1.1. - Propiedades de las Tuberías de Rev. y Prod.

En el API se clasifica como estándar a :

Tubería de producción

1.0" < X < 4.5 "

Tubería de revestimiento

4.5 " < X < 20 "

1.1. - Propiedades de las Tuberías de Rev. y Prod.

La tubería es clasificada de acuerdo a cinco propiedades

La fabricación

Grado de Acero

Tipo de juntas

Rango de longitud

Espesor de pared y peso

1.1. - Propiedades de las Tuberías de Rev. y Prod.

Grado de Acero

La mayoría de las tuberías casi sin excepción son fabricadas con el 3 % al carbón con pequeñas cantidades de magnesio

Normalmente para que la tubería resista mas esfuerzos se somete a un proceso de temple.

1.1. - Propiedades de las Tuberías de Rev. y Prod.

Que es el esfuerzo de cedencia

El esfuerzo de cedencia es definido como: La fuerza por unidad de área necesaria a aplicar para producir una elongación total del 0.5% de la longitud, excepto para la tubería P-110 donde es definido como la fuerza necesaria para producir una elongación de 0.6%

F

1.1. - Propiedades de las Tuberías de Rev. y Prod.

Grado de Acero

El API a designado que en el grado del acero se utilice para definir el esfuerzo de cedencia de la tubería

Este designación consiste en que después de la letra el numero que la sigue define el mínimo esfuerzo de cedencia de el acero , en miles de psi

P-110

1.1. - Propiedades de las Tuberías de Rev. y Prod.

Ejercicio

Calcule la fuerza de cedencia de la tubería 3 1/2” N-80

F

Datos :OD = 3.5 PgID = 2.99 Pg.

1.1. - Propiedades de las Tuberías de Rev. y Prod.

Las mas importantes propiedades mecánicas de la tubería de producción y de la tubería de revestimiento son:

Esfuerzo ( presión) de ruptura

Esfuerzo (presión) de colapso

Esfuerzo de tensión

Lbs/ Pg2

Fuerzas de diseño de las tuberías

1.1. - Propiedades de las Tuberías de Rev. y Prod.

Esfuerzo ( presión) de ruptura Lbs/ Pg2

Fuerzas de diseño de las tuberías

Cuando la tubería de revestimiento esta expuesta a una presión interna mucho mayor que la externa se dice que la tubería esta expuesta a una presión de ruptura (Burst)

P= 0.875[2Ypt /D]

P = Presión interna mínima de cedencia (psi)

Yp = Mínimo esfuerzo de cedencia (psi)

t = Espesor nominal ( in)

D= Diámetro externo (in)

Tolerancia de manufactura de -12.5% del espesor de pared API Especificación 5C2

1.1. - Propiedades de las Tuberías de Rev. y Prod.

Esfuerzo ( presión) de ruptura

P= 0.875[2Yp /(D/t)] para D/T > > 1

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

0 5 10 15 20 25D/T

P15 > D/T > 25

Para tubería P-110

1.1. - Propiedades de las Tuberías de Rev. y Prod.

Esfuerzo ( presión) de colapso Lbs/ Pg2

Fuerzas de diseño de las tuberías

Cuando la tubería de revestimiento esta expuesta a una presión externa mucho mayor que la interna se dice que la tubería esta expuesta a una presión de colapso.

El esfuerzo de colapso es primordialmente una función del esfuerzo de cedencia del material , de su relación de de su relación de espesor D/tespesor D/t y de su esfericidad.

1.1. - Propiedades de las Tuberías de Rev. y Prod.

El criterio del colapso esta normado por el API boletín 5C3 el cual establece cuatro tipos de colapsos.

1.1. - Propiedades de las Tuberías de Rev. y Prod.

Esfuerzo ( presión) de colapso Lbs/ Pg2

Fuerzas de diseño de las tuberías

Colapso de cedencia.- Basado en la cedencia y en el espesor de la tubería usando ecuaciones de Lame para solución elástica, aplicada a relaciones de espesor D/t < 15

Pyp= 2Yp[(D/t)- 1/[(D/t)2]

1.1. - Propiedades de las Tuberías de Rev. y Prod.

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Pyp= 2Yp[(D/t)- 1/[(D/t)2]

D/t

Pyp

D/t < 15

Colapso de cedencia

Para tubería P-110

1.1. - Propiedades de las Tuberías de Rev. y Prod.

Esfuerzo ( presión) de colapso Lbs/ Pg2

Fuerzas de diseño de las tuberías

Colapso de plástico.- El calculo de este tipo de colapso esta basado en 2488 pruebas de laboratorio utilizando tuberías K-55, N-80 y P-110 y presenta una confiabilidad del 95%

Pp= Yp[A/(D/t)- B]-C

Los valores de las constantes A,B,C para un rango de D/t se encuentran en tablas

1.1. - Propiedades de las Tuberías de Rev. y Prod.

Esfuerzo ( presión) de colapso Lbs/ Pg2

Fuerzas de diseño de las tuberías

Colapso transicional.- Es obtenido por una curva numérica ubicada entre el régimen elástico y plástico.

Pt= Yp[F/(D/t)- G]

Los valores de las constantes F,G para un rango de D/t se encuentran en tablas

1.1. - Propiedades de las Tuberías de Rev. y Prod.

Esfuerzo ( presión) de colapso Lbs/ Pg2

Fuerzas de diseño de las tuberías

Colapso elástico.- Basado en la teoría de falla por inestabilidad elástica, este criterio es independiente del esfuerzo de cedencia del material y aplicable a espesores de pared D/t > 25

PE= 46.95 x 10 6 / ((D/t) [(D/t) - 1])2

1.1. - Propiedades de las Tuberías de Rev. y Prod.

Pyp= 2Yp[(D/t)- 1/[(D/t)2]

D/t

PE

D/t < 15 Colapso de cedencia

Para tubería P-110

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

0 5 10 15 20 25 30 35 40

PE= 46.95 x 10 6 / ((D/t) [(D/t) - 1])2 D/t > 25

1.1. - Propiedades de las Tuberías de Rev. y Prod.

Esfuerzo ( presión) de colapso

Fuerzas de diseño de las tuberías

Si la tubería esta sujeta a presión interna (Pi) y externa (Po) el equivalente de presión externa (Pe) es calculado con la siguiente relación :

PeD= PoD - Pid

PiPo

Pe

P = 0

1.1. - Propiedades de las Tuberías de Rev. y Prod.

Fuerza axial de cedencia FyLbs

Fuerzas de diseño de las tuberías

La fuerza axial de cedencia es determinada por el esfuerzo de cedencia de la tubería :

Fy= /4(D2 - d2)Yp

1.1. - Propiedades de las Tuberías de Rev. y Prod.

Fuerzas de diseño de las tuberías

Todas las ecuaciones utilizadas para calcular las diferentes resistencias de las tuberías, consideran la aplicación de esfuerzos axiales.

La realidad es diferente, ya que la tubería siempre estará expuesta a una combinación de esfuerzos.

El concepto fundamental para el diseño de tuberías establece “ Si cualquier esfuerzo aplicado a la pared de la tubería excede el esfuerzo de cedencia del material, se presentará una condición de falla “.

1.1. - Propiedades de las Tuberías de Rev. y Prod.

Esfuerzo Triaxial

El esfuerzo trialxial no es un esfuerzo verdadero, es un valor teórico de la resultante de esfuerzos en tres dimensiones el cual es comparado con el criterio uniaxial de falla.

Si el esfuerzo trialxial excede al esfuerzo de cedencia del Si el esfuerzo trialxial excede al esfuerzo de cedencia del material se presentará la fallamaterial se presentará la falla.

1.1. - Propiedades de las Tuberías de Rev. y Prod.

Esfuerzo Triaxial

1.1. - Propiedades de las Tuberías de Rev. y Prod.

Esfuerzo Triaxial

Yp2/1222 σzσrσrσθσθσz21/τ σ

Donde:

r

z

t

Esfuerzo triaxial

Esfuerzo axial

Esfuerzo tangencial

Esfuerzo radial

1.1. - Propiedades de las Tuberías de Rev. y Prod.

Esfuerzo Triaxial

1.1. - Propiedades de las Tuberías de Rev. y Prod.

Esfuerzo Triaxial

Esfuerzo Triaxial

El esfuerzo tangencial y radial es calculado usando las ecuaciones de Lame para espesores de paredes cilíndricas

Esfuerzo Triaxial

Sustituyendo las ecuaciones 1.2 y 1.3 en 1.1 y reagrupando se obtiene :

Esfuerzo Triaxial

Ejercicio: Gráficar la elipse de esfuerzos triaxiales de una tubería de 7” 32# P-110, para las condiciones Pi=0 y r = ri

Datos : Yp = 110,000 lbs/pg2

Esfuerzo Triaxial

Ejercicio: Gráficar la elipse de esfuerzos triaxiales de una tubería de 7” 32# P-110, para las condiciones Pi=0 y r = ri

Resultado:

Pi -11000 -10600 -9500 -8300 -4800 -1300 2200 5700 9200 12700Fz 42422.5629 46499.6292 56752.9511 66613.9092 89476.4593 105536.566 115755.138 120005.669 116936.264 101764.143Fz -111292.081 -112864.802 -116231.172 -118579.091 -119528.613 -113675.691 -101981.234 -84318.7363 -59336.303 -22251.1538

Esfuerzo Triaxial

Ejercicio: Gráficar la elipse de esfuerzos triaxiales de una tubería de 7” 32# P-110, para las condiciones Pi=0 y r = ri

Resultado:

-20000

-15000

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

20000

-150000 -100000 -50000 0 50000 100000 150000

Ez

Pi

Esfuerzo Triaxial

Ejercicio: Gráficar la elipse de esfuerzos triaxiales de una tubería de 7” 32# P-110, para las condiciones Po=0 y r = ri

Resultado:

Po -11000 -10600 -9500 -8300 -4800 -1300 2200 5700 9200 12700Ez 31422.5629 35899.6292 47252.9511 58313.9092 84676.4593 104236.566 117955.138 125705.669 126136.264 114464.143Ez -122292.081 -123464.802 -125731.172 -126879.091 -124328.613 -114975.691 -99781.2341 -78618.7363 -50136.303 -9551.1538

Esfuerzo Triaxial

Ejercicio: Gráficar la elipse de esfuerzos triaxiales de una tubería de 7” 32# P-110, para las condiciones Po=0 y r = ri

Resultado:

-20000

-15000

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

20000

-150000 -100000 -50000 0 50000 100000 150000

Po

Ez

Elipse traxial normalizada

Ejercicio: Gráficar la elipse de esfuerzos triaxiales normalizada

Resultado:

-20000

-15000

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

20000

-150000 -100000 -50000 0 50000 100000 150000

Ez

P

Pi=0

Po=0

Po

Pi

Elipse traxial normalizada

-20000

0

20000

-150000 0 150000

Ez

P

Tensión + RupturaCompresión + Ruptura

Compresión + ColapsoTensión + Ruptura

Elipse traxial normalizada

-20000

0

20000

-150000 0 150000

Ez

P

Tensión + RupturaCompresión + Ruptura

Compresión + Colapso Tensión + Ruptura

Tensión 1.3Ruptura 1.1

Colapso 1.0

Triaxial 1.250

Elipse traxial normalizada

-20000

0

20000

-150000 0 150000

Ez

P

Tensión + RupturaCompresión + Ruptura

Compresión + Colapso Tensión + Ruptura

Tensión 1.3Ruptura 1.1

Colapso 1.0

Triaxial 1.250

Elipse traxial normalizada

-20000

0

20000

-150000 0 150000

Ez

P

Tensión + RupturaCompresión + Ruptura

Compresión + Colapso Tensión + Ruptura

Tensión 1.3Ruptura 1.1

Colapso 1.0

Triaxial 1.250

Fuerzas o cargas internas y externas

Para evaluar el diseño de una tubería es necesario conocer los esfuerzos a la que esta sometida :

Estos esfuerzos están presentes en la introducción de tubería, durante trabajos de cementación, operaciones d perforación, durante trabajos de reparación y en la vida productiva del pozo.

Las esfuerzos sobre la tubería son :

Esfuerzos de presión

Esfuerzos mecánicos

Esfuerzos de térmicos.