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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
Resistencia al corte inalterada 3.00 KPa
Resistencia al corte residual 1.20 KPa
Sondeo 3
Resistencia al corte inalterada 4.20 KPa
Resistencia al corte residual 1.68 KPa
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
Vertical arriba 0.010 0.0022 0.22
3
Horizontal 0.004 0.0023 0.57
Axial 0.010 0.039 3.90
Vertical abajo 0.002 0.278 139.00
Vertical arriba 0.010 0.0022 0.22
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
Vertical abajo 0.081 0.508 6.277
Vertical arriba 0.122 0.203 1.66
2
Horizontal 0.091 0.137 1.50
Axial 0.005 0.077 15.40
Vertical abajo 0.081 0.433 5.34
Vertical arriba 0.122 0.173 1.42
3
Horizontal 0.091 0.213 2.34
Axial 0.005 0.120 24.00
Vertical abajo 0.081 0.627 7.74
Vertical arriba 0.122 0.269 2.20
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