Un approccio probabilistico alla progettazione a vita delle piattaforme offshore

Aug 15, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7101 (2023) Citare questo articolo

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Le piattaforme offshore sono considerate infrastrutture critiche poiché qualsiasi interruzione del loro servizio può rapidamente comportare una grande perdita. Sebbene queste strutture siano spesso progettate tenendo conto del costo di costruzione iniziale, vale la pena considerare una progettazione basata sul ciclo di vita in modo che nel processo di progettazione siano coinvolti sia i costi diretti che quelli indiretti. Qui viene proposto un approccio probabilistico all'analisi del costo del ciclo di vita (LCC) delle piattaforme offshore. Una piattaforma offshore fissa viene progettata innanzitutto sulla base delle attuali normative di progettazione e per un periodo di ritorno di 100 anni. Per l'effetto dell'LCC sull'ottimizzazione del progetto, viene considerato probabilisticamente l'effetto simultaneo della fusione di onde, corrente e vento. Gli elementi strutturali sono progettati per cinque diversi modelli; un modello basato sui requisiti di progettazione attuali e il resto per oltre i requisiti. L'LCC di ciascun modello viene determinato di conseguenza. I risultati mostrano che il modello basato su codici non è ottimale se confrontato con un periodo di costo di vita; è necessario aumentare la dimensione degli elementi strutturali fino al 10% per raggiungere un punto ottimale. I risultati mostrano che con un aumento del 5% del costo iniziale, si osserva una diminuzione dell'LCC fino a circa il 46%. Il lavoro qui presentato è quello di stimolare le parti interessate a promuovere la progettazione basata su LCC di strutture importanti per ridurre i costi di vita.

Vengono create piattaforme offshore per estrarre riserve di petrolio e gas dalle profondità dei mari. Data la loro importanza, in caso di interruzione delle loro attività di routine, i loro stakeholder possono sostenere ingenti perdite1,2. Sebbene le piattaforme offshore siano normalmente progettate sulla base degli standard disponibili, esperienze recenti – come quella avvenuta nel Golfo del Messico che ha causato ingenti danni – hanno rivelato che una progettazione basata sulle normative attuali non è necessariamente ottimale dal punto di vista economico3,4. La convinzione comune nella progettazione strutturale ottimale è che dovrebbe ridurre il costo di costruzione iniziale; tuttavia, il costo del ciclo di vita potrebbe essere molto superiore al costo iniziale: nelle normative attuali questo punto importante non viene affrontato. Il costo del ciclo di vita è definito costo del ciclo di vita (LCC) ed è suddiviso in costi primari e secondari. Il costo primario comprende l'acquisto di materiali, i salari, la costruzione, la progettazione, l'implementazione, il trasporto, l'installazione e il test della piattaforma5; il costo secondario si riferisce al costo del periodo di funzionamento e ai rischi per la struttura nel corso della vita. Il danno può essere definito sotto forma di perdita di una piattaforma e di opportunità di investimento, infortuni e vittime del personale, costi per l'interruzione dell'estrazione di petrolio e gas, nuovo test e riavvio della piattaforma, perdita di attrezzature, riparazione e ammodernamento.

La progettazione basata su LCC per strutture convenzionali con un approccio probabilistico ha goduto di una certa attenzione negli ultimi decenni, ad esempio Liu e Neghabat6, Asiedu e Gu7, Lagaros et al.8, Uddin e Mousa9, Marzouk et al.10, Behnam11, Hassani et al.12, Talaslioglu13,14,15 e Jebelli et al.16. Per quanto riguarda le piattaforme offshore, nel complesso, rari studi hanno ancora utilizzato l'approccio sopra indicato, ma esistono studi per modellare probabilisticamente le caratteristiche dei carichi o per tenere conto dei costi indiretti, in particolare quelli ambientali. Alcuni studi hanno stimato la velocità del vento e l’altezza delle onde con modelli di verosimiglianza. Heredia-Zavoni et al.17 hanno determinato la probabilità di cedimento delle piattaforme con rivestimento in acciaio sottoposte a danneggiamento da fatica definendo le funzioni dello stato limite per i carichi applicati. Lee et al.18 hanno stimato la velocità estrema del vento utilizzando le distribuzioni di Gumbel e Weibull. Per studiare direttamente le onde, Kwon et al.19 hanno utilizzato un metodo statistico per la stima dei livelli estremi del mare. Beat et al.20 hanno generalizzato le caratteristiche di rischio del ciclo di vita delle piattaforme offshore sulla base dell'affidabilità e della valutazione del rischio, considerando fattori interni ed esterni. Pinna et al.21 hanno determinato la progettazione ottimale delle piattaforme monopiede secondo criteri di rapporto costo-efficacia e hanno considerato le conseguenze economiche del fallimento e la proporzione del costo di costruzione. Leon e Alfredo22 hanno proposto un modello decisionale ottimale costi-benefici basato sull’affidabilità per la gestione del rischio delle piattaforme petrolifere considerando l’integrazione delle questioni sociali ed economiche in un quadro decisionale gestionale e hanno formulato le funzioni di costo come funzioni dei livelli di danno. Ang e Leon23 hanno analizzato le strutture offshore costruite nella Baia del Messico con le funzioni di costo come indice di danno e l'hanno applicato ad un metodo di progettazione ottimale. Hasofer24 ha modellato la definizione di affidabilità per gli elementi strutturali. Rockweiss e Flessler25 hanno proposto un metodo numerico per il calcolo dell'affidabilità strutturale. Il metodo di analisi della lunghezza d'onda, che si basa sulla nuova teoria delle onde legate, è stato introdotto da Zeinoddini et al.26 come teoria dell'affidabilità. Ricky et al.27 hanno esaminato due giubbotti marini fissi per possibili guasti; hanno stimato la probabilità di fallimento in diverse direzioni. Il livello di fallimento è stato suddiviso in tre categorie in base all'indice di affidabilità: lieve, moderato e grave. Lee et al.28 hanno progettato una struttura marina e calcolato la probabilità di guasto per diversi periodi di ritorno e i corrispondenti costi indiretti stimati. Quindi, determinando l'LCC minimo di una funzione target, hanno progettato la struttura per carichi ottimali. Guédé29 ha introdotto un metodo per la valutazione basata sul rischio e ha sviluppato un piano di ispezione come parte di un piano di gestione dell’integrità strutturale per le piattaforme offshore fisse. Ayotunde et al.30 hanno valutato la correttezza delle tecnologie di stoccaggio dell'energia ad alta potenza per le piattaforme offshore dal punto di vista LCC. Vaezi et al.31 hanno prima studiato gli effetti di uno specifico sistema strutturale sulla risposta dinamica delle piattaforme offshore e poi hanno proposto un quadro di ottimizzazione da impiegare nella progettazione di strutture marine soggette a carichi applicati. Qi et al.32 hanno sviluppato un modello di corrosione dipendente dal tempo per piattaforme offshore mobili. Li e Wang33 hanno proposto un approccio per calcolare i benefici ambientali delle piattaforme offshore ottimizzate. Katanyowongchareon et al.34 hanno eseguito un'analisi dell'affidabilità e una valutazione quantitativa del rischio per ottimizzare il costo diretto delle piattaforme offshore. Colaleo et al.35 hanno valutato gli impatti ambientali ed economici di una piattaforma offshore esistente dal punto di vista LCC. Janjua e Khan36 hanno sviluppato un quadro di ecoefficienza per la valutazione dell’impatto ambientale ed economico delle piattaforme offshore. Heo et al.37 hanno sviluppato un quadro di ottimizzazione per una transizione energetica offshore per valutare il danno da fatica.