Un elevador de catenaria de acero (SCR) es un método común para conectar un oleoducto submarino a una plataforma de producción de petróleo fija o flotante en aguas profundas. Los SCR se utilizan para transferir fluidos como petróleo, gas, agua de inyección, etc. entre las plataformas y las tuberías.
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 de acero rígido que tiene una rigidez a la flexión considerable se describe como catenaria. Esto se debe a que en la escala de profundidad del océano, la rigidez a la flexión de una tubería rígida tiene poco efecto sobre la forma del tramo suspendido de un SCR. La forma que asume el SCR está controlada principalmente por el peso, la flotabilidad y las fuerzas hidrodinámicas debidas a las corrientes y las olas. La forma del SCR se aproxima bien mediante ecuaciones catenarias rígidas . [1] En consideraciones preliminares, a pesar de utilizar tubos de acero rígidos convencionales, la forma del SCR también se puede aproximar con el uso de ecuaciones de catenaria ideales , [2] cuando es aceptable alguna pérdida adicional de precisión. Las ecuaciones de catenaria ideales 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 ideales utilizan eslabones infinitamente cortos.
Los SCR fueron inventados por el Dr. Carl G. Langner PE, NAE, quien describió un SCR junto con una junta flexible utilizada para acomodar 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 ondas. . [3] Los SCR utilizan miles de pies de tramos largos de tubería sin soporte. Están involucradas dinámicas complejas, hidrodinámicas, incluidas vibraciones inducidas por vórtices (VIV) y física de las interacciones de las tuberías con el fondo marino. Estos son duros con los materiales utilizados para construir la tubería SCR. El Dr. Langner había llevado a cabo años de trabajo analítico y de diseño antes de que se presentara una solicitud para su patente en Estados Unidos. Ese trabajo comenzó antes de 1969 y quedó reflejado en documentos internos de Shell, que son confidenciales, pero se emitió una patente sobre uno de los primeros diseños SCR 'Bare Foot'. [4] Los VIV se controlan predominantemente mediante el uso de dispositivos conectados al tubo SCR. Pueden ser, por ejemplo, dispositivos de supresión de VIV, como cinchas o carenados helicoidales [5] que reducen considerablemente las amplitudes de VIV. [6] El desarrollo de programas de ingeniería de predicción VIV, como por ejemplo el programa SHEAR7, es un proceso continuo que se originó en la cooperación entre el MIT y Shell Exploration & Production [7] en paralelo al desarrollo del concepto SCR, mientras que el desarrollo de SCR en mente. [8]
El tubo rígido del SCR forma una catenaria entre su punto de suspensión en la plataforma flotante o rígida y el fondo marino. [9] Un SCR que cuelga libremente asume una forma más o menos similar a la letra 'J'. Una catenaria de un Steel Lazy Wave Riser (SLWR) consta de al menos tres segmentos de catenaria. Los segmentos superior y del fondo marino de la catenaria tienen un peso sumergido negativo y sus curvaturas "abultan" hacia el fondo marino. El segmento medio tiene material flotante fijado a lo largo de toda su longitud, de modo que el conjunto del tubo de acero y la flotabilidad son positivamente flotantes. En consecuencia, la curvatura del segmento flotante "se hincha" hacia arriba (catenaria invertida), y su forma también puede aproximarse bien con las mismas ecuaciones de catenaria rígida o ideal . Los segmentos con flotabilidad positiva y negativa son tangentes entre sí en los puntos donde se unen. La forma general de catenaria del SLWR tiene puntos de inflexión en esos lugares. Los SLWR se instalaron por primera vez en una torreta FPSO amarrada en alta mar en Brasil (BC-10, Shell) en 2009, [10] a pesar de que los elevadores flexibles con configuración Lazy Wave habían sido ampliamente utilizados durante varias décadas antes.
La aplicación más profunda de los SCR Lazy Wave (SLWR) se encuentra actualmente en la FPSO (Shell) amarrada en la torre Stones, que está amarrada a 9,500 pies de profundidad de agua en el Golfo de México . [11] La torreta de la FPSO Stones cuenta con una boya desconectable, de modo que la embarcación 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 marino utilizan tuberías "dinámicas", es decir, tuberías de acero que tienen 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 asociadas en la zona de aterrizaje. de la SCR. Más allá de eso, el SCR normalmente se amplía con una tubería rígida, pero también es factible el uso de una tubería flexible. [12] [13] Los elevadores suelen tener entre 8 y 12 pulgadas de diámetro y funcionan a una presión de 2000 a 5000 psi. [14] También son factibles diseños más allá de esos rangos de tamaños de tubería y presiones de operación.
Shell utilizó por primera vez los SCR suspendidos libremente en la plataforma Auger con patas tensoras (TLP) [15] en 1994, que estaba amarrada a 872 m de agua. [16] Demostrar a Shell que el concepto SCR era técnicamente sólido para su uso en el Auger TLP fue un logro importante del Dr. Carl G. Langner. Fue un salto tecnológico. La aceptación del concepto SCR por parte de toda la industria offshore se produjo con relativa rapidez. Los SCR han funcionado de manera confiable en campos de petróleo y gas en todo el mundo desde su primera instalación Auger.