Las anclas integradas en alta mar son anclas destinadas a uso en alta mar que obtienen su capacidad de retención de la resistencia de fricción o de soporte del suelo circundante, a diferencia de las anclas de gravedad, que derivan su capacidad de retención en gran medida de su peso. A medida que los desarrollos marinos se trasladan a aguas más profundas, las estructuras basadas en la gravedad se vuelven menos económicas debido al gran tamaño necesario y el consiguiente costo de transporte.
Cada uno de los distintos tipos de anclajes integrados presenta sus propias ventajas para el anclaje de estructuras marinas. La elección de la solución de anclaje depende de múltiples factores, como el tipo de instalación marina que requiere amarre, su ubicación, viabilidad económica, vida útil de su uso, condiciones del suelo y recursos disponibles.
Ejemplos de instalaciones que pueden necesitar amarre en alta mar son las unidades flotantes de producción, almacenamiento y descarga (FPSO), unidades móviles de perforación en alta mar , plataformas de producción de petróleo en alta mar , convertidores de energía de las olas y otras energías renovables , e instalaciones flotantes de gas natural licuado .
Las anclas de arrastre-incrustación (DEA) obtienen su capacidad de retención al estar enterradas o incrustadas en lo profundo del lecho marino y su capacidad de anclaje está directamente relacionada con la profundidad de incrustación. Los DEA se instalan mediante arrastre, utilizando una cadena de amarre o un cable, este medio de instalación relativamente simple hace que el DEA sea una opción rentable para anclar estructuras en alta mar. Los DEA se utilizan comúnmente para amarres temporales de estructuras de petróleo y gas en alta mar, por ejemplo, unidades móviles de perforación en alta mar . Su uso sólo en situaciones de amarre temporal puede atribuirse en gran medida a la incertidumbre que involucra la trayectoria de incrustación del ancla y su ubicación en el suelo, lo que resulta en incertidumbre con respecto a la capacidad de sujeción del ancla. [2]
En condiciones ideales, las DEA son uno de los tipos de anclajes más eficientes, con capacidades de sujeción que van desde 33 hasta más de 50 veces su peso; [3] y dicha eficiencia otorga a los DEA una ventaja inherente sobre otras soluciones de anclaje, como cajones y pilotes, ya que la masa de un DEA se concentra en lo profundo del lecho marino, donde la resistencia del suelo y, por lo tanto, la capacidad de retención, es mayor. [2] La eficiencia del anclaje se define como la relación entre la capacidad de sujeción máxima y el peso seco del anclaje; los DEA suelen poseer índices de eficiencia significativamente más altos en comparación con otras soluciones de anclaje.
Una configuración de catenaria consiste en líneas de amarre "flojas" que forman una catenaria bajo su propio peso. Dado que las líneas de amarre de la catenaria se encuentran planas a lo largo del fondo marino, sólo ejercen fuerzas horizontales sobre sus anclas. Las líneas de amarre tensas que llegan en ángulo con el fondo marino ejercen fuerzas tanto horizontales como verticales sobre sus anclas. [1] Dado que los DEA están diseñados para resistir fuerzas horizontales únicamente, estos anclajes solo deben usarse en una configuración amarrada en catenaria. La aplicación de una carga vertical significativa a un DEA provocará su falla, ya que la fuerza vertical aplicada al padeye resultará en la recuperación del anclaje. Sin embargo, esto facilita la recuperación del anclaje, lo que contribuye a la rentabilidad de esta solución de anclaje.
Los tres componentes principales de una DEA son la casualidad, la caña y el padeye. Para un DEA, el ángulo entre la uña y el vástago se fija en aproximadamente 30 grados para arcillas duras y arena, y 50 grados para arcillas blandas. [1]
La uña de un anclaje de placa es una placa de soporte que proporciona la gran mayoría de la capacidad de retención del anclaje en su profundidad máxima de empotramiento. Además de contribuir a la capacidad del anclaje, la uña puede contribuir a la estabilidad del anclaje durante el empotramiento. La adopción de una uña más ancha puede ayudar a proporcionar estabilidad de rodadura, lo que permite un empotramiento más profundo y una mejor capacidad de sujeción. [4] Existen pautas de la industria relacionadas con el ancho, largo y grosor apropiados de las aletas de anclaje, donde el ancho se refiere a la dimensión perpendicular a la dirección de empotramiento. Los anclajes comerciales generalmente tienen una relación de ancho a largo de 2:1 y una relación de largo a espesor de entre 5 y 30. [4]
Dado que los DEA obtienen su resistencia de su profundidad de empotramiento, el vástago debe diseñarse de manera que se minimice la resistencia del suelo perpendicular a la trayectoria de empotramiento del ancla.
Sin embargo, la resistencia a la fricción del suelo contra el componente paralelo del vástago es menos significativa. Por lo tanto, el área del vástago en línea con la dirección de la trayectoria de empotramiento es a menudo relativamente grande para proporcionar estabilidad al anclaje contra el rodamiento durante el empotramiento.
El padeye es la conexión entre el ancla y la línea de amarre. La excentricidad del padeye, a menudo medida como la relación de desplazamiento del padeye, es la relación entre la distancia horizontal y vertical de la posición del padeye en relación con la conexión platija-vástago de un ancla. La evaluación de la excentricidad óptima del padeye para DEA y anclajes cargados verticalmente (VLA) se limita a la elección adecuada de la longitud del vástago dado un ángulo fijo entre aleta y vástago durante el empotramiento. Un estudio realizado para investigar las longitudes de vástago apropiadas consideró un rango de proporciones de longitud de vástago a longitud de uña entre 1 y 2. [5] Se determinó que las longitudes de vástago más cortas (más cercanas a proporciones de 1) producían un empotramiento de anclaje más profundo. [5]
Aunque la línea de amarre no es un componente del ancla exclusivo de la DEA, su diseño influye significativamente en el comportamiento del ancla. Una línea de amarre más gruesa proporciona mayor resistencia al empotramiento del ancla. Se han investigado las propiedades de las líneas de amarre de cadena, versus las de alambre, y las líneas de amarre de cadena causan reducciones en la capacidad del ancla de hasta un 70%. [6] Por lo tanto, cuando sea apropiado y rentable, se deben utilizar líneas de amarre de alambre. La sección empotrada de una línea de amarre contribuye a la capacidad de retención del ancla contra el movimiento horizontal. Es, por tanto, adecuado analizar la contribución del cabo de amarre del ancla con respecto tanto al proceso de empotramiento del ancla como a su contribución a la capacidad de sujeción final del ancla.
Los anclajes de carga vertical (VLA) son esencialmente DEA que pueden girar libremente alrededor de la conexión entre uña y vástago, lo que permite que el ancla resista cargas tanto verticales como horizontales y, por lo tanto, a diferencia de los DEA, las líneas de amarre pueden estar en catenaria o tensas. Configuración amarrada. Los VLA están integrados como lo están los DEA, sobre una longitud de arrastre específica. Como resultado, muchas de las consideraciones de diseño requeridas para los DEA son aplicables a los VLA. Después de la inserción de la longitud de arrastre, la uña se "libera" y se le permite girar libremente alrededor de su conexión con el vástago. Esta nueva configuración de anclaje da como resultado que la carga de la línea de amarre sea esencialmente normal a la aleta del VLA. [2]
Los cajones de succión (también conocidos como cubos de succión, pilotes de succión o anclajes de succión) son una nueva clase de anclajes empotrados que tienen una serie de ventajas económicas sobre otros métodos. Básicamente son cubos volcados hacia arriba que se incrustan en el suelo y utilizan succión, bombeando el agua para crear un vacío, para anclar instalaciones flotantes en alta mar. Presentan una serie de beneficios económicos, incluida una rápida instalación y desmontaje durante el desmantelamiento, así como una reducción de los costes de material. [7] El cajón consta de un cilindro de gran diámetro (normalmente en el rango de 3 a 8 metros (10 a 26 pies)), abierto en la parte inferior y cerrado en la parte superior, con una relación longitud-diámetro en el rango de 3 a 6. [8] Esta solución de anclaje se utiliza ampliamente en grandes estructuras marinas, plataformas de alojamiento y perforación marinas. Desde el aumento de la demanda de energía renovable, estos anclajes se utilizan ahora en turbinas eólicas marinas, normalmente en configuración de trípode.
En 1997, se introdujo el anclaje de placa integrado por succión (SEPLA) como una combinación de dos conceptos de anclaje probados (pilotes de succión y anclajes de placa) para aumentar la eficiencia y reducir costos. [10]
Hoy en día, las anclas SEPLA se utilizan en el Golfo de México , frente a la costa de África occidental y en muchos otros lugares. El SEPLA utiliza un "seguidor" de succión , un cajón de fondo abierto inicialmente lleno de agua, para incrustar un anclaje de placa en el suelo. El seguidor de succión desciende hasta el fondo del mar donde comienza a penetrar por su propio peso. Luego se bombea agua desde el interior del cajón para crear un vacío que empuja el anclaje de la placa debajo hasta la profundidad deseada (Paso 1). Luego, la línea de amarre del ancla de placa se desengancha del cajón, que se recupera cuando el agua ingresa al cajón, lo que hace que se mueva hacia arriba mientras deja el ancla de placa incrustada (Paso 2). Luego se aplica tensión a la línea de amarre (Paso 3), lo que hace que el anclaje de la placa gire (un proceso también conocido como "incrustación") para quedar perpendicular a la dirección de carga (Paso 4). [9] Esto se hace de modo que la superficie máxima esté orientada hacia la dirección de carga, maximizando la resistencia del anclaje.
Al utilizarse un seguidor de cajón de succión, los anclajes SEPLA se pueden clasificar como anclajes de empotramiento directo; y así se conoce la ubicación y profundidad del ancla. Debido a su eficiencia geotécnica, los anclajes de placa SEPLA son significativamente más pequeños y livianos que los anclajes de succión equivalentes, lo que reduce los costos.
El mayor costo de instalar anclas en aguas profundas ha llevado a la aparición de anclas de penetración dinámica que se incrustan en el fondo marino mediante caída libre . Estos anclajes suelen consistir en un eje tubular de acero de paredes gruesas lleno de chatarra u hormigón y equipado con una punta cónica. A menudo se unen uña de acero al eje para mejorar su estabilidad hidrodinámica y proporcionar resistencia a la fricción adicional contra el levantamiento después de la instalación. [1]
La principal ventaja de los anclajes instalados dinámicamente es que su uso no está restringido por la profundidad del agua. Los costos se reducen, ya que no se requiere interacción mecánica adicional durante la instalación. El diseño simple del anclaje mantiene los costos de fabricación y manipulación al mínimo. Además, la capacidad de sujeción última de los anclajes dinámicos depende menos de la evaluación geotécnica de la ubicación, ya que resistencias al corte más bajas permiten una mayor penetración, lo que aumenta la capacidad de sujeción. [11] A pesar de estas ventajas, la principal desventaja de este tipo de anclaje es el grado de incertidumbre en la predicción de la profundidad y orientación del empotramiento y la resultante capacidad de retención incierta.
Desde su primer desarrollo comercial en la década de 1990 se han diseñado varias formas diferentes de anclajes instalados dinámicamente. El ancla de penetración profunda (DPA) y el ancla torpedo han tenido una adopción generalizada en aguas costeras de América del Sur y Noruega . [11] Sus diseños se muestran en la figura con otras dos formas de anclajes instalados dinámicamente, a saber, el Omni-Max y el anclaje de placa integrado dinámicamente (DEPLA).
Las anclas de penetración profunda y de torpedo están diseñadas para alcanzar velocidades máximas de 25 a 35 metros por segundo (82 a 115 pies/s) en el fondo marino, lo que permite una penetración de la punta de dos a tres veces la longitud del ancla y capacidades de retención en el rango de tres a seis veces el peso del ancla después de la consolidación del suelo . [1]
El ancla de placa embebida dinámicamente (DEPLA) es un ancla de empotramiento directo y carga vertical que consiste en una placa embebida en el fondo marino mediante la energía cinética obtenida por caída libre en el agua. Este nuevo concepto de anclaje se ha desarrollado recientemente pero se ha probado tanto en laboratorio como en campo. Los diferentes componentes del DEPLA se pueden ver en el diagrama etiquetado en la figura.
El anclaje Omni-Max que se muestra en la imagen es un anclaje instalado por gravedad que puede cargarse en cualquier dirección gracias a su función de giro de 360 grados. [12] El ancla está fabricada con acero de alta resistencia y posee aletas de uña ajustables que se pueden adaptar a condiciones específicas del suelo. [12]
Un ancla torpedo presenta un eje tubular de acero, con o sin aletas verticales de acero, que está equipado con una punta cónica y lleno de chatarra u hormigón. [13] Hasta 150 metros (490 pies) de largo, el ancla queda completamente enterrada en el lecho marino por caída libre.
Se realizaron pruebas de campo a gran escala en agua a profundidades de hasta 1000 metros (3300 pies) utilizando un ancla torpedo de 12 metros (39 pies) de largo y 762 milímetros (30,0 pulgadas) de diámetro con un peso seco de 400 kilonewtons ( 90.000 libras f ). El ancla torpedo caída desde una altura de 30 metros (98 pies) sobre el nivel del mar logró una penetración de 29 metros (95 pies) en arcilla normalmente consolidada. [13]
Las pruebas posteriores con un ancla torpedo, con un peso seco de 240 kilonewtons (54 000 lb f ) y un empotramiento promedio de la punta de 20 metros (66 pies), dieron como resultado capacidades de retención de aproximadamente 4 veces el peso seco del ancla inmediatamente después de la instalación, lo que aproximadamente se duplicó después de 10 días de consolidación del suelo. [13]
Si bien las eficiencias son menores que las que se obtendrían con otros tipos de anclaje, como un anclaje de arrastre empotrado, esto se compensa con el bajo costo de fabricación y la facilidad de instalación. Por lo tanto, se puede desplegar una serie de anclas de torpedo para mantener en posición las bandas y otras estructuras flotantes. [1]
Un ancla de penetración profunda (DPA) es conceptualmente similar a un ancla torpedo: presenta un cilindro de acero de paredes gruesas, en forma de dardo , con aletas unidas a la sección superior del ancla. Un DPA a gran escala tiene aproximadamente 15 metros (49 pies) de largo, 1,2 metros (4 pies) de diámetro y pesa del orden de 50 a 100 toneladas (49 a 98 toneladas largas; 55 a 110 toneladas cortas). Su método de instalación no difiere del del ancla torpedo: se baja a una altura predeterminada sobre el fondo marino y luego se suelta en caída libre para incrustarse en el fondo marino. [1]
Se requieren pilotes de anclaje empotrados (hincados o perforados) para situaciones donde se requiere una gran capacidad de sujeción. El diseño de pilotes de anclaje permite tres tipos de configuraciones de amarre: amarres verticales, amarres de catenaria y amarres semitensos/tensos, que se utilizan para el amarre de estructuras marinas como turbinas eólicas marinas , almacenamiento y descarga de producción flotante (FPSO). buques, instalaciones flotantes de gas natural licuado (FLNG), etc. Un ejemplo industrial es la plataforma de patas tensas (TLP) Ursa, que se ha mantenido en la estación mediante 16 pilotes de anclaje, cada uno de los cuales tiene 147 metros (482 pies) de largo. 2,4 metros (7 pies 10 pulgadas) de diámetro y pesa 380 toneladas (370 toneladas largas; 420 toneladas cortas). [1]
Los pilotes de anclaje son tubos de acero huecos que se hincan o se insertan en un orificio perforado en el lecho marino y luego se les inyecta lechada, similar a los cimientos de pilotes comúnmente utilizados en estructuras fijas en alta mar . La figura muestra los diferentes métodos de instalación, donde en el método "hincado", el tubo de acero es impulsado mecánicamente por un martillo, mientras que en el método "perforado", un pilote moldeado in situ se inserta en un pozo de gran tamaño construido con un taladro giratorio. y luego rejuntado con cemento. El empleo de un método particular depende de las propiedades geofísicas y geotécnicas del fondo marino.
Los pilotes de anclaje suelen estar diseñados para resistir cargas tanto horizontales como verticales. La capacidad de sujeción axial del pilote de anclaje se debe a la fricción a lo largo de la interfaz pilote-suelo, mientras que la capacidad lateral del pilote se genera por la resistencia lateral del suelo, donde la orientación del anclaje es crítica para optimizar esta resistencia. Como resultado, la ubicación del padeye se coloca de manera que la fuerza de la catenaria o del amarre tenso dé como resultado un equilibrio de momento alrededor del punto de rotación, para lograr la resistencia lateral óptima del suelo. [1]
Debido a la naturaleza esbelta de los pilotes de anclaje, existen tres problemas de instalación relacionados con los pilotes hincados, [14] el primero de los cuales es la capacidad de hincado de los pilotes en el lugar, o donde la resistencia excesiva del suelo puede impedir la penetración a la profundidad deseada. El segundo problema es la deformación de los pilotes donde se produce el colapso o pandeo de la punta debido a una resistencia excesiva y una desviación de la trayectoria del pilote. La tercera cuestión son las propiedades geotécnicas del suelo. Una resistencia lateral insuficiente por parte del suelo puede provocar el vuelco del ancla, y las rocas y cantos rodados a lo largo de la trayectoria de penetración pueden provocar el rechazo y el colapso de la punta.
Los problemas de instalación relacionados con pilotes perforados e inyectados incluyen la estabilidad del pozo, cortes blandos no deseados en la base del pozo, hidrofractura del suelo que conduce a la pérdida de lechada y efectos de expansión térmica . [14]
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