diseño de risers metálicos
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Este documento contiene una guía interesante de dimensionamiento de risers metálicos siguiendo normas técnicas de DNV y ASME.TRANSCRIPT
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Estudiante:
Juan Sebastin Monsalve Giraldo
Profesor:
Gilberto Bruno Ellwanger
Universidad Federal de Rio de Janeiro
Diseo de risers metlicos
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ndice
1. DISEO DE RISERS METLICOS SIGUIENDO LA NORMA DNV ............................................... 2
1.1. Clasificacin de seguridad ............................................................................................. 2
1.2. Metodologa de anlisis de riser ................................................................................... 5
1.2.1. Cagas de presin (P) .............................................................................................. 5
1.2.2. Cargas funcionales (F) ........................................................................................... 5
1.2.3. Cargas ambientales (E) .......................................................................................... 6
1.2.4. Cargas accidentales (A) ......................................................................................... 6
1.3. Criterios de diseo de risers ........................................................................................ 10
1.3.1. Efectos de cargas ....................................................................................................... 12
1.3.2. Factores de carga ...................................................................................................... 13
1.3.3. Factores de resistencia .............................................................................................. 14
1.3.4. Parmetros geomtricos ........................................................................................... 14
1.3.5. Resistencia del material ............................................................................................ 16
1.3.6. Estados Lmite ........................................................................................................... 19
-Estado lmite ltimo (ULS) .................................................................................................. 19
-Estado lmite de fatiga (FLS) ............................................................................................... 25
-Estado lmite accidental (ALS) ............................................................................................ 26
-Estado lmite de servicio (SLS) ............................................................................................ 29
1.4. Operacin, mantenimiento y revaluacin................................................................... 30
1.4.1. Inspeccin en risers ................................................................................................... 31
2. ANEXO ................................................................................................................................. 32
2.1 Anlisis de esfuerzos ........................................................................................... 32
2.1.1 Tensiones debidas a presin interna ........................................................... 32
2.1.2 Tensiones debidas al efecto combinado de presin y temperatura ........... 34
2.2 Diseo .................................................................................................................. 37
2.2.1 Diseo de tuberas (pipeline) offshore ........................................................ 38
2.2.2 Diseo de tuberas de risers ........................................................................ 43
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1. DISEO DE RISERS METLICOS SIGUIENDO LA NORMA DNV
Nota: Este captulo es una traduccin y resumen de algunas partes de la normaDNV-OS-F201
(Dynamic risers).
1.1. Clasificacin de seguridad
Segn norma DNV, los risers deben ser analizados para que tengan una probabilidad de falla
determinada que depende del nivel de riesgo de la estructura. Los tres diferentes tipos de
seguridad son bajo, normal y alto respectivamente.
Bajo: Donde la falla implica bajo riesgo de lesin humana y consecuencias ambientales y
econmicas menores.
Normal: Para las condiciones en las cuales una falla implica riesgo de lesin humana,
contaminacin ambiental significativa o altas consecuencias econmicas o polticas.
Alto: Para condiciones de operacin donde una falla implica un alto riesgo de lesin humana,
contaminacin ambiental significativa o consecuencias econmicas o polticas muy altas.
Para determinar la clase de seguridad con la que debe ser diseado un riser, es necesario
conocer el tipo de fluido y el tipo de localizacin a ser analizada. En las siguientes 2 tablas
tomadas directamente de la norma se muestras estas clasificaciones:
-
A partir de la informacin mostrada en las tablas es posible clasificar el tipo del fluido y la
localizacin de inters en el riser. Conociendo esto es posible determinar la clase de seguridad
que debe ser adoptada para realizar el diseo. Esta clase puede ser obtenida a partir de la
siguiente tabla:
El diseo de la estructura puede ser llevado a cabo siguiendo dos filosofas. La ms
recomendable es la LRFD (load resistance factored design) en la que cada tipo de carga es
multiplicada por un coeficiente y la resistencia es minorada con otro factor. La otra filosofa
es la WSD (working stress design) en la que solo se usa un factor de seguridad o uso para cada
estado limite.
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Otra filosofa de diseo que tambin puede ser implementada es la de diseo basado en
confiabilidad. EL elemento es dimensionado a partir de la probabilidad de falla que depende
del estado lmite y de la clase de seguridad. En la siguiente tabla se muestra las probabilidades
de falla aceptables para cada caso:
Donde los diferentes estados lmite mostrados en la anterior tabla, son respectivamente:
SLS: serviceability limit state.
ULS: Ultimate limit state.
FLS: Fatigue limit state.
ALS: Accidental limit state.
Las condiciones que definen cada estado lmite sern explicadas ms adelante.
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1.2. Metodologa de anlisis de riser
Primero, es importante diferenciar los tipos de cargas ya que ellas se clasifican segn su
origen.
1.2.1. Cagas de presin (P)
Son cargas debidas estrictamente al efecto combinado de presin hidrosttica interna y
externa.
Pd es las presin de diseo, y es la presin superficial mxima durante la operaciones
normales.
Pinc es la presin incidente y es la presin superficial que es improbable que sea excedida
durante la vida del riser.
La presin local de diseo es calculada mediante la siguiente expresin:
hgPp idld
La presin local incidente es:
hgPp iincli
Donde i es la densidad del fluido interno y h es la diferencia de alturas entre la posicin
actual y el punto de referencia de presin interna.
La presin hidrosttica debida al agua de mar gobierna la presin externa en tubos
directamente expuestos a agua de mar.
Sistema de control de presin: Es un sistema que debe ser usado para prevenir que la
presin interna en algn punto exceda la presin admisible. Es compuesto por un
sistema de regulacin de presin, un sistema de seguridad de presin e
instrumentacin y sistemas de alarma.
1.2.2. Cargas funcionales (F)
Peso y empuje de flotacin del riser, tubing, revestimiento, costras marinas, nodos, mdulos
de flotabilidad, contenidos y accesorios.
Peso interno de los fluidos.
Tensiones aplicadas para top-tensin risers.
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Esfuerzos residuales inducidos por la instalacin o pre-tensiones.
Pre-carga en los conectores.
Desplazamientos aplicados y cargas de guas, incluyendo posicionamiento activo de soportes
de flotacin.
Cargas trmicas.
Presin del suelo en risers enterrados.
Asentamientos diferenciales.
Cargas debidas a operaciones de perforacin.
Cargas de construccin y cargas debidas a herramientas.
1.2.3. Cargas ambientales (E)
Olas.
Olas internas y otros efectos debidos a diferencias en la densidad del agua.
Corriente.
Sismo.
Hielo.
Movimientos del flotante debidos a fuerzas de viento, olas y corriente.
Desplazamientos (offsets) debidos a fuerzas de ola, fuerzas de viento y corriente.
Movimientos de frecuencia de ola.
Movimientos de baja frecuencia.
1.2.4. Cargas accidentales (A)
Las cargas accidentales son definidas conociendo el nivel de riesgo del riser. Estas cargas sern
explicadas ms adelante cuando se hable de los estados lmites de diseo en el captulo de
criterios para el diseo de risers.
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Para el diseo de risers, la DNV-OS-F201 ha recomendado el siguiente fluxograma:
-Identificar todas las diferentes situaciones relevantes para el diseo y los estados lmite.
-Considerar todas las cargas mencionadas anteriormente.
-Desarrollar un diseo preliminar del riser y presin esttica, realizar un chequeo de diseo
(bursting, pandeo circunferencial y pandeo propagante)
-Establecer las condiciones de carga.
-Definir los efectos generalizados de carga para criterios de combinaciones de carga.
-Realizar el anlisis del riser usando modelos apropiados de anlisis.
-Realizar anlisis de extremos.
-Chequear que estados lmites relevantes no sean excedidos.
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A la hora de considerar las cargas es importante tener en cuenta el periodo de retorno para el
cual son calculadas. En el caso de condiciones de operacin permanentes, las cagas utilizadas
son para condiciones de 100 aos de periodo de retorno.
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El periodo de retorno para condiciones de operacin temporal debe ser calculado con base en
el tiempo en que la plataforma estar funcionando. Cuando no se tiene mucha informacin,
puede usarse un periodo de retorno de:
100 aos de periodo de retorno, si la plataforma va a operar durante ms de 6 meses.
10 aos de periodo de retorno para las condiciones ambientales actuales, si la plataforma va a
operar durante un periodo mayor a tres das y menor a 6 meses.
Para operaciones de menos de 3 das, puede ser especificada una condicin de carga extrema,
esto es basado en una condicin climtica confiable de huracn.
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1.3. Criterios de diseo de risers
Serviceability limit state (SLS): Requiere que el riser debe ser capaz de permanecer en servicio
y funcionar correctamente. Este estado lmite corresponde a los criterios que limitan o
gobiernan la operacin normal (uso funcional) del riser.
Ultimate limit state (ULS): Requiere que el riser debe permanecer intacto y evitar la ruptura,
pero no necesariamente debe ser capaz de operar. Para condiciones de operacin este estado
lmite corresponde a la mxima resistencia a las cargas aplicadas con 10-2 de probabilidad
anual de excedencia.
Accidental limit state (ALS): Es un ULS debido a cargas accidentales o infrecuentes.
Fatigue limit state (FLS): Es un estado lmite ltimo debido a la acumulacin excesiva de grietas
de fatiga que se propagan, o de dao debido a cargas cclicas.
A continuacin se muestra la traduccin de una interesante tabla que la norma DNV muestra,
en la que relaciona los diferentes modos de falla que pueden tener risers y/o conectores, con
los estados limite.
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Categora de Estado Lmite
Estado Lmite
SLS
Falta de contacto No hay contacto entre, por ejemplo, riser-riser, riser-amarra, riser-casco, rbol superficial - floater deck, rbol submarino del lecho marino, jumper superficial con floater deck.
Respuesta angular excesiva Deflexiones angulares grandes que estn ms all de los lmites operacionales especificados, por ejemplo, inclinacin de flex joint o ball joint.
Desplazamiento excesivo del topo
Grandes desplazamientos relativosdel topo, entre el riser y el flotante que estn fuera de los lmites operacionales especificados para los principales top tensioned risers, por ejemplo, recorrido de telescopic joint, joint lizo y tensor, tubera flexible, equipos de superficie y piso de perforacin. Tenga en cuenta que los sistemas pueden ser diseados para exceder los lmites de desplazamiento si se mantiene la integridad estructural.
Funcionamiento mecnico Funcionamiento mecnico de un conector durante make-up / break-out.
ULS
Estallido (Bursting) Ruptura de la membrana de la pared del tubo debido nicamente a sobrepresiones internas
Pandeo circunferencial "colapso" (Hoop buckling )
Deformacin plstica bruta (aplastamiento) y / o pandeo (colapso) de la seccin transversal de la tubera causada por sobrepresin externa nicamente.
Pandeo propagante Pandeo circunferencial propagante iniciado por el pandeo circunferencial.
Deformacin plstica bruta y pandeo local
Deformacin plstica bruto (ruptura / aplastamiento) de la seccin transversal de la tubera en combinacin con cualquier pandeo local de la pared de la tubera (arrugas) debido al momento de flexin, fuerza axial y sobrepresin interna.
Deformacin plstica bruta, pandeo local y pandeo circunferencial
Deformacin plstica bruta y pandeo circunferencial de la seccin transversal de la tubera y / o el pandeo local de la pared del tubo debido al efecto combinado de la sobrepresin externa, la tensin eficaz y momento de flexin.
Fractura inestable y deformacin plstica bruta
Crecimiento Inestable grieta o ruptura del ligamento o ruptura de la seccin transversal de un componente agrietado.
Estanqueidad de lquido Fugas en el sistema del riser incluyendo tubera y componentes.
Pandeo global Pandeo general de columnas (pandeo de Euler) debido a la compresin axial (tensin efectiva negativa)
ALS Igual a ULS y SLS Las fallas producidas por cargas accidentales directamente, o por cargas normales despus de los acontecimientos accidentales (condiciones de dao).
FLS Falla a fatiga
Dao excesivo por fatiga de Miner o crecimiento de grietas de fatiga debido principalmente a cargas ambientales cclicas, directa o indirectamente. El lmite del tamao de las grietas produsidas por fatiga puede ser el espesor de pared (fugas) o el tamao crtico de fisuras (fractura inestable / deformacin plstica bruta).
-
El diseo basado en el mtodo LRFD sigue la siguiente relacin:
cmSC
KdAAEEFFpd
RMSSSSS
;;;
Sd es la solicitacin debido al resultado de cargas de presin (Sp), de cargas funcionales (SF),
cargas ambientales (SE) y cargas accidentales (SA).
F , E y A son los factores de mejoramiento de cargas funcionales, ambientales y
accidentales respectivamente.
SC es un factor de reduccin de resistencia que tiene en cuenta la clase de seguridad de la
estructura y las consecuencias de una posible falla.
m es un factor de reduccin de resistencia debido a las incertidumbres en las propiedades de
los materiales.
c es un factor de reduccin de resistencia que toma en cuenta situaciones especiales.
RK es la resistencia generalizada.
1.3.1. Efectos de cargas
Momento flector de diseo para cargas funcionales y ambientales :
AAEEFFd MMMM
donde:
Mf = Momento flector de cargas funcionales
ME = Momento flector de cargas ambientales
MA = Momento flector de cargas accidentales
Tensin efectiva de diseo para cargas funcionales y ambientales :
eAAeEEeFFed TTTT
donde:
TeE = Tensin efectiva debida a cargas funcionales
-
TeE = Tensin efectiva debida a cargas ambientales
TeA = Tensin efectiva debida a cargas accidentales
Normalmente F+E (cargas funcionales ms ambientales) e cagas A (accidentales), no son
consideradas simultneamente en el anlisis global.
La tensin efectiva es dad por:
eeiiwe ApApTT
donde:
Tw = Tensin verdadera de la pared (es decir, el esfuerzo axial resultante encontrado mediante
la integracin del esfuerzo axial sobre la seccin transversal)
Pi = Presin local interna.
Pe = Presin local externa.
Ai = rea interna de la seccin transversal.
Ae = rea externa de la seccin transversal.
1.3.2. Factores de carga
Los siguientes coeficientes son tenidos en cuenta a la hora de aumentar las cargas o sus
efectos:
-
1.3.3. Factores de resistencia
Los siguientes coeficientes son utilizados a la hora de minorar la resistencia de la estructura
con base en el tipo de clase de seguridad y estado lmite:
Factor de clase de seguridad SC
Bajo Normal Alto
1.04 1.14 1.26
Factor de resistencia del material m
ULS & ALS SLS & FLS
1.15 1.0
1.3.4. Parmetros geomtricos
Los siguientes parmetros geomtricos deben ser tenidos en cuenta:
EL dimetro nominal externo D aplica en clculos de resistencia para todos los modos de falla.
Para chequeos de diseo por explosin (burst) y presin de colapso, la resistencia
debe ser calculada basada en los espesores de las paredes como se muestra a
continuacin:
Mill pressure test (prueba hidrosttica) y condicin de test de presin en el
sistema:
Se prueba mediante el sellado de un segmento de tubera, llenando con agua, y
elevando sistemticamente la presin del agua hasta las especificaciones
requeridas.
fabnom ttt 1
Condicin de operacin:
corrfabnom tttt 1
donde:
nomt es el espesor nominal especificado de la pared del tubo
fabt es una tolerancia negativa de fabricacin (manufactura)
-
corrt es un valor admisible por corrosin, erosin y desgaste
La resistencia para todos los otros estados lmite relacionados a cargas extremas,
deben ser calculados basados en el siguiente valor de espesor:
Para instalacin/recuperacin y sistema de test de presin:
nomtt 2
Para otros casos
corrnom ttt 2
1t es el espesor mnimo de la pared y es relevante para los chequeos de diseo donde es
probable que ocurra la falla en relacin con una baja capacidad.
2t es usado para chequeos de diseo gobernados por carga externa y la falla ocurre
principalmente como efecto de una carga extrema en un lugar con espesor promedio.
La variacin en el espesor del riser a lo largo de la vida de diseo debe ser considerada en el
clculo de dao a fatiga para largo plazo (in-place, condicin de operacin). Un espesor
promedio puede ser aplicado en el clculo de la tensin nominal para la fatiga. La siguiente
aproximacin puede ser utilizada en ambientes estacionarios corrosivos:
corrnom ttt 5.03
Para el clculo de fatiga en procedimientos anteriores a la condicin de permanencia tales
como tow-out y la instalacin, el espesor puede ser tomado como:
nomtt 3
-
1.3.5. Resistencia del material
La resistencia del material caracterstico kf a ser usadas en los diferentes clculos es dada
por:
Resistencia del material para traccin circunferencial:
15.1,min uykf
ff
Resistencia del material para compresin circunferencial:
fabyk ff
Resistencia del material para tensin longitudinal:
Cyk ff
donde
fab es un factor de fabricacin
C es un factor de endurecimiento
Utempyy fSMYSf , Denota la tensin de fluencia caracterstica
Utempuu fSMTSf , Denota la resistencia a la traccin caracterstica
Donde
SMYS Es el mnimo esfuerzo de fluencia especificado
tempyf , es un factor de reduccin para el esfuerzo de fluencia debido a la temperatura
SMTS Es la mnima resistencia a tensin especificada (esfuerzo ltimo)
tempuf , es un factor de reduccin para la resistencia a tensin debido a la temperatura
U es un factor de resistencia del material
-
Los factores (esfuerzos) de reduccin de resistencia por temperatura deben ser establecidos al
comienzo del diseo y deben ser verificados en los procesos de manufactura.
Cuando no se tiene informacin del efecto de reduccin de resistencia por temperatura sobre
el esfuerzo de fluencia, la norma DNV-OS-F201 recomienda seguir la siguiente grfica para los
siguientes materiales:
C-Mn steel
22Cr Duplex
25Cr Duplex stainless steel
En cuanto al factor de resistencia del material U , depende una caracterstica conocida como
requerimiento suplementario U
-
Para tubos soldados, este requerimiento se considera nicamente para esfuerzo de fluencia
SMYS a temperatura ambiente en la direccin transversal. Para tubos no soldados entregados
en las pruebas condicin de tensin, puede realizarse en la direccin longitudinal.
El rgimen de prueba determinado se propone asegurar que la tensin media de fluencia
estn por lo menos dos desviaciones estndar por encima de SMYS. El programa se aplica a la
produccin de ms de 50 unidades de prueba.
Se permite formas alternativas de la documentacin de la misma en base a los resultados de
pruebas anteriores en la misma produccin.
El rgimen de pruebas descrito es requerido para poder cumplir con el requisito suplementario
U, pero como se ha dicho, incluso si todas las tuberas probadas cumplen los requisitos para la
calificacin en cuestin, no es necesario que todas las tuberas cumplan con esto.
Conociendo el origen del material, sabiendo si cumple el requisito complementario U o no, es
posible conocer el factor de resistencia del material U
Factor de resistencia del material U
Normal Requisito suplementario U
0.96 1.0
El factor de fabricacin es usado para calcular Resistencia del material para compresin
circunferencial para el diseo a pandeo circunferencial, pandeo local y pandeo propagante.
Cuando no se tiene suficiente informacin del fabricante, la siguiente tabla puede ser utilizada
para determinar el factor de fabricacin. Esta tabla aplica para tubos manufacturados con los
procesos de UOE, UO o TRB (three roll bending) o procesos de deformacin en fro similares.
Factor de fabricacin fab
Resistencia a traccin o tubos sin costura (sin soldadura)
Resistencia de compresin para tubos soldados
UOE UO/TRB
1.00 0.85 0.925
El factor de endurecimiento C es dado por la siguiente ecuacin:
y
u
Cf
f 1
600
601545604.0
154.0
2
22
2
tDpara
tDparatDq
tDparaq
h
h
-
eld
eld
b
eld
h
PPpara
PPparatP
PP
q
03
2
2
ldP es la presin local de diseo, eP es la presin externa y bP es la resistencia a la explosin,
que ser explicada ms adelante.
El factor de endurecimiento C nunca ser tomado como mayor a 1.20.
1.3.6. Estados Lmite
-Estado lmite ltimo (ULS)
Para atender el estado lmite ltimo, el riser metlico debe disearse contra diferentes modos
de falla.
Estallido (Bursting)
Los tubos sometidos a sobrepresin interna neta deben disearse para
satisfacer ciertas condiciones, la primera de ellas es la siguiente:
SCm
b
eli
tPPP
1
Donde
liP es la presin local incidente
eP es la presin externa
La resistencia al estallido es dada por la siguiente expresin:
-
15.1;min
2
3
2 uyb
ff
tD
ttP
Donde t es un valor que ser substituido por t1 o t2 dependiendo del caso.
La presin local incidente es la presin interna mxima esperada con una baja
probabilidad de excedencia anual. Normalmente esta presin superficial
incidente es tomada como un 10% por encima de la presin de diseo
dldli PPP 1.0
Donde ldP es la presin local de diseo, obteniendo:
didli PhgPP 1.0
hgPP idli 1.1
El espesor nominal de diseo es dado por:
fabcorrnom tttt 1
Cuando la tolerancia negativa del fabricante es dada como un porcentaje del
espesor nominal, entonces:
fabcorrnom tttt %11
-
El espesor del tubo calculado a partir de la resistencia al estallido es:
1
15.1;min
3
4
1
eliSCm
u
y
PP
ff
Dt
Pandeo circunferencial "colapso" (Hoop buckling )
Los tubos sometidos a sobrepresin externa deben ser diseados para
satisfacer la siguiente condicin:
mSC
e
e
tPPP
1
min
Donde minP es la presin interna mnima.
La resistencia a la presin externa (hoop buckling) tPc es calculada resolviendo la siguiente ecuacin:
t
DftPtPtPtPtPtPtP pelcpcelc 0
22
La presin de colapso elstica (inestabilidad) de un tubo, es dada mediante la
siguiente expresin:
2
3
1
2
D
tE
tPel
La presin de colapso plstica es dada por:
-
fabyp fD
ttP 2
La ovalizacin inicial es calculada de la siguiente manera:
D
DDf minmax0
La ovalizacin inicial no debe ser tomada menor a 0.005. La ovalizacin
causada durante la construccin e instalacin, debe ser tenida en cuenta. La
ovalizacin debida a presin externa o momento en la posicin instalada, no
debe ser considerada.
Pandeo propagante
El pandeo propagante es un chequeo que debe ser realizado con el fin de
garantizar que efectos de posibles pandeos locales no generen pandeo
circunferencial de colapso:
mSCc
pr
e
PPP
min
Donde 1c es usado para casos en que no hay pandeo propagante. Si el
pandeo viaja distancias cortas, entonces el factor es tomado como 9.0c .
La resistencia al pandeo propagante es dada mediante la siguiente expresin:
25
235
D
tfP fabypr
-
Si el diseo es suficiente para garantizar la resistencia al pandeo propagante,
entonces la condicin de pandeo circunferencial tambin ser satisfecha.
Criterio de cargas combinadas
Los elementos tubulares sujetos a momento flector, tensin efectiva y
sobrepresin interna neta, deben ser diseados para satisfacer la siguiente
ecuacin:
11
2
2
22
2
tP
PP
T
T
tP
PP
M
M
b
eld
k
ed
b
eld
k
d
mSC
donde
dM es el momento flector de diseo
edT es la tensin efectiva de diseo
ldP es la presin local interna de diseo
eP es la presin local externa
Mk es el momento flector plstico resistente, es calculado como sigue:
22
2 ttDfM cyk
kT es la fuerza axial plstica resistente, calculada de la siguiente manera:
22 ttDfT cyk
2tPb es la resistencia al estallido mencionado anteriormente.
-
Para tubos sujetos a momento flector, tensin efectiva y sobrepresin externa
neta, deber satisfacerse la siguiente condicin:
1
2
2
min2
22
2
tP
PP
T
T
M
M
c
emSC
k
ed
k
d
mSC
Donde 2tPc es la resistencia a la presin circunferencial, mencionada anteriormente.
Para condiciones de instalacin, las ecuaciones anteriores podrn multiplicarse
por un factor de 05.1c
La verificacin de fuerzas combinadas puede ser realizada alternativamente a
partir del mtodo de esfuerzos admisibles considerando el siguiente factor de
uso:
Factor de uso para cargas combinadas
Bajo Normal Alto
0.83 0.79 0.75
Para el caso de tubos sometidos a momento flector, tensin efectiva y
sobrepresin interna, la verificacin debe ser realizada mediante la siguiente
ecuacin:
2
2
2
22
2
1
tP
PP
T
T
tP
PP
M
M
b
eld
k
e
b
eld
k
Para el caso de tubos sometidos a momento flector, tensin efectiva y
sobrepresin interna, la verificacin es:
4
2
2
min
22
tP
PP
T
T
M
M
c
e
k
e
k
-
-Estado lmite de fatiga (FLS)
L estructura de riser debe satisfacer adecuadamente la condicin de fatiga para garantizar una
correcta operacin a lo largo de su vida til.
La verificacin de fatiga puede ser realizada por dos mtodos diferentes. EL primero es el
mtodo basado en las curvas S-N y el segundo es basado en la propagacin de fisuras de fatiga
calculadas mediante la teora de la mecnica de la fractura.
La tensin cclica nominar que gobierna el clculo de fatiga en tubos, es normalmente una
combinacin lineal de tensiones debidas a fuerza axial y momento flector:
4343
33 2
32
tDD
tDM
ttD
Te
Esta combinacin vara alrededor de la seccin circular del riser.
Cuando el clculo de la fatiga es realizado usando el mtodo de las curvas S-N, las siguientes
consideraciones deben ser tenidas en cuenta:
EL clculo debe ser realizado para un periodo de corto plazo con una
distribucin de ciclos de tensin nominal.
Debe seleccionarse adecuadamente las curvas S-N.
Debe incorporarse un factor de correccin de espesor.
Debe determinarse el factor de concentracin de tensiones no incluido en las
curvas S-N
Debe determinarse el dao acumulado a fatiga para las condiciones de corto
plazo
El criterio a fatiga que debe satisfacerse es el siguiente:
0.1DFFD fat
Donde
-
fatD es el dao acumulado a fatiga calculado usando la regla de Palmgren-Miner
DFF es el fator de diseo a fatiga
Factor de diseo a fatiga DFF
Clase de seguridad
Baja Normal Alta
3.0 6.0 10.0
-Estado lmite accidental (ALS)
El estado lmite accidental es verificado para atender eventos o cargas inusuales o
accidentales. Estas cargas accidentales deben entenderse como cagas que el riser recibe bajo
condiciones anormales debidos a operaciones incorrectas o fallas tcnicas. Los siguientes
chequeos deben ser realizados:
* Resistencia contra cargas accidentales directas (eventos discretos tpicamente caracterizados
con una frecuencia de ocurrencia anual menor a 10-2);
* Resistencia ltima y evaluacin de consecuencias debidas excedencias de una condicin de
servicio SLS generando limitaciones operacionales;
* Resistencia a cargamentos ambientales en un caso post-accidente, por ejemplo cuando una
lnea de amarre se rompe, o cuando el navo sufre rotaciones iniciales (adernamiento/ heeling)
Las categoras de las cargas accidentales son las siguientes:
-Fuego y explosiones
-Impacto/colisin como:
Interferencia de risers infrecuente;
Impacto de objetos y anclajes abandonados;
Impacto de objetos flotantes
-hook/snag (ancla) genera cargas como arrastre de anclaje.
-Falla en el sistema de soporte como:
-
Prdida o atascamiento por mal funcionamiento del sistema de compensacin de
movimientos verticales ;
Prdida de flotacin;
Prdida de lneas de amarre;
Falla en posicionamiento dinmico (DP)
-Excedencia de sobrepresin interna incidente
Perdida en el sistema de seguridad de presin;
Falla en el tubo del pozo, o empaques
Aumentos en la presin
Well kill -bullheading
-Eventos ambientales
Sismo
Tsunami
Iceberg
Condiciones de cargas ambientales con un periodo de retorno de 10.000 aos que se ajustan a
una distribucin de probabilidad con una cola normal en el largo plazo, estn implcitas en el
criterio de diseo ULS y no necesitan ser consideradas como una carga accidental para los
risers.
Eventos ambientales accidentales deben ser evaluados asumiendo un valor de periodo de
retorno razonable que no se probable de ser excedido durante la vida de diseo. (por ejemplo
200 aos). Tambin debe ser asumido un raro e intenso evento como por ejemplo un sismo,
con un intervalo de recurrencia desde varias centenas a pocos miles de aos.
Las cargas accidentales y los efectos de estas cargas son determinadas a travs de la frecuencia
de ocurrencia y su magnitud. Efectos de cargas accidentales caractersticas y combinaciones de
cargas para diferentes modos de operacin son recomendados por la DNV F201 en la
siguiente tabla:
-
El diseo contra cargas accidentales debe ser realizado mediante un clculo directo de efectos
impuestos por las cargas sobre la estructura.
Un chequeo simplificado de diseo puede ser realizado usando la siguiente tabla, teniendo en
cuenta los factores de aumento de carga y los factores de reduccin de resistencia.
-
-Estado lmite de servicio (SLS)
El estado lmite de servicio est relacionado con condiciones normales de operacin. Los
estados lmite de servicio estn asociados con limitaciones con deflexiones, desplazamientos y
rotaciones del riser global o ovalizacin en el tubo del riser.
El lmite de ovalizacin debida a flexin y falta de redondez es el siguiente:
03.00
minmax
D
DDfo
El requerimiento puede ser rebajado si es incluida una reduccin en la resistencia a momento,
si restricciones geomtricas son aceptadas y si son considerados ciclos de tensin adicionales
causados por la ovalizacin.
La ovalizacin debe ser evaluada a lo largo de todo el riser, ella puede surgir en vanos libres,
soportes artificiales y asentamientos de apoyos.
En las siguientes tablas de la norma DNV F201 se muestran algunos ejemplos de estados lmite
de servicio para los casos de risers de perforacin y work-over con BOP submarino y de
superficie, para risers de exportacin e importacin y para risers de produccin con rbol
superficial.
-
1.4. Operacin, mantenimiento y revaluacin
Los risers deben cumplir ciertos criterios para su correcta operacin, para esto es necesario
realizar inspecciones durante el servicio.
Los risers adems de ser operados adecuadamente, deben tener mantenimiento y deben ser
inspeccionados para garantizar un nivel de seguridad aceptable a lo largo de su vida en
servicio.
Los risers tambin deben ser inspeccionados despus de incidentes de daos potenciales, y
debe confirmarse si algn reparo debe ser realizado. Las siguientes cosas deben ser tenidas en
cuenta a la hora de realizar una inspeccin en los componentes de los risers:
-Componentes de lnea de riser sobrecargados o con deformaciones permanentes;
-Fisuras debidas a fatiga (soldadura de contorno, conectores, nodo de fijacin de soldadura)
-Fugas o filtraciones (prdidas en conectores mecnicos, daos en sellos de equipos)
-Daos como abolladuras, rasguos, recubrimientos sueltos o muy deformados;
-Desgaste interno y externo;
-Corrosin interna y externa;
-Recubrimientos con anti-corrosin/abrasin;
-Proteccin catdica;
-
-Aumento de espesor por recubrimientos marinos (marine growth);
-Condiciones en el suelo marino como el towch down point.
Los risers deben ser visualizados y examinados para factores como dao externo, distorsin del
tubo, marine growth excesivo, corrosin externa, configuraciones generales de tubos y
deslizamientos de mdulos de flotadores o de estabilizacin (ballast). Los defectos deben ser
documentados con respecto al tipo, tamao y localizacin. El efecto de estos defectos en la
integridad estructural del riser debe ser evaluada.
1.4.1. Inspeccin en risers
La filosofa de inspeccin debe ser una parte integral del diseo. Antes de realizar una
inspeccin, sta debe ser muy bien planeada, conociendo de antemano componentes crticos y
garantizando las provisiones para realizar dicha inspeccin.
Los mtodos necesarios para realizar la inspeccin tambin deben ser definidos y la viabilidad
de stos debe ser evaluada. Todo lo que ser realizado en la inspeccin debe ser debidamente
detallado y planeado con fechas y tiempos de duracin como parte de la documentacin de la
operacin y mantenimiento.
Las partes que tengan daos a ser reparados, o que estn expuestas y donde la falla conduzca
a serias consecuencias, deben ser sujetas a una especial atencin en la planeacin de
operacin y mantenimiento.
Los risers deben ser inspeccionados para fisuras de fatiga de acuerdo con los principios dados
por la teora de la mecnica de la fractura.
Equipos que se desgastan como sellos, lubricantes, componentes peridicamente
desconectados y pinturas deben ser inspeccionados o reemplazados en una programacin
base. Por otro lado, los equipos deben ser diseados para facilitar esas operaciones de
mantenimiento.
-
2. ANEXO
2.1 Anlisis de esfuerzos
Nota: este captulo de este documento es una traduccin y resumen de los captulos 3, 6 y 7 del
libro offshore pipelines de los autores Boyun Guo et al.
En anlisis de risers, luego de realizar el anlisis esttico y dinmico, debe verificarse que la
estructura resista los esfuerzos mximos resultantes. Para esto inicialmente sern mostradas
las ecuaciones de esfuerzos en tuberas tanto de paredes delgadas como de paredes gruesas
as como el efecto trmico en las tensiones. Finalmente ser mostrado el clculo de los
esfuerzos en risers propiamente.
2.1.1 Tensiones debidas a presin interna
A continuacin se muestran las ecuaciones de las tensiones para el caso en el que solamente
es aplicada una determinada presin interna.
Tubos de paredes delgadas (D/t > 20):
Para el caso en el que las paredes de la tubera son delgadas, es posible asumir que la
tensin ser aproximadamente igual tanto en la cara interna como en la cara externa.
-
Esfuerzo circunferencial (Hoop stress):
t
PDh
2
Esfuerzo longitudinal:
t
PDL
4
Donde P es la diferencia entre la presin interna y la externa, D es el dimetro medio y
t es la espesura.
Tubos de paredes gruesas (D/t < 20):
Cuando el tubo tiene paredes gruesas, las aproximaciones de las ecuaciones anteriores
no pueden ser aplicadas ya que la tensin en la cara interna del tubo ser
significativamente diferente con la cara externa, es por esto que en ese caso las
ecuaciones que deben ser utilizadas son las siguientes:
Esfuerzo radial:
2
2
22
2
1r
a
ba
Pbr
Esfuerzo circunferencial (Hoop stress):
2
2
22
2
1r
a
ba
Pbh
Esfuerzo longitudinal:
22
2
ba
PbL
Donde a y b son el dimetro externo e interno respectivamente y r es un valor que
vara desde b hasta a. Las tensiones radial y circunferencial alcanzan sus mximos
valores cuando r=b.
-
Para calcular es esfuerzo relacionado con la presin de explosin (Burst pressure), el
esfuerzo cortante mximo es un buen indicativo:
22222
2 bar
Pbarh
22
2
maxba
Pa
2.1.2 Tensiones debidas al efecto combinado de presin y temperatura
A continuacin se muestran las ecuaciones para el clculo de esfuerzos en tuberas,
considerando el efecto de las tensiones inducidas por temperatura, estos esfuerzos dependen
de las condiciones de contorno del tubo.
Ecuaciones para tubos de paredes delgadas:
Tubos sin restricciones con sus extremos cubiertos:
Esfuerzo circunferencial:
t
PDh
2
Esfuerzo longitudinal:
t
PDL
4
Tubos parcialmente restringidos por la friccin del suelo:
Esfuerzo circunferencial:
t
PDh
2
Esfuerzo longitudinal:
Zxparaat
xf
t
PDL
24
ZxparaEt
PDtL
2
Donde:
-
fPa
t
PDE
f
DtZ t
2
2
Si 2
LZ entonces
2
LZ
Donde
t es el coeficiente de expansin trmica, que para el acero es 6.5x10-6 in /
(in-F).
es el valor del cambio de temperatura.
La friccin del suelo es denotada por la siguiente ecuacin:
bp FWWf
X es la posicin del tubo que se va a analizar.
Es el mdulo de Poisson de la tubera.
Tubos totalmente restringidos por anclajes en los extremos:
Esfuerzo circunferencial:
t
PDh
2
Esfuerzo longitudinal:
tL Et
PD
2
La fuerza en el anclaje es:
2
22 Pb
t
PDEatF
Ecuaciones para tubos de paredes gruesas:
Tubos sin restricciones con sus extremos cubiertos:
Esfuerzo circunferencial:
222
222
bar
raPbh
-
Esfuerzo longitudinal:
22
2
ba
PbL
Esfuerzo radial:
222
222
bar
raPbr
Tubos parcialmente restringidos por la friccin del suelo:
Esfuerzo circunferencial:
222
222
bar
raPbh
Esfuerzo longitudinal:
Zxparafx
Pbba
L
2
22
1
ZxparaEba
PbL
22
2
Donde:
22
222 21
ba
PbE
f
baZ t
Si 2
LZ entonces
2
LZ
Esfuerzo radial:
2
2
22
2
1r
a
ba
Pbr
Tubos totalmente restringidos por anclajes en los extremos:
Esfuerzo radial:
Pr
Esfuerzo circunferencial (Hoop stress):
222
222
bar
raPbh
-
Esfuerzo longitudinal:
tL Eba
Pb
22
22
El esfuerzo equivalente de Von Mises se calcula con la siguiente ecuacin:
22222 hrrLLhV
Para tubos de paredes delgadas el esfuerzo radial puede asumirse como cero.
LhLhV 22
En este texto se busca mostrar de manera clara las ecuaciones para diseo de risers siguiendo
la norma ASME/ANSI. Esta norma utiliza el mtodo de los esfuerzos admisibles para el
dimensionamiento de la estructura. Inicialmente se trabajar lo referente al anlisis de
esfuerzos y ms adelante se mostrarn las ecuaciones de diseo y los tipos de carga que deben
ser aplicadas.
2.2 Diseo
La norma ASME recomienda disear las tuberas mediante el mtodo de los esfuerzos
admisibles en donde la estructura podr estar sometida a un esfuerzo circunferencial que no
exceda el siguiente valor:
yth SFF1
Ya en el caso del esfuerzo longitudinal, se debe cumplir lo siguiente:
yL SF2
Para analizar la combinacin de los esfuerzos, la norma recomienda calcular el esfuerzo de Von
Misses y este valor debe cumplir la siguiente desigualdad:
-
ytLhLh SF3222 3
Donde F1, F2, F3 y Ft son los factores de diseo.
2.2.1 Diseo de tuberas (pipeline) offshore
Factores de diseo para tuberas offshore (cdigo ASME):
Tipo de fluido
F1(Esfuerzo circunferencial)
F2 (Esfuerzo longitudinal)
F3 (Esfuerzo combinado)
Gas 0.72 0.8 0.9
Petrleo 0.72 0.675/0.54/0.8 (*) -
(*) Para cargas estndar en tuberas restringidas se usa 0.75x0.9. Esto se reduce a 0.75x0.72
para tubos sin restriccin como cuando una luz deja de estar en contacto con el suelo marino.
Los estados limite anteriores se refieren nicamente a tensiones. El factor de diseo debe
incrementarse en 0.8 cuando se consideran cargas ocasionales adicionales.
Factor de reduccin por temperatura:
Temperatura (F) Factor de reduccin por temperatura
250 o menos 1
300 0.967
350 0.933
400 0.9
450 0.867
Determinacin del espesor de la pared del pipeline
Para dimetros menores a 30 in el material utilizado es generalmente X-60 o X-65 que equivale
a 414Mpa y 448Mpa respectivamente. Estos materiales son tiles para resistir altas presiones
o aguas profundas.
La seccin del espesor de la pared de la tubera es basado en la presin interna e externa. EL
mximo esfuerzo longitudinal y los esfuerzos combinados deben ser chequeados pero
generalmente no son determinantes, estos esfuerzos deben ser chequeados para instalacin y
operacin. Boyun Guo et al. Recomienda el siguiente procedimiento para determinar el
espesor de la tubera:
-
1) Calcular el espesor mnimo requerido basado en la presin interna.
2) Calcular el espesor mnimo requerido para soportar la presin externa.
3) Adicionar un valor de espesor al mximo valor obtenido en los dos tems anteriores,
para resistir corrosin.
4) Seleccione el prximo valor nominal de espesor.
5) Chequee que el valor seleccionado resista la condicin de hydrotest.
6) Chequee la condicin de instalacin y montaje. Esta condicin es difcil para D/t>50,
las soldaduras de tubos con t
-
Gas ASME B31.8, Edicin 1989 DnV 1981
Operaciones normales
Pd (1) Pi-Pe [A842.221] Pi-Pe [4.2.2.2]
para pipelines 0.72 [A842.221] 0.72 [4.2.2.1]
para secciones de risers(2) 0.5 [A842.221] 0.50 [4.2.2.1]
Ph 1.25 Pi(3)
[A847.2] 1.25 Pd [8.8.4.3]
Diseo de pipeline para presin externa
Para disear las tuberas para la condicin de presin externa, es recomendado usar el
criterio de propagacin para tubos con dimetro inferior a 16 in, y es recomendable usar el
criterio de colapso para tubos con dimetro por encima o iguales a 16 in.
Criterio de propagacin:
La siguiente frmula emprica es recomendada para el criterio de propagacin, el
clculo de la presin de propagacin de pandeo es el siguiente:
46.2
33
D
tSP NOMyp
La espesura nominal debe ser determinada garantizando que la presin de
propagacin de pandeo sea mayor que un 130% de la presin externa:
ep PP 3.1
As la ecuacin del espesor nominal es la siguiente:
46.2
1
33
3.1
y
enom
S
PDt
Para pipeline offshore es recomendable que la relacin dimetro espesor est por
debajo de 30, D/t
-
pB
b
C
e gP
P
3.1
Donde eP es la presin externa, b es la deformacin a flexin, B es la
deformacin a flexin de falla a pandeo debido a flexin pura, y pg es un
parmetro de imperfeccin.
La presin de colapso CP es definida mediante la siguiente ecuacin:
2'2
'
yel
yel
C
PP
PPP
Donde la presin elstica de colapso elP es definida mediante la siguiente expresin
que depende del mdulo de elasticidad, el mdulo de Poisson, el espesor de la
pared de la tubera y el dimetro de la misma:
3
21
2
D
tEPel
La funcin '
yP se calcula como sigue:
y
a
y
ayy
T
T
T
TPP
275.01
2
'
Donde la presin de colapso plstico yP se calcula con la siguiente ecuacin que
depende del espesor de la pared, el dimetro y la tensin mnima de fluencia del
acero:
D
tSP yy 2
aT es la tensin axial, yT es la tensin axial de fluencia y es calculada como sigue:
yy AST
El parmetro de imperfeccin primaria por colapso a presin del tubo es calculado
mediante la siguiente expresin:
2
2
2
1
1
p
p
fp
pg
-
Donde la presin interna se obtiene de la siguiente manera:
el
y
P
Pp
'
EL parmetro de imperfeccin secundaria es:
t
D
t
Df p 0
2
01
Donde 0 es un parmetro de falta de redondez debido a tolerancias de
fabricacin:
minmax
minmax0
DD
DD
La deformacin a flexin de falla a pandeo debido a flexin pura puede ser
fcilmente calculada como:
D
tB
2
Para altas cargas de flexin, el clculo de la deformacin unitaria a flexin debe ser
realizado cuidadosamente usando una apropiada relacin de momento-curvatura.
Una relacin de Romberg Osgood podra ser utilizada:
BAMMK ***
Donde
yKKK *
Siendo K la curvatura y Ky la curvatura de cedencia
EDSK yy 2
La variable *M es calculada mediante la relacin entre el momento aplicado y el
momento de cedencia:
yMMM *
DISM yy 2
Conociendo estas ecuaciones y las condiciones de cargas y deformaciones, es
posible obtener un espesor adecuado para satisfacer esta condicin de colapso. EL
clculo puede ser realizado iterativamente variando el espesor hasta obtener un
resultado satisfactorio.
-
2.2.2 Diseo de tuberas de risers
Los factores de diseo de las tuberas usadas en risers metlicos dependen del uso del risers, a
continuacin se muestras estos coeficientes segn la norma ANSI/ASME B31.8 y B31.4, para
risers offshore de gas y/o petrleo:
Para el diseo de risers de gas, son considerados los siguientes esfuerzos admisibles:
Tipo de esfuerzo Esfuerzos admisibles
Operacin Test hidrosttico Instalacin
Esfuerzo circunferencial 0.5 SMYS 0.9 SMYS -
Esfuerzo longitudinal 0.8 SMYS 0.8 SMYS 0.8 SMYS
Esfuerzo de Von Mises 0.9 SMYS 0.9 SMYS 0.9 SMYS
Para el diseo de risers de petrleo, son considerados los siguientes esfuerzos admisibles:
Tipo de esfuerzo Esfuerzos admisibles
Operacin Test
hidrosttico Solamente expansin
Carga sostenida
Instalacin
Esfuerzo circunferencial 0.6 SMYS 0.9 SMYS - - -
Esfuerzo longitudinal 0.8 SMYS - 0.9 SMYS 0.54 SMYS 0.8 SMYS
Esfuerzo de Von Mises o Tresca
0.9 SMYS - - -
0.9 SMYS
Donde el SMYS es mnimo esfuerzo de cadencia del acero (Sy) en PSI.
El esfuerzo de Von Misses en risers es calculado mediante la siguiente expresin:
22222 raahhrV
Dnde el esfuerzo axial es calculado como:
s
abia
A
T
I
MD
2
Donde:
Di es el dimetro interno,
Mb es el momento flector,
I es el momento de inercia,
Ta es la fuerza axial,
-
As es el rea seccional del riser.
El mximo esfuerzo de Von Misses normalmente ocurre en la pared interna del lado a
compresin del momento flector. EL valor negativo del momento y el esfuerzo de tensin sin
extremos cubiertos, deben ser utilizados en el clculo del esfuerzo axial.
Las cargas con las que los risers son diseados dependen de la condicin y del tipo de riser.
Risers de gas:
Operacin:
Cargas funcionales: Presin interna (MAOP*), carga por temperatura de diseo, peso
propio, carga de expansin y presin externa.
Cargas ambientales: Viento centenario, onda centenaria, corriente centenaria,
movimientos impuestos por la plataforma.
(*) MAOP: Mxima presin admisible de operacin
Test hidrosttico:
Cargas funcionales: Presin interna del test hidrosttico, presin externa y peso
propio.
Cargas ambientales: Onda anual y corriente anual.
Instalacin:
Cargas funcionales: Peso propio y presin externa.
Cargas ambientales: Viento anual, onda anual y corriente anual.
Cargas de instalacin: Cold-springing* y esfuerzos residuales.
(*) Cold-springind es un esfuerzo inducido en el tubo para que a la hora de la instalacin
contrarreste los efectos de expansin trmica y el tubo tenga su posicin neutral. Para lograr
esto el tubo es acortado mediante la aplicacin de un esfuerzo.
-
Risers de petrleo:
Operacin:
Cargas funcionales: Presin interna (MAOP*), carga por temperatura de diseo, peso
propio y carga de expansin.
Cargas ambientales: Viento centenario, onda centenaria, corriente centenaria,
movimientos impuestos por la plataforma.
Test hidrosttico:
Cargas funcionales: Presin interna del test hidrosttico y peso propio.
Cargas ambientales: Onda anual y corriente anual.
Expansin nicamente:
Cargas funcionales: carga de expansin.
Carga sostenida:
Cargas funcionales: Presin interna (MAOP), peso propio y carga de expansin.
Cargas ambientales: Onda anual y corriente anual.
Instalacin:
Cargas funcionales: Peso propio y presin externa.
Cargas ambientales: Viento anual, onda anual y corriente anual.
Cargas de instalacin: Cold-springing y esfuerzos residuales.
El test de presin, es bsicamente aplicar el mximo valor de presin interna permitido. Para
risers de gas, segn la norma ANSI B31.8, esta presin es de 1.4 veces la MAOP. Para risers de
petrleo es usado 1.25 veces MAOP segn ANSI B31.4.
Es importante tener en cuenta que el test de presin en risers es mucho mayor que en
pipelines, es por esto que a la hora de hacer el test en riser, el pipeline debe estar
desconectado. La soldadura que une el riser con el pipeline tiene que ser realizada obviamente
despus del hydrotest y debe ser debidamente radiografiada.