cÁlculo de esfuerzos y desplazamientos en una …

CÁLCULO DE ESFUERZOS Y DESPLAZAMIENTOS EN UNA CURVA DE

EXPANSIÓN INTERMEDIA (OMEGA) EN UN DUCTO MARINO INSTALADA EN SUELOS

COHESIVOS DEL GOLFO DE MÉXICO, CMP16_354

Monterrey, Nuevo Léon …9..de junio de 2016

Mario de Jesús Mireles Gómez, Instituto Mexicano del Petróleo, Luis Manuel Quej Ake, Instituto Mexicano del Petróleo Pablo César Trejo Noreña, Universidad Federal de Río de Janeiro

INTRODUCCIÓN La evaluación de la respuesta del dispositivo de expansión depende de varios parámetros tales como: fricción de la interacción suelo-ducto, rigidez de la curvatura de expansión, presión interna y temperatura variable en condiciones de operación. Análisis de un ducto configurado con curva de expansión es más complicado que el diseño de un ducto recto. Para el diseño de ductos con omegas, los factores considerados en el diseño son: el tamaño, tipo y el número de omegas. Estos factores son considerados en el diseño debido que el ducto es sometido a varias condiciones de carga, intervalos de temperatura, etc.

DESARROLLO DE MODELO DE INTERACCIÓN SUELO-DUCTO

Para este trabajo se consideró que el suelo es esencialmente arcilloso con muy baja resistencia al esfuerzo cortante y muy alta plasticidad obtenida de pruebas de laboratorio [Ref. 4] como se observa en la tabla 1. La resistencia al corte residual del suelo se consideró igual a un 40% de la resistencia al corte inalterada [Ref. 4], debido a la carencia de datos de campo en el lecho marino y a las profundidades de 0.30 y 0.60 m de profundidad.

Tabla 1 Resistencia al corte para los sondeos zona susceptibles de pandeo vertical ascendente (UHB)

Sondeo 1

Resistencia al corte inalterada 3.70 KPa

Resistencia al corte residual 1.48 KPa

Sondeo 2



Sondeo 3



Peso Volumétrico natural 1600.00 kg/m3

Peso Volumétrico Sumergido 500.00 kg/m3

Tabla 2 Rigideces del suelo para tubería superficial

Sondeo Tipo de rigidez Desplazamiento

(m)

Carga ultima

(N) Rigidez (kN/m)

1

Horizontal 0.004 0.0027 0.67

Axial 0.010 0.029 2.90

Vertical abajo 0.002 0.210 105.00

Vertical arriba 0.010 0.0022 0.22

2

Horizontal 0.004 0.0023 0.57

Axial 0.010 0.025 2.50

Vertical abajo 0.002 0.179 89.50


3

Horizontal 0.004 0.0023 0.57

Axial 0.010 0.039 3.90

Vertical abajo 0.002 0.278 139.00


Tabla 3 Rigideces del suelo para tubería enterrada.

Sondeo Tipo de rigidez Desplazamiento

(m) Carga ultima

(N) Rigidez (kN/m)

1

Horizontal 0.091 0.161 1.77

Axial 0.005 0.909 181.80



2

Horizontal 0.091 0.137 1.50

Axial 0.005 0.077 15.40



3

Horizontal 0.091 0.213 2.34

Axial 0.005 0.120 24.00



Tabla 4 Datos de la tubería de acero al carbono (tubería rígida) y de operación

Diámetro 0.508 m

Espesor de tubería 20.62 mm

Especificación del material L450 (X-65)

Esfuerzo mínimo de fluencia 448,159 kPa

Servicio Oleoducto

Tirante de agua Menor a 20 m

Presión máxima de trabajo 12,410 kPa

Temperatura de operación 100 °C

Temperatura del agua de mar 19 ºC

Longitud de tubo 6000 m

Espesor del lastre de concreto 0.10 m

Densidad del lastre de concreto 3,000 kg/m3

RESULTADOS

Los resultados de los análisis realizados por medio del programa CAESAR

II, se presentan en las tablas 5, 6 y 7, en donde se indican los esfuerzos,

fuerzas y desplazamientos a los que estará sometida la omega producto

de las condiciones de operación y de solicitaciones accidentales y se

observa que no se rebasa los límites de esfuerzo permisible definidos por

el 90% del esfuerzo máximo permisible de fluencia (SYMS) en la norma

NRF-013-PEMEX-2009 [Ref. 1] y el código ASME B31.4 [Ref. 6].

Se puede apreciar en la tabla 6 que el anclaje final de la omega las concentración de fuerzas es muy grande, pero si no se utilizará dicha estructura, la fuerza axial de compresión que se tendría sería del orden del doble del valor calculado.

Tabla 5 Localización de esfuerzos máximos para la condición de carga más desfavorable

LOCALIZACIÖN ESFUERZOS

ESTRUCTURAS Tramo kPa % SYMS kPa

Inicio 191301 47.40 403343 Curva de salida

curva 364863 90.50 403343 Anclaje de Omega

Final 336629 83.40 403343 Curva de llegada

Tabla 6 Localización de las fuerzas de compresión máximas para la condición de carga más desfavorable

LOCALIZACION FUERZA AXIAL

kN

Inicio 4713.20

Curva 6130.65

Final 3499.36

Tabla 7 Localización de desplazamientos máximos para la condición de carga más desfavorable

LOCALIZACIÓN DISTANCIA

EN X (mm)

DISTANCIA EN Y

(mm)

DISTANCIA EN Z (mm)

Inicio 16.22 44.18 14.73

Tramo recto 10.94 0.00 717.00

Curva 1190.70 0.00 0.00

Final 19.37 43.64 45.54

CONCLUSIONES

El esfuerzo máximo actuante en el oleoducto para la condición de diseño analizada, tiene un valor de 364,863 kPa, correspondiendo a un 90.50% del esfuerzo permisible, por lo que se determina que los esfuerzos actuantes se encuentran dentro de los límites permisibles definidos en la NRF-013-PEMEX-2009. Es importante mencionar que los esfuerzos actuantes no consideran la existencia de imperfección alguna (ducto horizontal) del lecho marino en el fondo de la trinchera. Los valores de desplazamiento que se presentan en último codo de la curva de expansión, (DX = --1190.70 mm, DY = -0.00 mm, DZ = 0.00 mm) son del orden de los esperados y no resultan críticos para el funcionamiento de la omega. El valor máximo de carga axial de compresión, se presenta en la curva de expansión, siendo de 6130.65 kN (625,000 kg), el cual parece no ser crítico para el rango de imperfecciones verticales en el lecho marino de 0.05 a 0.50 m, lo cual se debe verificar en un análisis de pandeo vertical (Up Heaval Buckling).

Es de suma importancia reducir en la medida de lo posible las incertidumbres de los parámetros de suelo involucrados en el análisis de la interacción suelo - ducto, y si es preciso evaluar la posibilidad de efectuar muestreos y pruebas de laboratorio del suelo en el sitio escogido para la colocación de las omegas para cerciorarnos del modelaje efectuado es el indicado.

GRACIAS

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