ES2254739T3 - Tubo ascendente para la conexion entre un buque y un punto en el fondo marino. - Google Patents
Tubo ascendente para la conexion entre un buque y un punto en el fondo marino.Info
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Abstract
Tubo ascendente para conectar una estructura flotante y un punto en el fondo marino o en la proximidad del mismo para la transmisión de fluidos, de energía eléctrica y/o de señales, en el que el tubo ascendente está constituido por dos partes, un brazo del tubo ascendente inferior sustancialmente rígido (1) y un brazo del tubo ascendente superior (3), siendo el ángulo al nivel de un codo sustancialmente rígido (6) entre las dos partes (1 y 3) del tubo ascendente de aproximadamente 90 grados y por lo menos un elemento (5) se extiende a partir del codo (6) hasta un ancla (7) en el fondo marino a una distancia del codo (6) y según una dirección principalmente opuesta al brazo del tubo ascendente inferior (1) caracterizado porque el brazo del tubo ascendente inferior (1) se extiende desde un punto de conexión (2) en el fondo marino o en la proximidad del mismo al codo sustancialmente rígido (6) y el brazo del tubo ascendente superior se extiende desde el codo (6) a la estructura flotante (4) ydicho por lo menos un elemento (5) es elástico.
Description
Tubo ascendente para la conexión entre un buque y
un punto en el fondo marino.
La presente invención se refiere a un tubo
ascendente para conexión entre una estructura flotante y un punto de
conexión que está fijado en el fondo marino. Los tubos ascendentes
se utilizan para transportar productos de petróleo desde un pozo a
una instalación de procesamiento a bordo de una estructura flotante,
para exportar productos de petróleo y para proporcionar una
instalación en el subsuelo marino con sustancias químicas y señales
de control.
Existen varias formas para que una estructura
flotante se pueda mantener estable en relación con un punto en el
fondo marino. Se puede fijar con líneas de anclaje inclinadas o
líneas de anclaje verticales (como una plataforma de patas de
tensión) o se puede posicionar de forma dinámica. En todos estos
diferentes procedimientos, el buque o la plataforma sufrirán algunos
movimientos vertical y horizontalmente debido a olas, corrientes de
viento o similares. Para todos estos procedimientos se establecerían
límites para cuánto le está permitido al buque o plataforma
desplazarse vertical y horizontalmente, pero existirá siempre alguna
dinámica en un sistema con un tubo ascendente entre un punto en el
fondo marino y una plataforma o buque flotante y existen varias
formas de gestionar esta dinámica.
Para una estructura flotante que esté
verticalmente anclada (una plataforma de patas de tensión) de modo
que la longitud de los tubos ascendentes sea más o menos constante,
se pueden emplear tubos ascendentes metálicos que sean rectos y
verticales. Aun cuando la estructura flotante sea una plataforma de
patas de tensión se producirá algún movimiento y los tubos
ascendentes suelen estar provistos de compensadores pesados sobre la
cubierta de la plataforma para compensar los pequeños cambios en la
longitud y la rigidez. Suele existir siempre un deseo de reducir la
cantidad de equipos sobre una plataforma o buque, debido a
limitaciones en peso y espacio. Además, el tubo ascendente suele
estar provisto de juntas de esfuerzos en el fondo marino. Dichas
juntas de esfuerzos son trozos de tubo cónico. Puesto que las juntas
de esfuerzos tienen una escala a alguna potencia del diámetro, se
hacen muy grandes cuando aumenta el diámetro y esto impone límites
prácticos sobre su diámetro
máximo.
máximo.
Para buques o plataformas que utilicen líneas de
anclaje inclinadas o estén en un posicionamiento dinámico, la
distancia entre el punto extremo del tubo ascendente en el buque y
en el fondo marino puede variar considerablemente debido a las
modificaciones en el calado del buque, mareas, viento y oleaje o
como resultado de daños al buque o al sistema de anclaje. En tales
casos, se suelen utilizar mangueras flexibles, frecuentemente
provistas de boya y lastre para aumentar su flexibilidad. Las
mangueras flexibles son de alto coste y se desea utilizar tubos
ascendentes
metálicos.
metálicos.
La forma más simple es una forma en J, en la que
el tubo ascendente adopta la forma de una catenaria desde el punto
tangencial en el fondo marino hasta la plataforma. Esto es solamente
adecuado para aplicaciones en las que la profundidad del agua es
varias veces el movimiento horizontal máximo de la plataforma y
donde están limitados los movimientos dinámicos de la
plataforma.
Una forma más común es la de una "S"
reclinada, en la que el peso de la manguera la hace cóncava cerca
del extremo que está conectado a la plataforma y los elementos
flotantes la hacen cóncava cerca del extremo que está conectado al
fondo marino. Desde aquí, un apoyo continuo sobre el fondo marino
lleva a una instalación en dicho fondo marino. El tubo ascendente se
mantiene tensado por uno o dos cables de fijación sujetos a un
ancla. La longitud total de esta configuración del tubo ascendente
es aproximadamente 3 veces la profundidad del agua y los radios de
curvatura son tan pequeños que el tubo tiene que estar en la forma
de una manguera flexible. En un intento de utilizar titanio, que
puede soportar radios de flexión sustancialmente más pequeños que el
acero, se encontró que los tubos tenían que flexionarse cerca de su
forma final, lo que creaba considerables problemas en la
instalación.
Una solución posible para una configuración de
tubo ascendente con elementos de tubo ascendente rígidos es un tubo
ascendente según se describe en el documento WO 97/21017. El tubo
ascendente entre el punto de conexión en el fondo marino y la
plataforma flotante consiste en dos elementos rígidos conectados con
un codo con contrapesos en un ángulo de más o menos 90 grados cerca
del fondo marino. Sin embargo, esta configuración permite solamente
pequeños movimientos de la estructura flotante en un plazo
horizontal. Esto es así porque el codo con contrapesos siempre
tenderá a mantener la parte del tubo ascendente entre el codo y la
plataforma flotante, en una posición vertical y esto proporcionará
fuerzas indeseadas y críticas en la parte sustancialmente horizontal
del tubo ascendente. Un documento importante adicional es el WO
97/30265.
El objetivo de la presente invención es sustituir
estas disposiciones conocidas por otra que permita un tubo
ascendente más corto y cuyo tubo ascendente no requiera elementos
flotantes, mientras que, al mismo tiempo, tenga mayor flexibilidad
en relación con los movimientos de la estructura flotante. Otro
objetivo es conseguir un tubo ascendente constituido principalmente
por elementos de tubo rectos y que sea de tal naturaleza que la
flexibilidad limitada del metal (acero o titanio) sea apropiada.
Otro objetivo de la presente invención es obtener un sistema de tubo
ascendente con gran flexibilidad en relación con los movimientos de
la estructura flotante que, al mismo tiempo, no utilice demasiado
espacio en el fondo marino.
Estos objetivos se alcanzan con un sistema de
tubo ascendente según las reivindicaciones siguientes.
Un tubo ascendente según la invención, para la
conexión entre una estructura flotante y un punto en o próximo al
fondo marino para transporte de fluidos, energía eléctrica y/o
señales, consiste en dos partes sustancialmente rígidas, un brazo
del tubo ascendente inferior y un brazo del tubo ascendente
superior. Las dos partes son sustancialmente rectas en una condición
descargada. El tubo ascendente inferior se extiende desde el punto
de conexión en o cerca del fondo marino a un codo sustancialmente
rígido y el tubo ascendente superior se extiende desde el codo a la
estructura flotante. El ángulo entre las dos partes del tubo
ascendente es de aproximadamente 90 grados y por lo menos un
elemento elástico se extiende desde el codo a un anclaje en el
fondo marino a una distancia del codo y en una dirección
principalmente opuesta del tubo ascendente inferior.
El codo está en la proximidad del lecho marino y
cuando el tubo ascendente y la estructura flotante está en una
posición neutra, los salientes horizontales del punto de conexión
del tubo ascendente a la estructura flotante y el punto de conexión
del tubo ascendente en o cerca del fondo marino están en el mismo
lado del saliente horizontal del codo. Además, cuando la estructura
flotante está en una posición neutra estará el codo en la proximidad
del fondo marino, de tal modo que el eje longitudinal del brazo del
tubo ascendente inferior se extienda formando un ángulo agudo en
relación con un plano horizontal y con, para toda la longitud de
las piezas, tengan una forma casi catenaria. El brazo del tubo
ascendente inferior tendrá un eje longitudinal que esté próximo a la
horizontal.
Otro aspecto de la invención es que un punto de
transición, en el que el brazo del tubo ascendente inferior se eleva
fuera del fondo marino, está aproximadamente en una línea vertical
desde el punto de conexión del tubo ascendente a la estructura
flotante y que el ángulo entre el elemento elástico y el brazo del
tubo ascendente superior, opuesto al brazo del tubo ascendente
inferior, está en un ángulo comprendido entre 60 y 180 grados,
preferentemente, entre 80 y 120 grados.
El elemento elástico o un haz de elementos
elásticos están montados de tal modo que absorbe las fuerzas de
tensión en un plano horizontal y de este modo, el brazo del tubo
ascendente inferior soporta principalmente las fuerzas de
flexión.
En comparación con estos diseños conocidos, los
tubos ascendentes según la invención tienen ventajas
significativas:
- \bullet
- Longitud reducida (aproximadamente un 50% en comparación con la configuración en S)
- \bullet
- Tubos de acero en lugar de mangueras flexibles
- \bullet
- Carga reducida sobre la plataforma en comparación con las mangueras flexibles
- \bullet
- Requisitos de espacio reducidos en el fondo marino
Aun cuando debe requerirse materiales muy aleados
por razones de corrosión, el precio por metro para los tubos será
menor que la mitad del precio de las correspondientes mangueras
flexibles. Además, la tolerancia de la presión y de la temperatura
de los metales será bastante mejor que para los plásticos que
constituyen el elemento de sellado en una manguera flexible. Puesto
que la longitud es aproximadamente la mitad, un tubo ascendente,
según la invención, costará ¼ a ½ de un correspondiente tubo
ascendente fabricado con manguera flexible. Además, se obtienen
ahorros en los elementos flotantes, que son de coste
considerablemente mayor que el cable de anclaje necesario para los
tubos ascendentes según la
invención.
invención.
La presente invención se explicará a
continuación, con más detalle, describiendo algunas de sus formas de
realización haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los
que:
La Figura 1 describe la presente invención, en la
que el buque o plataforma está en tres posiciones diferentes, una
neutra N, otra máxima a la izquierda V y una tercera máxima a la
derecha H,
La Figura 2 ilustra una forma geométrica que se
asemeja al tubo ascendente según la invención,
La Figura 3 describe una segunda forma de
realización del elemento elástico según la invención,
La Figura 4 describe una tercera forma de
realización del elemento elástico,
La Figura 5 describe una cuarta forma de
realización del elemento elástico,
La Figura 6 ilustra una forma de realización del
codo,
La Figura 7 ilustra una forma de realización del
punto de conexión al fondo marino,
Las Figuras 8 y 9 ilustran un posible
procedimiento de instalación de un tubo ascendente según la
invención,
La Figura 10 ilustra la configuración del tubo
ascendente según la invención, en conexión con una plataforma TLP
(patas de tensión constante).
Según se ilustra en la Figura 1, un tubo
ascendente diseñado de conformidad con la invención adopta la forma
de una L, en la que el brazo del tubo ascendente inferior 1 está
conectado al punto fijo 2 en el fondo marino y el brazo del tubo
ascendente superior 3 está conectado a un buque o plataforma 4. Un
elemento elástico 5, que puede ser una cadena y/o un cable elástico
o una combinación de ambos y que puede utilizar boyas y/o pesos
sumergidos, pero preferentemente es un cable de material sintético,
se extiende desde el codo 6 entre los brazos del tubo ascendente a
un ancla 7 en el fondo marino.
Ante todo, se describirá la forma que adoptará un
tubo ascendente según la invención, en agua en calma, cuando el
punto de conexión superior del tubo ascendente, el buque o la
plataforma se desplace en el plano del tubo ascendente. A
continuación, se describirá cómo los movimientos a través del plano
influyen sobre la forma y el efecto de las corrientes y olas.
Las figuras están dibujadas de tal modo que el
ancla del tubo ascendente 7 está situada a la izquierda del buque 4
y la descripción está de acuerdo con esta situación. Cuando el buque
4 está en su posición izquierda extrema V, el brazo del tubo
ascendente superior 3 se inclina en un ángulo de 0 a 10 grados a la
derecha, el codo 6 está cerca del fondo marino y el brazo del tubo
ascendente inferior 1 está principalmente apoyado en el fondo
marino. El cable 5 se estira a aproximadamente un 10% de su carga de
rotura. En la posición extrema opuesta H, el buque 4 se desplaza a
la derecha de la figura en correspondencia con un máximo del 72% de
la profundidad del agua. A continuación, el cable 5 se estira al 50
a 60% de su carga de rotura. Los dos brazos 1 y 3 del tubo
ascendente tienen una forma casi de catenaria, puesto que dichos
brazos son tan largos en relación con su diámetro que la rigidez de
flexión no afecta a la forma en una magnitud notable, exceptuado
cerca de los extremos.
Para las catenarias, la forma viene determinada
por el equilibrio de fuerzas: en un punto en el que la distancia a
lo largo de la cadena desde el punto tangencial horizontal es S, el
ángulo A entre la cadena y el plano horizontal viene dado por la
fórmula
tan(A) = H/Sw, donde H es la tensión horizontal y w es el peso por metro de la cadena. La forma del tubo ascendente, ilustrado en la Figura 1, se calcula aplicando esta fórmula. El radio de curvatura, que es proporcional al esfuerzo de flexión, viene dado por la fórmula R = 2H/(w*(1+cos(2 A)). Se deduce de lo anterior que el radio de curvatura es menor y el esfuerzo de flexión es máximo donde la catenaria es horizontal. Además, se deduce que el ángulo entre los brazos del tubo ascendente es aproximadamente constante a un valor de 90 grados, si la estructura flotante está en posiciones extrema a izquierda, neutra o extrema a la derecha. Esta característica simplifica, en gran medida, el diseño del codo 6.
tan(A) = H/Sw, donde H es la tensión horizontal y w es el peso por metro de la cadena. La forma del tubo ascendente, ilustrado en la Figura 1, se calcula aplicando esta fórmula. El radio de curvatura, que es proporcional al esfuerzo de flexión, viene dado por la fórmula R = 2H/(w*(1+cos(2 A)). Se deduce de lo anterior que el radio de curvatura es menor y el esfuerzo de flexión es máximo donde la catenaria es horizontal. Además, se deduce que el ángulo entre los brazos del tubo ascendente es aproximadamente constante a un valor de 90 grados, si la estructura flotante está en posiciones extrema a izquierda, neutra o extrema a la derecha. Esta característica simplifica, en gran medida, el diseño del codo 6.
Si no se considera la ovalización de la sección
transversal que se produce cuando la pared del tubo es delgada en
relación con el diámetro del tubo, el esfuerzo de flexión en
materiales elásticos es igual a (E*r/R) donde E es el módulo de
elasticidad, r es el radio exterior del tubo y R es el radio de
curvatura.
La Figura 1 ilustra que la forma del brazo del
tubo ascendente inferior 1 se asemeja a un arco circular y el brazo
del tubo ascendente superior 3 presenta un radio de curvatura
sustancialmente mayor que el del brazo inferior.
La Figura 2 ilustra una geometría que se asemeja
a un tubo ascendente según la presente invención. En este caso, el
brazo superior es recto, el ángulo entre los brazos del tubo
ascendente es de 90 grados y el brazo inferior es un arco circular
con un radio igual a la longitud del brazo superior. En la Figura,
el brazo superior está girado en un ángulo de 45 grados y se puede
observar que el punto extremo del brazo superior se desplaza
paralelo al plano tangencial en una distancia igual a 0,78 veces el
radio del brazo inferior.
Puesto que un tubo ascendente según la invención
se asemeja a la geometría ilustrada en la Figura 2, es evidente que
este tubo puede absorber movimientos horizontales importantes del
buque por la elevación del brazo del tubo ascendente inferior desde
el fondo marino en un grado mayor o menor y asumiendo la forma de un
arco. Para poder elevar el brazo del tubo ascendente inferior 1, el
ángulo entre el elemento elástico 5 y el brazo del tubo ascendente
superior 3 es necesario que sea inferior a 180 grados, y de este
modo, estableciendo un límite geométrico sobre la magnitud en la que
se puede desplazar a la derecha el buque 4. Resultará evidente que
un tubo ascendente conformado de este modo presentará una longitud
menor que dos veces la profundidad del agua; esto es,
considerablemente más corto que el tubo ascendente en forma de S
antes descrito.
Los radios de curvatura de los dos brazos 1 y 3
del tubo ascendente se determinan por la fuerza aplicada en el
elemento elástico 5, que se distribuye entre los brazos superior e
inferior del tubo ascendente. Cuando el buque 4 se desplaza a la
derecha, se extiende el elemento elástico 5. Al mismo tiempo,
aumenta la componente horizontal de la fuerza axial en el brazo del
tubo ascendente superior 3. Con una longitud y elasticidad
adecuadas, el elemento elástico 5, dicha fuerza aumenta
aproximadamente en la misma magnitud que la componente horizontal de
la fuerza axial en el brazo del tubo ascendente superior. La fuerza
horizontal en el brazo del tubo ascendente inferior es, de este
modo, aproximadamente constante y en consecuencia, también lo es su
radio de curvatura.
La posición del codo 6 en las dos posiciones
extremas y la fuerza necesaria en el elemento elástico 5, en estas
posiciones extremas para conseguir que el radio de curvatura en el
brazo del tubo ascendente inferior 1 exceda de un mínimo con un
margen adecuado, proporciona la base para calcular el diámetro y la
longitud necesaria del elemento elástico 5, cuando se conocen su
módulo de elasticidad y la tensión máxima permitida.
Si el buque 4 se desplaza perpendicularmente al
plano del tubo ascendente, el codo 6 se desplazará hasta que se
satisfaga el equilibrio de fuerzas. El brazo del tubo ascendente
inferior 1 tiene que deslizarse sobre el fondo marino y el
movimiento está reducido por la fricción contra el fondo marino. La
fuerza desde el elemento elástico 5 debe ser suficiente para impedir
que se haga demasiado pequeño el radio de curvatura en el plano
horizontal. Puesto que el coeficiente de rozamiento entre el tubo y
el fondo marino es menor que 1, el radio de curvatura en el plano
horizontal es, sin embargo, siempre mayor que en el plano vertical.
El brazo del tubo ascendente inferior 1 experimenta una torsión
elástica alrededor de su propio eje y el momento de torsión se
transmite a la flexión en la parte inferior del brazo del tubo
ascendente superior 3. Se puede demostrar que el brazo del tubo
ascendente inferior 1 es flexible en torsión, de modo que el momento
de flexión producido será consecuentemente pequeño.
Cuando el buque 4 se desplaza por la acción del
oleaje, las componentes de movimiento que son normales al brazo del
tubo ascendente superior 3 serán sustancialmente amortiguadas debido
a la resistencia del flujo hidrodinámico, mientras que los
movimientos a lo largo del brazo del tubo ascendente superior 3 se
transmitirán al punto 6, con el resultado de que el brazo del tubo
ascendente inferior 1 se desplaza a través de su dirección
longitudinal. La resistencia del flujo influye sobre la forma de la
misma manera que el peso y la fuerza en el elemento elástico 5 debe
ser suficiente para limitar también esta acción en adición a la
curvatura debida a la resistencia del flujo y las fuerzas
inerciales.
Los esfuerzos no deben superar valores máximos
permitidos bajo las condiciones siguientes:
- \bullet
- Movimiento máximo de la plataforma durante la operación normal y en el caso de accidentes de modo que se produzca la separación de una de las líneas de anclaje de la plataforma
- \bullet
- Altura máxima de la ola
- \bullet
- Desgaste o daño del elemento elástico 5.
La duración está limitada por la fatiga en el
material. Los puntos más vulnerables son el codo 6 y el brazo del
tubo ascendente inferior 1 próximo al punto donde se eleva desde el
fondo marino. Los datos de las olas para la zona interesada donde ha
de utilizarse el tubo ascendente están desglosados en periodos y
alturas de las ondas de valor representativo y un número de olas que
se pueden esperar por año dentro de cada ola representativa. El
resultado del análisis dinámico del tubo ascendente para cada una de
dichas olas proporciona márgenes de esfuerzos en las diversas partes
del tubo ascendente. A partir de los datos importantes, el número de
ciclos de esfuerzos que se puede esperar que soporte el material del
tubo ascendente se conoce para cada margen de esfuerzos, suponiendo
una calidad dada de junta soldadas. Por lo tanto, se puede estimar
la longevidad a la fatiga.
Si no se considera importante la rigidez de
flexión, en principio se puede calcular manualmente la forma
estática. En la práctica, se utiliza un programa de ordenador
general tal como MathCAD.
La forma estática del tubo ascendente, bajo la
influencia de corrientes y los movimientos y esfuerzos resultantes
de los movimientos de las olas, se calculan por medio de programas
de ordenador dinámicos.
A continuación se proporciona un ejemplo del
diseño de un tubo ascendente, según la invención, para una
aplicación real, con los parámetros siguientes:
- \bullet
- Profundidad del agua 330 m
- \bullet
- El tubo ascendente está conectado al buque 4 a una altura de 13 m sobre la superficie
- \bullet
- Los movimientos de la plataforma son de \pm 120 m en el plano horizontal
- \bullet
- El diámetro del tubo ascendente es de 150 m interior y de 182 m exterior
- \bullet
- El punto de conexión 2 para el tubo ascendente está 63 m a la derecha del punto de conexión en el buque 4 cuando este último está en su posición neutra
- \bullet
- La fuerza máxima del viento y de las corrientes desplaza el buque 4 aproximadamente 33 m desde la posición de agua en calma
- \bullet
- La mayor altura de la ola es 32,5 m y el periodo de ola asociado está comprendido entre 15 y 18,3 segundos
- \bullet
- El punto donde el brazo del tubo ascendente superior 3 está conectado al buque 4, se mueve aproximadamente 10 m en sentido vertical y 25 m en sentido horizontal, con un periodo igual al periodo de la ola.
El diseño de un tubo ascendente, según la
invención, está constituido como sigue:
El brazo del tubo ascendente inferior 1 presenta
una longitud de 230 m. El brazo superior de tubo ascendente presenta
una longitud de 313 m. El elemento elástico consiste en 8 cables de
poliéster paralelos con un núcleo de 18 mm de diámetro y 810 m de
longitud. El ancla 7 está situada 930 m a la izquierda del punto de
conexión en el buque 4 cuando la plataforma está en su posición
neutra.
Los resultados de los cálculos estáticos y
dinámicos son:
La forma presenta altas frecuencias naturales,
con el resultado de que las oscilaciones dinámicas no se amplifican
por la inercia másica en la estructura. El margen de esfuerzos es,
por lo tanto, relativamente pequeño. El esfuerzo de flexión en el
brazo del tubo ascendente inferior 1, cerca del punto donde se eleva
desde el fondo marino, alterna entre 0 y aproximadamente 90 MPa.
Para olas más pequeñas, el margen de esfuerzos es
correspondientemente menor y la longevidad a la fatiga se estima que
es adecuada, suponiendo un procedimiento de construcción según se
describe a continuación.
La tensión del cable corresponde a
aproximadamente un 23% de la carga de rotura del cable cuando la
plataforma está en su posición neutra y la fuerza aumenta a
aproximadamente un 58% de la carga de rotura cuando la plataforma
está en su posición extrema a la derecha H. En esta situación se
supone que el tubo ascendente está rellenado con un medio que
presenta una densidad de 800 kg/m^{3}, correspondiente al
funcionamiento normal. Durante las condiciones de instalación o
anormales, la densidad se puede modificar y por lo tanto, también se
modificarán las fuerzas y los esfuerzos de flexión.
El elemento elástico 5 es, según se indicó con
anterioridad, preferentemente un cable de material sintético y puede
consistir también en varios cables o materiales similares. Según los
proveedores de cable de poliéster, con el uso de esta clase, el
cable presentará una longevidad a la fatiga casa ilimitada. Si el
cable es estirado para su fuerza máxima estimada durante la
operación inicial, su longitud no se modificará posteriormente en
ninguna magnitud considerable.
Otros materiales distintos a poliéster, como por
ejemplo nylon, se pueden emplear también y si así se desea, el cable
se puede trenzar o retorcer alrededor de un núcleo de caucho en una
parte de su longitud para aumentar todavía más su flexibilidad. El
diseño de un cable de esta clase para aumentar su elasticidad se
conoce a partir de las cuerdas elásticas para sujeción de equipajes
en los automóviles y de las amarras para pequeñas embarcaciones.
Otra versión del elemento elástico es pasar uno o más cables sobre
poleas en el ancla a un cuerpo flotante reduciendo, de este modo, la
fuerza máxima aplicada en el cable.
Como alternativa, el cable o los cables se pueden
hacer pasar sobre una polea que se eleva por encima del fondo marino
y con un peso suspendido en su extremo.
Un cable elástico proporciona una relación entre
la tensión y la dilatación que es lineal, lo que facilita los
análisis para predecir su comportamiento. Si el cable tiene un
módulo de elasticidad constante, la posición del ancla y el diámetro
y longitud del cable se pueden calcular sobre la base de dos
posiciones estáticas para el extremo superior del tubo ascendente.
Si se utiliza un contrapeso o un cuerpo flotante, se necesitan más
posiciones.
El elemento elástico 5 puede ser, asimismo, una
cadena convencional o una combinación de cadena y cable elástico. La
elasticidad en el cable se puede modificar añadiendo elementos
flotantes concentrados como una sola boya o distribuidos sobre parte
del cable. Asimismo, se pueden añadir pesos. Ambos tipos añaden la
elasticidad de forma de la configuración a la elasticidad debida al
material del cable. Una configuración de esta clase se representa en
la Figura 3, en la que el elemento elástico 5 está provisto de una
boya 51 y de pesos 52.
Otra alternativa para un elemento elástico es una
cadena, según se ilustra en la Figura 4, donde la flecha en la
cadena hace que la tensión varíe con la extensión. La cadena tenderá
a asumir una forma de catenaria, hasta que se estire a una línea
recta. Si parte de la cadena se apoya en el fondo marino y se eleva
gradualmente cuando aumenta la tensión, se modifica la relación
entre tensión y dilatación. Además, la cadena puede estar
constituida por elementos que presenten una relación diferente de
peso/metro a lo largo de la cadena, lo que, de nuevo, modificará las
características de una cadena como el elemento elástico 5.
Asimismo, es posible añadir una boya a un
elemento elástico en la forma de una cadena. Esto permite su
utilización cuando el punto de conexión en el tubo ascendente está
más próximo al fondo marino que sin la presencia de una boya. Otra
posibilidad es, tal como se ilustra en la Figura 5, un elemento
elástico 5 constituido por una sección entre la boya y el codo del
tubo ascendente, en el que el elemento elástico 5 es un alambre o
cable sintético y el elemento elástico desde la boya al ancla 7 es
una cadena. En esta forma de realización del elemento elástico 5, la
sección del elemento elástico 5 entre el codo y la boya está ligada
a la extensión del brazo del tubo ascendente inferior 1, cuando
éste último está en una posición neutra. Una forma de realización de
esta clase se utiliza para reducir al mínimo la variación de la
tensión y del movimiento de la cadena del ancla en el brazo del tubo
ascendente inferior cuando la plataforma o el buque se mueve por la
acción del oleaje.
Asimismo, existe la posibilidad de presentar el
punto de anclaje para el elemento elástico 5 elevado respecto al
fondo marino. Un punto de anclaje de esta clase se asemeja a un
punto de conexión para una boya, pero dicho punto será fijo. Esta
situación no se ilustra en ninguna figura.
Asimismo, pueden existir varios elementos
elásticos entre el codo y el fondo marino. Los puntos de anclaje al
fondo marino pueden estar, para varios elementos elásticos, en forma
de abanico, pero la componente resultante de las fuerzas de los
elementos elásticos estará en una dirección principalmente opuesta a
la dirección del tubo ascendente inferior.
Preferentemente, el codo 6 está diseñado tal como
se ilustra en la Figura 6. Los momentos de flexión en el brazo del
tubo ascendente inferior 1 y el brazo del tubo ascendente superior 3
aumentan hacia el codo 6 y con frecuencia, los brazos se deben
reforzar cerca del codo para evitar que se hagan demasiado grandes
los esfuerzos del material. Una solución conocida y frecuente es
aumentar el espesor de la pared en los tubos ascendentes, de forma
local y gradual, hacia el codo 6. Sin embargo, en este caso esta
medida es irracional puesto que los momentos de flexión cerca del
codo 6 están principalmente en el plano del codo 6, con el resultado
de que existe muy poca carga sobre el material cerca del eje neutro
para dicha flexión. Los momentos en el otro plano son absorbidos
casi por completo por la torsión en el brazo del tubo ascendente
inferior 1, por lo que se hace innecesario el refuerzo para dichos
momentos.
En cambio, el tubo está rigidizado por vigas que
están dispuestas paralelas a los tubos.
El brazo superior 3 y el brazo del tubo
ascendente inferior 1 están conectados a un trozo de tubo curvado.
Alrededor de los brazos 1 y 3 están montadas unas abrazaderas de
fijación 9, 10, 11 y 12. Las abrazaderas de fijación están provistas
de muñones 13 que están situados normales al plano del tubo
ascendente. Las abrazaderas de fijación 9 y 10 pueden transmitir
fuerzas axiales y transversales desde el tubo a los muñones 13. Las
abrazaderas 11 y 12 solamente pueden transmitir fuerzas
transversales. Paralelos al brazo superior 3 y al brazo del tubo
ascendente inferior 1 están montados dos pares de vigas 15, 16 cuyos
ejes más rígidos radican en el plano del tubo ascendente. En las
etapas están provistos unos orificios que se adaptan para sujetar
los muñones 13. Es probable que los orificios tengan que reforzarse
para proporcionar una zona de apoyo. Las vigas se extienden hasta
que se encuentran en pares en un eje 17, que está provisto de un
gancho 18 alrededor del cual se puede enganchar el elemento elástico
5. Una viga 19 está conectada entre las abrazaderas 9 y 10 para
rigidizar el codo. Según esta forma de realización, la tensión en
los tubos 1 y 3 se transmite a través de las abrazaderas 9 y 10 a
las vigas 13 a 16 y desde estas últimas al cable de anclaje 5,
mientras que los momentos de flexión en los tubos 1 y 3 se
transmiten, en parte, a las vigas a través de las abrazaderas 9 a
12. La rigidez de los pares 15 a 16 debe ser mayor cerca de los
puntos extremos de la viga 19 y reducida hacia ambos extremos. Si
se omiten las abrazaderas de fijación 11, la estructura será más
sencilla pero ligeramente menos
eficaz.
eficaz.
Si fuera necesario, el extremo inferior del tubo
ascendente se puede rigidizar de la misma forma que en el codo 6
mediante las abrazaderas 12 y las vigas 15 que, en este caso, se
deben sujetar al punto de conexión fijo en el fondo marino. Esta
construcción se representa en la Figura 7. Si la instalación del
fondo marino no puede soportar el momento de flexión transmitido por
un medio rigidizante de acero, la parte del brazo del tubo
ascendente más próxima a la terminación del fondo marino puede
fabricarse de titanio. En este caso, la altura de la viga se debe
reducir de modo que la viga pueda soportar este radio de flexión
reducido.
Un procedimiento preferido de construcción e
instalación del tubo ascendente, según la invención, se ilustra en
las Figuras 8 y 9.
Trozos estándar de tubo se sueldan juntos para
formar segmentos de 60 a 80 m en un taller en tierra. Los segmentos
están terminados por bridas soldadas. Puesto que la resistencia a la
fatiga de las conexiones soldadas es inferior a la que presenta el
metal base, los extremos de los tubos son engrosados para un mayor
espesor de la pared reduciendo, de este modo, los esfuerzos de
flexión en la zona soldada en una magnitud suficiente para
proporcionar una longevidad a la fatiga en esta zona que sea por lo
menos como la del material base. Después de la operación de
soldadura, las soldaduras son mecanizadas o rectificadas en sus
partes exterior e inferior. Para la construcción antes descrita, los
extremos de los tubos han de engrosarse suficientemente para
asegurar que el espesor de la pared en la soldadura sea como mínimo
de 20 mm una vez que se haya mecanizado la soldadura. Puesto que los
trozos de tubo estándar suelen tener una longitud aproximada de 8 m,
se necesita una herramienta que sea algo más larga para poder
mecanizar interiormente las soldaduras. Los segmentos de tubo pueden
mecanizarse, asimismo, exteriormente de tal modo que el espesor de
la pared cerca de las soldaduras sea mayor que en ningún otro lugar.
La conexión de trozos de tubos de esta forma es conocida en la
técnica anterior. Dichos medios para mejorar la longevidad a la
fatiga pueden ser necesarios, para el tubo ascendente según la
invención, solamente en partes cortas de dicho tubo, a saber, cerca
de la superficie del agua, cerca del codo y cerca del fondo marino,
pero, con frecuencia, no son necesarios en absoluto.
A continuación, los segmentos de tubo se cargan
en el buque de instalación 200, que está provisto de un canal de
descarga y cimentaciones adecuadas para almacenar los segmentos de
tubo. El buque instala primero el ancla del tubo ascendente 7 con el
elemento elástico 5 y un cable de extensión 23 a través de una polea
en el ancla 7 y de nuevo a un chigre en el buque de instalación 200.
Dos cables 20, 21 están conectados al extremo de la plataforma del
tubo ascendente y al extremo del fondo marino respectivamente y se
hacen pasar a través de poleas en el buque 4 a chigres en el buque
de instalación 200. El cable de tracción 22 se hace pasar desde el
extremo del fondo marino del tubo ascendente a la instalación en el
fondo marino 2. En la Figura, el cable de tracción 22 se hace pasar
a través de una polea en la instalación del fondo marino 2 hasta un
chigre en el buque 4. Cuando los cables 20 y 21 son objeto de
tracción, los primeros segmentos del brazo del tubo ascendente
superior 3 y el brazo del tubo ascendente inferior 1 se deslizan en
el canal de descarga en el buque hasta que el siguiente segmento
pueda desplazarse detrás en el canal de descarga, permitiendo, de
este modo, que se conecte el acoplamiento de brida. Los chigres, que
no están representados, se necesitan, asimismo, para asegurar que se
pueda controlar la posición de los segmentos de tubo en la dirección
longitudinal del buque de instalación.
La Figura 8 ilustra la situación mientras están
ensamblados los brazos superior e inferior 3 y 1. Cuando está
completado el ensamblado del brazo inferior 1 y el brazo del tubo
ascendente superior 3, el cable 21 se afloja de modo que el brazo
del tubo ascendente inferior 1 gira a una posición casi vertical. A
continuación, resulta sencillo conectar el acoplamiento de brida al
codo 6. Cuando se accionan los cables 20, 22, 24 y 23, el extremo
del buque del brazo del tubo ascendente superior 3 se desplaza a su
conexión en el buque 4, el brazo del tubo ascendente inferior 1 se
desplaza al punto de conexión fijo en el fondo marino 2 y el
elemento elástico 5 a su conexión en el ancla 7. En la Figura 9 se
representa esta situación.
Después de que el brazo del tubo ascendente
inferior 1 esté conectado al punto de conexión fijo del fondo marino
2, el elemento elástico 5 se puede tensar y desconectarse las otras
líneas.
Tal como se ilustra en la Figura 10, el tubo
ascendente, según la invención, se puede utilizar en conexión con
una plataforma de patas de tensión (TLP). Una plataforma TLP es un
barco semisumergible que utiliza amarras verticales entre el barco y
los anclajes en el fondo marino. La suma de tensiones de las amarras
corresponde al 20% al 35% del desplazamiento de la plataforma. La
plataforma TLP se mueve en una superficie esférica cuando está
sujeta a las fuerzas del viento, oleaje y corrientes. El
desplazamiento máximo es de un 10% de la profundidad del agua desde
la posición de equilibrio. Este desplazamiento correspondería a un
ángulo aproximado de 6 grados desde la vertical para la línea recta
entre la terminación de la plataforma y la terminación del fondo
marino de un tubo ascendente. El tubo ascendente en L, según la
invención, se puede utilizar para evitar un compensador del
movimiento vertical del buque que se utiliza normalmente en relación
con los tubos ascendentes verticales para plataformas TLP y puesto
que la torsión absorbe los desplazamientos de la plataforma fuera
del plano, solamente se necesita la conexión de esfuerzos planares
descritos en la solicitud de patente, diseñados para una desviación
angular máxima de poco más de +/- 6 grados para permitir la flecha
del brazo del tubo ascendente superior inclinado. Para tubos
ascendentes grandes o desviaciones grandes de la plataforma puede
ser adecuado reducir la flexión requerida en la esquina construyendo
una rampa en la forma de un arco circular en el fondo marino,
colocada de tal modo que, en el plano del tubo ascendente, el brazo
del tubo ascendente inferior esté horizontal tangente directamente
bajo la terminación de la plataforma, cuando la plataforma está en
su posición neutra, pero en el otro plano, se desplaza a
instalaciones en el fondo marino directamente bajo la plataforma.
Puesto que las desviaciones normales al plano del tubo ascendente
son pequeñas, esta rampa no necesita ser mucho más ancha que el
diámetro del tubo ascendente. Esta fijación se representa en la
Figura 10.
Los tubos ascendentes, según la invención, se
pueden fabricar completamente de acero. Para diámetros grandes, los
esfuerzos de flexión pueden llegar a ser demasiado grandes y dichos
tubos ascendentes pueden fabricarse, completa o parcialmente de
titanio, que tiene aproximadamente la mitad del módulo de
elasticidad del acero. Además, pueden existir aplicaciones en las
que sea deseable utilizar mangueras flexibles en parte de tubo
ascendente, puesto que la forma requiere solamente la mitad de la
longitud de lo que es normal para dichos tubos. Asimismo, es posible
utilizar tubos ascendentes que estén construidos a partir de un tubo
metálico cubierto por materiales sintéticos.
Los tubos ascendentes, según la invención, pueden
sustituir a las mangueras flexibles existentes. En este caso, el
punto de conexión fijo en el fondo marino 2 puede situarse más a la
izquierda en las figuras que como se ilustra en la Figura 1. Esto
puede dar lugar a que el brazo del tubo ascendente inferior 1 se
haga tan corto que el ángulo de su extremo inferior se aproxime a la
horizontal, cuando la plataforma se desplace en una distancia máxima
a la derecha. En tales casos, el equipo en el fondo marino, o el
extremo inferior del tubo ascendente, se pueden diseñar con un
ángulo que sea la mitad del cambio angular en el plano vertical que
se necesita. Asimismo, se demuestra aquí que el cambio angular en el
plano horizontal es pequeño, aun cuando el buque 4 se desplace en su
extensión completa perpendicularmente al plano del tubo
ascendente.
La configuración del tubo ascendente, según la
invención, se explicó anteriormente con diferentes formas de
realización, pero los expertos en esta materia comprenderán que la
invención no está limitada a estas formas de realización, respecto a
las cuales pueden establecerse diferencias que estén dentro del
alcance de la invención según se describe en las reivindicaciones
siguientes.
Claims (13)
1. Tubo ascendente para conectar una estructura
flotante y un punto en el fondo marino o en la proximidad del mismo
para la transmisión de fluidos, de energía eléctrica y/o de señales,
en el que el tubo ascendente está constituido por dos partes, un
brazo del tubo ascendente inferior sustancialmente rígido (1) y un
brazo del tubo ascendente superior (3), siendo el ángulo al nivel de
un codo sustancialmente rígido (6) entre las dos partes (1 y 3) del
tubo ascendente de aproximadamente 90 grados y por lo menos un
elemento (5) se extiende a partir del codo (6) hasta un ancla (7) en
el fondo marino a una distancia del codo (6) y según una dirección
principalmente opuesta al brazo del tubo ascendente inferior (1)
caracterizado porque el brazo del tubo
ascendente inferior (1) se extiende desde un punto de conexión (2)
en el fondo marino o en la proximidad del mismo al codo
sustancialmente rígido (6) y el brazo del tubo ascendente superior
se extiende desde el codo (6) a la estructura flotante (4) y dicho
por lo menos un elemento (5) es elástico.
2. Tubo ascendente según la reivindicación 1,
caracterizado porque el codo (6) está en la proximidad del
fondo marino.
3. Tubo ascendente según la reivindicación 1,
caracterizado porque cuando el tubo ascendente está en una
posición neutra (N), los salientes horizontales del punto de
conexión del tubo ascendente en la estructura flotante y el punto de
conexión del tubo ascendente en el fondo marino o en la proximidad
del mismo están en el mismo lado del saliente horizontal del codo
(6) y a distancia de este último.
4. Tubo ascendente según la reivindicación 1,
caracterizado porque cuando la estructura flotante (4) está
en una posición neutra (N), el codo (6) estará situado en la
proximidad del fondo marino, de modo que el eje longitudinal del
brazo del tubo ascendente inferior (1) se extienda formando un
ángulo agudo con un plano horizontal y con una forma casi catenaria
en toda su longitud o en partes.
5. Tubo ascendente según la reivindicación 1,
caracterizado porque un punto de transición, en el que el
brazo del tubo ascendente inferior (1) está sobreelevado del fondo
marino, está aproximadamente en una línea vertical, a partir del
punto de conexión del tubo a la estructura flotante.
6. Tubo ascendente según la reivindicación 1,
caracterizado porque el ángulo entre el elemento elástico (5)
y el brazo del tubo ascendente superior, opuesto al brazo del tubo
inferior, está comprendido entre 60 y 180 grados, preferentemente
entre 80 y 120 grados.
7. Tubo ascendente según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicho por lo menos un elemento elástico
(5) está montado de modo que absorbe unas fuerzas de tensión en un
plano horizontal, de tal modo que el brazo del tubo ascendente
inferior (1) esté principalmente sujeto a fuerzas de flexión.
8. Tubo ascendente según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicho por lo menos un elemento elástico
(5) comprende una cuerda y/o una cadena y/o un cable sintético o una
combinación de ellos y puede comprender unos elementos de
flotabilidad y/o
pesos.
pesos.
9. Tubo ascendente según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicho por lo menos un elemento elástico
(5) comprende una cadena constituida por unos elementos de cadena
que tienen pesos diferentes por metro en la longitud de la
cadena.
10. Tubo ascendente según la reivindicación 1,
caracterizado porque, por lo menos un elemento elástico (5)
consiste en una longitud de cadena, cable y/o cuerda partiendo del
ancla (7) hasta un elemento de flotabilidad (51) y en una longitud
de cuerda o de cable partiendo del elemento de flotabilidad (51)
hasta el codo (6), en el que la dirección longitudinal de la
longitud entre el codo (6) y el elemento de flotabilidad (51) es una
prolongación de la dirección longitudinal del brazo del tubo
ascendente inferior (1).
11. Tubo ascendente según la reivindicación 1,
caracterizado porque el codo (6) comprende un codo de tubo y
dos pares de vigas rectas (15) y (16); dispuestas en el plano del
codo de tubo, en el que cada uno de los pares de vigas (15, 16) está
unido al tubo elevador y/o al codo de tubo al nivel de dos puntos o
más, con el resultado de que las fuerzas axiales son transmitidas a
las vigas y las fuerzas de flexión son distribuidas entre el codo
del tubo y los pares de vigas, porque las vigas (15, 16) se
extienden hasta que se encuentran en un punto de conexión, formado
como un elemento de conexión (17) con un punto de conexión para el
elemento elástico (5).
12. Tubo ascendente según la reivindicación 11,
caracterizado porque el elemento de conexión (17) comprende
un gancho (18) para conectar por lo menos un elemento elástico
(5).
13. Tubo ascendente según la reivindicación 12,
caracterizado porque el codo comprende además un travesaño
(19) conectado entre las paredes de vigas (15, 16) para soportar el
angular entre los pares de vigas (15, 16).
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