................................... 268

4.9 Inspeccin, mantenimiento y reparaciones (IMR) ............................ 268

4.10 Retirada ................................................................................................. 2695 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 270

6 BIBLIOGRAFA ............................................................................................... 270

Leccin 17.12: Uniones en estructuras de cubiertade plataformas petrolferas ........................................... 271

1 INTRODUCCIN ............................................................................................. 2742 UNIONES EN LOS MDULOS DE LAS CUBIERTAS

DE LAS PLATAFORMAS PETROLFERAS ................................................... 275

3 UNIONES ENTRE TRANCANILES Y VIGAS ................................................ 276

4 UNIONES ENTRE LOS BAOS PRINCIPALES E INTERMEDIOS ................. 278

5 UNIONES DEL BAO AL PILAR DE CUBIERTA ............................................ 280

6 UNIONES ENTRE BAOS Y PILARES ............................................................ 283

7 UNIONES DE LAS VIGAS DE CELOSA ....................................................... 284

8 UNIONES ESPECIALES ................................................................................. 2879 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 289

10 BIBLIOGRAFA ............................................................................................... 289


Problema Resuelto 17.3: Unin del Bao al pilar de suelo ................... 291

1 RESUMEN ....................................................................................................... 294

2 EJEMPLO DE PROYECTO: UNIN DEL BAO AL PILAR DE SUELO .......... 295

XV

NDICE


17/304

2.1 Unin del Bao rigidizado al pilar de suelo ......................................... 296

2.2 Unin del Bao no rigidizado al pilar de suelo .................................... 298

2.3 Comparacin de las uniones de los Baos rigidizadosy no rigidizados al pilar de suelo ........................................................ 300

DIAPOSITIVAS COMPLEMENTARIAS .......................................................... 301

XVI


18/304

ESDEP TOMO 17SISTEMAS ESTRUCTURALES:

PLATAFORMAS PETROLFERAS

Leccin 17.1: Plataformas Petrolferas:Introduccin General

1


19/304

3

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Identificar el vocabulario bsico, introducir

los conceptos principales para las estructuras delas plataformas petrolferas y explicar el origende los requisitos bsicos para el diseo.

CONOCIMIENTOS PREVIOS

Ninguno.

RESUMEN

La leccin comienza con una presentacinde la importancia de la explotacin de hidrocar-buros mediante plataformas petrolferas, las eta-pas bsicas en el proceso de explotacin (desde

la exploracin ssmica hasta la retirada de plata-formas) y la introduccin de conceptos estructu-rales importantes (plataformas sobre estructura

metlica jacket, sobre estructura vertical de hor-mign E.V.H., plataformas semisumergibles, flo-tante). Se identifican los reglamentos principales.

En el caso de los conceptos de platafor-mas fijas (jacket y E.V.H.), se explican breve-mente las diferentes fases de ejecucin: diseo,trabajo de taller y montaje. Se presta una aten-cin especial a algunos principios del diseo delsuelo superior.

Se presenta una introduccin bsica aaspectos de costes.

Finalmente, se introducen trminosmediante un glosario.


20/304

1. INTRODUCCIN

Las plataformas petrolferas se constru-

yen con el objeto de extraer petrleo y gas. Lacontribucin que represent la produccin decrudo de las plataformas petrolferas durante elao 1988 al consumo mundial de energa supu-so un 9% y se calcula que ser del 24% en alao 2000.

La inversin (CAPEX) necesaria actual-mente para la produccin de un barril de petr-leo al da ($/B/D), as como los costes de pro-duccin (OPEX) por barril se muestran en la

tabla que se ofrece a continuacin.

En 1988 la produccin mundial de petr-leo fue de 63 millones de barriles al da. Estascifras indican claramente el desafo al que se

enfrenta el proyectista: es necesaria una mayorcontribucin de la explotacin de las plataformaspetrolferas, una actividad intensiva de la mayorimportancia.

La figura 1 muestra la distribucin de loscampos petrolferos y de gas del Mar del Norte,una de las principales contribuciones a la pro-duccin mundial de hidrocarburos obtenidosmediante plataformas petrolferas. Tambin indi-ca los campos en tierra situados en el Reino

Unido, los Pases Bajos y Alemania.

4

CONDICIN CAPEX $/B/D OPEX $/B

Convencional

Media 4000 - 8000 5

Oriente Medio 500 - 3000 1

No OPEP 3000 - 12000 8

Plataformas petrolferas

Mar del Norte 10000 - 25000 5 - 10

Aguas profundas 15000 - 35000 10 - 15


21/304

5

INTRODUCCIN

Figura 1 Campos petrolferos y de gas del Mar del Norte (segn el World Oil, Agosto de 1988)


22/304

2. PLATAFORMASPETROLFERAS

2.1 Introduccin a losTipos BsicosLa gran mayora de las plataformas con-

sisten en una torre sobre pilotes que sustenta los

mdulos (jacket), todo ello fabricado en acero(vase las diapositivas 1 y 2).

Un segundo tipo principal lo constituyenlas estructuras de hormign (vase la figura 2),que se utilizan en el Mar del Norte en los secto-res noruego y britnico.

Un tercer tipo lo constituyen las unidadesde produccin flotantes.

2.2 EntornoEl entorno de una plataforma petrolfera

en alta mar puede caracterizarse por: profundidad del agua en el emplazamiento

suelo, en el lecho marino y en el subsuelo

velocidad del viento, temperatura del aire

olas, fuerza de la marea y tormentas,corriente

hielo (fijo, flotante, icebergs)

sesmos (si fuera el caso)

6

Diapositiva 2

Diapositiva 1

Figura 2 Plataforma con subestructura basada en la gra-

vedad, construida para los yacimientos britnicosy noruegos en el norte del Mar del Norte


23/304

La estructura del mdulo superior debemantenerse fuera del alcance de las crestas delas olas. El espacio libre u holgura entre la cres-

ta de la ola y el mdulo se fija normalmente en1,50 m, pero debera aumentarse en caso deque el agotamiento de las reservas originara unasiento significativo.

2.3 Construccin

El entorno, as como aspectos financie-ros, exigen que gran parte de la construccinprevia se efecte en tierra. Es necesario realizar

el diseo de manera que se limite al mnimo eltrabajo en el mar. El coste global de una hora detrabajo de operario en el mar es aproximada-mente cinco veces el de una hora de operario entierra. El coste de los equipos de construccinnecesarios para el manejo de cargas, as comolos costes de logstica, tambin son mucho mselevados en el mar.

Estos factores, combinados con la magni-tud y el peso de las piezas, exigen que el pro-yectista se vea obligado a prestar una gran aten-cin a todas las actividades de construccinentre el trabajo de taller y el montaje en el mar.

2.4 Reglamentos

El diseo estructural ha de cumplir ciertosreglamentos especficos para las estructuras delas plataformas petrolferas. El reglamentoestructural principal de mbito mundial es el API-RP2A [1]. Las reglas de Lloyds [2], recientemen-

te publicadas, y las reglas DnV [3] tambin sonimportantes.

Se han de cumplir los requisitos guberna-mentales especficos, por ejemplo los conteni-dos en las reglas del Department of Energy(DoE), Norwegian Petroleum Direktorate (NPD).

Para el diseo de detalles de la estructura delsuelo superior se utiliza con frecuencia el regla-mento AISC [4] y para las soldaduras se utiliza el

reglamento AWS [5].

En el Reino Unido el accidente del PiperAlpha ha provocado la aparicin de un nuevoenfoque para la regulacin de las plataformaspetrolferas. La responsabilidad del control de lareglamentacin se ha trasladado al Health andSafety Executive (HSE) y es el operador el queha de presentar una evaluacin formal de laseguridad en lugar de ajustarse a regulacionesdetalladas.

2.5 Certificacin e Inspeccinde Garanta

Las autoridades gubernamentales exigenque organismos reconocidos evalen los aspec-tos de integridad estructural y emitan un certifi-cado al efecto.

Los principales organismos de certifica-cin son:

Det norske Veritas (DnV)

Lloyds Register of Shipping (LRS)

American Bureau of Shipping (ABS)

Bureau Veritas (BV)

Germanischer Lloyd (GL)

Sus exigencias estn a disposicin delproyectista [2, 3, 6, 7, 8].

Las compaas de seguros que cubren eltransporte y el montaje exigen que inspectoresde las aseguradoras inspeccionen las estructu-ras antes de que se proceda a la aceptacin. Losinspectores de las aseguradoras aplican las nor-mas, si las hubiera, de manera confidencial.

7

PLATAFORMAS PETROLFERAS


24/304

3. EXPLOTACIN DE UNYACIMIENTO DE PETRO-LEO/GAS MEDIANTEPLATAFORMAS

3.1 Introduccin

En [9] se resumen los diferentes requisi-tos de una plataforma petrolfera, as como lasfases tpicas para su explotacin. Tras varias eta-pas iniciales entre las que se incluye el estudiossmico del campo, se perforan uno o ms pozosde exploracin. Para esta labor se utilizan plata-

formas de perforacin autoelevadoras en profun-didades del agua de hasta 100-120 m; paraaguas ms profundas se utilizan equipos de per-foracin flotantes. Se estudian los resultados yse evalan los aspectos econmicos y los ries-gos de los diferentes planes de explotacin. Losfactores que toman parte en la evaluacin pue-den incluir el nmero de pozos necesario, insta-laciones de produccin fijas o flotantes, el nme-ro de estas instalaciones y la descarga medianteoleoducto o petroleros.

Tan pronto como se decide y aprueba laexplotacin, hay cuatro actividades tcnicas prin-cipales, anteriores a la produccin:

ingeniera y diseo

trabajo de fabricacin y montaje de la insta-lacin de produccin

perforacin de los pozos de produccin, quese prolonga durante 2-3 meses por pozo

suministro del sistema de descarga (oleo-ductos, petroleros, etc.).

La interaccin entre la perforacin y la

construccin se describe a continuacin parados conceptos tpicos de plataforma fija.

3.2 Plataforma cimentada sobrejacket para aguas pocoprofundasEn primer lugar se instala la jacket. Luego

se perforan los pozos utilizando una unidad deperforacin autoelevadora emplazada en las pro-ximidades que se extiende por encima de la jac-

ket. La diapositiva 3 muestra una uni-dad de perforacin autoelevadora conun equipo de perforacin .(En esteejemplo se encuentra efectuando labo-res de perforacin exploratoria y por lotanto trabaja sola.)

El diseo y la construccin delmdulo superior se efectan paralela-mente a la perforacin, permitiendo quela produccin se inicie poco despus

del montaje de la cubierta. Para la per-foracin de pozos adicionales, se lla-mar de nuevo a la unidad de perfora-cin autoelevadora y se colocar sobreel rea a perforar donde est emplaza-da la plataforma de produccin.

Como alternativa a este con-cepto, a menudo se acomodan otrospozos en plataformas independientes,unidas por medio de un puente a la

plataforma de produccin (vase ladiapositiva 1).

8

Diapositiva 3


25/304

3.3 Plataforma cimentada sobreestructura de hormign

Se perforan los pozos desde un equipo deperforacin situado en la plataforma permanente(vase la diapositiva 2). La perforacin se iniciauna vez que la plataforma est construida y total-mente montada. De esta manera, la produccin

se inicia entre uno y dos aos despus del mon-taje de la plataforma.

Durante los ltimos aos se han utilizadopozos pre-perforados con el fin de permitir un ini-cio ms temprano de la produccin. En estecaso, se ha de instalar la plataforma exactamen-te sobre los pozos pre-perforados.

9

EXPLOTACIN DE UN YACIMIENTO


26/304

4. JACKETS Y CIMENTACINSOBRE PILOTES

4.1 Introduccin

Las jackets, las estructuras tubularesancladas con forma de torre, cumplen general-mente dos funciones:

Proporcionan la estructura de apoyo para lainstalacin de produccin (mdulo), mante-nindola estable por encima de las olas.

Soportan lateralmente y protegen los con-ductores del pozo de 26-30 pulgadas y eloleoducto ascendente.

Los mtodos de montaje de la jacket y delos pilotes ejercen un profundo impacto sobre eldiseo.

4.2 Cimentacin sobre Pilotes

La cimentacin de la jacket se lleva a cabomediante pilotes tubulares de acero con el extremo

abierto, de dimetros de hasta 2 m. Los pilotes seintroducen en el lecho marino hasta una profundi-dad de 40-80 m y, en algunos casos, hasta 120 m.

Bsicamente, existen tres tipos de dispo-sicin de pilotes/jacket (vase la figura 3):

Concepto de pilote a travs de las patas,en el que se instala el pilote en las patas de lasesquinas de la jacket.

Pilotes en zcalo a travs de alojamientospara el pilote situados en la base de la jacket, enel que el pilote se instala en guas acopladas a

los pilares de la jacket. Los pilotes en zcalopueden colocarse formando agrupaciones alre-dedor de cada pilar de la jacket.

Pilotes en zcalo vertical que se instalandirectamente en el alojamiento del pilote en labase de la jacket; se eliminan todas las demsguas. Esta disposicin tiene como resultado unmenor peso estructural y una mayor facilidad delhincamiento de los pilotes. En cambio, los pilotesinclinados agrandan la cimentacin en su base,proporcionando de esta manera una estructurams fuerte.

10

Martinete

Falso pilote

Manguera ycable de aire

Pilote

Pilar de la jacket

Seal mecnicay cable de aire

UWPP

UWPP

Percusordelgado

Pilote

PilotePilar de la jacket

Cable

limitadorde distancia

Lneas dealimentacinAlojamiento

Alojamiento

A Convencional, desde lasuperficie del agua

B Nuevas tcnicas bajoel agua

C Tcnica de montaje librebajo el agua

Figura 3 Tipos de cimentacin para Jacket con tcnicas de pilotaje convencionales y nuevas


27/304

4.3 Resistencia de apoyode los Pilotes

La resistencia a la carga axial es necesa-ria tanto para el aplastamiento como para la trac-cin. El pilote acumula tanto rozamiento superfi-cial como resistencia al aplastamiento.

La resistencia del pilote a la carga late-ral es necesaria para la contencin de las fuer-zas horizontales. Estas fuerzas originan unaflexin significativa del pilote cerca del lechomarino.

El nmero, disposicin, dimetro y pene-tracin de los pilotes dependen de las cargas delentorno y de las condiciones del mdulo en elemplazamiento.

4.4 Proteccin frente ala corrosin

La forma ms frecuente de proteccinfrente a la corrosin de la parte desnuda sumer-gida de la jacket, as como de la parte superiorde los pilotes introducidos en el lecho, es la pro-teccin catdica mediante nodos de sacrificio.Un nodo de sacrificio (aproximadamente 3 KNcada uno) consiste en una barra fundida decinc/aluminio colocada alrededor de un tubo deacero y soldada a las estructuras. Normalmente,aproximadamente el 5% del peso de la jacketest en forma de nodos.

La estructura de acero en la zona de sal-picaduras se protege normalmente mediante unsobre-espesor de 12 mm en cada elemento.

11

JACKETS Y CIMENTACIN


28/304

5. MDULOS SUPERIORES

5.1 IntroduccinLas funciones principales de los mdulos

de una plataforma petrolfera son:

control del pozo

soporte para los equipos de los trabajos decomplemento

separacin del gas, petrleo ycomponentes no transportablesdel producto en bruto, por ejem-plo agua, parafinas/ceras y arena

soporte para las bombas/compre-sores necesarios para transportarel producto a tierra

generacin de energa

alojamiento para el personal deoperacin y mantenimiento.

Bsicamente hay dos tipos deestructuras para los mdulos, el inte-grado y el modularizado, que se colo-can bien sobre una jacket o sobre unaestructura de apoyo de hormign.

5.2 Mdulos superiores

cimentados sobreJackets

5.2.1 Conceptos

Existen cuatro conceptos es-tructurales en la prctica, que se origi-nan en las capacidades de carga delos buques gra y de maniobras decarga o izado en los astilleros:

el mdulo integrado simple (hastaaproximadamente 100 MN)

12

Mdulo de

posicionado

Torre de perforacin

Mdulos deproduccin

Bomba de combustin

Prtico de soporte del mdulo

Jacket

36 conductores (incluidoslos surtidores de petrleo

y agua)

Pilotes decimentacin

Obsrvese el montaje de las vigas en la jacket y las guasde los pilotes convencionales

Figura 4 Jacket basada en una estructura superior modulada

Diapositiva 4


29/304

el mdulo dividido en dos unidades de cua-tro pilares

el mdulo integrado con mdulo de vivienda

la unidad modularizada consistente en unaEstructura de Apoyo (EA) que soporta unaserie de mdulos.

La diapositiva 4 muestra el traslado de unmdulo integrado (aunque no incluye el reahabitable ni el helipuerto) desde las instalacionesde montaje.

5.2.2 Diseo Estructural para losMdulos Integrados

Para los mdulos ms pequeos, dehasta un peso aproximado de 100 MN la estruc-tura de apoyo consiste en vigas de celosa o pr-ticos con supresin de diagonales.

Lo moderado de la carga vertical y delesfuerzo cortante por pilar permite que el mdulosuperior se apoye tan slo sobre pilares verticales(patas del mdulo), que llegan hasta la partesuperior de los patas (situados a aproximadamen-te +4 m a +6 M.A.B (Marea Astronmica Baja).

5.2.3 DiseoEstructuralpara losMdulosSuperioresFundadossobreJacket

Una unidad modu-larizada de importanciapesa de 200 a 400 MN.En este caso, el EA esuna estructura tubularpesada (figura 4), conarriostramiento lateral que

se extiende hasta la partesuperior de la jacket.

5.3 Diseo para los mdulossuperiores cimentados sobreestructura de hormign

El peso de los mdulos que se han deapoyar sobre una estructura hormigonada (v-ase la figura 2) est comprendido en un campode 200 MN hasta 500 MN.

La columna vertebral de la estructura con-siste en un sistema de vigas tubulares fuertescon una altura de aproximadamente 10 m y unaanchura de aproximadamente 12-15 m (vase lafigura 5).

La estructura de apoyo de la unidadmodularizada est conectada rgidamente alpilar de hormign y acta como una viga deapoyo para los mdulos. A travs de esta cone-xin se transmite la fatiga inducida por las olasen la estructura del mdulo. Un reciente avan-ce, previsto para la plataforma noruega Troll,consiste en proporcionar una conexin flexibleentre el mdulo y el pilar de hormign, con loque se elimina de esta forma la fatiga en elmdulo [10].

13

MDULOS SUPERIORES

Forjas cruciformesrea de transicinEA

Anillo de transicin de acero fundido

Figura 5 Estructura de soporte modulada para subestructuras basadas en la gravedad


30/304

6. EQUIPOS Y MDULOSDE VIVIENDA

Los mdulos para el equipo (20-75MN), tienen forma de cajas rectangulares pro-vistas de uno o dos pisos intermedios.

Los suelos son de chapa de acero (deun grosor de 6, 8 o 10 mm) para el techo y elpiso inferior y de enrejado para los pisos inter-medios.

En los mdulos habitables (5-25 MN)las ventanas son necesarias en todos los dor-

mitorios y deben colocarse varias puertas enlas paredes exteriores. Este requisito puedeinterferir gravemente con la disposicin de lasvigas de celosa. Los mdulos son de chapaplana o rigidizada.

Pueden distinguirse tres tipos de con-ceptos estructurales, todos ellos evitando lospilares interiores:

vigas de celosa convencionales en lasparedes.

paredes de chapa rigidizada (tambin lla-mada revestimiento resistente o tipocasa de cubierta).

estructura de soporte fuerte (con arrios-tramiento anti viento en las paredes).

14

Diapositiva 5


31/304

7. CONSTRUCCIN

7.1 IntroduccinEl diseo de plataformas petrolferas ha

de considerar varias exigencias de la construc-cin relacionadas con:

1. fabricacin

2. peso

3. embarque en la barcaza

4. transporte martimo

5. montaje en el mar6. montaje de mdulos

7. uniones

8. puesta en servicio

Se debe disponer de una estrategia deconstruccin documentada durante todas lasfases del diseo y debe efectuarse un segui-miento del desarrollo real del diseo, cotejndo-lo con la estrategia de construccin.

A continuacin se ilustra la construccinmediante cuatro ejemplos.

7.2 Construccin de jackets,mdulos, instalaciones yequipos

7.2.1 Jackets Instaladas con Gra

Se construye la jacket en posicin vertical(jackets ms pequeas) u horizontal (jacketsms grandes) en un muelle del emplazamientode fabricacin.

Se iza y sujeta la jacket a bordo de unabarcaza. En el emplazamiento de la plataforma,se fondea la barcaza junto a un buque gra.

Se levanta la jacket de la barcaza, secoloca en posicin vertical desde la horizontal en

la que estaba y se coloca cuidadosamente sobreel lecho marino.

Tras colocar la jacket, se instalan los pilo-tes en sus alojamientos y se introducen en ellecho marino. La fijacin de los pilotes a la jacket

concluye el montaje.

7.2.2 Jackets Instaladas medianteLanzamiento

Se construye la jacket en posicin hori-zontal.

Para su izado a bordo de la barcaza detransporte, se coloca la jacket sobre rodillos que

se deslizan sobre una va recta de vigas metli-cas y se la arrastra para subirla a la barcaza.

Una vez en el emplazamiento de la plata-forma, se desliza la jacket fuera de la barcaza.Se sumerge profundamente en el agua y poste-riormente adopta una posicin flotante (vase lafigura 6).

Se necesitan dos vigas de celosas verti-cales y paralelas fuertes en la estructura de lajacket, capaces de absorber las reacciones en elapoyo durante el lanzamiento. Con el fin de redu-cir las fuerzas y momentos en la jacket, se aco-plan balancines a la popa de la barcaza.

La siguiente fase consiste en colocar lajacket en posicin vertical por medio del llenadocontrolado de los tanques de flotabilidad y a con-tinuacin se coloca sobre el lecho marino. Lasjackets con capacidad de colocarse por s mis-mas en posicin vertical lo hacen as tras el lan-zamiento. El montaje se completa con el pilotaje

y la fijacin de los pilotes/jacket.

7.2.3 Mdulos, instalaciones yequipos sobre estructuravertical de hormign (E.V.H.)Los mdulos, instalaciones y equipos que

componen una plataforma, se montan sobre unaestructura de apoyo temporal sobre el mar y cer-cana a los astilleros. Despus se la transporta en

una barcaza de unas dimensiones tales que enca-je entre las patas de la estructura de apoyo tem-

15

CONSTRUCCIN


32/304

poral y entre las patas de la E.V.H. Acontinuacin se transporta la E.V.H., enun estado de flotacin profunda, a unemplazamiento protegido, por ejemplo

un fiordo noruego. Se coloca la barcazaentre los pilares y se descarga de lastrela E.V.H. para que se ajuste y soporte losmdulos de la barcaza. Finalmente seremolca la E.V.H. flotante con los mdu-lo hasta el emplazamiento en el mar y secoloca sobre el lecho marino.

7.2.4 Mdulos de Jackets

En el caso de mdulos de hastaaproximadamente 120 MN, es posible

efectuar su montaje en un sololevantamiento. La diapositiva 6muestra el montaje de un mdu-

lo de 60 MN realizado por grasflotantes.

En el caso de la unidadmodularizada, se ha de instalaren primer lugar la estructura deapoyo para los mdulos, segui-da inmediatamente por losmdulos.

7.3 Levantamientosen alta mar

El levantamiento de car-gas pesadas desde barcazas(diapositiva 6) constituye una delas actividades de construccinde gran importancia y especta-cularidad y que requiere aten-cin a la hora de desarrollar losconceptos. Para estas operacio-nes son necesarias las llama-das ventanas meteorolgicas,es decir, los periodos de condi-ciones meteorolgicas adecua-das.

16

Balancn de retencinde la jacket

Decalado inicial de la barcazaFase 1

Reaccin en A

mxima en la barcazaFase 2 Fase 3

Decalaje mximo de la barcaza

Inmersin mxima de la quilla

Punto de mximainmersin de labase

Fase 4 Fase 5

Obsrvese que la barcaza est soportando totalmente

la estructura (jacket)

Figura 6 Lanzamiento de una jacket

Diapositiva 6


33/304

7.3.1 Buque Gra

El levantamiento de cargas pesadas en el

mar exige el uso de buques gra especializados.La figura 7 ofrece informacin sobre un buquegra tpico con dos gras. La tabla 1 (pgina 16)presenta una lista de algunos de los principalesbuques gra.

7.3.2 Disposicin de las Eslingas,Eslingas y Grilletes

Para el levantamiento se utilizan eslingas

de acero en una disposicin de cuatro cables

que descansan directamente en el gancho decuatro puntos del buque gra (vase la figura 8).La eslinga ms pesada disponible actualmente

tiene un dimetro de aproximadamente 350 mm,una carga de rotura de aproximadamente 48 MNy una carga til de seguridad (CUS) de 16 MN.Hay grilletes disponibles con una carga til deseguridad de hasta 10 MN para conectar loscncamos (padeyes) instalados en los pilaresde los mdulos. Debido al espacio necesario, launin de ms de un grillete al mismo pilar noresulta una opcin muy atractiva. As pues,cuando la carga de la eslinga supera los 10 MN,los muones (trunnions) se convierten en una

opcin.

17

CONSTRUCCIN

Cubierta superior

27,5

16

26

100

20

10

10

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Capacidad

decargaentoneladasmtricas

40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

Radio de levantamiento (metros)Zona operativa

Cables

Cables

2 Auxiliar

2Auxiliar

1 Auxiliar

1Auxiliar

60

50

40

30

20

10

0

160

150

140

130

120

110

100

90

80

70

Prin

cipalcongiro

Prin

cipals

ingiro

Principal

Alturade

izadoporencimadelacubierta(enmetro

s)

Buln

Figura 7 Diagrama de la capacidad de carga para un buque-gra grande y doble


34/304

7.4 Transporte Martimoy Sujecin Durante el MismoEl transporte se efecta a bordo de una

barcaza de cubierta plana o, si fuera posible,sobre la cubierta del buque gra.

Es necesario sujetar el mdulo a la bar-caza (vase la figura 9) con el fin de que resis-ta el movimiento de la barcaza en aguas

embravecidas. El concepto de la sujecindurante la travesa lo determinan las posicio-

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Operador Nombre Tipo Modo Capacidad de carga (toneladas)

Heerema Thor Monocasco Fijo 2720

Giratorio 1820

Odn Monocasco Fijo 2720

Giratorio 2450

Hermod Semisumergidas Fijo 4536 + 3628 = 8164

Giratorio 3630 + 2720 = 6350

Balder Semisumergidas Fijo 3630 + 2720 = 6350

Giratorio 3000 + 2000 = 5000

McDermott DB50 Monocasco Fijo 4000

Giratorio 3800

DB100 Semisumergida Fijo 1820

Giratorio 1450

DB101 Semisumergida Fijo 3600

Giratorio 2450

DB102 Semisumergidas Giratorio 6000 + 6000 = 12000

Micoperi M7000 Semisumergida Giratorio 7000 + 7000 = 14000

ETPM DLB1601 Monocasco Giratorio 16000

Notas:

1. Capacidad de carga nominal en toneladas mtricas.

2. Cuando los buques gras estn provistos de dos gras, stas se encuentran en la proa y popa del buque,aproximadamente a 60 m de distancia entre ejes.

3. Giratorio= Capacidad de carga con gra totalmente giratoria.Fijo = Capacidad de carga con gra fija.

Tabla 1 Buques gra ms importantes


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nes de la estructuradel mdulo, as comolos puntos fuertes dela barcaza.

7.5 Izado aBordo

7.5.1 Intro-duccin

Para el izado abordo se aplican tresmtodos bsicos:

deslizamiento

plataformas remol-que

cabrias en A.

7.5.2 Deslizamiento

El deslizamiento es un mtodo viable

para elementos de cualquier peso. Este siste-ma consiste en una serie de vigas metlicas,que sirven de va, sobre las cuales se disponeun grupo de patines, cada uno de ellos conuna capacidad de carga de 6 MN. Cada patnest provisto de un gato hidrulico para elcontrol de la reaccin.

7.5.3 Plataformas Remolque

Es posible combinar unidades de re-molque especializadas (vase la figura 10)con el fin de que se comporten como una solaunidad para cargas de hasta 60-75 MN. Lasruedas estn suspendidas individualmente ylos gatos integrados permiten el ajuste hasta300 mm.

La capacidad de carga sobre el rea demdulo proyectada vara desde aproximada-mente 55 hasta 85 kN/milla cuadrada

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CONSTRUCCIN

(a) Estndar (doble y sencillo)

(b) Con viga de reparto ypuntos de elevacin enla parte inferior del mdulo

(c) Con estructura de distribuciny puntos de elevacin enla cubierta del mdulo

Figura 8 Varias disposiciones de eslingas sobre cuatro puntos

Barcaza de cargatpica 100x300x20 peso 120x400x25 pes

Mdulo

(a) Slo se fija labase

(b) Se fija la base y seusan abrazaderas

Figura 9 Conceptos de fijacin en el mar


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Es posible conducir las unidades en todaslas direcciones, as como tomar curvas.

7.5.4 Cabrias en A o gras tipoManitowoc

El izado a bordo mediante cabrias en A ogras tipo Manitowoc resulta atractiva en el casode jackets pequeas construidas en el muelle.Los mdulos ms pequeos (hasta 10-12 MN)pueden cargarse sobre la Jacket colocada pre-viamente en la barcaza, permitiendo de estamanera la instalacin del mdulo y de la Jacket

mediante un nico levantamiento del buquegra.

7.6 Desmontaje de Plataformasen desuso

Durante los ltimos aos, el desmontajede plataformas en desuso se ha convertido enalgo habitual. La manera de llevar a cabo estaoperacin depende en gran medida de las regu-laciones de las autoridades locales. En la fase dediseo se deben considerar el proveer a la plata-forma de lo necesario para su retirada.

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Transportador modular de propulsin

Posibilidad de acoplamiento

Gua electrnica multi-va

Figura 10 Trailer autopropulsado modular para el remolque de la plataforma


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8. ANLISIS ESTRUCTURAL

8.1 IntroduccinLa mayor parte de los anlisis estructu-

rales se basan en la teora lineal de la elasti-cidad para el comportamiento total del siste-ma. Se lleva a cabo el anlisis dinmico parael comportamiento del sistema bajo el ataquede las olas si el perodo natural es superior a3 segundos. Es posible que muchos elemen-tos muestren un comportamiento dinmico lo-cal, por ejemplo cimentaciones de compreso-

res, chimeneas de combustin, pedestales degra, elementos robustos de la jacket, con-ductores.

8.2 Fase en la ObraSe llevan a cabo tres tipos de anlisis:

Estado de supervivencia, bajo el ataque deolas/corriente/viento con un perodo derecurrencia de 50 o 100 aos.

Estado operacional, bajo el ataque de o-las/corriente/viento con un perodo de recu-rrencia de 1 a 5 aos, en condiciones de

pleno rendimiento. Evaluacin de la fatiga.

Accidental.

Todos estos anlisis se efectan sobre laestructura completa e intacta. Las evaluacionesde estructuras daadas, por ejemplo a las que lesfalta un elemento y las evaluaciones de situacio-nes de colisin se llevan a cabo ocasionalmente.

8.3 Fase de ConstruccinLas fases de construccin ms importan-

tes durante las que la integridad estructuralpuede verse amenazada son:

Izado a bordo

Transporte martimo

Puesta en posicin vertical de las jackets

Levantamiento.

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ANLISIS ESTRUCTURAL


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9. ASPECTOS DE COSTES

9.1 IntroduccinLa viabilidad econmica de un proyecto

de plataformas petrolferas depende de muchosaspectos: inversin de capital (CAPEX), cargafiscal, derechos, gastos de explotacin (OPEX).

En una explotacin tpica de un campomediante plataformas petrolferas un tercio delCAPEX se dedica a la plataforma, un tercio a laperforacin de pozos y un tercio a los oleoductos.

Normalmente los clculos de costes sepreparan haciendo uso de un enfoque determi-nista. Recientemente, en muchos proyectos deexplotacin se ha desarrollado el clculo de cos-tes utilizando un enfoque probabilstico.

El CAPEX de los mdulos de una plata-forma petrolfera instalada asciende a aproxima-damente 20 EURO/kg.

9.2 Inversin de Capital (CAPEX)

Los principales elementos del CAPEXpara una plataforma petrolfera son:

gestin del proyecto y diseo

compra de materiales y equipos

fabricacin

transporte y montaje

unin y puesta en servicio.

9.3 Gastos de Explotacin(OPEX)En el Mar del Norte, aproximadamente el

20 por ciento del OPEX es necesario para la ins-peccin, mantenimiento y reparaciones (IMR) delas plataformas petrolferas.

La cantidad que resulte necesario dedicara IMR a lo largo de la vida del proyecto puedeascender a aproximadamente la mitad de lainversin original.

El IMR es el rea en la que los ingenierosMecnicos aportan su contribucin al diseo, laseleccin de materiales, mejora en la proteccinfrente a la corrosin, accesibilidad, provisionesbsicas para el andamiaje, eliminacin de acce-sorios en las jackets que pudieran suponer unpeligro para los buzos, etc.

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10. EXPLOTACIONES ENAGUAS PROFUNDAS

Las aguas profundas introducen unaamplia gama de dificultades extra para el opera-dor, la ingeniera y el constructor de plataformaspetrolferas.

Recientemente se han instalado platafor-mas fijas en aguas de 410 m de profundidad,

concretamente la Bullwinkle desarrollada porShell Oil para un emplazamiento en el Golfo deMxico. La jacket tena un peso de casi 500 MN.

Actualmente la profundidad mxima delagua en emplazamientos de plataformas del Mardel Norte es de aproximadamente 220 m. Laexplotacin del campo Troll, situado en aguas deuna profundidad aproximada de 305 m est pre-vista para 1993.

Varias plataformas fijas (Cerveza, Cog-nac) estn en funcionamiento en el Golfo deMxico y frente a las costas de California, en

aguas de 250-350 m de profundidad. Exxon tie-ne torre para plataforma atirantada (Lena) enfuncionamiento en aguas de 300 m de profundi-dad.

Una opcin para emplazamientos demayor profundidad consiste en la utilizacin depozos con tuberas de descarga a una platafor-ma fija cercana (una distancia mxima aproxi-mada de 10 km) situada en aguas de menor pro-fundidad. Alternativamente pueden utilizarsepozos con oleoductos ascendentes flexibleshasta una unidad de produccin flotante. Enestos momentos, los pozos submarinos resultanviables para aguas de una profundidad de 300-900 m. Los pozos ms profundos se han explo-tado frente a la costa de Brasil bajo condicionesmeteorolgicas moderadas.

Las plataformas atirantadas (TLP) parecenser la unidad de produccin en aguas profundasms prometedora (figura 11). Consiste en un pon-tn semisumergible, sujeto al lecho marino median-

te amarres pretensionados verticales. La primeraTLP fue la Hutton en el Mar del Norte y reciente-mente se instal la TLP Jolliet en un emplazamien-to del Golfo de Mxico de 530 m de profundidad.Tambin los campos noruegos Snorre y Heidrun sehan explotado con TLP.

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EXPLOTACIONES EN AGUAS PROFUNDAS

Figura 11 Plataforma de pilar de traccin


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11. RESUMEN FINAL

La leccin comienza con la presentacin

de la importancia de la explotacin dehidrocarburos mediante plataformas petro-lferas, las etapas bsicas del proceso dedesarrollo (desde la exploracin ssmica ala retirada de plataformas) y la introduc-cin de los conceptos estructurales princi-pales (cimentada sobre jacket, cimentadasobre E.V.H., Plataforma sumergible, flo-tante).

Se identifican los reglamentos y normas

aplicables. En el caso de los conceptos de plataformas

fijas (jacket y E.V.H.), se explican breve-mente las diferentes fases de ejecucin:diseo, fabricacin y montaje. Se prestaespecial atencin a los principios del diseodel mdulo.

Se presenta una introduccin bsica aaspectos de costes.

Finalmente se introducen los trminos enun glosario.

12. GLOSARIO DE TRMINOS

ESPACIO DE AIRE Espacio libre entrela cresta mxima de las olas y la parte inferior delmdulo superior.

CONDUCTORES Los elementos tu-bulares que protegen la columna del taladro des-de su parte superior hasta 40-100 m bajo el le-cho marino. Tras la perforacin protegen el re-vestimiento del pozo.

E.V.H. Estructura verticalde hormign, que descansa sobre el lecho mari-no, estable gracias a su peso.

UNIONES (HOOK-UP) Unin de compo-

nentes y sistemas, tras el montaje de la platafor-ma petrolfera.

ENCAMISADO (JACKET)Estructura tubular de apoyo de los mdulos,situado en el agua y fundado sobre pilotes.

IZADO A BORDO La operacindel traslado del objeto (mdulo, jacket) desde elmuelle hasta colocarlo sobre la barcaza de trans-porte.

MUONES (TRUNNIONS) Salientes tubu-lares de gran grosor que reciben directamentelas eslingas y estn soldados transversalmente ala estructura principal.

CNCAMOS Chapa de grangrosor con agujero que recibe el pasador del gri-llete, soldada a la estructura principal.

TUBERA DE CONDUCCIN La seccin deloleoducto que asciende desde el nivel del lechomarino hasta el del mdulo superior.

ANCLAJE MARTIMO La estructura uti-lizada para mantener el objeto conectado rgida-mente a la barcaza durante el transporte.

GRILLETES Elemento conector (estri-bo y chaveta) entre eslingas y cncamos.

ESLINGAS Cables provis-tos de ojales de empalme en ambos extremos,para el levantamiento en el mar, cuyo extremosuperior descansa en el gancho de elevacin.

BALANCN Estructura tubu-lar utilizada en la operacin de levantamiento.

BANCADA Estructura en el lechomarino para guiar los conductores antes delmontaje de la jacket.

SUMIDEROS Tuberas verti-cales que se extienden desde la parte superiorhasta 5-10 m por debajo del nivel del agua parala toma y descarga.

MDULOS SUPERIORES Mdulo supe-rior, la instalacin de procesamiento compacta

en el mar, con todos sus elementos auxiliares,emplazada por encima de las olas.

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POSICIONAMIENTO EN VERTICALPosicionamiento de la jacket en posicin vertical,antes

56121877-itea-tomo-17-sistemas-estructurales-plataformas-petroleras.pdf

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