Analisis Estructural Subestructura_(Jacket) Ansys

INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICA UNIDAD ZACATENCO

SECCIN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIN

ANLISIS DE ESFUERZOS ESTTICOS EN UN NODO DE SEIS ELEMENTOS DE LA SUBESTRUCTURA (JACKET) DE

UNA PLATAFORMA MARINA DE PRODUCCIN TIPO OCTPODA FIJA PB-KU-S

T E S I S QUE PARA OBTENER EL GRADO DE

MAESTRO EN CIENCIASC O N E S P E C I A L I D A D E N

I N G E N I E R A M E C N I C A

P R E S E N T A ING. RAFAEL CARRERA ESPINOZA

DIRECTOR: DR. JOS MARTNEZ TRINIDAD

MEXICO, DF. 2007

AGRADECIMIENTOS

Rafael Carrera Espinoza Tesis de Maestra

A G R A D E C I M I E N T O S

A mi director de tesis, Dr. Jos Martnez Trinidad, a quin agradezco la confianza, sugerencias y el apoyo incondicional para el desarrollo de este trabajo de tesis y por ser una excelente persona. A mi tutor Dr. Luis Hctor Hernndez Gmez, por su apoyo, confianza, amistad y sus valiosos consejos. Al M. C. Ricardo Lpez Martnez (), por su confianza, amistad y sus valiosos consejos. A mis profesores del posgrado: Dr. Luis Hctor Hernndez Gmez Dr. Alexander Balankin Dr. Orlando Susarrey Huerta Dr. Samuel Alcntara Montes Dr. Ivn Enrique Campos Silva Dr. Guillermo Urriolagoitia Caldern M. C. Gabriel Villa y Rabasa M. C. Ricardo Lpez Martnez () A los sinodales, por su valiosa revisin y sugerencias para la mejora de este trabajo. Al Ing. Jos Guadalupe Castillo Moreno, Superintendente General de Ingeniera en CELASA, por su apoyo brindado para el desarrollo de este trabajo. A mi gran amigo M. C. Hctor Adrin De Len Olarte por su apoyo, amistad y sugerencias. Al Instituto Politcnico Nacional y en especial a la Seccin de Estudios de Posgrado e Investigacin de la Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica (SEPI-ESIME-ZACATENCO). Al Instituto Tecnolgico Superior de Poza Rica, en especial al rea Acadmica por su valioso apoyo para la culminacin de este proyecto.

GRACIAS

DEDICATORIAS

Rafael Carrera Espinoza Tesis de Maestra

DEDICATORIAS

A Dios Por darme vida, salud y porque siempre ha estado conmigo

en los momentos ms difciles de mi vida.

A mis padres Rosa Espinoza Guzmn

Ignacio Carrera Hernndez Por confiar y creer en m, y por ensearme que en esta vida hay que trabajar duro

para obtener lo que se desea con el corazn.

A Pili Esposa ma a ti por confiar y creer en m, y por comprenderme y apoyarme en todo

momento, alentndome y pidiendo pusiera ganas a este proyecto. Te adoro vida ma.

A Rafa Jr. Hijo mi, a ti por darme esos momentos tan felices desde que llegaste a nuestras vidas.

A mis hermanos Rosy, Susa y Gaby

Que con su apoyo, me ensearon a ser perseverante para alcanzar las metas esperadas.

A mi cuado y sobrinos Javier, Rosalinda, Nallely, Jair y Joselyn

Por el su respeto y cario que me han ofrecido todo el tiempo.

A todos mis amigos y personas que de alguna manera, me impulsaron en el desarrollo del presente trabajo.

GRACIAS POR TODO

NDICE

Rafael Carrera Espinoza i Tesis de Maestra

NDICE

PAGINANDICE iNDICE DE FIGURAS ivNDICE DE TABLAS viiSIMBOLOGA viiiTERMINOLOGA xRESUMEN xiABSTRACT xiiOBJETIVOS xiiiJUSTIFICACIN xiii INTRODUCCIN 1 CAPTULO I. GENERALIDADES SOBRE PLATAFORMAS MARINAS 61.1 Generalidades acerca de las estructuras de las plataformas marinas de

Produccin 7

1.2 Caractersticas generales de la Plataforma de Produccin PBKUS 11 1.2.1 Plataforma de Produccin PB KUS 11 1.2.2 Materiales que conforman la Plataforma de produccin

PBKUS 11

1.2.3 Accesorios de la Superestructura octpoda (DECK) que compone a la Plataforma de produccin PB-KU-S

14

1.2.4 Subestructura octpoda (JACKET) 15 1.2.5 Trpode de apoyo (T-4), para puentes hacia la plataforma

habitacional HA-KU-S (puentes C1 y C2) 16

1.2.6 Dos puentes (a y b) y dos trpodes a quemador (T1 y T2) 17 1.2.7 Trpode de apoyo (T-3), para puentes de plataforma PB-KU-

S a plataforma de perforacin PP-KU-S. (puentes D Y E). 17

1.2.8 Cimentacin de la plataforma PB KU S y trpodes 181.3 Definicin del problema 18 CAPTULO II. METODOLOGA DEL ANLISIS DE ESFUERZOS ESTTICOS EN UNA SUBESTRUCTURA (JACKET) DE UNA PLATAFORMA MARINA DE PRODUCCIN.

21

2.1 Introduccin 222.2 Generalidades 22 2.2.1 Materiales empleados para la fabricacin de estructuras. 22 2.2.2 Clasificacin de cargas 24 2.2.3 Definicin de esfuerzo 30 2.2.4 Factor de Seguridad 31 2.2.5 Aplicacin de la Teora de falla Energa de Deformacin de

Von Mises

31

NDICE

Rafael Carrera Espinoza ii Tesis de Maestra

2.3 Metodologa para el clculo de esfuerzos estticos empleando mtodos convencionales.

33

2.3.1 Desarrollo del Modelo Fsico 34 2.3.2 Determinacin de Fuerzas que actan en la subestructura 41 2.3.3

Clculo de Fuerzas en los elementos mediante la tcnica de secciones

49

2.3.4 Clculo de esfuerzos 572.4 Metodologa para el clculo de esfuerzos estticos empleando el

Mtodo del Elemento Finito. 59

CAPTULO III. ANLISIS DEL CASO DE ESTUDIO EMPLEANDO EL MTODO DEL ELEMENTO FINITO.

61

3.1 Aspectos tericos del Mtodo del Elemento Finito 62 3.1.1 Generalidades 62 3.1.2 Antecedentes del MEF 62 3.1.3 Caractersticas Principales del Mtodo del Elemento Finito. 69 3.1.4 Ventajas y Desventajas del Mtodo del Elemento Finito. 69 3.1.5 Tipos de Elementos 693.2 ANLISIS DE ESFUERZOS Y DEFORMACIONES 713.3 COMPONENTES DE LA DEFORMACIN 723.4 PROBLEMAS TRIDIMENSIONALES. 733.5 ECUACIONES DEL ELEMENTO. 733.6 EL PROGRAMA ANSYS 743.7 Metodologa para el Anlisis de esfuerzos al caso de estudio mediante

el Mtodo del Elemento Finito 75

3.7.1 Planeacin del modelo de la Subestructura 75 3.7.2 Generacin del modelo en ANSYS 76 3.7.3 Eleccin del Elemento a utilizar en este Anlisis 77 3.7.4 Malla del Modelo Estructural de la Subestructura (Jacket) 80 3.7.5 Condiciones de frontera y Cargas en el Modelo 82 CAPTULO IV. EVALUACIN DE RESULTADOS 864.1 Generalidades 874.2 Resultados del Anlisis Estructural con el M.E.F. 87 4.2.1 Deformacin de la subestructura (Jacket) 87 4.2.2 Obtencin de Fuerzas en los elementos de la subestructura

mediante el MEF. 89

4.2.3 Esfuerzos Axiales SDIR en los elementos de la subestructura (Jacket)

91

4.2.4 Esfuerzos principales S1 en los elementos de la subestructura (Jacket)

92

4.2.5 Esfuerzos principales S3 en los elementos de la subestructura (Jacket)

93

4.2.6 Esfuerzos en los elementos de la subestructura (Jacket) por medio de la teora de Von Mises.

95

4.2.7 Factor de Seguridad 96

NDICE

Rafael Carrera Espinoza iii Tesis de Maestra

CONCLUSIONES 98 RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS A FUTURO 100 ANEXOS 101 ANEXO A Tabla de coordenadas de los keypoints utilizados para

crear el modelo del caso de estudio en Ansys 101

ANEXO B Tabla de factores de seguridad de cada elemento considerando el esfuerzo equivalente de Von Mises

104

NDICE DE FIGURAS

Rafael Carrera Espinoza iv Tesis de Maestra

NDICE DE FIGURAS Pags.

Figura I.1 Mapa de localizacin de plataformas 1Figura 1.1 Sonda de Campeche. 7Figura 1.2 Plataformas en la zona 7Figura 1.3 Plataforma de Produccin 8Figura 1.4 a) y b)

Equipos que provocan cargas en una Plataforma Marina de Produccin

8

Figura 1.5 a) y b)

Presencia de ciclones en la Plataforma de produccin 9

Figura 1.6 Partes principales de una plataforma de produccin 10Figura 1.7 Plataforma de Produccin PBKUS Vista lateral 11Figura 1.8 Tubos, Placas y Perfiles 12Figura 1.9 Transporte de tubos 12Figura 1.10 Accesorios de plataforma para su instalacin 14Figura 1.11 Superestructura de una plataforma marina 15Figura 1.12 Subestructura octpoda (Jacket) de una plataforma marina 16Figura 1.13 Plataforma de Produccin PBKUS vista isomtrica 19Figura 2.1 Carga axial de tensin y compresin 25Figura 2.2 Carga cortante 25Figura 2.3 Carga Flexionante 25Figura 2.4 Carga torsionante 25Figura 2.5 Carga combinada 25Figura 2.6 Superestructura de la plataforma PB-KU-S 27Figura 2.7 Cargas en los trpodes 29Figura 2.8 Deformaciones por unidad de volumen 32Figura 2.9 Modelo fsico de la subestructura (Jacket) de la plataforma

PB-KU-S 34

Figura 2.10 Marco A de la Subestructura 35Figura 2.11 Marco B de la Subestructura 35Figura 2.12 Marco 1 de la Subestructura 36Figura 2.13 Marco 2 de la Subestructura 36Figura 2.14 Marco 3 de la Subestructura 37Figura 2.15 Marco 4 de la Subestructura 37Figura 2.16 Planta en elevacin + 6.096 m 38Figura 2.17 Planta en elevacin 5.000 m 38Figura 2.18 Planta en elevacin 17.000 m 39Figura 2.19 Planta en elevacin 30.000 m 39Figura 2.20 Planta en elevacin 44.000 m 40Figura 2.21 Planta en elevacin 60.250 m 40Figura 2.22 Carga aplicada a la Subestructura: 14,294 ton (140.224 MN) 41Figura 2.23 Grfica ilustrativa de la variacin de Cd. 42

NDICE DE FIGURAS

Rafael Carrera Espinoza v Tesis de Maestra

Figura 2.24 Variacin del rea mojada con relacin a la altura de ola. 43Figura 2.25 Definicin del rea total de la cubierta 44Figura 2.26 Definicin de componentes del rea mojada y convencin para la

direccin de la incidencia de la ola. 44

Figura 2.27 Nodos y elementos en los cuales se verifican algunas de las fuerzas. 49Figura 2.28 Nodo 66 y los elementos que lo conforman 50Figura 2.29 Nodo 66 y los elementos que lo conforman en la vista del plano XY 50Figura 2.30 Nodo 66 y los elementos que lo conforman en la vista del plano ZY 51Figura 2.31 Nodo 66 y los elementos que lo conforman en la vista del plano XZ 51Figura 2.32 Nodo 65 y los elementos que lo conforman 52Figura 2.33 Nodo 65 y los elementos que lo conforman en la vista del plano XY 52Figura 2.34 Nodo 65 y los elementos que lo conforman en la vista del plano ZY 53Figura 2.35 Nodo 65 y los elementos que lo conforman en la vista del plano XZ 53Figura 2.36 Nodo 53 y los elementos que lo conforman 54Figura 2.37 Nodo 53 y los elementos que lo conforman en la vista del plano XY 55Figura 2.38 Nodo 53 y los elementos que lo conforman en la vista del plano ZY 55Figura 2.39 Nodo 53 y los elementos que lo conforman en la vista del plano XZ 56Figura 2.40 Diagrama que muestra el procedimiento para realizar un anlisis

estructural mediante el MEF. 59

Figura 3.1 Notacin para una subdivisin continua 64Figura 3.2 Elementos Finitos Unidimensionales. 70

Figura 3.3 Elementos Finitos Bidimensionales. 70Figura 3.4 Elementos Finitos Tridimensionales 70Figura 3.5 Elemento Finito tipo Axisimtrico 71Figura 3.6 Keypoints de la subestructura 76Figura 3.7 Lneas de la subestructura 77Figura 3.8 Geometra y localizacin de los nodos para el elemento PIPE16

Elastic Straight Pipe 78

Figura 3.9 Algunos aspectos del elemento PIPE16 en cuanto a los esfuerzos que se generan

79

Figura 3.10 Generacin de malla de los elementos con ms de una divisin 81Figura 3.11 Generacin de malla de los elementos con solo una divisin. 82Figura 3.12 Restricciones en la parte inferior de los elementos principales de la

subestructura, fuerzas aplicadas en los nodos de la misma. 82

Figura 4.1 Deformacin de la subestructura al aplicarle las cargas y fuerzas bajo las que se considera est sometida.

88

Figura 4.2 Deformacin nodal mxima y mnima de la subestructura 88Figura 4.3 Elementos y fuerzas respectivamente de la subestructura. 90Figura 4.4 Distribucin de esfuerzos axiales SDIR en la subestructura con vista

isomtrica 91

Figura 4.5 Distribucin de esfuerzos principales S1 en la subestructura vista por la parte posterior derecha.

92

Figura 4.6 Distribucin de esfuerzos principales S1 en la subestructura vista por la parte posterior teniendo un acercamiento de la parte derecha.

93

NDICE DE FIGURAS

Rafael Carrera Espinoza vi Tesis de Maestra

Figura 4.7 Distribucin de esfuerzos principales S3 en la subestructura vista por la parte posterior derecha.

94

Figura 4.8 Distribucin de esfuerzos principales S3 en la subestructura vista por la parte delantera izquierda.

94

Figura 4.9 Distribucin de esfuerzos segn la teora de Von Mises en la subestructura vista por la parte delantera izquierda inferior.

95

Figura 4.10 Distribucin de esfuerzos segn la teora de Von Mises en la subestructura vista por la parte izquierda inferior.

96

NDICE DE TABLAS

Rafael Carrera Espinoza vii Tesis de Maestra

NDICE DE TABLAS

Tabla 1.1 Propiedades mecnicas de algunos materiales empleados para la construccin de la plataforma PB-KU-S

13

Tabla 2.1 Coeficientes de arrastre mximos para fuerzas de oleaje y Corriente sobre cubierta.

42

Tabla 2.2 Extremos meteorolgicos y oceanogrficos en las reas indicadas considerando huracanes y tormentas de invierno

43

Tabla 2.3 reas relacionadas con ngulos de inclinacin del oleaje 44

Tabla 2.4 Valores de las dkF ' s en profundidades conocidas 46

Tabla 2.5 Valores de las dkF 's obtenidas mediante Interpolacin de Lagrange

48

Tabla 2.6 Fuerzas calculadas para algunos elementos 57

Tabla 2.7 Esfuerzos calculados para algunos elementos 58

Tabla 3.1 Datos de entrada para el elemento. 78

Tabla 3.2 Definicin de algunas propiedades adicionales a la salida de resultados del anlisis del elemento PIPE16.

79

Tabla 3.3 Datos que se ingresan al programa para realizar el estudio de la estructura

80

Tabla 4.1 Deformaciones mximas en los tres ejes de coordenadas obtenidas en la estructura

89

Tabla 4.2 Fuerzas de algunos elementos en cada uno de los ejes obtenidos en ANSYS.

90

Tabla 4.3 Esfuerzos Axiales en algunos elementos obtenidos en ANSYS. 91

Tabla 4.4 Factores de Seguridad crticos. 96

SIMBOLOGA

Rafael Carrera Espinoza viii Tesis de Maestra

SIMBOLOGA

1 , 2 y 3 Esfuerzos Principales u Energa de deformacin

vu Energa de deformacin debida al cambio de volumen

du Energa de deformacin relacionada con la distorsin a volumen constante.

m Esfuerzo medio

E Mdulo de elasticidad.

Relacin de Poisson.

m Deformacin Media

equiv Esfuerzo equivalente de Von Mises F.S. Factor de Seguridad

y Esfuerzo de Fluencia Fdk Fuerzas ejercidas por efecto del Oleaje y Corriente Densidad del Agua Marina

dC Coeficiente de Arrastre Vc Velocidad de partcula de la ola en la cresta g Aceleracin de la gravedad

w k f Coeficiente cinemtico de la ola V Velocidad horizontal del flujo.

cbf Factor de bloqueo de la corriente para la subestructura U Velocidad de la corriente en la superficie

SIMBOLOGA

Rafael Carrera Espinoza ix Tesis de Maestra

A rea mojada.

w ngulo de incidencia de la ola Ax y Ay Proyecciones ortogonales del rea mojada W Peso soportado por los elementos R Reaccin en los apoyos u, v y w Componentes matriciales del desplazamiento. K Matriz de rigidez global Q Vector fuerza nodal q Vector de desplazamiento nodal

TERMINOLOGA

Rafael Carrera Espinoza x Tesis de Maestra

TERMINOLOGA DECK Superestructura de la Plataforma Marina PB-KU-S.

JACKET Subestructura de la Plataforma Marina PB-KU-S.

PB KU S Plataforma de Produccin

PP KU S Plataforma de Perforacin

HA KU S Plataforma Habitacional

API American Petroleum Institute

ASTM American Society for Testing and Materials

MPa Mega Pascales

ISO International Organization for Standardization

DIN Deutsche Industrie Norm

NMM Nivel Medio del Mar

T1 Y T2 Trpodes a Quemador

T3 Trpode de Apoyo para puentes

T-4 Trpode de Apoyo hacia Plataforma Habitacional

A y B Puentes a Quemador

C1 y C2 Puentes de Enlace con Plataforma Habitacional

D y E Puentes de Enlace con Plataforma de Perforacin

P Carga

M Momento Flexionante

N Normal

X,Y,Z Ejes Coordenados

AISI American Iron and Steel Institute SAE Society of Automotive Engineers PIPE16 Elemento Tubular empleado en el anlisis UX,UY,UZ Desplazamientos en los ejes coordenados USUM Desplazamiento resultante mximo

RESUMEN

Rafael Carrera Espinoza xi Tesis de Maestra

RESUMEN En este trabajo se desarroll el anlisis estructural esttico de la subestructura de una plataforma de produccin petrolera del tipo octpoda por medio del mtodo del elemento finito. El estudio est enfocado en los puntos de la estructura considerados como crticos. La subestructura est constitutita de los marcos A, B, 1, 2, 3 y 4. Adems, las plantas en las elevaciones +6.096 m, -5.000 m, -17.000 m, -30.000 m, -44.000 m y - 60.250m. Los elementos de la subestructura son de acero estructural ASTM A572 grado 50, con distintos dimetros y espesores. La principal funcin de la subestructura es soportar el peso de la superstructura, las cargas generadas por el equipo, adems de las cargas debidas a diferentes fenmenos meteorolgicos. Un aspecto fundamental es realizar el estudio de los esfuerzos estticos, as como de las fuerzas que son generadas en cada uno de los elementos que conforman la plataforma debidas a las cargas presentes durante las condiciones de operacin. Esto con la finalidad de verificar el cumplimiento de los requerimientos de un diseo seguro. Por lo tanto, el problema consiste en la evaluacin de los esfuerzos estticos mximos, as como el factor de seguridad bajo condiciones extremas de carga. Los resultados muestran que las zonas crticas en la subestructura se encuentran en la parte inferior de la misma, ya que es donde se presenta las mayores deformaciones en comparacin con la parte superior. As mismo, fue determinado que el esfuerzo mximo es de 304.259 MPa y el factor de seguridad de 1.129 en la parte inferior, los cuales estn dentro de los mrgenes de diseo. Por lo tanto, es claro que la subestructura satisface las condiciones de seguridad estructural. Los resultados presentados en la simulacin son satisfactorios con un porcentaje de error muy bajo comparados con el mtodo tradicional. Finalmente, la aplicacin de los anlisis de elemento finito mediante un programa comercial (ANSYS) en el anlisis estructural de estructuras costa afuera proveen, versatilidad, rapidez y una relativa simplicidad que los mtodos tradicionales. Esto debido a que diversos parmetros como las cargas, dimensiones, propiedades de material pueden se modificados con mayor facilidad en comparacin con los mtodos tradicionales.

ABSTRACT

Rafael Carrera Espinoza xii Tesis de Maestra

ABSTRACT

In this work the static structural analysis of a production offshore substructure (Jacket)

octopus type has been performed by finite element analyses. The study is focused at the

structure points considered as critics. The substructure is build by the frames A, B, 1, 2,

3 and 4. In addition the plants in the elevations +6.096 m, -5.000 m, -17.000 m, -30.000

m, -44.000 m and -60.250 m. The substructure elements are made of structural steel

ASTM-A572 grade 50, with several diameter and wall thickness. The principal function

of the substructure is to carry on the weight of the superstructure, all the loads generated

by the equipment, furthermore the loads due to different meteorological phenomena.

A fundamental aspect is to carry out the study of the static stress, as well as, the forces

that are generated in each one of the elements that conform the platform due to the loads

presented during the operation conditions. In order to verify the requirements

accomplish of safety design. Therefore, the problem consists on the evaluation of the

maximum static stress, as well as the safety factor under extreme load conditions.

The results show that the critical zones in the substructure are in the bottom part, since

present the highest deformations in contrast with the top part. In the same way, the

maximum stress of 304.259 MPa and a safety factor of 1.129 were determined in the

bottom part, which are on the margins of design. So, it was clear that the substructure

satisfied the structural safety condition. The present simulation results gives satisfactory

results within a few percent of error compared with the traditional method.

Finally, the applications of the finite element analysis by means of a commercial

program (ANSYS) in the structural analysis of an offshore structure provide versatility,

speed and relative simplicity than the traditional method. That because of several

parameters as the loads, dimensions, materials properties could be modified relatively

on easy way at difference of traditional methods.

OBJETIVOS Y JUSTIFICACIN

Rafael Carrera Espinoza xiii Tesis de Maestra

ANLISIS DE ESFUERZOS ESTTICOS EN UN NODO DE SEIS ELEMENTOS DE LA SUBESTRUCTURA (JACKET) DE UNA PLATAFORMA MARINA DE

PRODUCCIN TIPO OCTPODA FIJA PB-KU-S

OBJETIVOS

Objetivo General. Realizar el anlisis de Esfuerzos Estticos bajo condiciones de carga extrema en los nodos de seis elementos en la Subestructura (Jacket) de una Plataforma Marina de Produccin Petrolera tipo octpoda fija PB-KU-S, ubicada en el campo KU-MALOOB-ZAAP en la sonda de Campeche. La subestructura ha analizar es de tipo octpoda de forma piramidal truncada, con dos ejes en sentido longitudinal (A y B) y cuatro ejes en sentido transversal (1, 2, 3 y 4) y seis niveles de arriostramiento, las dimensiones en planta, son tornadas en la elevacin +7.315 m; punto de trabajo, el tirante es de 60.25 m. Los marcos 2 y 3 son verticales en el plano longitudinal y con una pendiente de 1:8 en el plano transversal, los marcos 1 y 4 presentan una pendiente de 1:8 en sus dos direcciones [1]. Cabe mencionar que, a peticin del usuario final, en este trabajo sol se analizarn los esfuerzos estticos, empleando el Mtodo del Elemento Finito (MEF). Este trabajo se propone ser utilizado en empresas nacionales dedicadas al diseo y construccin de Plataformas Marinas. Objetivos Especficos.

Definir los lineamientos bsicos a seguir en el anlisis y diseo de las estructuras que forman la plataforma marina fija PB-KU-S.

Obtener resultados confiables, del anlisis de esfuerzos estticos, y estos a su vez puedan servir de referencia para aquellas empresas que se dedican a la fabricacin y diseo de Plataformas Marinas.

Lograr con este trabajo una base para la realizacin de trabajos relacionados con el anlisis y diseo de estructuras de plataformas marinas, empleando el Mtodo del Elemento Finito (MEF).

JUSTIFICACIN Investigaciones realizadas por los departamentos de diseo y construccin de plataformas marinas [2], as como las normas [3], indican que diversos componentes que conforman la subestructura (Jacket) de las Plataformas Marinas han sufrido una serie de daos provocados por la presencia de agentes corrosivos, cambios metereolgicos y ssmicos. Por lo tanto, es de gran importancia conocer el estado de esfuerzos mximos presentes en cada uno de los elementos que componen las plataformas marinas cuando estn sometidas a cargas extremas. De tal manera que con esta informacin se puede garantizar la seguridad de una estructura de dicha magnitud. Las condiciones de carga a las que normalmente se encuentra sujeta una estructura de este tipo son estticas y dinmicas. Cargas estticas tales como el propio peso de la estructura,

OBJETIVOS Y JUSTIFICACIN

Rafael Carrera Espinoza xiv Tesis de Maestra

el peso del personal y peso del equipo; por otro lado, las cargas dinmicas originadas por factores metereolgicos (como huracanes, tormentas y ciclones) y ssmicos [4]. REFERENCIAS

1 ICA, Bases de diseo de la plataforma octpoda de produccin, julio 2003 2 Instituto Americano del Petrleo Recomendaciones prcticas para la planeacin,

diseo y construccin de plataformas costa fuera, enero 2002 3 Norma PEMEX No. NRF-003-PEMEX-2000 Diseo y evaluacin de

plataformas marinas fijas en la Sonda de Campeche 4 CELASA Constructora de Estructuras Metalmecnicas, Plataformas de

Perforacin, Produccin, Habitacionales, Oleoductos, Gaseoductos,2006.

INTRODUCCIN

Rafael Carrera Espinoza 1 Tesis de Maestra

INTRODUCCIN

El petrleo en la actualidad es sin lugar a dudas una de las sustancias ms valiosas que proporciona la tierra. Es considerado como un producto no renovable, el cual debe explotarse de manera cuidadosa utilizando mtodos que garanticen por completo su aprovechamiento. El hombre desde sus inicios ha sabido emplear los recursos naturales que brinda la naturaleza para lograr sobrevivir; de esta manera, fue capaz de aprovechar el petrleo, fuente de energa que ha ido marcando la pauta para lograr un desarrollo da a da eficiente. El petrleo, es un lquido oleoso, menos denso que el agua, de color obscuro y olor fuerte, arde fcilmente, y despus de refinado tiene diversas aplicaciones, obtenindose de l distintos productos utilizables con fines energticos o industriales, tales como la nafta, queroseno, gasleo y gasolina. Se halla en el interior de la tierra y en algunas ocasiones forma grandes yacimientos. Es un compuesto bsicamente formado por hidrocarburos debido a la combinacin de carbono e hidrgeno, aunque puede contener elementos diferentes como azufre, oxgeno, nitrgeno y algunas huellas de sustancias metlicas como fierro, fsforo y vanadio. El petrleo se halla distribuido en muchos lugares del mundo, pero siempre en aquellos donde existieron sedimentos marinos. Hay ciertas zonas de nuestro planeta especialmente favorecidas, tales como las que bordean al mar de las Antillas o Caribe, la seccin meridional de los Estados Unidos, el Golfo de Mxico, las zonas Arbigas e Iranicas del Golfo Prsico, la costa occidental del mar Caspio, la oriental y suboriental de Rusia Europea y el Sahara en el norte de frica, sur de Francia norte de Alemania, Holanda, centro y sur de Italia Austria y Polonia [I.1]. En nuestro pas los estados que se encuentran en el Golfo de Mxico, son los principales productores de petrleo, tanto en tierra, como en plataforma marina costa fuera.

Figura I.1 Mapa de Localizacin de plataformas

INTRODUCCIN


En Mxico ms del 80 % del petrleo se obtiene a travs de las tcnicas de perforacin martimas. El departamento de Pemex Exploracin y Produccin cuenta con una infraestructura para la explotacin de hidrocarburos en la Sonda de Campeche de aproximadamente 200 plataformas marinas fijas y 1900 Kilmetros de tubera submarina. Con esta infraestructura, este departamento maneja una produccin de crudo del orden de 2.1 Miles de Millones de Barriles Por Da y una produccin de gas de 1500 Miles de Millones de Pies Cbicos Diarios [I.2].

Para la extraccin del petrleo mediante estas tcnicas se emplean plataformas marinas, las cuales se clasifican segn la funcin que cumplen, y de esta manera pueden ser de perforacin, habitacionales, produccin, compresin, enlace o de telecomunicaciones. Tambin se clasifican de acuerdo a su sistema de sustentacin, utilizndose en Mxico y en la mayora de los pases productores las conocidas como tipo jacket, las cuales son de acero fijndose al suelo marino a travs de pilotes. Este tipo de plataformas tuvieron su origen en los Estados Unidos, habindose instalado la primera de este tipo en 1946 [I.3].

De las estructuras empleadas para la extraccin del petrleo costa afuera se ha determinado que las Plataformas Marinas de Produccin soportan una mayor cantidad de carga en comparacin con las plataformas habitacionales, de enlace, perforacin, etc.

Las Plataformas Marinas de Produccin estn sometidas a diversas condiciones de carga que provocan una disminucin en la resistencia mecnica de sus componentes; adems, estn presentes algunos agentes agresivos tales como la presencia de agentes corrosivos, rfagas intermitentes de viento con periodos que varan en duracin, mareas y erosin en el fondo del mar, provocando riesgos en el rea de trabajo, fuertes prdidas humanas y econmicas.

Un acontecimiento de gran repercusin fue por ejemplo, el paso del huracn Roxana en 1996. Dicho fenmeno meteorolgico permaneci estacionado dos das cerca de las instalaciones localizadas en sonda de Campeche y gener olas de hasta 17 metros de altura, situacin que someti a grandes esfuerzos mecnicos a las plataformas ah ubicadas [I.3].

Dado a que en las ltimas dcadas se ha observado el paso de diversos fenmenos meteorolgicos, surge la necesidad por parte de las empresas que se dedican al diseo y construccin de plataformas marinas, de realizar los diversos anlisis en las estructuras de las plataformas marinas que se emplean para la produccin, perforacin y extraccin del petrleo. Los factores que se deben tomar en cuenta para la seleccin de un sistema apropiado de produccin son: caractersticas del yacimiento (con cantidad de gas y agua presente), tipo y nmero de pozos, energa disponible (energa elctrica, compresin de gas, entre otros), tipos de fluidos y volumen a manejar, problemas de operacin, caractersticas de las tuberas, costos de operacin, vida til del equipo y localizacin (martima, terrestre, urbana y rural entre otros) [I.4]. En la actualidad se sabe que la cantidad de carga presente en cada una de las estructuras que conforman las plataformas requieren una confiabilidad para asegurar una eficiencia

INTRODUCCIN


ptima para la obtencin de ste recurso necesario, ya que los riesgos que implica el no realizar anlisis estticos, dinmicos entre otros, aumentan en mayor medida accidentes, fuertes prdidas econmicas y riesgos que se pudiesen presentar. [I.5]. De esta manera, en este trabajo se analizar el efecto que provocan estas condiciones de carga aplicada a las estructuras de las Plataformas Marinas de Produccin empleando el Mtodo del Elemento Finito Mediante el programa Ansys, ya que con este ltimo se podr visualizar, analizar y proponer posibles soluciones a los elementos que se pudieran encontrar en riesgos de operacin de trabajo. De acuerdo a lo anterior el trabajo queda dividido de la siguiente manera: En el captulo I se presentan las generalidades de las Plataformas Marinas de produccin y se plantean aspectos generales de las mismas, finalizando con el planteamiento del problema, el cual se analizar en este trabajo. En el captulo II se presenta la metodologa del anlisis de esfuerzos estticos en una subestructura (Jacket) de una Plataforma Marina de Produccin ubicada en la Sonda de Campeche, dicho anlisis se desarrollara mediante la tcnica de secciones y el MEF. En el captulo III se describe el anlisis del caso de estudio empleando el Mtodo del Elemento Finito (MEF). En el captulo IV se presenta la evaluacin de los resultados obtenidos en los captulos II y III referente al anlisis de esfuerzos estticos en una subestructura (Jacket) de una Plataforma Marina de Produccin ubicada en la Sonda de Campeche Finalmente se presentan las conclusiones as como las recomendaciones para trabajos a futuro. Cabe sealar que dentro de la SEPI-ESIME existen antecedentes de aplicacin del Mtodo del Elemento Finito en el anlisis estructural en diferentes reas. A continuacin se citan algunos considerados como representativos: En el rea de transporte se han realizado trabajos relacionados con optimizacin de diseo de vehculos de traccin elctrica [I.6], anlisis de esfuerzos de: chasis de autos prototipo [I.7], bastidor de truck del conjunto chasis de bogie de los vagones del sistema colectivo metro [I.8], carros guiados de autobuses comerciales [I.9]. Tambin se han abordado el estudio y anlisis de diversos componentes de partes automotrices como camisas de motores [I.10], partes automotrices tubulares [I.11], sistemas de transmisin de velocidad variante [I.12], optimizacin de sistemas de suspensin [I.13]. Las aplicaciones del MEF en otras reas como la aeronutica, anlisis de esfuerzos en la caja de torsin de un ala [I.14]; aplicaciones en la industria nuclear, anlisis de la contencin primaria tipo MARK II de un reactor nuclear de agua en ebullicin BWR [I.15]; En la industria naval se realizo el anlisis del casco de una embarcacin transportadora de sal [I.16]; y en el rea agrcola se desarroll una metodologa de diseo de una transmisin de un mini tractor agrcola [I.17].

INTRODUCCIN


En este trabajo se aborda y realiza la aplicacin del MEF a una subestructura de una plataforma marina de produccin tipo octpoda fija. Esto con el objetivo de realizar el anlisis de esfuerzos estticos bajo condiciones de carga extrema. Para que dichos resultados puedan servir como referencia para aquellas empresas que se dedican a la fabricacin y diseo de Plataformas Marinas y en la evaluacin de las condiciones de seguridad de la misma, as como definir lineamientos bsicos a seguir en el anlisis y diseo de dicho tipo de estructuras.

INTRODUCCIN


REFERENCIAS I.1 American Petroleum Institute, Recommended Practice for planning, Designing

and Constructing Fixed Offshore Platforms Working Stress Design, 20a Edition Julio del 2003

I.2 IMP Exploracin y Produccin Zona Sur, Dr. Rogelio Resendiz Franco, 2004 I.3 ID Investigacin y desarrollo, Periodismo de Ciencia y tecnologa, noviembre del

2001 I.4 Instituto Americano del Petrleo Recomendaciones prcticas para la planeacin,

diseo y construccin de plataformas costa fuera, enero 2002 I.5 Manual del Bombeo de Produccin Departament American Petroleum

Institute, junio del 2001 I.6 Cervando Antonio Osuna Amparo, Anlisis Estructural y Optimizacin del

Chasis de un Vehculo de Traccin Elctrica, Tesis De Maestra, Instituto Politcnico Nacional, Mxico D.F., 1999

I.7 Orlando Prez Severiano, Anlisis de Esfuerzos Numrico-Experimental en un Chasis de Auto SAE Mini-Baja, Tesis De Maestra, Instituto Politcnico Nacional, Mxico D.F., 2005

I.8 Alfonso Meneses Amador Anlisis estructural del bastidor de truck del conjunto chasis de bogie de los vagones del sistema colectivo metro, Tesis De Maestra, Instituto Politcnico Nacional, Mxico D.F., 2006

I.9 Isabel Esteban Gmez Valenzuela, Anlisis Estructural del Carro Guiado de Un Autobs Comercial, Tesis De Maestra, Instituto Politcnico Nacional, Mxico D.F., 2002

I.10 Lus Alberto Batista, "Metodologa para el Anlisis de Esfuerzos de las Camisas de Motores Automotrices por el Mtodo del Elemento Finito", Tesis De Maestra, Instituto Politcnico Nacional, Mxico D.F., 1996

I.11 Rolando Humberto Aguilera Tarrago, "Anlisis de Fallas Elastoplsticas en Soldaduras de Partes Automotrices Tubulares de Acero Inoxidable", Tesis de Maestra, Instituto Politcnico Nacional, Mxico D.F., 1997

I.12 Francisco Rosales Iriarte, Diseo y Anlisis de un Sistema de Transmisin de Velocidad Variable para un Auto SAE-Minibaja, Tesis De Maestra, Instituto Politcnico Nacional, Mxico D.F., 2003

I.13 Gabriel Rojas Vzquez, Optimizacin de un Sistema de Suspensin Trasera tipo Muelle con el Programa ADAMS, Tesis De Maestra, Instituto Politcnico Nacional, Mxico D.F., 2003

I.14 Martn Castillo Morales, Anlisis de Esfuerzos en la Caja de Torsin de un Ala, Tesis De Maestra, Instituto Politcnico Nacional, Mxico D.F., 2002.

I.15 Noel Moreno Cuahquentzi, Anlisis de esfuerzos de la contencin primaria tipo MARK II de un reactor nuclear de agua en ebullicin BWR, Tesis De Maestra, Instituto Politcnico Nacional, Mxico D.F., 2002

I.16 Jos Carlos Zarco Gonzlez, "Anlisis Estructural por el Mtodo del Elemento Finito del Casco de una Embarcacin Transportadora de Sal de 101.6 m de Eslora", Tesis De Maestra, Instituto Politcnico Nacional, Mxico D.F., 1998

I.17 Juan Roberto Rodrguez Bello, Desarrollo tecnolgico de una metodologa para el diseo de una transmisin de un mini tractor agrcola, Tesis De Maestra, Instituto Politcnico Nacional, Mxico D.F., 2006

CAPTULO I GENERALIDADES


PERFORACION ENLACE

HABITACIONAL

PRODUCCION y COMPRESION

CAPTULO I

GENERALIDADES SOBRE

PLATAFORMAS MARINAS

En este captulo se presentan los aspectos generales relacionados con las plataformas de produccin marina, las cargas a las que estn sujetas, riesgos a que se someten y sus posibles soluciones para poder evitarlas. Finalmente, se presenta la definicin del problema, razn principal para el desarrollo del presente trabajo.



1.1 Generalidades acerca de las estructuras de las plataformas marinas de

produccin Uno de los aspectos clave en el desarrollo de la industria ha sido la explotacin de yacimientos petroleros ubicados en zonas marinas, las cuales se realizan por medio de plataformas. En general, difieren mucho dependiendo del tipo de actividad que desempean. En la Sonda de Campeche se encuentran ubicados la mayor parte de los complejos marinos, figura 1.1

Figura 1.1 Sonda de Campeche

En esta zona se encuentran plataformas de produccin, de compresin, de enlace, habitacionales, de inyeccin de agua, de estabilizacin de crudo, de rebombeo, de comunicaciones y de perforacin, mismos que comprenden el complejo AKAL L, AKAL B, KU-MALOOB-ZAAP, AKAL J, AKAL C, NOHOCH A, entre otros como se muestra en la figura 1.2

Figura 1.2 Plataformas en la zona



Una de las principales funciones en el proceso de la obtencin del crudo hasta antes de su utilizacin, la lleva a cabo la plataforma de produccin. Esta realiza numerosas acciones tales como la separacin de aceite y gas, bombeo de crudo a otros centros de distribucin, generacin de energa elctrica y servicios auxiliares entre otros, una plataforma de este tipo se puede ver en la figura 1.3

Figura 1.3 Plataforma de Produccin Las plataformas de produccin operan con diversos equipos sumamente pesados tales como: los separadores, turbogeneradores de energa elctrica, plantas de acondicionamiento de gas combustible, sistemas de desfogue con quemadores, plantas deshidratadoras de gas, gras de maniobras, compresores recuperadores de vapores, as como turbobombas de aceite crudo, y un sin nmero de accesorios colocados en la base de sus estructuras, mismas que son sometidas como consecuencia a una gran cantidad de cargas como puede verse en las figuras 1.4 a) y b). a) b)

Figuras 1.4 Equipos que provocan cargas en una Plataforma Marina de Produccin



Adems, estas plataformas estn expuestas a condiciones meteorolgicas y oceanogrficas extremas. El viento ejerce presiones en las porciones de la estructura encima de las aguas y en el equipo de la plataforma como puede verse en la figura 1.5 a). La velocidad del viento se clasifica en rfagas intermitentes con periodos que varan en duracin, viento a velocidad sostenida, con poca variacin en su intensidad. Casos como este se observan en la figura 1.5 b). La velocidad sostenida del viento se emplea en donde las tempestades se clasifican por su intensidad de la velocidad del viento. La velocidad sostenida es la que perdura ms de 5 minutos y se repite varias veces durante una tormenta. a) b)

Figuras 1.5 Presencia de ciclones en la Plataforma de produccin Las olas empujadas por el viento durante una tormenta son una fuente de las fuerzas que actan en las estructuras construidas en el mar. Cabe mencionar que es difcil de determinar la intensidad y aplicacin de la fuerza de las olas. Las olas tienen un nmero infinito de formas, tamaos y pueden golpear la estructura desde cualquier direccin. Aunque se modelan de una sola manera. Por otra parte las mareas se clasifican en:

Marea lunar o astronmica Marea de viento Mareas debido a diferencias de presin

La suma de estas tres clases de mareas se llama marea de la tempestad. En el diseo de una Plataforma fija, la elevacin de la marea de la tempestad es el dato sobre el cual las mareas se superponen as como las variaciones en las elevaciones de las mareas lunares.



Una plataforma de produccin est constituida por tres partes principales: la subestructura, que es el segmento que se ubica del nivel del agua al lecho marino; la superestructura, que se refiere a la parte que se ve a simple vista sobre el agua, y la cimentacin, conformada por pilotes o tubos de punta abierta con espesores variables, que se encargan de transmitir toda la carga que soporta la estructura al suelo de cimentacin, la cual puede ser carga viva (personal, equipos y materiales no permanentes), carga muerta (peso de elementos estructurales secundarios) y carga de equipo (peso del equipo permanente), figura 1.6

Figura 1.6 Partes principales de una plataforma de produccin

SUPERESTRUCTURA

SUBESTRUCTURA

JACKET

CIMENTACIN



1.2 Caractersticas generales de la Plataforma de Produccin PB-KU-S La plataforma de produccin octpoda PB-KU-S se encuentra ubicada en el campo KU-MALOOB-ZAAP en la sonda de Campeche. A continuacin se muestran los aspectos generales relacionados con el caso de estudio para su anlisis. 1.2.1 Plataforma de Produccin PB-KU-S La plataforma de produccin PB-KU-S est compuesta de una subestructura, una superestructura, pilotes y accesorios tales como dos puentes y un trpode intermedio, el cual sirven de enlace entre las plataformas PB-KU-S y HA-KU-S, dos puentes y un trpode que conectan a las plataformas PB-KU-S y PP-KU-S y dos puentes y dos trpodes, los cuales sirven de enlace entre la plataforma PB-KU-S y la trpode del quemador.

Figura 1.7 Plataforma de Produccin PBKUS Vista lateral 1.2.2 Materiales que conforman la Plataforma de produccin PB-KU-S Los materiales con los que cuenta esta plataforma son seleccionados con base a las normas [1.1], complementndose con lo especificado en la prctica recomendada [1.2] y sus suplementos correspondientes son:

1) Acero estructural API 5L Grado B 2) Acero estructural ASTM A36 3) Acero estructural ASTM A572 Grado 50 4) Acero estructural API 5L Grado X52 5) Acero estructural API 2H Grado 50

Dichos materiales son empleados para fabricar las secciones tubulares, las placas y perfiles estructurales, entre otros, tal como se muestra en la figura 1.8.



Figura 1.8 Tubos, Placas y Perfiles Algunas recomendaciones que se siguieron, se mencionan a continuacin. Para seccin tubular: Se sugirieron aceros API 5L Grado B, con un esfuerzo de fluencia de 240 MPa, aceros ASTM A36 cuya fluencia sea al menos con un valor de 250 MPa, aceros API 5L Grado X52 cuya fluencia sea de 360 MPa y aceros ASTM A572 Grado 50 con un valor mnimo de fluencia de 345 MPA, figura 1.9.

Figura 1.9 Transporte de tubos



En la tabla 1.1 se muestran las propiedades mecnicas de algunos materiales que se enuncian en el prrafo anterior. [1.3], [1.4], [1.5].

Tabla 1.1 Propiedades Mecnicas de Materiales empleados para la construccin de la plataforma PB-KU-S

Nmero de

Material

Nombre

Comercial

Designacin

ISO

Estndar

USA

Designacin

USA

1 ----------- API 5L Grado B

2 Acero Estructural ----------- ASTM A36 ----------

3 Acero Estructural 630 Fe 52-B ASTM A572 Grado 50

4 ----------- API 5L Grado X52

Nmero de

Material

Esfuerzo Ultimo (MPa)

Esfuerzo de Cedencia

(MPa)

Esfuerzo Fatiga (MPa)

Elongacin (%)

1 414 241 --------- ----------- 2 400 250 -------- 30 3 490 350 265 22 4 455 359 ----------- -----------

Para Placas: Se recomiendan aceros ASTM Grado A36 o con un esfuerzo de fluencia de 250 MPa, aceros ASTM Grado A572 con un esfuerzo de fluencia de 345 MPa y aceros API 2H Grado 50 con valores de fluencia de 345 MPa. La superestructura est formada por ocho columnas, espaciadas entre 12.192 m en el sentido longitudinal (tres espacios) y 17 m en el sentido transversal (un espacio), formado por marcos rgidos rectangulares, dos longitudinales y cuatro transversales (1, 2, 3 y 4), soportando dos cubiertas. El dimetro mnimo que se emplea en las columnas es de 48 y las trabes principales de perfiles armados de tres placas, los sistemas de piso son de perfiles abiertos laminados de diferentes tipos. Las columnas de las superestructuras se conectan a la subestructura con una conexin rgida en el punto de trabajo en la elevacin +7.315 m. La superestructura cuenta con tres sistemas de piso o cubiertas y dos mezzanines intermedios la cubierta principal de 57.576 m X 35.000 m , localizado a la elevacin +41.000 m, la cubierta secundaria de 57.576 m X 37.000 m, localizado a la elevacin 31.100 m, la cubierta inferior de 54.576 m X 35.000 m , localizado a la elevacin +19.100 m, un mezzanine de 32.000 m X 13.000 m localizado a la elevacin +22.100 m y un subnivel de 12.192 m X 17.000 m localizado a la elevacin +15.100 m y estn destinadas a alojar los equipos y ductos solicitados por el cliente en sus bases.



Las cubiertas tienen piso a base de rejilla dentada tipo Irving o similar de 1 X 3/16 galvanizada. Las elevaciones estn dadas con respecto al Nivel Medio del Mar (NMM). El izaje de la superestructura es considerado de una sola pieza, donde se incluye los tres niveles de cubierta, equipos tuberas y accesorios de la plataforma PB-KU-S. El tipo de material que se emplea en la fabricacin de la superestructura es acero estructural (ASTM A36 o ASTM A572 Grado 50), para secciones abiertas y placas de diferentes dimensiones. En secciones tubulares se usa acero ASTM A572 Grado 50 o API-2H Grado 50. Toda la estructura miscelnea como son los barandales, rejilla tipo Irving, est fabricada de acero al carbono ASTM A36 galvanizado. 1.2.3 Accesorios de la Superestructura octpoda (DECK) que compone a la Plataforma de produccin PB-KU-S Los accesorios con los que cuenta la plataforma son los siguientes: orejas de izaje, escaleras, camisas de bombas, pedestal para gras, apoyo de capsulas de salvamento, barandales, subnivel de operacin de vlvulas pasillos de comunicacin, etc., figura 1.10, se muestran algunos de los accesorios.

Figura 1.10 Accesorios de plataforma para su instalacin

Adems, se cuenta con un subnivel ubicado en la elevacin + 15.100 m, para soportar el sistema de drenaje de la plataforma PB-KU-S. Se provee de dos escaleras desde el nivel de la cubierta inferior a la cubierta superior de la superestructura, contando con pasillos (walkway) a la elevacin + 6.815 m, los cuales tienen un sistema de piso a base



de rejilla dentada tipo Irving de 1 X 3/16, el acero y rejilla debern ser galvanizados, figura 1.11

Figura 1.11 Superestructura de una plataforma marina

1.2.4 Subestructura octpoda (JACKET) La subestructura est diseada para que soporte la superestructura y todo el equipo necesario, es de tipo octpoda de forma piramidal truncada, con dos ejes en sentido longitudinal y cuatro ejes en sentido transversal y seis niveles de arriostramiento, las dimensiones en planta, sern tornadas en la elevacin +7.315 m; punto de trabajo, el tirante ser de 60.250 m. Los marcos 2 y 3 sern verticales en el plano longitudinal y con una pendiente aparente de 1:8 (82.87498365) en el plano transversal, mientras que los marcos 1 y 4 tendrn la misma pendiente aparente en sus dos direcciones, comparando el aparente con el real que es de 1:693 (81.78888973). La parte alta de las columnas del Jacket est ubicada a la elevacin +6.858 m y el primer arriostramiento horizontal est en la elevacin +6.096 m, el arriostramiento en la parte baja est en la elevacin -60.250 m, y los pilotes se cortan en la elevacin +7,315 m (punto de trabajo). En la figura 1.12 se muestra una superestructura de una plataforma marina. La conexin entre el pilote y la columna de la superestructura es de tipo sin mortero con corona concntrica (ungrouted with crowm shim).



Figura 1.12 Subestructura octpoda (Jacket) de una plataforma marina 1.2.5 Trpode de apoyo (T4), para puentes hacia la plataforma habitacional HA-KU-S (puentes C1 y C2) La plataforma PB-KU-S cuenta con un trpode intermedio (T4) para apoyo de los puentes que la conectan con la plataforma habitacional HA-KU-S, tambin se disponen de dos puentes a base de diseos estructurales tubulares. El puente C1 va de la plataforma PB-KU-S al trpode intermedio T4, y el puente C2 del trpode, a la plataforma HA-KU-S. Ambos son de uso peatonal y para lneas de servicio. Cuentan con un sistema de monorriel para un peso de diseo de 1 ton (1,000 kg.). El diseo del pasillo peatonal y de traslado tienen un ancho mnimo de dos metros, los puentes son de seccin triangular de 4.98 m de ancho y 6.00 m de alto con una longitud aproximada de 75.00 m cada uno. Considerndose para un solo izaje. El diseo por viento es transversal. Los puentes estn hechos para soportar lneas de servicio, recuperacin de lquidos y del sistema del desfogue. La cimentacin es a base de pilotes de seccin tubular que se dise de acuerdo a su localizacin, la placa base de apoyo de la subestructura es a base de placas de acero y trabes de apoyo. La plataforma del trpode intermedio tiene forma rectangular con una dimensin aproximada de 6.2 m por 5.5 m. Las columnas de la superestructura se conectan a la subestructura con una conexin rgida en el punto de trabajo en la elevacin +7.315 m.



1.2.6 Dos puentes (A y B) y dos trpodes a quemador (T1 Y T2) Se cuenta con un trpode intermedio para apoyo de puentes e instalacin del equipo recuperador de lquidos al quemador; as como, un trpode para la instalacin del quemador (T1) y apoyo del puente al trpode intermedio (T2). Se conoce como puente A, al que va del trpode intermedio a el trpode del quemador, y el puente B, est entre la plataforma PB-KU-S y el trpode intermedio. Las estructuras de los trpodes son de tres columnas tubulares con separacin de 10.0 m entre columnas y una pendiente de 1:8 aparente (1:6.93 real). La superestructura cuenta con un nivel de cubierta principal localizada a la elevacin +19.100 m. Est formada por marcos a base de columnas y trabes de acero estructural. La subestructura es del tipo Jacket, para un tirante de 60.25 m. las columnas de la superestructura se conectan a la subestructura con una conexin rgida en el punto de trabajo en la elevacin +7.315 m. La plataforma del trpode del quemador es de forma rectangular con una dimensin aproximada de 12.0 m X 12.0 m y la plataforma del trpode intermedio de forma rectangular con una dimensin aproximada de 21.0 m X 16.0 m. Las dimensiones de longitud, orientacin de los puentes y altura del quemador estn en funcin del anlisis de radiacin de los volmenes de gas, as como del posicionamiento de embarcaciones para mantenimiento y/o construccin. Los puentes que unen la plataforma PB-KU-S y el quemador se disean a base de elementos estructurales tubulares y para soportar lneas de servicio, recuperacin de lquidos y del sistema de desfogue. Cuentan con un pasillo de acceso de operacin y mantenimiento con un ancho mnimo de 1.5 metros. Las tuberas estn montadas en el puente desde el patio de fabricacin. Son de seccin triangular de 5.83 m de ancho y 7.00 m de alto, con una longitud aproximada de 85.0m, considerando su localizacin por un solo izaje. El diseo del viento ser transversal. 1.2.7 Trpode de apoyo (T3), para puentes de plataforma PB-KU-S a plataforma de perforacin PP-KU-S, (puentes D Y E). Se cuenta con un trpode intermedio (T3) para apoyo de los puentes que conectan a la plataforma de produccin PB-KU-S y la plataforma de perforacin PP-KU-S, para el cual tambin se disean dos puentes a base de elementos estructurales tubulares. El puente D es de PB-KU-S al trpode intermedio T4, y el puente E va del trpode intermedio T4 a la plataforma PP-KU-S. Ambos puentes son para uso peatonal y lneas de servicio. Cuentan con un sistema de monorriel para un peso de diseo de 1 ton (1,000 kg.). El diseo del pasillo peatonal y de traslado tiene un ancho mnimo de 2 m., los puentes son de seccin rectangular de 5.50 m de ancho y 8.0 m de alto con longitud aproximadas de 111.0 m y 106.0 m. Considerndose para un solo izaje. El diseo por viento es transversal. Los puentes se disean a base de elementos estructurales tubulares y sirven para soportar lneas de servicio, recuperacin de lquidos y del sistema de desfogue. La cimentacin es a base de pilotes de seccin tubular que se disearon de acuerdo a su



localizacin. La placa base de apoyo de la subestructura est fabricada a base de placas de acero y trabes de apoyo. La subestructura es de tipo Jacket para un tirante de 60.25 m la cual est integrada por tres columnas tubulares con separacin de 10.0 m entre columnas y una pendiente de 1:8 aparente (1:6.93 real), intercaladas con elementos de arriostramiento. La plataforma del trpode intermedio es de forma rectangular con una dimensin aproximada de 6.7 m X 4.8 m. Las columnas de la superestructura se conectan a la subestructura con una conexin rgida en el punto de trabajo en la elevacin +7.315 m. 1.2.8 Cimentacin de la plataforma PB KU S y trpodes La cimentacin de la plataforma y trpodes son a base de elementos tubulares, con espesores en funcin de la variacin de los elementos mecnicos a lo largo del pilote. Esta hecha con aceros ASTM A572 Grado 50, API 5L Grado X52 Y ASTM A-36. Se emplean ocho pilotes de 48 de dimetro. Existe un trpode de intermedio para apoyo de los puentes que conectan a la plataforma de produccin PB-KU-S y la plataforma habitacional HA-KU-S; tambin se cuenta con dos puentes, el primer puente es de la plataforma PB-KU-S al trpode intermedio T4, y el segundo puente que va del trpode a la plataforma HA-KU-S. Ambos son de uso peatonal y para lneas de servicio. Cuentan con un sistema de monorriel para un peso de diseo de 1 ton (1,000 kg.). El pasillo peatonal y de traslado tiene un ancho de 2 m., los puentes son de seccin triangular de 4.98 m de ancho y 6.00 m de alto con una longitud aproximada de 75.00 m cada uno. Considerndose para un solo izaje. Los puentes estn hechos a base de elementos estructurales tubulares y soportan lneas de servicio, recuperacin de lquidos y el sistema del desfogue. 1.3 Definicin del problema De las estructuras empleadas para la extraccin del petrleo en la zona martima (costa afuera) se ha determinado que las Plataformas Marinas de Produccin soportan una mayor cantidad de carga en comparacin con las otras plataformas. El buen funcionamiento de una Plataforma de Produccin depende de su integridad estructural, razn por la cual al iniciar un diseo es necesario conocer los factores que pueden provocar la disminuin de resistencia mecnica producidos por las cargas presentes, concentraciones de esfuerzo en las uniones, discontinuidades geomtricas en sus componentes, corrosin y fatiga, entre otros. Razn por la cual, es necesario considerar criterios de diseo adecuados que permitan garantizar la seguridad en el campo de la ingeniera petrolera. Todas estas condiciones extremas a las que estn sujetas las plataformas las reciben las estructuras con las que fueron instaladas. Es por esto que para analizar y evaluar la vida remanente de la estructura que conforman las Plataformas Marinas de produccin, es necesario conocer las condiciones a las que estn expuestos y as como los componentes de las mismas.



Figura 1.13 Plataforma de Produccin PBKUS vista isomtrica

En el presente trabajo se lleva a cabo el anlisis estructural de la plataforma de Produccin PBKUS. Para la cual se caracterizarn cada uno de sus componentes; es decir, se determinan las caractersticas geomtricas, propiedades mecnicas de los materiales, as como el tipo, ubicacin y magnitud de las cargas que se presentan, figura 1.13. Dicho anlisis se realizar empleando el mtodo de secciones y el Mtodo del Elemento Finito, este segundo a travs de un programa comercial (ANSYS), mediante el cual se simular un comportamiento de dicha estructura en condiciones estticas bajo cargas extremas. Esto con la finalidad de obtener resultados confiables y que a su vez puedan servir como referencia para empresas dedicadas a la fabricacin y construccin de plataformas marinas.



REFERENCIAS 1.1 Norma PEMEX No. NRF-003-PEMEX-2000 Diseo y evaluacin de

plataformas marinas fijas en la Sonda de Campeche.

1.2 API-RP-2A-WSD (Recommended Practice for Planning Desing, And Construction of Fixed Offhore Platforms) 21 edition

1.3 Andrew D. Dimarogonas, Mechine Desing A CAD APPROACH, John Wiley & Sons, 2001.pp 970.

1.4 Ansel C. Ugural, Mechanical Desing An integrated APPROACH,1st ed., Mc Graw-Hill, 2004, pp 768.

1.5 API-RP-5L (Specification for Line Pipe) Forty-Second Edition, 2000.

CAPTULO II METODOLOGA DEL ANLISIS DE ESFUERZOS ESTTICOS


CAPTULO II

METODOLOGA DEL ANLISIS DE ESFUERZOS ESTTICOS EN UNA SUBESTRUCTURA (JACKET) DE UNA PLATAFORMA MARINA DE

PRODUCCIN

En este captulo, se presenta la metodologa bsica con la que se calculan los esfuerzos estticos mximos en los nodos de los elementos en una subestructura jacket de la plataforma marina de produccin, tipo octpoda PB-KU-S.



2.1 Introduccin. En el presente captulo se describirn dos metodologas para el anlisis de esfuerzos estticos en una subestructura (jacket) de una plataforma marina de produccin. La primer metodologa es de tipo convencional se desarrollara empleando la tcnica de secciones para determinar las fuerzas que actan en los elementos que conforman dicha estructura. La segunda metodologa se plantea en base al Mtodo del Elemento Finito. Mediante dichas metodologas se determinan los valores de fuerzas y esfuerzos con la finalidad de comprar ambos resultados posteriormente. 2.2 Generalidades sobre el Anlisis de esfuerzos estticos en la subestructura de

una plataforma marina de produccin. 2.2.1 Materiales empleados para la fabricacin de estructuras. Generalmente las estructuras metlicas estn fabricadas de aceros al carbono, los cuales se pueden clasificar de diferentes maneras [2.1], por ejemplo:

Por el mtodo de manufactura. Este da lugar, al acero obtenido por el horno bsico de oxgeno con una produccin del 70% y los hornos de arco elctrico un 30 %, actualmente los mas utilizados.

Debido a su uso. Se refiere a la aplicacin que se le dar una vez procesado, como aceros para mquinas, aceros para estructuras, aceros para resortes, aceros para calderas y aceros para herramientas.

Por su composicin qumica. Se emplea un mtodo el cual indica, por medio de un sistema numrico, el contenido aproximado de los elementos importantes en el acero.

Las especificaciones para los aceros representan los resultados del esfuerzo conjunto del Instituto Americano de Hierro y Acero (AISI) y la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) en un programa de simplificacin destinado a lograr mayor eficiencia para satisfacer las necesidades del acero en la industria. Dentro de este marco de clasificaciones, los aceros al carbono y aceros aleados son de los de uso ms comn en las estructuras y tienen una amplia gama de aplicaciones. De esta forma la SAE y el AISI, clasifican a los aceros en: Aceros al Carbono, Aceros Aleados, Aceros de baja Aleacin de baja resistencia, Aceros de Fase Dual, Aceros Inoxidables y Aceros para herramientas y dados. De estos aceros, los aceros al carbono y aceros aleados son los ms empleados en las Estructuras de las Plataformas Los aceros al carbono se clasifican por lo general, en funcin a la proporcin del contenido de carbono que estos tengan. Estos aceros se clasifican en:

Bajo Carbono, tambin conocidos como aceros suaves o dulces. Los cuales tienen menos de 0.20% de carbono. Comnmente son utilizados en partes de lmina metlica para automviles, entre otros.

Medio Carbono. Estos tienen de 0.20% a 0.50% de carbono, son generalmente utilizados en aplicaciones donde requieren una resistencia ms elevada tal como



en la fabricacin de engranes, ejes, bielas, cigeales entre otras partes de motores.

Alto Carbono. Son aquellos que tienen ms del 0.50% de carbono, se utilizan por lo general para partes que requieren una alta resistencia mecnica, dureza y resistencia al desgaste, algunos ejemplos son los resortes, las cuchillas, ballestas, portamatrices, hojas de tijeras entre otros.

Las composiciones y el procesamiento de los aceros son controlados de manera que los hace adecuados para numerosos usos. A los aceros se les agrega varios elementos de aleacin, con la finalidad de mejorar sus propiedades de templabilidad, tenacidad (cualquier dureza o resistencia mnima), las propiedades mecnicas tanto a altas como a bajas temperaturas, las propiedades magnticas, la capacidad de trabajo, aumentar la resistencia al desgaste y la resistencia a la corrosin, entre otros. Los elementos de aleacin ms comunes adems del hierro y carbono presentes en el acero son:

Cromo. Este elemento mejora la resistencia, dureza, resistencia al desgaste y dureza en caliente, es uno de los elementos ms efectivos para incrementar la templabilidad, y mejora significativamente la resistencia a la corrosin.

Manganeso. Este metal est presente en todos los aceros comerciales al carbono

en el intervalo de 0.03 a 1.00%. El manganeso promueve la solidz de las piezas fundidas de acero a travs de su accin de desoxidacin en acero lquido, mejorando as su resistencia y dureza.

Molibdeno. Aumenta la tenacidad, la dureza en caliente y la resistencia a la

termoinfluencia, tambin mejora la templabilidad y forma carburos para resistencia al desgaste.

Nquel. Mejora la resistencia y la tenacidad. Incrementa la templabilidad en

menor cantidad que los elementos anteriores, en cantidades significativas mejora la resistencia a la corrosin y es otro de los elementos mayoritarios (adems del cromo) en ciertos tipos de aceros inoxidables.

Vanadio. Inhibe el crecimiento de los granos durante el procesamiento a

temperaturas elevadas y durante el tratamiento trmico, lo cual mejora la resistencia y tenacidad del acero, adems de formar carburos para incrementar la resistencia al desgaste.

Estos elementos forman soluciones slidas con el hierro y compuestos metlicos con el carbono; por otro lado los aceros aleados, son aquellos que contienen cantidades significativas de elementos de aleacin; se fabrican con ms cuidado que los aceros al carbono. Los aceros aleados de grado estructural, segn se indican en las especificaciones ASTM, son utilizados en las industrias de la construccin en razn de su alta resistencia. Estos aceros tambin pueden ser objeto de algn tratamiento trmico, con la finalidad de obtener las propiedades deseadas.



Proceso de fabricacin de tubera de perforacin estirada en fro Para la produccin de la acera empleada para los elementos que componen la plataforma se cuenta con un proceso de laminado continuo y un proceso reductor estirador, a travs de los cuales los componentes se someten a diversas operaciones de acabado. La primera fase de acabado consiste en pasar el producto en un desgasificador al vaco (vd), un vibromolde y un agitador electromagntico en colada continua. En seguida se somete a un tratamiento trmico austentico, seguido de temple y posteriormente un revenido. Finalmente, el producto pasa por un proceso de control no destructivo seguido de un corte (biselado) y una inspeccin de extremos, recalibrndose en un plano de enfriamiento e inspeccin por ultrasonido [2.2] 2.2.2 Clasificacin de cargas La presencia de cargas en una estructura provoca la generacin de fuerzas internas direccionadas en el sentido de la aplicacin de estas. Una carga puede ser definida como una fuerza, un momento o un par de torsin aplicado a un elemento mecnico como lo es una estructura. Cualquier carga aplicada se clasifica con respecto al tiempo en:

Carga esttica. Es aquella que se aplica en forma gradual de tal modo que el equilibrio en la parte estructural se alcanza en un tiempo relativamente corto. Con este tipo de carga la estructura no experimenta efectos dinmicos.

Carga sostenida. Es considerada como el peso propio de la estructura, la cual es

constante durante un largo periodo.

Carga de impacto. Es aquella carga que se aplica en forma rpida, usualmente se atribuye a una energa impartida a la estructura.

Carga cclica. Es aquella que puede variar e inclusive invertirse el signo

teniendo un periodo caracterstico respecto al tiempo muy cambiante. Estas cargas, dependiendo del rea sobre la cual acta, pueden ser:

Carga concentrada. Es aquella carga puntual que se aplica en un rea mucho menor que la del mismo elemento estructural.

Carga distribuida. Es aquella que se distribuye a lo largo de toda el rea de los

elementos estructurales. En algunas ocasiones esta carga no se aplica en todo el elemento pero si se distribuye en un rea mucho mayor que una carga concentrada.

Adems, estas cargas, dependiendo de su localizacin y mtodo de aplicacin, pueden ser:



Carga normal. Es aquella que pasa a travs del centroide de la seccin de la parte estructural. Estas pueden ser de tensin o de compresin, figura 2.1

Figura 2.1 Carga axial de tensin y compresin

Carga cortante. Aqu la carga se supone colineal con una carga cortante transversal, figura 2.2

Figura 2.2 Carga cortante

Carga flexionante. Esta carga se aplica transversalmente al eje longitudinal del

elemento, figura 2.3

Figura 2.3 Carga Flexionante

Carga de torsin. Este tipo de carga somete a un elemento a un movimiento alrededor de su eje axial, figura 2.4

Figura 2.4 Carga torsionante

Carga combinada. Es aquella que muestra una combinacin de dos o ms de las

cargas existentes, figura 2.5

Figura 2.5 Carga combinada



La capacidad de soportar las cargas en un elemento estructural depende de la magnitud de estas fuerzas. Las fuerzas internas que actan en los componentes estructurales estn descritas en funcin de una cantidad llamada esfuerzo, la cual representa la intensidad de las fuerzas internas por unidad de rea en las diferentes localizaciones de una seccin determinada. Conforme pasa el tiempo y derivado de los distintos fenmenos metereolgicos las distintas empresas que se dedican al diseo y construccin de plataformas marinas, se han dado a la tarea de llevar a cabo anlisis en las estructuras que se emplean para la perforacin y extraccin del petrleo. Estas empresas se han dado cuenta que la cantidad de carga presente en cada una de las estructuras que conforman las plataformas requieren una confiabilidad para asegurar una eficiencia ptima, para la obtencin de ste recurso necesario, ya que los riesgos que implica el no realizar estos anlisis aumentan en mayor medida los riesgos que se pudiesen presentar. Una de las primeras etapas para analizar el comportamiento de las plataformas marinas de produccin consiste en la determinacin de los efectos que provocan las cargas aplicadas sobre la superficie, implicando un buen clculo de la resistencia mecnica de todos sus componentes. As, con la aparicin de las cargas, surgen los esfuerzos, raz principal para medir la resistencia mecnica estructural de las plataformas marinas. Para llevar a cabo el anlisis de esfuerzos estticos, es necesario conocer los tipos de cargas a las que se someter la Plataforma de Produccin. A continuacin se definen y se presentan los tipos de cargas presentes en la plataforma de Produccin. CARGAS MUERTAS Se considera como cargas muertas el peso propio de la subestructura (+ 5% adicional por soldadura), los pilotes, cubiertas, conductores, accesorios miscelneos, mdulos, equipos, tuberas y charolas elctricas, las cuales consideran un incremento del 25% en el peso. Las cargas muertas se aplican directamente al modelo de la estructura, durante el anlisis en sitio, como cargas repartidas o concentradas. Se analizan as dos tipos de condiciones de caga: Carga muerta + carga uniforme en el DECK (base en la placa) Carga muerta + carga de equipos + carga de tuberas + carga viva para reas abiertas. CARGA MXIMA DE DISEO Se aplican las siguientes cargas mximas de diseo uniformes en el anlisis de plataformas para compararlas con el peso de las cargas de los equipos, tuberas, peso propio de la estructura y la carga viva en reas abiertas. A) Cubierta Principal 1710 kg/m2 B) Cubierta secundaria 1710 kg/m2 C) Plataformas intermedias 980 kg/m2 D) reas de carga 2450 kg/m2 C) Andadores y escaleras 980 kg/m2



CARGAS DE FLOTACIN Para el anlisis en sitio las 8 piernas principales, los pilotes, ductos ascendentes, conductores y camisas de bombas / sumidero se consideran inundados. Las cargas de flotacin se aplicaron directamente al modelo en el anlisis como cargas calculadas y aplicadas en las juntas. CARGAS DE EQUIPO El peso del equipo, mdulos, las tuberas, el equipo elctrico, instrumentacin, etc. Se define como la carga del equipo, usndose los pesos secos para todo el anlisis de izaje, as como los pesos de operacin para el anlisis en sitio y los pesos de prueba para el diseo eventual de los elementos locales de los mdulos de la cubierta. Todas las cargas de los mdulos se aplican a la plataforma como cargas concentradas en los puntos de apoyo del mdulo correspondiente, la superestructura es octpoda al igual que la subestructura, es decir cuenta con ocho puntos de apoyo, sobre los cuales se transmite la carga a la subestructura, tal como lo muestra la figura. 2.6

Figura 2.6 Superestructura de la plataforma PB-KU-S El peso del equipo presente en la cubierta inferior tal como los cabezales, separador, cabezal de vlvulas, equipo elctrico, instrumentacin, etc. Se definen como cargas de equipo de la cubierta. Se emplean los pesos vacos para todos los anlisis de izaje, los pesos de operacin para el anlisis en sitio y los pesos de prueba para el diseo local de los elementos de la cubierta principal. Peso del equipo de 216.98 hasta 456.48 ton, (216,980 kg. hasta 456,480 kg.)

Quemador de Prueba CB-1751 de 6.00 hasta 6.00 Quemador de Prueba CB-1751B de 6.00 hasta 6.00 Trampa de Diablos HR-1001 de 25 hasta 27

Punto de apoyo de la superestructura



Trampa de Diablos HR-1002 de 25 hasta 27 Trampa de Diablos HR-1003 de 25 hasta 27 Tanque Separador de Prueba FA-1101 de 28.5 hasta 63 Bomba de Trasiego GA-1601 de 1.40 hasta 1.40 Tanque de Drenajes Aceitosos GA-1602 de 9 hasta 16 Tanque de Almacenamiento de Agua Fresca FB-1362A de 15 hasta 105 Tanque de Almacenamiento de Agua Fresca FB-1362B de 15 hasta 105 Bomba de Agua de Mar GA-1301 de 5.50 hasta 7.50 Bomba de Agua de Mar GA-1301R de 5.50 hasta 7.50 Depurador de Gas FA-1501 de 5.50 hasta 7.50 Depurador de Gas FA-1502 de 5.50 hasta 7.50 Tanque de Almacenamiento de Agua Potable GA.-1351 de 0.54 hasta 0.54 Tanque de Almacenamiento de Agua Potable GA-1352 de 0.54 hasta 0.54 Bomba de Agua contra Incendio GA-1001 de 10 hasta 12 Bomba de Agua contra Incendio GA-1001R de 10 hasta 12 Tablero de Paro TC-1904 de 2 hasta 2 Tablero de Paro TC-1905 de 2 hasta 2 Tablero de Control de Pozos BT-1401 de 2 hasta 2 Tablero de Control de Pozos BT-1401 de 2 hasta 2 Compresor de Aire de Instrumentos GB-1501 de 2 hasta 2 Caseta de Telecomunicaciones 8 hasta 8

Se obtiene la tiene la siguiente informacin en las bases de diseo [2.3]. CARGAS VIVAS SOBRE CUBIERTAS. Se aplic una carga uniforme sobre las cubiertas de 490 kg/m2 EN AREAS ABIERTAS. A diferencia de las cargas vivas (equipo), se aplicaron en las reas abiertas una carga de 490 kg/ m2, a las reas no sometidas a las cargas de equipo. Estas cargas se aplicaron al modelo estructural durante el anlisis, como cargas concentradas. CARGAS POR QUEMADOR. Las cargas del quemador son tomados para el anlisis que se obtiene del modelo estructural para dichos fines, y de acuerdo a los requerimientos del rea mecnica. CARGAS EN PASILLOS. Los pasillos y descansos se disearon con una carga viva de 490 kg/ m2. FACTORES DE REDUCCIN. Solo para plataformas se aplica un factor de reduccin de 0.75 a las cargas vivas para el diseo en condiciones de tormenta para el anlisis de las vigas principales,



contraventeos y piernas en la superestructura. As como para los elementos de la subestructura y pilotes [2.3]. CARGAS DE OLA Y VIENTO. Para el anlisis de la plataforma octpoda se consideraron las siguientes direcciones de ola y viento: 0, 57, 90,123,180, 237, 270 y 303 tanto para la tormenta como para operacin para el diseo del octpodo [2.3]. CARGAS EN LOS TRPODES Para el anlisis de los trpodes se muestra el diagrama esquemtico de las 12 direcciones como mnimo que marca el API-RP-2A para este tipo de estructuras y que se formaron de acuerdo al modelo obtenido en el Stru Cad, [2.4]. Estas cargas se aplican puntualmente en cada nodo de unin de los perfiles estructurales existentes. Cada una de las cargas acta en forma de compresin axial y bajo ciertas condiciones, la deformacin que pudiese existir permanece mnima, ver figura. 2.7

Figura 2.7 Cargas en los trpodes

COMBINACIONES DE CARGAS Son las combinaciones de carga usadas para el diseo en sitio de la plataforma, considerando las condiciones de carga muerta, carga viva (como carga distribuida), peso propio, flotacin (incluyendo ductos ascendentes del proyecto y a futuro) cargas de mdulos y de equipos, as como las cargas ambientales, segn la combinacin para la direccin de anlisis correspondiente. Como resultado, el total de la carga presente en la plataforma expresada en toneladas (ton) es el siguiente: Peso total de la superestructura y equipo: 11,480 ton. Trpodes ms puentes: 2,814 ton. Peso resultante: 14,294 ton.



2.2.3 Definicin de esfuerzo Una estructura es una armadura compuesta de elementos unidos por sus puntos extremos. Los elementos que comnmente se usan en su construccin, estn fabricados en su mayora de metal, ngulos o canales y tubos. Las juntas de unin se forman usualmente remachando o soldando los extremos de los elementos a una placa comn, llamada placa de unin, o simplemente haciendo pasar un perno largo o pasador a travs de cada uno de los elementos estructurales. Uno de los problemas fundamentales en la ingeniera consiste en la determinacin del efecto de una carga sobre una parte estructural. Con el uso creciente de los materiales estructurales de alta resistencia y las conexiones soldadas, los aspectos no idealizados del comportamiento material han cobrado una mayor importancia en el diseo de elementos estructurales. Esta determinacin es una parte esencial en el proceso de diseo en las plataformas de produccin. El esfuerzo es el trmino que se emplea para definir la intensidad y la direccin de las fuerzas internas que se producen en un componente estructural como consecuencia de una carga aplicada. La mayor parte de las estructuras no fallan por que sus esfuerzos calculados en funcin de la carga haya sobre pasado el esfuerzo de fluencia. Las fallas de las estructuras generalmente se deben a las suposiciones ideales utilizadas en su diseo [2.5]. Dichas suposiciones no conducen a una medicin verdadera de la resistencia y del comportamiento de elementos estructurales reales, sino que estas fallas generalmente son provocadas por discontinuidades geomtricas presentes en las estructuras, las cuales provocan una concentracin de esfuerzos, tal que provoca un aumento en el esfuerzo calculado que como consecuencia se puede llegar a observar que el esfuerzo de fluencia puede ser excedido en muchos lugares de la estructura sin que esta falle. El diseo estructural es un proceso mediante el cual se establecen las dimensiones de los elementos componentes y del conjunto, de modo que tengan la suficiente resistencia para soportar las cargas y las condiciones de uso a las que sern sometidos. El proceso incluye el anlisis de esfuerzos de estas partes y la consideracin de las propiedades mecnicas de los materiales del componente estructural. La presencia de esfuerzos en un componente estructural implica la disminucin de resistencia en sus componentes. El anlisis de esfuerzos mediante el Mtodo del Elemento Finito resulta ser una herramienta analtica muy til con la cul se pueden analizar los esfuerzos presentes en las estructuras, as como la magnitud de la deformacin mxima, y bajo ciertas condiciones la vida remanente del componente garantizando un buen factor de seguridad que asegure el buen funcionamiento de un componte estructural. Los esfuerzos principales mximos y mnimos se obtienen despus de evaluar el comportamiento esttico que tiene la estructura una vez aplicada en ella la o las cargas existentes. Estos esfuerzos representan el estado de esfuerzos y la resistencia nica de cada uno de los elementos que componen la plataforma. Los esfuerzos principales mximos y



mnimos se representan por S1 o 1 y S3 o 3 respectivamente, existiendo en algunas ocasiones un esfuerzo limitado por la fluencia, este esfuerzo es S2 o 2 . 2.2.4 Factor de Seguridad El factor de seguridad est definido como un parmetro de confiabilidad que garantiza un riesgo de trabajo mnimo en los materiales empleados en el campo de la ingeniera. Ese factor se determina relacionando la propiedad lmite de trabajo en un cierto material con respecto a las caractersticas de trabajo a que se encuentra sometido. La propiedad lmite de trabajo para los materiales metlicos se define como esfuerzo de fluencia; mientras que sus caractersticas de operacin con base en los esfuerzos principales mximos y mnimos, una vez aplicada una teora de falla adecuada. La ecuacin que nos permite determinar dicho factor de seguridad es:

yF.S. = equiv

(2.12)

Los factores de seguridad permisibles de acuerdo a la norma [2.4] para estructuras son en base a las siguientes condiciones: Condicin de tormenta + carga uniforme 1.33 Condicin de tormenta + equipo (operacin) + carga viva (rea abierta) 1.33 Condicin de tormenta + equipo vaci 1.33 Condicin de operacin + carga uniforme 1.00 Condicin de operacin + equipo (operacin) + carga viva (rea abierta) 1.00 2.2.5 Aplicacin de la Teora de falla Energa de Deformacin de Von Mises Propuesta por Von Mises, fue el fruto de los trabajos analticos de Huber y Henchy, y expresa. Que el estado lmite en un punto de un cuerpo en el que existe un estado de tensin cualquiera, comienza cuando la energa de distorsin absorbida por unidad de volumen alcanza la tensin lmite en el ensayo a traccin [2.6]. Para llegar a la formulacin analtica de esta teora veamos cul es la expresin de la energa de distorsin en un estado de esfuerzo triple, en el que los esfuerzos principales son 1 , 2 y 3 . Apoyndose en la propiedad de que la energa de deformacin por unidad de volumen se puede descomponer en dos partes, una de ellas vu debida al cambio de volumen y otra du vinculada a la distorsin o cambio de forma a volumen constante de dicho volumen unitario, como esquemticamente se indica en la figura 2.8



Figura 2.8 Deformaciones por unidad de volumen

En donde m es el esfuerzo medio 3321

++=m (2.13)

La energa de deformacin por unidad de volumen es:

( ) ( )31322123222121 ++++=+=

EEuuu dv (2.14)

La debida al cambio de volumen es: mmvu 213= (2.15)

Y como por la ley de Hooke

( )[ ] ( ) 211 =+=EE

mmmmm (2.16)

queda:

( ) ( ) ( ) 216

212

3 23212

++

==EE

u m (2.17)

La energa por unidad de volumen debida al cambio de forma se puede obtener como diferencia entre u y vu .

( ) ( ) ( ) ( ) 2162

1 2321313221

23

22

21

++++++==

EEEuuu vd

(2.18) Simplificando se obtiene:

( ) ( ) ( )[ ]21323222161 +++=

Eud (2.19)

Particularizada para un estado de tensin simple es:

( ) 212121 31

61

EEud

+=+

+= (2.20)

Segn esta teora para materiales dctiles, no aparecern deformaciones plsticas hasta que se verifique:



( ) ( ) ( )2 2 2 21 2 2 3 3 11 16 3 equivE E + + + + = (2.21)

Es decir ( ) ( ) ( )2 2 2 21 2 2 3 3 1 2 equiv + + = (2.22) De esta expresin se deduce la correspondiente a la tensin equivalente

( ) ( ) ( )[ ]21323222121 ++=equiv (2.23)

Cabe hacer mencin que solo se hace referencia a esta teora de falla, dado a que el anlisis que se desarrolla empleando el mtodo del elemento finito aplica esta teora para el clculo de esfuerzos en los elementos. 2.3 Metodologa para el clculo de esfuerzos estticos empleando mtodos

convencionales. Uno de los mtodos ms comnmente utilizados para el clculo de fuerzas es el de las secciones, el cual se basa en el principio de que si un cuerpo est en equilibrio, entonces cualquier parte del cuerpo est tambin en equilibrio [2.7]. Este mtodo se resume en el desarrollo del siguiente procedimiento: a) Para el diagrama de cuerpo libre:

1. Hay que decidir como seccionar la armadura a travs de los miembros cuyas

fuerzas deben determinarse. 2. Antes de aislar la seccin apropiada, puede ser necesario determinar primero las

reacciones externas de la armadura. Se tienen entonces tres ecuaciones de equilibrio para encontrar las fuerzas en los miembros en la seccin cortada.

3. Trazar el diagrama de cuerpo libre de la parte seccionada de la armadura sobre la que acte el menor nmero de fuerzas.

4. Hay que establecer el sentido de una fuerza de miembro desconocida. b) Para las ecuaciones de equilibrio:

1. Los momentos deben sumarse con respecto a un punto que se encuentre en la interseccin de las lneas de accin de dos fuerzas desconocidas, de manera que la tercera fuerza desconocida sea determinada directamente a partir de la ecuacin de momento.

2. Si dos de las fuerzas desconocidas son paralelas, las otras fuerzas pueden ser sumadas perpendicularmente a la direccin de esas incgnitas para determinar directamente la tercera fuerza desconocida.



2.3.1 Desarrollo del Modelo Fsico. El modelo fsico de la subestructura (Jacket) de la plataforma marina de produccin tipo octpoda fija PB-KU-S, se muestra en la figura 2.9. En tanto que los marcos que la conforman, son aquellos que se muestran en las figuras 2.10 a la 2.15 respectivamente, adems cuenta con diversas elevaciones tal como se muestran en las figuras 2.16 a la 2.21, [2.8]. Dicho modelo servir como base en la elaboracin del diagrama de cuerpo libre de la subestructura.

Figura 2.9 Modelo fsico de la subestructura (Jacket) de la plataforma PB-KU-S

M1

M2

M3

M4

MA

MB

M1= MARCO 1 M2 = MARCO 2 M3 = MARCO 3 M4 = MARCO 4 MA = MARCO A MB = MARCO B

ELEV. -44.000 m

ELEV. -30.000 m

ELEV. -17.000 m

ELEV. -5.000 m

ELEV. + 6.096 m

ELEV. -60.250 m



Marcos que conforman una subestructura como la que se muestra en la figura anterior.

Figura 2.10 Marco A de la Subestructura

Figura 2.11 Marco B de la Subestructura



Figura 2.12 Marco 1 de la Subestructura

Figura 2.13 Marco 2 de la Subestructura



Figura 2.14 Marco 3 de la

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Analisis Estructural Subestructura_(Jacket) Ansys