Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
RECUPERACIÓN DE PLATAFORMAS MARINAS DE ACERO TIPO JACKET
Noé Arnulfo Inzunza Apodaca1, José Luis Morales Contreras2, Valentin López Dionisio3,
Dante Campos4
RESUMEN
El objetivo de este trabajo es mostrar un método y su aplicación en la recuperación de plataformas marinas de
acero fijas tipo “jacket,” utilizadas en la explotación petrolera. Se analizan diferentes alternativas para
recuperar una plataforma existente, izarla y colocarla sobre la barcaza para transportarla hacia los patios de
fabricación en tierra, para la adecuación y rehabilitación de la estructura, el traslado de la estructura hacia su
nueva ubicación y finalmente, su instalación en la nueva posición.
ABSTRACT
This paper presents a method and its application for recovering of fixed steel marine platforms used in oil
exploitation. Different alternatives are analyzed for recovering, lifting and planning the platform on the barge
and then transporting it toward the fabrication yards, for structure adjustment and rehabilitation its
transportation to a new location and finally, its installation in a new position.
INTRODUCCIÓN
Estos trabajos surgen de la necesidad de instalar plataformas marinas en nuevos campos de explotación,
aprovechando aquellas estructuras instaladas en la Sonda de Campeche que han dejado de prestar servicio en
áreas en dónde ha declinado la producción petrolera. Se realizan los procedimientos necesarios para llevar a
cabo la recuperación de una plataforma marina fija de perforación tipo octápodo de 1,700 toneladas de peso
ubicada en un tirante de 34 m, la cual se pretende sea transportada a los patios de fabricación, rehabilitada y
adecuada para instalarla en un nuevo campo con un tirante de 26 m. Para ello se determina el estado
estructural actual de la plataforma marina en su posición original mediante diferentes análisis estructurales,
entre los cuales se encuentran el análisis por oleaje y cargas gravitacionales en condiciones de operación y
tormenta, denominado Análisis en Sitio, así como el análisis dinámico espectral de fatiga, para determinar el
daño acumulado en las juntas tubulares de la subestructura de la plataforma debido a las cargas cíclicas
producidas por el oleaje durante el tiempo que ésta ha estado instalada en el mar. Adicionalmente, se realizan
los análisis de izaje por separado de la superestructura y subestructura con la finalidad de determinar las
condiciones de refuerzo en caso de ser necesarios y de esta manera recuperar, colocar y fijar las estructuras
sobre la barcaza. En el caso de la subestructura es necesario regresarla al agua para posicionarla e izarla
1
Ingeniero Especialista, Instituto Mexicano del Petróleo, Av. Periferica Norte No 75 Esq. calle 35-B,
Col. San Agustín del Palmar, C.P. 24118, Ciudad del Carmen, Campeche. Teléfono (938) 12049;
[email protected]
2
Ingeniero Especialista, Instituto Mexicano del Petróleo, Eje Central Lázaro Cárdenas no. 152, Col.
San Bartolo Atepehuacan, C.P. 07730 México, D.F. Teléfono: (55)9175-7874; [email protected]
3
Líder de Proyecto, Instituto Mexicano del Petróleo, Av. Periferica Norte No 75 Esq. calle 35-B, Col.
San Agustín del Palmar, C.P. 24118, Ciudad del Carmen, Campeche. Teléfono (938) 12049;
[email protected]
4
Programa de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Aguas Profundas, Instituto Mexicano del
Petróleo, Eje Central Lázaro Cárdenas no. 152, Col. San Bartolo Atepehuacan, C.P. 07730 México,
D.F. Teléfono: (55)9175-7874; [email protected]
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Acapulco, Gro., 2004
horizontalmente, para finalmente colocarla sobre la barcaza y que sea transportada a los patios de fabricación
ubicados en tierra. Esto implica realizar análisis de descarga de la estructuras de la barcaza al patio de
fabricación localizado en tierra.
Adicional a los análisis estructurales anteriores, es necesario realizar para la plataforma en su nueva ubicación
el análisis de oleaje y cargas gravitacionales, el análisis de fatiga espectral dinámico, el análisis sísmico por
resistencia última (método incremental de fuerzas), el análisis de carga del patio de fabricación a la barcaza
tanto de la superestructura y subestructura y el análisis de transportación para llevar las estructuras al nuevo
campo en donde será instalada. Para la instalación de la plataforma es necesario realizar los análisis
“convencionale”de izaje de la subestructura y superestructura, de posicionamiento vertical (debido a que la
estructura se transporta en forma horizontal sobre la barcaza) y los análisis de hincado de pilotes.
EVALUACIÓN DE LA PLATAFORMA EN SU POSICION ORIGINAL
ANALISIS EN SITIO
Como primer paso se realiza el análisis estructural en sitio de la plataforma marina de perforación tipo
octápodo en su posición original con el único propósito de determinar las condiciones estructurales que
guarda dicha plataforma de acuerdo a recomendaciones proporcionadas en la norma de referencia NRF-003PEMEX-2000 para Diseño y Evaluación de Plataformas marinas fijas en la Sonda de Campeche y con el
API-RP-2A-WSD edición 20, American Petroleum Institute Recommended Practice for Planning, Designing
and Constructing Fixed Offshore Platforms, Working Stress Design y de esta manera determinar la
factibilidad técnica de recuperación e instalación de la misma en un campo de producción específico dentro
de la Sonda de Campeche.
Datos de la Estructura
La plataforma de perforación es una estructura fija tipo “jacket” instalada en el año de 1980 en un tirante de
34.14 m respecto al N.M.M. Su estructura esta formada por dos marcos longitudinales (ejes A y B), y cuatro
transversales (ejes 1,2,3 y 4). La superestructura esta formada por dos cubiertas con elevaciones +20.748 m y
+15.850 m. La subestructura esta constituida por ocho piernas de 1.333 m (52.5 pulgadas) de diámetro, cuatro
niveles de arriostramiento horizontal en las elevaciones +3.658 m, -8.534 m, -22.250 m y –34.138 m (ver
figura 1). La cimentación de la plataforma esta constituida por 8 pilotes de 1.219 m (48 pulgadas) de diámetro
hincados a una profundidad promedio de 98.15 m (322 pies) por debajo del lecho marino.
Figura 1.- Vista Isométrico del modelo estructural de la plataforma
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Categoría de Exposición, Datos Oceanográficos y Meteorológicos
De acuerdo con la tabla 9.1 (categorización de las estructuras principales) de la norma NRF-003-PEMEX2000 y considerando que la plataforma actualmente se encuentra fuera de operación, la estructura se clasifica
en la categoría de exposición ALTA. Los parámetros meteorológicos y oceanográficos asociados a la altura
de ola en condición de tormenta (altura de ola H=15 m), se obtuvieron de la tabla A.3 del Apéndice A de la
misma norma de referencia, en tanto que los parámetros asociados a la altura de ola en condición de operación
(H=7.30 m) se obtuvieron de la tabla B.3 del Apéndice B.
Cargas Gravitacionales
En la tabla 1 se muestra un resumen de las cargas gravitacionales consideradas en el análisis en sitio en
condiciones de operación.
Tabla 1.- Resumen de cargas gravitacionales consideradas
DESCRIPCIÓN
PESO( Ton)
Carga viva en cubierta superior - Carga viva en área de equipos
387.62
Carga viva en cubierta inferior
250.94
Carga viva en escaleras de subestructura
3.06
Carga viva en pasillos de subestructura
Carga muerta en cubierta superior
9.07
67.34
Carga muerta en cubierta inferior
34.28
Bomba de succión
Pedestal de grúa
3.05
50.00
Cuarto de control
12.00
Filtros FG-1300 A,B,C,D y E.
87.50
Caseta de herramientas
2.00
Paquete de dosificación PA-1325, PA-1323 y PA-1321
45.00
Paquete de dosificación PA-1324 y PA-1322
30.00
Paquete de dosificación PA-1326 y PA-1327
30.00
Paquete de Aire
18.50
Patín de válvulas de estrangulamiento
2.00
Presa de lodos y tanque combustible
80.00
Presa de lodos
60.00
Tanque de almacenamiento de agua potable
15.00
Unidad de Alta
14.00
Unidad de potencia
6.00
Total =
1,207.36
Cargas Ambientales
Cargas de oleaje
Las fuerzas de oleaje y corriente se determinaron con el programa SACS con base en un análisis estático de
ola, utilizando la teoría “Stream Function” de 7o orden para la condición de tormenta y la teoría “Stream
Function” de 5o orden para la condición de operación. La selección de la teoría de oleaje fue con base en la
fig. 2.3.1-3 del API RP-2A-WSD, edición 20. Para el cálculo de este tipo de fuerzas se tomó en cuenta el
crecimiento marino indicado en la norma de referencia NRF-003-PEMEX-2000, asimismo, se aplico el factor
de reducción de carga de oleaje de 0.90 de acuerdo a lo indicado en la misma norma.
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Se usaron los coeficientes de arrastre y de inercia fueron seleccionados de acuerdo a la sección 12.1.2 de la
norma a la sección 2.3.1b-7 del API RP-2A-WSD Edición 20. Para tomar en cuenta el efecto de dispersión
direccional, se consideró un factor cinemático de ola de 1.0 para condiciones de operación y de 0.85 para
condiciones de tormenta según la sección 12.1.2 de la misma norma de referencia. Se aplicaron los factores de
bloqueo de corriente iguales a 0.70, 0.80 y 0.85 en las dos direcciones ortogonales y una diagonal
recomendado según la sección 2.3.1b-4 del API RP-2A-WSD, edición 20, y un factor de 0.70 para el efecto
de pantalla por el arreglo de los 12 conductores.
Cargas de viento
Las fuerzas de viento sobre los módulos y equipo existentes sobre la cubierta con elevación +20.748 m, se
determinaron mediante el programa SACS, considerando una pantalla que simula las áreas proyectadas de los
equipos, utilizando un coeficiente de forma CS =1.5 y las velocidades de viento descritas en la norma de
referencia NRF-003-PEMEX-2000 para la condición de operación y de tormenta.
Análisis Estructural
El modelo estructural fue generado por medio del módulo Precede del programa SACS, en el cual se creó un
modelo tridimensional en donde se detallaron las secciones y elementos estructurales existentes de la
superestructura, subestructura, conductores y pilotes. La modelación de los elementos no-estructurales tuvo
como objetivo la determinación de las fuerzas laterales de viento, oleaje y corriente que inciden en ellos, las
cuales contribuyen a incrementar el empuje lateral al cual se somete la subestructura de la plataforma. Se
consideraron los siguientes elementos como no-estructurales:
- Doce conductores de 30 pulgadas de diámetro.
- Seis defensas, tres de ellas ubicadas en el eje A y tres en el eje B.
- Dos atracaderos, ubicados en los ejes A y B respectivamente.
- Un ducto ascendente de 20 pulgadas de diámetro.
90°
45°
135°
0°
180°
270°
225°
315°
Figura 2.- Direcciones de análisis consideradas
Resultados
El análisis estructural de la plataforma se efectuó mediante un análisis estático con el programa SACS, el cual
efectúa un análisis del comportamiento de todos los elementos estructurales en condición de operación y
tormenta; así mismo, realiza una revisión de esfuerzos en los elementos estructurales y en las juntas tubulares
de acuerdo con las especificaciones del API RP-2A-WSD, edición 20. La plataforma fue analizada en
condiciones de operación y de tormenta considerando ocho direcciones de incidencia del oleaje, corriente y
viento para cada condición, según se muestra en la figura 2.
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Los resultados obtenidos de los análisis en sitio muestran que la superestructura y la subestructura, cumplen
con las recomendaciones establecidas tanto por la norma de referencia NRF-003-PEMEX-2000 Diseño y
Evaluación de Plataformas Marinas Fijas en la Sonda de Campeche, como con el American Petroleum
Institute, “Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms –
Working Stress Design”, (RP 2A-WSD), Edición 20, para las condiciones de carga de operación y tormenta
consideradas en este análisis estructural.
Respecto a la estabilidad y resistencia de los elementos estructurales que conforma la plataforma, así como de
la cimentación, se encontró que todos los elementos estructurales cumplen satisfactoriamente las
recomendaciones de la norma de referencia y de el API RP 2A-WSD, Edición 20.
ANALISIS DINÁMICO ESPECTRAL DE FATIGA
Se realizó un análisis dinámico espectral de fatiga con cargas de oleaje de operación con la finalidad de
determinar el daño acumulado de las juntas tubulares de la subestructura en su ubicación original dentro de la
Sonda de Campeche. Para ello se uso el programa SACS ver 5.1, el cual permite evaluar el comportamiento
dinámico de la plataforma ante acciones de cargas cíclicas de oleaje.
Los parámetros meteorológicos y oceanográficos asociados al análisis por fatiga fueron aquellos
recomendados por la norma de referencia NRF-003-PEMEX-2000 tabla C-1 en donde se describen la
distribución anual de las condiciones normales (altura de la ola significante y periodo pico espectral), así
como su distribución media. La información relativa a 16 direcciones de oleaje se concentró para el análisis
de fatiga en 8 direcciones principales (Este, Noreste, Norte, Noroeste, Oeste, Suroeste, Sur y Sureste).
En la figura 3 se muestra el comportamiento de dirección del oleaje contra la fracción de ocurrencia para las
ocho direcciones consideradas en este análisis de fatiga, se observa que las direcciones dominantes son: sur
(S), suroeste (SW) y oeste (W).
WR 45°(N)
WR 0°(NE)
WR 90°(NW)
FRACC. DE OCURRENCIA DE TIEMPO
0.30
0.25
WR 135°(W)
0.20
WR 315°(E)
DIRECCION Vs
OCURRENCIA
0.15
0.10
WR 270°(SE)
0.05
NW
W
SW
S
SE
E
NE
N
0.00
WR 180°(SW)
WR = Respuesta de oleaje “wave response”
DIRECCION
WR 225°(S)
Figura 3.- Dirección de oleaje contra fracción de
Ocurrencia
Figura 4.- Direcciones utilizadas para
el análisis por fatiga
Cargas Consideradas
Se consideraron solamente los efectos debido a las cargas de oleaje bajo condiciones de operación. Las
solicitaciones de cargas gravitacionales y ambientales extremas (tormenta invernal y de 100 años) no se
toman en cuenta; tampoco se consideran las cargas debidas al efecto de la corriente. Las cargas
gravitacionales de la estructura fueron consideradas únicamente para determinar las masas útiles en el análisis
dinámico de la plataforma. Entre las cargas verticales que se utilizaron para el cálculo de las masas están el
peso propio, las cargas muertas, las cargas vivas y de equipo sobre la cubierta; las cuales se consideran que
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permanecerán durante la vida útil de la plataforma. Las cargas de oleaje se determinaron con base en un
análisis dinámico espectral y para ello se uso la teoría de oleaje de Airy para el cálculo de las fuerzas se tomó
en cuenta el crecimiento marino duro indicado en la norma de referencia NRF-003-PEMEX-2000. Los
coeficientes de arrastre y de inercia fueron obtenidos de las recomendaciones proporcionadas por el API RP2A-WSD (Edición 20) en su sección de fatiga (5.2.2).
Análisis Dinámico Modal
Para realizar el análisis espectral dinámico de fatiga es necesario determinar las formas modales de la
estructura, para ello se considerando las masas debidas al peso propio de la estructura, la carga viva, carga de
equipo así como las masas adheridas y el agua atrapada en los elementos estructurales correspondientes. Para
el cálculo de las formas modales se consideraron las cargas vivas de operación. Los tres periodos
fundamentales de vibración fueron de de 1.15 seg en al dirección longitudinal, de 1.04 seg en la dirección
transversal y de 0.89 seg en torsión.
Análisis Estructural por Fatiga
Se realizó el análisis de fatiga espectral dinámico considerando la acumulación de daño de acuerdo a la
ecuación de Palmgren Miner. Se consideró una vida de servicio de la estructura de 20 años. Se uso un factor
de seguridad de 2 según el API (RP-2A-WSD) edición 20, de tal manera que la vida para la revisión de la
plataforma fue de 40 años. Para determinar el número de ciclos que resistirá cada junta en función de la
variación del intervalo de esfuerzos (curva S-N), se uso la curva S-N designada por X´ en la sección 5.4 del
API-RP-2A-WSD.
Para el cálculo del Factor de Concentración de Esfuerzos (FCE) en los puntos críticos (hot spots), se uso la
teoría de Efthymiou. Se empleo la formulación de Pierson–Moskowitz para los espectros de oleaje y para la
función de distribución de energía de la ola, la cual esta definida por una función coseno elevada a la n
potencia se utilizó n=2.
La modelación de los elementos no-estructurales tuvo como objetivo el considerar su efecto en la vida útil por
fatiga de las juntas de la subestructura, para ello los siguientes elementos no estructurales fueron
considerados:
- Ocho defensas de plataforma en cada pierna
- Dos atracaderos
- Un ducto ascendente de 20 pulgadas de diámetro y doce conductores
Se considera como fecha de inicio para las juntas tubulares la fecha de instalación de la subestructura:31 de
diciembre de 1979.
Resultados
Se encontraron 17 juntas tubulares cuyas vidas útiles están por debajo de los 20 años. Las juntas 107, 113,
187 y 193 se encuentran ubicadas en el nivel -34.128 m (nivel lecho marino) y corresponden a las columnas
en los ejes A2, A3, B2 y B3.
Las juntas 128 y 167 se ubican sobre el eje 2 cerca de la zona de conductores (ver figura 5). Las juntas 287 y
250 se encuentran ubicadas en el nivel -22.250 m, la primera corresponde a la columna B2 y la segunda se
encuentra en el eje 2 junto a la zona de conductores, ver figura 5.
Las juntas 301, 307, 319, 387 y 399 se encuentran en el nivel -8.534 m y corresponden a las columnas en los
ejes A1, A2, A4, B2 y B4 respectivamente, (ver figura 6). Por último, sobre el nivel +3.658 se encuentran
ubicadas las juntas 419, 493 y 499 que corresponden a las piernas en A4, B3 y B4, tal como se indica en las
figuras 6 y 7.
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Es importante mencionar que las diecisiete juntas arriba mencionadas se cotejaron con los reportes de
inspección (incluyendo el reporte del 2002) y no se encontraron grietas ni daños aparentes.
Las juntas tubulares 167, 128, 193, 187, 107, 113 se encuentran ubicadas en la planta elevación -34.138 m
(lecho marino) no son de importancia ni requieren inspeccionarse una vez que se efectué la recuperación de la
subestructura; esto debido a que esta planta será removida y desechada porque la subestructura se empleará
para un tirante de agua menor (26.00 m) en la nueva ubicación.
PLATAFORMA DE PERFORACION
ANALISIS DE FATIGA
XY PLANE VIEW AT -34.14
EFT 2.0
EFT 23.1
PLATAFORMA DE PERFORACION
EFT = EFTHYMIOU SCF
12.8 = 12.8 AÑOS (SVC LIFE)
ANALISIS DE FATIGA
EFT = EFTHYMIOU SCF
12.8 = 12.8 AÑOS (SVC LIFE)
XY PLANE VIEW AT -22.25
EFT 17.8
EFT 8.4
EFT 12.4
EFT 10.2
EFT 3.2
SUBESTRUCTURA NIVEL -34.138 M
SUBESTRUCTURA NIVEL -22.250 M
Figura 5.- Juntas tubulares con años de vida menores a 25 años de las plantas en las elevaciones
-34.138 m y -22.250 m
PLATAFORMA DE PERFORACION
PLATAFORMA DE PERFORACION A
ANALISIS DE FATIGA
XY PLANE VIEW AT -8.53
EFT = EFTHYMIOU SCF
12.8 = 12.8 AÑOS (SVC LIFE)
ANALISIS DE FATIGA
EFT = EFTHYMIOU SCF
12.8 = 12.8 AÑOS (SVC LIFE)
EFT 14.1
EFT 23.7
EFT 9.8
EFT 21.9
EFT 23.4
EFT 15.5
EFT 19.9
EFT 10.9
EFT 25.0
EFT 14.1
EFT 23.7
EFT 10.5
EFT 20.4
EFT 12.5
EFT 10.1 EFT 20.1
EFT 21.3
EFT 14.2
SUBESTRUCTURA EJE A
SUBESTRUCTURA NIVEL -8.534 M
Figura 6.- Juntas tubulares con años de vida menores a 25 de las juntas, planta en elev. -8.534 m y
en el eje A
PLATAFORMA DE PERFORACION
ANALISIS DE FATIGA
EFT 24.2
EFT = EFTHYMIOU SCF
12.8 = 12.8 AÑOS (SVC LIFE)
EFT 18.3
EFT 18.3
EFT 12.3
EFT 18.1
EFT 12.8
EFT 19.4
EFT 8.1
EFT 15.5
EFT 6.8
EFT 24.3
SUBESTRUCTURA EJE B
Figura 7.- Juntas tubulares con años de vida menores a 25 años, subestructura eje B
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RECUPERACION DE LA PLATAFORMA DE PERFORACION
RECUPERACIÓN DE LA SUPERESTRUCTURA
El proceso de recuperación de una plataforma de este tipo contempla como una de sus primeras etapas el
retiro de la superestructura en el sitio, proceso que consiste en cortar la superestructura en la conexión del
punto de trabajo, izar la estructura y colocarla y fijarla a la barcaza para su transportación a los patios de
mantenimiento. Para llevar acabo esta etapa del proceso de recuperación, es necesario izar la estructura
mediante eslingas, la conexión de los cables de acero a la superestructura se hará mediante el uso de las orejas
de izaje existentes. Durante este proceso, la estructura se ve sometida a un nivel de esfuerzos de importancia
considerable en zonas muy localizables, para determinarlos se realiza un análisis estático de izaje. Este
análisis permite determinar este nivel de esfuerzos y como afecta a la estructura de manera global y local.
Consideraciones Generales
Se asume que antes de realizar cualquier maniobra de izaje la plataforma se encuentra deshabitada, que no
tiene equipo alguno sobre la misma y que los conductores ya se han retirado. Para realizar la de recuperación
de esta superestructura en particular y considerando que la superestructura, la subestructura y los pilotes se
transportarán en una sola barcaza a los patios de fabricación, se deberá contar con los siguientes apoyos:
1.- Una barcaza plana con trabes correderas y sin propulsión propia de 91.44 m de eslora, 27.43 m de manga y
6.10 m de puntal (300’ x 90’ x 20’), con características hidrostáticas muy similares a las indicadas en los
análisis de transportación.
2.- Un barco grúa con capacidad mínima de 1200 ton métricas, esto debido a que se considera que una vez
que se concluya la desinstalación de la superestructura, se procederá inmediatamente con el retiro de la
subestructura utilizando la misma grúa.
Trabajos Preliminares
Levantamientos en Campo
Previo a cualquier maniobra de izaje es necesario realizar una serie de estudios de campo, los cuales se
mencionan a continuación:
1.- Levantamiento estructural.- Se hará un levantamiento estructural de todos los elementos que conforman la
superestructura, donde se determinen tanto las dimensiones, las secciones y espesores de dichos elementos,
los cuales se cotejarán con los usados en los modelos matemáticos empleados para los análisis.
2.- Levantamiento de localización general.- Se hará un levantamiento de todos los equipos, tuberías y
estructuras secundarias con que cuenta en la actualidad la superestructura.
3.-Inspección de orejas de izaje.- Se procederá a realizar una inspección detalla del estado de conservación de
cada una de la orejas de izaje, haciendo especialmente énfasis en el estado que guarda la conexión de la oreja
con la columna de las superestructura. Se recomienda el uso de la prueba de ultrasonido en la soldadura de las
juntas de unión entre la columna y la oreja de izaje para verificar que cumpla con los criterios de aceptación
de acuerdo a la especificación AWS (American Welding Society) sección D1.1 última edición. Durante la
realización de esta inspección deberá realizarse un análisis comparativo entre la información que existe sobre
las orejas de izaje en los planos de construcción y lo encontrado físicamente en campo.
En el Patio de Fabricación
Independientemente de los levantamientos en campo, en el patio de fabricación se podrán iniciar los trabajos
para fabricar lo siguiente:
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1.- Los elementos de reforzamiento temporales para izaje y transportación que se soldarán a la superestructura
antes de izarla y en caso de requerirse a la subestructura una vez que ésta se encuentra sobre la barcaza. Las
dimensiones de los elementos temporales a adicionar dependerán de los resultados de los análisis estructurales
realizados (izaje, transportación y descarga al patio de fabricación).
2.- El marco de arrastre de la superestructura, el cual deberá instalarse sobre la barcaza para poder recibir la
superestructura una vez que se retire de la subestructura. Es importante observar que los conos de
acoplamiento deberán ir soldados al marco de arrastre para poder recibir la superestructura una vez izada.
3.- Los seguros marinos, la mesa de estrobos y los arriostramientos horizontales para la piernas de la
superestructura, de igual forma se deben de examinar las eslingas, estrobos y grilletes deben ser examinados
por un técnico especialista antes de ser usadas, quién debe verificar los certificados correspondientes y su
registro histórico de izajes.
Secuencia de Izaje
Posicionamiento del Barco Grúa, Barcaza y Sujeción de la Superestructura
Una vez generado todo los necesario para las maniobras de izaje, el reforzamiento de la superestructura y se
hayan revisado y en caso de ser necesario, reforzadas las orejas de izaje, se podrá empezar la maniobra de
izaje de la superestructura, para ello se debe de posicionar el barco grúa y la barcaza adecuadamente y
después sujetar la superestructura con la finalidad de cortar las piernas y de esta manera poder separarla de la
subestructura. El corte de las piernas de la superestructura se hará a una distancia de 45.70 cm arriba del punto
de trabajo (conexión pierna-pilote); utilizando para este fin el método de arco eléctrico/carbón. Una vez
iniciado el corte de las piernas no deberá soltarse la superestructura por ningún motivo. Los pasos antes
mencionados se muestran en la figura 8.
Izaje y Colocación de la Superestructura sobre la Barcaza
Una vez que se han cortado las ocho piernas se procede a izar la superestructura y colocarla sobre el chalán
(de acuerdo al arreglo indicado en los planos de transportación generados para ello), donde previamente ya se
ha colocado el marco de arrastre, sobre el cual se colocará la superestructura.
Una vez colocada la estructura se iniciará la colocación de los seguros marinos. Ver secuencia mostrada en la
figura 9.
Figura 8.- Posicionamiento del barco y colocación de elementos temporales de izaje y transportación
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Figura 9.- Secuencia para la recuperar la superestructura y posicionarla sobre la barcaza.
RECUPERACIÓN DE LA SUBESTRUCTURA
Para realizar la recuperación de la subestructura y girarla horizontalmente para colocarla sobre la barcaza se
analizaron dos opciones:
Opción 1.- Utilizar un barco grúa con capacidad de al menos 1200 ton métricas para un radio de giro de 46 m
para izar la estructura en forma vertical y un remolcador para ayudar a girar la subestructura cuando ésta se
regresa al agua una vez que se le han aplicado los trabajos en la barcaza que se mencionan más adelante.
Opción 2.- Utilizar dos barcos grúa, uno con capacidad de al menos 1200 ton métricas para un radio de giro
de 46 m para izar y sujetar la subestructura en forma vertical y otro con capacidad de al menos 500 ton
métricas para extraer los pilotes cuando. La subestructura se girará con la ayuda de las grúas principales de
ambos barcos.
En este documento solo te describirá la segunda opción de recuperación.
Consideraciones Generales
a).- Se dispone de un barco grúa con autopropulsión con un gancho principal con capacidad de al menos 1200
ton métricas, un gancho secundario con capacidad 300 ton métricas y un barco grúa con un gancho principal
con capacidad de 500 ton métricas.
b).- La barcaza contará con los arreglos previos necesarios para apoyar temporal y definitivamente la
subestructura durante los trabajos sobre la barcaza tal como los candeleros y las vigas correderas.
c).- Una vez que la subestructura es sujetada con el gancho principal de la grúa, en ningún momento deberá
soltarse la subestructura excepto cuando ésta se ha posicionado horizontalmente sobre el mar y se realiza el
cambio de esligas de izaje vertical a los muñones de izaje horizontal; en este caso se sujetará la subestructura
con la ayuda del gancho auxiliar del barco grúa principal mientras se efectúa el cambio de las eslingas.
d).- La barcaza deberá contar con un sistema de lastrado propio y suficiente para nivelar en todo momento la
superficie de carga introduciendo y/o retirando agua entre compartimientos, de tal forma que no se alcancen
balanceos, cabeceos y hundimientos que pongan en riesgo la carga.
Izaje Vertical Primera Etapa
a).- Trabajos preliminares.- Para posicionar adecuadamente la subestructura en forma horizontal sobre la
barcaza es indispensable que se retiren las defensas y el atracadero del eje A antes de que se inicien las
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maniobras de izaje, así mismo, se requiere que se inspeccionen y en caso de ser necesario se refuercen (de
acuerdo a los planos generados para ello) las orejas de izaje vertical de la subestructura con la finalidad de
garantizar su integridad estructural.
b).-Trabajos durante la maniobra.- Para llevar a cabo la primera etapa de izaje vertical de la subestructura
es necesario realizar los pasos que a continuación se describen:
1.- Sin sujetar la subestructura con el gancho principal de la grúa, socavar mediante algún método hidráulico ó
mecánico a 1981 mm por debajo de la línea de lodos en cada pierna con la finalidad de dejar al descubierto el
lugar donde se cortarán los pilotes.
2.- Cortar los cuatro pilotes exteriores y los dos pilotes interiores A-2 y B-3 a una distancia de 305 mm por
debajo del muñón de la subestructura.
3.- Cortar por medio del método de arco eléctrico/carbón la conexión pierna-pilote en los cuatro pilotes
exteriores y los pilotes interiores A-2 y B-3 a una distancia de 305 mm por debajo del muñón de la
subestructura.
4.-Con la ayuda del barco grúa se extraen los pilotes de esquina y los pilotes interiores A-2 y B-3 y se colocan
sobre la barcaza (ver figura 10).
Figura 10.-Corte y extracción de los pilotes
5.-Una vez extraídos los pilotes arriba mencionados, se coloca el marco de izaje para sujetar a la subestructura
y procede a cortar los pilotes interiores restantes.
6.- Cortados los pilotes interiores restantes se procede al izaje de la subestructura para colocarla sobre la
barcaza en posición vertical. La subestructura se apoyará en las cuatro piernas interiores sobre cuatro
candeleros previamente instalados en el patio de fabricación; estos candeleros servirán además como tapas de
sello para las piernas una vez que se retiren los pilotes interiores restantes (ver figura 10a y 10b).
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Figura 10 a.- Izaje de la subestructura.
Figura 10 b.- Izaje vertical de la subestructura para colocarla sobre la barcaza
c).-Trabajos en la barcaza.- Con la finalidad de disminuir cargas y no sobre esforzar los elementos de la
subestructura durante la transportación al patio de fabricación, además de cumplir con la normatividad
vigente; durante los análisis de recuperación es necesario realizar los siguientes trabajos una vez que la
subestructura se ha izado en forma vertical y se ha posicionado sobre la barcaza:
1.- Cortar la conexión pierna-pilote (corona) en los piernas interiores A-3 y B-2 de la línea de lodos mediante
el método de arco eléctrico/carbón de igual forma que pilotes descritos en la etapa anterior.
2.- Adicionar las tapas de sello a las ocho piernas.
3.- Retirar el crecimiento marino, corrosión y alguna otra partícula adherida de las piernas de de los ejes A-2,
A-3, B-2 y B-3, el crecimiento marino de las vigas correderas y de los puntos de conexión del sistema de
anclaje mediante seguros marinos de la subestructura a la barcaza. Para evitar problemas durante el
posicionamiento horizontal, se deberá de retirar el marco de izaje usado para recuperar la subestructura,
asimismo, es necesario retirar la madera existente de la cuna de deslizamiento, para ello la barcaza deberá
contar con los arreglos de madera y sistema anclaje a la misma para recibir la cuna sobre las trabes correderas.
Esto último deberá hacerse previamente durante los trabajo en los patios de fabricación y servirá para permitir
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Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
la reutilización de la cuna de deslizamiento. Para realizar una perfecta limpieza de acuerdo a las normas y
especificaciones aplicables, se deberá hacer uso de limpieza con chorro de arena (sand blast) que garantice
una superficie perfectamente limpia.
14”x0.500” para
ejes A y B
20”x0.500” para
ejes A y B
Figura 11.-Detalles de conexión de la subestructura posicionada en forma vertical sobre la barcaza
4.- Adicionar los elementos de arriostramiento en caso de ser necesarios, para en esta plataforma en particular,
fue necesario colocar dos arriostramientos horizontal en las elevaciones -8.534 y -22.550 m de los marcos A y
B (ver figura 14). Estos reforzamientos serán permanentes y formarán parte del diseño definitivo de la
plataforma en el nuevo campo.
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Izaje Vertical Segunda Etapa
Una vez que se le han aplicado a la subestructura todos los trabajos sobre la barcaza, se inicia la maniobra de
izaje vertical segunda etapa para regresar la estructura al agua y posicionarla horizontalmente. La secuencia
indicada en la figura 12 es producto del análisis de posicionamiento horizontal, en este caso realizado con
módulo Flotation and Opending del programa de computadora SACS.
Figura 12.-Secuencia del posicionamiento horizontal de la subestructura en el mar
Izaje Horizontal
Una vez que la subestructura se ha posicionado horizontalmente sobre el mar, se realiza el cambio de esligas
de izaje vertical a los muñones de izaje horizontal, para iniciar la maniobra de izaje horizontal y fijar la
subestructura en la barcaza para su respectivo traslado al patio de fabricación
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Figura 13.-Izaje horizontal de la subestructura y posicionamiento final de las estructuras sobre la
barcaza para la transportación
TRANSPORTACION A PATIO DE FABRICACION
Una vez dispuesta la estructura a transportar sobre el chalán (barcaza) y realizados los trabajos de limpieza,
reforzamiento y amarre, haber logrado el lastrado adecuado y tener la documentación técnica necesaria, como
arreglo de los seguros marinos, plan de lastrado y procedimientos: se puede iniciar la travesía hacia el patio de
fabricación en el que será rehabilitada y adecuada para su reutilización posterior.
Para lograr adecuadamente la maniobra bajo condiciones óptimas de seguridad, se deberán respetar los
arreglos que impongan el diseño y la capacidad propia del chalán. Las características principales de los
chalanes utilizados por PEMEX en el Golfo de México, no cuentan con propulsión propia por lo que se
apoyan en pequeñas embarcaciones (remolcadores) para desplazarse de una posición a otra, así mismo
cuentan con sistema de lastrado propio y suficiente para introducir y/o retirar agua de sus compartimentos, de
tal forma que no se alcancen balanceos, cabeceos y giros, que pongan en riesgo la integridad estructural de la
carga. Dentro de los trabajos preliminares requeridos se mencionan los siguientes:
a) Limpieza: en Subestructura (Jacket).- Aplica para el crecimiento marino, corrosión y alguna otra
partícula adherida a las piernas de los ejes A-2, A-3 y a los puntos de conexión del sistema de anclaje
mediante seguros marinos de la subestructura al chalán, lo cual deberá hacerse previamente desde las etapas
de recuperación y servirá para permitir la reutilización de la cuna de deslizamiento (ya acoplada a la
estructura), para ello el chalán deberá contar previamente con los arreglos de madera y sistema anclaje de la
misma para recibir la cuna sobre las trabes correderas del mismo. Para la superestructura (Deck), será
requerida la limpieza con chorro de arena, en las zonas de conexión del sistema de anclaje al chalán para
facilitar aplicación de soldadura. Para los pilotes y accesorios no será de relevancia hacer trabajos similares de
limpieza.
b).- Apoyo, Refuerzo y Sistema de Fijación.- En la superestructura serán instalados los seguros marinos
como indiquen los planos de detalle previamente en el chalán deberá estar instalado un marco de arrastre,
separación de trabes correderas de acuerdo a la dimensión transversal de la estructura (normalmente 13.716
m. a ejes) y candeleros, para dar estabilidad a la superestructura antes de la transportación y amarre de
seguros marinos; el siguiente paso será el amarre de los pilotes y accesorios tales como defensas y atracaderos
antes de cargar la subestructura para evitar interferencias y por último y una vez que la subestructura este
posicionada totalmente sobre las trabes correderas del chalán (dispuestas previamente a la separación de
12.192 m. entre ejes), se procederá a fijar la estructura mediante el arreglo de seguros marinos.
Después de posicionada la subestructura sobre la barcaza de transportación y sujetada, se deberán aplicar los
refuerzos horizontales en los marcos longitudinales A y B, los cuales serán permanentes y formarán parte del
diseño definitivo, ya que las recomendaciones del API-RP-2A Edición. 20 indican la existencia de los
mismos.
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Figura 14.- Instalación de refuerzos en la subestructura, ejes A y B
Durante la travesía por las rutas indicadas en la normatividad aplicable, se cuidará la tracción y velocidad que
ejerzan las embarcaciones de apoyo, de modo que ésta sea uniforme para evitar los jalones o tirones.
Por último y una vez que llegue el chalán al patio, este deberá se acoderado al muelle y fijado mediante cables
de amarre a las bitas, de manera que se mantenga un acoplamiento de las trabes correderas del patio y de la
chalán para iniciar la etapa de descarga.
DESCARGA A PATIO DE FABRICACION
El método de descarga utilizado está basado en el arrastre o deslizamiento de la subestructura y/o
superestructura a través de las trabes correderas del patio (fijas) y del chalán (móviles) y con el apoyo de
malacates (winches), los cuales mediante cables de tracción conectados a las orejas de arrastre de la estructura
jalarán pausadamente hacia el patio de fabricación, cuidando evitar que en cualquier instante se presenten
condiciones críticas de deformación. Alternativamente se pueden usar grúas con capacidades similares
localizadas sobre el patio, siempre que se tenga un control estricto de la tracción que ejercerán en la maniobra
y que en ambos casos los desplazamientos (cabeceo, balanceo y giro) sean monitoreados, registrados y
controlados mediante el apoyo de equipos de levantamiento topográfico.
La etapa de descarga será iniciada estando el chalán orientado, aparejado (acoderado) y fijado a la orilla del
muelle del patio de fabricación, en ese momento se deberán retirar los seguros marinos de la subestructura
como primera fase, y así la misma secuencia aplicará para los pilotes, la superestructura y los accesorios
respectivamente. Se deberá contemplar los movimientos y espaciamientos de las trabes correderas del chalán
con respecto a las trabes del patio.
Algunas consideraciones importantes son las siguientes:
a) Las interrupciones del proceso de descarga requeridas para nivelar la embarcación mediante el plan de
lastrado, se deberán efectuar cuando la planta de arriostramiento, próxima a entrar en el patio de fabricación,
se encuentre en el borde del chalán, de manera que los apoyos se encuentren totalmente soportados en la trabe
corredera ó cuando las deformaciones monitoreadas de la estructura se acerquen a alguna condición crítica
considerada en los análisis matemáticos.
16
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b) El análisis de descarga cubre la vida de la subestructura entre la posición inicial en la barcaza de
transportación y la posición final sobre el patio de fabricación. Toda la información generada durante este
intervalo será usada por el contratista para definir la velocidad, arreglo y el número de bombas de lastre en la
operación, así como la capacidad mínima de tracción de los malacates.
c) La barcaza y el patio contarán con la información mínima necesaria: memoria de cálculo; procedimiento de
descarga, plan de lastrado, características del patio de construcción, muelle de carga y del canal de
navegación; descripción de la carga y centro(s) de gravedad, características de las trabes correderas de patio y
barcaza; capacidad, número, arreglo y características de los equipos a utilizar en la maniobra tales como
bombas, malacates, grúas, barcaza, remolcadores, etc. para llevar a cabo la maniobra de descarga.
d) Verificación de la batimetría: La compañía contratista responsable de la maniobra de descarga deberá
verificar la batimetría cuando sea necesario, de tal manera que garantice la seguridad tanto de la carga como
de la barcaza.
e) Alineación de la barcaza: Verificar que las vigas correderas de patio con las vigas correderas de la barcaza
se mantengan alineadas, que guarden la pendiente de las vigas de patio y que en el borde del muelle se
mantengan a la misma elevación, para ello se deberá consultar el Plan Lastre. Cualquier variación por efecto
de la marea se debe abatir a través del llenado o vaciado de los compartimentos centrales de la barcaza.
f) Verificación de maquinaria y Equipo: Verificar que estén en condiciones óptimas en cantidad, capacidad y
estado físico como barcaza, remolcadores, grúas, malacates, bombas de agua (sistema de lastrado), equipo de
suministro de energía, etc., para evitar cualquier tipo de contingencia durante la maniobra. Así mismo los
equipos deberán estar localizados y fijados de acuerdo al arreglo más favorable ya sea sobre el patio de
fabricación o sobre la barcaza (aparatos de medición topográfica, los malacates y bombas).
g) Deberá prepararse la superficie de deslizamiento de la subestructura mediante la aplicación de grasa en la
cuna de deslizamiento, trabes correderas del chalán y patio de fabricación, así mismo se deberá aplicar un
tratamiento protector a los polines de madera de tal forma que presenten una impregnación total con el fin de
protegerlos de hongos, polilla, entre otros.
h) Las orejas de arrastre conectadas a la subestructura deberán ser inspeccionadas para evitar que éstas sean
utilizadas en caso de presentar algún daño, ya sea por el uso durante el diseño original, por corrosión o por
cualquier otro tipo de defecto, éstas deberán ser remplazadas y/o reforzadas tomando en cuenta el pesaje real
de la subestructura.
i) Se deberá verificar el estado físico y capacidad actualizada, de los accesorios de arrastre tal como cables,
poleas y grilletes.
Figura 15.- Chalán acoderado en el patio alineado con las trabes correderas.
El primer acercamiento que deberá tener el chalán al muelle será en donde se localicen las trabes correderas
del patio (fijas) y para este caso en particular se requiere de una separación de 12.192 m. (40 pies) para la
subestructura mientras que durante el segundo acercamiento se requerirán trabes fijas del patio de fabricación
con una separación de 13.716 m. (45 pies).
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Las imágenes mostradas en la figura 16 muestran una secuencia de descarga aplicada:
Figura 16.- Secuencia de descarga de la subestructura al patio de fabricación
Después de acoderado, fijado y nivelado el chalán en la segunda posición cercana al muelle, se procede a
realizar el acercamiento de la superestructura hacia el extremo posterior de la barcaza (popa). Esta es la etapa
inicial en la que se considera la estructura totalmente apoyada. Paralelamente el grupo de topografía deberá
estar listo, pues se encargará de monitorear los desplazamientos relativos de los apoyos de la superestructura y
las diferentes posiciones de la barcaza durante la maniobra de descarga y será además responsable de colocar
regletas graduadas en las columnas de cada eje (apoyos) y sobre la cubierta de la barcaza, marcar la elevación
relativa (Elev. 0.0) en cada regleta para obtener la línea de referencia, así mismo registrar los desplazamientos
relativos de los apoyos y de la embarcación para todas y cada una de los etapas.
Las imágenes de la figura 17 muestran una secuencia de descarga aplicada para la superestructura:
Figura 17.- Secuencia de descarga de la superestructura al patio de fabricación
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CARGA AL CHALAN DE TRANSPORTACION
Una vez que la estructura ha sido rehabilitada y reforzada según los planos producto de todos los análisis
realizados, es necesario cargar las estructuras para trasportarlas al sitio de la Sonda de Campeche donde serán
instaladas. Durante esta etapa se puede decidir hacer la carga de la estructura total por separado en diferentes
chalanes dependiendo de la capacidad y disponibilidad de los mismos; es decir, se considera la
superestructura y accesorios en un primer arreglo, y en otro la subestructura y pilotes como se ve en la figura
18. La secuencia de carga es el proceso inverso de la secuencia de descarga ya mencionado. El procedimiento
y las consideraciones mencionadas anteriormente aplican de igual manera para la carga de la estructura al
chalán de transportación.
Figura 18.- Carga de las estructuras rehabilitadas del campo de fabricación a la barcaza
EVALUACIÓN DE LA PLATAFORMA EN SU NUEVA POSICION
ANALISIS EN SITIO
Se realizó el análisis estructural en sitio de la plataforma de perforación en el nuevo campo de producción
dentro de la misma Sonda de Campeche cambiando el uso de la plataforma de perforación a compresión. Este
análisis tuvo como propósito el de determinar las condiciones de refuerzo necesarias debido a las nuevas
solicitaciones de carga a que se someterá dicha plataforma y así determinar la factibilidad técnica de
recuperación e instalación de la misma de acuerdo a recomendaciones proporcionadas en la norma de
referencia NRF-003-PEMEX-2000 para Diseño y Evaluación de Plataformas marinas fijas en la Sonda de
Campeche y con el API-RP-2A-WSD edición 20, American Petroleum Institute Recommended Practice for
Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms, Working Stress Design.
Datos de la Estructura
La plataforma de compresión, será una estructura tipo fija (Jacket), la cual será instalada en un tirante de
26.00 m. respecto al N.M.M. Su estructura esta formada por dos marcos longitudinales (eje A y B) y cuatro
transversales (1, 2, 3 y 4). La superestructura esta formada por dos cubiertas con elevaciones de +19.100 y
+23.999 m. La subestructura esta constituida por ocho piernas de1.333 m (52.5 pulgadas) de diámetro y
espesor de 1.588 cm (0.625 pulgadas) con canutos de 3.81 cm (1.25 pulgadas) de espesor y cuatro niveles de
arriostramiento horizontal en las elevaciones +6.908 m, -5.284m, -19.00m y de –26.00 m. La cimentación de
la plataforma esta constituida por 8 pilotes de 48” de diámetro con espesores que varían entre 1 ¼ pulgadas y
2 ½ pulgadas de sección variable y profundidades de hincado de 93 m. para los pilotes de esquina y 73 m.
para los pilotes interiores.
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XIV Congreso Nacional de Ingeniería Estructural
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Figura 19.- Vista Isométrico del modelo estructural de la plataforma reutilizada
Categoría de Exposición, Datos Oceanográficos y Meteorológicos
De acuerdo con la NRF-003-PEMEX-2000, la estructura será diseñada para una nueva localización y por lo
tanto aplica una única categoría de exposición (MUY ALTAS CONSECUENCIAS). Los parámetros
meteorológicos y oceanográficos asociados a la altura de ola en condición de tormenta (altura de ola H =
16.70 m.) se obtuvieron de la tabla A.4 del Apéndice A de la norma de referencia NRF-003-PEMEX-2000, en
tanto que los parámetros asociados a la altura de ola en condición de operación (H = 7.04 m.) fueron
utilizados los indicados en la tabla B.4 del Apéndice B de la norma antes mencionada.
Cargas Gravitacionales
En la tabla 2 se muestra un resumen de las cargas gravitacionales consideradas en el análisis en sitio en
condiciones de operación para la plataforma en su nueva ubicación.
Tabla 2.- Resumen de cargas gravitacionales consideradas
DESCRIPCIÓN
Carga viva en cubierta superior
Carga viva en cubierta inferior
Carga muerta en cubierta superior e inferior
2
Peso equipos menores operación (500kg/m )
Peso de equipo de compresión en operación
Grúa en operación
Paquetes de endulzamiento de gas
Paquetes (varios) en operación
Placa base
Conos de acoplamiento
Acero de refuerzo en cubierta inferior
Acero de refuerzo en cubierta superior
Atiezadores en cubierta superior
Escaleras; incluye alfardas, canales escalones
de 1041 mm, atiezadores y barandales.
Orejas de izaje
Orejas de arrastre
Guías de conductores
Pasillo con barandal
Corredera de lanzamiento
Ánodos de sacrificio
Total =
TOTAL EN Ton.
379.2
186.06
135.41
565.36
1,200.00
62.00
103.60
33.50
5.56
2.14
1.32
24.49
1.51
10.35
1.21
1.08
12.98
7.93
14.35
7.14
2,755.28
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Cargas Ambientales
Cargas de oleaje.- Las fuerzas de oleaje y corriente se determinaron con el programa SACS, con base en un
análisis estático de ola, utilizando la teoría Stream Function de 7o orden para la condición de tormenta y la
teoría Stream Function de 5o. orden para la condición de operación. La selección de la teoría de oleaje fue con
base en la Fig. 2.3.1-3 del API RP-2A-WSD, edición 20. Para el cálculo de este tipo de fuerzas se tomó en
cuenta el crecimiento marino, en donde se consideraron los espesores indicados en la norma de referencia
NRF-003-PEMEX-2000 se aplicó el factor de reducción de carga de 0.90, de acuerdo a lo indicado en la
misma norma.
Se usaron los mismos coeficientes de arrastre y de inercia que se utilizaron en el análisis de la plataforma en
su posición original. Para tomar en cuenta el efecto de dispersión direccional, se consideró un factor
cinemático de ola de 1.0 para condiciones de operación y de 0.85 para condiciones de tormenta según la
sección 10.1.2 de la norma de referencia NRF-003-PEMEX-2000. Así mismo, se aplicaron los factores de
bloqueo de corriente iguales a 0.70, 0.80 y 0.85 en las dos direcciones ortogonales y una diagonal
recomendado según la sección 2.3.1b-4 del API RP-2A-WSD, edición 20.
Cargas de viento.- Las fuerzas de viento sobre los módulos y equipo, existentes sobre la cubierta +19.100 y
+23.999 m, se determinaron mediante el programa SACS, considerando una pantalla que simula las áreas
proyectadas de los equipos. Se empleo para ello un coeficiente de forma CS=1.5 y las velocidades de viento
para diseño, descritas en la norma de referencia NRF-003-PEMEX-2000 para la condición de operación y de
tormenta.
Análisis Estructural
El modelo estructural fue generado por medio del programa SACS, en el cual se creó un modelo
tridimensional en donde se detallaron las secciones y elementos estructurales existentes de la superestructura,
subestructura, conductores y pilotes. La modelación de los elementos no-estructurales tuvo como objetivo, la
determinación de las fuerzas laterales de viento, oleaje y corriente que inciden en ellos, las cuales contribuyen
a incrementar el empuje lateral al cual se somete la subestructura de la plataforma. Se consideraron los
siguientes elementos como no-estructurales:
- Ocho defensas de pierna
- Dos atracaderos, ubicados en los ejes A y B respectivamente
90°
45°
135°
0°
180°
270°
225°
315°
Figura 20.- Direcciones de análisis consideradas
Resultados
21
XIV Congreso Nacional de Ingeniería Estructural
Acapulco, Gro., 2004
El análisis estructural de la plataforma se efectuó mediante un análisis estático con el programa SACS, el cual
efectúa un análisis del comportamiento de todos los elementos estructurales en condición de operación y
tormenta. Así mismo se realiza una revisión de esfuerzos en los elementos estructurales y en las juntas
tubulares de acuerdo con las especificaciones del API RP-2A-WSD edición 20. La plataforma fue analizada
en condiciones de operación y de tormenta considerando ocho direcciones de incidencia del oleaje, corriente y
viento para cada condición. Se realizó un primer análisis, en el cual se observó la necesidad de reforzar
elementos diagonales existentes. El método de refuerzo por el que se optó fue mediante el cementado de
elementos, debido a que es la solución más fácil y económica, en lugar de sustituir los elementos existentes
por nuevos, lo cual complica los procedimientos de reestructuración en el patio disminuyendo la estabilidad
estructural.
Una vez reforzada la estructura, los resultados obtenidos de los análisis en sitio muestran que la
superestructura y la subestructura cumplen con las recomendaciones establecidas tanto por la norma de
referencia NRF-003-PEMEX-2000 Diseño y Evaluación de Plataformas Marinas Fijas en la Sonda de
Campeche, como en el American Petroleum Institute, “Recommended Practice for Planning, Designing and
Constructing Fixed Offshore Platforms –Working Stress Design”, (RP 2A-WSD), 20ª Edición, para las
condiciones de carga consideradas en este análisis estructural.
Reforzamiento de la subestructura
Producto de todos los análisis realizados, fue necesario reforzar tanto la superestructura como la
subestructura. En la figura 21 a 23 se muestra el reforzamiento del eje 1 (igual al reforzamiento del eje 4), el
eje 2 (igual al reforzamiento del eje 3), así como el reforzamiento eje del eje A (igual al reforzamiento del eje
B).
Figura 21.- Reforzamiento en ejes 1 de la subestructura.
22
Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
Figura 22.- Reforzamiento del eje 2 de la subestructura.
Figura 23.- Reforzamiento del eje A de la subestructura.
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XIV Congreso Nacional de Ingeniería Estructural
Acapulco, Gro., 2004
ANALISIS ESPECTRAL DINÁMICO DE FATIGA
Debido a que la plataforma se encuentra dentro del mismo campo según la norma NRF-003-PEMEX-2000,
los parámetros meteorológicos y oceanográficos asociados al análisis por fatiga fueron aquellos
recomendados por la norma de referencia NRF-003-PEMEX-2000 tabla C-1 en donde se describen la
distribución anual de las condiciones normales (altura de la ola significante y periodo pico espectral), así
como su distribución media. La información relativa a 16 direcciones de oleaje se concentró para el análisis
de fatiga en 8 direcciones principales (Este, Noreste, Norte, Noroeste, Oeste, Suroeste, Sur y Sureste) como se
muestra en la figura 3.
En la figura 3 se muestra dirección del oleaje contra la fracción de ocurrencia para las ocho direcciones
consideradas en este análisis, siendo las dominantes las direcciones sur (S), suroeste (SW) y oeste (E).
Cargas Consideradas
Los parámetros y el criterio utilizado para la determinación de las características dinámicas de la plataforma
fueron los mismos que se emplearon para la plataforma en su posición original, se consideraron solamente los
efectos debidos a la carga de oleaje bajo condiciones de operación. Las solicitaciones de cargas
gravitacionales y ambientales extremas (tormenta invernal y de 100 años) no se consideran las cargas debidas
al efecto de la corriente. Las cargas gravitacionales de la estructura fueron consideradas únicamente para
determinar masas útiles en el análisis dinámico de la plataforma. Entre las cargas verticales que se utilizaron
para el cálculo de las masas están el peso propio, las cargas muertas, las cargas vivas y de equipo sobre la
cubierta; las cuales se consideran que permanecerán durante la vida útil de la plataforma. Las cargas de oleaje
se determinaron con base en un análisis dinámico espectral y se uso para ello la teoría de oleaje de Airy se
considero también el crecimiento marino. Se usaron os espesores de crecimiento marino duro indicados en la
norma NRF-003-PEMEX-2000. Los coeficientes de arrastre y de inercia fueron obtenidos de las
recomendaciones proporcionadas por el API RP-2A-WSD (Edición 20) en su sección 5.2.2 (fatiga).
Análisis Dinámico Modal
Para realizar el análisis espectral dinámico de fatiga es necesario determinar las formas modales de la
estructura (períodos o frecuencias), considerando las masas debidas al peso propio de la estructura, la carga
viva, carga de equipo así como las masas adheridas y el agua atrapada a los elementos estructurales. Para el
cálculo de las formas modales, se trato de simular las cargas vivas de operación, de tal manera que los tres
periodos de vibrar de la estructura fueron de 1.670 seg. en la dirección longitudinal, de 1.42 seg en la
dirección transversal y de 1.36 seg en torsión.
Análisis Estructural por Fatiga
Debido a que la subestructura que se usará en el nuevo campo es una subestructura que se pretende recuperar
de otro campo de la misma Sonda de Campeche, el API-RP-2A Edición 20 en su sección 15.2 no específica
directamente la extensión de vida de la plataforma, pero sí hace mención respecto a los factores de seguridad
que deberán emplearse para plataformas recuperadas. Además menciona en la misma sección que para
plataformas recuperadas que tengan conexiones tubulares inspeccionadas de acuerdo a los requerimientos
mínimos de la sección 15.2.3, las consideraciones por fatiga deben incluir los daños por fatiga que pudieron
haber ocurrido durante el periodo inicial de servicio de la plataforma, así como la vida en servicio planeada
para la nueva ubicación. En general la ecuación 5.2.5-1 (daño acumulado menor que 1.0) debe ser cumplida y
los efectos benéficos sobre la vida por fatiga debido a las inspecciones detalladas y medidas correctivas
pueden ser considerados cuando se calcule el daño previo o se seleccionen los factores de seguridad.
La vida de diseño por fatiga. L en años debe cumplir con la siguiente expresión:
Donde:
L= SF1 L1 + SF2 L2
L1= Periodo inicial de servicio, en años
L2= Vida de servicio planeada para la nueva ubicación
24
Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
SF1=2.0 para los requerimientos mínimos de la sección 15.2.3. Si las conexiones tubulares soldadas son
inspeccionadas al 100% con pruebas no destructivas de acuerdo con los requerimientos de la sección 15.2.3 y
si se implementan mejoras al encontrar defectos, SF1 puede ser entre 0 y 2 seleccionado en base racional (para
este análisis se considero SF2=2).
De acuerdo a lo anterior y considerando que la subestructura de la plataforma de perforación se instaló el 31
de diciembre de 1979, para este análisis se consideró una vida de servicio inicial L1=24 años y un factor de
seguridad SF1=2.0, así mismo se consideró una vida en servicio planeada para la nueva ubicación L2= 15
años, tiempo que durará la explotación del campo y un Factor de seguridad SF2=2.0. Por lo tanto para
determinar cuales juntas no cumplen con los requerimientos especificados en API-RP-2A Edición 20 para la
vida de diseño por fatiga, se sumaron los daños acumulados futuros (con 20 años o menos) de las juntas
tubulares calculadas para la plataforma en la nueva ubicación y se sumaron linealmente a los daños
acumulados (con 24 años o menos) calculados previamente para la plataforma en su posición original, por lo
tanto el periodo de vida útil que deberán cumplir las juntas tubulares de la subestructura será de 78 años.
Se realizó el análisis de fatiga espectral dinámico considerando la acumulación de daño de acuerdo a la
ecuación de Palmgren Miner. Para el cálculo de la vida de las juntas se emplearon la curva S-N designada por
X´ en la sección 5.4 del API-RP-2A-WSD, fué usada en todas las juntas para determinar el número de ciclos
que resistirá la junta en función de la variación del intervalo de esfuerzos a que se ve sometida.
Para el cálculo del Factor de Concentración de Esfuerzos (FCE) en los puntos críticos (hot spots), se uso la
teoría de Efthymiou. Se empleo la formulación de Pierson–Moskowitz para los espectros de oleaje y para la
función de distribución de energía de la ola, la cual esta definida por una función coseno elevada a la n
potencia se utilizó n=2.
Resultados
Los resultados obtenidos, con el programa de análisis estructural SACS y tomando en cuenta la estructuración
correspondiente a los planos y al reporte de inspección, así como las recomendaciones establecidas en la
norma de referencia nrf-0003-pemex-200 Diseño y evaluación de plataformas marina fijas en la Sonda de
Campeche y en el API RP-2A-WSD edición 20 American Petroleum Institute, “Recommended Practice for
Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Work Stress Design, se encontró que existen
6 juntas cuyas vidas útiles están por debajo de los 20 años (incluido el factor de seguridad de 2) las cuales se
en las figuras 24 y 25.
XY PLANE VIEW AT -8.53
PLATAFORMA DE COMPRESION
ANALISIS DE FATIGA
EFT = EFTHYMIOU SCF
12.8 = 12.8 AÑOS (SVC LIFE)
PLATAFORMA DE COMPRESION
XY PLANE VIEW AT -22.25
ANALISIS DE FATIGA
EFT = EFTHYMIOU SCF
12.8 = 12.8 AÑOS (SVC LIFE)
EFT 13.86
EFT 19.72
EFT 11.91
JUNTA TRASLAPADA = 27.31
EFT 18.88
EFT 17.62
SUBESTRUCTURA NIVEL -8.534 M
SUBESTRUCTURA NIVEL -22.250 M
Figura 24.- Años de vida menores a 20 de las juntas, subestructura nivel -8.534 m y -22.250 m
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XIV Congreso Nacional de Ingeniería Estructural
Acapulco, Gro., 2004
PLATAFORMA DE COMPRESION
ANALISIS DE FATIGA
EFT = EFTHYMIOU SCF
12.8 = 12.8 AÑOS (SVC LIFE)
EFT 19.76
SUBESTRUCTURA EJE A
Figura 25.- Años de vida menores a 20 de las juntas, subestructura eje A
ANALISIS SÍSMICO POR RESISTENCIA Y DUCTILIDAD
Como parte de los requerimientos norma de referencia NRF-003-PEMEX-2000 es necesario realizar un
análisis sísmico a nivel de resistencia y otro a nivel por ductilidad (push over) aplicando las recomendaciones
establecidas en la norma y en el API-RP2A 20th Edición. El análisis se realizó usando el módulo
EARTHQUAKE del programa de análisis estructural SACS.
De acuerdo con la tabla 11.1 de misma norma, relacionado con el factor de reserva de resistencia (RSR)
mínimo requerido para análisis a nivel de ductilidad, solo existe una clasificación de categoría de exposición
siendo esta MUY ALTA por tratarse de un diseño nuevo.
ANÁLISIS SÍSMICO A NIVEL DE RESISTENCIA
Análisis estático debido a cargas gravitacionales.- Para determinar el efecto que producen las cargas
estáticas (carga muerta, carga viva y carga de de equipo) sobre la plataforma se realizó un análisis estático
debido a cargas gravitacionales, para ello se emplearon las cargas gravitacionales utilizadas análisis en sitio.
En la tabla 3 se muestra un resumen con las cargas gravitacionales consideradas en este análisis.
Tabla 3.- Resumen de cargas gravitacionales
CASO DE CARGA
DESCRIPCIÓN
1
2
Peso Propio – flotación
Carga Muerta en toda la plataforma
Carga Viva en las cubiertas, elevaciones +19.100 m.y
+23.999 m.
Carga de equipos en operación
TOTAL =
3
4
CARGA TOTAL
(ton)
145.009
135.411
565.356
1964.459
2808.896
Análisis de respuesta dinámica.- Con la finalidad de determinar las fuerzas sísmicas o fuerzas estáticas
equivalentes que actuarán en la plataforma producto de un evento sísmico, se realizó un análisis modal
espectral, para ello se tomaron en cuenta las siguientes consideraciones:
Para determinar las formas modales y los periodos asociados a la estructura se calcularon las masas en
función a las cargas gravitacionales empleadas en el análisis estático, así mismo, se considero la masa
agregada de los elementos estructurales y la masa de agua atrapada en piernas y pilotes.
Se empleó el espectro de diseño sísmico a nivel de resistencia indicado en la norma de manera simultanea en
las tres direcciones principales de análisis X, Y y Z, 100% en las direcciones X y Y, y 50% en la dirección Z,
de acuerdo a lo recomendado en el API RP-2A-WSD edición 20.
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Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
Producto del análisis modal espectral se obtuvieron dos condiciones de cargas estáticas equivalentes, las
cuales se mencionan a continuación:
Condición de Carga 5.- Cargas estáticas equivalentes a partir del análisis de superposición modal empleando
el espectro de diseño, considerando una dirección positiva.
Condición de Carga 6.- Cargas estáticas equivalentes a partir del análisis de superposición modal empleando
el espectro de diseño, considerando inversión de signo.
Se generaron cuatro combinaciones de cargas finales para revisar los elementos estructurales y juntas
tubulares de la plataforma. En éstas se combinan las cargas estáticas gravitacionales con las cargas estáticas
equivalentes de sismo generadas por el programa las cuales se describen a continuación:
1.- Cargas estáticas + Cargas de sismo
2.- Cargas estáticas + Cargas de sismo (inversión de signo)
3.- Cargas estáticas + (2 x Cargas de sismo)
4.- Cargas estáticas + (2 x Cargas de sismo (inversión de signo))
Las combinaciones de carga 1 y 2 son para la revisión de elementos, mientras que las combinaciones de carga
3 y 4 son para la revisión de juntas tubulares.
Resultados del análisis de sísmico por resistencia.- Con las combinaciones de carga generadas se realizó un
análisis estructural estático para revisar los elementos de acuerdo a las recomendaciones del API. En ningún
caso la relación de interacción máxima combinada fue mayor de 1.00, esto significa que con la
reestructuración propuesta para la plataforma en su nueva ubicación, los esfuerzos actuantes en los miembros
principales de la superestructura se encuentran dentro de los permisibles. Así mismo para la revisión por
esfuerzos de penetración en juntas tubulares también se obtuvieron R I. menores que 1.00. Para el caso de la
cimentación, las relaciones de interacción máximas se encontraron en 2 pilotes de esquina y 2 pilotes
interiores siendo este valor menor a las R. I. permisible (1.00).
ANÁLISIS SÍSMICO A NIVEL DE DUCTILIDAD
El análisis a nivel de ductilidad consiste en someter a la estructura a un sismo raro e intenso con el fin de
llevarla al colapso y determinar así su factor de reserva de resistencia. Para realizar el análisis sísmico por
colapso se utilizo el peso propio de la estructura, la carga muerta, el 50% de la carga viva y el peso de equipos
usados en el análisis en sitio en la cubierta +19.100 m. y +23.999 m., adicional a lo anterior se incluyeron las
cargas debidas al sismo calculadas en el análisis sísmico por resistencia.
Análisis estructural.- Consiste en llevar acabo un análisis de resistencia última utilizando para ello un
método incremental de carga hasta obtener el colapso de la estructura, la relación entre la carga lateral última
que resiste la estructura y la carga de referencia la cual es obtenida del análisis modal espectral realizado del
análisis sísmico a nivel resistencia, es llamado factor de reserva de resistencia y este deberá cumplir con lo
recomendado en la norma de referencia en su inciso 3.2.
Resultados del análisis a nivel ductilidad.- De los análisis realizados se determinó que la plataforma es
capaz de resistir 4.85 veces la carga de sismo aplicada, la cual es mayor al factor de 1.60 que exige la norma
NRF-003-PEMEX-2000. En las figuras 26 y 27 se muestran la deformada de la estructura, la plastificación de
los pilotes.
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XIV Congreso Nacional de Ingeniería Estructural
Acapulco, Gro., 2004
Figura 26.- Deformada de la estructura al momento de colapso
Resultados
Los resultados de los análisis sísmicos por resistencia y ductilidad para la plataforma en su nueva
ubicación muestran que la plataforma cumple satisfactoriamente con los requisitos establecidos
tanto por la norma de referencia y el API RP-2A-WSD edición 20. A nivel de ductilidad se encontró
que el factor de reserva de resistencia (RSR) es mayor a 1.60, el cual es el mínimo fijado por la
norma de referencia.
Figura 27.- Deformada de los pilotes al momento de colapso
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Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
CONCLUSIONES
Se presentó un procedimiento detallado para la recuperación de plataformas marinas fijas como un método
alternativo para PEMEX, aplicado en la reutilización de plataformas que actualmente se encuentran en desuso
y que son factibles de recuperar para adecuarlas para otros campos de explotación. La recuperación de
plataformas marinas podría significar a PEMEX, un ahorro sustancial en comparación con la construcción de
nuevas plataformas, principalmente en tiempos de tiempos de licitación e inversión de material y mano de
obra.
AGRADECIMIENTOS
Se agradece al Ing. Rogelio Vázquez Aguilar, Asesor Tecnológico de Proyectos de Plataformas Marinas y al
Líder de Proyectos M. en I. Alejandro Bahena Pita, ambos del Instituto Mexicano del Petróleo, por sus
valiosos y acertados comentarios para la realización de este proyecto.
REFERENCIAS
NRF-003-PEMEX-2000, (2000), “Diseño y evaluación de plataformas marinas fijas en la Sonda de
Campeche”.
API (1993), “Recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore platforms”
(API RP-2A). American Petroleum Institute”, Twentieth Edition
SACS IV (2002),”Offshore Versión 5.1.07” (Engineering dynamic Inc.), Service Pack 2.
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