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DISEÑO DE GASODUCTOS Y REDES DE DISTRIBUCIÓN
La tubería y sus componentes deben
diseñarse para una presión interna de
diseño (Pi) igual a 1,1 veces la
presión de operación máxima (POM)
a régimen constante tanto para
hidrocarburos líquidos como
gaseosos, la cual no debe ser menor
a la presión de la carga hidrostática
en cualquier punto de la tubería en
una condición estática.
PRESIÓN INTERNA DE DISEÑO
Donde:
Pi = Presión interna de diseño, en kPa (lb/pulg2).
D = Diámetro exterior nominal de la tubería, en mm
(pulg.)
t = Espesor de pared de acero de la tubería, en mm
(pulg.).
SMYS = Esfuerzo de Cedencia Mínimo Especificado
(Specified Minimum Yield Strength), en kPa (lb/pulg2).
fCP = Factor de capacidad permisible por presión
interna de diseño.
El factor de capacidad permisible (fCP) se determina
como sigue: ING. MARÍA ALEJANDRA CANACHE V.
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FACTOR DE CAPACIDAD PERMISIBLE
Donde:
fDIS = Factor de diseño por clase de localización que depende del tipo de fluido
transportado.
fTEMP = Factor de diseño por temperatura.
fJL = Factor de junta longitudinal.
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TABLA N° 1: FACTOR DE DISEÑO POR TEMPERATURA ( F TEM)
TEMPERATURA
FACTOR DE DISEÑO
(f TEM) °C °F
121 o menos 250 o menos 1,0000
149 300 0,9670
177 350 0,9333
204 400 0,9000
232 450 0,8670
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TABLA N° 2: FACTOR DE JUNTA LONGITUDINAL ( F JL)
TIPO DE TUBERÍA
FACTOR DE JUNTA
LONGITUDINAL (f JL)
Soldadura longitudinal por arco sumergido
(SAWL) 1,0
Soldadura por resistencia eléctrica (ERW) 1,0
Soldadura helicoidal por arco sumergido
(SAWH) 1,0
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CLASES DE LOCALIZACIÓN. FACTOR DE DISEÑO
FLUIDO: GAS
CLASE 1
•CLASE DE LOCALIDAD 1, DIVISIÓN 1: Localidad de clase 1 donde el factor de diseño de la tubería es menor o igual a 0,72 y menor o igual a 0,80 y donde la tubería ha sido probada hidrostáticamente a 1,25 veces la presión máxima de operación.
CLASE 1 DIVISIÓN 2
•CLASE DE LOCALIDAD 1, DIVISIÓN 2: Localidad de clase 1 donde el factor de diseño de la tubería es menor o igual a 0,72 y donde la tubería ha sido probada 1.1 veces la presión máxima de operación.
CLASE 2
•CLASE DE LOCALIDAD 2: Franja de 1600 metros de longitud que tiene más de diez (10) y menos de cuarenta y seis (46) unidades habitacionales destinadas a la ocupación humana. Esta clase de localidad, está caracterizada por zonas de densidad poblacional comprendida entre la clase de localidad 1 y la clase de localidad 3, tales zonas pueden ser alrededor de ciudades, pueblos, áreas industriales, granjas, entre otros.
CLASE DE LOCALIDAD 3: Franja de 1600 metros de longitud que tiene cuarenta y seis (46) o más unidades destinadas a la ocupación humana, excepto donde la clase 4 prevalece. Esta clase de localidad caracteriza áreas tales como desarrollos habitacionales, centros comerciales, áreas residenciales, áreas industriales, y otras áreas que no cumplan los requisitos de clase 4
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CLASES DE LOCALIZACIÓN. FACTOR DE DISEÑO
FLUIDO: GAS
CLASE DE LOCALIDAD 4: Esta clasificación incluye áreas donde prevalecen edificaciones de múltiples pisos, donde el tráfico es muy denso o pesado y donde existan numerosos servicios bajo tierra. Multiplicidad de pisos significa cuatro (4) o más pisos sobre el nivel del terreno incluyendo planta baja. La profundidad del sótano y el número de ellos no se toma en cuenta.
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CONSIDERACIONES REFERENTES A CONCENTRACIONES DE
PERSONAS EN LAS LOCALIDADES DE CLASE 1 Y 2.
Tuberías ubicadas cerca de lugares de reuniones públicas, o sitios de concentración de personas tales como Iglesias, escuelas, unidades residenciales, hospitales deben cumplir los requerimientos especificados para la Clase 3.
Las concentraciones de personas referidas anteriormente no incluyen grupos de menos de veinte (20) personas por sitio o localidad, pero si intenta cubrir personas en un área exterior, así como un edificio
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TABLA N° 3: FACTOR DE DISEÑO POR CLASE DE LOCALIZACIÓN PARA
TUBERÍAS QUE TRANSPORTAN GAS ( F DIS)
CLASIFICACIÓN POR CLASE DE
LOCALIZACIÓN FACTOR DE DISEÑO (fDIS)
Clase 1 0,72
Clase 2 0,60
Clase 3 0,50
Clase 4 0,40
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TABLA N° 4: FACTOR DE DISEÑO PARA CONSTRUCCIÓN DE TUBERÍAS DE
ACERO QUE TRANSPORTAN GAS, DE ACUERDO AL TIPO DE INSTALACIÓN
POR DONDE ATRAVIESA ( F DIS)
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FACTOR DE DISEÑO. FLUIDO: LÍQUIDO
El factor de diseño (fDIS) a utilizarse en
el cálculo de la presión interna de
diseño para tuberías que transportan
líquidos es de 0,72.
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ESPESOR MÍNIMO REQUERIDO
La tubería de acero al carbono debe
tener un espesor mínimo de pared
requerido para soportar los esfuerzos
producidos por presión interna. Este
espesor se determina mediante la
siguiente expresión: ESPESOR DE
PARED
Donde:
tr = Espesor mínimo requerido por presión interna, en mm (pulg).
t = Espesor de diseño por presión interna , en mm (pulg).
tc = Espesor de pared adicional por corrosión, en mm (pulg).
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ESPESOR MÍNIMO REQUERIDO
ESPESOR DE PARED
ESPESOR ADICIONAL POR CORROSIÓN.
Se debe utilizar un margen de corrosión
con base en resultados estadísticos en el
manejo del producto que se va a
transportar, información que debe ser
proporcionada por la empresa. De no
contar con dicha información se debe
utilizar un espesor adicional de 0,159 mm
(6,25 milésimas de pulgada) por cada año
de vida útil considerada en el diseño.
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ESFUERZO Y FLEXIBILIDAD
La tubería debe diseñarse con la suficiente flexibilidad para absorber una posible expansión o contracción que pueda ocasionar esfuerzos en el material.
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ESFUERZOS PRESENTES EN UN GASODUCTO
ESFUERZOS
NORMALES
LONGITUDINALES
DEBIDO A CARGAS AXIALES
DEBIDO A PRESIÓN INTERNA
DEBIDO A MOMENTO FLECTOR
CIRCUNFERENCIALES DEBIDO A PRESIÓN
INTERNA
RADIALES DEBIDO A PRESIÓN
INTERNA
CORTANTES
CAUSADOS POR TORSIÓN
DEBIDO A FUERZAS LATERALES ING. MARÍA ALEJANDRA CANACHE V.
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ESFUERZOS LONGITUDINALES
a) Esfuerzo longitudinal debido a presión interna en tuberías restringidas:
Donde:
V = Relación de Poissón = 0,30 para el acero.
Sh = Esfuerzo circunferencial o tangencial
b) Esfuerzo longitudinal debido a presión interna en tuberías no restringidas:
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ESFUERZOS LONGITUDINALES
c) Esfuerzo longitudinal debido a expansión térmica en tuberías restringidas:
d) Esfuerzo flexionante nominal en tramos rectos o curvaturas de radio largo,
debido a peso propio y otras cargas externas:
Donde:
M = Momento de flexión transversal de la tubería, en N-mm (lb-pulg).
Z = Módulo de sección de la tubería, en mm3 (pulg3) ING. MARÍA ALEJANDRA CANACHE V.
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ESFUERZOS LONGITUDINALES
e) Esfuerzo flexionante nominal en accesorios y componentes, debido a peso
propio y otras cargas externas:
MR = Momento transversal resultante intensificado del accesorio o componente,
calculado con la siguiente expresión:
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ESFUERZOS LONGITUDINALES
Donde:
Mi = Momento de flexión en el plano del miembro (para miembros que tengan
orientación importante tales como codos o tes; para éstos últimos, los momentos
en el cabezal y en los tramos de ramal deben considerarse por separado), en N-
mm (lb-pulg).
ii = Factor de intensificación del esfuerzo bajo flexión en el plano del miembro.
Mo = Momento de flexión fuera del plano del miembro, en N-mm (lb-pulg).
io = Factor de intensificación del esfuerzo bajo flexión fuera del plano del
miembro.
Mt = Momento torsional, en N-mm (lb-pulg).
Se debe cumplir que el producto 0,75i ≥ 1,0 ING. MARÍA ALEJANDRA CANACHE V.
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ESFUERZOS LONGITUDINALES
f) Esfuerzo longitudinal debido a carga axial diferente de la expansión térmica y de
la presión:
Donde:
R = Componente axial de la fuerza
externa, en N (lbs).
A = Área de la sección transversal de
la tubería, en mm2 (pulg2).
Tuberías Restringidas: El esfuerzo longitudinal total o neto en tuberías
restringidas es:
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ESFUERZOS LONGITUDINALES
Tuberías no Restringidas: Para aquellos tramos de tubería que no tengan
una restricción axial importante, el esfuerzo longitudinal debe calcularse de
acuerdo con la siguiente expresión:
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ESFUERZOS PERMISIBLES
El espesor de pared inicialmente determinado mediante consideraciones de
diseño del esfuerzo circunferencial (Presión interna), debe ser tal que los
esfuerzos longitudinales en la pared de la tubería bajo cargas funcionales y
ambientales, no excedan los valores permisibles que a continuación se
indican.
a) Tuberías restringidas. El
esfuerzo longitudinal (SL)
calculado para un espesor
nominal de la pared de la
tubería para ductos
restringidos, no debe exceder
el valor: Donde:
fTEMP = Es el factor de diseño por temperatura
que se indica en la Tabla 1. ING. MARÍA ALEJANDRA CANACHE V.
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ESFUERZOS PERMISIBLES
b) Tuberías no restringidas. El límite máximo del esfuerzo longitudinal calculado
(SL), está dado por:
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FACTOR DE INTENSIFICACIÓN DE ESFUERZOS
Tabla N° 6:factor De Intensificación De Esfuerzos
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FACTOR DE INTENSIFICACIÓN DE ESFUERZOS
Tabla N° 6 -A:factor De Intensificación De Esfuerzos
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FACTOR DE INTENSIFICACIÓN DE ESFUERZOS
Tabla N° 6 -B: Factor De Intensificación De Esfuerzos
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(1) La nomenclatura es como sigue:
R1 = Radio de curvatura del codo soldado o tubería doblada
T = Espesor nominal de pared del componente de tubería, mm (pulg)
= Para codos y codos mitrados, espesor nominal de pared del accesorio, mm
(pulg)
= Para tes soldadas, espesor nominal de pared de la tubería mm (pulg)
= Para tes fabricadas, espesor nominal de pared del cabezal (si el espesor es
mayor que el espesor del ramal, se debe mantener un espesor incrementado en
por lo menos un diámetro del cabezal hacia cada lado del ramal), mm (pulg)
Tc = espesor de entrepiernas de tes, mm (pulg)
D = Diámetro exterior del ramal, mm (pulg)
ro = Radio de curvatura de la porción externa de la salida, medida en el plano
conteniendo los ejes del cabezal y ramal, mm (pulg)
r2 = Radio medio de la tubería, mm (pulg)
S = Dimensión del tramo mitrado, mm (pulg)
Te = Espesor de la solapa o silleta, mm (pulg)
θ = Mitad del ángulo entre ejes mitrados adyacentes, grados.
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BASES DEL DISEÑO DE LÍNEAS MARÍTIMAS
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y QUÍMICAS DEL FLUIDO.
• ESPECIFICACIONES DEL MATERIAL DE LA TUBERÍA Y COMPONENTES.
• PRESIÓN Y TEMPERATURA EN CONDICIONES NORMALES Y MÁXIMAS DE
OPERACIÓN.
• CONDICIONES DE CARGA SOBRE EL DUCTO DURANTE SU INSTALACIÓN,
OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO.
• ESPESOR ADICIONAL POR CORROSIÓN.
• FILOSOFÍA DE OPERACIÓN.
• SISTEMAS DE PROTECCIÓN PARA PREVENCIÓN DE CORROSIÓN INTERIOR Y
EXTERIOR DEL DUCTO.
• INFORMACIÓN GEOFÍSICA Y GEOTÉCNICA DEL SUELO.
• INFORMACIÓN METEOROLÓGICA (ALTURAS Y DIRECCIÓN DE OLA,
VELOCIDAD Y DIRECCIÓN DE CORRIENTE Y TORMENTA DE DISEÑO).
• REQUERIMIENTOS ADICIONALES DE DISEÑO PARA CONSTRUCCIÓN,
OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO.
• NORMAS Y ESPECIFICACIONES A UTILIZARSE EN EL PROYECTO.
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DISEÑO DE GASODUCTOS Y REDES DE DISTRIBUCIÓN
SELECCIÓN DE LA RUTA DE LÍNEAS MARÍTIMAS
Tráfico de embarcaciones.
• Actividad pesquera.
• Instalaciones costa afuera.
• Líneas existentes.
•Características del fondo marino (Inestable, irregular
y otros).
• Accidentes, fallas o peligros potenciales (Reporte
geotécnico).
• Actividad sísmica.
• Obstrucciones.
• Futuros desarrollos en el área y métodos de
instalación aplicables.
• Áreas ecológicamente sensibles y protegidas.
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CLASIFICACIÓN DE LOS DUCTOS SUBMARINOS
Se establecen tres Categorías de
Seguridad y Servicio (CSS) para diseño de
una línea submarina, en función del tipo de
fluido, la zonificación y el volumen de
producción transportado; para considerar
el factor de diseño adecuado, el cual
incluye las condiciones de riesgo de la
línea submarina. Dichas categorías son:
Muy alta, Alta y Moderada.
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Presión interna. La tubería y sus componentes
deben diseñarse para resistir la presión interna
de diseño (Pint) y la presión externa (Pext)
debida a la carga hidrostática, la cual no debe
ser menor a la presión interna en cualquier punto
del ducto en una condición estática.
El espesor requerido por presión interna para
diseño de líneas submarinas que transportan
líquido o gas, se obtiene con la siguiente
expresión:
EFECTOS MECÁNICOS
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Pi =Presión interna, en N/mm2 (lb/pulg2).
Pint =Presión interna de diseño, en N/mm2 (lb/pulg2).
Pext =Presión externa hidrostática actuante en la tubería, en N/mm2
(lb/pulg2).
D =Diámetro exterior nominal del tubo, en mm (pulg.).
t =Espesor de pared de acero del tubo por presión interna, en mm
(pulg.).
SMTS Esfuerzo de Tensión Ultimo Mínimo Especificado del tubo
(Specified Minimum Ultimate Tensile Strength), en N/mm2 (lb/pulg2).
fPb =Factor para diseño por presión interna indicado en la Tabla 1.
ft =Factor por temperatura indicado en la Tabla 2.
EFECTOS MECÁNICOS
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EFECTOS MECÁNICOS
Tabla N°1: Factores para diseño por presión interna (fPb).
Tabla N°2: Factor por temperatura (ft) para tuberías de acero.
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EFECTOS MECÁNICOS
Espesor mínimo requerido. El espesor
mínimo de pared requerido para soportar los
esfuerzos producidos por presión interna se
determina mediante la siguiente expresión:
tr = t + tc
donde:
tr =Espesor mínimo requerido por presión interna, en mm
(pulg.).
t =Espesor de diseño por presión interna en mm (pulg.).
tc =Tolerancia por corrosión en mm (pulg.).
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EFECTOS MECÁNICOS
DISEÑO DE GASODUCTOS Y REDES DE DISTRIBUCIÓN
Tolerancia por corrosión. Se debe utilizar un margen de
corrosión con base en resultados estadísticos en el manejo
del producto que se va a transportar, información que debe ser
proporcionada por la empresa. De no contar con dicha
información se debe utilizar un espesor adicional de 0,159 mm
(6,25 milésimas de pulgada) por año para línea regular (Zona
A), y de 0,254 mm (10 milésimas de pulgada) por año para
ducto ascendente (Zona B).
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EFECTOS MECÁNICOS
Espesor por temperatura alta para líneas restringidas. El espesor de la
tubería debe ser suficiente para soportar los esfuerzos generados por las cargas
térmicas. El cálculo de espesor por este efecto para líneas restringidas (línea
regular) debe realizarse de acuerdo con la siguiente expresión:
Ec.9
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EFECTOS MECÁNICOS
donde:
tt =Espesor de pared de acero del tubo por temperatura, en mm (pulg.).
Pint =Presión interna de diseño, en N/mm2 (lb/pulg2).
Pext =Presión externa hidrostática actuante en la tubería, en N/mm2 (lb/pulg2).
D =Diámetro exterior nominal del tubo, en mm (pulg.).
SMYS =Esfuerzo de Fluencia Mínimo Especificado de la tubería (Specified
Minimum Yield Strength), en N/mm2 (lb/pulg2).
ft =Factor por temperatura indicado en la Tabla 4.
E =Módulo de elasticidad del acero de la tubería , en N/mm2 (lb/pulg2)
α =Coeficiente de expansión térmica, en mm/mm/°C (pulg./pulg./°F).
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EFECTOS MECÁNICOS
T1 =Temperatura de instalación, en °C (°F); A menos que se cuente con un valor
medido o estadístico de la temperatura de fondo, ésta debe ser considerada de
15°C.
T2 = Temperatura de diseño, en °C (°F).
Tabla N°4: Módulos de elasticidad para aceros al carbono.
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EFECTOS MECÁNICOS
Tensión longitudinal (Tu). Para fines de considerar este efecto se debe
tomar en cuenta los esfuerzos longitudinales que se presenten en la fase de
instalación u operación. La capacidad del ducto a tensión longitudinal está
dada por la siguiente expresión:
Tu = 1,1SMYS As Ec.10
donde:
Tu =Tensión longitudinal última, en N (lb).
SMYS =Esfuerzo de Fluencia Mínimo Especificado de la tubería (Specified
Minimum Yield Strength), en N/mm2 (lb/pulg2).
As =Área nominal de la sección transversal de acero de la tubería, en mm2
(pulg2).
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EFECTOS MECÁNICOS
Presión externa. Durante las fases de Instalación y Operación, los ductos
marinos están sujetos a condiciones de presión externa. El diferencial de
presión con respecto a la presión interna actuando en la tubería, puede causar
el colapso del ducto. Debe realizarse una revisión de los efectos de presión de
colapso y propagación de pandeo para garantizar una adecuada resistencia de
la tubería tomando en cuenta las variaciones de las propiedades geométricas,
ovalamiento, esfuerzos y presiones externas (Pext).
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EFECTOS MECÁNICOS
Presión de colapso (Pc). La capacidad a presión neta de colapso (Pc) se debe
calcular mediante la expresión:
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EFECTOS MECÁNICOS
fo =factor de ovalización= (Dmax- Dmin)/ (Dmax+Dmin)
SMYS =Esfuerzo de Fluencia Mínimo Especificado de la tubería (Specified
Minimum Yield Strength), en N/mm2 (lb/pulg2).
E =Módulo de elasticidad del acero de la tubería, en N/mm2 (lb/pulg2).
ν =Relación de Poisson = 0,30 para el acero.
D =Diámetro nominal del tubo, en mm (pulg.).
Dmax =Diámetro máximo de la sección transversal de la tubería, en mm (pulg.).
Dmin =Diámetro mínimo de la sección transversal de la tubería, en mm (pulg.).
t =Espesor de pared del tubo, en mm (pulg.).
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EFECTOS MECÁNICOS
La capacidad permisible de la tubería sometida a presión externa se debe calcular
con la expresión:
PCDE = 0,70 Pc
donde:
PCDE =Capacidad permisible de presión de colapso en línea submarina, en
N/mm2 (lb/pulg2).
La presión de colapso permisible calculada con la ecuación anterior, debe
garantizar que:
PCDE > Pext - Pint
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