Une approche probabiliste de la conception à vie des plateformes offshore

Aug 15, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7101 (2023) Citer cet article

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Les plates-formes offshore sont considérées comme des infrastructures critiques, car toute interruption de leur service peut rapidement entraîner de lourdes pertes. Même si ces structures sont souvent conçues en fonction de leur coût de construction initial, il est utile d’envisager une conception basée sur la durée de vie afin que les coûts directs et indirects soient impliqués dans le processus de conception. Ici, une approche probabiliste de l’analyse du coût du cycle de vie (LCC) des plates-formes offshore est proposée. Une plateforme offshore fixe est conçue dans un premier temps sur la base des réglementations de conception en vigueur et pour une période de retour de 100 ans. Pour l’effet du LCC sur l’optimisation de la conception, l’effet simultané de la fusion des vagues, du courant et du vent est considéré de manière probabiliste. Les éléments structurels sont conçus pour cinq modèles différents ; un modèle basé sur les exigences de conception actuelles et le reste pour plus que les exigences. Le LCC de chaque modèle est déterminé en conséquence. Les résultats montrent que le modèle basé sur le code n'est pas optimal lorsqu'on le compare à une période de coût à vie ; il est nécessaire d'augmenter la taille des éléments structurels jusqu'à 10 % pour atteindre un point optimal. Les résultats montrent qu'avec une augmentation de 5 % du coût initial, une diminution du LCC jusqu'à environ 46 % est observée. Le travail présenté ici vise à inciter les parties prenantes à promouvoir la conception de structures importantes basée sur le LCC afin de réduire les coûts de durée de vie.

Des plates-formes offshore sont établies pour extraire les réserves de pétrole et de gaz des profondeurs des mers. En raison de leur importance, en cas d’interruption de leurs activités courantes, leurs parties prenantes peuvent subir d’énormes pertes1,2. Alors que les plates-formes offshore sont normalement conçues sur la base des normes disponibles, des expériences récentes, comme celle survenue dans le golfe du Mexique et qui a causé d'importants dégâts, ont révélé qu'une conception basée sur la réglementation actuelle n'est pas nécessairement optimale d'un point de vue économique3,4. La croyance commune quant à la conception structurelle optimale est qu’elle devrait réduire le coût de construction initial ; cependant, le coût à vie peut être bien supérieur au coût initial – dans la réglementation actuelle, ce point important n'est pas abordé. Le coût du cycle de vie est appelé coût du cycle de vie (LCC) et est divisé en coûts primaires et secondaires. Le coût principal comprend l'achat des matériaux, les salaires, la construction, la conception, la mise en œuvre, le transport, l'installation et le test de la plateforme5 ; le coût secondaire concerne le coût de la période d'exploitation et les risques sur la durée de vie de l'ouvrage. Les dommages peuvent être définis comme la perte d'une plate-forme et d'opportunités d'investissement, les blessures et les pertes du personnel, le coût de l'arrêt de l'extraction de pétrole et de gaz, le nouveau test et le redémarrage de la plate-forme, la perte d'équipement, ainsi que la réparation et la modernisation.

La conception basée sur le LCC pour les structures conventionnelles avec une approche probabiliste a bénéficié d'une certaine attention au cours des dernières décennies, par exemple Liu et Neghabat6, Asiedu et Gu7, Lagaros et al.8, Uddin et Mousa9, Marzouk et al.10, Behnam11, Hassani et al.12, Talaslioglu13,14,15 et Jebelli et al.16. Quant aux plates-formes offshore, globalement, rares sont les études qui ont jusqu'ici employé l'approche évoquée ci-dessus mais il existe des études permettant de modéliser de manière probabiliste les caractéristiques des charges, ou de prendre en compte les coûts indirects, notamment environnementaux. Certaines études ont estimé la vitesse du vent et la hauteur des vagues à l’aide de modèles de vraisemblance. Heredia-Zavoni et al.17 ont déterminé la probabilité de défaillance des plates-formes à enveloppe en acier soumises à des dommages par fatigue, définissant les fonctions d'état limite pour leurs charges appliquées. Lee et al.18 ont estimé la vitesse extrême du vent à l'aide des distributions de Gumbel et Weibull. Pour étudier directement les vagues, Kwon et al.19 ont utilisé une méthode statistique pour estimer les niveaux extrêmes de la mer. Bea et al.20 ont généralisé les caractéristiques de risque du cycle de vie des plates-formes offshore sur la base de la fiabilité et de l'évaluation des risques, en tenant compte de facteurs internes et externes. Pinna et al.21 ont déterminé la conception optimale des plates-formes monopodes selon des critères de rentabilité et ont examiné les conséquences économiques d'une défaillance et la proportion du coût de construction. Leon et Alfredo22 ont proposé un modèle de décision optimal coût-bénéfice basé sur la fiabilité pour la gestion des risques des plates-formes pétrolières, en considérant l'intégration des questions sociales et économiques dans un cadre de décision de gestion et ont formulé les fonctions de coût en fonction des niveaux de dommages. Ang et Leon23 ont analysé les structures offshore construites dans la baie de Mexico avec les fonctions de coût comme indice de dommage et les ont appliquées à une méthode de conception optimale. Hasofer24 a modélisé la définition de la fiabilité des éléments structurels. Rockweiss et Flessler25 ont proposé une méthode numérique pour calculer la fiabilité structurelle. La méthode d'analyse de longueur d'onde, basée sur la nouvelle théorie des ondes liées, a été introduite par Zeinoddini et al.26 sous le nom de théorie de la fiabilité. Ricky et al.27 ont examiné deux vestes marines fixes pour déceler une éventuelle défaillance ; ils ont estimé la probabilité d'échec dans différentes directions. Le niveau d'échec a été divisé en trois catégories en fonction de l'indice de fiabilité : léger, modéré et grave. Lee et al.28 ont conçu une structure marine et ont calculé la probabilité de défaillance pour différentes périodes de retour ainsi que les coûts indirects estimés correspondants. Ensuite, en déterminant le LCC minimum d'une fonction cible, ils ont conçu la structure pour des charges optimales. Guédé29 a introduit une méthode d'évaluation basée sur les risques et a développé un plan d'inspection dans le cadre d'un plan de gestion de l'intégrité structurelle des plates-formes offshore fixes. Ayotunde et al.30 ont évalué l’exactitude des technologies de stockage d’énergie de haute puissance pour les plates-formes offshore du point de vue du LCC. Vaezi et al.31 ont d'abord étudié les effets d'un système structurel spécifique sur la réponse dynamique des plates-formes offshore, puis ont proposé un cadre d'optimisation à utiliser dans la conception de structures marines soumises à des charges appliquées. Qi et al.32 ont développé un modèle de corrosion dépendant du temps pour les plates-formes mobiles offshore. Li et Wang33 ont proposé une approche pour calculer les avantages environnementaux des plateformes offshore optimisées. Katanyoowongchareon et al.34 ont effectué une analyse de fiabilité et une évaluation quantitative des risques pour optimiser le coût direct des plates-formes offshore. Colaleo et al.35 ont évalué les impacts environnementaux et économiques d'une plateforme offshore existante du point de vue du LCC. Janjua et Khan36 ont développé un cadre d'éco-efficacité pour l'évaluation de l'impact environnemental et économique des plates-formes offshore. Heo et al.37 ont développé un cadre d’optimisation pour une transition énergétique offshore afin d’évaluer les dommages dus à la fatigue.