COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE DUCTOS CON SOLDADURA

HELICOIDAL BAJO ACCIONES COMBINADAS UTILIZANDO ANSYS

Carlos CORTÉS SALAS1 y Héctor SÁNCHEZ SÁNCHEZ2

1 Instituto Mexicano del Petróleo, Eje Lázaro Cárdenas No. 152, Apto. Postal 14-805, 07730 México, D. F., TEL: 9175-8663, Fax. 9175-8665; e-mail: ccsalas@imp.mx2Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, ESIA, Instituto Politécnico Nacional U. P. Adolfo López Mateos, Gustavo A. Madero, 07738, México, D. F., TEL: 5-729-6000 Ext. 53087; e-mail: hectorbruna@aol.com

INTRODUCCIÓNAntecedentestipos de soluciones

Modelo numérico de análisisDeterminación de la carga critica debido a presión externa en cascarones cilíndricosEstructura estudiada

COMPARACIÓN DE LOS RESULTADOS TERORICOS Y NUMERICOS DE LAS ESTRUCTURAS PERFECTAS

Caso I – tubería idealMODELO NUMÉRICO DE LAS TUBERIAS CON SOLDADURA HELICOIDAL

Caso II. Tuberías con cordón de soldadura helicoidalResultados numéricos de las tuberías con soldadura helicoidal

Resultados numéricos de las tuberías con soldadura helicoidal

Presión externa pe + Compresión axial NPresión externa pe + Momento flexionante M (L=5m)Presión externa pe + Compresión axial N + Momento flexionante M (L=5m)Presión externa pe + Compresión axial N + Presión hidrostática interna ph (L=5m)Presión Externa Pe + Momento Flexionante M + Presión hidrostática interna Ph (L=5m)Presión Externa Pe + Compresión Axial N + Momento flexionante M + Presión hidrostática interna Ph (L=5m)

CONCLUSIONES y comentariosModelado Numérico

perspectivas

INTRODUCCIÓNEl desarrollo continuo de las estructuras costa afuera requiere cada vez de mejores diseños de ductos ascendentes “risers”, capaces de asegurar un nivel óptimo de seguridad. En este contexto, es común encontrar escenarios en los cuales estos los ductos pueden presentar niveles muy bajos o nulos de presurización (presión interna), debido a condiciones de mantenimiento ó reparación, ya sea de los ductos mismos ó de las plataformas, lo que puede representar una condición desfavorable, convirtiéndose en una condición crítica.

Por consiguiente, esta investigación se enfoca a estudiar el comportamiento mecánico de tuberías metálicas que presentan cordones de soldadura helicoidal, sometidas a combinaciones de carga (presión externa, compresión axial y momento flexionante), con el propósito de distinguir y definir un umbral aceptable de seguridad respecto a se vida útil de operación.

INTRODUCCIÓN (cont.)

Con base en ello, en este trabajo se analiza teórica y numéricamente tuberías marinas de acero empleadas en la industria petrolera nacional, que presentan cordones de soldadura de tipo helicoidal, sometidas a diferentes combinaciones de carga, considerando al cordón de soldadura como una imperfección geométrica inicial en de los análisis; con el propósito de explorar e investigar el comportamiento mecánico, así como su estabilidad estructural, asociada a los modos de falla, utilizando planteamientos teóricos de estabilidad y el método del elemento finito (MEF), empleando técnicas pandeo por bifurcación o de Euler. Para llevar a cabo este estudio, los parámetros de influencia tales como: los niveles de imperfecciones geométricas iniciales, el efecto del fluido-estructura, las condiciones de frontera, y las propiedades mecánicas del material, entre otros, son incluidos en los modelos numéricos de análisis.

antecedentesEn el ámbito nacional, no existe un reglamento especifico para estructuras civiles que cubra detalladamente el diseño de las estructuras axisimétricas, esta situación es similar en otros países, dado que no existen códigos que cubran una gran gama de estructuras a las que se enfrenta el ingeniero diseñador de estructuras industriales que son utilizadas en la ingeniería civil y petrolera.

Por otro lado, a pesar de las considerables investigaciones realizadas durante los últimos sesenta años, el estudio de cascarones cilíndricos bajo cargas o esfuerzos de compresión esta aún sujeto a controversias. Desde esa época se han realizado grandes y costosos programas de investigación acerca de la influencia que representan las imperfecciones iniciales, los cuales han mostrado que éstas son la principal causa de la gran dispersión entre los resultados experimentales y los teóricos. Pese a conocer esto, la incorporación de la sensibilidad de imperfecciones en la práctica de la ingeniería no ha sido tomada en cuenta como algo determinante.

Antecedentes (cont.)

En la mayoría de los casos, los diseñadores de estas estructuras continúan realizando prácticas de manera clásica o acostumbrada, usando un factor de reducción empírico que afecta de manera directa el esfuerzo crítico de pandeo obtenido de la teoría, siendo este procedimiento burdo y frecuentemente antieconómico. Por consiguiente, con el fin de estimar con mas precisión este comportamiento, en este trabajo se utilizan métodos basados en análisis post-críticos, en los cuales se considera la incorporación de las imperfecciones iniciales a las estructuras axisimétricas, reportando resultados numéricos obtenidos de análisis de estabilidad por bifurcación ó de EULER mediante modelado (FEM), pudiéndose observar que el efecto de éstas imperfecciones geométricas iniciales tiene una fuerte influencia en la disminución de las cargas críticas esperadas.

El pandeo de estructuras axisimétricas representa un problema primordial, debido a que el espesor de sus paredes es delgado y consecuentemente su inestabilidad llega a representar un problema importante.

Antecedentes (cont.)

Por lo que las presiones críticas de pandeo, las configuraciones modales y los esfuerzos mecánicos son evaluados mediante procedimientos teóricos y numéricos empleando el método del elemento finito. Por consiguiente, es importante conocer la influencia de los cordones de soldadura, no únicamente para validar las pruebas de laboratorio, sino también, para asegurar un nivel de calidad que satisfaga una cierta tolerancia en la construcción.

Además, el problema real en la construcción de tuberías soldadas, representa un problema adicional que hay que tomar en cuenta en el diseño.

Finalmente la comparación hecha entre los resultados teóricos y numéricos obtenidos de los análisis de elemento finito, ilustran el efecto que puede representar la soldadura y la reducción en sus capacidad de las tuberías sometidas a esta acciones.

Tipos de soluciones

Determinación de la carga critica debido a presión externa en cascarones cilíndricos

Las presiones críticas de pandeo debido a presión externa son determinadas a partir de la teoría de estabilidad elástica de cascarones cilíndricos (estructuras perfectas), ver apéndice A. Para este estudio, se consideran los casos de: presión externa uniforme “pcrt” y presión hidrostática externa “phcrt”; se aplican la ecuaciones A.1 y A.4 respectivamente. Así mismo se realizaron análisis de estabilidad considerando a la tubería ideal en una primera etapa (sin soldadura) “pecrt” y posteriormente se incluye dentro del modelo numérico del elemento finito el cordón de soldadura helicoidal a lo largo de todo segmento “pehcrt”.

Características geométricas de la tubería en estudio, tipo X52 Se considera una tubería de acero de 20”, API 5L X52

Es = 206,084.39 Mpa (2.1 E06 Kg/cm2)fyw= 347 Mpa (3,535.93 Kg/cm2)ν= 0.3

Diámetro D = 50.8 cm (20”)Pared delgada t = 1.5875 cm (5/8”)

Estructura Estudiada

Combinación de las acciones mecánica

Segmento de tubo estudiado (L=5m)Riser considerado en este trabajo

Caso I – tubería ideal

110.80 1129.1110.76 1128.7115.42 1176.25

69.33 706.569.30 706.273.95 753.64

37.07 377.837.07 377.841.71 425.13

14.01 142.814.24 145.218.79 191.52

pelcrtMpa Kg/cm2

pehcrtMpa Kg/cm2

pcrtMpa Kg/cm2

n

Presión crítica externa, L=5mm = 1

Presión crítica externa y sus modos

Variación de la carga crítica por presión externa vs parámetro de Badorf z

Caso I – tubería ideal

MN

MX

X Y

Z

1

MN

MX

X

YZ

Curvas teóricas y numéricas de las cargas críticas de pandeo debido a presión externa

Configuración modal numérica para el caso ideal (N = M = 0, n =2 y

m = 1)

MODELO NUMÉRICO DE LAS TUBERIAS CON SOLDADURA HELICOIDAL

Las tuberías de acero con el cordón de soldadura helicoidal con una longitud de L=5m, son modeladas como estructuras cilíndricas de pared delgada empleando el método del elemento finito, ver figura 4; los resultados numéricos son obtenidos empleando técnicas de análisis por bifurcación o de EULER, se realizan diferentes análisis, considerando la acción de una carga ó más (pe, pe+N, pe+N+M), se empelaron dos tipos de condiciones de frontera, articulado y empotrado. Estos análisis se llevaron a cabo mediante el programa de análisis, ANSYS 10.0, se empleo el elemento sólido 45, para el modelado de las paredes del ducto metálico

Modelo del segmento de tubería estudiado

Caso II. Tuberías con cordón de soldadura helicoidal

En este caso las tuberías fueron modeladas considerando el cordón de soldadura como una imperfección geométrica inicial, .Los ductos fueron modelados considerando dos propiedades mecánicas, una para las paredes de la tubería y la otra, que caracteriza al cordón de soldadura (modulo de Young Ew y el esfuerzo de fluencia de la soldadura fyw).

ANS

M

ELEMENTS

MAT NUM

Características mecánicas de la soldadura

considerada

Espesor de la soldadura tw = 16.67 mm (21/32”)

Ew = 226 ,693.327 Mpa(2,310,005 Kg/cm2)

fyw= 371 Mpa (3,780.30 Kg/cm2)

ν= 0.3

Resultados numéricos de las tuberías con soldadura helicoidal

Presión externa pe + Compresión axial N

La figura muestra la curva de estabilidad, pe/pcr vs carga axial N, en la cual es tomada la influencia del cordón de soldadura para diferentes valores de N, que varia de 0 a 5,500 daN, se observa una reducción de la presión crítica externa pe. Las figuras muestran el patrón de configuración asociado a la condición de N, que varía de 1 a 5500 daN.

MN

MX

X Y

Z

MN

MX

X

YZ

Curva de estabilidad del segmento de ducto L=5m para la condición pe + N

Configuración modal para la tubería con cordón de

soldadura helicoidal (N =1 daN, M=0)

Presión externa pe + Momento flexionante M (L=5m)

La figura muestra la variación de la presión crítica externa pecrt, para la condición de presión externa pe, N=0 y momento flexionante aplicado en sus extremos M. Se observa que se presenta una reducción en el valor de presión crítica cuando el momento M se incrementa más allá de 1E+05 daN-cm.

MN

MX

X Y

Z

MN

MX

X

YZ

MN

MX

X Y

Z

MN

MX

X

YZ

Curva de estabilidad de la tubería con cordón de soldadura helicoidal (pe + M)

Configuración modal (N =0, M=1 daN-cm)

Configuración modal (N =0, M=1,400,000

daN-cm)

Presión externa pe + Compresión axial N + Momento flexionante M (L=5m)

La figura 12 muestra la variación de la carga crítica externa pecr , para un valor de N=1.025 daN y M que varía de 1 a 140,000 daN, se observa como en caso anterior que la presión crítica disminuye de manera acelerada, para valores del momento flexionante cercano a 1E+05 daN-cm.

Curva de estabilidad del ductos con cordón de soldadura helicoidal sometido a: (pe + N + M)

Configuración modal (N =1,025 daN, M=1 daN-cm)

Configuración modal (N =1,025daN,

M=1,400,000 daN-cm)

MN

MX

X Y

Z

MN

MX

X

YZ

MN

MX

X Y

ZMN

MX

X

YZ

d 5 ld d h li id l

Presión externa pe + Compresión axial N + presión hidrostática interna ph (L=5m)

En la figura se aprecia la variación de la presión crítica externa pecrt, para la tubería soldada bajo la acción simultánea de las solicitaciones, de N y una presión hidrostática interna ph=0.5 daN/cm2, en la curva se observa un incremento máximo de la presión crítica externa de un 18% cuando la carga axial N llega a los 250 daN, para posteriormente mostrar una ligera disminución.

Curva de estabilidad de la tubería con soldadura helicoidal sometida

a: (pe + N + ph)

Configuración modal (N =1Kg, M=0 daN-cm, ph=0.5 daN/cm2)

Configuración modal (N =5,500 daN, M=0

daN-cm, ph=0.5 daN/cm2)

MN

MX

X Y

Z

MN

MX

X

YZ

MN

MX

XY

Z

1

MN

MX

X

YZ

Presión Externa Pe + Momento Flexionante M + Presión Hidrostática Interna Ph (L=5m)

La figura muestra la variación de la presión crítica externa pecrt, para el caso de la aplicación de manera simultánea de N=0, momento flexionante M y presión hidrostática externa ph=0.5Kg/cm2, observándose una reducción en la presión crítica cuando el momento flexionanteM rebasa el valor de 14,000 daN-cm.

Curva de estabilidad de la tubería con soldadura helicoidal sometida

a: (pe + M + ph)

Configuración modal (N =0 daN, M=1 daN-cm, ph=0.5 daN/cm2)

Configuración modal (N =0Kg, M= 1.4E+06

daN-cm, ph=0.5 daN/cm2)

MN

MX

X Y

Z

MN

MX

X

YZ

MN

MX

X Y

Z

MN

MX

X

YZ

Presión Externa Pe + Compresión Axial N + Momento Flexionante M + Presión Hidrostática Interna Ph (L=5m)

La figura muestra la curva de estabilidad de al variación de la carga crítica pecrt, para la combinación de cargas (pe + N+ M + ph=0.5 daN/cm2), observándose una reducción en el valor de pecrt, cuando el momento flexionante M > 1.4E+05 daN-cm.

Curva de estabilidad de la tubería con soldadura helicoidal sometida

a: (pe + N+ M + ph)

Configuración modal (N =1,025 daN, M=1

daN-cm, ph=0.5 daN/cm2)

Configuración modal (N =1,025 daN,

M=1.4E+06 daN-cm, ph=0.5 daN/cm2)

MN

MX

X Y

Z

MN

MX

X

YZ

MN

MX

X Y

Z

MN

MX

X

YZ

CONCLUSIONeS y COMENTARIoS

Los resultados teóricos y numéricos obtenidos de estos segmentos de ducto metálico con longitud de L=5m, para el caso de la tubería ideal, proporcionaron una información importante que sirvió como marco de referencia, para estudiar el comportamiento y sus estabilidad de las tuberías que presentaban un cordón de soldadura helicoidal a lo largo del mismo. Las ecuaciones A.3, A.4 y A5, que determinan el valor de la carga crítica externa pcrt, asociadas con sus modos de pandeo, muestran que en el casos, cuando la longitud L crece, se reducen su capacidad; esto advierte además que si estas estructuras presentan cordones de soldadura estas pueden fallar más rápidamente ante la acción combinada de diversas solicitaciones de manera simultanea, por lo que es necesario hacer un análisis más completo. Esta situación puede ser puede tornar crítica cuando los raiser se encuentran vacíos o a presión interna nula en el fondo marino, sometidos a presiones externas hidrostáticas o hidrodinámicas.

La comparación hecha entre los resultados teóricos y numéricos obtenidos del modelado empleando el método de los elementos finitos muestran que la soldadura reducen la capacidad de las tuberías bajo acciones combinadas, encontrando en todos los caso que el modo de pandeo circunferencial en el ducto, para la longitud estudiada es n=2.

Modelado numérico

Los resultado numéricos obtenidos de los análisis de estabilidad por bifurcación o de Euler para las tuberías, ideal y soldadas, permitieron evaluar la reducción de la carga critica externa pcrt, para las acciones combinadas consideradas (pe + N + M + ph). Observándose una reducción de la presión crítica externa de la tubería con el cordón de soldadura helicoidal estudiado, cuando la flexión empieza a ser importante sobre las otras acciones, sin embargo esta reducción es menor, que para el caso de la combinación (pe + N). Además, se observa que el cordón de soldadura induce el modo de pandeo (n=2) en todas las combinaciones estudiadas, este fenómeno es similar al encontrado con cordones de soldadura longitudinal.

Como se ha mencionado, el objetivo de este trabajo fue estudiar la estabilidad de las tuberías que presentan un cordón de soldadura helicoidal, empleando para ello el modelado numérico. No obstante, es imperioso incluir otros efectos tales como, el HAZ y la no linealidad del material para tener mayores elementos, los cuales pudieran influir aún más en la reducción de la capacidad de estas estructuras.

PERSPECTIVAS

Nuevas investigaciones deben realizarse, las cuales incluyan plasticidad, mejorando así los modelos de análisis que incluyan modelos de deterioro de material y que incluyan el efecto del HAZ, con el propósito de generalizar estos estudios y hacerlos más extensivos, para un mejor diseño, fabricación y construcción de futuras tuberías.

AGRADECIMIENTOSAGRADECIMIENTOS

Este trabajo se realizo en el Instituto Mexicano del Petróleo “IMP” en colaboración con la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura ESIA-UZ, IPN.