BERBIELA MINGOT JOSÉ MARÍA (ES)
TABOADA GOSÁLVEZ MIGUEL JESÚS (ES)
GB2204835A | 1988-11-23 | |||
JPH03193590A | 1991-08-23 | |||
US3521594A | 1970-07-21 | |||
ES482077A1 | 1980-02-16 |
REIVINDICACIONES 1 . - Sistema de lastrado de tanques en doble cubierta para el control del balance, para unidades flotantes fuera costa tipo buque, singularizadas éstas por tener como una de sus funciones el almacenamiento temporal de recurso natural procedente del subsuelo marino hasta su descarga a la lanzadera, diseñado con el propósito de reducir los movimientos de balance, caracterizado porque comprende unos tanques altos de lastre (5), en doble cubierta, dispuestos por encima de los tanques de carga (4), para que, aprovechando el exceso de estabilidad y flotabilidad que estas unidades presentan en condiciones de carga parcial conseguir, gracias al lastrado/deslastrado de los susodichos tanques de lastre con agua de mar, una respuesta óptima de la unidad en lo referente a su comportamiento en la mar y estabilidad. 2. - Sistema de lastrado de tanques en doble cubierta para el control del balance, según la reivindicación 1 , caracterizado por haber sido eficientemente dimensionado para que la unidad en condición de lastre, es decir sin carga a bordo, presente un periodo natural de balance lo suficientemente alejado del correspondiente a los mares de fondo en el sitio de instalación. 3.- Sistema de lastrado de tanques en doble cubierta para el control del balance, según la reivindicación 1 , caracterizado porque dispone de un dispositivo de bombeo de lastre comandado desde el puente de mando o desde el centro de control, que está asociado a un sistema de monitorización y control, el cual a partir del conocimiento de los niveles de llenado de los tanques de carga y de lastre y de los movimientos del buque, bien propone al operador o bien lleva a cabo automáticamente una acción de lastrado o deslastrado de los tanques de lastre en doble cubierta. 4.- Sistema de lastrado de tanques en doble cubierta para el control del balance, según la reivindicación 1 , caracterizado porque el deslastre se efectúa por gravedad en situaciones críticas de emergencia. |
Sistema de lastrado de tanques en doble cubierta para el control del balance. Objeto de la invención
La presente invención se refiere a un sistema de lastre de tanques en doble cubierta para el control del movimiento de balance de unidades flotantes fuera costa (offshore) tipo buque, singularizadas éstas por tener como una de sus misiones el almacenamiento temporal de recurso natural procedente del subsuelo marino hasta su descarga a unidad lanzadera (shuttle) para su transporte a tierra.
Las unidades flotantes fuera costa se utilizan en los campos tradicionales de producción de hidrocarburos, no sólo para procesar los hidrocarburos producidos sino también para almacenar el crudo por un tiempo determinado, hasta que se descarga a la lanzadera para su traslado a tierra. Como unidades flotantes están sometidas a todas las condiciones de entorno propias del ambiente marino, con la particularidad de que permanecen ancladas en su posición a lo largo de todo el ciclo de vida del yacimiento que explotan.
La invención prevé el diseño de un sistema de lastre para una unidad flotante fuera costa tipo buque de producción y almacenamiento de crudo o simplemente de almacenamiento, con el objeto de que presente un comportamiento optimizado a los movimientos de balance que son provocados por las olas, en particular en condiciones de carga parciales y que por tanto exhiben un exceso de estabilidad y flotabilidad.
La característica esencial de la invención consiste en incorporar unos tanques altos de lastre en doble cubierta, los cuales, convenientemente operados, posibilitan el conseguir una respuesta óptima de la unidad en su comportamiento en la mar.
En el presente documento la descripción de la invención y de los modos de realización de la misma se centra en el ámbito del Oil & Gas, no significando por ello que no sea aplicable a la industria de extracción de otro recurso natural en aguas en mar abierto, por ejemplo minería.
Antecedentes de la invención La industria petrolífera utiliza las unidades fuera costa con forma de buque al ser la solución más adecuada en términos de coste y eficiencia para la explotación de reservas de crudo en aguas profundas y ultra profundas, donde el coste asociado a la instalación y mantenimiento de una infraestructura de distribución a tierra es prohibitivo y ésta se sustituye por un almacenamiento y descarga. Los siguientes acrónimos; FSU, Floating Storage Unit (Unidad Flotante de Almacenamiento); FSO, Floating Storage and Offloading (Unidad Flotante de Almacenamiento y Descarga); FPSO, Floating Production Storage and Offloading (Unidad Flotante de Producción, Almacenamiento y Descarga) y FDPSO, Floating Drilling Production Storage and Offloading (Unidad Flotante de Perforación, Producción, Almacenamiento y Descarga), mencionados en razón creciente a su competencia multifunción, son representativos de las unidades fuera costa tipo buque sobre las que sería de aplicación exitosa la presente invención.
Dejando de lado las tareas asociadas a la perforación exploratoria o de producción a otro tipo de unidades como por ejemplo las semisumergibles o los buques de perforación, se reconoce que diseñar las unidades FPSO y similares con la filosofía de un buque, tiene las siguientes ventajas:
Facilita la integración de las diferentes funcionalidades a bordo
Proporciona una elevada capacidad de almacenamiento de crudo.
Presenta una gran superficie de trabajo sobre cubierta e incrementa su capacidad resistente.
- Confiere por diseño una elevada resistencia estructural al conjunto.
Reduce el plazo y el coste asociado a su construcción.
Facilita la conversión y aumenta las alternativas de reutilización de la unidad.
La mayor desventaja de las soluciones flotantes con forma de buque comparándolas con otras soluciones diseñadas ad hoc, mucho más transparentes a las olas (soluciones tipo SPAR, TLP y Semisumergibles), es su peor comportamiento en la mar, en especial cuando la unidad está fondeada con las líneas desplegadas (spread mooring). Este peor comportamiento en la mar se debe a que este tipo de unidades disponen, por diseño, de un elevado volumen cerca de la superficie del mar lo cual las hace muy sensibles a la acción de las olas y en consecuencia a los movimientos que ellas generan. Aunque las unidades FPSO tipo Turret poseen una capacidad intrínseca de orientación al temporal, en el caso de que la fuerza de la corriente fuera predominante y ésta determinara un ángulo de equilibrio global no coincidente con el del oleaje, la unidad se vería expuesta a mar de costado, lo que empeoraría notablemente su comportamiento en la mar. Algo similar ocurriría en caso de tener mares cruzados.
Los movimientos inducidos en una estructura flotante se pueden clasificar en función del tiempo característico de actuación de las fuerzas de las olas que los generan como movimientos de baja frecuencia, a la frecuencia de olas, y de alta frecuencia, siendo para el tipo de unidades que nos ocupa sólo relevantes los dos primeros mencionados segundo orden. Los movimientos más significativos en una estructura flotante son los inducidos por las fuerzas de primer orden debidas al oleaje como consecuencia de su magnitud y del elevado número de ciclos a los que se va a ver sometida a lo largo de su vida. Los movimientos de baja frecuencia, que surgen de los efectos no lineales asociados a la diferencia de frecuencias entre los componentes de un mar irregular, se manifiestan en los buques únicamente en los modos de movimiento plano (largada, deriva y guiñada) y son contrarrestados eficientemente por los sistemas de fondeo o posicionamiento dinámico (DP). Aunque para las instalaciones tipo buque los movimientos a la frecuencia de las olas es una cuestión crítica, las medidas adoptadas para mitigar sus efectos se han limitado al uso de dispositivos de una escala relativamente pequeña en comparación con las dimensiones del buque, en lugar de atreverse a afrontar el problema con diseños y filosofías de operación mejor adaptados.
Para el diseño de unidades flotantes tipo buque es particularmente crítica la estimación del balance en olas debido a que el estado actual de la tecnología no permite predecir con fiabilidad los balances de extrema magnitud registrados en operación en diferentes zonas del mundo y que podrían poner en peligro la integridad de la unidad. Estos movimientos de balance, que pueden llegar hasta los 17 e de amplitud simple en condiciones meteorológicas benignas y con mar de fondo (también llamada mar tendida, producidas por tormentas lejanas y caracterizadas por presentar los periodos más altos), afectan al bienestar de la tripulación, provocan paradas en la planta de procesamiento, y producen una degradación estructural en los apéndices del casco, en los conductores (llamados en la terminología anglosajona risers), en especial en los SCR (Steel Catenary Risers) y en las líneas de fondeo. Actualmente se están llevando a cabo varios proyectos de investigación por parte de consorcios integrados por sociedades de clasificación, operadores y proyectistas de FPSOs (los llamados "Joint Industry Projects") para arrojar luz sobre los mecanismos físicos que gobiernan el balance, y que lo hacen tan difícil de analizar y predecir matemáticamente, como por ejemplo: patrones de desprendimiento de vórtices en las quillas de balance, acoplamientos entre el sistema de fondeo y los sistemas de conductores, comportamiento asimétrico del balance en FPSO con conductores en el costado (en balcón) y movimientos de segundo orden con sus resonancias asociadas. Otro aspecto clave a considerar en las unidades fuera costa tipo buque con capacidad de carga, es que sufren muchos ciclos de carga y descarga a lo largo de su vida útil, lo que implica que pasan por todas las condiciones de carga parciales, caracterizándose éstas por presentar una reserva considerable tanto de estabilidad como de flotabilidad. Además, las estructuras flotantes, en especial las unidades FPSO, poseen una reserva adicional de flotabilidad superior a la establecida por las sociedades de clasificación para los petroleros convencionales, debido a la necesidad de evitar las cargas en cubierta por agua embarcada (green water).
Descripción de la invención
De cara a mejorar el diseño y la seguridad de las estructuras flotantes tipo buque es deseable en primera instancia evitar resonancias en balance, alejando lo más posible el periodo natural de balance de los períodos de las olas más energéticas. Para ello, se ha estudiado una solución mecánica que nos permite incrementar el periodo natural de balance, basada en reducir la altura metacéntrica a través de una elevación del centro de gravedad. El efecto de esta reducción sobre el período natural de balance es proporcional a la raíz cuadrada del cociente entre la altura metacéntrica sin lastre a bordo y aquella una vez esté éste embarcado. El punto clave de la invención es aprovechar el exceso de estabilidad y flotabilidad en condiciones de carga parcial, que las unidades descritas anteriormente presentan en la mayor parte de su vida útil, debido a que éstas se cargan y descargan cíclicamente.
En este sentido, el diseño de un sistema de lastre basado en una disposición de tanques altos en doble cubierta convenientemente operados, es la solución más eficiente para el control de la altura metacéntrica de la unidad y como consecuencia de su estabilidad y comportamiento en la mar, especialmente en balance.
El dimensionamiento de los tanques de lastre en doble cubierta se realiza para que la unidad presente un periodo natural de balance en su condición de lastre (sin carga a bordo) lo suficientemente alejado del periodo de los mares de fondo correspondientes al lugar de instalación.
El método para reducir el balance provocado por las olas en unidades fuera costa, tipo buque de producción y almacenamiento de crudo o solamente de almacenamiento, consiste en lastrar dicha unidad llenando para ello de agua marina los tanques de lastre en doble cubierta, cuando la unidad se encuentra con sus tanques de carga parcialmente llenos, y deslastrar vaciando dichos tanques de lastre cuando la carga de la unidad alcanza un cierto nivel.
El deslastrado de los tanques de lastre se produce cuando sea necesario por condiciones de estabilidad o conveniente por comportamiento en la mar. Dependiendo del dimensionamiento adoptado, el deslastrado se podría iniciar con un nivel de carga en los tanques por encima del 70% y preferentemente cuando el nivel de carga está próximo al 90%.
Las bombas del sistema de lastre son accionadas desde el puente o desde el centro de control. Asociado al sistema de lastre se dispone de un sistema de monitorización el cual, en función de la medidas de los niveles de llenado de los tanques de lastre y de carga y de los movimientos de la unidad, proponga una acción conveniente a llevar a cabo desde el punto de vista de mejorar el comportamiento en la mar y de asegurar la estabilidad de la unidad.
El deslastrado podría ser parcial una vez iniciada la descarga del crudo a la unidad lanzadera (shuttle).
Debido al hecho muy improbable de que las unidades referidas operen cerca de su máxima capacidad de carga, ya que de lo contrario existiría un riesgo innecesario de parada de producción si por cualquier eventualidad no pudiera realizarse la descarga a la lanzadera (offloading), se espera que el deslastrado sea un evento excepcional. Aunque la disposición de tanques altos de lastre aparentemente va contra natura desde el punto de vista de la arquitectura naval y de la buena práctica marinera, ya que entra en contradicción con la máxima de evitar los pesos altos para mejorar la estabilidad, su aplicación en unidades FSU, FSO, FPSO y FDPSO tiene las siguientes ventajas:
Reducción a largo plazo de los movimientos de balance a la frecuencia de las olas y de las cargas asociadas a ellos.
Reducción de los tiempos de parada en las plantas de procesamiento de crudo debidos a los balances excesivos.
Incremento de la vida a fatiga de las líneas de fondeo y de los conductores (risers), posibilitando la instalación de risers tipo SCR (Steel Catenary Riser) a mayores profundidades.
Mejora de la capacidad resistente de la unidad tanto para la transmisión de cargas globales (viga buque) como para las cargas locales debidas a los módulos de proceso, proporcionada por la configuración de los tanques de lastre alto en una doble cubierta. Esta mejora estructural lleva implícita también la reducción del uso de acero de alta tensión necesaria y el incremento de la vida a fatiga de la estructura.
Mejoras en las tareas de lavado de tanques de crudo al presentar una superficie libre o casi libre en su techo, debido al hecho de que los refuerzos longitudinales de los tanques de carga se pueden distribuir en el interior de los tanques de lastre en doble cubierta.
El mejor comportamiento en balance de la unidad produce una mejora de la habitabilidad a bordo y de las operaciones de separación de los hidrocarburos, aumentando su operatividad.
Descripción de las figuras
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de facilitar la comprensión de las características de la invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva un juego de dibujos en los que, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: La figura 1 es una sección típica de una estructura flotante fuera costa tipo buque con capacidad de carga.
La figura 2 muestra una comparativa de periodos naturales de balance entre diseños de FPSO convencionales y con tanques de lastre en doble cubierta.
Realización preferente de la invención
En la figura 1 se muestra una sección típica de los tanques de almacenamiento de una estructura flotante fuera costa tipo buque con capacidad de carga, en la que se pueden distinguir los refuerzos longitudinales. Los elementos que aparecen en la figura se identifican como sigue:
(1 ) Sección de los tanques de almacenamiento de una estructura flotante.
(2) Doble fondo de dicha estructura.
(3) Tanques laterales.
(4) Tanques de carga.
(5) Tanques de lastre en doble cubierta. Una unidad fuera costa, ya esté destinada a la producción y almacenamiento de crudo o solamente al almacenamiento, que hubiera sido construida ex profeso o a partir de grandes buques petroleros reformados y convertidos, presenta un doble casco que queda determinado por una envolvente exterior (1 ), sendos tanques laterales (3) que forman una barrera de separación a lo largo de toda la eslora de carga entre los tanques de crudo (4) y el mar, y un doble fondo (2), Así mismo el tanque de carga está compartimentado en varios tanques (4) tanto a lo largo de la eslora como de la manga de la unidad. Una unidad convencional se cierra superiormente con una cubierta simple, a diferencia de una unidad que tenga el sistema de lastre descrito por la presente invención, que superiormente dispone de unos tanques de lastre (5), que conforman una doble cubierta, sobre los tanques de carga (4).
Estos tanques de lastre (5) se llenan de agua de mar, mediante cualquier sistema de bombeo convencional cuando la unidad fuera costa se encuentra en condiciones de llenado parcial en lo que a sus tanques de carga (4) se refiere. El lastre que supone el agua de mar cargada en dichos tanques (5) implica la elevación forzada del centro de gravedad de la unidad, lo que redunda en la reducción de los movimientos de balance provocados por las olas. Cuando la carga de la unidad alcanza valores elevados, del orden del 90%, se provoca el deslastrado de los tanques (5) para mantener la estabilidad y flotabilidad de la unidad en estas condiciones. Dicho deslastrado se debería efectuar minimizando el efecto de las superficies libres si la estabilidad resultara crítica.
La estrategia de lastrado/deslastrado de los tanques de lastre en doble cubierta se diseña con el objetivo de optimizar el comportamiento en la mar de la unidad y asegurar su estabilidad en todo momento. El lastrado/deslastrado del los tanques de carga se realiza mediante un sistema de bombas de lastre comandadas desde el puente de mando o desde el centro de control. Asociado al sistema de lastre se dispone de un sistema de monitorización y control, el cual a partir del conocimiento de los niveles de llenado de los tanques de carga y de lastre y de los movimientos del buque, siendo éstos medidos, por ejemplo, por una unidad inercial, esté bien en disposición de proponer al operador, o bien de realizar automáticamente, una acción consecuente con el objetivo anteriormente mencionado. Al tratarse de tanques altos de lastre, también se pueden deslastrar por gravedad en situaciones críticas de emergencia, como por ejemplo cuando tenemos resonancia con las olas o por razones de estabilidad al producirse una avería.
El dimensionamiento de los tanques de lastre en doble cubierta se realiza para que la unidad presente un periodo natural de balance en su condición de lastre (sin carga a bordo) lo suficientemente alejado del periodo de los mares de fondo correspondientes al lugar de instalación. La disposición del sistema de tanques altos en doble cubierta sobre los tanques de carga, su eslora, manga y puntal, su subdivisión en mamparos longitudinales y transversales, su diseño estructural (incluyendo este la disposición de refuerzos más conveniente para las tareas de lavado de tanques) y de las zonas adyacentes a los mismos (soportes de los módulos de procesamiento y tanques de carga), y el número y características de los equipos de bombeo necesarios se determinan mediante un estudio técnico-económico cuyo objetivo sea la obtención de la máxima rentabilidad del coste de capital del sistema de lastre objeto de la presente invención, ya sea por disminución del coste en otras partidas, risers o líneas de fondeo, especialmente si están dimensionadas a fatiga, o por una disminución de los costes en operación. Estudios iniciales indican que en un diseño eficiente, el peso de lastre podría representar un porcentaje comprendido entre el 5% y 20% del peso de la carga. En la figura 2 se muestran los periodos naturales de una unidad FPSO convencional para varias condiciones de carga, desde la condición de lastre hasta plena carga (triángulos) comparándola con los obtenidos aplicando la filosofía de tanques de lastre en doble cubierta (cuadrados).
Como se puede observar, el exceso de estabilidad en el diseño convencional representado implícitamente por los periodos naturales más bajos, ha sido neutralizado por el peso del lastre en los tanques en doble cubierta, proporcionando un periodo de balance cuasi-uniforme e independiente de la cantidad de crudo almacenado.
Una vez descrita suficientemente la naturaleza de la invención, así como un ejemplo de realización preferente, se hace constar a los efectos oportunos que los materiales, forma, tamaño y disposición de los elementos descritos podrán ser modificados, siempre y cuando ello no suponga una alteración de las características esenciales de la invención que se reivindican a continuación: