Elevador catenario de acero

Un conducto ascendente catenario de acero (SCR) es un método común para conectar un oleoducto 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 oleoductos.

En la industria offshore, el término catenaria se utiliza como adjetivo o sustantivo con un significado más amplio que su significado histórico en matemáticas. Así, una SCR que utiliza una tubería de acero rígida con 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 una tubería rígida tiene poco efecto sobre la forma del tramo suspendido de una SCR. La forma que adopta la SCR está controlada principalmente por el peso, la flotabilidad y las fuerzas hidrodinámicas debidas a las corrientes y las olas. La forma de la SCR se aproxima bien mediante ecuaciones de catenaria rigidizada. ^{[ 1 ]} En consideraciones preliminares, a pesar de utilizar tubería de acero rígida convencional, la forma de la SCR también puede aproximarse mediante el uso de ecuaciones de catenaria ideal, ^{[ 2 ]} cuando se acepta cierta pérdida de precisión. Históricamente, las ecuaciones de catenaria ideal se utilizan para describir la forma de una cadena suspendida entre puntos en el espacio. Por definición, una línea de cadena tiene una rigidez a la flexión nula, y las descritas con las ecuaciones de la catenaria ideal utilizan eslabones infinitesimalmente 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 olas. ^{[ 3 ]} Los SCR utilizan miles de pies de tramos largos de tubería sin soporte. Se involucran dinámicas complejas, hidrodinámica, incluyendo vibraciones inducidas por vórtices (VIV) y la física de las interacciones de la tubería con el lecho marino. Esto es exigente 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 de patente en los EE. UU. Ese trabajo comenzó antes de 1969 y se reflejó en documentos internos de Shell, que son confidenciales, pero se emitió una patente para un diseño inicial de SCR 'Bare Foot'. ^{[ 4 ]} Las VIV se controlan principalmente con el uso de dispositivos conectados a la tubería SCR. Estos pueden ser, por ejemplo, dispositivos de supresión de VIV, como aletas 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 continuo que se originó en la cooperación entre el MIT y Shell Exploration & Production ^{[ 7 ]} en paralelo al desarrollo del concepto SCR, teniendo en cuenta el desarrollo de SCR. ^{[ 8 ]}

El tubo rígido del SCR forma una catenaria entre su punto de suspensión en la plataforma flotante o rígida y el lecho marino. ^{[ 9 ]} Un SCR suspendido libremente adopta una forma aproximadamente similar a la letra 'J'. Una catenaria de un Steel Lazy Wave Riser (SLWR) consta, de hecho, de al menos tres segmentos catenarios. Los segmentos superior y del lecho marino de la catenaria tienen un peso sumergido negativo y sus curvaturas se abomban hacia el lecho marino. El segmento medio tiene material flotante adherido a lo largo de toda su longitud, de modo que el conjunto del tubo de acero y la flotabilidad es positivamente flotante. En consecuencia, la curvatura del segmento flotante se abomba hacia arriba (catenaria invertida) y su forma también puede aproximarse 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 una FPSO amarrada a una torreta en la costa de Brasil (BC-10, Shell) en 2009, ^{[ 10 ]} aunque los elevadores flexibles de configuración Lazy Wave se habían utilizado ampliamente durante varias décadas antes.

La aplicación más profunda de los SCR de onda perezosa (SLWR) se encuentra actualmente en el FPSO Stones (Shell), amarrado a una torreta, que está amarrado a 9500 pies de profundidad en el Golfo de México . ^{[ 11 ]} La torreta del FPSO 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 descansa en el lecho marino utilizan tubería "dinámica", es decir, tubería 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 asociadas en la zona de contacto de la SCR. Además, la SCR se extiende típicamente con una tubería rígida, pero también es factible el uso de una tubería flexible. ^{[ 12 ] [ 13 ]} Las tuberías ascendentes suelen tener un diámetro de 8 a 12 pulgadas y operan a una presión de 2000 a 5000 psi. ^{[ 14 ]} También son factibles diseños fuera de esos rangos de tamaños de tubería y presiones de operación.

Los SCR suspendidos libremente fueron utilizados por primera vez por Shell en la plataforma de patas de tensión Auger (TLP) ^{[ 15 ]} en 1994, la cual estaba amarrada a 872 m de profundidad. ^{[ 16 ]} Demostrar a Shell que el concepto SCR era técnicamente viable para su uso en la 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 en Auger.