flavio canalongaTanque de pruebas del IPT: las simulaciones del comportamiento dinámico sirven de base para cálculos e investigaciones en situaciones realesflavio canalonga
Un estudio sobre el comportamiento dinámico de los buques tanque fondeados, que funcionan como plataformas de explotación de petróleo en el mar, está posibilitando aumentar su eficiencia y contribuirá para que Petrobras alcance sus metas de producción en aguas profundas en los próximos años. En 2005, la producción total de la empresa en Brasil llegaría 1,85 millones de barriles de petróleo diarios, ante los 1,1 millones actuales, de acuerdo al promedio de agosto. Iniciado en marzo de 1998 y con duración prevista de cuatro años, el proyecto sobre sistemas de anclaje es coordinado por Hernani Luiz Brinati, del Departamento de Ingeniería Naval y Oceánica de la Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo (USP).
Este hecho constituye un fortalecimiento del liderazgo de Petrobras en tecnología de explotación de petróleo a grandes profundidades. Un ejemplo de ese dominio es el campo Marlim Sul, situado en la cuenca de Campos, en donde se extrae crudo a 1.709 metros, un récord mundial de producción en lámina de agua. El despliegue de ese liderazgo tecnológico tuvo un fuerte estímulo: de los 9,8 mil millones de barriles que componen las actuales reservas de petróleo y gas de la empresa brasileña, el 75% se encuentra en aguas profundas (a entre 400 y 1.000 metros) o ultraprofundas (a más de 1.000 metros).
Los técnicos creen que el crecimiento de la producción depende mucho de la explotación exitosa de esos campos, en los cuales los sistemas flotantes – plataformas semisumergibles y buques tanque fondeados – son las únicas formas viables de producción en el mar.
El éxito brasileño en la explotación en aguas profundas solo ha sido posible gracias a un intenso programa de investigaciones iniciado hace más de 20 años, con la participación de científicos e ingenieros de todo el país. Uno de los estudios más recientes es el que coordina Brinati, con su foco en los buques tanque fondeados, los llamados FPSOs – sigla de floating production storage and off loading, o sistema flotante de producción, almacenamiento y descarga.
Un casco sencillo
Originariamente, los FPSOs eran superpetroleros de casco simple y de hasta 300 mil toneladas, que fueron transformados en plataformas de producción de petróleo. Ése es el caso del Vidal de Negreiros, de 320 metros de eslora y 240 mil toneladas, fabricado en los años 70 y que opera en la cuenca de Campos. En el comienzo de los años 90, esos barcos de casco simple empezaron a sufrir restricciones de navegación por el riesgo que representaban para el medio ambiente -de acuerdo con la actual legislación internacional, los buques tanque deben tener casco doble, que es más resistente y menos sujeto a averías y filtraciones.
La salida de las empresas fue transformarlos en plataformas de producción en altamar. Actualmente, Petrobras opera 12 FPSOs construidos en los años 70. Éstos tienen una ventaja sobre las plataformas normales: además de albergar plantas de producción para separar el crudo del gas, tienen una gran capacidad de almacenamiento.
“El objetivo del proyecto temático consistió en intentar alcanzar un mayor dominio del comportamiento del FPSO con las diferentes configuraciones de sus sistemas de anclaje”, explica Brinati. Cuando la explotación se efectúa en aguas playas, de hasta 400 metros de profundidad, se puede instalar como estructura de producción una plataforma fija, una enorme estructura metálica sujeta al fondo del mar. Con todo, en el caso de los pozos en aguas más profundas, la única alternativa es instalar sistemas flotantes, que permanecen amarrados al suelo submarino con cadenas y cables de acero o poliéster.
Fuerzas marinas
Allí es donde comienzan los problemas. Las fuerzas ambientales que inciden sobre el sistema de amarre en aguas profundas son poderosas: incluyen olas de hasta 15 metros, vientos de alta velocidad y correntadas de 2 metros por segundo. Por eso, las líneas de amarre del sistema flotante, que llegan a tener 3 mil metros de extensión, se mueven mucho y corren riesgos de averías. Al mismo tiempo, pueden desestabilizar a la plataforma o al barco, perjudicando la producción.
Cabe hacer notar que, debido a la propia concepción de proyecto, los buques tanque son naturalmente sujetos a movimientos de gran amplitud. “El gran desafío de los ingenieros oceánicos es mantener la posición de las embarcaciones de gran porte en láminas de agua de más de 1.000 metros, de manera confiable y con bajo costo”, dice Brinati. Para tal fin, existen dos sistemas de anclaje en uso.
El más tradicional, adoptado por la industria petrolera en todo el mundo, es el sistema torreta, que consiste en un enorme eje vertical que traspasa la proa del barco, desde donde salen cables de amarre y tubos -en algunos casos, son más de 40 tubos – en dirección al fondo del mar. En ese sistema, la embarcación puede moverse libremente alrededor de la torreta, orientándose de acuerdo con el ángulo de incidencia de las olas, del viento y de la correntada.
En el caso del sistema Dicas -abreviatura de differentiated compliance anchoring system, o sistema de anclaje por tensionamiento diferenciado -,creado por Petrobras, parte de un método de ancoraje convencional, con cables de amarre alrededor del barco. Entretanto, la distribución de las amarras y su tensionamiento, son criteriosamente planeados de modo tal que la embarcación pueda oscilar dentro de una amplitud determinada.
“Lo bueno de este sistema es el costo, bastante inferior al de la torreta. La gran desventaja es que solo le permite al FPSO una oscilación en la proa cercana a los 45 grados, lo que lo torna más dependiente de los factores ambientales”, explica Celso Pesce, del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Politécnica y que forma parte del grupo de Brinati.
Lanzamiento de tubos
Aunque las investigaciones del grupo tienen un fuerte contenido teórico para la creación de modelos matemáticos no lineales para la simulación numérica de los movimientos del sistema flotante, existen otras aplicaciones prácticas, revela Pesce: “Además de participar activamente de diversos estudios referentes al proyecto de FPSOs, como el del futuro P-50 (Petrobras-50), al comienzo de este año nuestro equipo concluyó un estudio de viabilidad y dimensionamiento para la instalación de un sistema de posicionamiento dinámico en una barcaza lanzadora de tuberías: la BGL-1.
Gracias a esas investigaciones, que incluyen la formulación de modelos hidrodinámicos, aerodinámicos y de control, la BGL-1 dejará de ser una barcaza del tipo amarrado y pasará a posicionarse dinámicamente, con seis sistemas propulsores”. La BGL-1, que actúa en la construcción y mantenimiento de módulos en la cubierta de las plataformas, sirve para lanzar oleoductos en el mar. Su posición precisa es esencial para el éxito de la operación de lanzamiento de tubos. Los propulsores, comandados por un sistema de control, funcionan automáticamente para corregir la posición y el rumbo, de modo tal que las tuberías sean lanzadas en el lugar cierto.
Con el sistema de amarre tradicional, basado en el lanzamiento de anclas, propio para profundidades menores, la operación era mucho más lenta y compleja. Después de lanzadas algunas centenas de metros de tuberías, la barcaza debía ser desplazada hacia adelante para continuar la operación. Esto hacía que el trabajo fuera costoso y lento, pues exigía el reposicionamiento de las anclas a lo largo del transcurso, por medio de embarcaciones auxiliares, los “remolcadores de manipuleo de anclas”.
Kazuo Hirata, del Instituto de Investigaciones Tecnológicas (IPT), comenta: “Esta nueva operación, que hará mucho más eficiente el lanzamiento de tuberías, permitiendo ampliar la operación de la BGL-1 en aguas profundas, solo fue posible gracias al desarrollo de modelos computacionales confiables, creados en la Escuela Politécnica y calibrados a partir de experiencias realizadas en los laboratorios de hidrodinámica del IPT”.
Estudio de vórtices
André Paiva Leite, investigador del Departamento de Ingeniería y Producción de Petrobras, revela que el trabajo del equipo de la USP ha sido de grande valía para la empresa. “Independientemente de cualquier resultado directo, estos proyectos tienen el mérito de mantener a Petrobras en contacto con investigaciones de punta”, afirma. “Además, las investigaciones están auxiliando en la formación de mano de obra especializada, esencial para el desarrollo de la tecnología nacional en la exploración de petróleo offshore (en el mar). “Un segundo proyecto, coordinado por José Augusto Penteado Aranha, de Ingeniería Naval y Oceánica de la Politécnica, está íntimamente ligado al primero.
Tuvo por objeto el estudio de uno de los fenómenos más complejos de la mecánica clásica: las vibraciones inducidas por vórtices. “Este fenómeno aún no ha sido bien entendido desde el punto de vista experimental y del modelado teórico”, explica Pesce, responsable por la parte experimental. Los vórtices son los movimientos de torbellino, como los remolinos, que pueden ocurrir tanto en el aire (el torbellino generado en las punta de las alas de los aviones, por ejemplo) como en el agua (el remolino que se forma en la rejilla de las piletas).
Vibraciones intensas
En la explotación del petróleo en el mar, los vórtices surgen de la interacción de las corrientes marinas con las tuberías de perforación y producción (los risers) que penden de las plataformas. Cuando eso sucede, cables y tubos vibran, debido a la excitación producida por la emisión alternada de vórtices, y esto genera tensiones que pueden causar incluso la ruptura del material por fatiga. “Es vital que las características críticas de una nueva estructura sujeta a vibraciones inducidas por vórtices sean conocidas ya en una fase inicial del proyecto”, dice Penteado Aranha.
La síntesis del proyecto, concluido tras cinco años de investigaciones, era el desarrollo de un método de análisis que permitiera estimar la vida útil de los tubos sujetos a corrientes marítimas. “Esos sistemas de risers llegan a costar decenas de millones de dólares, y su integridad es amenazada por las intensas vibraciones generadas por los vórtices”, dice el investigador. “Es importante, por lo tanto, comprender ese fenómeno, pues el mismo tiene un impacto económico muy gran en la explotación de petróleo en altamar.”
Para hacerse una idea de la amplitud de la investigación – que se valió de estudios computacionales de dinámica de los fluidos y de ensayos con modelos reducidos realizados en el tanque de pruebas del IPT, así como también de simulaciones del comportamiento dinámico de una tubería o riser -, basta saber que la estructura de los vórtices es tan compleja que actualmente las computadoras solo son capaces de simular numéricamente una pequeña parte de ellas.
“Hemos avanzado de manera consistente. Estamos muy cerca de poder simular el fenómeno de vibraciones inducidas por vórtices en risers , con la inclusión de efectos tridimensionales en el deslizamiento”, subraya Julio Meneghini, responsable por la fluidodinámica computacional. “Fue posible criar el LIFE – Laboratorio de Interacción Fluidoestructuras – equipándolo con estaciones de trabajo de última generación, de gran capacidad de procesamiento”, agrega Clóvis Martins, de Ingeniería Mecánica.
Una mejor comprensión
“El proyecto fue esencial para juntar a las personas de diferentes departamentos que trabajaban en torno a un campo común. Con ello, procuramos llegar a una comprensión física más precisa del fenómeno de la vorticidad, en la tentativa de construir modelos capaces de reproducir el fenómeno observado en laboratorio”, dice Penteado Aranha. “Creo que en dos años vamos a alcanzar ese objetivo.”
De los dos proyectos temáticos participaron cinco investigadores del IPT, 11 de la Politécnica y de los institutos de Física y de Matémática de la USP, además de cerca de 20 alumnos de iniciación científicayposgrado. También colaboraron científicos del Imperial College de Londres y de las universidades de Michigan y Cornell, en Estados Unidos. La producción académica a partir de las investigaciones incluye 60 documentos presentados en conferencias internacionales y 15 artículos en revistas científicas en el exterior, además de monografías, disertaciones de maestría y tesis de doctorado.
Los proyectos
Métodos de Dinámica No Lineal Aplicados al Proyecto y al Análisis de Sistemas de Anclaje
Modalidad
Proyecto temático
Coordinador
Hernani Luiz Brinate – USP
Inversión
R$ 247.000,00
Vibración Inducida mediante Emisión de Vórtices (Vortex Shedding) en estructuras Marítimas y Oceánicas
Modalidad
Proyecto temático
Coordinador
José Augusto Penteado Aranha – USP
Inversión
R$ 44.032,52 y US$ 69.395,15
