ESTRUCTURA DE ACERO DE UNA PLANTA DE DESHIDRATACIÓN DE GAS NATURAL PARA UNA INSTALACIÓN “OFF-SHORE” Juan Manuel MASUET Ingeniero Mecánico Tecna Estudios y Proyectos de Ingeniería S.A. Comodoro Rivadavia – Prov. de Chubut Se describe el proceso de diseño, verificación estructural, fabricación y montaje de la estructura de acero para soporte de una planta de deshidratación de gas natural por glicol. Esta planta se instaló a bordo de la P-34, una plataforma off-shore propiedad de una empresa petrolera brasileña. Se trata de una estructura de construcción soldada de 6,80 m por 5,20m en planta, con una altura total de 15 m, repartidos en 5 niveles. Como caso de aplicación de la ingeniería estructural, el trabajo resulta novedoso por haber requerido considerar algunos aspectos de ingeniería naval y la normativa y regulaciones aplicables en ese campo. Se describen las cargas a aplicar para las diferentes hipótesis contempladas, el modelado de la estructura y la verificación estructural. La estructura se resolvió utilizando el software Staad Pro 2004. Se verificó por el código AISC LRFD 3ra Edición. Se realizó la evaluación de fatiga por el método simplificado del “American Bureau of Shipping”. Finalmente se describen aspectos de la fabricación, inspección y montaje final de la estructura en su ubicación definitiva. Steel structure of a Natural Gas Dehydration Unit for an Off-Shore Facility. It is described the design process, structural verification, shop construction and final assembly of the supporting steel structure of a Natural Gas Dehydration Unit by means of glycol absortion. This unit was installed on the P-34, an off-shore platform owned by a Brazilian oil company. It consist of a welded construction, with a 6.80 m wide and 5.0 m long footprint, and 15.80 m high, distributed among five stories. As an application case of structural engineering, this job results interesting because because it required considering some topics from naval engineering, including the current applicable standards and regulations concerning this field of engineering. The load combinations for each loading hypothesis are described, as well as the structure modelization, and the structural verification. The structure was solved by using the Staad Pro Rel. 2004. AISC LRFD 3rd Edition Code was used in the structural checking. Fatigue assesment was performed by means of the simplified method recommended proposed by the “American Bureau of Shipping” Finally, some topics from fabrication, inspection and final assembly of the structure at its final location are described.

1. INTRODUCCIÓN En este trabajo se describirá el diseño y verificación de la estructura metálica de soporte de una planta de deshidratación de gas natural por el proceso de absorción de glicol, para una plataforma off-shore. También se comentarán aspectos relativos a la fabricación y el montaje de esta estructura. Este trabajo fue adjudicado por una empresa petrolera brasileña a un consorcio formado por dos empresas: Bardella, de Brasil, que sería la responsable de la fabricación de equipos componentes y de construcción y montaje de la planta; y Tecna, de Argentina, que tendría a su cargo la ingeniería básica y de detalle, como así también la asistencia técnica en todo el proceso de construcción, montaje y puesta en marcha. La planta debía ser capaz de procesar 600.000 m3 de gas por día, y estará instalada en la plataforma P-34. Esta plataforma es un buque petrolero modificado que fue convertido en una instalación capaz de procesar, almacenar y posteriormente transferir hidrocarburos que son producidos en yacimientos sobre el mar. La planta de deshidratación de gas natural propiamente está compuesta por varios equipos, entre los cuales se encuentran la torre contactora, diversos recipientes a presión, bombas, intercambiadores de calor, cañerías y equipamiento eléctrico. Al tratarse de una instalación que debería funcionar en la cubierta de un buque, el diseño debía contemplar muchos aspectos particulares y diferentes a los de las instalaciones tradicionales en tierra. Uno de estos aspectos era la limitación de espacio, que exigía una reducida proyección en planta y un mayor desarrollo en altura. La planta fue concebida además de modo que fuera totalmente “paquetizada”. Esto significa que sus componentes individuales serían montados previamente sobre la estructura de soporte, e interconectados entre sí con todas las cañerías, cableado eléctrico de potencia e instrumentación. Todo el conjunto formaría una unidad que sería completada en tierra, para luego ser izada a bordo de la plataforma. En ese momento se harían las conexiones a los sistemas e instalaciones a través de puntos predeterminados. 2. DISEÑO, DIMENSIONAMIENTO Y VERIFICACIÓN ESTRUCTURAL 2.1. TOPOLOGÍA La ingeniería básica diseño el proceso y determinó cuales serían los equipos que compondrán la planta, y sus dimensiones en función de la producción requerida y la ubicación relativa entre ellos. Lógicamente, en esta etapa ya habían sido consideradas las especificaciones requeridas en cuanto a las dimensiones máximas de la planta en su proyección horizontal. En este caso, el diseño no podía excederse de un rectángulo de 5200 mm por 6800 mm, para las direcciones longitudinal y transversal respectivamente.

Para el diseño de la topología de la estructura, se tomó como punto de partida un esquema con la ubicación de los equipos individuales que formarían parte de la planta. En la figura 1 se muestra un esquema del módulo con sus equipos. A los equipos en cada nivel se les debería proporcionar soporte debajo de sus cunas y apoyos. Así se definió la ubicación de las vigas principales en cada uno de los niveles, y luego se adicionaron vigas secundarias para proporcionar apoyo a los apoyos de cañerías y plataformas de circulación.

Figura 1 Vista general del módulo extraída de la maqueta electrónica

2.2. CARGAS Debido a los movimientos que puede sufrir el buque por la acción del mar, existe la posibilidad de que aparezcan aceleraciones que deberán ser resistidas por la estructura de soporte de la planta. La información estadística de datos meteorológicos y oceanográficos fue suministrada en un conjunto de datos conocido como “METOCEAN DATA”, el cual contiene gran cantidad de información de oleaje, lluvias, mareas, corrientes marinas, dirección y magnitud de los vientos, temperatura del agua de mar, entre otros.

6800 5200

13700

La magnitud y frecuencia de las oscilaciones dependerán de las características meteorológicas y oceanográficas de la zona donde operará el buque, como por ejemplo, de la altura y largo de las olas que pudieran producirse, como así también de las dimensiones y desplazamiento (masa total) del buque. Sin embargo, la predicción de estas oscilaciones y todo el comportamiento dinámico del buque estaba fuera del alcance del trabajo encomendado. Como parte de la información entregada por el cliente se suministraron las aceleraciones angulares y lineales. Se especificaba como datos los ángulos máximos y frecuencias de rolido, cabeceo, y la magnitud de aceleraciones lineales en el eje vertical. En función de estos datos, y considerando la ubicación de la planta en relación al centro de gravedad del buque, se calcularon las aceleraciones a las que podría verse sometida la planta en cada uno de los tres ejes. Los movimientos posibles se combinaron de diversas maneras posibles, y se consideraron las siguientes condiciones posibles: “Design Operating Condition” (DEC), lo cual implicó considerar las olas, viento y corrientes marinas en un período de recurrencia de 1 año; -“Design Extreme Condition” (DOC), aquí se consideró la peor situación, con las olas máximas y viento en un período de recurrencia de 50 años más la corriente ó el viento en un período de 10 años (eligiendo la combinación más severa), y nuevamente calculando las aceleraciones; -“Transportation Condition”, se consideró la situación de tránsito, desde el muelle ó astillero hasta el lugar de operación. Esto significaba considerar un período de recurrencia de 10 años para olas, vientos y corrientes marinas; -“Damage Condition”, se consideró el caso del buque averiado, escorado hacia uno de sus lados, con un ángulo determinado.

La distancia vertical (RVERT), longitudinal (RLONG) y transversal (RTRANSV) de separación entre los centros de gravedad del buque y de la planta serían, respectivamente RVERT = 15,3 m; RLONG = 42,2 m, y RTRANSV = 7,5 m

Las frecuencias y magnitudes de los movimientos angulares del buque serían las indicadas a continuación en la tabla 2 para el movimento de rolido, tabla 3 para el movimiento de cabeceo y tabla 4 para el movimiento de traslación vertical

θROLL

[grados] TROLL

[s]

DEC 25,3 13,5 DOC 12,1 14,2

Tabla 2

θPITCH

[grados] TPITCH

[s]

DEC 4.3 13.1 DOC 3.4 11.9

Tabla 3

AHEAVE [m/s2] DEC 1.64 DOC 0.66

Tabla 4

Donde: θROLL = Ángulo máximo de giro de rolido; TROLL= Período de oscilación del movimiento de rolido θPITCH = Ángulo máximo de giro de cabeceo; TPITCH= Período de oscilación del movimiento de cabeceo AHEAVE= Aceleración máxima por traslación vertical Las aceleraciones entonces se calcularon mediante las siguientes fórmulas: a) Movimiento debido a oleaje de frente al buque:

AxHS = ±

⋅

+⋅

gR

T PITCHVERTPITCH

PITCH θππ

θπ

180sin2

180

2

(1)

AzHS = ±

⋅

+⋅

gR

T PITCHLONGPITCH

PITCH θππ

θπ

180cos2

180

2

(2)

b) Movimiento debido a oleaje en forma transversal al buque, incluyendo aceleración vertical por traslación:

AyBS = ± ( )

+⋅

+⋅

HEAVEROLLVERT

ROLLROLL AgR

Tθ

ππθ

π180

sin2180

2

(3)

AzBS = ± ( )

+⋅

+⋅

HEAVEROLLTRANSV

ROLLROLL AgR

Tθ

ππθ

π180

cos2180

2

(4)

c) Movimiento debido a oleaje oblicuo al eje del buque AxCS= AxHS . cos (45°) (5) AyCS= AyBS . cos (45°) (6) AzCS= 1/2 (AzHS + AzBS) (7) Donde: AxHS = Aceleración longitudinal debido a oleaje de frente AzHS = Aceleración vertical debido oleaje de frente AyBS = Aceleración transversal debido a oleaje transversal AzBS = Aceleración vertical debido oleaje transversal más el efecto de traslación Combinando estos efectos, las fuerzas de masa actuantes sobre cada uno de los elementos, serían proporcionales a su peso ó masa. Para la verificación de la resistencia de los elementos estructurales a rotura, se utilizarían las condiciones extremas de diseño (DEC). Para la evaluación a fatiga de las soldaduras, se utilizarían las condiciones operativas de diseño (DOC).

Adicionalmente se considerarían otras dos condiciones, una con el buque escorado hacia un lado por una eventual avería ó desbalanceo, y por último una condición de tránsito. Se muestran en las figuras 5 y 6 los ejes de referencia del buque viendo al mismo en elevación y en planta respectivamente.

Figura 5

Figura 6

Las aceleraciones predecidas originarían fuerzas de masa (o “fuerzas inerciales”) sobre cada uno de los elementos de la planta, es decir sobre la propia estructura y sobre cada uno de sus componentes. Esas fuerzas se calcularon individualmente y se aplicaron sobre los centros de gravedad de cada uno de los equipos. La fuerza sobre la estructura se calculó con la ayuda del software que se utilizó para la verificación. En resumen, para calcular las fuerzas actuantes sobre el módulo y sus equipos, debidas a los movimientos del buque, como un múltiplo del peso, las expresiones serían: A – Movimiento de cabeceo y rolido superpuestos: Fx = 0,10 P Fy = 0,65 P Fz = -2,20 P (8) B – Movimientos con oleaje oblicuo: Fx = 0,07 P Fy = 0,46 P Fz = -1,12 P (9)

Z

X

Y

X

C – Buque escorado por avería: Fx = 0,17 P Fy = 0,38 P Fz = -1,00 P (10) D – Buque en tránsito: Fx = 0.50 P Fy = 0.75 P Fz = -1.50 P (11) Donde: P = Peso del componente Fx= Fuerza en el sentido longitudinal del buque Fy= Fuerza en el sentido transversal del buque Fz= Fuerza vertical En cuanto al viento, y partiendo de los datos del “METOCEAN DATA”, las fuerzas fueron calculadas de acuerdo a la norma ASCE 7 – 981. En este reglamento, para calcular la fuerza ejercida por el viento se debe tomar inicialmente la velocidad llamada “de ráfaga de 3 segundos”, calculada a partir de los promedios de las velocidades instantáneas en ese tiempo. Como los datos del “METOCEAN DATA” especificaban que las velocidades de viento informadas correspondían a la “fastest mile speed”, ó sea promediando las velocidades instantáneas en lapsos de 10 minutos, se aplicó la siguiente relación de conversión: Vref

3s = 1,493 x Vref10 min (12)

Donde Vref

3s es la velocidad de viento promediada cada tres segundos, para calcular luego las fuerzas del viento, y Vref

10 min era el dato de velocidades de viento promediadas cada 10 minutos que se contaban como dato. No se detalla el cálculo completo de la carga de viento por no resultar relevante, ya que es similar a todos los cálculos de viento. El efecto de las cargas de viento se superpondría a los efectos de cargas por movimientos del buque. Otras cargas consideradas separadamente fueron los casos de desmontaje de tubos y resistencias calefactoras durante operaciones de mantenimiento de calentadores e intercambiadores de calor. En estas operaciones se utilizarían vigas monorrieles que fueron requeridas en las especificaciones. 2.3. MODELIZACIÓN – DIMENSIONAMIENTO - VERIFICACIÓN La estructura se resolvió utilizando el software Staad Pro Rel. 2003. El modelo utilizado fue el de un pórtico tridimensional, formado por elementos de barras unidos por nudos rígidos. El tamaño del modelo resultó de 297 nudos y 479 barras. Para introducir en el modelo las cargas obtenidas a través del cálculo de las aceleraciones y acción del viento, se consideraron las fuerzas actuando en el centro de gravedad individual del equipo, y se trasladaron las acciones a los apoyos en forma de fuerzas y cuplas.

Para el caso de fuerzas de masa sobre la estructura, se aplicó una función del software. Las fuerzas de viento sobre la estructura se introdujeron como fuerzas uniformemente distribuidas sobre todos los elementos expuestos. Se ejecutó un análisis estático lineal. Esto se validó posteriormente cuando se comprobó la existencia de pequeñas deformaciones, además de que las frecuencias naturales de vibración resultaron altas, extremadamente alejadas de las frecuencias de las oscilaciones. Las vigas resultaron de perfiles de acero laminados en caliente la serie “W beams” (seccion doble Tee) americanos de calidad ASTM A572 Gr. 50, excepto las columnas, que son ASTM A36, de la serie de “H piles”. En la figura 7 se muestra una vista del módulo extraída durante las operaciones de modelado con el software Staad Pro.

Figura 7

Vista de la estructura extraída de Staad Pro

La estructura se verificó con el código AISC LRFD 3ra Edición2. En esta operación, el software utilizado en la resolución del problema incluye también verificación de la esbeltez máxima, pandeo lateral y pandeo global de columnas. En la salida entregada por el programa luego de su ejecución, los resultados se presentan en forma de tabla, donde se incluye a cada uno de los elementos, cual es la sección escogida en el dimensionamiento, el resultado de la verificación (pasa / falla), la condición crítica ó sección del código aplicable en la verificación, el ratio ó cociente de utilización considerando su capacidad portante, cual es la

combinación de carga más severa para el elemento, las fuerzas y momentos sobre el elemento, y la ubicación de la sección más solicitada dentro de cada uno de los elementos. Asimismo se verificaron todas las condiciones de carga durante la construcción y montaje. Se analizaron como hipótesis de carga la condición de izamiento de cada uno de los cuatro subconjuntos en las cuales se subdividió el módulo, como así también el izaje del módulo completo terminado. Se calculó también la ubicación en el espacio del centro de gravedad del módulo. Además de requerirse ese dato para la evaluación de la condición de izamiento durante el montaje, tanto la masa total del módulo como la ubicación del centro de gravedad del mismo son de suma importancia para el estudio de balanceo del buque. El peso del módulo completo en el momento del izaje sería de aproximadamente 75 ton, y en operación el peso sería de 83 toneladas. También se diseñaron y dimensionaron los elementos auxiliares de izamiento, como los cáncamos u orejas de izaje, y unas perchas para esa operación. En la memoria de cálculo y en planos se detalló la configuración de eslingas, longitudes, diámetro y calidad e las mismas, como también los cáncamos y grilletes a utilizar. En la figura 8 se muestra el esquema de izamiento de dos de los subconjuntos, confeccionado a estos efectos, y en la figura 9 se muestra el esquema de izaje del módulo completo.

Figura 8 Esquemas de izamiento de subconjuntos

Figura 9

Esquema de izamiento del módulo completo 2.4. EVALUACIÓN DE RESISTENCIA A FATIGA Se incluyó también una evaluación de fatiga de las soldaduras, aplicando el método simplificado contenido en el reglamento “ABS Rules for Building and Classing Steel Vessels” Edición 20053. Se utilizó la guía para evaluación de resistencia a fatiga en buques tanque de la parte 5, capítulo 1, Apéndice 1, de ese reglamento de la industria naval. A continuación se presenta el cálculo del rango de tensiones admisibles por fatiga. Eslora del buque L= 231.1 m Manga del buque D= 16.87 m γ = Parámetro de distribución a largo plazo γ = 1.40 - 0.2 α L 0.2 para 150 m < L < 305 m (13) α = 1,0 para estructuras sobre cubierta, incluyendo estructuras de cáscara lateral y estructuras de bodega longitudinal hasta 0,1 D desde la cubierta. γ = 1.40 - 0.2 α L0.2 = 0.806 (14) Se consideró a las uniones de las vigas metálicas como uniones clase G. Como resultado, el rango de tensión admisible será de 25,9 kg/mm2 (254 MPa) Se consideraron todas las combinaciones de carga posibles para las condiciones operativas de diseño, a diferencia de las condiciones extremas utilizadas para la

verificación de resistencia. Con los esfuerzos en los extremos de barras que tendrían soldaduras, fue determinada la tensión máxima en las uniones. Se verificó que se satisficiera la siguiente condición: 2 . σmax < 254 MPa (15) siendo σmax la tensión actuante para la condición más desfavorable de cada unión. 3. ALGUNOS ASPECTOS DE LA FABRICACIÓN Y MONTAJE Para la fabricación de la estructura metálica se emplearon operadores de soldadura calificados y procedimientos de soldadura calificados, los cuales debían ser aprobados previamente por el cliente. Las soldaduras en la estructura fueron inspeccionadas mediante ensayos no destructivos, de ultrasonido y tintas penetrantes para las soldaduras de filete, y radiografiado para las soldaduras a tope con penetración completa. Debido a la subdivisión de la estructura en cuatro módulos, fue posible trabajar en dos plantas distintas ubicadas en Sorocaba y Guarulhos en el estado de San Pablo, donde fueron fabricados la estructura y los equipos. La planta se armó completamente en taller, incluyendo la estructura y los equipos de proceso, para ser desarmada nuevamente previo a su traslado al puerto. Cada uno de los cuatro subconjuntos fue transportado posteriormente hacia el puerto en Vitoria en el estado de Espirito Santo. En un muelle de este puerto se ejecutó el montaje final del módulo, y posteriormente se produjo su izamiento a bordo de la plataforma. Se muestran al final fotos referidas al proceso de fabricación y montaje. 4. CONCLUSIÓN Este trabajo resultó en un aprendizaje valioso, por haber requerido la aplicación de normativa que no había sido utilizada anteriormente, y que es de aplicación en el campo de la industria naval. Algunos aspectos considerados no son usuales en otras construcciones de plantas de proceso, como es el caso de la evaluación de la fatiga, que normalmente no es considerada en instalaciones en tierra. El tipo de cargas propias de la aplicación fue otro elemento novedoso. Las condiciones de izaje fueron un punto analizado con detalles, incluyendo el cálculo de centro de gravedad. La presentación de la documentación del proyecto requirió un tratamiento cuidadoso debido a las exigencias del cliente, de la compañía que actúa de auditor e inspector, y por último de la Sociedad Clasificadora interviniente (Lloyd’s Register).

Figura 10

Subconjunto inferior en proceso de fabricación. Se ven restos del revelador de tintas penetrantes sobre las soldaduras.

Figura 11

Módulo de deshidratación por glicol. En la planta de fabricación, se ven los andamios exteriores “envolviendo” al módulo.

Figura 12

Vista lateral del Módulo de deshidratación por glicol. En la planta de fabricación.

Figura 13

Vista del subconjunto superior del módulo mientras va a ser instalado para completar el mismo, en el taller.

Figura 14

Grúa flotante trasladando el Módulo de deshidratación por TEG para montaje final sobre el buque.

Figura 15

Módulo suspendido de la grúa flotante durante la operación de montaje de Módulo de Glicol a bordo del buque.

5. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1 – ASCE 7-98 se refiere al reglamento “Minimum design loads for buildings and other structures”, American Society of Civil Engineering.

2 – AISC LRFD 3 Ed. se refiere al “Load and Resistance Factor Design Manual of Steel Construction”, 3ra Edición, y a la especificación contenida en ese manual, “Load and Resistance Factor Design Specification for Structural Steel Buildings”, American Institute of Steel Construction, Inc.

3 –“ABS Rules for Building and Classing Steel Vessels” Edición 2005, American Bureau of Shipping