ING. MARÍA ALEJANDRA CANACHE V. · DISEÑO DE GASODUCTOS Y REDES DE DISTRIBUCIÓN ... FACTOR DE JUNTA LONGITUDINAL (f JL) Soldadura longitudinal por arco sumergido (SAWL) 1,0

ING. MARÍA ALEJANDRA CANACHE V.

DISEÑO DE GASODUCTOS Y REDES DE DISTRIBUCIÓN


La tubería y sus componentes deben

diseñarse para una presión interna de

diseño (Pi) igual a 1,1 veces la

presión de operación máxima (POM)

a régimen constante tanto para

hidrocarburos líquidos como

gaseosos, la cual no debe ser menor

a la presión de la carga hidrostática

en cualquier punto de la tubería en

una condición estática.

PRESIÓN INTERNA DE DISEÑO

Donde:

Pi = Presión interna de diseño, en kPa (lb/pulg2).

D = Diámetro exterior nominal de la tubería, en mm

(pulg.)

t = Espesor de pared de acero de la tubería, en mm

(pulg.).

SMYS = Esfuerzo de Cedencia Mínimo Especificado

(Specified Minimum Yield Strength), en kPa (lb/pulg2).

fCP = Factor de capacidad permisible por presión

interna de diseño.

El factor de capacidad permisible (fCP) se determina

como sigue: ING. MARÍA ALEJANDRA CANACHE V.


FACTOR DE CAPACIDAD PERMISIBLE

Donde:

fDIS = Factor de diseño por clase de localización que depende del tipo de fluido

transportado.

fTEMP = Factor de diseño por temperatura.

fJL = Factor de junta longitudinal.



TABLA N° 1: FACTOR DE DISEÑO POR TEMPERATURA ( F TEM)

TEMPERATURA

FACTOR DE DISEÑO

(f TEM) °C °F

121 o menos 250 o menos 1,0000

149 300 0,9670

177 350 0,9333

204 400 0,9000

232 450 0,8670



TABLA N° 2: FACTOR DE JUNTA LONGITUDINAL ( F JL)

TIPO DE TUBERÍA

FACTOR DE JUNTA

LONGITUDINAL (f JL)

Soldadura longitudinal por arco sumergido

(SAWL) 1,0

Soldadura por resistencia eléctrica (ERW) 1,0

Soldadura helicoidal por arco sumergido

(SAWH) 1,0



CLASES DE LOCALIZACIÓN. FACTOR DE DISEÑO

FLUIDO: GAS

CLASE 1

•CLASE DE LOCALIDAD 1, DIVISIÓN 1: Localidad de clase 1 donde el factor de diseño de la tubería es menor o igual a 0,72 y menor o igual a 0,80 y donde la tubería ha sido probada hidrostáticamente a 1,25 veces la presión máxima de operación.

CLASE 1 DIVISIÓN 2

•CLASE DE LOCALIDAD 1, DIVISIÓN 2: Localidad de clase 1 donde el factor de diseño de la tubería es menor o igual a 0,72 y donde la tubería ha sido probada 1.1 veces la presión máxima de operación.

CLASE 2

•CLASE DE LOCALIDAD 2: Franja de 1600 metros de longitud que tiene más de diez (10) y menos de cuarenta y seis (46) unidades habitacionales destinadas a la ocupación humana. Esta clase de localidad, está caracterizada por zonas de densidad poblacional comprendida entre la clase de localidad 1 y la clase de localidad 3, tales zonas pueden ser alrededor de ciudades, pueblos, áreas industriales, granjas, entre otros.

CLASE DE LOCALIDAD 3: Franja de 1600 metros de longitud que tiene cuarenta y seis (46) o más unidades destinadas a la ocupación humana, excepto donde la clase 4 prevalece. Esta clase de localidad caracteriza áreas tales como desarrollos habitacionales, centros comerciales, áreas residenciales, áreas industriales, y otras áreas que no cumplan los requisitos de clase 4



CLASES DE LOCALIZACIÓN. FACTOR DE DISEÑO

FLUIDO: GAS

CLASE DE LOCALIDAD 4: Esta clasificación incluye áreas donde prevalecen edificaciones de múltiples pisos, donde el tráfico es muy denso o pesado y donde existan numerosos servicios bajo tierra. Multiplicidad de pisos significa cuatro (4) o más pisos sobre el nivel del terreno incluyendo planta baja. La profundidad del sótano y el número de ellos no se toma en cuenta.



CONSIDERACIONES REFERENTES A CONCENTRACIONES DE

PERSONAS EN LAS LOCALIDADES DE CLASE 1 Y 2.

Tuberías ubicadas cerca de lugares de reuniones públicas, o sitios de concentración de personas tales como Iglesias, escuelas, unidades residenciales, hospitales deben cumplir los requerimientos especificados para la Clase 3.

Las concentraciones de personas referidas anteriormente no incluyen grupos de menos de veinte (20) personas por sitio o localidad, pero si intenta cubrir personas en un área exterior, así como un edificio



TABLA N° 3: FACTOR DE DISEÑO POR CLASE DE LOCALIZACIÓN PARA

TUBERÍAS QUE TRANSPORTAN GAS ( F DIS)

CLASIFICACIÓN POR CLASE DE

LOCALIZACIÓN FACTOR DE DISEÑO (fDIS)

Clase 1 0,72

Clase 2 0,60

Clase 3 0,50

Clase 4 0,40



TABLA N° 4: FACTOR DE DISEÑO PARA CONSTRUCCIÓN DE TUBERÍAS DE

ACERO QUE TRANSPORTAN GAS, DE ACUERDO AL TIPO DE INSTALACIÓN

POR DONDE ATRAVIESA ( F DIS)



FACTOR DE DISEÑO. FLUIDO: LÍQUIDO

El factor de diseño (fDIS) a utilizarse en

el cálculo de la presión interna de

diseño para tuberías que transportan

líquidos es de 0,72.



ESPESOR MÍNIMO REQUERIDO

La tubería de acero al carbono debe

tener un espesor mínimo de pared

requerido para soportar los esfuerzos

producidos por presión interna. Este

espesor se determina mediante la

siguiente expresión: ESPESOR DE

PARED

Donde:

tr = Espesor mínimo requerido por presión interna, en mm (pulg).

t = Espesor de diseño por presión interna , en mm (pulg).

tc = Espesor de pared adicional por corrosión, en mm (pulg).



ESPESOR MÍNIMO REQUERIDO

ESPESOR DE PARED

ESPESOR ADICIONAL POR CORROSIÓN.

Se debe utilizar un margen de corrosión

con base en resultados estadísticos en el

manejo del producto que se va a

transportar, información que debe ser

proporcionada por la empresa. De no

contar con dicha información se debe

utilizar un espesor adicional de 0,159 mm

(6,25 milésimas de pulgada) por cada año

de vida útil considerada en el diseño.



ESFUERZO Y FLEXIBILIDAD

La tubería debe diseñarse con la suficiente flexibilidad para absorber una posible expansión o contracción que pueda ocasionar esfuerzos en el material.



ESFUERZOS PRESENTES EN UN GASODUCTO

ESFUERZOS

NORMALES

LONGITUDINALES

DEBIDO A CARGAS AXIALES

DEBIDO A PRESIÓN INTERNA

DEBIDO A MOMENTO FLECTOR

CIRCUNFERENCIALES DEBIDO A PRESIÓN

INTERNA

RADIALES DEBIDO A PRESIÓN

INTERNA

CORTANTES

CAUSADOS POR TORSIÓN

DEBIDO A FUERZAS LATERALES ING. MARÍA ALEJANDRA CANACHE V.


ESFUERZOS LONGITUDINALES

a) Esfuerzo longitudinal debido a presión interna en tuberías restringidas:

Donde:

V = Relación de Poissón = 0,30 para el acero.

Sh = Esfuerzo circunferencial o tangencial

b) Esfuerzo longitudinal debido a presión interna en tuberías no restringidas:




c) Esfuerzo longitudinal debido a expansión térmica en tuberías restringidas:

d) Esfuerzo flexionante nominal en tramos rectos o curvaturas de radio largo,

debido a peso propio y otras cargas externas:

Donde:

M = Momento de flexión transversal de la tubería, en N-mm (lb-pulg).

Z = Módulo de sección de la tubería, en mm3 (pulg3) ING. MARÍA ALEJANDRA CANACHE V.



e) Esfuerzo flexionante nominal en accesorios y componentes, debido a peso

propio y otras cargas externas:

MR = Momento transversal resultante intensificado del accesorio o componente,

calculado con la siguiente expresión:




Donde:

Mi = Momento de flexión en el plano del miembro (para miembros que tengan

orientación importante tales como codos o tes; para éstos últimos, los momentos

en el cabezal y en los tramos de ramal deben considerarse por separado), en N-

mm (lb-pulg).

ii = Factor de intensificación del esfuerzo bajo flexión en el plano del miembro.

Mo = Momento de flexión fuera del plano del miembro, en N-mm (lb-pulg).

io = Factor de intensificación del esfuerzo bajo flexión fuera del plano del

miembro.

Mt = Momento torsional, en N-mm (lb-pulg).

Se debe cumplir que el producto 0,75i ≥ 1,0 ING. MARÍA ALEJANDRA CANACHE V.



f) Esfuerzo longitudinal debido a carga axial diferente de la expansión térmica y de

la presión:

Donde:

R = Componente axial de la fuerza

externa, en N (lbs).

A = Área de la sección transversal de

la tubería, en mm2 (pulg2).

Tuberías Restringidas: El esfuerzo longitudinal total o neto en tuberías

restringidas es:




Tuberías no Restringidas: Para aquellos tramos de tubería que no tengan

una restricción axial importante, el esfuerzo longitudinal debe calcularse de

acuerdo con la siguiente expresión:



ESFUERZOS PERMISIBLES

El espesor de pared inicialmente determinado mediante consideraciones de

diseño del esfuerzo circunferencial (Presión interna), debe ser tal que los

esfuerzos longitudinales en la pared de la tubería bajo cargas funcionales y

ambientales, no excedan los valores permisibles que a continuación se

indican.

a) Tuberías restringidas. El

esfuerzo longitudinal (SL)

calculado para un espesor

nominal de la pared de la

tubería para ductos

restringidos, no debe exceder

el valor: Donde:

fTEMP = Es el factor de diseño por temperatura

que se indica en la Tabla 1. ING. MARÍA ALEJANDRA CANACHE V.


ESFUERZOS PERMISIBLES

b) Tuberías no restringidas. El límite máximo del esfuerzo longitudinal calculado

(SL), está dado por:



FACTOR DE INTENSIFICACIÓN DE ESFUERZOS

Tabla N° 6:factor De Intensificación De Esfuerzos




Tabla N° 6 -A:factor De Intensificación De Esfuerzos




Tabla N° 6 -B: Factor De Intensificación De Esfuerzos



(1) La nomenclatura es como sigue:

R1 = Radio de curvatura del codo soldado o tubería doblada

T = Espesor nominal de pared del componente de tubería, mm (pulg)

= Para codos y codos mitrados, espesor nominal de pared del accesorio, mm

(pulg)

= Para tes soldadas, espesor nominal de pared de la tubería mm (pulg)

= Para tes fabricadas, espesor nominal de pared del cabezal (si el espesor es

mayor que el espesor del ramal, se debe mantener un espesor incrementado en

por lo menos un diámetro del cabezal hacia cada lado del ramal), mm (pulg)

Tc = espesor de entrepiernas de tes, mm (pulg)

D = Diámetro exterior del ramal, mm (pulg)

ro = Radio de curvatura de la porción externa de la salida, medida en el plano

conteniendo los ejes del cabezal y ramal, mm (pulg)

r2 = Radio medio de la tubería, mm (pulg)

S = Dimensión del tramo mitrado, mm (pulg)

Te = Espesor de la solapa o silleta, mm (pulg)

θ = Mitad del ángulo entre ejes mitrados adyacentes, grados.





BASES DEL DISEÑO DE LÍNEAS MARÍTIMAS

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y QUÍMICAS DEL FLUIDO.

• ESPECIFICACIONES DEL MATERIAL DE LA TUBERÍA Y COMPONENTES.

• PRESIÓN Y TEMPERATURA EN CONDICIONES NORMALES Y MÁXIMAS DE

OPERACIÓN.

• CONDICIONES DE CARGA SOBRE EL DUCTO DURANTE SU INSTALACIÓN,

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO.

• ESPESOR ADICIONAL POR CORROSIÓN.

• FILOSOFÍA DE OPERACIÓN.

• SISTEMAS DE PROTECCIÓN PARA PREVENCIÓN DE CORROSIÓN INTERIOR Y

EXTERIOR DEL DUCTO.

• INFORMACIÓN GEOFÍSICA Y GEOTÉCNICA DEL SUELO.

• INFORMACIÓN METEOROLÓGICA (ALTURAS Y DIRECCIÓN DE OLA,

VELOCIDAD Y DIRECCIÓN DE CORRIENTE Y TORMENTA DE DISEÑO).

• REQUERIMIENTOS ADICIONALES DE DISEÑO PARA CONSTRUCCIÓN,

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO.

• NORMAS Y ESPECIFICACIONES A UTILIZARSE EN EL PROYECTO.



SELECCIÓN DE LA RUTA DE LÍNEAS MARÍTIMAS

Tráfico de embarcaciones.

• Actividad pesquera.

• Instalaciones costa afuera.

• Líneas existentes.

•Características del fondo marino (Inestable, irregular

y otros).

• Accidentes, fallas o peligros potenciales (Reporte

geotécnico).

• Actividad sísmica.

• Obstrucciones.

• Futuros desarrollos en el área y métodos de

instalación aplicables.

• Áreas ecológicamente sensibles y protegidas.



CLASIFICACIÓN DE LOS DUCTOS SUBMARINOS

Se establecen tres Categorías de

Seguridad y Servicio (CSS) para diseño de

una línea submarina, en función del tipo de

fluido, la zonificación y el volumen de

producción transportado; para considerar

el factor de diseño adecuado, el cual

incluye las condiciones de riesgo de la

línea submarina. Dichas categorías son:

Muy alta, Alta y Moderada.



Presión interna. La tubería y sus componentes

deben diseñarse para resistir la presión interna

de diseño (Pint) y la presión externa (Pext)

debida a la carga hidrostática, la cual no debe

ser menor a la presión interna en cualquier punto

del ducto en una condición estática.

El espesor requerido por presión interna para

diseño de líneas submarinas que transportan

líquido o gas, se obtiene con la siguiente

expresión:

EFECTOS MECÁNICOS



Pi =Presión interna, en N/mm2 (lb/pulg2).

Pint =Presión interna de diseño, en N/mm2 (lb/pulg2).

Pext =Presión externa hidrostática actuante en la tubería, en N/mm2

(lb/pulg2).

D =Diámetro exterior nominal del tubo, en mm (pulg.).

t =Espesor de pared de acero del tubo por presión interna, en mm

(pulg.).

SMTS Esfuerzo de Tensión Ultimo Mínimo Especificado del tubo

(Specified Minimum Ultimate Tensile Strength), en N/mm2 (lb/pulg2).

fPb =Factor para diseño por presión interna indicado en la Tabla 1.

ft =Factor por temperatura indicado en la Tabla 2.

EFECTOS MECÁNICOS


EFECTOS MECÁNICOS

Tabla N°1: Factores para diseño por presión interna (fPb).

Tabla N°2: Factor por temperatura (ft) para tuberías de acero.



EFECTOS MECÁNICOS

Espesor mínimo requerido. El espesor

mínimo de pared requerido para soportar los

esfuerzos producidos por presión interna se

determina mediante la siguiente expresión:

tr = t + tc

donde:

tr =Espesor mínimo requerido por presión interna, en mm

(pulg.).

t =Espesor de diseño por presión interna en mm (pulg.).

tc =Tolerancia por corrosión en mm (pulg.).



EFECTOS MECÁNICOS


Tolerancia por corrosión. Se debe utilizar un margen de

corrosión con base en resultados estadísticos en el manejo

del producto que se va a transportar, información que debe ser

proporcionada por la empresa. De no contar con dicha

información se debe utilizar un espesor adicional de 0,159 mm

(6,25 milésimas de pulgada) por año para línea regular (Zona

A), y de 0,254 mm (10 milésimas de pulgada) por año para

ducto ascendente (Zona B).


EFECTOS MECÁNICOS

Espesor por temperatura alta para líneas restringidas. El espesor de la

tubería debe ser suficiente para soportar los esfuerzos generados por las cargas

térmicas. El cálculo de espesor por este efecto para líneas restringidas (línea

regular) debe realizarse de acuerdo con la siguiente expresión:

Ec.9



EFECTOS MECÁNICOS

donde:

tt =Espesor de pared de acero del tubo por temperatura, en mm (pulg.).

Pint =Presión interna de diseño, en N/mm2 (lb/pulg2).

Pext =Presión externa hidrostática actuante en la tubería, en N/mm2 (lb/pulg2).

D =Diámetro exterior nominal del tubo, en mm (pulg.).

SMYS =Esfuerzo de Fluencia Mínimo Especificado de la tubería (Specified

Minimum Yield Strength), en N/mm2 (lb/pulg2).

ft =Factor por temperatura indicado en la Tabla 4.

E =Módulo de elasticidad del acero de la tubería , en N/mm2 (lb/pulg2)

α =Coeficiente de expansión térmica, en mm/mm/°C (pulg./pulg./°F).



EFECTOS MECÁNICOS

T1 =Temperatura de instalación, en °C (°F); A menos que se cuente con un valor

medido o estadístico de la temperatura de fondo, ésta debe ser considerada de

15°C.

T2 = Temperatura de diseño, en °C (°F).

Tabla N°4: Módulos de elasticidad para aceros al carbono.



EFECTOS MECÁNICOS

Tensión longitudinal (Tu). Para fines de considerar este efecto se debe

tomar en cuenta los esfuerzos longitudinales que se presenten en la fase de

instalación u operación. La capacidad del ducto a tensión longitudinal está

dada por la siguiente expresión:

Tu = 1,1SMYS As Ec.10

donde:

Tu =Tensión longitudinal última, en N (lb).



As =Área nominal de la sección transversal de acero de la tubería, en mm2

(pulg2).



EFECTOS MECÁNICOS

Presión externa. Durante las fases de Instalación y Operación, los ductos

marinos están sujetos a condiciones de presión externa. El diferencial de

presión con respecto a la presión interna actuando en la tubería, puede causar

el colapso del ducto. Debe realizarse una revisión de los efectos de presión de

colapso y propagación de pandeo para garantizar una adecuada resistencia de

la tubería tomando en cuenta las variaciones de las propiedades geométricas,

ovalamiento, esfuerzos y presiones externas (Pext).



EFECTOS MECÁNICOS

Presión de colapso (Pc). La capacidad a presión neta de colapso (Pc) se debe

calcular mediante la expresión:



EFECTOS MECÁNICOS

fo =factor de ovalización= (Dmax- Dmin)/ (Dmax+Dmin)



E =Módulo de elasticidad del acero de la tubería, en N/mm2 (lb/pulg2).

ν =Relación de Poisson = 0,30 para el acero.

D =Diámetro nominal del tubo, en mm (pulg.).

Dmax =Diámetro máximo de la sección transversal de la tubería, en mm (pulg.).

Dmin =Diámetro mínimo de la sección transversal de la tubería, en mm (pulg.).

t =Espesor de pared del tubo, en mm (pulg.).



EFECTOS MECÁNICOS

La capacidad permisible de la tubería sometida a presión externa se debe calcular

con la expresión:

PCDE = 0,70 Pc

donde:

PCDE =Capacidad permisible de presión de colapso en línea submarina, en

N/mm2 (lb/pulg2).

La presión de colapso permisible calculada con la ecuación anterior, debe

garantizar que:

PCDE > Pext - Pint



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