Sfide e Aspetti di Sicurezza nella Progettazione e nel Funzionamento di Floating Production Storage Offloading Unit (FPSO)

Una delle più grandi sfide nella progettazione e nel funzionamento di una Floating Production Storage Offloading Unit (FPSO) è assicurare la sua stabilità in condizioni offshore estreme, quali onde di altezza elevata, forte vento e correnti sostenute. Una corretta progettazione dello scafo, del sistema di ormeggi e delle zavorre è cruciale nel mantenere la stabilità della nave ed evitare incidenti. In questo articolo vedremo:

●     Cos’è una FPSO. Moduli e parti strutturali

●     Modalità di cedimento possibili

●     Normative relative alla verifica delle FPSO

●     Verifiche automatiche di una FPSO con SDC Verifier e ANSYS

Cos’è una FPSO. Moduli e parti strutturali

Una Floating Production Storage and Offloading (FPSO) è una struttura galleggiante utilizzata nell’industra Oil & Gas per immagazzinare, trattare e produrre petrolio e gas. Innanzitutto la FPSO è, quindi, una nave: ciò significa che tutti gli aspetti strutturali di progetto ed i potenziali problemi delle navi si applicano anche alla FPSO. Dall’altro lato, una tipica FPSO ha molti impianti e servizi, ciò implicando l’aumento del numero di verifiche da condurre da parte di ingegneri ed architetti navali.

Schema di un sistema FPSO

Alcune delle parti di una FPSO che devono soddisfare le normative ed i codici sono:

• Lo scafo della petroliera ed i serbatoi di carico
• Le apparecchiature per il trattamento degli idrocarburi
• Le attrezzature di scarico
• I moduli topside per la generazione di energia, l’iniezione di acqua, la separazione del greggio e altro
• Gru di coperta
• Pompe e tubazioni

Queste parti consentono alle FPSO di produrre petrolio in aree più remote e acque più profonde rispetto ad altre tecnologie. Ecco perché garantire operazioni sicure e continue delle FPSO è fondamentale per l'industria petrolifera e del gas. Inoltre, lo scafo ed il ponte delle FPSO solitamente debbono resistere ad azioni di entità maggiore rispetto a quelle delle petroliere, sia a causa delle condizioni ambientali dei luoghi in cui operano sia anche a causa dei carichi sul ponte che sono spesso più gravosi rispetto a quelli di una petroliera.

Possibili cause di cedimento

Alcune potenziali modalità di cedimento per un'unità FPSO includono:

1. Cedimento strutturale: affondamento o capovolgimento della nave, fuoriuscite di petrolio, danni ambientali e rischi per la sicurezza del personale che possono verificarsi a causa di fatica, corrosione o sovraccarico della nave stessa.
   
   
2. Rottura del sistema di ormeggio: un'unità FPSO è tipicamente ancorata al fondale con linee di ormeggio. Se queste linee si rompono, l'unità potrebbe spostarsi fuori posizione, entrare in collisione con altre strutture o addirittura capovolgersi.
   
   
3. Guasto di sistemi di processo: un'unità FPSO si affida a un complesso sistema di pompe, tubi e apparecchiature per trattare e immagazzinare petrolio e gas. Se uno qualsiasi di questi componenti si guasta, potrebbero verificarsi perdite di produzione, danni ambientali o rischi per la sicurezza del personale.
   
   
4. Incendio ed esplosione: possono verificarsi a causa dell'ignizione di liquidi e gas infiammabili, rappresentare un rischio per il personale di bordo e causare gravi danni strutturali, ambientali e materiali.
   
   
5. Condizioni meteorologiche e ambientali: la FPSO è soggetta a condizioni meteorologiche avverse, tra cui tempeste uragani e cicloni, che possono danneggiare la nave e interromperne la produzione.

Solitamente, il progetto di una FPSO si basa su una scelta appropriata del materiale dello scafo e sulla sua corretta valutazione dei livelli di fatica e resistenza. Inoltre, devono essere verificate le saldature dello scafo, le giunzioni delle tubazioni, le piastre, gli irrigidimenti e altre saldature critiche negli ormeggi. Molte delle odierne FPSO sono navi convertite e, nella fase di modifica della progettazione ingegneristica, devono rispettare rigide normative. Tutti questi fattori rendono il controllo della struttura FPSO un processo sia impegnativo che dispendioso in termini di tempo.

L'analisi agli elementi finiti (FEA) ha dimostrato essere un metodo preciso ed efficace per la valutazione dettagliata della struttura in tutte le fasi del suo ciclo di vita. Ispezioni regolari, approfondite e analisi successive con l’ausilio degli elementi finiti e di strumenti di post-processing per le verifiche normative aiutano gli ingegneri a controllare automaticamente tutti i parametri, eseguire calcoli di progettazione complessi, definire opzioni di ottimizzazione e verificare la struttura secondo standard. Successivamente, le tecniche di estensione della vita a fatica possono aumentare la vita della FPSO.

Standard di settore per la verifica strutturale delle FPSO

Le strutture delle FPSO sono spesso molto simili alle strutture delle navi. Queste sono soggette a standard comuni che includono verifiche di resistenza (inclusa la risoluzione di problemi non lineari complessi), la durata residua/fatica, l'instabilità dei pannelli, degli irrigidimenti e delle travi, i controlli delle saldature, delle membrature e di altri elementi specifici dello scafo della nave, dei moduli topside, del sistema di ormeggio e di componenti critici per garantire che essi soddisfino gli standard di settore in termini di sicurezza, affidabilità e prestazioni.

Tali standard sono stabiliti da diverse società di certificazione o istituzioni come i seguenti: International Maritime Organization (IMO), American Bureau of Shipping (ABS), Det Norske Veritas (DNV), American Petroleum Institute (API), International Association of Classification Societies (IACS).

Gli operatori FPSO devono seguire le normative generali come gli standard internazionali ISO 9001 (Quality Management Standard) e ISO 14001 (Environmental Management Standard), gli standard dell'IMO come ISM (International Safety Management Code) e ISPS (International Ship & Port Facility Security Code), OHSAS 18001 (International Standard related to Occupational Health & Safety Management Systems), e altri.

Per citare alcuni codici specifici per le FPSO, menzioniamo standard come:

• API RP 2FPS, Planning, Designing, and Constructing Floating Production Systems
• API RP 2SM, Design and Analysis of Synthetic Moorings
• API RP 2SK, Design and analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures
• API RP 2RD, Design of Risers for Floating Production Systems (FPSs) and Tension-Leg Platforms (TLPs)
• API RP 2T "Planning, Designing, and Constructing Tension Leg Platforms" provides guidelines for designing and constructing FPSOs using tension leg platform (TLP) technology.
• API Spec 17J, Specification for Unbonded Flexible Pipe
• ABS Rules for Building and classing floating production installations, 2014
• ISO 19904-1:2019 Petroleum and natural gas industries — Floating offshore structures. Part 1: Ship-shaped, semi-submersible, spar and shallow-draught cylindrical structures
• ISM Code and Annex 14 Resolution MEPC.311(73) (adopted on 26 October 2018) 2018 Guidelines for the application of MARPOL Annex I Requirements to floating production, storage, and offloading facilities (FPSOs) and floating storage units (FSUs)
• 33 CFR Part 154 for oil spill response plans and 46 CFR Subchapter "D" for offshore floating production facilities
• DNV-OSS-102 Rules for Classification of Floating Production and Storage Units.

Inoltre, oltre agli standard specifici per le FPSO, si adottano le regole generali per le strutture in acciaio utilizzate per la verifica degli elementi strutturali: 

• Beam Member Check (AISC ASD 1989, AISC 360-10, API RP 2A-LRFD, API RP 2A-WSD, EN1993-1-1, ISO 19902, Norsok N004)
• Plate and Stiffener Buckling Check (ABS Guide for Buckling and Ultimate Strength assessment for Offshore Structures, ABS Rules for Building and Classing Floating Production Installations, DNV CN30, DNV RP-C201, EN 1993-1-5)
• Weld Strength Check (DNV OS C101 LRFD, DNV OS C201 WSD, EN1993-1-8)
• Fatigue check (DNV-RP-C203, EN 1993-1-9)

La conformità agli standard è essenziale per garantire la sicurezza e l'integrità delle FPSO per tutta la vita di progetto.

Esempio della verifica automatizzata di FPSO con SDC Verifier e Ansys

Alcuni anni fa, Bluewater Energy Services B.V. ha utilizzato SDC Verifier per ricalcolare la resistenza statica e a fatica del modulo P20 - un'unità di separazione situata nella parte superiore del ponte principale della FPSO - secondo le regole DNV per le strutture topside. Utilizzando Ansys Workbench con SDC Verifier, il team di ingegneri ha verificato molti aspetti in un unico progetto.

Il modulo P20 è stato modellato sia con elementi beam che con elementi shell. Le aste/i profili sono stati modellati con elementi trave e verificati tramite SDC Verifier. Le verifiche sono state condotte secondo Eurocodice utilizzando i fattori di carico da DNVGL-OS-C101. Le combinazioni di carico sono state generate secondo DNVGL-OS-C102. I carichi unitari in Ansys sono stati combinati in casi di carico e moltiplicati per i fattori di carico utilizzando la funzionalità Combinazioni di carico di SDC Verifier.

Il team di ingegneria ha utilizzato SDC Verifier per creare le combinazioni di carico secondo gli approcci LRFD e WSD. In combinazione con SDC Verifier, Ansys Workbench ha reso la sottomodellazione facilmente accessibile per affrontare i dettagli locali per la stima della vita a fatica.

Conclusioni

Le FPSO sono spesso preferite alle piattaforme petrolifere fisse per i loro vantaggi. Tra questi, la possibilità di essere trasferite per essere utilizzate in altri progetti, per le elevate prestazioni di sicurezza, l’eliminazione della necessità di costose infrastrutture sottomarine e i ridotti investimenti iniziali.

Il processo di verifica strutturale per le FPSO è fondamentale per garantirne la sicurezza e l'affidabilità. Seguendo gli standard di settore stabiliti e le best practices, gli operatori possono ridurre al minimo il rischio di problemi strutturali e garantire il funzionamento continuo, sicuro ed efficiente delle loro navi.

Con l'analisi agli elementi finiti e il software SDC Verifier, la verifica diventa più semplice, più efficiente e aiuta a risparmiare sforzi per la manutenzione grazie a un rapporto completo sullo stato effettivo della struttura.

Riferimenti: