PEMEX EXPLORACIÓN Y PRODUCCION
DIRECCIÓN GENERAL SUBDIRECCIÓN DE MANTENIMIENTO, LOGISTICA
E INFRAESTRUCTURA COMPLEMENTARIA
GERENCIA DE MANTENIMIENTO E INFRAESTRUCTURA
COMPLEMENTARIA MARINA
SUBGERENCIA DE MANTENIMIENTO Y CONFIABILIDAD DE DUCTOS
MARINOS
SUPERINTENDENCIA DE MANTENIMIENTO Y CONFABILIDAD DE DUCTOS
MARINOS RMNE.
CONTRATO: “ADMINISTRACIÓN DE INTEGRIDAD Y CONFIABILIDAD DEL
SISTEMA DE TRANSPORTE DE HIDROCARBUROS POR DUCTOS MARINOS”
REPORTE DE ANÁLISIS DE COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE CAMISA DE
ACERO AL CARBÓN TIPO ABRAZADERA PERNADA PARA ELIMINAR FUGAS
EN TUBERÍA DE 14"Øx18-3/4x14"LONG.
0
19/06/23
PARA REVISIÓN
J.G.H.
J.E.L.C.
Rev.
Fecha
Descripción
Reviso
Realizo
Rev.:
No. de Contrato
0
648232830
Número del documento:
Disciplina:
DVZ-D-14x14-CM-MC-C-001
MECÁNICA DE TUBERÍAS
Aprobó
No. de Proyecto
Título:
REPORTE DE ANÁLISIS DE COMPORTAMIENTO
MECÁNICO DE LA CAMISA DE 14” Ø X 14” PARA
TUBERÍA DE 14”Ø.
Rev.:
No. de Contrato
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Número del documento:
DVZ-D-14x14-CM-MC-C-001
No. de PROYECTO:
Disciplina:
Título:
MECÁNICA DE TUBERÍAS
REPORTE
DE
ANÁLISIS
DE
COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE
LA
CAMISA DE 14” Ø X 14” PARA TUBERÍA DE
14ӯ.
CONTENIDO
1.- Introducción................................................................................................................................ 3
2.- Objetivo...................................................................................................................................... 4
3.- Metodología del Análisis de Elemento Finito .................................................................................... 6
4.- Alcance ...................................................................................................................................... 8
5.- Configuración de la camisa de 14” Ø x 14”. ...................................................................................... 9
6.- Mallado .................................................................................................................................... 10
6.1 Propiedades de elementos de mallado .......................................................................................... 12
7.- Condiciones de Frontera ............................................................................................................. 15
8.- Propiedades del material ............................................................................................................. 16
9.- Resultados de Análisis ............................................................................................................... 17
9.1 Caso de la camisa de 14” Ø x 14” a instalar para tubería de 14” Ø. .................................................... 17
10.- Conclusiones........................................................................................................................... 19
11.- Documentos de referencia ......................................................................................................... 19
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Disciplina:
MECÁNICA DE TUBERÍAS
Título:
REPORTE
DE
ANÁLISIS
DE
COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE
LA
CAMISA DE 14” Ø X 14” PARA TUBERÍA DE
14ӯ.
1.- Introducción
El sistema es una camisa de acero al carbón tipo abrazadera pernada para eliminar fugas en tubería de 14 Ø. La camisa está
fabricada de acuerdo con los requerimientos indicados en el código ASME B 31.8, ASME B 31.4 especificación técnica
P.2.0722.03:2015 y guía operativa GO-AU-MA-0006-2021, y está conformada con placa rolada bipartida de 18.750" Ø ext. x 1-1/4"
esp. de acero al carbón, A-537 Cl.1; de placa bipartida de 18.750" Ø ext. x 3" esp. de acero al carbón, A-516 Gr.70; de placa de 23/4" de espesor x 6.25" x 23" de longitud de acero al carbón, ASTM A-516 Gr.70.
El estudio de elemento finito determinará el comportamiento mecánico del sistema en función de los esfuerzos en la región de la
camisa de 14” Ø x 14”, bajo las condiciones de la carga interna de presión y temperatura de diseño.
La evaluación del comportamiento mecánico se realizó mediante la simulación en tres dimensiones aplicando elemento finito, con
el software ANSYS V 23 R1 en la plataforma WORKBENCH, en donde se asignaron las propiedades de los materiales de la camisa
de 14” Ø x 14”.
El modelo se construyó con elementos de 20 y 10 nodos por elemento, lo que permite la evaluación de esfuerzos en el campo
elástico.
Se consideró que los esfuerzos residuales en este elemento mecánico son despreciables y las condiciones fronteras permitirán la
libre sustentación del modelo.
Se elaboró un modelo considerando el escenario de presión y temperatura aplicado en la pared interna del componente.
Los resultados se muestran en figuras de esfuerzo de Von Mises, identificando la región donde se localiza el máximo esfuerzo. El
sistema de unidades aplicado fue el S.I. (Sistema Ingles), con grados Fahrenheit (°F) para expresar la temperatura, pulgadas (in)
como unidad de longitud y libras fuerza sobre pulgada cuadrada (lbf/in2) para el esfuerzo y la presión.
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MECÁNICA DE TUBERÍAS
Título:
REPORTE
DE
ANÁLISIS
DE
COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE
LA
CAMISA DE 14” Ø X 14” PARA TUBERÍA DE
14ӯ.
2.- Objetivo
Determinar el comportamiento mecánico de una camisa de acero al carbón tipo abrazadera pernada para eliminar fugas en tubería
de 14 Ø. La camisa está fabricada de acuerdo con los requerimientos indicados en el código ASME B 31.8, ASME B 31.4
especificación técnica P.2.0722.03:2015, conformada con placa rolada bipartida de 18.750" Ø ext. x 1-1/4" esp. de acero al carbón,
A-537 Cl.1; de placa bipartida de 18.750" Ø ext. x 3" esp. de acero al carbón, A-516 Gr.70; de placa de 2-3/4" de espesor x 6.25" x
23" de longitud de acero al carbón, ASTM A-516 Gr.70.
Figura 2.1. Configuración de la zona de estudio de la camisa de 14” Ø x 14”
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MECÁNICA DE TUBERÍAS
Título:
REPORTE
DE
ANÁLISIS
DE
COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE
LA
CAMISA DE 14” Ø X 14” PARA TUBERÍA DE
14ӯ.
Figura 2.2. Plano de la camisa de 14” Ø x 14”. Modelo STIN-MS.2E/14”Ø x 18-3/4 x 14”LONG.
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MECÁNICA DE TUBERÍAS
Título:
REPORTE
DE
ANÁLISIS
DE
COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE
LA
CAMISA DE 14” Ø X 14” PARA TUBERÍA DE
14ӯ.
3.- Metodología del Análisis de Elemento Finito
1. Reunir la información referente a las especificaciones técnicas del sistema, condiciones de operación, propiedades del material
y geometría del elemento.
2. Construcción del modelo geométrico en tres dimensiones mediante operaciones booleanas complejas debido a la particularidad
del sólido, evaluándose 1 escenario:
Se elaboró un modelo considerando el escenario de presión y temperatura aplicado en la pared interna del componente
3. Discretización del sistema mediante mallado para dichos modelos con elementos SOLID 186 y SOLID 187 de 20 y 10 nodos
respectivamente, con tres grados de libertad por nodo.
4. Asignación de las condiciones frontera al modelo en los modelos antes mencionados, como:
• Restricción del desplazamiento.
• Presión interna y temperatura
5. Aplicación de las propiedades mecánicas de los materiales involucrados.
6. Simulación del modelo de elementos finitos del sistema de la camisa de 14” Ø x 14”, para el escenario considerado
.
7. Evaluación y análisis de los resultados mediante los códigos y normas aplicables.
8. Elaboración del reporte.
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MECÁNICA DE TUBERÍAS
REPORTE
DE
ANÁLISIS
DE
COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE
LA
CAMISA DE 14” Ø X 14” PARA TUBERÍA DE
14ӯ.
Caso de la camisa de 14”
Ø x 14” a instalar para
tubería de 14” Ø
Figura 3.1. Metodología aplicada en la simulación.
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MECÁNICA DE TUBERÍAS
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REPORTE
DE
ANÁLISIS
DE
COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE
LA
CAMISA DE 14” Ø X 14” PARA TUBERÍA DE
14ӯ.
4.- Alcance
Determinar el comportamiento mecánico de una camisa de acero al carbón tipo abrazadera pernada para eliminar fugas en tubería
de 14 Ø. La camisa está fabricada de acuerdo con los requerimientos indicados en el código ASME B 31.8, ASME B 31.4 especificación
técnica P.2.0722.03:2015, conformada con placa rolada bipartida de 18.750" Ø ext. x 1-1/4" esp. de acero al carbón, A-537 Cl.1; de
placa bipartida de 18.750" Ø ext. x 3" esp. de acero al carbón, A-516 Gr.70; de placa de 2-3/4" de espesor x 6.25" x 23" de longitud
de acero al carbón, ASTM A-516 Gr.70., para lo cual se modela en 3D mediante elemento finito aplicando la plataforma computacional
ANSYS V 2023 R1.
• Determinar el estado de esfuerzo presente en el sistema aplicando la teoría de von Mises-Henky.
• Evaluar los esfuerzos resultantes mediante los códigos y normas aplicables.
• Establecer las recomendaciones necesarias para corregir cualquier condición que salga de los niveles de esfuerzo considerados
como permisibles.
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MECÁNICA DE TUBERÍAS
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REPORTE
DE
ANÁLISIS
DE
COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE
LA
CAMISA DE 14” Ø X 14” PARA TUBERÍA DE
14ӯ.
5.- Configuración de la camisa de 14” Ø x 14”.
El modelo que se muestra en la figura 6.1 consta de una camisa de 14” Ø x 14” a instalar para tubería de 14” Ø, y está conformada
con placa rolada bipartida de 18.750" Ø ext. x 1-1/4" esp. de acero al carbón, A-537 Cl.1; de placa bipartida de 18.750" Ø ext. x 3"
esp. de acero al carbón, A-516 Gr.70; de placa de 2-3/4" de espesor x 6.25" x 23" long. de acero al carbón, ASTM A-516 Gr.70.
Figura 5.1. Modelo integral de la camisa de 14” Ø x 14”.
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REPORTE
DE
ANÁLISIS
DE
COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE
LA
CAMISA DE 14” Ø X 14” PARA TUBERÍA DE
14ӯ.
6.- Mallado
Se realiza el modelo en tres dimensiones, el tipo de elemento aplicado con 20 y 10 nodos.
Figura 6.1. Mallado de la camisa de 14” Ø x 14”.
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REPORTE
DE
ANÁLISIS
DE
COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE
LA
CAMISA DE 14” Ø X 14” PARA TUBERÍA DE
14ӯ.
Figura 6.2. Mallado de la camisa de 14” Ø x 14”.
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MECÁNICA DE TUBERÍAS
Título:
REPORTE
DE
ANÁLISIS
DE
COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE
LA
CAMISA DE 14” Ø X 14” PARA TUBERÍA DE
14ӯ.
6.1 Propiedades de elementos de mallado
Para realizar el mallado se utilizan los elementos SOLID186 y SOLID187 con 20 y 10 nodos respectivamente; de acuerdo a literatura
proporcionada por ANSYS, estos elementos son recomendados para trabajar solicitaciones de comportamiento mecánico tales como
presión y temperatura.
Figura 6.3. Propiedades de elemento tipo malla SOLID186
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REPORTE
DE
ANÁLISIS
DE
COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE
LA
CAMISA DE 14” Ø X 14” PARA TUBERÍA DE
14ӯ.
Figura 6.4. Propiedades de elemento tipo malla SOLID186
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REPORTE
DE
ANÁLISIS
DE
COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE
LA
CAMISA DE 14” Ø X 14” PARA TUBERÍA DE
14ӯ.
Figura 6.5. Propiedades de elemento tipo malla SOLID187
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ANÁLISIS
DE
COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE
LA
CAMISA DE 14” Ø X 14” PARA TUBERÍA DE
14ӯ.
7.- Condiciones de Frontera
Figura 7.1. Condiciones de diseño de la camisa de 14” Ø x 14”.
Las condiciones de carga del sistema corresponden a presión interna, es decir 1,500 psi, lo cual genera un estado biaxial de esfuerzos
combinados.
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REPORTE
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ANÁLISIS
DE
COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE
LA
CAMISA DE 14” Ø X 14” PARA TUBERÍA DE
14ӯ.
8.- Propiedades del material
Las propiedades del material empleadas en la simulación se muestran en la tabla 1
.
Tabla 1. Propiedades de materiales considerados en simulación
Propiedad
Modulo de Young
E
Relación de Poisson
Ν
Cuerpo principal
de la camisa de
14” Ø x 14” (A-537
Cl.1)
29,008,000 psi
0.30
Resistencia Ultima
a la Tensión
70,000 psi
UTS
Esfuerzo a la
Cedencia
50,000 psi
YS
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REPORTE
DE
ANÁLISIS
DE
COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE
LA
CAMISA DE 14” Ø X 14” PARA TUBERÍA DE
14ӯ.
9.- Resultados de Análisis
9.1 Caso de la camisa de 14” Ø x 14” a instalar para tubería de 14” Ø.
Modelo de la camisa de 14” Ø x 14” a instalar para tubería de 14” Ø considerando que la presión interna de la camisa de 14” Ø x 14”
sea de 1,500 psi.
Figura 9.1 Estado de esfuerzos en el modelo integral de la camisa de 14” Ø x 14” (Von Mises), por carga de presión de 1,500 psi.
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REPORTE
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ANÁLISIS
DE
COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE
LA
CAMISA DE 14” Ø X 14” PARA TUBERÍA DE
14ӯ.
Figura 9.2 Máximo esfuerzo en camisa de 14” Ø x 14” (20,472 psi)
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MECÁNICA DE TUBERÍAS
REPORTE
DE
ANÁLISIS
DE
COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE
LA
CAMISA DE 14” Ø X 14” PARA TUBERÍA DE
14ӯ.
10.- Conclusiones
De acuerdo a los resultados obtenidos en el análisis de comportamiento mecánico de la camisa de 14” Ø x 14”, bajo las condiciones
de carga a las cuales estará sometido; propuesto para instalar en tubería de 14” Ø; se determina que el esfuerzo equivalente se
encuentra dentro de los rangos establecidos por la especificación P.2.0722.03:2015, párrafo 8.1.1.20. Los esfuerzos actuantes
máximos de las partes esenciales del aditamento se observan en la tabla 2.
Tabla 2. Esfuerzos máximos en la camisa de 14” Ø x 14”
Camisa de 14” Ø x 14“
Esfuerzo Actuante
Máximo (psi)
Esfuerzo Combinado
Permisible (0.9*Fy) (psi)
Relación de
Esfuerzos (%)
20,447
45,000
45.43
Los resultados, conclusiones y recomendaciones obtenidos en esta memoria solo son válidos si las condiciones de diseño de la
camisa de 14” Ø x 14” se mantienen dentro de los parámetros evaluados en este análisis.
11.- Documentos de referencia
P.2.0722.03:2015
Diseño de Líneas Submarinas en el Golfo de México
ASME B31.8
Tuberías de Transporte y Distribución de Gas Natural
GO-AU-MA-0006-2021
Guía operativa para la inspección, evaluación y mantenimiento de ductos
submarinos de PEMEX Exploración y Producción.
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