espesor de la tuberia.doc

7/25/2019 Espesor de la tuberia.doc

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2.2 ESPESOR DE LA TUBERA

El espesor de la tubera toma importancia en relacin a la localizacin de las

estaciones de bombeo y compresin a lo largo de la lnea de tubera. Si la

presin de operacin mxima admisible es alta, la potencia por estacin podra

ser mayor y las estaciones podran estar ms alejadas. A pesar de esta ventaja

existe un costo adicional por el mayor espesor de la tubera.

Para empezar, debemos determinar la relacin entre el espesor de las paredes

de la tubera y la presin mxima de servicio ue se ve a!ectada por las

caractersticas del acero y las condiciones de operacin.

2.2.1 CLCULO DE LOS ESFUERZOS PRODUCIDOS POR LA PRESIN

DEL INTERIOR DE LA TUBERA

A. Clculo de los se!e"#os #$"e"c%$l& lo"%#ud%"$l ' ($d%$l del es)ue(*o

Para tuberas de dimensiones normales, las paredes son su!icientemente

delgadas para soportar un es!uerzo distribuido uni!ormemente por toda la

seccin transversal de la pared de la tubera. El es!uerzo tangencial "acia el

crculo ue !orma una seccin transversal normal de la tubera se calcula

considerando una tubera de longitud unitaria abierta en ambos extremos, pero

con la presin mantenida por dos pistones ue pueden deslizar libremente al

interior#$ig. %&.

Para esta longitud unitaria la !uerza total de la presin radial P es igual a P # '(

)t&* y esta !uerza es resistida por las dos paredes, por lo ue el es!uerzo en las

paredes, S es+

S# +pd)t

Do"de l$s u"%d$des co"s%s#e"#es so"+ 2 S##L + , -D2#/ L

S# 0 Es!uerzo tangencial

, 0Presin e!ectiva

d 0'imetro interno

# 0Espesor

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-n clculo ms riguroso, en el cual el es!uerzo no se asume uni!ormemente

distribuido pero permitido a variar con la distancia desde el centro, est dado

mediante la !rmula de TIOSEN3O+

S# +piri)/ r 0) r)

r 0) ( r)

'onde los ndices i y o denotan los dimetros internos y externos de la tubera

respectivamente y S es el es!uerzo en la circun!erencia de radio r. 'e esta

!rmula se ve ue el es!uerzo alcanza su mximo valor cuando el radio es

mnimo #en la pared interna de la tubera&. Sin embargo, esta variacin es

insigni!icante para tuberas de pared delgada, como se ve en la tabla ms

abajo, la cual muestra la razn entre el es!uerzo mximo y el es!uerzo

promedio para los di!erentes valores del cociente t ri.

t ri. 1.1 1.12 1.1S#-!$4/5S#-,(o!/ .112 .1)3 .12)

En clculos prcticos, el espesor de la pared se asume relativamente

despreciable respecto al dimetro, para obtener la siguiente !rmula conocida

como 4LA FRULA DE BARLO670

S# + p')t

Do"de D es el d%!e#(o e4#e("o.

5os es!uerzos calculados mediante est !rmula son un poco mayores ue los

reales #alrededor de 67 para una tubera de )1 pulg. de dimetro con 8 pulg.

de espesor&.

5a suposicin implcita ue la tubera es per!ectamente circular nunca ocurre

en la prctica, esto porue toda tubera gastada en gran parte tiene !orma

ovalada, o porue "ay aplastamientos locales. Se "a encontrado ue cuando

tuberas no redondas son sometidas a tests de presin, ellas tienden a

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experimentar deslizamiento plstico, el cual, reestablece la !orma redondeada,

mientras las propiedades elsticas permanecen intactas. 9omo consecuencia

un leve 4!uera de redondeado:, prcticamente no in!luye en los clculos

mecnicos !undamentales. Por el contrario los ac"atamientos locales podran

ocasionar gran concentracin de es!uerzo* y los investigadores ue

experimentaron en tuberas de )1 pulg. estimaron ue los es!uerzos podran

ser euivalentes a una presin interna entre ; y2


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Actualmente, en la prctica, el es!uerzo real podra estar aproximadamente

entre una completa libertad y un total ajuste, y para tuberas subterrneas, el

es!uerzo longitudinal, Sl ,, sera aproximadamente+

Sl+ 1.>2 St

$inalmente, tambin existe un es!uerzo de compresin radial, el ue

usualmente es considerado despreciable.

B. Co!8%"$c%9" de es)ue(*os ele!e"#$les

9onociendo los valores de los di!erentes es!uerzos elementales* Bcmo

podramos combinarlos para obtener valores en trminos de los parmetros

!amiliares del metal como el lmite de elasticidad o resistencia a la tensin, y

por lo tanto determinar las condiciones en las cuales el metal !allaC,

inversamente Bcmo podemos expresar los lmites de operacin en trminos

de los es!uerzosC

Si el es!uerzo radial es despreciable, podemos usar !rmulas generales ue

expresen es!uerzos combinados como+

D #St (Sl &)/#SlFSr &)/#Sr(St&)

o de lo contrario podemos construir crculos de GHIJ. En cualuier caso, si el

es!uerzo longitudinal resulta positivo #si es un es!uerzo de tensin&, este tiende

a reducir la !atiga del metal y este e!ecto es ms !uerte para di!erencias ms

peueKas, StF S, entre es!uerzos longitudinales y tangenciales. Esto signi!ica

ue en el caso de tuberas enterradas, donde los e!ectos de anclaje devlvulas, soportes y la !riccin del suelo, siempre son inciertas, esto determina

ue es per!ectamente seguro tomar en consideracin solamente el es!uerzo

tangencial, y comparar este valor con los lmites de es!uerzo elstico o de

tensin del acero.

En un caso particular, esto no es su!iciente, y puede llevar a desestimar la

extensin de la !atiga del metal. Losotros nos re!erimos al caso cuando la!lexin elstica de la tubera podra ser producida debido al tendido de la

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tubera en un recodo con un gran radio de curvatura #lo ue es usual en el

tendido actual de tuberas& o producida por un peueKo pandeo entre los

soportes de una tubera en la parte superior como el resultado de por ejemplo,

bruscos cambios de temperatura o producidos por expansin trmica de

tuberas enterradas ue transportan productos calientes. En tales casos la

tubera es comprimida elsticamente a lo largo de ciertos ejes considerando

ue el es!uerzo longitudinal puede volverse negativo en ciertos puntos y

trans!ormarse en es!uerzo de compresin, el cual debe ser aKadido, en vez de

ser sustrado del es!uerzo tangencial. Supongamos ue 9e es el mximo

es!uerzo de compresin, calculado por las leyes de la elasticidad, y ue el

es!uerzo de compresin longitudinal agregamos al es!uerzo de la presin

tangencial, resultara 9e( 1.>2 St, y al ser contrastado con las propiedades

resistivas del metal se volvera 9e/ 1.2 S t , evidentemente slo en auellos

casos en ue este es mayor ue S t #mayor ue pd)t &.

2.2.2 CARACTERSTICAS DE LAS TUBERAS DE ACERO

5as propiedades de los aceros usados actualmente en la construccin de las

tuberas estn listadas en dos especi!icaciones APM+ 25 para aceros de calidad

normal, y 2 5N para los aceros de alta resistencia. Estas especi!icaciones

actualmente son aceptadas en todo el mundo. 5a siguiente tabla nos da las

propiedades resistivas de los aceros ms comOnmente empleados+

ESPECIFICACIN

API

:RADO

LIITE DE

ELASTICIDAD

-35!!2/

RESISTENCIA A

LA TENSIN

-35!!2/

2 525

25N

25N

25N

25N

25N

25N

A

N>)

N>3

N2)

N23

N31

N32

))2

)=

;)

;6

;=

>

>3

;>>)

>)

>2

>6

2)

22

23

5


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En el pasado, los grados A y eran usados. En el presente, los grados usados

para dimetro grande y mediano de las tuberas operando a alta presin son

casi exclusivamente, aceros de alta resistencia N>) a N32. El precio por

tonelada no varia muc"o para estos aceros, pero se reuiere muc"o menor

cantidad de metal debido a su alta resistencia. 5a soldadura de estos aceros

altamente resistentes es muc"o ms di!icultosa.

5os grandes gradientes de temperaturas causados por la soldadura podra

dejar es!uerzos residuales en el metal soldado, a menos ue se eviten

mediante medidas de precaucin como el precalentamiento de las zonas

soldadas, recociendo las soldaduras terminadas. Para evitar estas di!icultades,

los aceros de alta resistencia mecnica #en particular N31& estn "ec"os

menos !rgiles mediante el agregado de restos de aditivos como el niobio

#Liobium&.

El espesor estndar, incluyendo las tolerancias de !abricacin, deben ser

especi!icados para cada dimetro por las especi!icaciones APM de Estados

-nidos S?' 25 y 25N. Para tuberas de dimetros mayores de % o menos

pulgada, soldados o enteros #sin costuras o soldaduras&, la tolerancia es de

/27 y F ).27. Para tuberas de dimetros mayores ue % pulgadas, este

es /6.27 y F 17 para tuberas enteras, y /=.27 y (%7 para tuberas

soldadas.

'e acuerdo a las regulaciones de Estados -nidos ue rigen el tendido de

tubera, la mxima presin calculada no toma en cuenta la tolerancia negativa,

mientras esta se encuentre dentro de un !actor de seguridad* por el contrario, la

tolerancia negativa debe ser tomada en cuenta en el clculo de la presinmxima con los !actores de seguridad establecidos por los reglamentos

!ranceses. En especi!icaciones contractuales es !actible y deseable ue los

manu!actureros se ajusten a tolerancias cercanas, particularmente para

tuberas soldadas longitudinalmente una tolerancia de F 67 (%7 solamente.

2.2.; RE:ULACIONES REFERIDAS A LA PRESION


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En la mayora de los pases donde las tuberas son tendidas, existen

regulaciones de seguridad ue deben ser acatadas por las compaKas y

contratistas. Estas regulaciones principalmente estn re!eridas a los grados y

espesor del acero a emplearse, las tcnicas de proteccin contra las roturas y

corrosin, las pruebas a e!ectuarse, etc. 5as regulaciones espec!icas

dependen de las condiciones de la ruta de la tubera y particularmente de la

densidad de la poblacin a lo largo de esta.

A. A


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5os !actores estn declarados en las regulaciones de seguridad, y vara con

las condiciones de la ruta, particularmente con la densidad de la poblacin,

y las reas de poblacin de alta densidad son las ms di!ciles.

En todos los caso, los es!uerzos en el acero son calculados por la !rmula

de AJ5HQ, como !uncin de la presin de servicio como "a sido

presentado en la seccin anterior.

1. 5a versin de =3% de las regulaciones !rancesas concerniendo a los

luidos e "idrocarburos licuados de!inen las siguientes zonas de ruta+

%d(oc$(8u(os L>?u%dos0; 9ategoras

C$#eo(>$ I *o"$s0

-$/Auella parte de las plantas de la industria del aceite

pertenecientes a esta categora acorde a las regulaciones de

seguridad ue gobiernan dic"as plantas.

-8/ ?erreno pOblico

-c/ ?erreno privado, situado+

( Genos de >1 m !uera de algOn edi!icio pOblico sujeto al decreto

LR 2>(%23 #proteccin contar riesgos de !uego y pnico&* o de la

alguna planta industrial ue no sea petrolera, la cual este

clasi!icada por, regulaciones, relevantes de alto riesgo, como

puede considerarse el incendio o la explosin+ o de una

instalacin de proteccin nacional considerada de riesgote

incendio o explosin.

- Genos de 2 m de lmite de un terreno pOblico o de algOn

edi!icio residencial di!erente de los mencionados anteriormente

#en el primer punto&. Iasta 1 m podra permitirse cualuier

localidad "abitada o si es un puesto permanente.

C$#eo(>$ III *o"$s0

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reas "abitadas de regiones desrticas, excepto las partes en

ue las tuberas estn situadas a menos de $ II *o"$s0

9ualuier otra rea

ajo estas condiciones, usando la !rmula de AJ5HQ y el mnimo

espesor de la tubera, incluyendo las tolerancias para los clculos de los

es!uerzo, de manu!actura, los siguientes mximos valores de la razn del

es!uerzo S respecto al lmite elstico E y respecto a la resistencia J del

acero #a temperaturas ue no excedan los )1 R9& "an sido establecidas

por las regulaciones en $rancia.

CONDUCTO

IDROCARBUROS

LICUEFACTADOS

IDROCARBUROS L@UIDOS

S5E S5R S5E S5R

ABAO O

ENCIA DE

LA TIERRA

ABAO ENCIA ABAO O

ENCIA DE

LA TIERRA

ABAO ENCIA

CATE:ORA I

CATE:ORA II

CATE:ORA III

1.31

1.6)

1.;3

1.22

1.;3

1.>>

1.362

1.62

1.%)

1.>6

1.2=

1.32

1.>>

1.>>

1.32

'e las ) condiciones, relacionada con el lmite elstico aparente o a la

resistencia a la tensin, el mayor rigor debe ser satis!ec"o.

Ee!,lo0Para una tubera de 1 pulg. #)6; mm de dimetro externo&,

espesor de 6.1= mm #3.)> mm permiten un mximo de tolerancia de

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).27&, encontramos para acero de grado , con la ayuda de la !rmula

de AJ5HQ+

-$/ Si la condicin de resistencia es aplicada+ =% 3 puede ser posible reducir el espesor de las paredes a 2.23

mm, de esta manera se a"orra )7 en peso de acero y se mantiene la

misma presin de operacin.

2. 5a regulaciones !rancesas legislando la seguridad del transporte

combustible gaseoso por medio de tuberas, del de Gayo de =61,

de!inen las siguientes ; categoras+

C$#eo(>$ A0 'esierto o reas montaKosas, prados, reas

cultivadas, bosues, zonas rurales.

C$#eo(>$ B0

-$/ 5as zonas especi!icadas bajo A, pero situadas a menos

de 62 m de las plantas o de edi!icios especi!icados, bajo

la categora Mc de "idrocarburos luidos.

-8/ Tonas en las cuales el nOmero de "abitaciones o

edi!icios, es euivalente a una posesin por "ectrea,

calculada en )11m de lado de un cuadrado centrado en

una tubera #)11m Side Suare 9entered on t"e

Pipeline&, mayor a >.

-c/ ?errenos pOblicos o zonas administradas por autoridades

regionales.

C$#eo(>$ C0 5ocalizaciones en zonas densamente pobladas. Sin

embargo, si la densidad por "ectrea es menor a >1, las

localizaciones deben ser clasi!icadas en la categora .

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5as razones limite del es!uerzo a la mxima presin de servicio

para las propiedades relevantes del acero estn dadas en la tabla

siguiente, con la misma notacin anterior+

CONDUCTO S5E S5RS-E5H H SHJE S-E5H SUBSUELO SOBRE

ELSUELO

CATE:ORA A

CATE:ORA B

CATE:ORA C

1.6;

1.31

1.21

1.22

1.;3

1.;1

1.>>

1.;3

1.;1;. 5as regulaciones -SAS ;(>(=33 para luidos, provee para una sola

zona de utilizacin y basadas en la de!inicin del diseKo interno de lapresin, dado anteriormente, se considera un coe!iciente de seguridad de

1.6) respecto al lmite elstico del grado de acero empleado. El es!uerzo de

tensin a la ruptura de est .

. 5as regulaciones de E- -SAS ;(%(=3%, para los gases, por otro

lado, provee para las cuatro di!erentes zonas, las cuales estn re!eridas a

las clases , ), ; y >. 5a clase corresponde a las zonas rurales y

desrticas, donde el coe!iciente de seguridad, calculado bajo las mismas

condiciones anteriores, es 1.6). El coe!iciente de seguridad para la clase )

#zonas "abitadas& es 1.31. 5a clase ; #zonas urbanas& tiene un coe!iciente

de seguridad de 1.21 y la clase > #zonas urbanas con edi!icios de varios

pisos& tiene un coe!iciente de seguridad de 1.>1.

C. CONDICIONES DE PRUEBA

5as regulaciones de seguridad tambin de!inen las condiciones de prueba

tanto en la central de la red como en el campo #Pipe Gill and in t"e $ield&,

despus de ue la tubera "aya sido colocada y antes ue entre en servicio.

Estas condiciones de prueba son altamente importantes para la

segmentacin de la tubera por medio de llaves de vlvulas en terreno

accidentado.

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Por ejemplo, supongamos ue la tubera se coloca bajo las regulaciones

!rancesas concernientes a las tuberas para el transporte de "idrocarburos

luidos en ue la presin de prueba mnima es de )17 de la presin

mxima de operacin, sin exceder en ningOn punto el valor de presin

correspondiente al es!uerzo euivalente al lmite elstico del metal. En las

zonas de categora MMM, la presin mnima de prueba es el 17 de la

presin mxima de operacin. Para gases licue!actados las condiciones son

ms rigurosas+ las presiones mnimas de prueba son 217 y )27 de la

presin de operacin mximas en las categoras M y MM, respectivamente.

5as regulaciones americanas para los luidos, por otro lado, estn dadas

con una presin mnima de prueba euivalente a )27 de la presin

designada #la mas reciente sera mayor o igual a la presin de operacin

mxima&. 5a presin mxima de prueba es aproximadamente la misma ue

en las regulaciones !rancesas* =17 del lmite elstico, basada en el espesor

nominal #en lugar de 117 del espesor mnimo&. En la medida ue los

gases se vean a!ectados, las regulaciones !rancesas proveen para una

prueba "idrulica bajo una presin mxima de no mayor ue la presin de

prueba en la !brica #=17 del lmite elstico, excepto por suspensin

documentada&.

5as regulaciones americanas dan las siguientes presiones de prueba+

9ategora M+ 17 de la mxima presin de operacin.

9ategora MM+ )27 4 4 4

9ategora MMM+ >17 4 4 4 4 4

9ategora MU+ >17 4 4 4 4 4

5as pruebas son realizadas con aire o con agua para las categoras M y MM ycon agua solamente para las categoras MMM y MU

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