CUPRINS1. Introducere2. Caracterizarea hidrodinamic a structurilor offshore3. Clasificarea structurilor offshore4. Formularea problemei generale5. Mediul nconjurtor. Surse de excitaie

5.1 Valurile5.2 Vntul5.3 Curenii marini5.4 Alte surse5.5 Aciunea combinat a factorilor de mediu

6. Principii de mentinere pe locaie6.1 Aezarea gravitaional6.2 Fixarea n solul marin6.2 Ancorarea6.3 Poziionarea dinamic

7. Dinamica structurilor marine. Metode de rezolvare a problemeigenerale7.1 Fore hidrodinamice de excitaie7.2 Problema difraciei7.3 Problema radiaiei7.4 Preponderena forelor de natur vscoas7.5 Modele hidrodinamice7.6 Dinamica sistemelor lineare cu un singur grad de libertate7.7 Dinamica sistemelor cu mai multe grade de libertate. Aspecte

nelineare7.8 Metode experimentale i mijloace de simulare a fenomenelor

specifice8. Elemente privind rspunsul structural al structurilor offshore9. Analiza pe termen scurt i pe termen lung. Abordarea spectrala i

analiza stochastic10.Sisteme de recuperare a energiei n mediul marin. Alte sisteme

neconvenionale

CURSSISTEME MARIME

NECONVENIONALE

Cursul 2Caracterizarea hidrodinamica a

structurilor

n general, determinarea comportrii structurii sub influena forelor de excitaie exterioare, Fe, se poate realiza pe baza legii a doua a lui Newton scris pentru un sistem de axe inerial ortogonal fix oxyz, planul determinat de axele ox i oy fiind n planul suprafeei libere a apei, iar sistemul de axe oxyz fiind solidar legat de structura plutitoare

Structura plutitoare este un corp rigid, de formoarecare, a crui suprafa este descris de ecuaiaS(x,y,z) = 0.

)extFdt

xd(M r&r=

M este matricea inerial a structurii, x este vectorul componentelor micrii structurii, t este timpul, este unghiul dintre direcia axei x i direcia de propagare a valului.

Fext reprezint vectorul forelor exterioare care acioneaz asupra corpului, avnd ca principale componente:

forele datorate aciunii factorilor de mediu, adic valurile, vntul, curenii marini, mareei, gheii, cutremurelor, etc, care sunt specifici locaiei unde urmeaz a fi amplasat structura plutitoare;

forele generate de micrile structurii; forele datorate sistemului de meninere pe locaie; forele asociate proceselor operaionale ale

structurii, de exemplu forele induse de echipamentele de forare.

Aciunea simultan a forelor exterioare datorate valurilor, vntului i curenilor marini (principiul superpoziiei) nu este ntotdeauna echivalent cu simpla suprapunere a efectelor individuale!

Totui, cea mai mare parte a modelelor teoretice consider aciunea independent a factorilor de mediu, urmat de aplicarea principiului suprapunerii efectelor, Fe avnd astfel forma

VCWe FFFF ++=

FW, FC i FV sunt forele datorate valurilor, curenilormarini i respectiv vntului.

Sursele de excitaie Componentele forelor Efecte principale

V

a

l

u

r

i

l

e

Fore oscilatorii de excitaie de ordinul I. Micrile oscilatorii de ordinul I, avnd frecvena valului,care induc variaii de tensiuni n linia de ancorare, ntr-ogam de frecvene cuprins ntre 0,050,5 Hz.

Fore de deriv medii, de ordinul II, n valuri regulate.

Deplasarea medie a structurii, care induce tensiuni mediin linia de ancorare.

Fore de deriv de ordinul II, datorate aciunii valurilor neregulate i care au o variaie foarte lent.

Micri oscilatorii de ordinul II, cu variaie foarte lent,care induc tensiuni suplimentare n linia de ancorare, ngama de frecvene cuprins ntre 0,0020,03 Hz.

V

n

t

u

l

Fore de deriv medii, cu posibilitatea apariiei unei componente cu variaie lent, datorit condiiilor nestaionare.

Deplasarea medie a structurii, care induce tensiuni mediin linia de ancorare i posibilitatea apariieicomponentelor cu variaie foarte lent a deplasrii itensiunii.

C

u

r

e

n

i

i

m

a

r

i

n

i

Fore medii Deplasarea medie a structurii i tensiuni medii n linia deancorare.

Vrtejuri care induc fore oscilatorii asupra structurii i liniilor de ancorare individuale.

Micri oscilatorii ale structurii i tensiuni oscilatorii nliniile de ancorare, n gama de frecvene cuprins ntre0,15 Hz.Vibraia liniei de ancorare, n zona de frecvene cuprinsntre 0,0010,005 Hz.

A

c

i

u

n

e

a

c

o

m

b

i

n

a

t

a

v

a

l

u

r

i

l

o

r

,

v

n

t

u

l

u

i

i

c

u

r

e

n

i

l

o

r

m

a

r

i

n

i

Fore dependente de direcia aciunii factorilor de mediu.

Instabiliti ale sistemului, care genereaz oscilaiintreinute, cu variaie foarte lent.

Fore tranzitorii Oscilaii ale sistemului la rezonan.Fore i caracteristici ale sistemului neliniar.

Oscilaii subarmonice ale sistemului.

Instabiliti de tip Mathieu. Instabiliti ale sistemului, care induc fore de redresarearmonice i elasticitate liniar.

n general, sub influena elementelor de mediu,structura rspunde prin intermediul micrilor deordinul I (cu frecvena egal cu aceea a excitaiei) ia micrilor de ordinul II, medii i de variaie lent.Aceste micri induc fore importante n sistemulde meninere pe locaie.

n particular, rspunsul structurii depinde n mod esenial de:- forma sa geometric,- dimensiunile acesteia raportate la caracteristicilevalului, vnturilor i curenilor marini de pe locaiade amplasare.

Din punct de vedere hidrodinamic structurile pot ficlasificate n urmtoarele categorii:-corpurile de dimensiuni mari, pentru care nici odimensiune nu poate fi considerat mic n comparaie culungimea sau nlimea valurilor. n acest caz suntpreponderente forele de natur potenial (de inerie igravitaionale) i se pot utiliza metodele teoriei poteniale nipotezele simplificatoare ale fluidului ideal i al micriiirotaionale;-corpurile de tip bar, pentru care cel puin una dintredimensiuni este mic n comparaie cu lungimea saunlimea valurilor. n acest caz, vscozitatea nu mai poatefi neglijat, deoarece forele de vscozitate suntpredominante. Pentru determinarea acestor fore seutilizeaz relaia cunoscuta sub denumirea de ecuaiaMorison OBrian;

- corpurilele mixte carereprezint o combinaie acelor dou categorii de maisus. n acest caz, forelehidrodinamice sunt calculatecu metode poteniale pentruelementele de tipul corpurilormari i cu ajutorul ecuaieiMorison pentru elementelede tip bar;

- corpuri specifice care se refer n principal lacorpurile de dimensiuni mici, pentru care au fostdezvoltate metodele teoretice specifice, cum ar fi teoriacorpurilor mici.

Dei clasificarea prezentat pare simpl, adoptarea metodei de calcul este o problem complex.Din aceste motive este necesar analiza formei i a rapoartelor dintre dimensiunile caracteristice ale valurilor i cele ale structurii, putndu-se vorbi de gradul de transparen hidrodinamic pentru structurile de tip jacket i respectiv de gradul de opacitate hidrodinamic, n cazul structurilor gravitaionale.

Tipuri de fore

preponderente funcie de

dimensiunile structurii i

nlimea valului

n general, s-a constatat c, pentru rapoarte /D>5este necesar considerarea forelor datorate vscozitii, unde D este diametrul pilonului iar este lungimea valului.

A doua problem important se refer la selecia teoriei valului, avnd n vedere caracteristicile locaiei i tipul structurii. n cazul corpurilor mari, forele hidrodinamice depind n general de acceleraie, n timp ce, pentru elementele de tip bar, ele depind de viteza particolei de fluid. n consecin, pentru corpurile mari se prefer teoriile liniare ale valurilor, n timp ce pentru elementele de tip bar se adopt teorii neliniare.

Datorit complexitii problematicii, este practic imposibil s se obin un concept hidrodinamic unitar, care s poat fi aplicat oricrui tip de structur si pentru orice condiii de mediu.Din aceste motive modelele teoretice dezvoltate pentru rezolvarea comportrii structurilor plutitoare sau fixe sunt intrinsec legate de caracteristicile geometrice ale structurii i de condiiile de mediu.

n consecin principalele etape care trebuiescparcurse sunt: identificarea regimului valurilor pentru locaia de

amplasare i evaluarea valului semnificativ, H1/3pentru starea mrii cea mai probabil, precum i avalului maxim probabil, Hmax;

selectarea unei teorii de val care reproduce cel maibine cinematica particulei de fluid n condiiile date;

formularea unui model de calcul al forelorhidrodinamice de excitaie datorate valurilor, att ncazul structurilor plutitoare ct i n cazul structurilorfixe;

determinarea micrilor structurii plutitoare i aeforturilor n liniile de ancorare;

evaluarea comportrii pentru diverse stri ale mrii iidentificarea limitei de operaionabilitate (stareamaxim a mrii pn la care structura esteoperaional) precum i evaluarea comportrii nmare extrem, caz n care structura nu mai opereazdar trebuie s reziste pe locaie;

Aceste rezultate constituie datele principale deintrare n vederea realizrii calcului sarcinilorstructurale precum i calcului rspunsului structuralpe termen scurt i respectiv pe termen lung (calculede oboseal).

evaluarea comportrii structurii lund nconsiderare totalitatea factorilor de mediu, nvederea verificrii ndeplinirii criteriilor metoceandin punctul de vedere al forelor de excitaie, alforelor din elementele de legare precum iamplitudinilor micrilor, vitezelor i acceleraiilor.

n general, exist dou proceduri distincte carepot fi utilizate n rezolvarea problemelor legate decomportarea structurilor: Metoda determinist care poate fi pseudostatic, caz n care sarcinile maxime sunt calculate i aplicate la analiza static a structurii i respectiv n domeniul de timp, cnd se utilizeaz nregistrarea n timp a valului pentru calculul forelor dependente de timp la considerarea rspunsului dinamic al structurii. n acest caz se utilizeaz metode analitice n care micrile structurii sunt descrise determinist cu formule, ca funcii de timp, fiind astfel posibil descrierea influenei fiecrui parametru asupra comportrii structurii considerate.

Metoda stochastic, care completeaz metoda determinist i care consider valul, surs de excitaie ca un proces aleator, descris prin densitatea sa spectral de putere, descrierea forelor pe structur i a comportrii acesteia avnd acelai caracter. n cazul metodei stochastice toate calculele se realizeaz n domeniul de frecven.

Trecerea de la ecuaiile de micare n domeniul de frecven la cele n domeniul de timp se poate face, n anumite ipoteze, prin utilizarea relaiilor lui Cummings.

CLASIFICAREA ALE STRUCTURILOR OFFSHORE

Exist diferite criterii de clasificare a construciilor offshore

A. Funcionalitatea structurii

- P. Platforme (Platform) instalaii de lucru n mare deschis i n zone portuare servind ca uniti de prospeciune exploatare petrolier, instalaii suport pentru diversele operaiuni (procesare, producere, transfer, etc), stocarea produselor petroliere, elmente de legare i acostare, port facl, cazarea personalului (living quarter), etc;

- SPM terminale petroliere cunosute ca sisteme cu punctr unic de ancorare (single point mooring), fiind utilizate n principal pentru transferul petrolului i care pot fi rezervoare, elemente de acostare, geamanduri;

- NSB nave speciale i barje, care pot avea forme clasice tip nav sau catamarane i care pot fi nave de forare (drilling ships), nave de poziionat evi (pipe layer), nave de poziionat cabluri (cable layer), AHTS (Anchor Handling Tug Supply), OPV (offshore platform vessel), barje de transport structuri fixe, nave pentru operaiuni grele n mare deschis (Heavy Lift Vessels), macarale plutitoare (floating crane), etc;

- IS instalaii submarine (underwater systems), ROV (remote operating vehicles) pentru inspecie, rezervoare poziionate pe solul marin, etc.

B. Principiul de meninere pe locaie

a) Fixarea pe fundul marin n general sunt structuri de tip jacket.

b) Aezarea gravitaional pe solul marin are dou aspecte distincte

- utilizarea unor structuri de tip jack up care au dezavantajul unor reaciuni mari la nivelul solului marin- utilizarea principiului maselor suplimentare (ralizarea unor structuri grele)

c) structuri ancorate deplasabile (compliant) care sunt concepute astfel nct s se deplaseze sub aciunea forelor exterioare, atenund efectele acestora i care se caracterizeaz prin aanumita caracteristic static (curba for deplasare)- cuplare cu pretensionare vertical, TL (Tension Leg Platform)

- cuplare prin intermediul ancorei (anchor leg) reprezentnd o familie de tipuri incluznd turnurile simplu sau multiplu ancorate caracterizate prin crearea unei flotabiliti n apropierea suprafeei libere care s furnizeze fora de redresare necesar pentru compensarea forelor exterioare

- ancorarea cu lanuri, cabluri, parme sintetice sau combinaii ntre acestea, fora de redresare fiind dat de sistemul de ancorare (catenary) genernd sisteme tip CALM (catenary anchor leg mooring)

d) Poziionare dinamic constnd n compensarea forelor de ordinul 2, a forelor date de curent i a forelor date de aciunea vntului

C. Funcie de aria de activitate

Sunt 2 mari categorii: fixe i mobile

- platforme autoridictoare utiltzate pn la cca. 100m. Se deplaseaz n regim de remorcare cnd picioarele sunt ridicate i ansamblul intr m regim de plutire.

1. Platforme mobile

Platforma de forare n operare

Platforma de forare transport pe locaie

- platforme semisubmersibile utilizeaz principiul suprafeelor de plutire mici (SWATH Small Water Area Twin Hulls), avnd o larg aplicabilitate datorit micrilor reduse sub aciunea factorilor de mediu

Drilling Platform

- platforme submersibile utilizeaz balastarea ca mod de aezare pe solul marin

- nave (barje) de forare au amenajri speciale pentru realizarea operaiunilor de forare. Meninerea pe locaie se face prin poziionare dinamic.

2. Platforme fixe sunt adaptate la condiiile de pe locaie- structuri tip jacket;- turnuri o extindere a conceptului de jacket;- chesoane construcii adaptate pentru exploatarea unor cmpuri petrolier mici. Sunt, n general, structuri cu un singur picior adnc implantat n solul marin pentru a se putea lucra n consol.. Exist i construcii monolit;- gravitaionale pot fi din beton, din oel i mixte;- specifice adaptate la condiiile speciale, putnd fi: piloni cu capaciti de stocare, tancuri cilindrice de stocare, platforme fixe pentru zone cu maree accentuat, cureni i ghea (zona arctic) sau insule artificiale;- deplasabile (compliant) diverse forme constructive pentru care conceptul de meninere pe locaie este conform clasificrii anterioare: TLP, turnuri ancorate, turnuri articulate, plutitor ancorat cu un singur lan sau structuri mari flotabile ancorate cu lanuri multiple.

Avnd la baz conceptele de meninere pe locaie pot fi identificate, la modul foarte general, 2 tipuri de terminale petroliere

Cu legare permanent, care nu se decupleaz pe parcursul utilizrii, caz n care transportul la mal se face cu ajutorul tancurilor de navet;

Cu legare temporar cnd unitatea de stocare se poate decupla.

a. CALM (Catenary Anchor Leg Mooring) cazul ancorrii cu lanuri, cabluri, parme sau mixte sau sau CALRAM(Catenary Anchor Leg Rigid Arm Mooring)

Sistem CALRAM n Marea Neagr

b. SALM (Single Anchor Leg Mooring) pentru locaii cu condiii de mediu moderate. Aceste sisteme au o flotabilitate incorporat n apropierea suprafeei libere.

c. Sisteme cu turel (Turret) n diverse configuraii, turela putnd fi amplasat de-a lungul navei.

d. Sisteme uoare de tip iade (Wishbone sau soft yoke)

e. Sisteme specifice pentru condiiile speciale din Marea Nordului cum sunt sistemele SPAR (Single Point Anchor Rotating)

SPAR (Single Point Anchor Rotating) ELSBM (Exposed Location Single Buoy Mooring)

SEADECK constnd n barje din beton precomprimat cuplate ntre ele rigid sau articulate i legate la un sistem SALM

Sisteme tip turn fix utilizat i pentru ancorarea navelor la o plac rotitoare, turn fix ancorat (guyded tower) care este o combinaie ntre conceptul gravitaional i CALM precum i turnul articulat, CAT (Catenary Anchored Tower) care este o combinaie ntre CALM i 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 facilitile care se instaleaz pe platforma: instalaie de forare, procesare,spaii de cazare, heliport, etc.Clasificarea funcie de adncimea apei: < 350 M- Shallow water: < 1500 M - Deep water: > 1500 M- Ultra deep water.

Foarte general platformele pot fi clasificate in 2 mari categorii

Fixed structures that extend to the Seabed.- Steel Jacket- Concrete gravity Structure- Compliant Tower

Structuri n apropierea suprafeei libere:- Tension Leg platforms (TLP);- Semi Submersible;- Spar;- Ship shaped vessel (FPSO) cu forme tipice pentru nave

Structuri din reele de bare fixate n solul marin.Se utilizeaz n cazul adncimilor 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 fixedNarrow, flexible framed structuressupported 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) arefloating facilities that are tied down to the seabed by vertical steel tubescalled 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 inwells for production, while, thehorizontal compliance makes theplatform insensitive to the primaryeffect 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 PLATFORMDue 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 bracingattract large loads.Due to possibility of fatigue cracking ofbraces, periodic inspection/maintenance is prerequisite.

SPARConcept 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 thereservoir 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 saving. Incorporates process and utility equipment1. Drilling Rig2. Injection Compressors3. Gas Compressors4.Gas Turbine Generators5. Piping6. HVAC7. Instrumentation Accommodation for operating personnel Crane for equipment handling Helipad

TOPSIDE

PLATFORM PARTS

MOORINGS & ANCHORS

Used to tie platform in place.Material:Steel chainSteel 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.

RISERPipes 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 environmentalcondition.