XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica Sociedad Mexicana de Ingeniería Geotécnica, A.C. Noviembre 14 a 16, 2012 – Cancún, Quintana Roo Empleo de pilotes faldón en el diseño de plataformas marinas fijas Use of skirt piles in the design of fixed offshore platforms Prócoro BARRERA1, Francisco FLORES1, Alejandro BAHENA1 y Sergio RENOVATO2 1Instituto 2Pemex Mexicano del Petróleo, D.F., México Exploración y Producción, Ciudad del Carmen, Campeche, México RESUMEN: La gran mayoría de las plataformas, instaladas en la Sonda de Campeche, se han diseñado a base de pilotes principales, alojados en el interior de las columnas de la subestructura; los diámetros de los pilotes de cimentación, se determinan en función de la resistencia del terreno, el tirante del agua, las cargas gravitacionales y ambientales. En este trabajo se presenta un arreglo de pilotes faldón de cinco (5) plataformas de perforación a ser instaladas en la Sonda de Campeche, del Activo Integral Ku-Maloob-Zaap, Región Marina Noroeste, localizadas en una profundidad de aproximadamente 120 metros. Se estudia la respuesta estructural de la cimentación, diseñada a base de doce (12) pilotes faldón, hincados cien (100) metros por debajo del lecho marino, la definición del arreglo óptimo de pilotes faldón, se analizaron pilotes faldón inclinados y pilotes verticales, haciendo énfasis en las ventajas y desventajas de cada arreglo. Como parte del diseño de la cimentación se analiza la secuencia de hincado, con la finalidad de optimizar los tiempos de utilización de embarcaciones costa fuera, determinándose que los pilotes verticales facilitan la instalación de la plataforma, a pesar de requerirse mayores diámetros para limitar los desplazamientos laterales de la estructura. ABSTRACT: The vast majority of the platforms, installed in the Campeche Bay, are designed to base main pile, housed inside the columns of the substructure. The diameters of the foundation piles are a function of ground resistance, water depth, gravity and environmental loads. This paper presents an array of skirt piles of five (5) drilling platforms to be installed in the Campeche Bay, of the Integral Active Ku-Maloob-Zaap, at Northwest of the Campeche Bay, located at a depth of 120 meters. It study the structural response of the foundation, designed on the basis of twelve (12) skirt piles, which are drive to hundred (100) feet below the seabed, the definition of the optimal arrangement of skirt piles were analyzed inclined skirt piles and vertical skirt piles, emphasizing the advantages and disadvantages of each arrangement. As part of the foundation design is discussed the driving sequence, in order to optimize utilization time’s offshore vessels, determining that the vertical piles facilitate installation of the platform, although larger diameters required limiting the displacements side of the structure. 1 ANTECEDENTES Pemex, Exploración y Producción (PEP) para compensar la caída de presión del campo Cantarell, ha iniciado su incursión hacia la explotación de hidrocarburos en zonas donde la profundidad del agua es mayor, haciendo necesario el empleo de infraestructura más compleja. El uso de plataformas fijas en aguas de mayor profundidad involucra mayores retos a la ingeniería costa fuera; tales como, la definición de datos meteorológicos y oceanográficos a emplear en la determinación de las solicitaciones ambientales de diseño y la respuesta estructural del sistema ante las combinaciones de carga más adversas, el control de los desplazamientos laterales de la plataforma durante su operación, la definición de datos y requerimientos de ingeniería de instalación de más pesadas subestructuras y superestructuras, entre otros. La gran mayoría de las plataformas, instaladas en la Sonda de Campeche, se han diseñado a base de pilotes principales, alojados en el interior de las columnas de la subestructura; los diámetros de los pilotes de cimentación, se determinan en función de la resistencia del terreno, la profundidad del agua, las cargas gravitacionales y ambientales. En este trabajo se presenta un arreglo de pilotes faldón de cinco (5) plataformas de perforación a ser instaladas en la Sonda de Campeche, del Activo Integral Ku-Maloob-Zaap, Región Marina Noroeste, localizadas en una profundidad de aproximadamente 120 metros. Se estudia la respuesta estructural de la cimentación, diseñada a base de doce (12) pilotes faldón, hincados cien (100) metros por debajo del lecho marino; para la definición del arreglo óptimo de pilotes faldón, se analizaron pilotes faldón inclinados SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C. 2 Empleo de pilotes faldón en el diseño de plataformas marinas fijas y pilotes verticales, haciendo énfasis en las ventajas y desventajas de cada arreglo. Como parte del diseño de la cimentación se analiza la secuencia de hincado, con la finalidad de optimizar los tiempos de utilización de embarcaciones costa fuera. unos elementos estructurales en su extremo inferior, comúnmente conocidos como faldones. Se pueden tener varios pilotes faldón por cada pierna (ver Figura 2). Los pilotes faldón pueden tener inclinación diferente a la inclinación de las piernas de la estructura, pudiendo llegar a ser verticales. 2 CIMENTACIONES MARINAS A BASE DE PILOTES Una alternativa en el diseño de cimentaciones en plataformas marinas, adicional al uso de pilotes principales (pilotes en el interior de las piernas de la subestructura), son los pilotes faldón. En ambos casos para dar solución a la cimentación de la plataforma, la superestructura no presenta variaciones importantes en cuanto a su estructuración; no así la subestructura que se ve afectada por el diámetro de los pilotes cuando éstos van dentro de las columnas y son independiente cuando en el diseño se utilizan pilotes faldón. 2.1 Pilotes principales Estos pilotes se insertan dentro de las piernas de la subestructura y generalmente se diseñan por tramos que durante la instalación van siendo soldados hasta alcanzar la profundidad de diseño. Cada pilote ya hincado tiene un tramo que queda por dentro de las piernas de la subestructura que sobresale en su extremo superior, por arriba de la superficie marina (ver Figura 1a). Después del hincado de los pilotes, la subestructura se une en su extremo superior a los pilotes por medio de soldadura, es decir, los pilotes quedan encamisados o enchaquetados dentro de las columnas principales de la subestructura. La transferencia de cargas de la estructura a los pilotes se realiza de la siguiente manera. Las cargas gravitacionales de la superestructura se transmiten al suelo marino directamente a través de los pilotes. Las cargas laterales como son las generadas por el viento, corriente y oleaje generan una carga horizontal y un momento de volteo que son absorbidos por la subestructura y posteriormente son transmitidos a los pilotes, como cargas axiales. (a) (b) Figura 1. (a) Plataforma marina con pilotes principales y (b) con pilotes faldón. 2.2 Pilotes faldón En el diseño de la cimentación a base de pilotes faldón se tiene una distribución de cargas en el sistema estructural diferente. Aquí los pilotes son unidos a la subestructura en la parte inferior, y la superestructura se une directamente con la subestructura (ver Figura 1b). Esto implica que la conexión pierna-pilote sea de muy alta importancia puesto que es el único elemento que transmite las cargas de toda la estructura a los pilotes. Las cargas gravitacionales laterales pasan por la subestructura antes de transmitirse a los pilotes y al suelo. Las piernas ya no contienen a los pilotes, y la subestructura deja de tomar el nombre de “jacket”, y son conocidas como “tipo torre”. Estas torres tienen (a) (b) Figura 2. Esquema de conexión pierna-pilote, con dos pilotes faldón. 2.2.1 Pilotes faldón verticales vs inclinados Una ventaja de los pilotes verticales es que la operación del martillo es más eficiente; en cambio cuando el pilote tiene cierta pendiente, parte de éste se recarga en la subestructura, provocando fricción y pérdida de energía. Sin embargo el usar pilotes faldón con cierta inclinación tiene la ventaja de SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C. BARRERA P. et al. transmitir como carga axial parte de la carga lateral, reduciendo fuertemente los desplazamientos laterales, aunque implica un proceso de instalación e hincado más elaborados y de mayor tiempo. En la Figura 3 se muestran esquemáticamente los pilotes faldón inclinados y verticales de una plataforma. 3 flexión que hacen que algunas secciones del pilote requieran aceros de mayor espesor o resistencia. Considerando las propiedades mecánicas del suelo in situ y la geometría del pilote se realiza el análisis de hincado dinámico del mismo, el cual tiene por objeto definir la energía necesaria para vencer la resistencia al hincado del pilote hasta la penetración de diseño. (ver Figura 4). (a) (b) Figura 3. (a) Esquema de pilotes faldón inclinados y (b) pilotes faldón verticales. Como ya se dijo, la desventaja de los pilotes faldón verticales sobre los pilotes inclinados es que las cargas laterales se transmiten exclusivamente al suelo de cimentación como fuerza cortante, mientras que si el pilote tiene cierta pendiente, parte de la carga lateral es canalizada al suelo como carga axial, lo que favorece la respuesta estructural. 2.3 Consideraciones de diseño Como se mencionó anteriormente, las diferencias para el diseño de los pilotes principales con respecto a los pilotes faldón tienen un impacto en el diseño de la subestructura. Una vez que ha sido definida la geometría de los pilotes principales, el diámetro de las piernas queda fijo. Por ejemplo en el caso de que las cargas verticales o de oleaje cambien durante el proceso de análisis se requerirá de una mayor capacidad en el sistema de cimentación requiriendo de un mayor diámetro de los pilotes y por consiguiente el aumento en el diámetro de las columnas de la subestructura, implicando un aumento en la pantalla que se opone al paso de las corrientes y oleaje y por ende el incremento en las fuerzas laterales. En el caso de los pilotes faldón, el diámetro de los pilotes no rige el diámetro de las piernas, teniéndose la ventaja de que entre menor sea el diámetro de las columnas, menores serán las fuerzas hidrodinámicas que se generen por el empuje de las corrientes y el oleaje. Adicionalmente, se verifica que los esfuerzos inducidos por el peso del martillo durante su colocación en la cabeza de cada tramo de pilote, sean menores a los establecidos en la normatividad para el diseño de pilotes, API RP 2A-WSD. Este punto es crítico para el diseño de los pilotes faldón verticales, dado que tendrán que ser diseñados en solo tramo, pudiendo llegar a ser muy largos, implicando la generación de grandes momentos de Figura 4. (a) Ejemplo de análisis de hincado dinámico de un pilote. 2.3.1 Construcción e instalación de los pilotes La instalación de pilotes principales inclinados produce también grandes momento flexionantes por la longitud que sobresale de la subestructura y la suma de los pesos del martillo y el peso propio del tramo de pilote, este inconveniente elimina reduciendo la longitud del tramo, aumentando es espesor o aumentando la resistencia del acero. Este factor es más crítico en el diseño de pilotes faldón porque cada pilote es construido en un solo tramo y los momentos generados serán absorbidos por mayores espesores o mayor resistencia en el acero. Para todo el proceso de instalación y nivelación de los pilotes faldón se requerirá del soporte de equipos mecánicos (ROV’s), ya que la mayoría de las maniobras y conexiones se realizan bajo el agua y se hace difíciles por no decir imposibles, las maniobras de instalación por parte de buzos. El emplear pilotes faldón facilita el procedimiento de nivelación comparado con el uso de pilotes principales inclinados, puesto que los pilotes principales con pendiente, dificultan la nivelación de la subestructura una vez que se han sido hincado los pilotes; lo cual no sucede col los pilotes faldón aunque éstos sean inclinados, dado que permite rango de movimiento mayor de la subestructura. En la conexión del pilote faldón con la subestructura se colocan aditamentos mecánicos para nivelar y realizar la conexión cementada entre la subestructura y los pilotes; los sistemas utilizados son operados bajo el agua en forma remota. En el SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C. 4 Empleo de pilotes faldón en el diseño de plataformas marinas fijas interior de la conexión, se tiene una membrana y empaque de huele que impiden la contaminación de la lechada de la conexión con el suelo del fondo marino. Otro elemento a considerar es el anillo de sujeción temporal de la subestructura, este elemento permite mantener nivelada la subestructura mientras se lleva a cabo el fraguado de la lechada. 2.4 Conexión pilote/estructura La conexión de los pilotes principales y la subestructura es por medio de soldadura en el punto de trabajo (arriba de la superficie marina), el realizar esta conexión soldadura fuera del agua facilita el control de la calidad de la conexión. En el caso de los pilotes faldón la conexión siempre se realiza bajo el agua y esta puede ser cementada, mediante la inyección de lechada de alta resistencia a la compresión en el espacio anular entre el pilote y la camisa, o bien deformando plásticamente el pilote desde interior hacia la camisa, hasta lograr un ensanchamiento en su diámetro contra la ranuras de la camisa del pilote faldón. En la camisa del pilote faldón se colocan aditamentos mecánicos para nivelar y realizar la conexión entre la subestructura y los pilotes; los sistemas utilizados son operados bajo el agua en forma remota., tales como la membrana y el empaque que evitan la contaminación de la lechada e impiden su fuga, así también el anillo de sujeción temporal (gripper), que permite conectar temporalmente el pilote a la estructura para la nivelación. Los sujetadores o grippers (Figura 4) son utilizados temporalmente ya que proporcionan un medio para fijar momentáneamente la subestructura a los pilotes mientras se realiza el fraguado de la conexión cementada. La conexión pilote-pierna es de suma importancia en el funcionamiento de este tipo de estructuras ya que este debe garantizar la transferencia de cargas de la estructura a los pilotes, es por ello que para su diseño se requiere de análisis mediante modelos numéricos tridimensionales como lo es el método de elementos finitos. Esto con el fin de revisar la transferencia de esfuerzos entre el acero de la camisa, el cementado en el espacio anular entre la camisa y el pilote, y el pilote mismo. 3 DISEÑO DE PLATAFORMAS CON PILOTES FALDÓN 3.1 Introducción El sitio de instalación se localiza a 130 km al noroeste de Cd. del Carmen, en un tirante de agua de 121 metros. Buscando satisfacer la demanda nacional, es necesario desarrollar infraestructura nueva, que incluya instalaciones y condiciones adecuadas para la producción y manejo del crudo extra pesado en este campo. Con base e esto PEMEX decidió desarrollar cinco plataformas de perforación a ser instaladas en diferentes campo de la Sonda de Campeche, localizadas en una profundidad de aproximadamente 120 metros. 3.2 Descripción general de las estructuras El sistema estructural considera una plataforma fija tipo octópodo de acero, conformada por cuatro componentes principales: (a) cimentación, conformada a base de doce pilotes faldón, (b) subestructura, conformada por ocho columnas en forma de pirámide truncada, (c) superestructura, constituida por ocho columnas distribuidas en marcos longitudinales y transversales, y (d) accesorios estructurales, de subestructura y superestructura. Figura 4. Ejemplo de anillos de sujeción temporal (www.oilstate.com) La cimentación está conformada por doce pilotes tipo faldón de sección tubular de punta abierta; dos pilotes se conectan en cada una de las columnas de esquina y un pilote se conecta en cada una de las columnas interiores. Las “camisas” de los pilotes faldón se conectan a la subestructura desde la elevación (-)109 m hasta la elevación (-)121.00m, aproximadamente. SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C. BARRERA P. et al. 5 La subestructura contará con ocho columnas de acero estructural, dispuestas en cuatro marcos transversales y dos longitudinales, las columnas de esquina de los ejes 1 y 4, tendrán doble pendiente 1:8 y las columnas de los ejes 2 y 3 tendrán una inclinación sencilla 1:8. Los accesorios estructurales fueron considerados únicamente como cargas gravitacionales en el modelo. 3.3 Análisis estructural de las plataformas Para evaluar el comportamiento de las estructuras con cimentaciones a base de pilotes faldón verticales, se llevaron a cabo análisis, tanto para la condición de tormenta extrema, como para la condición de operación. El análisis estructural estático lineal, de operación y tormenta, se realizó a través de un modelo integrado por cimentación, subestructura y superestructura, tomando en consideración cargas gravitacionales, fuerzas de viento, corriente y oleaje. El comportamiento no lineal del suelo lo toma en cuenta a través de la modelación de elementos desarrollados a partir de los datos contenidos en los estudios geotécnicos de los sitios. Se generaron 72 combinaciones de carga, a partir de condiciones básicas de acciones gravitacionales y ambientales, 24 para condiciones de operación, considerando dos posiciones de la torre de perforación y 24 para condiciones de tormenta, también considerando dos posiciones de la torre de perforación. Debido a que las normas de PEMEX (NRF0032007) tiene limitados los parámetros de diseño para condiciones de viento, corriente y oleaje a tirantes de agua menores a los 100 m, los datos meteorológicos y oceanográficos se tomaron de un estudio de riesgo y confiabilidad estructural de plataformas marinas realizado por el IMP (2011) y de manera complementaria se tomaron en consideración las Prácticas Recomendadas para la Planeación, Diseño y Construcción de Plataformas Marinas Fijas (API, edición 21). 3.3.1 Información geotécnica Los parámetros del análisis y diseño de los pilotes fueron obtenidos a partir de los datos de estudios geotécnicos realizados en los sitios de estudio. En esta localidad se encuentran depósitos de arcilla calcárea de muy blanda a firme como se presenta en la Figura 5. La resistencia al esfuerzo cortante de estos suelos varía de 2.5 kPa en la superficie del lecho marino hasta 162.0 kPa a la profundidad máxima de exploración (122.5 m). Los contenidos de humedad de estos suelos varían entre 40 y 60%. Con base en los datos obtenidos del estudio geotécnico, se generaron las curvas de capacidad de carga axial en tensión (Figura 6a) y compresión (Figura 6b) para pilotes de 1.83 m, 1.93 m y 1.98 m (72, 76 y 78 pulgadas) de diámetro. Figura 5. Perfil estratigráfico empleado en los análisis Figura 6. Curvas de capacidad axial (a) en tensión y (b) en compresión. 3.3.2 Comparación de los resultados entre pilotes inclinados y verticales. Se realizaron los análisis de operación y tormenta y los análisis de hincabilidad estática de los pilotes SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C. 6 Empleo de pilotes faldón en el diseño de plataformas marinas fijas tanto verticales como inclinados. Se llevó acabo un análisis paramétrico de los pilotes para determinar las longitudes de penetración y los diámetros de los pilotes, se analizaron tres diámetros distintos (72, 76 y 78 pulgadas) para ambos tipos de pilotes, verticales e inclinados. Para la comparación de los resultados, se emplearon pilotes inclinados con una longitud de penetración en el lecho marino de 98 m y diámetros de 1.83 m. En el caso de los pilotes verticales se emplearon pilotes de 1.98 m de diámetro y 89 m de longitud de penetración en el lecho marino. En la Figura 7 se presenta una comparación de los desplazamientos laterales máximos en función de la profundidad bajo el lecho marino; se tiene que los desplazamientos máximos en la cabeza del pilote son mayores en los pilotes verticales (12.3 cm) que en los pilotes inclinados (5.6 cm). Con lo que se observa un mejor comportamiento estructural de los pilotes inclinados. sin embargo es claro que no se permiten grandes desplazamientos de la estructura ya que esto puede resultar en una sensación de inseguridad por parte de los operadores de la plataforma, así como algún inconveniente en las conexiones de los equipos que se encuentren operando, ya que pudieran sufrir algún daño debido a los movimientos de la superestructura. Figura 8. Momentos flexionantes máximos en función de la profundidad. Figura 7. Desplazamientos laterales máximos en función de la profundidad. Las Figuras 8 y 9 presentan los momentos flexionantes y los cortantes en los pilotes en función de la profundidad bajo el lecho marino, Teniéndose magnitudes mayores en los pilotes verticales. Con estas figuras se corrobora que los elementos mecánicos son mayores en los pilotes faldón verticales, haciendo que se requieran secciones de acero más robustas e inclusive el uso de aceros especiales. Los desplazamientos laterales máximos en la superestructura son de 25 cm y 35 cm con pilotes faldón, inclinados y verticales. En la Figura 10 se muestra la deformada de la estructuras para la condición más crítica. En Las normas mexicanas no se tiene un límite permisible en cuanto a desplazamientos laterales de la estructura se refiere, Figura 9. Cortantes máximos en función de la profundidad En la Figura 11 se muestran esquemáticamente la distribución de secciones de los pilotes verticales e SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C. BARRERA P. et al. se propusieron secciones con menor espesor para los pilotes inclinados. Por hincabilidad, los pilotes verticales de la misma longitud que los inclinados generan menos momentos de flexión, además de que requieren de equipos de hincado menos pesados. La instalación de pilotes faldón inclinados, requiere de mayores maniobras costa fuera haciendo más costosa su aplicación, por lo que es recomendable el uso de pilotes verticales. Se recomienda que para tirantes de agua mayores a los 60 m se aplique la tecnología de los pilotes faldón, dado que es posible el uso de pilotes de gran diámetro para reducir los movimientos laterales y acortar su longitud; así como evitar el uso de columnas de la subestructura de diámetros de grandes magnitudes para eliminar la formación de grandes pantallas que tiendan a generar grandes fuerzas de corriente y oleaje. ´ inclinados con los cuales la plataforma cumple con los criterios de seguridad establecidos en las normas aplicables. Se observa que debido a los elementos mecánicos del análisis de operación y tormenta, y los análisis de hincado estático y dinámico, se calcularon secciones de dimensiones mayores en los pilotes verticales con lo cual su volumen de material y como consecuencia su costo de elaboración es mayor, con respecto a los pilotes inclinados. Sin embargo, debido a que durante la instalación de los pilotes verticales se consume menor tiempo de instalación, puesto que se realiza en una sola maniobra del barco grúa, a diferencia de los pilotes inclinados, los cuales son hincados empleando guías en las plantas de arriostramiento de la subestructura y la ayuda de pilotes seguidores, requiriendo de un mayor tiempo del barco instalación, que es sumamente costoso, debido a esto se recomienda el empleo de pilotes faldón verticales. Esta recomendación no siempre será valida ya que para tirantes de agua un tanto menores posiblemente se requieran menor número de guías y longitudes de pilotes seguidores que pudieran hacer más viable el empleo de pilotes faldón inclinados, sabiendo que estos proporcionan un mejor comportamiento estructural de la plataforma. 7 (a) (b) (c) Figura 10. (a) Plataforma original, deformada de la estructura con pilotes (b) inclinados y (c) verticales 4 CONCLUSIONES De acuerdo con los análisis aquí expuestos sobre plataformas cimentadas base de pilotes faldón verticales e inclinados, se encontró que los pilotes inclinados realizan una mejor función de transferencia de cargas entre la estructura y los pilotes, teniéndose desplazamientos menores que para el caso de pilotes verticales (diferencia de 6.7 cm en la línea de lodos), asimismo los desplazamientos de la superestructura fueron menores para los pilotes inclinados. En cuanto a esfuerzos por momentos flexionantes y fuerzas cortantes se determinó que éstos fueron menos críticos en los pilotes inclinados que en los pilotes verticales, por lo que (a) (b) Figura 11. Esquemas de distribución de secciones en pilotes (a) inclinados y (b) verticales 5 REFERENCIAS API RP-2A WSD Instituto Americano del Petróleo, "Prácticas Recomendadas para Planeación, Diseño y Construcción de Plataformas Marinas Fijas – Diseño por Esfuerzos de Trabajo", EDICIÓN 21, Diciembre de 2000, con erratas y SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C. 8 Empleo de pilotes faldón en el diseño de plataformas marinas fijas suplemento 1 diciembre 2002, erratas y suplemento 2, octubre2005. Instituto Mexicano del Petróleo (2011). Estudio de Riesgo No. A-F.27892-1815-31-RCE-AYATSIL (2011), “Riesgo y Confiabilidad Estructural de Plataformas Marinas Fijas Aligeradas. Plataformas en Ayatsil”. NRF-003-PEMEX-2007, “Diseño y Evaluación de Plataformas Marinas Fijas en el Golfo de México” . GRLWEAP (2005). “Wave Equation Analysis of Pile Driving”, Pile Dynamic Inc. SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.