Tehnici de modelare i simulare ale proceselor

UNIVERSITATEA OVIDIUS CONSTANASpecializare Master: C.C.C.S.

PROIECTTehnici de modelare i simulare ale proceselor

Masterand : Daniel ENACHEndrumtor : .l.dr.ing. Alexandru PINTILIE

An Universitar: 2014 2015

Tema proiectului:Studiu privind analiza structurii imersate de tip jacket a unei platforme marine, ca urmare a incarcarilor specifice mediului marin

Cuprins:1. Introducere41.1 Platform petrolier marin41.2 Platformele marine fixe41.2 Platforme marine fixe din zbrele tubulare42. Modelarea structurii tip Jacket a platformei marine53.Analiza statica structurii jacket a platformei marine pentru ncrcrile datorate mediului marin (valuri+cureni marini+vnt+seism)94. Analiza Dinamic a structurii jacket a platformei marine144.1. Analiza Dinamic a Jacket-ului: Analiza PSD (Power Spectra Density) pentru Rspuns Aleatoriu la Seism145. CONCLUZII17

1. IntroducereStructura de tip jacket pentru care voi face analiza dinamic, pentru determinarea tensiunilor n elemente i deplasrilor n noduri, ca urmare a ncrcrilor statice i dinamice specifice acestor structuri (specifice mediului marin) face parte din categoria structurilor imersate a platformelor marine.Pentru realizarea acestui obiectiv, voi incepe cu o prezentare:1.1 Platform petrolier marinPlatformele petroliere marine sunt structuri metalice de mari dimensiuni pe care se pot afla diverse utilaje i instalaii precum i muncitorii pentru efectuarea operaiunilor de foraj marin, extracia de petrol i gaze naturale i expedierea lor la rm pentru procesare.La nceput, puurile de foraj marin erau situate n apele puin adnci, apropiate de rm. Exploatarea la mare adncime a luat amploare dup anii 1960, mai ales n Marea Nordului. Primul cmp petrolier din Marea Nordului a fost descoperit n 1969.Dup anii 1960, se dispunea de instalaii i echipamente cu care se putea fora n orice condiii, realizndu-se n acest scop mai multe tipuri de platforme marine fixe i mobile.1.2 Platformele marine fixe sunt montate direct pe fundul mrii. Acestea pot fi utilizate att pentru foraj, ct i pentru exploatare sau producie.Acest tip de platforme este deosebit de eficient n ap puin adnc, dar deosebit de costisitor la adncimi mai mari. Tipurile mai mici, pentru foraj, sunt integrale (cu toate instalaiile necesare) sau asistate de o nav suport.Dup terminarea forajului i punerea n producie a sondelor, platforma poate rmne, servind pentru producie. Dup efectuarea forajelor de explorare, se instaleaz una sau mai multe platforme fixe i de pe ele se sap o serie de sonde (pn la 36 de sonde de pe o platform).Platformele fixe pot fi: platforme marine fixe din zbrele tubulare, platforme marine fixe tip turn, platforme marine fixe din beton de tip structur gravitaional.1.2 Platforme marine fixe din zbrele tubularePlatformele fixe sunt utilizate pn la adncimea de 100 m, dar cnd sunt utilizate i pentru producie, sunt amplasate pn la adncimea de 150 m.Platformele marine fixe din zbrele tubulare pot fi platforme cu tuburi de ghidaj (platforme plate)la care picioarele platformei servesc ca un ghidaj prin care se bat piloii n fundul apei i platforme cu manta (platforme jacket) construite din tuburi de diametru mare a picioarelor prin care se introduc piloii.Platformele fixe din zbrele tubulare sunt alctuite din trei pri principale: piloii cilindrici pentru ancorare, construcia din tuburi din oel sudate care se ridic de la fundul mrii pn la o anumit nlime deasupra nivelului apei, punile platformei pe care se afl instalaiile.Piloii pentru ancorare au diametre variabile, cel mai mare fiind la linia fundului apei unde poate atinge un diametru de peste un metru. Diametrul lor determin dimensiunile picioarelor verticale sau ale mantalei. Numrul picioarelor manta (jacket) legate ntre ele prin evi orizontale i oblice (zbrele) depinde n special de mrimea platformei i poate fi de cca 400 .Platformele de tip jacket se construiesc pe uscat n antiere navale i apoi sunt transportate i instalate la amplasament.2. Modelarea structurii tip Jacket a platformei marinen primul capitol am efectuat modelarea prin metoda Elementului Finit (FEA) a structurii jacket a platformei marine.Caracteristicile tehnice i de mediu marin ale structurii jacket:Nr. crt.Tip caracterisiticValoare parametru

1Adncimea de ap (nominal)46 m

2nlimea maxim a valului maxim centenar H0,00113,4 m

3Perioada valului12 sec

4Viteza maxim a vntului45 m/sec (160 km/h)

5Viteza maxim a curentului marin la suprafa1,38 m/sec

6Viteza maxim a curentului marin la fund1,38 m/sec

7Seism0,1g

8Depuneri biologice (fouling)Max.15cm/raz

9Temperatura aerului (Media luna minim)-1,4 C

10Temperatura aerului (Minima)-25,6 C

11Temperatura apei (Media luna minim)+3,2 C

12Temperatura apei (Minima)-5,8 C

13Sarcina max. de calcul la vrful fiecrui jacket sunt 2 turnuri tip jacket unite prin 3 puni (greutate puni, utilaje, etc.)500 Tf.

14Numr de jackets pentru toat structura2

15Numr de puni de susinere i legtur ntre cele 2 jacket-uri3: inferioar, intermediar,superioar

16Sarcina max distribuit pe puni (fr ntriri suplimentare)1000 daN/m2

17Durata de via a structurii20 ani

Am fcut modelarea geometric a jacket-ului constituit din 2 turnuri i 3 puni de legtur (inferioar, intermediar, superioar), folosindu-se element geometric linie dreapta-curbe.

Fig. 1 Modelare cu element geometric linie dreapta-curbeUlterior, am fcut modelarea cu element finit folosindu-se element tip :-BEAM, simetric, element tip grind spaial, preia i momente ncovoietoare, pentru structura zbrelit a jacket-ului i punilor;-MASS, element tip mas concentrat, pentru modelarea sarcinilor active pe punile platformelor, conform API RP 2A i a caracteristicilor platformei specificate n tabelul anterior;-RIGID, element tip rigid pentru modelarea solului supus la micri telurice n cadrul analizei la seism; const dintr-un nod tip MASTER , cruia i se ataeaz o mas foarte mare, masa solului=1013 kg, liber s translateze pe diracia seismului, UY, legat rigid de 8 noduri tip SLAVE ale bazelor celor 2 turnuri ale jacket-ului.

Fig. 2 Modelare jacketAcestor elemente li s-a ataat urmtoarele caracteristici geometrie de seciune, RCONST:(Toate cotele sunt n [cm])Rc1=120x1,6 =montani jacketRc2=120x2,5 =joante montani jacketRc3=50,8x1,6 =diagonale i orizontale ultimele tronsoane 3 tronsoane din partea superioar jacketRc4=66x1,6 =diagonale i orizontale primele 2 tronsoane din partea inferioar jacketRc5= profil I 60x20x2,5x1,6 =grinzi principale longitudinale puntea inferioarRc6= profil I 40 STAS 565-89 = grinzi principale transversale puntea inferioarRc7= profil I 24 STAS 565-89 = grinzi zbrelire puntea inferioarRc8= profil I 60x30x2,5,1,6 = grinzi principale transversale puntea inferioarRc9= profil I 60x20x1,6 x1,2 =grinzi principale longitudinale puntea intermediarRc10= profil I60x30x1,6x1,2=grinzi principale transversale puntea intermediarRc11= profil I80x30x2,5x1,6 =grinzi principale longitudinale puntea superioarRc12=masa concentrat , sarcina moart a jacket-ului, 500 Tf pentru fiecare turn al jacket-ului, distribuit pe 4 montani de vrf M=500/4 Tf=125 Tf=125 000 daN=125 000 kg= 125 daN*sec2/cmS-au creat proprietile de material MPROP, n sistem de msur [cm-daN-daN/cm2]Cu aceste caracteristici de mai sus s-a efectuat mesh-uirea pentru realizarea reelei de element finit (noduri i elemente) pentru modelarea jacket-ului. S-au introdus condiiile de rezemare, ncastrarea jacket-ului (blocarea celor 6 grd. de libertate) ale celor 8 noduri de la baza jacket-ului.

Fig.3 Detaliu partea superioar jacket cu cele 3 puni de legtur intre cele 2 turnuri ale jacket-ului

3.Analiza statica structurii jacket a platformei marine pentru ncrcrile datorate mediului marin (valuri+cureni marini+vnt+seism)

Am folosit recomandrile standardului americanAPI RP 2A (American Petroleum Institute Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms) privind ncrcrile unei platforme marine.Am prezentat apoi ncrcrile elementare ale jacket-ului platformei considernd condiiile extreme de mediu (starea mrii supravieuire+ seism a=0,1 g), n conformitate cuAPI RP 2AAcestea sunt:1.LC1= sarcina moart jacket (1 877 Tf) + sarcina activ jacket (500 Tfpentru fiecare din cele 2 turnuri ale jacket-ului)2.LC2= ncrcri datorate flotabilitii platformei3.LC3= ncrcri datorate vntului starea vntului uragan v=170 km /h=47.22 m/sec; gv=1.368 KN/m24.LC4= ncrcri datorate valurilor, starea mrii supravieuire (Adncimea maxima a apei d=46m, nlimea maxim a valului Hm=13.4 m, perioada valului (cea mai probabil perioad de tiere zero) Tz=12 sec5.Lc5=ncrcri datorate curenilor marini (viteza maxim la suprafa V=1.38 m/sec; viteza maxim la fund V=0.19 m/sec)6.Lc6 = ncrcri datorate seismului (acceleraie seism a=0,1 g)Fora arhimedic de flotabilitateesteFa=Vdislocuit*apunde Vdislocuit= Volumul de lichid dislocuit de corpul imersat, ap= densitatea lichidului dizlocuit (ap de mare); Legea a lui Arhimede spune c un corp, ca s pluteasc trebuie s aib greutatea proprie egal cu greutatea volumului de lichid dislocuit de poriunea imersat.Pentru determinarea practic a Forei de flotabilitate, se modeleaz dect partea structurii imersat n ap a jacket-ului, se pun pentru caracteristicile secionale ale elementelor structurii imersate grosimea elementelor cilindriceegal cu raza cilindrului; programul FEA va da ca rspuns n urma analizei statice printre altele, caracteristicile de mas i ineriale ale ntregii structuri, vom citi Volumul afiat, care va fi de fapt volumul de lichid dislocuit, nmulim volumul cu densitatea apei de mare i obinem astfel fora arhimedic.

Fig. 4 Modelarea structurii imersate a jacket-ului, pentru calcularea volumului imersat, care produce volumul de ap dislocuitAm prezentat apoi combinaiile de ncrcri elementare pentru jacket-ul platformei P80 PFS6 (starea mrii supravieuire+ seism a=0,1 g), Acestea sunt:1. LC51= starea mrii suprevieuireLC51=1,1*LC1+LC2+LC3*1.53+LC4+Lc52. LC52= seism a=0,1*gLC52= 1,1*LC1+LC2+LC6In continuare, am efectuat Analiza Static pentru combinaia de ncrcri a strii mrii supravieuire. S-au prezentat plane color cu tensiunile i deformaiile obinute n urma Analizei Statice. n urma Analizei Statice, Tensiunea maxim obinut esteSigmaVonMises=906 [daN/cm2],deformaia maxim este Dmax=1,63 [cm],jacket-ul rezist, se ncadreaz n parametrii de proiectare. S-au creat tabele cu rezultate finale (tensiuni, tensiunea echivalent de flambaj), s-a dat Legenda cu explicaiile parametrilor din tabel.n urma rulrii Analizei Statice cu Element Finit pentru combinaiile de ncrcri hidrodinamice (valuri+cureni marini+vnt), starea mrii supravieuire, pentru jacket-ul platformei, se obin urmtoarele plane cu rezultate finale (Tensiuni [daN/cm2] i Deplasri [cm]):

Fig. 5a Jacket; Sigma Von Mises = Rezultanta Tensiunilor [daN/cm2] ;Lc51=1.1*Lc1+Lc2+1.53*Lc3+Lc4Lc1=Sarcina moart+Sarcina activ; Lc2=flotabilitatea platformei; Lc3= Vnt uragan170km/h; Lc4=valuri+cureni , starea mrii supravieuire

Fig. 5b Jacket; Sigma Von Mises = Rezultanta Tensiunilor [daN/cm2] ;Lc51=1.1*Lc1+Lc2+1.53*Lc3+Lc4Lc1=Sarcina moart+Sarcina activ; Lc2=flotabilitatea platformei; Lc3= Vnt uragan170km/h; Lc4=valuri+cureni , starea mrii supravieuire

Fig. 6 Jacket; Sigma Von Mises = Rezultanta deplasrilor [cm]Lc51=1.1*Lc1+Lc2+1.53*Lc3+Lc4Lc1=Sarcina moart+Sarcina activ; Lc2=flotabilitatea platformei; Lc3= Vnt uragan170km/h; Lc4=valuri+cureni , starea mrii supravieuire

4. Analiza Dinamic a structurii jacket a platformei marine 4.1. Analiza Dinamic a Jacket-ului: Analiza PSD (Power Spectra Density) pentru Rspuns Aleatoriu la SeismVibraiile aleatoare sunt vibraiile care pot fi descrise numai n sens statistic. Amplitudinea instantanee nu este cunoscut la un moment dat de timp; mai degrab, amplitudinea este exprimat n termeni deproprieti statistice(cum ar fivaloarea medie, deviaia standard, i probabilitatea de a depi o anumit valoare).Exemple de vibraie aleatoare includ:-micarea seismic a solului-ncrcrile date de valurile oceanice de o anumit nlime i frecven-presiunea fluctuant a vntuluiAceste excitaii aleatoare sunt n mod uzual descrise n termeni de funcie deDensitate Spectral de Putere (PSD -Power Spectra Density).i spectrul acceleraiilor seismului funcie de frecvena poate fi descrise de funcii PSD-Power Spectra Density; o astfel de funcie a fost prezentat n API RP 2A.Pe baza acestei funcii i zonei seismice impuse platformei, cu a=0.1 g ne-am construit propriul graficDensitate Spectral de Putere (PSD - Power Spectra Density)-seismataat analizei.Deci n cazul acestei analize ni se cere s obinem rspunsul acceleraiei pentru structura jacket-ului datorat unei micri forate seismice de baz n direcia Y descris de densitatea de putere spectral PSD-seism. Metoda modal va fi folosit cu o mas de valoare mare ataat rigid de nodul din mijlocul bazei jacket-ului. Este cerut rspunsul n nodurile de vrf ale jacket-ului. Considerm o amortizare critic de 5% pentru structur.Micarea de baz a Analizei Aleatoare PSD va fi reprezentat deci utiliznd o funcie PSD de densitate de putere spectral ,aplicat n masa mate nodal legat rigid de baza jacket-ului.Acest nod va fi ataat rigid nodurilor bazei jacket-ului i pentru acest nod vom aplica ncrcarea acceleraiei de baz utiliznd metoda maselor mari. ( la modul simplu fore mari vor fi aplicate pentru mase mari pentru a obine acceleraiile forate de baz cerute). Vom avea pe nodul MASTER ce reprezint solul o masa M=1013Kg, o acceleraie a=100 cm/sec2(1 g)i un factor de scar k=10. Nodul Master va fi legat rigid de nodurile SLAVE ale bazei jacket-ului. Nodul MASTER sol va avea o micare liber pe direcie seismului UY.

Fig.7 Funcia PSD-Power Spectra Density (Densitatea Spectral de Putere) pentru seism: Valorile pe ordonat Y sunt valorile spectrului seismic normalizate pentru 0,1*G;G=raportul dintre acceleraia efectiv a seismului din zona seismic de locaie i acceleraia gravitaional g; G=0.1; Valorile pe abscis X sunt frecvenele pentru densitile cele mai probabile de seism [Hz]n urmaAnalizei PSD (Power Spectra Density) pentru Rspuns Aleatoriuobinemdeplasrile la nodurile de la vrful jacket-ului (32, 84, 134, 186) n funcie de frecven.n cadrul analizei PSD-Seism se poate observa influena frecvenelor seismului cu cea mai mare putere din graficul PSDfa de frecvenele proprii de vibraie ale jacket-ului.Astfel obinem deplasrile cele mai mari pentru seism, i frecvenele corespunztoare la care pot aprea

Fig. 8 Analiza PSD-Power Spectra Density (Densitatea Spectral de Putere) pentru seism: Deplasarea max.D=19,5 [cm] ptr. nod.32, 186 vrf, D=17,5 [cm] ptr. nod.84, 134 vrf, D=4,5 [cm] ptr. nod.42,196,93,142 baz,pentru seism n rezonan cu prima frecven proprie jacket F1=0,82 Hz; T1=1,206 sec

Fig. 9 Analiza PSD-Power Spectra Density (Densitatea Spectral de Putere) pentru seism: Acceleraia ptr nod.32 vrful jacket-ului i baza turlei T80,max. AY1= 66.5[m/sec2] ptr. Frecvent seism f1=1,1 [Hz} i AY2=90,25 [m/sec2] ptr. Frecvent seism f2=4,4 [Hz}Rezultate finale (deplasri maxime, acceleraii funcie de frecvena seismului) pentru nodurile de varf ale jacket-ului:Nr. CrtNr. nod vrf jacketDeplasare maxim UY[cm]Acceleraie maxim AY[cm/sec2]Frecven[Hz]Perioada[sec]

13219.55300.821.206

218619.55300.821.206

38417.54400.821.206

413417.54400.821.206

Rezultate finale (deplasri maxime, acceleraii funcie de frecvena seismului) pentru nodurile de baz ale jacket-ului:Nr. CrtNr. nod vrf jacketDeplasare maxim UY[cm]Acceleraie maxim AY[cm/sec2]Frecven[Hz]Perioada[sec]

1424.50.821.206

21964.50.821.206

3934.50.821.206

41424.50.821.206

5. CONCLUZIIn urma Analizei Statice, Tensiunea maxim obinut esteSigmaVonMises=906 [daN/cm2],deformaia maxim esteDmax=1,63 [cm], jacket-ul rezist, se ncadreaz n parametrii de proiectareCele mai mari ncrcri (Deplasrile cele mai mari) dintre toate combinaiile de ncrcri ale jacket-ului se obin n cadrul Analizei PSD Dinamice la SEISM. Bineneles c deplasrile maxime apar dac seismul ntr n rezonan cu frecvenele proprii ale jacket-ului, mai ales cu prima frecven proprie F1=0.82 Hz, T1=1,206 sec, mai ales c deformata modal a primei frecvene proprii este pe direcie acionrii seismului (direcia Y orizontal).