Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural - SMIE · a) Norma de referencia nacional NRF-030-PEMEX-2003.- Diseño, Construcción, Inspección y Mantenimiento de Ductos Terrestres

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Sociedad Mexicana de Ingeniería EstructuralSociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

ESTUDIOS PARA LA DEFINICIÓN DE CRITERIOS DE INTEGRIDAD ESTRUCTURAL DE

DUCTOS SUJETOS A GRANDES DEFORMACIONES EN SU CRUCE CON FALLAS SUPERFICIALES DEL TERRENO

Miguel Ángel Guzmán Barriga1 y Ernesto Rodolfo Neri Barrio

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RESUMEN

El comportamiento exhibido por los ductos para conducción de hidrocarburos indica que estos sistemas son

susceptibles de presentar fallas estructurales como consecuencia de la inestabilidad del terreno en que se

alojan, en particular por el deslizamiento de fallas superficiales del terreno. En este artículo se analizan

diversos aspectos relacionados con la integridad estructural de ductos en su cruce con fallas superficiales del

terreno originadas por problemas de subsidencia y se plantea una metodología general para la estimación de

dicha integridad estructural.

ABSTRACT

According to several official reports and statistics, pipelines may present structural failures due to their

interaction with the soil in which they are embedded when the terrain moves due to the superficial failures. In

this paper we analyze several topics related to the structural integrity of pipelines when they intersect cracks

or failures in the terrain caused by subsidence. We propose a general approach in order to estimate the

structural integrity of the pipelines.

INTRODUCCIÓN

El análisis estadístico de los reportes de fallas en sistemas para el transporte y distribución de hidrocarburos a

través de ductos ha permitido identificar los diferentes factores de riesgo y la importancia relativa de cada uno

de ellos. La corrosión, tanto interna como externa, así como el daño mecánico inducido por terceros, son dos

de los factores más importantes, según los reportes administrados por los organismos responsables tanto en

los Estados Unidos de Norteamérica como en Europa. Las fallas ocasionadas por fenómenos naturales,

aunque menos frecuentes que las originadas por corrosión o daño por terceros, han contribuido sin embargo

con un porcentaje importante de las fallas reportadas. De entre este tipo de fallas, las asociadas a grandes

deformaciones permanentes del terreno resultan de especial importancia, dada su recurrencia, así como las

consecuencias que las mismas han tenido en el pasado. Dichas deformaciones permanentes del terreno

generalmente están asociadas a la ocurrencia de fenómenos sísmicos, aunque existen otros factores que

pueden dar origen a las mismas.

Los códigos y estándares desarrollados a nivel mundial para el análisis, diseño, construcción, operación y

mantenimiento de sistemas de ductos para el transporte y distribución de hidrocarburos, reconocen, en

general, la necesidad de atender la problemática asociada a ductos sujetos a grandes deformaciones del

terreno. Sin embargo, dichos códigos y estándares no proporcionan procedimientos detallados para llevar a

cabo lo anterior. Por esta razón, el diseño y revisión de ductos sujetos a grandes deformaciones del terreno

1 Investigador de la Gerencia de Ingeniería Civil, Instituto de Investigaciones Eléctricas, Calle Reforma No.

113, Col. Palmira, 62490 Cuernavaca, Morelos. Teléfono (777) 362-3811 ext. 7764; Fax: (777) 362-3833;

[email protected]

2 Investigador de la Gerencia de Ingeniería Civil, Instituto de Investigaciones Eléctricas, Calle Reforma No.

113, Col. Palmira, 62490 Cuernavaca, Morelos. Teléfono (777) 362-3811 ext. 7768; Fax: (777) 362-3833;

[email protected]

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

XVI Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Veracruz, Ver., 2008

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debe atenderse recurriendo a los resultados de las investigaciones desarrolladas en este campo y reportadas en

la literatura. De entre los diversos tipos de deformaciones permanentes del terreno, en el presente artículo el

interés se centra en la integridad estructural de ductos en su cruce con fallas superficiales del terreno,

originadas por el abatimiento de los niveles freáticos.

La aparición cada vez más frecuente de fallas superficiales en el terreno, originadas por la sobreexplotación

de mantos acuíferos en diversas zonas del país, aunado a la existencia de importantes líneas de transporte de

hidrocarburos a través de ductos en dichas zonas y a la falta de metodologías, dentro de los códigos y

estándares aplicables, para el tratamiento de este tipo de problemas, dio origen al desarrollo de la

investigación que aquí se describe. El alcance se limita exclusivamente a la estimación de la integridad de

ductos continuos (ductos de acero con conexiones soldadas) ante las grandes deformaciones que le son

impuestas como resultado de los movimientos en la falla del terreno, ignorándose cualquier otro factor

asociado a la posible perdida de integridad, tal como la corrosión o el daño mecánico inducido por terceros.

De la información bibliográfica detectada y analizada como parte de esta investigación, se desprende que

intervienen diversos factores en el comportamiento de los ductos. Entre ellos se pueden citar las

características del movimiento en la falla, la disposición y orientación del ducto respecto a la falla, las

propiedades del suelo en el que se aloja el ducto, así como la geometría y propiedades mecánicas del material

del ducto. El comportamiento que exhiben los ductos es de naturaleza altamente no lineal, siendo las fuentes

de este comportamiento no lineal la plastificación del material del ducto, el desarrollo de grandes

deformaciones en el mismo, así como los efectos de interacción no lineal entre el ducto y el suelo circundante.

La habilidad de los ductos para mantenerse en niveles adecuados de seguridad ante las acciones que les son

impuestas, depende de la capacidad de los mismos para desarrollar grandes deformaciones dentro del rango

de comportamiento no lineal del material, a fin de ajustarse a los desplazamientos del terreno, sin llegar a una

condición que comprometa su integridad estructural.

En el planteamiento general de la metodología para la estimación de la integridad estructural de los ductos,

que se propone en este artículo, se utilizan criterios de falla por deformaciones permisibles y se plantea el uso

de medidas mitigantes diversas, dada la imposibilidad de evitar, en muchos de los casos, que los ductos

queden sujetos a los efectos de los deslizamientos en las fallas superficiales del terreno.

DESARROLLO

CAUSAS DE FALLAS EN SISTEMAS DE DUCTOS PARA TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE HIDROCARBUROS

Las causas de fallas en sistemas de transporte y distribución de hidrocarburos a través de ductos suelen

agruparse en un número reducido de categorías, de acuerdo con las estadísticas de diversos organismos

encargados de recopilar la información de los incidentes que se presentan en este tipo de instalaciones.

Una de las fuentes de información referente a la ocurrencia de fallas de sistemas de ductos para transporte y

distribución de hidrocarburos, disponible para su consulta y análisis, es la información emitida por la Oficina

de Seguridad de Ductos (OPS), perteneciente al Departamento del Transporte (DOT) de los Estados Unidos

de Norteamérica. Por otra parte, para Europa el Grupo de Administración de Ductos para Hidrocarburos

(OPMG), perteneciente a la organización denominada Conservación de Aire y Agua Limpios en Europa

(CONCAWE), ha desarrollado funciones similares respecto a los eventos que se han presentado durante los

últimos 30 años en esos países. El análisis general de la información emitida por los organismos descritos

permite entrever que los orígenes de las fallas en ductos en ambas regiones presentan mucha similitud.

En la figura 1 se muestra la clasificación de las causas de fallas en sistemas de ductos, elaborada por la

Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos con base en la información recopilada por la OPS, para el

periodo 1996-2000.

La ocurrencia de fallas por inestabilidad del terreno en el sitio de ubicación de los ductos, las cuales se

agrupan dentro de la categoría de fallas por fenómenos naturales en las estadísticas de la ASME, si bien

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representan un porcentaje menor en las estadísticas de accidentes, constituyen un factor de riesgo que se debe

considerar cuando se tienen condiciones particularmente adversas.

Figura 1 Distribución de causas de incidentes en el periodo 1996-2000

De entre los casos documentados de fallas en sistemas de transporte y distribución de hidrocarburos a través

de ductos, emitidos por el Buró Nacional de Seguridad en el Transporte (NTSB) de los Estados Unidos de

Norteamérica, pueden identificarse diversos eventos asociados a la inestabilidad del suelo en el que se

alojaban los ductos, como es el caso de la línea para transporte de gasolina, de 40 pulgadas de diámetro,

mostrada en las figuras 2 y 3.

Figura 2 Deformación en la pared de la tubería

Figura 3 Vista de la zona deformada y de desarrollo de la grieta


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MARCO NORMATIVO

Una de las etapas principales del trabajo de investigación se centró en la búsqueda y análisis de los estándares

y normas de diseño de sistemas de transporte de hidrocarburos a través de ductos. Una vez identificados los

estándares y normas de interés, se seleccionaron los que se consideraron representativos de la práctica del

diseño en diferentes regiones geográficas, con objeto de analizar su contenido, siendo éstos:

a) Norma de referencia nacional NRF-030-PEMEX-2003.- Diseño, Construcción, Inspección y

Mantenimiento de Ductos Terrestres para Transporte y Recolección de Hidrocarburos

b) Estándar Internacional ISO 13623.- Petroleum and Natural Gas Industries – Pipeline Transportation

Systems

c) Estándar Australiano AS 2885.1-1997.- Pipelines – Gas and Liquid Petroleum. Part 1: Design and

Construction

d) Estándar Estadounidense ASME B31.4.- Pipeline Transportation Systems for Liquid Hydrocarbons

and Other Liquids

e) Estándar Estadounidense ASME B31.8.- Gas Transmission and Distribution Piping Systems

f) Eurocode 8, Part. 4. Design of Structures for Earthquake Resistance: Silos, Tanks and Pipelines

El análisis de los documentos anteriores se centró en la revisión de las estipulaciones que se establecen en los

aspectos del diseño, fabricación, prueba, operación, inspección y mantenimiento, y que resultaran de interés

en el contexto de la investigación.

Los estándares y normas analizados enfatizan la necesidad de mantener los niveles de seguridad ante la

existencia de problemas de inestabilidad del terreno y los consecuentes efectos adversos que ello tiene en la

integridad de los ductos, aunque, en general, no incluyen puntualmente procedimientos para lograr lo

anterior, obligando a recurrir a fuentes complementarias de información. Debe mencionarse que en el

Eurocódigo 8, parte 4, se dan algunas recomendaciones específicas para el diseño de líneas en zonas de suelos

inestables o en el cruce con fallas del terreno.

MODOS DE FALLA Y CRITERIOS DE FALLA DE DUCTOS CONTINUOS SUJETOS A GRANDES DEFORMACIONES POR INESTABILIDAD DEL TERRENO

Modos de Falla

El comportamiento exhibido por ductos enterrados sujetos a grandes deformaciones del terreno permite

identificar principalmente tres modos de falla, los cuales son: ruptura a tensión, pandeo local y pandeo

general. Este último modo suele presentarse en ductos con poca profundidad de enterramiento sujetos a

compresión axial.

▪ Ruptura a tensión

Como es sabido, el acero posee la capacidad de desarrollar grandes deformaciones inelásticas a tensión, una

vez alcanzado el esfuerzo de fluencia del material. Sin embargo, la presencia de conexiones entre tramos de

ductos, de imperfecciones en los puntos de soldadura, de irregularidades en la geometría de los ductos, así

como la hetereogeneidad en las propiedades del material, impide aprovechar la capacidad total de

deformación inelástica del acero antes de la ruptura.

▪ Pandeo local

Este modo de falla consiste en el arrugamiento de la pared del ducto, originado por inestabilidad local de la

misma al ser sometida a esfuerzos de compresión.

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Estos esfuerzos pueden originarse por carga axial sobre el ducto, por flexión en el mismo o una combinación

de ambos. Una vez desarrollado el pandeo local, las deformaciones adicionales a compresión del ducto, por

efecto de las distorsiones del terreno, tienden a concentrarse en la zona pandeada. Las grandes deformaciones

del material en el sitio en el que se produce el pandeo local pueden dar origen al desarrollo de agrietamiento

circunferencial, con el consiguiente derrame del producto transportado.

▪ Pandeo global

Este modo de falla no corresponde a una condición de falla estrictamente, dado que el ducto puede continuar

desempeñando su función, por lo que debe considerarse más adecuadamente como un problema en las

condiciones de servicio de la línea. Las fallas por pandeo global de ductos enterrados son de baja ocurrencia.

Criterios de Falla Los criterios de falla reportados en la literatura se fundamentan principalmente en los resultados de pruebas

experimentales y usualmente se refieren a las deformaciones límite antes de la falla. La utilización de un

criterio de esfuerzos permisibles disimularía considerablemente la dispersión en los resultados de pruebas

experimentales, dado que al tenerse un comportamiento plástico de por medio, grandes variaciones en las

deformaciones límite antes de la ruptura corresponderían a solo pequeñas variaciones en los esfuerzos, lo que

dificultaría el planteamiento adecuado de criterios de falla basados en esfuerzos límite. Con base en lo

anterior, en este trabajo de investigación se considera la utilización de criterios de falla basados en

deformaciones límite.

De entre los modos de falla descritos, el desarrollo de criterios de falla asociados a la ocurrencia de pandeo

local ha sido de especial interés dentro de los trabajos de investigación reportados en la literatura. Este modo

de falla se desarrolla a deformaciones límite mucho menores a las que llevan a la ruptura por tensión, lo que

implica que sea un modo de falla recurrente en ductos sujetos a grandes deformaciones del terreno que

inducen compresión axial y/o flexión sobre los mismos.

▪ Ruptura a tensión

Newmark y Hall (1975) recomiendan que las deformaciones unitarias a tensión se limiten a valores de 0.02 a

0.05, a fin de evitar que el material entre en una zona de fluencia plena (en donde se tenga un escaso

endurecimiento por deformación). Kennedy et al. (1977) consideran razonable limitar las deformaciones

unitarias a tensión a valores entre 0.03 y 0.06, por efecto de las posibles concentraciones de deformación

resultantes de la falta de uniformidad en el espesor de la pared del ducto o en el esfuerzo de fluencia del

material, o bien, por imperfecciones en los puntos de soldadura. En ASCE (1984) se recomienda utilizar una

deformación límite a tensión entre 0.02 y 0.05, la cual aplicaría para tramos rectos del ducto. Si el ducto en la

zona afectada por los movimientos del terreno contiene dobleces inducidos en campo durante la instalación de

la línea, recomienda utilizar un criterio más restrictivo, reduciendo la deformación límite a tensión. Sin

embargo, no se dan parámetros de referencia para este supuesto. En el Eurocódigo 8, Parte 4, se recomienda

utilizar una deformación admisible en tensión, igual a 0.05. O’Rourke y Liu (1999) establecen que una

deformación límite a tensión igual a 0.04 suele ser usada con frecuencia, por lo que utilizan este valor en el

desarrollo de un ejemplo de análisis.

Los criterios de falla por ruptura a tensión descritos arriba implican una frontera inferior igual a 0.02 y una

frontera superior igual a 0.06 en los valores de las deformaciones límite a tensión. La utilización de un valor

de deformación límite a tensión igual a 0.02 resultará conservador en cualquier caso.

▪ pandeo local

Las deformaciones límite a compresión, antes de la ocurrencia de pandeo local, dependen fundamentalmente

de la relación entre el diámetro del ducto y el espesor de pared del mismo, D / t. En función de esta relación,

el pandeo local puede producirse con o sin comportamiento plástico de por medio. Además de la relación D /

t, la magnitud de la presión interna influye en los valores de las deformaciones límite que se pueden alcanzar


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0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

20 40 60 80 100 120 140

Relación D / t

Defo

rmació

n l

ímit

e (

%)

Wilson y Newmark (1933)

Sherman (1976)

Kennedy et al. (1977) (inf.)

Kennedy et al. (1977) (sup.)

Hall y Newmark (1977)

Murphey y Langner (1985)

Igland (1993)

Gresnigt y Foeken (2001)

antes de la ocurrencia de pandeo local. La presión interna tiende a estabilizar las paredes del ducto, por lo que

ignorar su efecto resulta conservador.

Figura 4 Pandeo local en un elemento de prueba

La comparación de resultados de pruebas de laboratorio, como la mostrada en la figura 4, indica que existe

una dispersión importante entre las deformaciones límite obtenidas experimentalmente por diversos

investigadores, expresadas éstas en función de la relación D / t. Similarmente, las predicciones de

deformaciones límite obtenidas al utilizar diferentes criterios de falla reportados en la literatura, presentan la

misma variabilidad.

Figura 5 Deformaciones límite a compresión según diferentes criterios de falla

Gresnigt y van Foeken (2001) desarrollaron un criterio de falla basado en el análisis de los resultados de

pruebas experimentales reportados por distintos investigadores, así como con base en pruebas desarrolladas

por ellos mismos, y su comparación con diversos criterios de falla reportados en la literatura, proponiendo la

siguiente ecuación:

1

22620

t

Dε c

.

(1)

donde c es la deformación unitaria límite a compresión antes de la ocurrencia de pandeo local.

7


En la figura 5 se muestran comparativamente las deformaciones límite, para valores de la relación D / t entre

35 y 120, según diferentes criterios de falla. El criterio de falla propuesto por Gresnigt y van Foeken

constituye prácticamente la frontera inferior entre las predicciones de deformaciones límite establecidas por

los diferentes criterios de falla. Considerando el hecho de que este criterio está basado en los resultados de un

amplio conjunto de pruebas experimentales, se considera adecuado adoptarlo en la estimación de la integridad

estructural de ductos enterrados sujetos a grandes deformaciones del terreno.

▪ pandeo global

Basado en el hecho de que el pandeo global tiene más probabilidades de ocurrir en ductos con pequeñas

profundidades de enterramiento o con materiales de relleno sueltos, Meyersohn (1991) determina la

profundidad crítica de enterramiento, de tal manera que un ducto colocado a una profundidad menor a ésta

experimente pandeo global antes de desarrollar una condición de pandeo local. Este autor hace notar, con base

en los resultados de su investigación, que para las relaciones diámetro a espesor usuales en ductos enterrados,

las profundidades críticas de enterramiento resultan menores a las profundidades normamente utilizadas en la

práctica, por lo que este modo de falla tiene pocas posibilidades de desarrollarse, lo cual confirman los pocos

casos reportados de ocurrencia de este tipo de fallas.

MODELOS PARA EL ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE DUCTOS EN SU CRUCE CON FALLAS SUPERFICIALES DEL TERRENO

La investigación se limitó al estudio de las metodologías de análisis de ductos enterrados en su cruce con

fallas superficiales del terreno. La información que se presenta se circunscribe al análisis del comportamiento

de ductos de acero soldado continuos, por lo que no se considera el efecto de conexiones flexibles ni la

presencia de elementos tales como anclajes, dobleces o cualquier otro tipo de accesorios en la línea.

El estudio del comportamiento de ductos en su cruce con fallas en el terreno ha estado orientado

fundamentalmente, como en el caso de otros tipos de deformación permanente del terreno, al análisis de los

efectos sísmicos sobre este tipo de elementos estructurales. Sin embargo, el carácter dinámico del fenómeno

suele ignorarse, considerándose en el análisis solo la magnitud de las componentes máximas de

desplazamiento que se presentan en la falla. En este sentido, los modelos que se han desarrollado resultan

aplicables al análisis de ductos en su cruce con fallas del terreno por subsidencia del mismo, en donde el

fenómeno se desarrolla en condiciones que se pueden suponer estáticas.

El movimiento de fallas en el terreno probablemente sea una de las condiciones más severas a las que se ven

sujetos los ductos, de entre los diferentes tipos de deformaciones permanentes del terreno. Estos movimientos

son de carácter tridimensional, como se aprecia en la figura 6. El efecto que tendrán en el ducto depende tanto

del ángulo β con que el ducto intersecta la falla en planta, como del ángulo vertical ψ entre el plano de falla y

la superficie del terreno. Con base en los valores de los desplazamientos relativos en la falla y los valores de β

y ψ, es posible calcular las proyecciones de dichos desplazamientos en la dirección longitudinal al eje del

ducto (Δx) y en las direcciones transversales horizontal y vertical (Δy, Δz), como se ilustra en las figuras 7 y

8. Con base en los valores de Δx, Δy y Δz, se evalúa el cambio en la longitud del ducto requerido por los

desplazamientos que se presentan en la falla, el cual constituye uno de los parámetros básicos de los métodos

para el análisis de ductos enterrados, los cuales se describen más adelante.

Para ductos de acero soldado, el esquema básico de análisis consiste en aprovechar la capacidad del ducto

para desarrollar deformaciones importantes a tensión dentro del intervalo de comportamiento no lineal del

material, a fin de ajustarse a las deformaciones que le son impuestas por el movimiento del terreno en que la

línea se aloja, sin llegar a una condición de falla. Lo anterior, por supuesto no aplica cuando el movimiento

del terreno induce compresión axial en el ducto, en cuyo caso, como ya se mencionó, la capacidad del ducto

para ajustarse a los movimientos del terreno resulta mucho más limitada.

En la literatura se reportan diferentes métodos desarrollados para el análisis de ductos enterrados en cruces

con fallas del terreno.


8

Figura 6 Desplazamientos a los que es sujeto el ducto en el cruce con fallas del terreno

Aparentemente el primer trabajo reportado fue el desarrollado por Newmark y Hall (1975). En el modelo

propuesto por estos investigadores, se ignoran los efectos de interacción lateral entre el ducto y el suelo

adyacente. Este método considera implícitamente que el ducto se encuentra libre de desplazarse lateralmente

respecto al suelo circundante, a efecto de ajustarse a los movimientos en la falla del terreno, ignorándose

cualquier efecto de interacción lateral entre el ducto y el suelo.

La aplicación de este método requiere de un proceso iterativo de análisis. En términos generales, consiste en

comparar las deformaciones por tensión axial en el ducto, calculadas con base en un estado de esfuerzos

máximos supuesto en el punto de cruce del mismo con la falla, con la deformación que le es inducida por

efecto del movimiento de la falla en el terreno. Si las magnitudes de ambas deformaciones no son lo

suficientemente parecidas, se supone un nuevo estado de esfuerzos y se repite el proceso hasta lograr la

convergencia. Si los esfuerzos en el cruce del ducto con la falla se encuentran por arriba del esfuerzo de

fluencia del material, se consideran de manera independiente los tramos de ducto con comportamiento

elástico lineal y no lineal, al estimar las deformaciones generadas por los esfuerzos axiales.

Para poder utilizar este procedimiento simplificado de análisis se requiere que se conozcan las características

esfuerzo-deformación del material del ducto en los rangos elástico e inelástico, las propiedades de fricción

axial en la interfase suelo-ducto y la geometría del cruce del ducto con la falla.

Kennedy et al. (1977), con base en el trabajo de Newmark y Hall, presentan un modelo mejorado. Este

modelo, al igual que el de Newmark y Hall, resulta aplicable solo en el caso de que el ducto quede sujeto a

deformaciones axiales de tensión como resultado de los movimientos en la falla. Se consideran las fuerzas

laterales, horizontal y vertical, ejercidas por el suelo sobre el ducto, así como la curvatura que se desarrolla en

la zona adyacente a la falla del terreno y las deformaciones por flexión asociadas a dicha curvatura. El

procedimiento ignora la rigidez a flexión del ducto, por lo que sobreestima los efectos de las presiones lateral

y vertical en el cálculo de las deformaciones por flexión, resultando por lo tanto un método conservador de

análisis en la mayoría de los casos.

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Además de los parámetros requeridos para la aplicación del método de análisis propuesto por Newmark-Hall,

en el modelo de Kennedy et al. se requiere conocer las resistencias transversales, horizontal y vertical hacia

arriba, del suelo en el que se encuentra alojado el ducto. Al igual que en el método de Newmark-Hall, la

aplicación del método de Kennedy et al. es de naturaleza iterativa y parte también de un valor supuesto de los

esfuerzos axiales máximos en el ducto en el cruce con la falla. Los pasos para la aplicación de este método

siguen la misma secuencia general del método de Newmark-Hall. En ASCE (1984) se dan las expresiones

para la aplicación paso a paso de los métodos de análisis de Newmark-Hall y Kennedy et al.

Figura 7 Movimientos relativos en una falla con deslizamiento horizontal

Figura 8 Movimientos relativos en una falla con deslizamiento normal

Wang y Yeh (1985) desarrollaron un modelo de análisis en el que se incorporan diversas variantes a los

modelos descritos arriba y a decir de sus autores puede aplicarse, con algunas modificaciones menores, al

análisis del comportamiento de ductos cuando el movimiento en la falla genera compresión sobre los mismos.


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Los métodos analíticos descritos con anterioridad pueden aplicarse solamente a problemas en los que el

movimiento en la falla genera tensión axial en el ducto. En el caso de que dicho movimiento indujera

compresión axial, es necesario recurrir al uso de técnicas numéricas, como el método de los elementos finitos.

Este método ha sido ampliamente utilizado por diversos investigadores en el análisis del comportamiento de

ductos enterrados en el cruce con fallas en el terreno (Ariman y Lee, 1991; Meyersohn, 1991; O’Rourke y

Liu, 1999).

O’Rourke y Liu (1999) presentan un análisis comparativo de los resultados obtenidos en la aplicación de los

métodos de análisis descritos, para el cálculo del deslizamiento horizontal permisible en la falla en función del

ángulo de intersección. Concluyen que los resultados obtenidos con el método de Kennedy et al. se aproximan

bastante a los resultados obtenidos con el método de los elementos finitos. El método de Newmark-Hall

sobreestima los deslizamientos permisibles en la falla, lo cual al parecer se debe a la utilización de

deformaciones promedio en el ducto y al hecho de haberse ignorado las deformaciones por flexión.

Contrariamente, el método de Wang-Yeh subestima los deslizamientos permisibles en la falla. Al parecer lo

anterior se debe a que se considera comportamiento elástico en una parte importante de los tramos curvos del

ducto, además de no haberse considerado la reducción de la rigidez a flexión cuando el material del ducto en

las cercanías de la falla del terreno se plastifica por efecto de los altos esfuerzos axiales que se desarrollan en

esa zona.

Con base, tanto en los criterios utilizados en el desarrollo de los modelos analíticos descritos, como en los

resultados obtenidos de su aplicación, puede observarse que existen ciertos factores que contribuyen de

manera significativa en el comportamiento de ductos enterrados sujetos a movimientos de fallas en el terreno.

Entre estos factores se encuentran: la profundidad de enterramiento, la magnitud de los desplazamientos en la

falla, el ángulo de intersección entre el ducto y la falla, las propiedades del suelo en el que se aloja el ducto,

las propiedades del material y geometría del ducto, así como la presión interna.

▪ Influencia del ángulo de intersección

El ángulo de intersección del ducto con la falla definirá en gran medida el comportamiento del ducto y su

integridad mecánica. Ante deslizamientos horizontales en la falla, dependiendo del ángulo de intersección el

ducto quedará sujeto a tensión o compresión axial, lo cual, como se ha comentado ya, influye drásticamente

en la capacidad de deformación del ducto ante los movimientos que le son impuestos, antes de alcanzar una

condición de falla. Cuando el deslizamiento horizontal genera tensión en el ducto, a mayor ángulo de

intersección mejor el desempeño del mismo. En fallas con deslizamiento normal, como la mostrada en la

figura 8, siempre se genera tensión en el ducto, la cual se reduce con la reducción del ángulo de intersección.

▪ Influencia de la longitud no anclada

La distancia entre los puntos de anclaje, o longitudes no ancladas (ver figura 6), queda definida en gran

medida por la interacción longitudinal desarrollada entre el ducto y el suelo circundante, a través de fuerzas

de fricción. Mientras mayores sean las fuerzas de fricción que sean capaces de desarrollarse en la interfase

suelo-ducto, menor resultará la longitud no anclada del ducto. A mayor longitud no anclada, mayor será la

capacidad del ducto ante las deformaciones inducidas por el movimiento de la falla.

▪ Influencia de las características del ducto

De entre las características del ducto, la que mayor influencia tiene en su desempeño es el espesor de pared.

El incremento en el espesor de pared origina el decremento de las deformaciones por tensión en el cruce del

ducto con la falla. Cuando los movimientos en la falla generan compresión en el ducto, la relación diámetro a

espesor del mismo define la capacidad de deformación en el ducto antes de que se presente pandeo local.

MEDIDAS MITIGANTES

El reconocimiento de los efectos adversos que las deformaciones permanentes del terreno pueden tener sobre

ductos enterrados, aunado al hecho de que en muchos de los casos no es factible evitar la exposición de los

mismos a los peligros asociados a dichas deformaciones permanentes, ha llevado al planteamiento de medidas

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mitigantes diversas con el objetivo fundamental de mantener la integridad estructural de los ductos ante las

solicitaciones que les son impuestas. Estas medidas mitigantes han estado orientadas a diversos fines, incluida

la reducción o eliminación de las posibles deformaciones permanentes del terreno (Fujii et al., 1992), la

disminución de sus efectos sobre los ductos (Mc Norgan, 1989) o el mejoramiento del desempeño de los

mismos ante las deformaciones que les son impuestas (Isenberg y Richardson, 1989). Las medidas mitigantes

más adecuadas para cada caso en particular dependerán en gran medida del tipo de deformaciones

permanentes del terreno a que el ducto se vea o pueda verse sujeto durante su vida útil.

De entre las medidas mitigantes reportadas en la literatura, resultan de especial interés las que se refieren a la

relevación de esfuerzos en el ducto, al mejoramiento de las características del suelo de relleno y a la

colocación de recubrimientos sobre el ducto, dada la factibilidad de su utilización en líneas existentes. De

hecho, estas medidas mitigantes podrían utilizarse conjuntamente para relevar esfuerzos en ductos sujetos a

grandes deformaciones en el cruce con fallas superficiales del terreno y para mejorar su desempeño futuro en

caso de que se prevean deslizamientos adicionales en la falla.

Una vez evaluado el estado del ducto por efecto de los deslizamientos en la falla del terreno, el planteamiento

de una metodología para la relevación de esfuerzos y mejoramiento del desempeño del ducto ante

deslizamientos adicionales, debería incluir la estimación del impacto de las medidas mitigantes, así como la

planeación de la implementación de dichas medidas en sitio y del monitoreo posterior de la línea.

METODOLOGÍA PROPUESTA PARA LA EVALUACIÓN DE LA INTEGRIDAD ESTRUCTURAL

Al igual que en cualquier otro problema de ingeniería estructural, al estimar el comportamiento de los ductos

es posible manejar diferentes niveles de precisión en el análisis. En términos generales, el incremento en el

nivel de precisión implica el incremento también de la complejidad de los modelos utilizados y de los

recursos requeridos para el análisis. En este sentido, el empleo de un método analítico simplificado, como el

planteado por Kennedy et al., implicará el uso de recursos considerablemente menores a los requeridos en la

ejecución de una simulación numérica con el método de los elementos finitos.

Similarmente, los valores de los parámetros de resistencia del suelo pueden definirse con diferentes niveles de

precisión. Por una parte, puede recurrirse a la utilización de valores estimados en función del tipo de suelo

existente en el lugar, o bien, puede obtarse por determinar las propiedades del mismo a través de pruebas de

laboratorio.

Con base en lo anterior, resulta razonable al evaluar el estado actual del ducto utilizar, en primera instancia,

un método simplificado de análisis con propiedades estimadas del suelo en función de su tipo. De la

comparación de los resultados de este análisis con criterios conservadores de falla, podría tenerse una primera

estimación de la integridad del ducto. En caso de encontrarse condiciones satisfactorias en el mismo, es

posible prescindir de análisis más elaborados. Si los resultados de este primer análisis permiten concluir que

se tienen en el ducto condiciones cercanas a una posible falla, es necesario recurrir a un análisis más refinado

que permita corroborar lo anterior, e inclusive, podría requerirse la verificación en sitio de las condiciones en

el ducto. Estas ideas se incorporan a continuación en el planteamiento general de una metodología o secuencia

de pasos a seguir, para la estimación de la integridad estructural.

Una primera estimación de las condiciones del ducto podría efectuarse mediante la ejecución de las

actividades siguientes:

1) Inspección en sitio para la determinación de los deslizamientos en la falla, orientación del ducto respecto

a la falla, profundidad de enterramiento y tipo de suelo.

2) Recopilación de datos referentes a la geometría del ducto, propiedades nominales del acero, presión

interna de operación y peso volumétrico del fluido transportado. Estimación de propiedades de resistencia

del suelo.


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3) Análisis del estado actual del ducto con base en el modelo de Kennedy et al. y comparación con criterios

de falla. En función de los resultados obtenidos, podría justificarse un refinamiento en el análisis, como

se describe más adelante.

4) En su caso, selección, planeación e implementación de medidas mitigantes

5) Estimación de la integridad estructural ante deslizamientos adicionales en la falla, incorporando, en su

caso, el efecto de las medidas mitigantes

6) Monitoreo de condiciones en el sitio y estimación del estado correspondiente del ducto

8) Documentación

En caso de que el estado del ducto, evaluado en el paso 3, indique que se podría tener una condición cercana a

la falla, se propone mejorar la precisión del análisis utilizando las propiedades de resistencia del suelo

obtenidas con base en la toma de muestras en sitio y el desarrollo de pruebas de laboratorio, así como

simulaciones numéricas mediante el método de los elementos finitos.

En los casos en que sea justificable, se puede optar adicionalmente por la determinación en sitio del espesor

real de pared del ducto, además de evaluar mediante técnicas experimentales en campo las propiedades

mecánicas a tensión reales del material del ducto, así como corroborar el nivel de deformaciones en el mismo

(Panetta et al., 2001; Kania et al., 2003).

CONCLUSIONES

1. Entre los diversos factores que pueden comprometer la integridad estructural de los sistemas de ductos

durante su vida útil se encuentra la inestabilidad del terreno, lo cual corroboran las estadísticas de fallas

en este tipo de sistemas.

2. Las normas y estándares relacionadas con el diseño, construcción, operación y mantenimiento de

sistemas de transporte de hidrocarburos a través de ductos no proporcionan procedimientos detallados

para el análisis y diseño de ductos en zonas de suelos inestables, por lo que su diseño y revisión cuando

están sujetos a grandes deformaciones del terreno debe efectuarse recurriendo a los resultados de

investigaciones desarrolladas en esta área y reportadas en la literatura.

3. Se considera que la utilización conjunta de los modelos para el análisis del comportamiento de los ductos

y de los criterios de falla por deformaciones límite, reportados en la literatura, brindan los elementos

necesarios para evaluar las condiciones de integridad estructural de ductos enterrados en su cruce con

fallas superficiales del terreno asociadas a subsidencia del mismo por abatimiento de acuíferos, mediante

la aplicación de la metodología propuesta.

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Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural - SMIE · a) Norma de referencia nacional NRF-030-PEMEX-2003.- Diseño, Construcción, Inspección y Mantenimiento de Ductos Terrestres