El caso de estudio de la plataforma offshore Valdemar

La posibilidad de prolongar la vida útil operativa de estas plataformas puede evaluarse mediante la implementación de Sistemas de Monitorización Estructural (SMS), destinados a medir y evaluar su vida útil real.

La plataforma offshore Valdemar es una plataforma tipo trípode situada en el mar del Norte, a 250 km al oeste de Dinamarca. Fue instalada en 2006 y diseñada como una Not Normed-Manned Platform (NNMP). El propietario y operador de la plataforma es Maersk Oil & Gas. Rambøll Oil & Gas (ROG) es el consultor técnico encargado de preparar las especificaciones técnicas del sistema SMS, así como de la posprocesación de los datos, su análisis y la elaboración de la documentación correspondiente. La plataforma Valdemar se muestra en la figura.

Durante la fase de preparación de las especificaciones técnicas del SMS, se lleva a cabo una verificación preliminar de la disposición de los sensores basada en el procesamiento de datos de medición sintéticos.  La disposición de los sensores incluye estaciones GPS, acelerómetros, extensómetros y radares de oleaje, tal como se muestra en la Figura 1. Mediante el software FEM ROSAP, desarrollado internamente por ROG, se reproducen los datos sintéticos a través de un análisis FEM transitorio que simula la evolución temporal de la respuesta estructural bajo la acción del oleaje. Para cada ubicación de los sensores, se extrae del modelo de elementos finitos la historia temporal de la magnitud medida virtualmente.

Mediante la expansión modal de la historia temporal de los desplazamientos medidos en dos puntos de la parte superior y la evolución temporal de las tensiones y deformaciones medidas en una posición de la columna central, es posible reconstruir la historia temporal de las deformaciones y los esfuerzos mediante el modelo FEM para todos los elementos y uniones de la estructura. Las tensiones obtenidas mediante el proceso de expansión en cada elemento estructural pueden compararse con los datos del modelo FEM sintético original, lo que permite evaluar la calidad del proceso de expansión y determinar la ubicación óptima de los sensores. Asimismo, es posible evaluar la sensibilidad de los datos del SMS y establecer criterios de aceptabilidad para las incertidumbres de las mediciones. La Figura 2 muestra un ejemplo de presentación de los resultados del proceso de expansión, comparados con los datos sintéticos originales. Los conocimientos adquiridos a partir de estos estudios constituyen la base para las especificaciones técnicas del SMS.

La gestión de las mediciones de desplazamiento entre la estación base GPS en tierra y las dos estaciones GPS offshore, situadas a 250 km de distancia, constituye un reto considerable. Los receptores GPS son ideales para el rango de bajas frecuencias, pero presentan ruido en la señal en el rango de frecuencias más altas. Por el contrario, los acelerómetros son idóneos para determinar las frecuencias naturales y los desplazamientos en el rango de frecuencias más altas; sin embargo, en el rango de frecuencias más bajas, el ruido de la señal puede ser elevado.

Se ha desarrollado un método para mejorar la calidad de las mediciones de desplazamiento mediante receptores GPS, combinando los datos GPS con los datos de los acelerómetros. Este método se presentó en la referencia [2]. Además, a partir de la información obtenida en el rango de frecuencias en el que se solapan las respuestas de ambos tipos de sensores, es posible demostrar que la precisión de las mediciones de desplazamiento es mejor que ±3-4 mm, con la estación base GPS en tierra situada a una distancia de 250 km. Los resultados se presentaron en la referencia [3]. La frecuencia de muestreo es de 20 Hz para el GPS y de 128 Hz para los acelerómetros.

A partir de las señales de los acelerómetros, se llevó a cabo un Análisis Modal Operacional (OMA). Un estudio de correlación de los parámetros modales con respecto a los estados del mar muestra que los factores de amortiguamiento dependen de las condiciones marítimas. El estudio también demuestra que las frecuencias naturales están correlacionadas con los estados del mar, en particular con la altura de las olas. Los análisis realizados se basan en métodos lineales de identificación de sistemas. Aunque los métodos lineales resultaron adecuados para la plataforma Valdemar, esto podría no ser aplicable a otras estructuras. En un futuro proyecto de investigación se desarrollarán algoritmos y métodos de identificación de sistemas no lineales para este tipo de grandes estructuras.

La actualización del modelo de elementos finitos (FE) puede realizarse en distintos niveles. El primer nivel se lleva a cabo a partir de los parámetros modales medidos, utilizando el método Bayesian Parameter Estimator. Para cada parámetro que se desea actualizar, se expresa la incertidumbre en términos de, por ejemplo, una distribución normal definida por su valor medio y su desviación estándar. Cuando procede, también es posible definir relaciones entre parámetros. Este enfoque supera a los métodos de prueba y error (trial and error) utilizados anteriormente, ya que proporciona información adicional sobre el comportamiento estructural. En el caso de la plataforma Valdemar, se observó que, en particular, la posición del centro de gravedad (COG) y los parámetros del suelo tienen un impacto significativo en los parámetros modales de la plataforma.

La figura anterior muestra un ejemplo de los resultados obtenidos al actualizar el modelo FE de la plataforma. En este caso, el gráfico muestra que las coordenadas del COG (2-6) y los parámetros relacionados con el suelo (7-9) se corrigieron hasta en un 30 %. Las masas y rigideces de los elementos y las uniones se corrigieron únicamente en unos pocos puntos porcentuales.

Si se instala un número suficiente de extensómetros, es posible correlacionar el modelo FEM actualizado a partir de las historias temporales de desplazamiento con las historias temporales de tensiones y deformaciones medidas. De este modo, la actualización del modelo FEM puede llevarse a cabo en el dominio del tiempo. El método es similar al descrito en la fase de pretest, con la diferencia de que, en este caso, los datos FEM se sustituyen por datos de medición reales. El proceso de expansión incluye las mediciones de desplazamiento en dos puntos de la parte superior de la plataforma y las mediciones de deformación en un punto de la columna central. Estos datos se utilizan para calcular la evolución temporal de las tensiones en todos los elementos de la estructura. La actualización del modelo FEM puede realizarse ajustando los parámetros de manera que las tensiones y deformaciones calculadas durante el proceso de expansión coincidan con las medidas experimentalmente.

La calibración de las cargas ambientales generadas por el oleaje puede llevarse a cabo utilizando el modelo FEM actualizado, en combinación con los datos de medición de los tres radares de oleaje instalados en la parte superior de la plataforma Valdemar. Los primeros estudios indican que los fenómenos de difracción de las olas (McCamy-Fuchs) tienen un efecto significativo en las cargas de oleaje resultantes sobre la estructura.

En un proyecto paralelo, se ha mejorado la formulación avanzada de las cargas debidas al oleaje implementada en el software ROSAP, desarrollado por ROG, utilizando los datos del modelo actualizado. A partir de los datos de los tres radares de oleaje, que miden la elevación de la superficie del mar en tres puntos, se obtiene información como la altura significativa de ola, la dirección media del oleaje, la dispersión direccional, diferentes espectros de oleaje y las correlaciones con otras series de datos. Esta información se utiliza para estimar las cargas reales que actúan sobre la estructura.

Utilizando la formulación mejorada de las cargas de oleaje y las historias temporales medidas por todos los sensores, es posible realizar una actualización final del modelo FEM en el dominio del tiempo mediante la aplicación de algoritmos avanzados de optimización, resueltos directamente o mediante un enfoque basado en superficies de respuesta.

Este enfoque permite llevar a cabo una evaluación actualizada de la fatiga estructural para estimar la prolongación de la vida útil de la plataforma. Asimismo, es posible determinar el coeficiente de variación de las cargas de oleaje (COVwave), lo que permite reducir los tiempos y los costes de las inspecciones de las plataformas.

El sistema SMS implementado en la plataforma Valdemar está diseñado para la monitorización continua del daño por fatiga. La monitorización de la acumulación de fatiga requiere:

1. a) Un modelo FEM actualizado mediante parámetros modales.
2. b) Mediciones de los desplazamientos de la plataforma en dos posiciones.
3. c) Mediciones de las deformaciones en una posición.

No se requiere información sobre las cargas de oleaje. Los datos medidos en unos pocos puntos de la estructura se expanden posteriormente mediante las formas modales del modelo FEM actualizado de la plataforma. Para cada instante temporal de los datos muestreados, se determinan las coordenadas modales que se utilizarán en el proceso de expansión. A partir de los coeficientes de participación modal calculados de forma independiente para cada instante temporal, es posible calcular las tensiones en todos los elementos y uniones de la estructura. No se utilizan métodos de superposición. La evaluación del daño por fatiga acumulado se reduce entonces al recuento rainflow aplicado a las historias temporales de tensiones y al análisis del daño por fatiga resultante.

La ventaja de este enfoque es que permite estimar el daño por fatiga desde el momento de la instalación de los sensores y determinar si es posible prolongar la vida útil operativa de la plataforma. Dado que únicamente los movimientos reales de la plataforma contribuyen a la estimación del daño por fatiga, este método evita las limitaciones derivadas de los enfoques conservadores establecidos en las normas y los estándares.

En esta serie de artículos hemos presentado un sistema innovador para la monitorización continua de las tensiones en grandes estructuras. El sistema utiliza mediciones de desplazamiento mediante GPS, historias temporales de tensiones y deformaciones en un número reducido de puntos y un modelo de elementos finitos validado y actualizado. Esta información se combina posteriormente mediante un método de expansión modal para obtener la historia temporal de las tensiones en todos los elementos y uniones de la estructura.

Estos ejemplos demuestran el potencial del método para su aplicación en distintos niveles de la monitorización estructural, desde la planificación preliminar de la ubicación de los sensores y la evaluación de la precisión de las mediciones, hasta la actualización del modelo FE, la monitorización de la fatiga acumulada y la estimación de la vida útil residual. El trabajo realizado hasta la fecha constituye la base para futuros desarrollos, entre los que se incluyen técnicas para mejorar la calidad de los datos procedentes de estaciones GPS situadas a gran distancia de la estación base en tierra, la identificación y actualización de modelos FEM sometidos a fenómenos no lineales y una mayor precisión en la determinación de las historias temporales de las cargas reales que se utilizarán en la fase de diseño.

Referencias bibliográficas

E. Dascotte, J. Strobbe, U. Tygesen, Continuous Stress Monitoring of Large Structures. Presented at the 5th International Operational Modal Analysis Conference (IOMAC), May 2013, Guimaraes, Portugal.

Para profundizar en el tema:

• Applicazione del digital twin alle grandi strutture
• El caso de estudio del puente Stonecutters en Hong Kong
• Le sfide del monitoraggio continuo dell’integrità strutturale