Un tubo ascendente catenario de acero (SCR) es un método común para conectar un ducto submarino a una plataforma de producción de petróleo flotante o fija en aguas profundas. Los SCR se utilizan para transferir fluidos como petróleo, gas, agua de inyección, etc. entre las plataformas y los ductos.
En la industria offshore, la palabra catenaria se utiliza como adjetivo o sustantivo con un significado más amplio que su significado histórico en matemáticas. Por lo tanto, un SCR que utiliza un tubo rígido de acero que tiene una considerable rigidez a la flexión se describe como una catenaria. Esto se debe a que en la escala de profundidad del océano, la rigidez a la flexión de un tubo rígido tiene poco efecto en la forma del tramo suspendido de un SCR. La forma asumida por el SCR está controlada principalmente por el peso, la flotabilidad y las fuerzas hidrodinámicas debido a las corrientes y las olas. La forma del SCR se aproxima bien mediante ecuaciones de catenaria reforzada . [ 1] En consideraciones preliminares, a pesar de utilizar un tubo de acero rígido convencional, la forma del SCR también se puede aproximar con el uso de ecuaciones de catenaria ideal , [2] cuando es aceptable una mayor pérdida de precisión. Las ecuaciones de catenaria ideal se utilizan históricamente para describir la forma de una cadena suspendida entre puntos en el espacio. Una línea de cadena tiene por definición una rigidez a la flexión cero y las descritas con las ecuaciones de catenaria ideal utilizan eslabones infinitesimalmente cortos.
Los SCR fueron inventados por el Dr. Carl G. Langner, ingeniero profesional, NAE, quien describió un SCR junto con una junta flexible utilizada para adaptarse a las deflexiones angulares de la región superior del SCR con respecto a una plataforma de soporte, a medida que la plataforma y el SCR se mueven en corrientes y olas. [3] Los SCR utilizan miles de pies de tramos de tuberías sin soporte. Están involucradas dinámicas complejas, hidrodinámicas, incluidas vibraciones inducidas por vórtices (VIV) y física de las interacciones de las tuberías con el lecho marino. Estas son duras para los materiales utilizados para construir la tubería SCR. El Dr. Langner había realizado años de trabajo analítico y de diseño antes de que se presentara una solicitud para su patente estadounidense. Ese trabajo comenzó antes de 1969 y se reflejó en documentos internos de Shell, que son confidenciales, pero se emitió una patente sobre un diseño temprano de SCR "Bare Foot". [4] Las VIV se controlan predominantemente con el uso de dispositivos conectados a la tubería SCR. Estos pueden ser, por ejemplo, dispositivos de supresión de VIV, como láminas helicoidales o carenados [5] que reducen considerablemente las amplitudes de VIV. [6] El desarrollo de programas de ingeniería de predicción de VIV, como por ejemplo el programa SHEAR7, es un proceso en curso que se originó en la cooperación entre el MIT y Shell Exploration & Production [7] en paralelo al desarrollo del concepto SCR, teniendo en mente el desarrollo de SCR. [8]
La tubería rígida del SCR forma una catenaria entre su punto de suspensión en la plataforma flotante o rígida y el lecho marino. [9] Un SCR que cuelga libremente asume una forma similar a la letra "J". Una catenaria de un Steel Lazy Wave Riser (SLWR) consta de hecho de al menos tres segmentos de catenaria. Los segmentos superior y del lecho marino de la catenaria tienen un peso sumergido negativo y sus curvaturas "se abultan" hacia el lecho marino. El segmento medio tiene material flotante adherido a lo largo de toda su longitud, de modo que el conjunto de la tubería de acero y la flotabilidad es positivamente flotante. En consecuencia, la curvatura del segmento flotante "se abulta" hacia arriba (catenaria invertida), y su forma también se puede aproximar bien con las mismas ecuaciones de catenaria rigidizada o ideal . Los segmentos positiva y negativamente flotantes son tangentes entre sí en los puntos donde se unen. La forma catenaria general del SLWR tiene puntos de inflexión en esas ubicaciones. Los SLWR se instalaron por primera vez en un FPSO amarrado a una torreta en alta mar en Brasil (BC-10, Shell) en 2009, [10] aunque los elevadores flexibles de configuración Lazy Wave ya se habían utilizado ampliamente durante varias décadas antes.
La aplicación más profunda de los SCR de ondas perezosas (SLWR) se encuentra actualmente en el FPSO (Shell) amarrado a la torreta de Stones, que está amarrado a 9.500 pies de profundidad en el Golfo de México . [11] La torreta del FPSO de Stones cuenta con una boya desconectable, de modo que el buque con la tripulación puede desconectarse de la boya que sostiene los SLWR y trasladarse a un refugio adecuado antes de la llegada de un huracán.
La tubería SCR y un segmento corto de tubería que se encuentra en el fondo del mar utilizan tuberías "dinámicas", es decir, tuberías de acero con un espesor de pared ligeramente mayor que el espesor de pared de la tubería, para soportar la flexión dinámica y la fatiga del material de acero asociada con la zona de contacto del SCR. Más allá de eso, el SCR se extiende típicamente con una tubería rígida, pero también es posible el uso de una tubería flexible. [12] [13] Los tubos ascendentes tienen típicamente de 8 a 12 pulgadas de diámetro y funcionan a una presión de 2000 a 5000 psi. [14] También son posibles diseños más allá de esos rangos de tamaños de tubería y presiones de operación.
Los SCR suspendidos fueron utilizados por primera vez por Shell en la plataforma de tensión de patas Auger (TLP) [15] en 1994, que estaba amarrada a 872 m de agua. [16] Demostrar a Shell que el concepto de SCR era técnicamente sólido para su uso en la TLP de Auger fue un logro importante del Dr. Carl G. Langner. Fue un salto tecnológico. La aceptación del concepto de SCR por parte de toda la industria offshore se produjo con relativa rapidez. Los SCR han funcionado de manera confiable en yacimientos de petróleo y gas en todo el mundo desde su primera instalación en Auger.