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I ngeniería I nvestigación y T ecnología volumen XXII (número 3), julio-septiembre 2021 1-21 ISSN 2594-0732 FI-UNAM artículo arbitrado Información del artículo: Recibido: 16 de julio de 2020, reevaluado: 8 de noviembre de 2020 y 16 de febrero de 2021, aceptado: 6 de abril de 2021 Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0) license https://doi.org/10.22201/fi.25940732e.2021.22.3.017 Efecto de la geometría del casco de plataformas semisumergibles de producción en su respuesta hidrodinámica The effect of the design variables of the semi-submersible platform hull geometry on the hydrodynamic response Reyes-Casimiro María Perea Tiziano Universidad Autónoma Metropolitana Universidad Autónoma Metropolitana Posgrado en Ingeniería Estructural Departamento de Materiales Correo: al2171800198@azc.uam.mx Correo: tperea@azc.uam.mx https://orcid.org/0000-0002-6262-4674 https://orcid.org/0000-0001-7834-862X Félix-González Iván Instituto Mexicano del Petróleo, Veracruz Centro de Tecnologías para Exploración y Producción Laboratorio de Simulación Numérica de Fenómenos Metoceánicos e Hidrodinámicos Correo: ifelix@imp.mx https://orcid.org/0000-0001-9837-6433 Resumen En el presente trabajo de investigación se muestran los resultados del efecto que tienen las variables de diseño de la geometría del casco de plataformas tipo semisumergibles de producción en su respuesta hidrodinámica. Las variables de diseño del casco que se evalúan mediante un estudio paramétrico son: distancia entre columnas (L), ancho (B) y altura (H) de las columnas, ancho (BP), altu- ra (HP) de los pontones y calado (D). Así, en el estudio paramétrico desarrollado se analizan 2916 modelos considerando tres dife- rentes volúmenes de producción (100, 150 y 200 MBD), para los cuales se calculan los operadores de amplitud de respuesta con el módulo HydroD del programa de computadora SESAM. Los resultados muestran que el calado (D) tiene una alta influencia en la amplitud de la respuesta de movimientos de la plataforma, mientras que el ancho de la columna (B) presenta un efecto importante en el periodo natural del sistema. Adicionalmente, se obtuvieron las respuestas máximas más probables para diferentes estados de mar asociados a un contorno ambiental con un periodo de retorno de 100 años, donde se observa que efectivamente las variables consideradas tienen un efecto importante en la respuesta hidrodinámica de plataformas semisumergibles. Descriptores: Semisumergible, respuesta hidrodinámica, arfada, cabeceo, balanceo, operador de amplitud de respuesta. Abstract This research shows the effect of the design variables of the hull geometry of a production semisubmersible platforms on their hydro- dynamic response. Hull design variables that are evaluated in this parametric study include: distance between columns (L), column width (B), column height (H), pontoon width (BP), pontoon height (HP), and draft (D). Thus, in this parametric study, 2916 models are analyzed considering three different production volumes (100, 150 and 200 MBD), for each one the amplitude response opera- tors are calculated with the HydroD module of the SESAM computer program. The results show that the draft (D) has a high influen- ce on the amplitude of the semisubmersible response, while the column width (B) has a high effect on the natural period of the system. Additionally, the most probable maximum responses were calculated for different sea states associated with an environmen- tal contour with a return period of 100 years, where it is observed that indeed the variables considered have an important effect on the hydrodynamic response of semisubmersible platforms. Keywords: Semisubmersible, hydrodynamic response, heave, pitch, roll, response amplitude operator.
https://doi.org/10.22201/fi.25940732e.2021.22.3.017 Efecto de la geometría del casco de plataformas semisumergibles de producción en su respuesta hidrodinámica Introducción los rangos de las variables geométricas, y evaluando su comportamiento hidrodinámico. La creciente demanda en la producción de crudo en Mé- Una de las principales propuestas para el cálculo de xico ha planteado la necesidad de nuevas soluciones, la respuesta hidrodinámica es la realizada por Morison una alternativa que se explora es la explotación de cam- et al. (1950), en la cual se emplea una fórmula semi-empí- pos en aguas profundas del Golfo de México mediante el rica para estimar la fuerza sobre una columna vertical uso de sistemas flotantes de producción. Estos sistemas fija. La fórmula tiene dos términos, uno de ellos toma en flotantes de producción deben permanecer en su locali- cuenta los efectos inerciales y el otro los efectos de arras- zación durante toda la vida del yacimiento, por lo que tre viscosos. deben ser capaces de soportar condiciones ambientales Por otro lado, Wang (1968) estudió el comporta- extremas manteniendo su integridad estructural y un miento de un cilindro circular oscilante para números buen comportamiento hidrodinámico. Dado lo anterior, de Reynolds bajos a través del método de expansión y en el presente trabajo se lleva a cabo un estudio sobre el contracción de funciones, obteniendo coeficientes de efecto de seis variables de diseño de la geometría del cas- arrastre y funciones de corriente de las expresiones co en la respuesta hidrodinámica de sistemas flotantes analíticas. tipo semisumergibles, localizadas en aguas nacionales Hooft (1972) aplicó consistentemente la fórmula de del Golfo de México, considerando tres diferentes volú- la ecuación de Morison para una geometría libre de la menes de producción. El considerar tres volúmenes de semisumergible que oscila bajo la acción de las olas, producción impacta en el tamaño y pesos de los equipos compuesta por elementos alargados, elementos tridi- en cubierta, impactando directamente en el peso de los mensionales compactos y áreas planas. módulos de cubierta, lo que también afecta de manera Las fuerzas del oleaje actuando en estructuras costa importante la respuesta de movimientos (i.e. arfada, ba- afuera ante condiciones de oleaje irregular están clasifi- lanceo y cabeceo) del sistema flotante. cadas en fuerzas oscilatorias de primer y segundo or- den. Las fuerzas de primer orden son proporcionales a Antecedentes la altura de la ola con una frecuencia igual a la del olea- je. Por otro lado, las fuerzas de segundo orden varían Existe una gran variedad de sistemas flotantes que pue- lentamente oscilando a una frecuencia más baja que la den ser utilizados en la producción de crudo en aguas frecuencia del oleaje. La componente estacionaria de la profundas, por ejemplo, las Plataformas de Piernas fuerza de segundo orden es proporcional al cuadrado Tensionadas (Tension Leg Platform), los barcos de al- de la altura de ola. A pesar de que las fuerzas de segun- macenamiento, producción y descarga también conoci- do orden son pequeñas en magnitud, estas podrían dos como FPSOs, las plataformas tipo Spar y las causar movimientos horizontales mayores con frecuen- plataformas tipo semisumergibles. En este estudio se cias bajas (Remery & Hermans, 1972). seleccionaron los sistemas flotantes tipo semisumergi- Para el estudio de las fuerzas en oleaje regular Hog- bles por la gran probabilidad de que sean los sistemas ben (1976) sugiere que los problemas hidrodinámicos que se utilicen para la producción de hidrocarburos en de cilindros podrían ser clasificados en tres regiones de aguas nacionales del Golfo de México, debido a que en acuerdo con el diámetro del cilindro, la longitud y la un futuro cercano se acelere el proceso de desarrollo de altura de la ola. La primera región se presenta cuando los campos en aguas profundas y ultra profundas debi- Hs/D>1, donde la ecuación de Morison es más adecuada do a los cambios realizados por las reformas para el sec- que el método de difracción. La segunda región cuando tor hidrocarburos que se han presentado en México D/λ >0.2, donde el método de difracción es más adecua- durante los últimos años. Además, es importante desta- do. La tercera región se presenta cuando D/λ
https://doi.org/10.22201/fi.25940732e.2021.22.3.017 Reyes-Casimiro María, Félix-González Iván, Perea Tiziano oleaje regular que consisten en dos olas regulares con Años más tarde, Babu y Raja (1987) llevaron a cabo una pequeña diferencia sus frecuencias. Los resulta- un estudio de la variación de algunos parámetros de di- dos de las fuerzas de deriva de baja frecuencia en una seño en el comportamiento de una semisumergible. Los barcaza rectangular y una semisumergible son compa- parámetros considerados fueron: calado, relación entre rados con resultados experimentales obteniendo una la columna y el desplazamiento total, número de colum- buena correlación. nas por pontones, distancia longitudinal entre columnas La teoría de potencial es ampliamente usada para el y distancia transversal entre pontones. Aplicando la teo- análisis hidrodinámico de estructuras costa afuera. ría del potencial lineal para estimar los movimientos en Existen diferentes métodos que pueden emplearse para arfada, avance y deriva de una semisumergible, los re- aplicar el enfoque de esta teoría y determinar las fuer- sultados numéricos en comparación con la información zas de deriva. Esos métodos fueron clasificados por experimental fueron aceptables. Pinkster (1980). En el primero se calcula la media de las Investigaciones en este campo normalmente harían fuerzas de segundo orden basada en momentos y con- uso de ensayos a tamaño real, modelos a escala y simu- sideraciones de energía, en el segundo se deducen las laciones numéricas. Sin embargo, los ensayos a escala fuerzas de segundo orden de media y baja frecuencia, real son muy costosos y consumen demasiado tiempo además de momentos a través de la integración directa para llevarse a cabo con frecuencia y no podrían pro- de las presiones del fluido que actúan en la superficie veer más información de la que se puede obtener de mojada. Finalmente, en el tercero se deduce el amorti- modelos a escala o de simulaciones numéricas. Ade- guamiento de las fuerzas de segundo orden igualando más, las condiciones ambientales no podrían ser con- la energía radiada por una embarcación oscilante debi- troladas en pruebas a tamaño real. Por ejemplo, cuando do a las olas incidentes. las olas creadas mecánicamente chocan con las fronte- Se han llevado a cabo varios estudios para investi- ras del tanque esto genera olas adicionales que podrían gar las fuerzas y la respuesta de las diferentes configu- incrementar o disminuir las fuerzas de baja frecuencia raciones de semisumergibles tanto en oleaje regular (Standing, 1988). como irregular, así como en aguas someras y profun- La estimación de las respuestas de movimiento de das. La combinación del tirante de agua y la longitud una estructura flotante, tal como la semisumergible, re- de la ola sirven para determinar si el tirante de agua quiere conocimiento de las características de la estruc- corresponde a aguas someras, intermedias o profundas tura y los factores que controlan las respuestas, tales desde un punto de vista hidrodinámico. El tirante de como la rigidez y amortiguamiento del sistema (Clough agua se considera profundo si este es mayor a un medio y Penzien, 1993). de la longitud de ola y si se encuentra en aguas some- Años más tarde, Dev y Pinkster (1997) mostraron en ras, igualmente, si este es menor a 0.5 de la longitud de un estudio las contribuciones del efecto viscoso en las la ola (Sarpkaya e Isaacson, 1981). fuerzas de deriva de baja frecuencia en semisumergi- Chakrabarti (1985) da una sugerencia simple en la bles, las cuales poseen fuerzas de restauración bajas en que la ecuación de Morison solo debe aplicarse a estruc- los modos de movimiento horizontal. Empleando téc- turas donde sus dimensiones sean pequeñas, compara- nicas computacionales de teoría de potencial 3D encon- das con la longitud de la ola. De lo contrario, si sus traron que las fuerzas de deriva media son diferentes a dimensiones son grandes en comparación con la longi- las encontradas en las pruebas experimentales. Tal dis- tud de la ola, la estructura alteraría el campo de la ola y, crepancia es dominante en el rango de baja frecuencia, por ende, la teoría de difracción es más adecuada. donde los efectos de difracción son menores para es- En ese mismo año, Bearman et al. (1985) llevó a cabo tructuras delgadas. Por lo tanto, se cree que es inducido un análisis teórico para investigar los coeficientes de por efectos viscosos. inercia y arrastre de cilindros en flujo oscilatorio visco- Por otro lado, establecen que el término de arrastre so para valores pequeños de números de Keulegan- viscoso de la ecuación de Morison muestra una fuerza Carpenter (KC). Los resultados fueron comparados con media cero sobre alguna parte de la estructura constan- mediciones experimentales y mostraron que el análisis temente sumergida, la zona de un cilindro vertical que es válido para números de KC menores a 2. Además, se penetra la superficie del fluido puede conducir a una encontró que para números de KC mayores el coefi- solución simple de forma cerrada para la estimación de ciente de arrastre es directamente proporcional al nú- las contribuciones viscosas en las fuerzas de deriva. mero de KC. Si la contribución viscosa se resta, el Concluyen que los resultados de las pruebas validan la coeficiente de inercia disminuye rápidamente con el teoría, la cual revela el hecho de que los cuerpos cons- incremento del número de KC. tantemente sumergidos no contribuyen a los efectos I ngeniería I nvestigación y T ecnología , volumen XXII (número 3), julio-septiembre 2021: 1-21 ISSN 2594-0732 FI-UNAM 3
https://doi.org/10.22201/fi.25940732e.2021.22.3.017 Efecto de la geometría del casco de plataformas semisumergibles de producción en su respuesta hidrodinámica viscosos en las fuerzas de deriva en un campo de flujo madamente, de acuerdo con (Bindingsbo̸ y Bjo̸rset, de olas solamente. 2002). Posteriormente Hermans (1999) llevó a cabo un es- Sunahara (2004) investigó las fuerzas que actúan en tudio sobre la frecuencia de resonancia de un objeto ex- una plataforma con 16 columnas y midieron las fuerzas citado, en éste se estudian, por un lado, las fuerzas de hidrodinámicas simultáneamente en cada columna. excitación que generan los movimientos y por el otro la Además, se verificaron si las grandes fuerzas medidas teoría para determinar el amortiguamiento no viscoso. son fuerzas viscosas. Esto confirmó que las fuerzas de Los resultados analíticos son comparados con resulta- deriva viscosas significantes actúan en un cilindro para dos experimentales llegando a una buena similitud en- periodos de olas largas. Finalmente, se presentaron una tre ambos. investigación para una región aplicable de componen- Söylemez y Atlar (1999) presentaron una compara- tes viscosos y de potencial de las fuerzas de deriva de ción entre la ecuación de Morison y el método de panel ola que actúan en cilindros verticales. 2D aplicado a una semisumergible. El método del panel Chakrabarti et al. (2007) analizaron una semisumer- está basado en la técnica ajustada (Frank, 1967). Los au- gible con pontón de armadura (TPS) respecto a los mo- tores comentaron que el enfoque de Morison incluye el vimientos de arfada y cabeceo, comparando los efecto de las fuerzas viscosas y el efecto de las fuerzas resultados obtenidos de la teoría de difracción lineal y de excitación de avance/retroceso no considerado por el la ecuación de Morison simplificada. De Conti et al. método de panel. Por otro lado, el método de panel 2D (2008) adoptaron un enfoque simplificado permitiendo toma en cuenta el efecto de la interacción columna-cas- una visión sobre el comportamiento de una semisumer- co y el amortiguamiento de potencial, el cual no se con- gible respecto a la geometría. Los resultados numéricos sidera por el enfoque de Morison. obtenidos a través de este método fueron comparados Sweetman et al. (2002) consideraron el air gap dinámi- con resultados experimentales obteniendo razonables co entre la superficie de la ola efectiva y la parte inferior similitudes. de la cubierta de la semisumergible. Además, evaluaron Xiao et al. (2009) investigaron de forma numérica y el impacto numérico de los efectos de difracción de se- experimental los movimientos de arfada, balanceo y ca- gundo orden comparando el comportamiento estadísti- beceo de baja frecuencia de una semisumergible. En el co de la superficie libre estimada por los métodos estudio encontraron que las fuerzas viscosas son im- numéricos con resultados experimentales. Los resulta- portantes para movimientos de balanceo y cabeceo, dos de difracción se calcularon con un programa, el cual pero despreciables para el movimiento de arfada. Ade- aplica la teoría de difracción de segundo orden. En ese más, se observaron que la resonancia inducida en ba- mismo año Clauss et al. (2002), argumentaron que los lanceo y cabeceo debida a las fuerzas de deriva del movimientos de arfada, cabeceo, balanceo y el air gap, viento varian lentamente y son mucho mayores que las son características clave para considerarse en el diseño inducidas por las fuerzas de deriva del oleaje. de semisumergibles, ya que estarán sujetas a condiciones Yue et al. (2009) presentaron un algoritmo compues- de estados de mar extremos, las cuales se definen por las to/integrado basado en un proceso por etapas con el condiciones de diseño de estado límite último con una objetivo de mejorar la eficiencia y prestar atención a la altura de ola de diseño Hs de 100 años y un periodo pico estabilidad y seguridad de una semisumergible de per- Tp específicos. Sugieren además, la implementación de foración. Aplicaron diferentes algoritmos de diseño un estado límite accidental relativo para las llamadas para marcar la parte de la cubierta inferior y superior, olas extremas, donde se ha observado que efectivamente es decir, la parte de la cubierta superior se diseña de ocurren. Asimismo, para el estado límite accidental apli- acuerdo con el costo de transportación más bajo, mien- caron el método de panel, el cual emplea el enfoque de tras que los cálculos de la parte de la cubierta inferior se flujo potencial y se lleva a cabo en el dominio de la fre- basan con el alcance de mejor ajuste. La metodología de cuencia para posteriormente realizar una comparación diseño general puede proporcionar una referencia para entre estos resultados y los obtenidos en el dominio del la implementación de diseños específicos asociados a tiempo y experimentales, llegando a una buena correla- las nuevas tecnologías en el mar del Sur de China de ción entre dichos resultados. plataformas semisumergibles. Para la reducción en el movimiento de arfada, que Li et al. (2011) estudiaron y compararon el compor- es un objetivo principal que se requiere mejorar, el tamiento hidrodinámico y de movimientos globales de método es incrementar el calado. Al aumentar el calado plataformas típicas en aguas profundas en condiciones de 20-25 m a 40 m, el operador de amplitud de respues- ambientales en el Mar del Sur de China. Los resultados ta (RAO) en arfada y cabeceo se reducen 50 % aproxi- indicaron que los movimientos en arfada y especial- 4 I ngeniería I nvestigación y T ecnología , volumen XXII (número 3), julio-septiembre 2021: 1-21 ISSN 2594-0732 FI-UNAM
https://doi.org/10.22201/fi.25940732e.2021.22.3.017 Reyes-Casimiro María, Félix-González Iván, Perea Tiziano mente en cabeceo en TLPs son favorables. La respuesta gible para optimizar la forma del casco en trabajos en arfada de la plataforma tipo Spar es perfectamente futuros. Los resultados computacionales mostraron comparable con la de la TLP, cuando el periodo pico del que las respuestas de movimiento en olas de cresta cor- estado de mar es bajo. Mientras, que el cabeceo de la ta son mucho más pequeñas que las de cresta larga. Spar es mucho más grande que el de la semisumergible Gao et al. (2018) propusieron e investigaron un con- y la TLP. cepto nuevo e innovador de semisumergible, denotado Matos et al. (2011) probaron y evaluaron diferentes como plataforma de columna múltiple (MCP). El con- aproximaciones hidrodinámicas, de los resultados ob- cepto de columna central y pontón ofrece una mejora tenidos de estas comparaciones propusieron una meto- favorable en los movimientos de arfada, avance, deriva dología basada en el enfoque de ruido blanco para el y cabeceo comparados con los de una semisumergible espectro de fuerzas. Concluyeron que la validez de ta- convencional. les aproximaciones se atribuye a los niveles típicamente bajos de amortiguamiento en los movimientos de arfa- Descripción del sistema flotante en estudio da, cabeceo y balanceo. Domala et al. (2014) llevaron a cabo un estudio sobre Los sistemas flotantes tipos semisumergibles son es- el efecto de la geometría de las columnas y los ponto- tructuras que se utilizan comúnmente para diversas nes, así como de su arreglo para obtener una respuesta funciones en la industria costa afuera como: produc- mínima en los movimientos de arfada, cabeceo, avance ción de petróleo, grúas de gran capacidad, así como y deriva. Los resultados mostraron que el efecto de la plataformas de perforación. Actualmente, también se geometría del casco, la forma y arreglo de las columnas emplean sistemas flotantes tipo semisumergible para el y pontones, impactan sobre las respuestas de arfada y desarrollo de campos eólicos costa afuera, donde debi- cabeceo de semisumergibles, por lo que pueden usarse do al tirante de agua es necesario instalar las turbinas para llegar a la forma, dimensiones y arreglos adecua- eólicas en un sistema flotante. Estos sistemas están dos de columnas y pontones con la finalidad de obtener constituidos básicamente de una cubierta metálica so- una respuesta de movimientos mínima. portada por un casco, el cual está conformado por un Kyoung et al. (2014) diseñaron tres cascos y evalua- conjunto de columnas y pontones; las columnas gene- ron las respuestas de movimiento globales de los cascos ralmente son de sección circular o rectangular hueca; la para tres diferentes pesos de cubierta a una profundi- forma de los pontones y el número de columnas depen- dad de 6000 ft. Se utilizaron un programa de Dinámica de de la configuración estructural y el servicio requeri- de fluidos computacionales para diseñar y evaluar la do. Dichos sistemas permanecen en la localización geometría de los cascos. Los resultados mostraron que mediante sistemas de amarre o sistemas de posiciona- los nuevos diseños propuestos de los cascos disminu- miento dinámico dependiendo de las funciones de la yeron el desplazamiento vertical e incrementaron su plataforma; los sistemas de amarre se usan comúnmen- periodo natural a través de la masa adherida, reducien- te cuando se requiere permanecer en la misma localiza- do el movimiento vertical en estados de mar con perio- ción por largos periodos, esto debido a que su costo es dos pico altos. menor comparado con la operación de sistemas con po- Wang et al. (2015) llevaron a cabo una comparativa sicionamiento dinámico. En este trabajo se consideran de dos semisumergibles con pontones gemelos no si- tres diferentes capacidades de producción debido a que métricos con y sin arrostramiento horizontal. Los resul- son referentes para ser utilizados en función de posi- tados numéricos mostraron que existen efectos de bles volúmenes esperados de producción, que se consi- acoplamiento significante de arfada-balanceo/arfada- derarían económicamente rentables para el desarrollo cabeceo en la nueva semisumergible debido a la forma de un sistema flotante con estas características en aguas no simétrica de los pontones. Las respuestas de los mo- profundas o ultra profundas. vimientos de la nueva semisumergible son general- mente satisfactorios para estados de mar típicos. Definición de las variables de diseño Xiong et al. (2016) estudiaron el desempeño global de una semisumergible basado en simulaciones numé- Como primer paso, se lleva a cabo una recopilación so- ricas y experimentales, además investigaron el efecto bre la información sobresaliente de los sistemas flotan- de los factores ambientales y el sistema de amarre sobre tes existentes que permitan definir de manera más las respuestas de movimientos. realista los valores de las variables de diseño. Una parte Zhang et al. (2017) estudiaron el desempeño hidro- importante de la información que se procesa en esta dinámico global de una plataforma flotante semisumer- sección se obtiene de diferentes artículos y notas de di- I ngeniería I nvestigación y T ecnología , volumen XXII (número 3), julio-septiembre 2021: 1-21 ISSN 2594-0732 FI-UNAM 5
https://doi.org/10.22201/fi.25940732e.2021.22.3.017 Efecto de la geometría del casco de plataformas semisumergibles de producción en su respuesta hidrodinámica vulgación en la revista Offshore Magazine (2011). En lumna es de 43 m con anchos y alturas de pontones de las Figuras 1 a 3 se muestran datos y regresiones linea- 10 m y el peso del casco es de 22 921 toneladas. Por otro les de los datos recabados en esta revista de divulga- lado, para el desplazamiento de 80 000 toneladas se tie- ción. Con base en la regresión de los datos que se ne un ancho y altura de columnas de 24 m y 43 m con muestran en la Figura 1, se obtiene un peso estimado de ancho y altura de pontones de 13 m y 15 m, respectiva- la cubierta de 18 000, 24 000 y 29 000 toneladas, respec- mente; y el peso del casco es de 40 734 toneladas. Final- tivamente, para los tres volúmenes de producción con- mente, para el desplazamiento de 100 000 toneladas se siderados (100, 150 y 200 MBD). Asimismo, con estos tiene ancho y altura de columnas de 26 m y 43 m, ancho valores de producción y la regresión que se muestran y altura de pontones de 15 m, respectivamente; y con en la Figura 2 se obtiene un estimado de la masa del peso del casco de 46 258 toneladas. volumen desplazado (i.e. el producto del volumen su- En el presente trabajo se usa el programa SESAM mergido por el peso específico del fluido) requerido de (DNV), dadas sus características para la solución de 50 000, 80 000 y 100 000 toneladas, para cada uno de los este tipo de sistemas, el cual está integrado por una se- volúmenes de producción considerados. Finalmente, rie de módulos. El primer módulo conocido como Ge- los pesos estimados de los cascos, con base en los datos niE es donde se define la geometría y propiedades de y la regresión de la Figura 3, resultan de 18 000, 30 000 los modelos de semisumergible, en el segundo módulo y 40 000 toneladas, respectivamente para cada uno de conocido como HydroD es donde se calcula la estabili- los casos de producción. dad y se llevan a cabo los análisis hidrodinámicos; y el En la Tabla 1 se presentan las variables de diseño último módulo es el llamado Postresp, en el cual se ob- que se consideraron en el presente trabajo. tienen los resultados, como por ejemplo, los operadores Para poder identificar cada uno de los 2916 modelos de amplitud de respuesta para cada modelo y cada gra- que se evalúan, se utiliza la etiqueta con el formato do de libertad, así como las respuestas máximas más LxxBxxHxxDxxBPxxHPxx. En esta etiqueta, Lxx corres- probables para los diferentes estados de mar considera- ponde a la distancia entre columnas, Bxx al ancho de la dos. El proceso se automatiza utilizando el módulo columna, Hxx a la altura de columna, Dxx al calado, SESAM Manager DNV Manager (2011a). BPxx al ancho de los pontones, y HPxx a la altura de los En la Figura 4 se muestran las variables de diseño pontones. que se consideraron para ser estudiadas en este trabajo El mecanismo de control del calado es con el llenado donde: L es la longitud total de la semisumergible, B es de los tanques en los pontones con lastre (agua de mar). el ancho de las columnas, H es la altura de las colum- Todos los modelos cuentan con cinco tanques en cada nas, HP y BP son la altura y ancho del pontón, respecti- pontón y estos se llenan de acuerdo con el calado que se vamente. requiera, y también con las características geométricas de las columnas y pontones y del peso del casco y cu- bierta. Para el caso del desplazamiento de 50 000 toneladas el ancho de las columnas es de 18 m, la altura de la co- Figura 1. Volumen de producción vs peso de la cubierta (Wtopside) 6 I ngeniería I nvestigación y T ecnología , volumen XXII (número 3), julio-septiembre 2021: 1-21 ISSN 2594-0732 FI-UNAM
https://doi.org/10.22201/fi.25940732e.2021.22.3.017 Reyes-Casimiro María, Félix-González Iván, Perea Tiziano Figura 2. Volumen de producción vs Masa del volumen desplazado (VD) Figura 3. Masa del volumen desplazado vs Peso del casco (Whull) Tabla 1. Matriz de variables de diseño Columnas Pontones Producción Calado Separación Ancho Altura Ancho Altura (MBD) D (m) L (m) B (m) H (m) BP (m) HP (m) 16 18 10 10 100 20 12 12 22 14 14 18 85 20 40 20 150 90 22 43 22 12 12 95 24 46 24 13 13 20 15 15 22 200 24 26 I ngeniería I nvestigación y T ecnología , volumen XXII (número 3), julio-septiembre 2021: 1-21 ISSN 2594-0732 FI-UNAM 7
https://doi.org/10.22201/fi.25940732e.2021.22.3.017 Efecto de la geometría del casco de plataformas semisumergibles de producción en su respuesta hidrodinámica tros de oleaje (Hs y Tp) asociados al contorno ambiental de la localización para un periodo de retorno de 100 años, como se muestra en la Figura 5. -4 -5 -1 wTp H 2 wTp π 2π S(w ) = S2 e (1) 8π 2π Figura 4. Variables de diseño Análisis hidrodinámico En el presente trabajo se lleva a cabo el análisis hidrodi- námico tomando en cuenta direcciones de incidencia del oleaje de 0° a 90°, con incrementos de 15°, así como un rango de periodos de oleaje de 3 a 35 s. Debido a que el sistema tiene dos ejes de simetría, el rango de direc- ciones seleccionado cubre todo el rango de 0° a 360°. Por otro lado, el rango de periodos de oleaje selecciona- do concentra el mayor contenido de energía del oleaje, Figura 5. Contorno ambiental para un periodo de retorno de además de que en este se identifican los periodos natu- 100 años para una localización del Golfo de México rales de vibrar para los diferentes modelos de los siste- mas flotantes considerados en este estudio y para cada Los trenes de oleaje regular con amplitud unitaria se grado de libertad considerado (i.e. arfada, cabeceo y utilizan para el cálculo de los operadores de amplitud balanceo). de respuesta (RAO, Response Amplitud Operator), los En una descripción del estado de mar a corto plazo cuales se combinan con los espectros de oleaje asocia- las propiedades estadísticas de las olas se tratan como dos a los estados de mar considerados y así se obtiene invariantes durante un periodo que dura unas pocas la densidad espectral de potencia de las respuestas, a horas. La superficie del mar se considera como la suma partir de estos se obtiene la respuesta máxima más pro- de un número infinito de olas sinusoidales con diferen- bable. tes frecuencias y direcciones con ángulos de fase aleato- La ecuación de movimiento que se resuelve para ob- rio. La distribución de la energía de las olas según las tener los operados de amplitud de respuesta (RAOs, frecuencias de los componentes de las mismas está re- Response Amplitud Operator) se presenta en la ecuación 2 presentada por un espectro de oleaje, en este caso se (Faltinsen, 1990). consideró el espectro de Pierson-Moskowitz, definido por la ecuación 1 (DNV, 2011b). El análisis hidrodiná- [M + A (w)] x + B (w) x + Cx = F (w) (2) mico se realiza en el dominio de la frecuencia, incluyen- do las contribuciones de fuerzas viscosas, por lo que Donde: para considerar dichas contribuciones en el análisis hi- drodinámico es necesario linealizar las contribuciones x, x y x = vectores de aceleraciones, velocidades y des- de las fuerzas viscosas en los pontones y columnas, las plazamientos, respectivamente cuales se toman en cuenta con los elementos Morison. M = matriz de masa Para la linealización de las contribuciones de las fuerzas A(w) y B(w) = matriz de masa adherida y de amortigua- viscosas se empleó un estado de mar definido por el miento, las cuales son dependientes de la fre- espectro de Pierson-Moskowitz con altura de ola signi- cuencia ficante Hs de 10 m y periodo pico Tp igual a 12 s. Adicio- C = matriz de rigidez debida a la rigidez hidros- nalmente, para la obtención de los espectros de potencia tática y al sistema de amarre y las respuestas máximas más probables, para una loca- F(w) = vector de fuerzas debidas al oleaje, viento y lización en el Golfo de México, se utilizaron 18 espec- corriente oceánica 8 I ngeniería I nvestigación y T ecnología , volumen XXII (número 3), julio-septiembre 2021: 1-21 ISSN 2594-0732 FI-UNAM
https://doi.org/10.22201/fi.25940732e.2021.22.3.017 Reyes-Casimiro María, Félix-González Iván, Perea Tiziano Teoría de oleaje lineal Es importante mencionar que en este estudio no se toma en cuenta el sistema de amarre, debido a que el Se requiere determinar el potencial de velocidad Ф per- estudio está enfocado a evaluar el efecto de las varia- teneciente a la región del fluido. Esto se satisface con la bles de diseño del casco en la respuesta de la semisu- ecuación 4, ecuación de Laplace (Sarpkaya, 2010): mergible y que está dominada por la misma geometría del casco, por eso únicamente se consideran los grados ∂ 2Φ ∂ 2Φ de libertad que están directamente dominados por la 2 0 + 2 = (4) ∂x ∂z geometría del casco como son el movimiento vertical (arfada), el giro alrededor del eje x (balanceo), y el giro alrededor del eje y (cabeceo). La cual está sujeta a las condiciones de frontera descri- Como se muestra en la Figura 6 este tipo de sistemas tas por las ecuaciones 5 y 6 (Sarpkaya, 2010): cuentan con seis grados de libertad de los cuales tres de ellos son movimientos traslacionales (avance-retroceso, ∂Φ deriva y arfada) y los tres restantes son movimientos = 0 para z = - d (5) ∂z rotacionales (balanceo, cabeceo y guiñada). En este es- tudio solo son considerados los que se encuentran prin- ∂h ∂Φ ∂h ∂Φ cipalmente dominados por la geometría del casco + - = 0 para = z h (6) ∂t ∂x ∂x ∂z (balanceo, cabeceo y arfada). A partir de la ecuación de movimiento se obtienen los operadores de amplitud de respuesta conocidos Al considerar una ola senoidal de frecuencia w como se como RAOs, los cuales son funciones de transferencia muestra en la Figura 7 y tomar el eje x en dirección per- que describen la respuesta de una estructura en olas re- pendicular para la cresta de la ola y en dirección de la gulares de amplitud unitaria sobre un rango de fre- propagación, se tiene además una superficie libre per- cuencias. La amplitud de la respuesta se normaliza turbada como se presenta en la ecuación 7 (Brebbia & respecto a la amplitud de la ola, que puede ser calcula- Walker, 1979). da de acuerdo con la ecuación 3 (Faltinsen, 1990), don- de F0 es la amplitud del complejo de fuerza de excitación h (x,t) = h (x) eiwt (7) lineal por altura de ola. Donde h es la solución unidimensional de la ecuación de Helmholtz, la cual se presenta en la ecuación 8 (Bre- F0 RAO(w ) = (3) bbia & Walker, 1979). c - [ M + A(w )]w 2 + iB(w )w ∂ 2h + K 2h = 0 (8) ∂x 2 Figura 6. Grados de libertad de un sistema flotante (adaptada de DNV- RP-C103, 2005) I ngeniería I nvestigación y T ecnología , volumen XXII (número 3), julio-septiembre 2021: 1-21 ISSN 2594-0732 FI-UNAM 9
https://doi.org/10.22201/fi.25940732e.2021.22.3.017 Efecto de la geometría del casco de plataformas semisumergibles de producción en su respuesta hidrodinámica Figura 7. Ola lineal o de Airy (Brebbia & Walker, 1979) La elevación tiene una solución armónica tal como la Cabe señalar que, en aguas profundas dicha relación ecuación 9 (Brebbia & Walker, 1979). puede considerarse como se muestra en la ecuación 15 (Brebbia & Walker, 1979). h (x) = a0e-ikt (9) w2 = gk (15) Donde k es el número de la ola, el cual se obtiene de la ecuación 10 (Brebbia & Walker, 1979). Esto debido a que la tanh kd tiende a 1 para valores grandes de kd. Lo cual aplica para aguas profundas. Por lo tanto, el tirante de agua puede considerarse pro- 2π k= (10) funda, si la profundidad es más de la mitad de la longi- λ tud de la ola. Considerando el número de ola se tiene la ecuación 11 Descripción de los modelos numéricos (Brebbia & Walker, 1979). Para cada uno de los modelos que se analizaron se ge- h (x, t) = a0e-i(kx - wt) (11) neraron los archivos correspondientes al modelo de pa- neles y al modelo de Morison como se muestra en la La ecuación 11 representa una ola lineal de Airy de am- Figura 8 y 9, respectivamente. plitud a0 viajando en dirección x con una velocidad de En los análisis hidrodinámicos realizados se utilizó fase o celeridad c, dada por la ecuación 12 (Brebbia & el modelo compuesto, el cual es un modelo hidrodiná- Walker, 1979). mico adecuado para estructuras que constan de ele- mentos esbeltos y de gran volumen. Para considerar los c = w / k (12) efectos viscosos, las columnas y pontones se represen- tan con un modelo de Morison y para obtener las fuer- Utilizando las condiciones de frontera de la superficie zas de difracción, masa adherida y amortiguamiento libre linealizada, se puede escribir el potencial de velo- por radiación se representan por un modelo de paneles. cidad de movimiento mediante la ecuación 13 (Brebbia Las fuerzas hidrodinámicas en un modelo compues- &Walker, 1979). to se calculan a partir de la teoría del potencial para el modelo de panel y de la ecuación de Morison para el modelo de Morison. Las fuerzas de excitación hidrodi- g - i ( k x -wt ) cos cosh[h[kk( z(z++dd])] i a0 e -(k x -wt ) Φ( x , z , t ) = (13) námicas y las matrices de masas y de amortiguamiento w cosh(hk( dk)d) cos de ambos modelos se combinan para resolver la ecua- ción de movimiento para el modelo compuesto. Y la relación de dispersión vincula la frecuencia con el La cinemática de ola aplicada en la ecuación de Mori- número de ola, como se muestra en la ecuación 14 (Bre- son puede tomarse del campo de ola incidente o se pue- bbia &Walker, 1979). de especificar que dependa del campo de ola difractada generado al resolver el problema de difracción para la w2 = gk tan h kd (14) parte del modelo de paneles en el modelo compuesto. 10 I ngeniería I nvestigación y T ecnología , volumen XXII (número 3), julio-septiembre 2021: 1-21 ISSN 2594-0732 FI-UNAM
https://doi.org/10.22201/fi.25940732e.2021.22.3.017 Reyes-Casimiro María, Félix-González Iván, Perea Tiziano Figura 8. Modelo tipo panel Figura 9. Modelo tipo Morison Cálculo de las respuestas extremas Para el caso de la variación del calado para los tres diferentes modelos que se presentan, el periodo es de En esta sección se muestran los espectros de potencia aproximadamente 12 s donde se encuentran los puntos (siendo este el producto de la función de transferencia máximos, como se puede observar en la Figura 11. Ade- al cuadrado por el espectro del oleaje |RAO (w)|2· S (w)) más de que la máxima ordenada del espectro de poten- de algunas respuestas. Es importe mencionar que estos cia se reduce si el calado disminuye. se calculan para las diferentes respuestas (arfada, cabe- Por otro lado, se puede observar una tendencia más ceo, balanceo, aceleraciones, fuerzas y momentos), las estable para el caso del espectro de potencia para la res- siete direcciones de oleaje, para cada uno de los espec- puesta en cabeceo cuando se varía el ancho de la colum- tros de oleaje considerados, los cuales se mencionan en na, como se muestra en la Figura 12, al disminuirse el la sección de análisis hidrodinámico. En la Figura 10 se ancho de la columna se incrementa el periodo asociado muestra el espectro de potencia de la respuesta de arfa- a la máxima ordenada espectral, así como el valor de la da cuando se varía el ancho de la columna, para el vo- máxima ordenada espectral. Lo mismo sucede al variar lumen de producción de 150 MBD, no existe una el valor del calado como se muestra en la Figura 13, los tendencia respecto al periodo. Sin embargo, se observa valores en la máxima ordenada espectral para la res- una reducción en el espectro de potencia en el rango de puesta de cabeceo disminuyen al aumentar el calado y 15 a 20 s y los picos máximos se presentan cercanos a solo se observa una ligera variación en el periodo entre los 15 s cuando el ancho de la columna se incrementa. cada uno de ellos. Además de que el valor del periodo se acerca más a 12 s. Figura 10. Espectro de potencia para la dirección de oleaje a 0° Figura 11. Espectro de potencia para la dirección de oleaje a 0° en arfada variando el ancho de columna en arfada variando el calado I ngeniería I nvestigación y T ecnología , volumen XXII (número 3), julio-septiembre 2021: 1-21 ISSN 2594-0732 FI-UNAM 11
https://doi.org/10.22201/fi.25940732e.2021.22.3.017 Efecto de la geometría del casco de plataformas semisumergibles de producción en su respuesta hidrodinámica Figura 12. Espectro de potencia para la dirección de oleaje a 0° Figura 14. Operador de amplitud de respuesta del movimiento en cabeceo variando el ancho de columna en arfada para el volumen de producción de 100 MBD Figura 13. Espectro de potencia para la dirección de oleaje a 0° Figura 15. Operador de amplitud de respuesta del movimiento en cabeceo variando el calado en arfada para el volumen de producción de 150 MBD Discusión de resultados En las Figuras 14, 15 y 16 se muestran los operadores de amplitud de respuesta de arfada para la dirección de oleaje a 0°, para los tres volúmenes de producción con- siderados. En estas figuras el eje horizontal correspon- de a los periodos del oleaje de 3 a 35 s y el eje vertical corresponde al valor del operador de amplitud de res- puesta. Los resultados presentados son para los cuatro anchos de columna considerados, los cuales están divi- didos en cuatro grupos que se diferencian por el tipo de línea, además, también se varía el calado por lo que cada grupo está conformado de tres líneas. Si se compa- ran los resultados de estas tres gráficas se puede obser- Figura 16. Operador de amplitud de respuesta del movimiento var lo siguiente: en términos del valor máximo del RAO en arfada para el volumen de producción de 200 MBD 12 I ngeniería I nvestigación y T ecnología , volumen XXII (número 3), julio-septiembre 2021: 1-21 ISSN 2594-0732 FI-UNAM
https://doi.org/10.22201/fi.25940732e.2021.22.3.017 Reyes-Casimiro María, Félix-González Iván, Perea Tiziano en arfada, correspondiente al periodo natural en arfada variaciones en el periodo y que además para los volú- para las semisumergibles con volúmenes de produc- menes de producción de 100 y 150 MBD no existe una ción de 100 y 200 MBD, se encuentra por encima de los relación tan directa si el calado incrementa, o no necesa- 5 m/m. Mientras que para el volumen de producción de riamente, la amplitud en los operadores de respuesta 150 MBD el pico máximo se encuentra por debajo de los incrementan como se puede observar en las Figuras 29 5 m/m. y 30. Mientras que en la Figura 31 si se cumple que al En términos de valor mínimo del RAO en arfada incrementar el calado la magnitud del movimiento se para el caso del volumen de producción de 100 MBD se incrementa. encuentra por encima de los 2 m/m. Sin embargo, para En las Figuras 32 a 34 se muestran los RAOs en arfa- los volúmenes de producción de 150 y 200 MBD este da con la variación considerada en este trabajo de la al- valor se encuentra por debajo de los 2 m/m. En el caso tura de las columnas para los tres volúmenes de del RAO en cabeceo para los tres volúmenes de produc- producción, se observa que no existe influencia alguna ción el valor mínimo está por encima de los 2°/m. debido a que, si se varia la altura y se mantienen las Por otro lado, en las Figuras 17, 18 y 19 se presentan otras variables de estudio, la amplitud y el periodo son los RAOs, pero únicamente la influencia que tiene el los mismos. ancho de la columna, como se observa al incrementar el ancho de la columna donde existe un corrimiento en el periodo. Sin embargo, si las demás variables se conser- van y lo que se varia es el calado, el periodo se conserva, pero se modifica su amplitud debido a que al incremen- tar el calado la magnitud se incrementa como se puede observar en las Figuras 20, 21 y 22. En las Figuras 23, 24 y 25 se muestran los RAOs del movimiento en cabeceo para diferentes anchos de co- lumna y calados, los cuales se distinguen por el tipo de línea. Sin embargo, para poder observarlo de manera más fácil, en las Figuras 26 a la 28 se muestra únicamen- te la influencia que tiene la variación del ancho de la columna y el comportamiento es similar a lo que pasa con el movimiento en arfada, ya que al incrementar el ancho de la columna existe un corrimiento en el perio- do. Sin embargo, al variar el calado no tiene el mismo Figura 18. Operador de amplitud de respuesta del movimiento comportamiento que ocurre en el movimiento de arfa- en arfada para el volumen de producción de 150 MDB: da, donde el periodo se conserva debido a que existen influencia del ancho de la columna Figura 17. Operador de amplitud de respuesta del movimiento Figura 19. Operador de amplitud de respuesta del movimiento en arfada para el volumen de producción de 100 MDB: en arfada para el volumen de producción de 200 MDB: influencia del ancho de la columna influencia del ancho de la columna I ngeniería I nvestigación y T ecnología , volumen XXII (número 3), julio-septiembre 2021: 1-21 ISSN 2594-0732 FI-UNAM 13
https://doi.org/10.22201/fi.25940732e.2021.22.3.017 Efecto de la geometría del casco de plataformas semisumergibles de producción en su respuesta hidrodinámica Figura 20. Operador de amplitud de respuesta del movimiento Figura 23. Operador de amplitud de respuesta del movimiento en arfada para el volumen de producción de 100 MBD: de cabeceo para el volumen de producción de influencia del calado 100 MBD Figura 21. Operador de amplitud de respuesta del movimiento Figura 24. Operador de amplitud de respuesta del movimiento en arfada para el volumen de producción de 150 MBD: de cabeceo para el volumen de producción de influencia del calado 150 MBD Figura 22. Operador de amplitud de respuesta del movimiento Figura 25. Operador de amplitud de respuesta del movimiento en arfada para el volumen de producción de 200 MBD: de cabeceo para el volumen de producción de influencia del calado 200 MBD 14 I ngeniería I nvestigación y T ecnología , volumen XXII (número 3), julio-septiembre 2021: 1-21 ISSN 2594-0732 FI-UNAM
https://doi.org/10.22201/fi.25940732e.2021.22.3.017 Reyes-Casimiro María, Félix-González Iván, Perea Tiziano Figura 26. Operador de amplitud de respuesta del movimiento Figura 29. Operador de amplitud de respuesta del movimiento de cabeceo para el volumen de producción de 100 MBD: de cabeceo para el volumen de producción de 100 MBD: influencia del ancho de la columna influencia del calado Figura 27. Operador de amplitud de respuesta del movimiento Figura 30. Operador de amplitud de respuesta del movimiento de cabeceo para el volumen de producción de 150 MBD: de cabeceo para el volumen de producción de 150 MBD: influencia del ancho de la columna influencia del calado Figura 28. Operador de amplitud de respuesta del movimiento Figura 31. Operador de amplitud de respuesta del movimiento de cabeceo para el volumen de producción de 200 MBD: de cabeceo para el volumen de producción de 200 MBD: influencia del ancho de la columna influencia del calado I ngeniería I nvestigación y T ecnología , volumen XXII (número 3), julio-septiembre 2021: 1-21 ISSN 2594-0732 FI-UNAM 15
https://doi.org/10.22201/fi.25940732e.2021.22.3.017 Efecto de la geometría del casco de plataformas semisumergibles de producción en su respuesta hidrodinámica En las Figuras 35 a 37 se muestran los resultados de los operadores de amplitud de respuesta en arfada de los tres volúmenes de producción, variando la distancia entre columnas y fijando las variables de estudio res- tantes. Como se observa, la influencia de la separación entre columnas afecta en la magnitud de la amplitud, pero no incrementa de manera proporcional con el au- mento en la distancia entre columnas, debido a que esta no solo altera la masa adherida, sino que además modi- fica el amortiguamiento al variar dicha dimensión, así como las fuerzas de excitación debidas al oleaje, lo cual también influye en el cálculo de la amplitud. En las Figuras 38 a 40 se presentan los resultados de los operadores de amplitud de respuesta variando el Figura 32. Operador de amplitud de respuesta en arfada para el ancho del pontón, como se puede observar existe un in- volumen de producción de 100 MBD: influencia de la altura de cremento en el periodo al incrementar el ancho del pon- la columna tón, lo cual era de esperarse, además se presenta una variación en la amplitud. Sin embargo, no se muestra una tendencia directamente proporcional debido a que también el amortiguamiento se ve modificado y por ende este afecta el valor de la magnitud en la amplitud del RAO. Finalmente, de la Figura 41 a la 43 se presentan los resultados de los operadores de respuesta en arfada va- riando la altura del pontón, como se observa para el volumen de producción de 100 MBD. Al incrementar la altura del pontón se presenta un aumento en el perio- do, mientras que la amplitud decrece al aumentar la altura del pontón. Sin embargo, para el volumen de producción de 150 y 200 MBD no se observa esa misma tendencia que se tiene en el volumen de producción de 100 MBD, lo que podría deberse a que existe un aumen- Figura 33. Operador de amplitud de respuesta en arfada para el to en las dimensiones del pontón debido a que el peso volumen de producción de 150 MBD: influencia de la altura de de la cubierta también se incrementa. la columna Adicionalmente, se calcularon las respuestas máxi- mas más probables (MPMR) que ocurren dentro de un intervalo de tiempo de respuesta máxima Nc y está aproximadamente dada por la ecuación 16. 1/2 MPM = 2σ x 1 - ε 2 ⋅NC (16) R En caso de un espectro de banda angosta (es decir, ε = 0), la respuesta máxima más probable se calcula con la ecuación 17. MPM R = 2σ x lnNS (17) Figura 34. Operador de amplitud de respuesta en arfada para el volumen de producción de 200 MBD: influencia de la altura de la columna 16 I ngeniería I nvestigación y T ecnología , volumen XXII (número 3), julio-septiembre 2021: 1-21 ISSN 2594-0732 FI-UNAM
https://doi.org/10.22201/fi.25940732e.2021.22.3.017 Reyes-Casimiro María, Félix-González Iván, Perea Tiziano Figura 35. Operador de amplitud de respuesta en arfada para Figura 38. Operador de amplitud de respuesta en arfada para el el volumen de producción de 100 MBD: influencia de la volumen de producción de 100 MBD: influencia del ancho del separación entre columnas pontón Figura 36. Operador de amplitud de respuesta en arfada para Figura 39. Operador de amplitud de respuesta en arfada para el el volumen de producción de 150 MBD: influencia de la volumen de producción de 150 MBD: influencia del ancho del separación entre columnas pontón Figura 37. Operador de amplitud de respuesta en arfada para Figura 40. Operador de amplitud de respuesta en arfada para el el volumen de producción de 200 MBD: influencia de la volumen de producción de 200 MBD: influencia del ancho del separación entre columnas pontón I ngeniería I nvestigación y T ecnología , volumen XXII (número 3), julio-septiembre 2021: 1-21 ISSN 2594-0732 FI-UNAM 17
https://doi.org/10.22201/fi.25940732e.2021.22.3.017 Efecto de la geometría del casco de plataformas semisumergibles de producción en su respuesta hidrodinámica Donde: Ns = número de cruces por cero en el estado de mar a corto plazo. Bajo condiciones de banda angosta, el número por cruces por cero Ns = número de máximos de la respuesta Nc = término σx = desviación estándar de la respuesta ε = parámetro de ancho espectral El número de cruces por cero, Ns, se determina con la ecuación 18 como la relación de la duración del estado de mar a corto plazo, Ds, entre el periodo de respuesta medio de cruces por cero, Tx (DNV Manual, 2007). Figura 41. Operador de amplitud de respuesta en arfada para el volumen de producción de 100 MBD: influencia de la altura NS = DS / Tx (18) del pontón En la Figura 44 se muestran las respuestas máximas más probables (MPMR) del desplazamiento en arfada de 12 diferentes modelos de plataformas, las cuales se identifican de la siguiente manera: L85B18H40D20BP12HP12, L85B18H40D22BP12HP12, L85B18H40D24BP12HP12, L85B20H40D20BP12HP12, L85B20H40D22BP12HP12, L85B20H40D24BP12HP12, L85B22H40D20BP12HP12, L85B22H40D22BP12HP12, L85B22H40D24BP12HP12, L85B24H40D20BP12HP12, L85B24H40D22BP12HP12 y L85B24H40D24BP12HP12. Como se puede observar, únicamente se muestra la va- riación del ancho de la columna y el calado conservan- do las variables de diseño restantes fijas. Además, se obtiene el valor máximo de las MPMR de los 18 espec- tros de oleaje y las siete direcciones de incidencia de Figura 42. Operador de amplitud de respuesta en arfada para oleaje consideradas llegando a un total de 126 valores el volumen de producción de 150 MBD: influencia de la altura de MPMR. En el eje x se presenta el calado, el eje y co- del pontón rresponde al ancho de la columna y el eje z representa la amplitud de la MPMR. Como se puede observar el valor máximo de la MPMR se tiene cuando se combina un calado de 24 m y un ancho de columna de 24 m. Además se aprecia que al incrementar el calado y man- tener el ancho de columna de 18 m se tiene la amplitud de la MPMR más pequeña de los modelos comparados. La tendencia que se observa es que al incrementar el ancho de la columna y el calado la amplitud de la MPMR aumenta. En la Figura 45 se muestran las respuestas máximas más probables (MPMR) del desplazamiento del movi- miento de cabeceo. Se utilizaron los mismos modelos que se presentaron en la Figura 44, así como los valores máximos de los 18 espectros de oleaje y las siete direc- ciones de incidencia del oleaje consideradas, llegando a Figura 43. Operador de amplitud de respuesta en arfada para un total de 126 valores de MPMR. El eje x representa el el volumen de producción de 200 MBD: influencia de la altura calado, el eje y corresponde al ancho de la columna y el del pontón 18 I ngeniería I nvestigación y T ecnología , volumen XXII (número 3), julio-septiembre 2021: 1-21 ISSN 2594-0732 FI-UNAM
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