diseño de tuberías de revestimeinto
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Marzo 01, 2004 | 003
Definición: Tubería de revestimiento
La tubería de revestimiento es definida como una tubular
con un rango de diámetro exterior que va desde 4” hasta
20”.
El API a adoptado una designación de grado a la tubería
de revestimiento definiendo, la característica del esfuerzo
de cedencia de la tubería.
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Definición: Tubería de revestimiento
El código del grado consiste en una letra seguida de un
número, la letra designada por el API fue seleccionada
arbitrariamente para proporcionar una asignación única
para cada grado de acero que fue adoptada como
estandard, el número de la asignación representa el
mínimo esfuerzo a la cedencia del acero en miles de psi.
N - 80
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Definición: Tubería de revestimiento
Ejemplo:
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
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Definición: Tubería de revestimiento
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.
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Ley de Hook´s
Si una barra de longitud L es sometida
a una fuerza de tensión F, se
observará (dentro de la región
elástica), una deformación longitudinal
, que es proporcional a la fuerza
aplicada F e inversamente
proporcional al área de la sección
transversal de dicha barra.
L
F F L
A
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Ley de Hook´s
L
F
Introduciendo una constante de
proporcionalidad “E” característica
de cada material llamado módulo
de elasticidad ó de Young,
tenemos:
F L
E A
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Ley de Hook´s
Despejando el módulo de Young:
El esfuerzo axial unitario, esta definido
por:
E =F L
A
F
A
L
F
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Ley de Hook´s
La deformación axial unitaria ó
elongación axial adimensional esta
definido por:
L
Por lo que el módulo de Young es la relación entre el
esfuerzo axial y la deformación axial, obteniéndose:
E
L
F
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Ley de Hook´s
De acuerdo con la Ley de Hooke´s, cualquier incremento
de carga de tensión es acompañado de un incremento de
longitud. Esta Ley es aplicable solamente en la región
elástica
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Ley de Hook´s
Elongación (e)
Carga ( )
límite elásticoesfuerzo cedencia
ruptura
Cúltimo esfuerzoB
A
El punto B define el
esfuerzo de
cedencia del
material. Es
importante no
excederse de este
valor durante las
corridas de TR´s, y
operaciones para
prevenir fallas del
tubular.
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Ley de Hook´s
Elongación (e)
Carga ( )
límite elásticoesfuerzo cedencia
ruptura
Cúltimo esfuerzoB
A
La Ley de Hooke´s
no es aplicable de
la región elástica a
la plástica, hasta
alcanzar el último
esfuerzo. Las
cargas aplicadas en
la región causan
deformaciones
plásticas y
permanentes.
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Esfuerzo a la cedencia
Pruebas de tensión realizadas a una tubería de
revestimiento de 16”, N-80 de 84 lb/pie; 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
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Distribución del esfuerzo a la cedencia
0
2
4
6
8
10
12
14
16
90,000 102,000 106,000 110,000 114,000 118,000 122,000
psi
F
r
e
c
u
e
n
c
i
a
TR 13 3/8" TAC-95 72 lb/pie
media = 113,041 psi Desv. estandard = 4,664 n = 70
Max = 125,000 psi
126,000
Media
Min. = 95,000 psi
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Distribución del espesor del cuerpo
0
20
40
60
80
100
120
TR 13 3/8" TAC-95 de 72 lb/pie
Media = 13.61 mm Desviación estandard = 0.281 n = 710
11.2 12.4 13.3 13.6 13.9 14.2 mm
MediaF
r
e
c
u
e
n
c
i
a
87.5 % nominal API
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Tensión
La fuerza de tensión FT, tiende a jalar
parte de la tubería
D
d
F
T
A
s
FT = y As
FT = 0.7854 y (D2 - d2)
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Tensión
Calcule la fuerza de cedencia de la tubería
de 7 pg. TRC-95 32 lbs/pie
ID = 6.094 pg
D
d
F
T
A
s
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Presión Interna
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.
Pbr = 0.8752 y t
DP
br
A
s
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Presión Interna
Pbr = 0.8752 y t
D
De tal manera que el API permite una
tolerancia máxima permisible del
espesor de la pared del tubo de menos
el 12.5 %.Pb
r
A
s
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Colapso
Fuerza mecánica capaz
de deformar un tubo por el
efecto resultante de las
presiones externas.P
c
A
s
D
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Colapso
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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
sió
n d
e c
ola
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
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Colapso
Colapso Elástico
PE
D
t
D
t
c
2
1
1
1
2 2
Colapso de Transición
PF
D
t
Gc y
Colapso Plástico
PA
D
t
B Cc y
Colapso de Cedencia
P
D
t
D
t
c y2
1
2
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Colapso
3162105 1053132.01021301.01010679.08762.2 yyy XXXA
yXB 61050609.0026233.0
31327 36989.01010483.003086.093.465 yyy XXC
2
3
6
2
3
1
2
3
2
3
1096.46
A
B
A
B
A
B
A
B
A
B
A
B
X
F
y
A
FBG
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Colapso
Grado rango D/t
H-40 42.64 y más grande
H-50 38.83 y más grande
J-K-55 y D 37.21 y más grande
- 60 35.73 y más grande
-70 33.17 y más grande
C-75 y E 32.05 y más grande
L-80 y N-80 31.02 y más grande
-90 29.18 y más grande
C-95 28.36 y más grande
-100 27.60 y más grande
P-105 26.89 y más grande
P-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 Elástico
Grado rango D/t
H-40 27.01 - 42.64
H-50 25.63 - 38.83
J-K-55 y D 25.01 - 37.21
- 60 24.42 - 35.73
-70 23.38 - 33.17
C-75 y E 22.91 - 32.05
L-80 y N-80 22.47 - 31.02
-90 21.69 - 29.18
C-95 21.33 - 28.36
-100 21.00 - 27.60
P-105 20.70 - 26.89
P-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
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Colapso
Colapso Plástico Colapso de Cedencia
Grado rango D/t
H-40 16.40 - 27.01
H-50 15.24 - 25.63
J-K-55 y D 14.81 - 25.01
- 60 14.44 - 24.42
-70 13.85 - 23.38
C-75 y E 13.60 - 22.91
L-80 y N-80 13.38 - 22.47
-90 13.01 - 21.69
C-95 12.85 - 21.33
-100 12.70 - 21.00
P-105 12.57 - 20.70
P-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/t
H-40 16.40 y menores
H-50 15.24 y menores
J-K-55 y D 14.81 y menores
- 60 14.44 y menores
-70 13.85 y menores
C-75 y E 13.60 y menores
L-80 y N-80 13.38 y menores
-90 13.01 y menores
C-95 12.85 y menores
-100 12.70 y menores
P-105 12.57 y menores
P-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
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Tubería para alto colapso
Son importantes dos factores para la tubería de alto
colapso.
Aspecto Geométrico.
Propiedades químicas y mecánicas.
La geometría de la tubería debe de cumplir con los
requerimientos para una tubería API, especialmente
aquellas tuberías con una alta relación D/t mayor 13.
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Tubería para alto colapso
Una tubería con bajo espesor y alta ovalidad, son
factores que se combinan para favorecer al colapso.
El espesor del cuerpo es el factor de gran importancia
en el colapso, debido a la relación directa con la
capacidad mecánica del tubo, por lo que durante la
fabricación de la tubería se lamina con el espesor
nominal y máximo.
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Tubería para alto colapso
Ovalidad
La diferencia entre el diámetro exterior mínimo
y máximo, medido alrededor de una misma
sección transversal, expresada en porcentaje
con respecto al diámetro medio, es llamada
ovalidad (valor relativo).
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Tubería para alto colapso
Redondez
La diferencia entre el diámetro exterior mínimo y
máximo (valor absoluto), se denomina redondez
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Tubería para alto colapso
Ovalidad no significa una forma oval de la sección
transversal, sino la irregularidad del diámetro en esa
sección. Entre más redonda sea una 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 permita una mayor resistencia
mecánica de la tubería.
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Tubería para alto colapso
La tubería de alto colapso se lamina con la mínima
ovalidad posible, realizando una continua medición en
línea del diámetro exterior por sección y longitudinal, así
como la redondez (máximos y mínimos) por medio de un
medidor automático por emisión de rayos laser a la salida
del calibrador, incrementándose la frecuencia física de
medición.
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Tubería para alto colapso
Hoy en día se garantizan los valores de resistencia al
colapso, a través de una cámara de presión que permiten
realizar pruebas de colapso de tuberías desde 13 3/8” con
una longitud de 8 veces el diámetro bajo esfuerzos axial
cero.
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Rangos de tubería de revestimiento
El API utiliza tres rangos para tubería de revestimiento,
siendo los siguientes:
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
El rango tres es el comúnmente utilizado en las tuberías de
revestimiento, debido a que se reduce el número de
conexiones durante las introducciones. El uso rango dos es
utilizado para los ajustes de las sartas.
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Rangos de tubería de producción
El API utiliza tres rangos para tubería de producción,
siendo los siguientes:
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
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Diámetro de la tubería de revestimiento
El API permite las siguientes tolerancias en el diámetro
exterior:
Diámetro exterior de la
tubería
menores a 4 1/2”
de 4 1/2” a mayores
Tolerancia
más, menos 0.031 pg
+1%, -0.5% del diámetro nominal
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Anisotropia
0°
270°
180°
90
°
Posición
0°90°180°270°0°
90°180°270°
Fluencia (psi)mín.=95,000
101,480100,74098,395101,40896,505
95,42197,42495,269
Resistencia (psi)mín.=105,000
116,865115,782115,376116,291110,277
112,364112,235106,609
No. Colada
98366
98369
Resultados obtenidos en pruebas de
laboratorio realizadas en COMIMSA (1323-
IT/97-035), a una TR de 11 3/4” TRC-95.
Es a un cuerpo
que no posee
iguales
propiedades en
todas sus
direcciones.
Marzo 01, 2004 | 003
TAREA
Determine la Fuerza de cedencia (Tensión), Presión de colapso y Presión
interna de la siguiente tubería, con formulas anteriores:
Diámetro y radio Peso (lbs/pie) Fuerza de cedencia ( lbs) Presión Interna (psi) Presión de colapso (psi)
5 ½” N-80 17
6 5/8” TRC-95 28
7” C-95 35
7 5/8” P-110 45.30
9 5/8” N-80 53.50
10 ¾” L-80 55.50
13 3/8” TAC-80 72
16” K-55 109
20” J-55 133
2 3/8” J-55 6.2
2 7/8” C-90 7.9
3 ½” P-110 12.95
4 ” T-95 15.5
4 ½” TRC-90 17