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EVALUACIÓN DE DUCTOS MARINOS QUE OPERAN A ALTA TEMPERATURA
León, Guanajuato, Noviembre 2013
José Martin Pérez GálvezLuis Fernando Miguel
En PEMEX Producción y Exploración Regiones Marinas, la explotación de los hidrocarburos de campos nuevos, se observa
un incremento de la temperatura, ocasionando que los ductos estén expuestos a expansión térmica, debido al gradiente de temperatura.
Este fenómeno produce que la línea regular de los ductos sea sensibles a pandeos locales
o desplazamientos de gran magnitud, ocasionando altos esfuerzos.
Antecedentes
Por lo tanto, en la evaluación estructural de los ductos debe incluir el efecto de la
expansión térmica, en combinación con las demás cargas actuantes, determinando su capacidad estructural para operar a dichas condiciones.
Objetivo
Establecer la metodología para la evaluación de ductos
marinos que operan a altas temperaturas, a través de la determinación de su condición general y estructural, identificando zonas críticas a inspeccionar y/o reparar
antes de que se presente la falla de un tramo del ducto.
La normatividad vigente indica que se debe realizar un
Análisis de Flexibilidad (Estructural), relacionado con
el efecto de expansión térmica, cuando:
• Se desconozca el estado estructural del mismo.
• Haya cambio de trazo y perfil de la línea.
• Se tenga evidencia de fallas atribuibles a esfuerzos
secundarios.
Normatividad
Es importante definir las características que
determinan la aplicación de la evaluación estructural
de ductos, atendiendo principalmente aquellos que
estén expuestos a la expansión térmica.
La metodología de evaluación considera la interpretación de los resultados de las
inspecciones externas realizadas con ROV a la Línea Regular y curvas de expansión de los ductos, junto con el Análisis Estructural de los mismos.
Metodología de evaluación
Esfu
erz
o d
e v
on M
ises (
psi)
0+
00
0
2+
00
0
4+
00
0
6+
00
0
8+
00
0
10+
00
0
10+
00
0
0+
00
0 0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
Resistencia Mínima Específicada a la Cedencia Nominal del Material (SMYS)
Esfuerzo Permisible von Mises46800
52000
A7
73
~ k
m 6
+2
80
.00
A9
73
~ k
m 8
+0
70
.00
A9
89
~ k
m 8
+1
40
.00
S0
10
~ k
m 0
+6
31
.69
Takin
-A
Int D
-122 (
Nh-C
/ N
h-A
)
Unió
n b
ridada, C
urv
a d
e e
xpansió
n k
m 0
+056.0
0
Cru
ce 7
74 c
on C
.E, N
o.1
3, km
0+
626.0
0
Cru
ce 7
25 c
on L
-193, km
6+
251.0
0
Cru
ce 7
42 c
on L
-238, km
8+
097.0
0
Cru
ce 7
43 c
on C
.E, N
o.1
3, km
9+
075.0
0
Inte
rconexió
n 1
86 k
m 9
+299.5
0
Longitud (km)
Proceso de la Metodología de Evaluación
Toma en cuenta dos aspectos:
• Evaluación predictiva de ductos en operación mediante el Análisis estructural de la misma.
• Evaluación de ductos que presenten algún cambio con respecto a su base original.
Evaluación Predictiva.
• Aplicable a ductos que no tienen
inspección externa con ROV y que se
desconoce su comportamiento
estructural.
• Determina el comportamiento
estructural de la Línea Regular, con las
cargas actuantes y la configuración
geométrica del ducto, con diferentes
escenarios, dependiendo de los resultados
que se vayan obteniendo.
Proceso de la Metodología de Evaluación
Proceso de la Metodología de Evaluación
Toma en cuenta dos aspectos:
• Evaluación predictiva de ductos en operación mediante el Análisis estructural de la misma.
• Evaluación de ductos que presenten algún cambio con respecto a su base original.
Proceso de la Metodología de Evaluación
Evaluación para ductos que han presentado algún efecto debido a la expansión térmica.
• Es importante contar con al menos una inspección externa con ROV con ducto en operación.
• Determina la presencia de posibles desplazamiento que se hayan generado por la acción de la expansión térmica.
• Evaluar el daño que se generó en las zonas que hayan experimentado los efectos de la expansión térmica.
Las evaluaciones se realizan mediante el método del
elemento finito, a través de sofware´s especializados.
El comportamiento estructural se determina
mediante el cálculo de los esfuerzos y
desplazamientos; evaluándolos mediante los códigos y normas aplicables. En caso de presentarse esfuerzos por arriba de los límites permisibles se determinarán
las acciones pertinentes para mantener la
integridad estructural del ducto.
Proceso de la Metodología de Evaluación
Caso de Estudio
En diciembre de 2012, se realizó la inspección externa con equipo operado a control remoto
(ROV) de un Oleogasoducto de 16 in de DN que va de una plataforma a una interconexión.
La inspección incluyo la línea regular y curva de expansión, detectándose un desfasamiento
lateral en el km 6+280.00 con respecto a la línea base de la trayectoria anterior.
Diámetro Nominal : 16 in
Espesor Nominal : 0.375 in
Presión de diseño: 20.00 kg/cm2
Temperatura de diseño: 100.00 °C
Servicio: Oleogasoducto
Material: API 5L-X Gr. 52
Espesor de lastre de concreto : 1.50 in
Densidad de lastre de concreto : 187.28 lb/ft3
Datos generales
Análisis de la condición general de la LR y CE
El análisis se realizó, mediante la
comparación de la inspección con ROV de los
año 2008 vs 2012.
Observándose un desplazamiento lateral de
4.79 m de la trayectoria de la línea regular y un
ligero desplazamiento vertical.
Inspección 2008
Cruce 725
Inspección 2012Lecho marino, Inspección 2008 Lecho marino, Inspección 2012
Inspección 2012
Cruce2139075
2139150
2139225
2139300
606300
606225
606375
606450
KP 6+237X= 606353.80Y=2139123.92
KP 6+280X= 606327.64Y=2139159.69 KP 6+321
X= 606313.11Y=2139195.12
DIST.- MAX. 4.55 mRESPECTO A TENDENCIADE INSPECCION DE LINEA
- PORCENTAJE DE EXPOSICIONEN AREA DE DEFLEXION: 100%-CONDICION DE LASTRE DECONCRETO: FRACTURADO-DESPLAZAMIENTO: COMBINADO-SIN TRINCHERA-SISTEMA COORDENADAS WGS84
DISTANCIA PROMEDIO 84 M.
Inspección 2008
Historial de Condiciones de Operación
Tipo de servicio
Tipo de hidrocarburo
Presión Salida
(kg/cm2)
Presión Llegada (kg/cm2)
Temp. Salida (°C)
Temp. Llegada
(°C)
Flujo (MMPCD)
Flujo(MBD)
Fecha
Oleogasoducto Mezcla 8.00 4.00 88.00 79.50 1.00 16.10 may-2008
Oleoducto Aceite 8.00 4.00 88.00 79.50 - 16.10 oct-2009
Oleoducto Aceite 8.00 4.00 88.00 79.50 - 16.10 feb-2010
Oleoducto Aceite 8.00 4.00 88.00 79.50 - 16.10 may-2010
Oleogasoducto Mezcla 8.00 4.00 88.00 79.50 1.00 16.10 may-2011
Oleogasoducto Mezcla 6.50 4.00 98.00 65.00 1.00 10.00 jun-2011
Oleoducto Aceite 7.60 4.30 111.00 - - 19.00 feb-2012
Oleogasoducto Mezcla 6.50 4.00 98.00 65.00 1.00 10.00 mar-2012
Oleoducto Aceite 7.60 4.30 111.00 - - 19.00 mar-2012
Oleogasoducto Mezcla 5.00 2.50 98.00 65.00 1.00 10.00 ene-2013
Análisis de Flujo de Fluidos
Se construyó un modelo numérico del
ducto, utilizando el software PIPEFLO® ver.
9.0.2.1, para determinar la temperatura de
llegada y con el PREDICT® ver. 4.0, la
velocidad de corrosión teórica.
Tabla 3. Gradientes de presión y temperatura
Carga Salida Llegada GradientePresión (kg/cm2) 8.14 5.53 2.61
Temperatura (°C) 111.00 93.20 17.80
Tabla 4. Velocidad de corrosión teórica calculada
Instalación
Velocidad de corrosión máxima (MPA)
Velocidad de corrosión mínima (MPA)
Velocidad de corrosión media
del ducto(MPA)
Ducto 1.77 0.22 1.17
Análisis de Flujo de Fluidos
Análisis Estructural de la Línea Regular
Se realizó con la información técnica del
ducto, con las condiciones de operación que
se presentaron en marzo de 2012 (P = 7.60
kg/cm2, T = 111.00 °C), considerando una
caída de presión y temperatura, con
gradientes de 2.07 kg/cm2 y 17.80 °C, así
como, las cargas hidrodinámicas.
En análisis estructural se utilizó el software
AutoPIPE V8i (SELECT series 4) Nuclear
Edition, v09.05.00.21.
Se construyó un modelo de
elementos finitos a través de
elementos línea tridimensionales,
los cuales tienen seis grados de
libertad por nodo, considerando el
plano xz, para la vista en planta
del modelo, mientras que el eje y,
corresponde a la coordenada
vertical.
Análisis Estructural de la Línea Regular
Los resultados indican que se generaron
esfuerzos que sobrepasaron el
Resistencia Mínima Especificada a
Cedencia nominal del material (52,000
psi), en dos zonas, en el km
0+636.00 y en la zona donde se presentó el desplazamiento km 6+280.00.
Resultados Simulación 1
El máximo desplazamiento resultante se
presentó en el km 6+280.00
Resultados Simulación 1
Se determinaron las condiciones máximas
seguras de operación, las cuales son de una
presión de 20.00 kg/cm2 y una temperatura
de 67.00 °C, ya que a estas condiciones, los
esfuerzos que se presentan están al límite de
los valores permisibles.
Resultados Simulación 2
Inspección visual con buceo
En la inspección se detectó que el punto de
máxima deflexión (km 6+280.00), se encontró
deformación plástica con formación de
pliegues y fisuras, abarcando de las 11:00 a las
06:00 horas técnicas, así como, ovalamiento de
las zonas cercanas al punto de inflexión.
Reparación del tramo deformado
Se realizó la reparación del tramo ubicado en el
km 6+280.00, donde se detectó deformación
plástica, con presencia de pliegues y fisuras,
debido a que por su condición, es susceptible a
que se falle por pandeo local a causa de los
movimientos que presente la línea regular.
La reparación se efectuó mediante
la colocación de una envolvente
metálica tipo B, diseñada como
contenedora de presión, con
inyección de resina epóxica.
La metodología desarrollada para la evaluación de ductos
marinos que operan a alta temperatura mediante la revisión de
la condición general del ducto y el Análisis Estructural del
mismo, permite identificar las zonas críticas de los ductos,
proporcionando las zonas a inspeccionar y/o reparar antes
de que se presente la falla de un tramo, aprovechando las
herramientas incluidas en la normatividad vigente aplicable.
Conclusiones
