DEFORMACIÓN DE TUBERÍAS DE ACERO BAJO PRESIÓN INTERNA Y COMPRESIÓN SUJETAS A LA

ACCIÓN DEL SISMO

Carlos Cortés Salas 1 y Héctor A. Sánchez Sánchez 2

1 Ingeniero especialista, Instituto Mexicano del Petróleo, Eje Lázaro Cárdenas Norte No. 152, Apto. Postal 14-805, 07730 México, D. F., Teléfono: 9175-8663 ccsalas@imp.mx2 Profesor de la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, ESIA, Instituto Politécnico Nacional, U. P. Adolfo López Mateos, Gustavo A. Madero, 07738, México, D. F., Teléfono: 5729-6000 Ext. 53087, e-mail: brhec@yahoo.com.mx, hsanchezs@ipn.mx

RESUMEN

Esta investigación se enfoca al estudio del comportamiento bajo acciones sísmicas de tuberías de acero usadas en la industria petrolera, cuyo patrón de deformación por flexión está dado por la acción sísmica ocasionando, curvaturas y deformaciones axiales; la investigación involucra el estudio de una sección empleada en la industria de 20 pulgadas y un acero API X52. La investigación se realiza mediante modelos de análisis de tuberías, como elementos axisimétricos de pared delgada empleando el MEF, para ello se usan señales sísmicas en los análisis en tiempo, para obtener su respuesta y determinar su estado de esfuerzos y deformaciones.

EFECTO DEL MOVIMIENTO DEL SUELO EN TUBERÍAS SEMIENTERRADAS

Para tomar en cuenta el efecto del movimiento del suelo sobre tubería enterradas se evalúa el comportamiento sísmico mediante modelos de interacción suelo-tubería empleando los registros y aplicándolos en la base de lo modelos numéricos en las direcciones transversal y longitudinal de la tubería, con el propósito de estimar los niveles de deformación ya sea: curvaturas en al tubería debidas a la flexión, así como el alargamiento o acortamiento de la misma.

R t

M

M

L

suelo

L pi pi

R

t

Segmento de la tubería de acero estudiada (diámetro interno de 20”, API 5L X52), con una longitud de L=10m, sometida a la combinación de acciones

ESTRUCTURA ESTUDIADA

Esta investigación esta enfocada a estudiar el comportamiento de tramos rectosde tuberías de acero presurizadas y semienterradas bajo la acción sísmica, comose muestra en las figuras 2.a y b. La acción sísmica cuando llega en la direcciónperpendicular a la tubería induce patrones de flexión causando curvaturas,deformaciones y ovalaciones, a lo largo de la tubería y en la sección trasversal. Elestudio considera una tubería de acero típica empleada en la industria petrolera(diámetro interno de 20”, API 5L X52). La tubería de acero es estudiada bajo laacción de presión interna pi = 5.888 Mpa (pi = 60 Kg/cm2), tomando en cuenta elpeso propio de la tubería y el líquido así como la excitación sísmica de manerasimultanea, esta combinación de acciones genera un estado de esfuerzos ydeformaciones básicamente en flexión cuando el sismos actúa en la direcciónperpendicular a la tubería, estimando de esta manera su respuesta. Así mismo,dentro del análisis dinámico mediante la aplicación del MEF, se obtienen lasconfiguraciones modales del modelo suelo-tubería, con el objeto de estudiar sucomportamiento mecánico de la tubería.

Características geométricas de la tubería de acero estudiada:

Diámetro D = 508 mm (20”)Espesor de las paredes t = 15.875 mm (5/8”)E = 206,084.39 Mpa (2.1 E06 Kg/cm2)νs = 0.3γs = 770.36 Mpa (7,850 Kg/m3)γagua = 93.13 Mpa (1,000 Kg/m3)

Características mecánicas del terreno compresible

El suelo que rodea la tubería fue modelado considerando las siguientes propiedades mecánicas del material de un suelo tipo arcilloso como se muestra en la tabla 1

Características del terreno compresible

Esuelo (Mpa) 34.495; 351.50 (Kg/cm2)Gsuelo (Mpa) 11.498; 117.17 (Kg/cm2)

νsuelo 0.5γsuelo 147.2 Mpa (1,500 Kg/m3)

SUCS Hard consistency of clay

B = 5D

h =

3D D

MODELO NUMERICO DE ANALISIS Y CONDICIONES

Hipótesis del problema de estudio

La tubería seleccionada es comúnmente usada en la industria petrolera nacional, por lo que se emplean las características mecánicas del acero API 5L X52. La investigación se desarrolla de la siguiente forma: el sistema suelo-tubería es modelado mediante una malla compuesta por que representa el suelo, la pared del la tubería de acero es discretizada mediante placas curvas delgadas y el fluido contenido en la tubería se considera en análisis elástico, haciendo uso del programa ANSYS ver. 11.

Modelo numérico de análisis de interacción suelo-fluido-tubería

Dimensiones del modelo numérico de análisis suelo-tubería: b=5D, h=3D, L=1000cm

Condiciones de frontera del modelo de numérico considerando elementos de contacto en la interfase suelo-tubería

Excitaión sísmica

Modelos numéricos suelo-tubería-fluido de la tubería semienterrada

Peso propio Peso propio y fluido Peso propio

RESULTADOS NUMÉRICOS DE LA TUBERÍA ESTUDIADA

Condición, llena y presurizadaEn esta parte se lleva acabo un análisis gravitacional considerando la condición de la tubería llena y presurizada, que representa el peso propio más fluido del segmento de la tubería de acero, el objetivo de este análisis fue ajustar el modelo numérico mediante la aplicación del elemento finito

Modelo numérico 1 suelo-tubo mas fluido integrado

Modelo numérico 2 suelo-tubo, sin fluido

Modelo numérico 3 suelo-tubo-fluido

Resultados de los modelos numéricosModelo

Numérico Desplazamiento vertical (cm) Características de los modelo

1 0.14668 Peso propio mas fluido integrado2 0.09810 Tubo vació3 0.14592 Peso propio de la tubería más fluido

Análisis dinámico

Con el objeto de conocer las características dinámicas del modelo suelo-tubo y su influencia en el patrón de la flexión, se llevo a cabo el análisis dinámico del sistema, las figuras siguientes y en la tabla se muestran los periodos, frecuencias naturales y configuraciones modales más representativos. Estos resultados revelan que los primeros periodos y sus modos respectivos 2 a 6, tienen una fuerte influencia en el patrón de flexión de la tubería.

Parámetros dinámicos del modelo numérico

Modo Frecuencias (Hertz)

Periodos (seg.)

Configuración modal, modo 2

1 0.09528 10.49503

2 0.17321 5.77322

3 0.19803 5.0498

4 0.2213 4.51882

5 0.23107 4.32769

6 0.24966 4.0054

7 0.25539 3.91554

8 0.27324 3.65984

9 0.27574 3.62666

10 0.27792 3.59813

Configuración modal, modo 4 Configuración modal, modo 6 Configuración modal, modo 9

Análisis sísmico

El análisis sísmico fue llevado a cabo empelando el registro obtenido del sismo de 1985 registrado en SCT originado en la zona de subducción del Pacifico, el registro fue integrado en el tiempo se aplico en la base del modelo numérico el registro de desplazamientos en las dos direcciones ortogonales (x y y).

Registro de aceleraciones horizontal y espectro de respuesta

ANÁLISIS EN EL TIEMPO Y RESULTADOS

Respuesta sísmica de la tubería, en las direcciones transversal y longitudinal

Se presentan los resultados numéricos y las historias de desplazamientos y esfuerzos para cuatro condiciones de análisis estudiadas.

CONDICIONES DE ANÁLISIS

Caso Condición de la tubería Excitación sísmica horizontal

a. Llena y presurizada (pi=5.89 Mpa) Transversal, dir x

b. Llena y sin presión Transversal, dir x

c. Llena y sin presión Longitudinal, dir y

d. Llena y presurizada (pi=5.89 Mpa) Longitudinal, dir y

El objetivo es conocer la respuesta de desplazamientos horizontales en las direcciones horizontales ortogonales del modelo (x y y) así como el estado de esfuerzo de la tubería.

Caso a. Tubería llena y presurizada (5.89 mpa), las figuras muestran la respuesta sísmica de los desplazamientos horizontales transversales del modelo suelo-tubo, se observa que los máximos se presentan para los tiempos 28.8 y 35.68 segundos.

Desplazamiento transversal, a t=28.8seg Desplazamiento transversal, a t=35.68seg

Historia de los desplazamientos horizontales máximos del segmento de tubería a una distancia del origen de L1=100mm

Historia de los desplazamientos horizontales máximos del segmento de tubería a una distancia del origen de L2=5000mm

Las figuras muestran las respuestas sísmicas de los desplazamientos transversales del sistema para trespuntos a lo largo de la tubería (l1=100mm, l2=5000mm, l3=9000mm) respectivamente. Se muestra tambiénlos esfuerzos de von mises (σvm =16.63mpa) que aparecen cerca de los extremos de la tubería, se puedever también que la genera una configuración en flexión induciendo mayormente curvaturas en la seccióntransversal de la tubería.

Excitación sísmica

Historia de los desplazamientos horizontales máximos del segmento de tubería a una distancia del origen de L3=9900mm

Vista en 3D, esfuerzos de Von Mises de la tubería, para una presión interna de pi = 5.89 Mpa

Caso b. Condición, tubería llena sin presión, las figuras muestran la respuesta sísmica de los desplazamientos horizontales en tres secciones transversales de la tubería (l1=100mm, l2=5000mm, l3=9900mm). En la figura 11.E se observa que los máximos esfuerzos de von mises (σvm =26.00mpa) aparecen cerca de los extremos de la tubería, además se aprecia que la tubería presenta curvaturas importantes a la mitad de su longitud (l/2).

Vista en 3D y en planta de la tubería y el suelo

Historia de los desplazamientos horizontales del segmento de tubería a una distancia del origen de L1=100mm

Historia de desplazamientos horizontales de la tubería a L2=5000mm

Historia de desplazamientos horizontales de la tubería a L3=9900mm

Historia de esfuerzos de Von Mises para el caso de la tubería sin presión

Vista en 3D, esfuerzos de Von Mises de la tubería, sin presión interna (pi=0)

Caso c. Excitación horizontal en la dirección longitudinal y, (tubería sin presión).

Historia de los desplazamientos horizontales de la tubería a L2=5000mm

Historia de los desplazamientos horizontales de la tubería a L1=100mm

Historia de esfuerzos de Von Mises para el caso de la tubería sin presión

Historia de los desplazamientos horizontales de la tubería a L3=9900mm

Caso d. Excitación horizontal en la dirección longitudinal y, (tubería llena y pi=5.89 mpa). En las figura se observan las historias de desplazamientos horizontales en tres secciones a lo largo del tramo de la tubería (l1=100mm, l2=5000mm, l3=9900mm). También se puede ver variación en el tiempo de los esfuerzos de von mises.

Historia de los desplazamientos horizontales de la tubería a L1=100mmCaso d, Vista en 3D y en elevación

Historia de los desplazamientos horizontales de la tubería a L2=5000mm

Historia de los desplazamientos horizontales de la tubería a L3=9900mm

CONCLUSIONES Y COMENTARIOS

El propósito de este trabajo fue evaluar el comportamiento estructural y larespuesta de un segmento de tubería semienterrada, presurizada bajo la acciónsísmica. Los resultados numéricos obtenidos de diferentes modelos de análisisdesarrollados en esta investigación nos han permitido conocer y verificar larespuesta sísmica de tuberías rectas de acero semienterradas.

A partir de los resultado obtenidos de los modelos de interacción suelo-tubería,con la señal sísmica y las condiciones de frontera entre el suelo y el tubo, y elefecto de presión interna, se observa que en los casos estudiados a y b, cuando laexcitación actúa en la dirección perpendicular a la tubería, se presenta uncomportamiento en flexión de la tubería causando deformaciones, en particularcurvaturas importantes en las secciones transversales del tubo simultáneamentecon deformaciones radiales en el espesor de las paredes, presentándose tambiénesfuerzos máximos en los extremos de las tuberías muy cerca de las condicionesde frontera.

El comportamiento mecánico observado en los segmentos de la tuberíassemienterradas, hacen obvio que cuando la intensidad de la presión interna esimportante, (presión de operación), 50% de la presión última (pi = 5.89 Mpa), latubería se encuentra pre-esforzada por lo que incrementa su rigidez yconsecuentemente permite menos niveles de deformación cuando esta sujeta aexcitaciones sísmicas, pudiendo provocar daños en las paredes del tubo talescomo: plastificación localizada o pandeo local y levantamiento de la tubería. En loque respecta a la excitación longitudinal (casos c y d), el patrón por flexión semanifiesta en menor grado.

GRACIAS POR SU ATENCION