Los cajones de succión (también conocidos como anclajes de succión , pilotes de succión o cubos de succión ) son una forma de anclaje de plataforma fija en forma de un tubo de fondo abierto incrustado en el sedimento y sellado en la parte superior mientras está en uso para que las fuerzas de elevación generen una presión. diferencial que sujeta el cajón. Tienen una serie de ventajas sobre las cimentaciones marinas convencionales, principalmente ser más rápidas de instalar que los pilotes de cimentación profunda y ser más fáciles de retirar durante el desmantelamiento. Los cajones de succión se utilizan ahora ampliamente en todo el mundo para anclar grandes instalaciones marinas, como plataformas petrolíferas , perforaciones marinas y plataformas de alojamiento al fondo marino a grandes profundidades. En los últimos años, los cajones de succión también se han utilizado para turbinas eólicas marinas en aguas menos profundas.
La recuperación de petróleo y gas a gran profundidad podría haber sido una tarea muy difícil sin la tecnología de anclas de succión, que se desarrolló y utilizó por primera vez en el Mar del Norte hace 30 años. [1] El uso de cajones/anclajes de aspiración se ha convertido en una práctica común en todo el mundo. Las estadísticas de 2002 revelaron que se habían instalado 485 cajones de succión en más de 50 localidades diferentes en todo el mundo, a profundidades de hasta aproximadamente 2000 m. Se han instalado cajones de succión en la mayoría de las zonas productoras de petróleo en aguas profundas de todo el mundo: el Mar del Norte , el Golfo de México , la costa de África Occidental, la costa de Brasil, el oeste de las Shetland, el Mar de China Meridional , el Mar Adriático y el Mar de Timor . Después de 2002 no existen estadísticas fiables, pero el uso de cajones de aspiración sigue aumentando. [2]
Un cajón de succión puede describirse efectivamente como un cubo invertido que está incrustado en el sedimento marino . La fijación al fondo marino se logra empujando o creando una presión negativa dentro del faldón del cajón bombeando agua fuera del cajón; Ambas técnicas tienen el efecto de asegurar el cajón en el fondo del mar. Los cimientos también se pueden quitar rápidamente invirtiendo el proceso de instalación, bombeando agua al cajón para crear una sobrepresión. [3]
El concepto de tecnología de succión se desarrolló para proyectos en los que la carga de gravedad no es suficiente para presionar los faldones de los cimientos en el suelo. La tecnología también se desarrolló para anclajes sujetos a grandes fuerzas de tensión debido a las olas y las tormentas . La tecnología de cajón de succión funciona muy bien en un fondo marino con arcillas blandas u otros sedimentos de baja resistencia . Los cajones de succión son en muchos casos más fáciles de instalar que los pilotes, que deben clavarse (martillarse) en el suelo con un martinete . [4]
Las líneas de amarre generalmente se fijan al costado del cajón de succión en el punto óptimo de fijación de la carga, que debe calcularse para cada cajón. Una vez instalado, el cajón actúa de manera muy similar a un pilote rígido corto y es capaz de resistir cargas tanto laterales como axiales. Para calcular la capacidad de retención se utilizan métodos de equilibrio límite o análisis de elementos finitos 3D. [5]
Los cajones de succión se utilizaron por primera vez como anclajes para estructuras flotantes en la industria del petróleo y el gas en alta mar, incluidas plataformas marinas como la plataforma petrolera Draupner E.
Existen grandes diferencias entre los primeros cajones de succión pequeños que se instalaron para Shell en el campo Gorm en el Mar del Norte en 1981 y los grandes cajones de succión que se instalaron para la plataforma Diana en el Golfo de México en 1999. Los doce cajones de succión en En el campo de Gorm se pretendía asegurar un sencillo dispositivo de boya de carga a una profundidad de 40 metros, mientras que la instalación de anclajes de succión para la plataforma Diana constituía entonces un récord mundial en cuanto a profundidad del agua y tamaño de los anclajes. Los cajones de aspiración Diana tienen una altura de 30 metros y un diámetro de 6,5 metros y se instalaron a una profundidad de unos 1.500 m sobre depósitos de arcilla blanda. Desde entonces, los cajones de aspiración se han instalado a profundidades aún mayores, pero la instalación de Diana supuso un gran avance tecnológico para el siglo XX. [6] Un paso importante en el desarrollo de la tecnología de cajones de succión surgió de la cooperación entre el antiguo operador en el Mar del Norte, Saga Petroleum AS, y el Instituto Geotécnico Noruego (NGI). La plataforma Snorre A, productora de petróleo de Saga Petroleum, era una plataforma de patas tensas del tipo que en otras partes del mundo se habría construido con pilotes de hasta 90 metros de largo. Desafortunadamente, en el yacimiento petrolífero de Snorre fue difícil utilizar pilotes largos debido a la presencia de enormes guijarros a 60 m de profundidad bajo el fondo marino. Por ello, Saga Petroleum decidió utilizar cajones de aspiración, que fueron analizados por NGI. Estos análisis fueron verificados a partir de extensas pruebas de modelos. Los cálculos demostraron que la plataforma se podía asegurar de forma segura mediante cajones de aspiración de sólo 12 m de longitud. Snorre A comenzó a producir petróleo en 1992 y ahora es operado por la compañía petrolera noruega Statoil .
Los cubos de succión se probaron con turbinas eólicas marinas en Frederikshavn en 2002, en Horns Rev en 2008 [7] [8] y en Borkum Riffgrund en 2014, y se utilizarán en un tercio de los cimientos en el desarrollo inicial del parque eólico de Hornsea . [9] Statoil ha pasado a utilizar la tecnología para parques eólicos. [10] También está previsto que se utilicen para algunas de las turbinas eólicas del parque eólico Hornsea Project One, cuya finalización está prevista para 2020. [11] [12] De forma similar, se ha adjudicado un contrato de cangilón de succión para el parque eólico de Aberdeen Bay Granja .
Los cajones de succión tienen muchas similitudes con los principios y soluciones de diseño de cimientos para las grandes plataformas petrolíferas por gravedad que se instalaron en el Mar del Norte cuando comenzó la producción de petróleo en alta mar a principios de los años 1970. La primera plataforma petrolera por gravedad en el campo petrolífero de Ekofisk tenía un área de cimentación del tamaño de un campo de fútbol y estaba colocada sobre un fondo marino con arena muy densa. La plataforma fue diseñada para tolerar olas de hasta 24 m de altura.
A medida que continuaba la instalación de plataformas petroleras en el Mar del Norte, en áreas con malas condiciones del suelo, como arcillas blandas, se diseñaron para sobrevivir a olas tormentosas aún más fuertes. Estas plataformas se basaron en un sistema de faldones cilíndricos que se penetraron en el suelo bajo una combinación de carga de gravedad y depresión. La plataforma petrolera del campo Gullfaks C estaba equipada con faldones de 22 m de longitud. La plataforma Troll A está fundada a 330 m de profundidad con faldones de 30 m de largo y es la plataforma de gravedad más grande del mundo.
El Instituto Geotécnico Noruego (NGI) ha estado muy involucrado en el desarrollo conceptual, el diseño y la instalación de anclajes de succión desde el principio. El proyecto "Aplicación de anclajes y cimentaciones de cangilones marinos en lugar de diseños convencionales" (1994-1998) fue patrocinado por 15 empresas petroleras e industriales internacionales y fue uno de los estudios más importantes. El proyecto “Cimentaciones con faldón y anclajes en arcilla” (1997-1999) fue patrocinado por 19 empresas internacionales organizadas a través del Offshore Technology Research Center (OTRC) en los EE.UU., y el proyecto “Cimentaciones con faldón y anclajes en arena” (1997- 2000) fue patrocinado por 8 empresas internacionales. Las principales conclusiones de los proyectos se presentaron en el documento OTC nº 10824 de 1999.
En 2003 se completó un estudio patrocinado por la industria sobre el diseño y análisis de anclajes de aguas profundas en arcilla blanda, en el que NGI participó junto con OTRC y el Centro de Sistemas de Cimentación Offshore (COFS) en Australia. El objetivo general era proporcionar al Grupo de Trabajo Geotécnico de API (RG7) y al Proyecto Industrial Conjunto VI de Deepstar los antecedentes, datos y otra información necesaria para desarrollar una práctica recomendada ampliamente aplicable para el diseño e instalación de anclajes en aguas profundas.
La sociedad de clasificación noruega DNV ( Det Norske Veritas ), activa a nivel mundial en el análisis de riesgos y la evaluación de la seguridad de construcciones especiales, ha elaborado un informe de prácticas recomendadas sobre los procedimientos de diseño para anclajes de succión basado en una estrecha colaboración con NGI. La información principal del proyecto se presentó en el documento OTC nº 18038 de 2006.
En 2002, NGI fundó la filial NGI Inc en Houston. Desde entonces, la filial se ha adjudicado el diseño geotécnico detallado para más de 15 proyectos de anclajes de succión en el Golfo de México, y entre ellos el desafiante proyecto Mad Dog Spar que implica el diseño de anclajes ubicados en antiguos depósitos de deslizamiento debajo de la escarpa de Sigsbee . Para obtener más información, puede consultarse los documentos OTC de 2006 nº 17949 y 17950. [13]