Safety and reliability of systems and equipment for offshore oil and gas production facilities

Utkarsh Bhardwaj

Key information

Authors:

Supervisors:

Carlos António Pancada Guedes Soares (Carlos Guedes Soares); Ângelo Manuel Palos Teixeira (Ângelo Manuel Palos Teixeira)

Published in

March 5, 2025

Abstract

A tecnologia de produção de petróleo e gás no mar tem evoluído continuamente a diferentes níveis do sistema, à medida que são descobertos novos reservatórios de petróleo e gás em águas profundas e ultra-profundas. Atualmente, plataformas offshore flutuantes, sistemas complexos de processamento submarino e conceitos avançados de condutas com novos materiais permitem a exploração de campos petrolíferos difíceis que não eram possíveis no passado. É, portanto, vital avaliar a segurança e a fiabilidade destes novos conceitos, sistemas e componentes sujeitos a novos cenários operacionais. A tese desenvolve modelos probabilísticos para o projeto e avaliação da segurança e da fiabilidade de sistemas de produção no mar flutuantes e submarinos, nomeadamente equipamentos submarinos e novos conceitos de condutas. São desenvolvidos modelos de redes Bayesianas para quantificar os riscos de incêndio e explosão em unidades flutuantes de produção, armazenamento e descarga (FPSO) com base em dados históricos de incidentes. É também desenvolvida uma metodologia para a análise e codificação de acidentes em FPSOs, de forma a responder às atuais limitações na análise e investigação de acidentes no sector marítimo. Ao nível do sistema de processamento submarino, a tese propõe um modelo probabilístico para a o cálculo da fiabilidade que tem em conta o efeito da incerteza nos Fatores de Influência de Fiabilidade na falha dos equipamentos e, consequentemente, na fiabilidade dos sistemas de processamento submarino. Além disso, desenvolve-se um método de projeto probabilístico de um separador vertical submarino que opera a grandes profundidades, com base na análise por elementos finitos e na calibração de modelos empíricos de resistência. É dada especial atenção à rutura de novos conceitos de condutas fabricadas com materiais de alta resistência. O complexo comportamento mecânico das condutas em "sandwich" e a questão simultânea dos múltiplos modos de falha nas condutas "pipe-in-pipe" são analisados através de modelos de previsão da resistência e de avaliações de fiabilidade estrutural. Esta tese avalia a incerteza nos modelos de resistência à rutura de condutas corroídas de diferentes tipos de materiais utilizando abordagens de calibração probabilística. Usam-se simulações numéricas e resultados experimentais para desenvolver equações simplificadas de previsão da resistência à rutura e avaliação da segurança de condutas espeças de alta e ultra-alta resistência em diferentes condições de carregamento. Offshore oil and gas production technology has continuously evolved at different system levels as new deep and ultra-deep oil and gas reservoirs are discovered. Today, floating offshore platforms, complex subsea processing systems and improved pipeline concepts of new materials allow the exploration of difficult oil fields that were not possible in the past. It is therefore vital to address the safety and reliability of these new concepts, systems and components subjected to new operational scenarios. Thesis develops probabilistic models for the design and safety and reliability assessment of offshore floating and subsea production systems, mainly subsea equipment and new concept designs of pipelines. Bayesian network risk models are developed for quantifying fire and explosion risks in floating production storage and offloading (FPSO) units based on historical incident data. A methodology for the analysis and codification of accidents in FPSOs is also developed to address current limitations on accident reporting in the offshore sector. At the subsea processing system level, the thesis proposes a probabilistic framework for reliability prediction that accounts for the effect of the uncertainty on Reliability Influencing Factors on the equipment failure and, subsequently, on the reliability of the subsea processing systems. Furthermore, a reliability-based design method is developed for a vertical subsea separator operating at high depths using finite element analyses, empirical model fitting and the limit state design approach. Particular attention is given to the burst strength of new design concepts for pipes made from new materials. The complex mechanical behaviour of sandwich pipes and the issue of multiple failure modes in pipe-in-pipes are addressed via collapse strength prediction models and reliability assessments. The thesis evaluates the uncertainty in the burst strength models of corroded pipelines in different material grades using probabilistic calibration approaches. Numerical simulations and experimental data are used to develop simplified equations for burst strength prediction and safety assessment of thick and ultra-high strength pipelines under different loading conditions.