propiedades de la tubería.pdf

04.09.08

Conceptos sobre las propiedades de las tuberías y normas del API que debe considerar el usuario para su diseño.

David Hernández MoralesServicios Técnicos Petroleros

Septiembre, 2008David Hernández M

Conceptos generales sobre las propiedades de las tuberías. Normas API

TenarisTamsa 2

Contenido

ü Definición de tubería de revestimientoü Ley de Hook’sü Esfuerzo a la cedenciaü Espesor del cuerpo del tuboü Tensiónü Presión Internaü Colapsoü Tubería para alto colapso (ovalidad y redondez)ü Pruebas de colapso



TenarisTamsa 3

Contenido

ü Videoü Rango de la tubería de revestimiento y producciónü Diámetro exterior de la tuberíaü Paso del calibrador ó mandrilü Anisotropía



TenarisTamsa 4

La tubería de revestimiento es definida como un tubular de un rango de diámetro exterior de 4 1/2” de 9.5 lb/pie hasta 20” de 133 lb/pie.

El API a adoptado una designación la cual corresponde al grado de acero.

Esta designación consiste en una letra seleccionada arbitrariamente por el API, seguida por un número el cual representa el mínimo esfuerzo a la cedencia del acero en miles de lb/pg2 ó psi.

Tubería de revestimiento

Definición



TenarisTamsa 5

La tubería de producción es definida como un tubular de un rango de diámetro exterior de 4 1/2” de 26.10 lb/pie hasta 1.050” de 1.14 lb/pie.

Tubería de producción

Definición



TenarisTamsa 6

Una tubería de revestimiento en grado de acero N-80, tiene un esfuerzo a la cedencia de 80,000 lb/pg2

N-80 = 80,000 lb/pg2 ó psi

El esfuerzo de cedencia definido por el API es el esfuerzo de tensión mínimo requerido para producir una elongación por unidad de longitud de 0.005 sobre una prueba en un muestra en laboratorio cercana al límite elástico.

Tubería de revestimiento

Ejemplo



TenarisTamsa 7

Si una barra de longitud L es sometida a una fuerza de tensión P, se observará, una deformación longitudinal δ, que es proporcional a la fuerza aplicada P e inversamente proporcional al área de la sección transversal de dicha barra.

Ley de Hook’s

Concepto

P LA

δ α

L

δ

P



TenarisTamsa 8

Introduciendo una constante de proporcionalidad “E” característica de cada material llamdo módulo de elasticidad ó Young, tenemos;

Ley de Hook’s

Concepto

L

δ

P

P LE A

δ =

Despejando el módulo de Young:

P Lδ A

E =



TenarisTamsa 9

El esfuerzo axial unitario es:

Ley de Hook’s

Concepto

P A

σ =

Por lo que el Módulo de Young es la relación entre el esfuerzo y deformación axial σ

εE =

La deformación axial unitaria esta definida:σ L

ε =

L

δ

P



TenarisTamsa 10

Cualquier incremento de carga de tensión es acompañado de un incremento de longitud, por lo que esta Ley de Hook’ses solo aplicable en la región elástica.

Ley de Hook’s

Gráfico carga contra elongación

Elongación (ε)

Carga (σ)

esfuerzo cedencia ó fluenciaruptura

último esfuerzo ó resistencia

E = Módulo de Young



TenarisTamsa 11

Gráfico real de la Ley de Hook’s



TenarisTamsa 12

Gráfico real de la Ley de Hook’s



TenarisTamsa 13

El fabricante deberá de cumplir como valores mínimos de fluencia = 80,000 psi y de resistencia 110,000 psi.

Esfuerzo a la cedencia

Ejemplo: TR de 16” N-80, 84 lb/pie del pozo Zaap 7D

No. Colada

9665096995978939650396535965709662196881

Fluencia (psi)mín.=80,000

84,34887,47881,07786,19784,06486,19783,06885,628

Espesor (pg)nominal (0.495)

0.4840.5230.5080.5470.5390.5830.5470.524

Resistencia (psi)mín.=110,000

122,042125,029119,766121,615116,068125,029120,619118,628



TenarisTamsa 14

Una colada corresponde 150 toneladas efectivas de acero líquido.

Colada



TenarisTamsa 15

Esfuerzo a la cedencia

Ejemplo: TR de 13 3/8” TAC-95 de 72 lb/pie

0

2

4

6

8

10

12

14

16

90,000 102,000 106,000 110,000 114,000 118,000 122,000(psi)

Frecuencia

media = 113,041 psi Desv. estándar = 4,664 n = 70

Max = 125,000 psi

126,000

MediaMin. = 95,000 psi



TenarisTamsa 16

El espesor del cuerpo del tubo influye de manera directa en las propiedades de la tubería.

Si durante la operación y la vida productiva se presenta desgaste mecánico en las paredes de la tubería ó por corrosión, su resistencia a la tensión, presión interna y colapso también se verán reducidas.

Espesor del cuerpo del tubo

t



TenarisTamsa 17

Espesor del cuerpo del tubo

Ejemplo: TR de 13 3/8” TAC-95 de 72 lb/pie

0

20

40

60

80

100

120Media = 13.61 mm Desviación estándar = 0.281 n = 710

11.2 12.4 13.3 13.6 13.9 14.2 (mm)

MediaFrecuencia

87.5 % nominal API



TenarisTamsa 18

La fuerza de tensión FT, tiende a jalar parte de la tubería que es resistida por la fuerza del espesor de la propia tubería, la cual externa una contrafuerza:

Tensión

D

d As

FT = σy As

FT = 0.7854 σy (D2 - d2)

FT = π σy (Dt - t2)

F T



TenarisTamsa 19

Tensión y dureza – API 5CT



TenarisTamsa 20

La presión de estallamiento dada por el API, está basada en la ecuación de Barlow´s. Donde utiliza el 87.5% del valor al considera el mínimo espesor de pared permisible

El API permite una tolerancia máxima permisible del espesor de la pared del tubo de menos el 12.5 %.

Presión Interna

Pbr As

Pbr = 0.875 2 σy t

D



TenarisTamsa 21

Presión Interna

Prueba hidráulica en proceso de fabricaciónLa pruebas hidráulica se realiza a todos y cada uno de los tubos. El valor de la presión es establecida por la norma del API 5CT ó ISO 11960, el cual también aparece en el prontuario.

El tiempo de prueba

mínimo es de 5 seg.



TenarisTamsa 22

Colapso

Fuerza mecánica capaz de deformar un tubo por el efecto resultante de las presiones externas.

Pc

As

D



TenarisTamsa 23

Colapso

El API 5C3 presenta cuatro fórmulas las cuales permiten predecir el valor mínimo de resistencia al colapso del material, de acuerdo con el tipo de falla: elástico, transición, plástico y de cedencia.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Colapso plástico promedio

Inicio de los modos de colapso elástico-plástico

Colapso elástico promedio

Colapso elástico mínimo

Relación diámetro/espesor

Pre

sión

de

cola

pso

(1,0

00 p

si)

Colapso plástico mínimo

Colapsos plástico y elástico mínimos

Colapso de transición

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30



TenarisTamsa 24

Colapso

Para colapso elástico

PE

Dt

Dt

c =−

−

21

1

12 2ν

Para colapso de transición

PFDt

Gc y=

−

σ

Para colapso plástico

PADt

B Cc y=

−

−σ

Para colapso de cedencia

P

DtDt

c y=

−

21

2σ

Las cuatro ecuaciones



TenarisTamsa 25

Colapso

( ) ( ) ( )3162105 1053132.0102130.01010679.08762.2 yyy XXXA σσσ −−− −++=

( )yXB σ61050609.0026233.0 −+=

( ) ( ) ( )31327 1053132.01010483.0030867.03.465 yyy XXC σσσ −− −−+−=

Variables, A, B, C, F y G

AFBG =

2

3

6

2

3

12

3

2

3

1095.46

+

−

−

+

+

=

AB

AB

AB

AB

AB

AB

AB

X

F

yσ



TenarisTamsa 26

Colapso

Relación Diámetro / espesor

10

15

20

25

30

35

40

45

20 25 30 35

H-4

0

50

J y

K-55

60 70

C-7

5

L y

N-8

0

C-9

0

95 100

P-10

5

110

120

125

130

135

140

150

155

160

170

180

grado de acero

Rel

ació

n D

iám

etro

(D) /

Esp

esor

(t)

colapso elásticocolapso de transición

colapso plástico

colapso de cedencia



TenarisTamsa 27

Colapso

Grado rango D/tH-40 42.64 y más grandeH-50 38.83 y más grandeJ-K-55 y D 37.21 y más grande- 60 35.73 y más grande-70 33.17 y más grandeC-75 y E 32.05 y más grandeL-80 y N-80 31.02 y más grande-90 29.18 y más grandeC-95 28.36 y más grande-100 27.60 y más grandeP-105 26.89 y más grandeP-110 26.22 y más grande-120 25.01 y más grande-125 24.46 y más grande-130 23.94 y más grande-135 23.44 y más grande-140 22.98 y más grande-150 22.11 y más grande-155 21.70 y más grande-160 21.32 y más grande-170 20.60 y más grande-180 19.93 y más grande

Colapso ElásticoGrado rango D/tH-40 27.01 - 42.64H-50 25.63 - 38.83J-K-55 y D 25.01 - 37.21- 60 24.42 - 35.73-70 23.38 - 33.17C-75 y E 22.91 - 32.05L-80 y N-80 22.47 - 31.02-90 21.69 - 29.18C-95 21.33 - 28.36-100 21.00 - 27.60P-105 20.70 - 26.89P-110 20.41 - 26.22-120 19.88 - 25.01-125 19.63 - 24.46-130 19.40 - 23.94-135 19.18 - 23.44-140 18.97 - 22.98-150 18.57 - 22.11-155 18.37 - 21.70-160 18.19 - 21.32-170 17.82 - 20.60-180 17.47 - 19.93

Colapso de Transición



TenarisTamsa 28

Colapso

Colapso Plástico Colapso de CedenciaGrado rango D/t

H-40 16.40 - 27.01H-50 15.24 - 25.63J-K-55 y D 14.81 - 25.01- 60 14.44 - 24.42-70 13.85 - 23.38C-75 y E 13.60 - 22.91L-80 y N-80 13.38 - 22.47-90 13.01 - 21.69C-95 12.85 - 21.33-100 12.70 - 21.00P-105 12.57 - 20.70P-110 12.44 - 20.41-120 12.21 - 19.88-125 12.11 - 19.63-130 12.02 - 19.40-135 11.94 - 19.18-140 11.84 - 18.97-150 11.67 - 18.57-155 11.59 - 18.37-160 11.52 - 18.19-170 11.37 - 17.82-180 11.23 - 17.47

Grado rango D/tH-40 16.40 y menoresH-50 15.24 y menoresJ-K-55 y D 14.81 y menores- 60 14.44 y menores-70 13.85 y menoresC-75 y E 13.60 y menoresL-80 y N-80 13.38 y menores-90 13.01 y menoresC-95 12.85 y menores-100 12.70 y menoresP-105 12.57 y menoresP-110 12.44 y menores-120 12.21 y menores-125 12.11 y menores-130 12.02 y menores-135 11.94 y menores-140 11.84 y menores-150 11.67 y menores-155 11.59 y menores-160 11.52 y menores-170 11.37 y menores-180 11.23 y menores



TenarisTamsa 29

Tubería para alto colapso (TAC)

ü Aspecto Geométrico.

ü Propiedades químicas y mecánicas.

Esta tubería para alto colapso, llamada TAC (tubería para alto colapso), debe de cumplir con los mismos requerimientos que la del API, especialmente aquellas con una alta relación D/t mayor a 13.

Durante la fabricación de esta tubería se lamina como mínimo al espesor nominal y hacía el máximo permitido, sin restringirlo al paso de la barrena (drift).

Factores que se considerar para la tubería de alto colapso



TenarisTamsa 30


Entre más redonda sea la sección transversal, la distribución de los esfuerzos aplicados desde el exterior será más uniforme (efecto de arco) y por lo tanto habrá un mejor equilibrio que permite una mayor resistencia mecánica de la tubería.

La norma del API no especifica un rango de valor respecto a la ovalidad, pero el límite superior del 1% es bien aceptado.

Ovalidad



TenarisTamsa 31


Es la diferencia entre el diámetro exterior máximo y mínimo medido alrededor de una misma sección transversal, expresada en porcentaje con respecto al diámetro promedio (valor relativo).

Cálculo de la ovalidad

Dmáx. – Dmín.

Dprom.0 = X 100

9.724 – 9.7099.717

0 = X 100 = 0.15 %



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Es la diferencia entre el espesor máximo y mínimo medido alrededor de una misma sección transversal, expresada en porcentaje con respecto al espesor promedio (valor relativo). La norma del API no especifica un rango de valor respecto a la excentricidad, pero el límite superior del 10% al 12 % es bien aceptado.

Cálculo de la excentricidad del tubo

tmáx. – tmín.

tprom.e = X 100

0.558 – 0.5420.546

e = X 100 = 2.93 %



TenarisTamsa 33

Pruebas de colapso

Equipo para prueba de colapso en plantaSe realizan de dos ó tres pruebas de colapso por colada. El rango de prueba es desde 13 3/8” a 5”. La muestra debe de tener una longitud de 8 veces el diámetro.



TenarisTamsa 34

Pruebas de colapso

V I D E O



TenarisTamsa 35

Torsión de la tubería

Torsión de las tuberías

( )( )D

JQ yσ096167.0

=

Es la capacidad que tiene una tubería al efecto torsor. Es decir:

Donde:

Q = Resistencia a la torsión (lb-pie)

J = Momento de Inercia Polar = π(D4-d4)/32 (pg4)

σy = Esfuerzo a la cedencia del material (psi)D = Diámetro de la tubería (pg)



TenarisTamsa 36

Elongación de la tubería

Elongación de la tubería

( )( )( )AsE

LWe 12=

La elongación es el incremento de la longitud generado por el propio peso de la tubería.

Donde:

e = Elongación de la tubería (pg)

W = Peso de la tubería flotado (lb)

L = Longitud de la tubería (pies)

E = Módulo de Young (psi), para el acero E= 30X106 psi

As = Área de sección transversal del tubo (pg2)



TenarisTamsa 37

Composición química de los aceros



TenarisTamsa 38

Longitud de la tubería de revestimiento

El rango tres es el más comúnmente utilizado en las tuberías de revestimiento.

Rangos de longitudes permitidos por API 5CT/ISO 11960

Rango

1

2

3

Longitud (pies)

16 - 25

25 - 34

34 - 48

Longitud (m)

4.88 - 7.62

7.62 - 10.36

10.36 – 14.63

Máx. var. perm. (pies)

6

5

6



TenarisTamsa 39

Longitud de la tubería de revestimiento



TenarisTamsa 40

Longitud de la tubería de producción

El rango dos es el más comúnmente utilizado para las tuberías de producción.

Rangos de longitudes permitidos por API 5CT/ISO 11960

Rango

1

2

3

Longitud (pies)

20 - 24

28 - 32

38 - 42

Longitud (m)

6.10 - 7.32

8.53 – 9.75

11.58 – 12.80

Máx. var. perm. (pies)

2

2

2



TenarisTamsa 41

Diámetro exterior de la tubería

Tolerancia permitida por el API 5CT/ISO 11960 para el diámetro exterior

Diámetro exterior

Diámetro mayor ó igual a 4 ½”

(tubería de revestimiento)

Diámetro menor a 4 ½”(tubería de producción)

Tolerancia

Hacía arriba 1%

Hacía abajo -0.5%

+ ó – 0.031 pg



TenarisTamsa 42

Diámetro exterior de la tubería

Ejemplo:

Se tiene una tubería de revestimiento de 20”. ¿Cuál es su tolerancia máxima al diámetro exterior de acuerdo con la norma del API 5CT ó ISO 11960 ?

Tolerancia máxima permitida = (20) (1.01) = 20.20”

Cabe destacar que el diámetro de los elevadores para esta tubería es de 20.250”



TenarisTamsa 43

Calibración de la tubería

Durante el proceso de fabricación de las tuberías, estas son calibradas en su interior (paso del mandril ó drift) en dos ocasiones.

Posteriormente al realizarse las conexiones (piñón y caja), nuevamente se vuelven a calibrar pero solamente los extremos de la conexión.

Paso del drift



TenarisTamsa 44

Drift de la tubería

Drift de acuerdo con el API 5CT/ISO 11960

Diámetro de la tubería

Casing & liners:

Mayores a 13 3/8”

Entre 13 3/8” y 9 5/8”

Menores a 9 5/8”

Tubing:

Mayores de 2 7/8”

Menores 2 7/8”

Longitud drift (pg)

12

12

6

42

42

Diámetro drift (pg)

d–6/32”

d–5/32”

d-1/8”

d-1/8”

d-3/32”



TenarisTamsa 45

Marcaje de la tubería

Ejemplo: Casing 13 3/8” N-80 54.5 lb/pie BTC

Fecha 9.65 N S #### TAMSA ISO 11960/5CT-0124 Fecha 339.72 9.65 54.50 N S INSP. AMALOG P 13 MPA BC D Col. #### O.P. ####/ No. Tubo Longitud MT GRM INSP PEP HECHO EN MEXICO

ISO 11960/5CT-0124 Fecha N Col. ####

PunzonadoPara grados de acero resistentes a la corrosión no aplica

ISO 11960/5CT-0124 Fecha N Z O.P. ####

Logotipo Tamsa Logotipo API

Diámetro (mm)

Espesor (mm)

peso unitario (lb/pie)

grado

Tubo sin costura(seamless)

InspecciónAmalog

Prueba hidráulica(13 M_Pascales)

Conexión Butress

Número de colada

Número de orden de producción

Paso del drift a todo lo largo del tubo

Gerencia de Recursos materiales

Número del tubo y longitud (m)

Normas y el número de licencia del API a Tamsa

Número de cuadrilla

Código de colores:Cople: De acuerdo con ISO 11960/5CT.Tubo: De acuerdo con código de Pemex

CLIENTE



TenarisTamsa 46

Código de colores



TenarisTamsa 47

Código de colores



TenarisTamsa 48

Código de colores



TenarisTamsa 49

Diámetro del calibrador ó mandrilDiámetro

13 3/8”11 3/4”11 3/4”11 3/4”11 7/8”10 3/4”10 3/4”9 5/8”9 5/8”9 5/8”9 5/8”9 7/8”8 5/8”8 5/8”7 3/4”

7”7”

Peso Unitario (lb/pie)

72.042.060.065.071.845.555.540.048.453.5

58.4062.8032.040.046.123.032.0

Longitud del mandril

12”12”12”12”12”12”12”12”12”12”12”12”6”6”6”6”6”

Diámetro del mandril

12.250”11.000”10.625”10.625”10.625”9.875”9.625”8.750”8.375”8.500”8.500”8.500”7.875”7.625”6.500”6.250”6.000”



TenarisTamsa 50

Anisotropía

La anisotropía de un cuerpo se refiere a que no todas las partes de ese cuerpo posen las mismas propiedades mecánicas en todas las direcciones.

Concepto

0°270°

180°90°



TenarisTamsa 51

Anisotropía

Ejemplo: TR de 11 ¾” TRC-95 de un pozo Marino

Posición

0°90°

180°270°

0°90°

180°270°

Fluencia (psi)mín.=95,000

101,480100,74098,395

101,40896,50595,42197,42495,269

Resistencia (psi)mín.=105,000

116,865115,782115,376116,291110,277112,364112,235106,609

No. Colada

98366

98369

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