Curs 2 Caracteriztarea Hidrodinamica A Structurilor compatibility Mode [623397]

CURS
SISTEME MARIME
NECONVEN ȚIONALE

Cursul 2
Caracterizarea hidrodinamica a
structurilor

În general, determinarea comport ării structurii sub
influen ța for țelor de excita ție exterioare, Fe, se
poate realiza pe baza legii a doua a lui Newton scris ă pentru un sistem de axe iner țial ortogonal fix
oxyz, planul determinat de axele ox și oy fiind în
planul suprafe ței libere a apei, iar sistemul de axe
ox’y’z’ fiind solidar legat de structura plutitoare

Structura plutitoare este un corp rigid, de
formă oarecare, a c ărui suprafață este
descris ă de ecuația S(x,y,z) = 0.
)
ext Fdt xd(M r&r
=
M este matricea iner țială a structurii, x este
vectorul componentelor mi șcării structurii, t
este timpul, χ este unghiul dintre direc ția axei
x și direc ția de propagare a valului.

Fext reprezint ă vectorul for țelor exterioare care
ac ționeaz ă asupra corpului, având ca principale
componente:
•for țele datorate ac țiunii factorilor de mediu, adic ă
valurile, vântul, curen ții marini, mareei, ghe ții,
cutremurelor, etc, care sunt specifici loca ției unde
urmeaz ă a fi amplasat ă structura plutitoare;
•for țele generate de mi șcările structurii;
•for țele datorate sistemului de men ținere pe loca ție;
•for țele asociate proceselor opera ționale ale
structurii, de exemplu for țele induse de
echipamentele de forare.

Ac țiunea simultană a for țelor exterioare datorate
valurilor, vântului și curen ților marini ( principiul
superpoziției) nu este întotdeauna echivalent ă cu
simpla suprapunere a efectelor individuale! Totu și, cea mai mare parte a modelelor teoretice
consider ă ac țiunea independent ă a factorilor de
mediu , urmat ă de aplicarea principiului suprapunerii
efectelor, Fe având astfel forma
VCWe FFFF ++=
FW, FC și FV sunt for țele datorate valurilor , curenților
marini și respectiv vântului .

Sursele de
excita ție Componentele for țelor Efecte principale Valurile For țe oscilatorii de excita ție de ordinul I. Mișcările oscilatorii de ordinul I, având frecven ța valului,
care induc varia ții de tensiuni în linia de ancorare, într-o
gam ă de frecven țe cuprins ă între 0,05 ÷0,5 Hz.
For țe de deriv ă medii, de ordinul II, în
valuri regulate. Deplasarea medie a structurii, care induce tensiuni medii
în linia de ancorare.
For țe de deriv ă de ordinul II, datorate
ac țiunii valurilor neregulate și care au o
varia ție foarte lentă. Mișcări oscilatorii de ordinul II, cu varia ție foarte lent ă,
care induc tensiuni suplimentare în linia de ancora re, în
gama de frecven țe cuprins ă între 0,002 ÷0,03 Hz. Vântul For țe de deriv ă medii, cu posibilitatea
apariției unei componente cu varia ție
lent ă, datorit ă condițiilor nesta ționare. Deplasarea medie a structurii, care induce tensiuni medii
în linia de ancorare și posibilitatea apari ției
componentelor cu varia ție foarte lent ă a deplas ării și
tensiunii. Curen ții
marini For țe medii Deplasarea medie a structurii și tensiuni medii în linia de
ancorare.
Vârtejuri care induc for țe oscilatorii
asupra structurii și liniilor de ancorare
individuale. Mișcări oscilatorii ale structurii și tensiuni oscilatorii în
liniile de ancorare, în gama de frecven țe cuprins ă între
0,1÷5 Hz.
Vibra ția liniei de ancorare, în zona de frecven țe cuprins ă
între 0,001 ÷0,005 Hz. Ac țiunea
combinat ă a
valurilor, vântului și
curen ților marini For țe dependente de direc ția ac țiunii
factorilor de mediu. Instabilități ale sistemului, care genereaz ă oscila ții
între ținute, cu varia ție foarte lentă.
For țe tranzitorii Oscila ții ale sistemului la rezonan ță .
For țe și caracteristici ale sistemului
neliniar. Oscila ții subarmonice ale sistemului.
Instabilit ăți de tip Mathieu. Instabilități ale sistemului, care induc for țe de redresare
armonice și elasticitate liniar ă.

În general, sub influen ța elementelor de mediu,
structura răspunde prin intermediul mi șcărilor de
ordinul I (cu frecven ța egală cu aceea a excita ției) și
a mișcărilor de ordinul II, medii și de varia ție lent ă.
Aceste mișcări induc for țe importante în sistemul
de men ținere pe loca ție.
În particular, r ăspunsul structurii depinde în mod
esen țial de:
– forma sa geometric ă,
– dimensiunile acesteia raportate la caracteristicile
valului, vânturilor și curen ților marini de pe loca ția
de amplasare.

Din punct de vedere hidrodinamic structurile pot fi
clasificate în urm ătoarele categorii:
-corpurile de dimensiuni mari , pentru care nici o
dimensiune nu poate fi considerat ă mic ă în compara ție cu
lungimea sau în ălțimea valurilor. În acest caz sunt
preponderente for țele de natur ă poten țială (de iner ție și
gravita ționale) și se pot utiliza metodele teoriei poten țiale în
ipotezele simplificatoare ale fluidului ideal și al mișcării
irota ționale;
-corpurile de tip bar ă, pentru care cel pu țin una dintre
dimensiuni este mic ă în compara ție cu lungimea sau
în ălțimea valurilor. În acest caz, vâscozitatea nu mai poate
fi neglijat ă, deoarece for țele de vâscozitate sunt
predominante. Pentru determinarea acestor for țe se
utilizeaz ă rela ția cunoscuta sub denumirea de ecua ția
Morison – O’Brian;

-corpurilele mixte care
reprezint ă o combina ție a
celor dou ă categorii de mai
sus. În acest caz, for țele
hidrodinamice sunt calculate cu metode poten țiale pentru
elementele de tipul corpurilor mari și cu ajutorul ecua ției
Morison pentru elementele de tip bar ă;
-corpuri specifice care se refer ă în principal la
corpurile de dimensiuni mici, pentru care au fost dezvoltate metodele teoretice specifice, cum ar fi teoria
corpurilor mici.

Deși clasificarea prezentat ă pare simplă,
adoptarea metodei de calcul este o problemă
complex ă.
Din aceste motive este necesar ă analiza
formei și a rapoartelor dintre dimensiunile
caracteristice ale valurilor și cele ale structurii,
putându-se vorbi de gradul de “transparență”
hidrodinamic ă pentru structurile de tip jacket și
respectiv de gradul de “opacitate ”
hidrodinamic ă, în cazul structurilor
gravitaționale.

Tipuri de for țe
preponderente având ca referin ță
dimensiunile structurii și în ălțimea
valului

În general, s-a constatat c ă, pentru rapoarte λ/D>5
este necesar ă considerarea for țelor datorate
vâscozit ății, unde D este diametrul pilonului iar λ este
lungimea valului.

A doua problem ă important ă se refer ă la selec ția teoriei valului,
având în vedere caracteristicile loca ției și tipul structurii. În
cazul corpurilor mari, for țele hidrodinamice depind în general
de accelera ție, în timp ce, pentru elementele de tip bar ă, ele
depind de viteza particolei de fluid. În consecin ță , pentru
corpurile mari se prefer ă teoriile liniare ale valurilor, în timp ce
pentru elementele de tip bar ă se adopt ă teorii neliniare.

Datorit ă complexit ății problematicii, este practic
imposibil să se ob țin ă un concept hidrodinamic unitar,
care să poat ă fi aplicat oric ărui tip de structur ă si
pentru orice condi ții de mediu.
Din aceste motive modelele teoretice dezvoltate pentru rezolvarea comport ării structurilor plutitoare sau
fixe sunt intrinsec legate de caracteristicile geom etrice
ale structurii și de condițiile de mediu.
În consecin ță
principalele etape care trebuie
parcurse sunt: •identificarea regimului valurilor pentru loca ția de
amplasare și evaluarea valului semnificativ, H
1/3
pentru starea m ării cea mai probabil ă, precum și a
valului maxim probabil, Hmax ;

•selectarea unei teorii de val care reproduce cel ma i
bine cinematica particulei de fluid în condi țiile date;
•formularea unui model de calcul al for țelor
hidrodinamice de excita ție datorate valurilor, atât în
cazul structurilor plutitoare cât și în cazul structurilor
fixe;
•determinarea mi șcărilor structurii plutitoare și a
eforturilor în liniile de ancorare;
•evaluarea comport ării pentru diverse st ări ale mării și
identificarea limitei de opera ționabilitate (starea
maximă a mării pân ă la care structura este
opera țională) precum și evaluarea comport ării în
mare extrem ă, caz în care structura nu mai opereaz ă
dar trebuie să reziste pe loca ție;

Aceste rezultate constituie datele principale de
intrare în vederea realiz ării calcului sarcinilor
structurale precum și calcului răspunsului structural
pe termen scurt și respectiv pe termen lung (calcule
de oboseală). •evaluarea comport ării structurii luând în
considerare totalitatea factorilor de mediu, în vederea verific ării îndeplinirii criteriilor „metocean”
din punctul de vedere al for țelor de excita ție, al
for țelor din elementele de legare precum și
amplitudinilor mi șcărilor, vitezelor și accelera țiilor.

În general, exist ă două proceduri distincte care
pot fi utilizate în rezolvarea problemelor legate de
comportarea structurilor:
♦Metoda determinist ă care poate fi pseudostatic ă,
caz în care sarcinile maxime sunt calculate și aplicate
la analiza static ă a structurii și respectiv în domeniul
de timp, când se utilizeaz ă înregistrarea în timp a
valului pentru calculul for țelor dependente de timp la
considerarea r ăspunsului dinamic al structurii . În acest
caz se utilizeaz ă metode analitice în care mi șcările
structurii sunt descrise determinist cu formule, ca
func ții de timp, fiind astfel posibil ă descrierea
influenței fiec ărui parametru asupra comport ării
structurii considerate.

♦Metoda stochastic ă, care completeaz ă metoda
determinist ă și care consider ă valul, surs ă de
excita ție ca un proces aleator, descris prin
densitatea sa spectral ă de putere, descrierea
for țelor pe structur ă și a comport ării acesteia
având acela și caracter. În cazul metodei
stochastice toate calculele se realizeaz ă în
domeniul de frecven ță .
Trecerea de la ecua țiile de mișcare în domeniul de
frecven ță la cele în domeniul de timp se poate face,
în anumite ipoteze, prin utilizarea rela țiilor lui
Cummings.

CLASIFIC AREA ALE STRUCTURILOR OFFSHORE
Exist ă diferite criterii de clasificare a construc țiilor offshore
A. Func ționalitatea structurii
– P. Platforme (Platform) – instala ții de lucru în
mare deschis ă și în zone portuare servind ca
unit ăți de prospec țiune – exploatare petrolier ă,
instala ții suport pentru diversele opera țiuni
(procesare, producere, transfer, etc), stocarea produselor petroliere, elmente de legare și
acostare, port facl ă, cazarea personalului (living
quarter), etc;

– SPM – terminale petroliere – cunosute ca sisteme cu
punctr unic de ancorare (single point mooring), fii nd
utilizate în principal pentru transferul petrolului și care pot
fi rezervoare, elemente de acostare, geamanduri;
– NSB – nave speciale și barje, care pot avea forme
clasice tip nav ă sau catamarane și care pot fi nave de
forare (drilling ships), nave de pozi ționat țevi (pipe layer),
nave de pozi ționat cabluri (cable layer), AHTS (Anchor
Handling Tug Supply), OPV (offshore platform vessel),
barje de transport structuri fixe, nave pentru oper a țiuni
grele în mare deschis ă (Heavy Lift Vessels), macarale
plutitoare (floating crane), etc;
– IS – instala ții submarine (underwater systems), ROV
(remote operating vehicles) pentru inspec ție, rezervoare
poziționate pe solul marin, etc.

B. Principiul de men ținere pe loca ție
a) Fixarea pe fundul marin – în general sunt structuri de tip
jacket.

b) Așezarea gravita țional ă pe solul marin are dou ă
aspecte distincte – utilizarea unor structuri de tip jack – up care a u
dezavantajul unor reac țiuni mari la nivelul solului marin;
– utilizarea principiului maselor suplimentare (ral izarea
unor structuri grele).

c) structuri ancorate deplasabile (compliant) care sunt
concepute astfel încât s ă se deplaseze sub ac țiunea
for țelor exterioare, atenuând efectele acestora și care se
caracterizeaz ă prin așanumita caracteristic ă static ă
(curba for ță – deplasare)
– cuplare cu pretensionare vertical ă, TL (Tension Leg
Platform)

– cuplare prin intermediul ancorei (anchor leg) reprezentând o familie de tipuri incluzând turnuril e
simplu sau multiplu ancorate caracterizate prin cre area
unei flotabilit ăți în apropierea suprafe ței libere care s ă
furnizeze for ța de redresare necesar ă pentru
compensarea for țelor exterioare

– ancorarea cu lan țuri, cabluri, parâme sintetice sau
combina ții între acestea, for ța de redresare fiind dat ă de
sistemul de ancorare (catenary) generând sisteme ti p
CALM (catenary anchor leg mooring)

d) Poziționare dinamic ă constând în compensarea for țelor
de ordinul 2, a for țelor date de curent și a for țelor date de
ac țiunea vântului

C. Func ție de aria de activitate
Sunt 2 mari categorii: fixe și mobile

– platforme autoridic ătoare
Utiltzate pân ă la cca. 100m.
Se deplaseaz ă în regim de
remorcare când picioarele sunt ridicate și ansamblul
intr ă îm regim de plutire.
1. Platforme mobile

Platforma de forare în operare Platforma de forare – transport pe
loca ție

– platforme semisubmersibile – utilizeaz ă principiul
suprafe țelor de plutire mici (SWATH – Small Water
Area Twin Hulls), având o larg ă aplicabilitate datorit ă
mișcărilor reduse sub ac țiunea factorilor de mediu

Drilling Platform

– platforme submersibile –
utilizeaz ă balastarea ca mod de
așezare pe solul marin
– nave (barje) de forare – au
amenajări speciale pentru
realizarea opera țiunilor de forare.
Men ținerea pe loca ție se face prin
poziționare dinamic ă.

2. Platforme fixe – sunt adaptate la condi țiile de pe loca ție
– structuri tip jacket; – turnuri – o extindere a conceptului de jacket; – chesoane – construc ții adaptate pentru exploatarea unor
câmpuri petrolier mici. Sunt, în general, structuri cu u n singur
picior adânc implantat în solul marin pentru a se pute a lucra
în consolă.. Exist ă și construc ții monolit;
– gravita ționale – pot fi din beton, din o țel și mixte;
– specifice – adaptate la condi țiile speciale, putând fi: piloni
cu capacit ăți de stocare, tancuri cilindrice de stocare,
platforme fixe pentru zone cu maree accentuat ă, curen ți și
ghea ță (zona arctic ă) sau insule artificiale;
– deplasabile (compliant) – diverse forme constructive pen tru
care conceptul de men ținere pe loca ție este conform
clasific ării anterioare: TLP, turnuri ancorate, turnuri arti culate,
plutitor ancorat cu un singur lan ț sau structuri mari flotabile
ancorate cu lan țuri multiple.

Având la baz ă conceptele de men ținere pe loca ție pot fi
identificate, la modul foarte general, 2 tipuri de terminale
petroliere
Cu legare permanent ă, care nu se decupleaz ă pe parcursul
utiliz ării, caz în care transportul la mal se face cu ajutorul
tancurilor de navet ă;
Cu legare temporar ă când unitatea de stocare se poate
decupla. a. CALM (Catenary Anchor Leg Mooring) – cazul ancor ării cu
lan țuri, cabluri, parâme sau mixte sau sau CALRAM
(Catenary Anchor Leg Rigid Arm Mooring)

Sistem CALRAM în Marea Neagr ă

b. SALM (Single Anchor Leg Mooring) –pentru loca ții cu
condiții de mediu moderate. Aceste sisteme au o flotabilitate
incorporat ă în apropierea suprafe ței libere.

c. Sisteme cu turel ă (Turret) în diverse configura ții, turela
putând fi amplasat ă de-a lungul navei.
d. Sisteme u șoare de tip iade ș (Wishbone sau soft yoke)

e. Sisteme specifice pentru condi țiile speciale din Marea
Nordului cum sunt sistemele SPAR (Single Point Anchor Rotating)
SPAR (Single Point Anchor Rotating)
ELSBM (Exposed Location Single Buoy Mooring)
SEADECK constând în barje din beton precomprimat cuplat e
între ele rigid sau articulate și legate la un sistem SALM

Sisteme tip turn fix utilizat și pentru ancorarea navelor la o
plac ă rotitoare, turn fix ancorat (guyded tower) care este o
combina ție între conceptul gravita țional și CALM precum și
turnul articulat, CAT (Catenary Anchored Tower) care est e o
combina ție între CALM și SALM.

LNG 302 m x 50 m x 27 m & LNG FPSO – 336 m x 50 m x 32 m

Pre-treatment
Storrage Liquefaction
Natural gas

Drilling Ship
FPSO

Fixed Platform

LNG FSRU
LNG FPSO
Icebreaking Tanker
Ice Container

Apuntarea pe heliport

CALM Buoy

Dimensiunile platformelor depind de facilit ățile care se instaleaz ă
pe platforma: instala ție de forare,
procesare,spa ții de cazare,
heliport, etc. Clasificarea func ție de adâncimea
apei:
– < 350 M- Shallow water:
– < 1500 M – Deep water:
– > 1500 M – Ultra deep water.

Foarte general platformele pot fi clasificate in 2 ma ri categorii
Fixed structures that extend to the Seabed. – Steel Jacket – Concrete gravity Structure – Compliant Tower

Structuri în apropierea suprafe ței libere:
– Tension Leg platforms (TLP); – Semi Submersible; – Spar; – Ship shaped vessel (FPSO) – cu forme tipice pentru nave

Structuri din re țele de bare fixate în solul marin.
Se utilizeaz ă în cazul adâncimilor moderate (400 m).
Natural period (usually 2.5 second) is kept below wave period (14 to 20 seconds) to avoid amplification of wave loads.

COMPLIANT TOWER – fixed
Narrow, flexible framed structures supported by piled foundations. – Has no oil storage capacity. Production is through tensioned rigid risers and export by flexible or catenary steel pipe. – Undergo large lateral deflections (up to 3 m ) under wave loading.
Used for moderate water depths up to 600 M. – Natural period (usually 30 second) is kept above wave period (14 to 20 seconds) to avoid amplification of wave loads.

Fixed-bottom structures made from concrete. – Heavy and remain in place on the seabed without the need for piles; – Used for moderate water depths up to 300 M. – Part construction is made in a dry dock adjacent to the sea. The structure is built from bottom up, like onshore
structure. – At a certain point , dock is flooded and the partially built structure floats. It is towed to deeper sheltered water where remaining construction is completed. – After towing to field, base is filled with water to sink it on the seabed. – Advantage- less maintenance.

PLATFORMS (FLOATER)
Tension Leg Platforms (TLPs) are floating facilities that are tied down to the seabed by vertical steel tubes called tethers. – This characteristic makes the structure very rigid in the vertical direction and very flexible in the horizontal plane. The vertical rigidity helps to tie in wells for production, while, the horizontal compliance makes the platform insensitive to the primary effect of waves. – Have large columns and pontoons and a fairly deep draught.

TLP has excess buoyancy which keeps tethers in tension. Topside facilities , no. of risers etc. have to fixed at predesign stage. – Used for deep water up to 1200 m. – It has no integral storage. – It is sensitive to topside load/draught variations as tether tensions are affected.

SEMISUB PLATFORM
Due to small water plane area, they are weight sensitive. Flood warning systems are required to be in-place. – Topside facilities , no. of risers etc. have to fixed at pre-design stage. – Used for Ultra deep water. – Semi-submersibles are held in place by anchors connected to a catenary mooring system.

Column pontoon junctions and bracing attract large loads. Due to possibility of fatigue cracking of braces, periodic inspection/maintenance is prerequisite.

SPAR
Concept of a large diameter single vertical cylinder supporting deck. – These are a very new and emerging concept: the first spar platform, Neptune, was installed off the USA coast in 1997. – Spar platforms have taut catenary moorings and deep draught, hence heave natural period is about 30 s. – Used for Ultra deep water depth of 2300 m. – The center of buoyancy is considerably above center of gravity , making Spar quite stable.

SHIP SHAPED VESSEL (FPSO)
Ship-shape platforms are called Floating Production, Storage and Offloading (FPSO) facilities. – FPSOs have integral oil storage capability inside their hull. This avoids a long and expensive pipeline to shore. – Can explore in remote and deep water and also in marginal wells, where building fixed platform and piping is technically and economically not feasible. – FPSOs are held in position over the reservoir at a Single Point Mooring (SPM). The vessel is able to weathervane around the mooring point so that it always faces into the prevailing weather.

– Facilities are tailored to achieve weight and space savin g.
– Incorporates process and utility equipment 1. Drilling Rig 2. Injection Compressors 3. Gas Compressors 4.Gas Turbine Generators 5. Piping 6. HVAC 7. Instrumentation – Accommodation for operating personnel – Crane for equipment handling – Helipad TOPSIDE

PLATFORM PARTS
MOORINGS & ANCHORS
Used to tie platform in place.
Material: Steel chain Steel wire rope
– Catenary shape due to
heavy weight.
– Length of rope is more.
Synthetic fibre rope
– Taut shape due to
substantial less weight than steel ropes.
– Less rope length required.
– Corrosion free.

RISER Pipes used for production, drilling, and export of Oil
and Gas from Seabed. Riser system is a key component for offshore drilling or floating production projects. The cost and technical challenges of the riser system increase significantly with water depth. Design of riser system depends on filed layout, vessel interfaces, fluid properties and environmental condition.