ETP-415 DISEÑO Y CONSTRUCCION DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021
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PEMEX EXPLORACIÓN Y PRODUCCIÓN. DIRECCIÓN GENERAL. SUBDIRECCIÓN DE PROYECTOS DE EXPLOTACIÓN ESTRATÉGICOS. GERENCIA DE INGENIERÍA DE PROYECTOS DE INFRAESTRUCTURA ESTRATÉGICA. AGUAS SOMERAS ETP-415 ESPECIFICACIÓN TÉCNICA PARTICULAR PARA “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA” INICIATIVA RELACIONADA CON LOS PROYECTOS DE DUCTOS MARINOS. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A, mayo de 2021 Pemex Exploración y Producción Todos los Derechos Reservados DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 2 de 99 ÍNDICE DE CONTENIDO 1. FILOSOFÍA DE DISEÑO ................................................................................................................................... 3 2. GEOMETRÍA DE LA TUBERIA ......................................................................................................................... 4 3. ESTUDIOS GEOTÉCNICOS Y GEOFÍSICOS ................................................................................................12 4. INTERACCIÓN SUELO - DUCTO ................................................................................................................... 14 5. CLASIFICACIÓN POR SEGURIDAD Y SERVICIO ........................................................................................ 51 6. CRITERIOS DE ANÁLISIS Y DISEÑO POR PANDEO VERTICAL (UHB) ....................................................54 7. CRITERIOS Y METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO POR PANDEO LATERAL (LB) ................................... 63 8. REVISIÓN DE LA INTEGRIDAD DEL DUCTO ............................................................................................... 79 9. OPCIONES DE DISEÑO POR PANDEO GLOBAL DE UN DUCTO ..............................................................84 10. CONSIDERACIONES DURANTE LA CONSTRUCCIÓN ............................................................................. 92 11. CRUCES ........................................................................................................................................................ 97 Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 3 de 99 La presente especificación tiene como objetivo establecer los requisitos técnicos para para el análisis, diseño por pandeo y construcción de ductos marinos sujetos a condiciones de operación de Alta Presión y/o Alta Temperatura (AP/AT), localizados en el Golfo de México. Categorías y grados de corrosividad 1. FILOSOFÍA DE DISEÑO El diseño por pandeo global de ductos sujetos a alta presión y alta temperatura (AP/AT) puede tener dos enfoques, por lo que se debe evaluar cuál es la opción más conveniente de acuerdo a las características particulares de cada ducto. ο· Si el ducto se tenderá directamente en el lecho marino, quedando superficial durante su vida útil, se debe realizar el diseño por pandeo lateral (LB). ο· Si después del tendido se realizará el zanjado del ducto, quedando enterrado durante su vida útil, se debe realizar el diseño por pandeo vertical por levantamiento (UHB). Para ambos casos, en el numeral 8.9 de esta especificación se presentan las opciones de diseño más comunes. El diseño por pandeo vertical (UHB) de un ducto enterrado se debe enfocar a prevenir su ocurrencia, contrarrestando la fuerza de levantamiento producida por la acción combinada de una configuración fuera derectitud (OOS) del ducto (que se produce por una imperfección en el perfil del fondo de la zanja o el lecho marino), y la fuerza efectiva de compresión (So) inducida por las condiciones de presión y temperatura. Esto se logra al colocar sobre el ducto una cubierta de suelo o de material de aporte con la resistencia necesaria de forma que el ducto permanezca en su sitio, o bien mediante un mecanismo que limite la fuerza de compresión a niveles que eviten que se detone el mecanismo de pandeo por levantamiento. En ambos casos, se debe asegurar que la integridad del ducto no se vea amenazada mediante las revisiones correspondientes. Por otra parte, la opción del pandeo lateral es una solución de diseño que tiene el enfoque de controlar el pandeo en lugar de evitarlo, mediante la inducción de un número determinado de pandeos laterales a lo largo del ducto por medio de activadores, los cuales alivian y comparten la carga de compresión en cada uno de ellos. El diseño por pandeo lateral debe buscar que los pandeos en las ubicaciones predeterminadas sean suaves y que se detonen a la carga de compresión efectiva más baja posible, evitando pandeos no planeados o muy pronunciados que afecten la integridad del ducto y que pueden causar una deformación plástica mayor a la permisible que lleve al colapso por pandeo local, o una condición de fatiga debida a los ciclos de carga (presión, temperatura, VIV) 1.1 Consideraciones De Diseño Consideraciones para el diseño Esta sección define los parámetros y criterios que se consideran en los procedimientos de análisis y diseño de ductos marinos por pandeo global (vertical y lateral). Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 4 de 99 1.1.1 Bases de diseño Complementariamente a los requisitos técnicos y documentales que se deben cumplir para el diseño de ductos submarinos localizados en el golfo de México, las bases de diseño por pandeo global de un ducto AP/AT, deben incluir lo siguiente: • • • • • • • • • Las características de la tubería: Diámetro exterior, espesor de pared, tolerancia de fabricación y por corrosión, longitud, espesor y densidad del recubrimiento anticorrosivo y del lastre de concreto, y longitud y densidad de la junta de campo. Las características del acero de la tubería: Clasificación de acuerdo a los requerimientos técnicos y documentales que deben cumplir los tubos de acero al carbono y microaleados para sistemas de Ductos de recolección, transporte y distribución de hidrocarburos y sus derivados, proceso de manufactura, módulo de elasticidad, relación de Poisson, coeficiente de expansión térmica y densidad, SMYS y SMTS a las temperaturas de instalación y de operación, y curva esfuerzo-deformación. Los datos de operación: Velocidad del fluido, presión de diseño, presión de la prueba hidrostática, densidad del fluido, temperaturas mínima y máxima de operación, vida de diseño, perfiles permanentes y temporales de la presión y la temperatura a lo largo del ducto, y escenarios de paro (frecuencias de paro de operaciones y sus condiciones). El alineamiento y perfil del ducto, incluyendo los datos de la configuración y la batimetría. Los datos ambientales: Tirante de agua máximo y mínimo, datos del oleaje y corriente para los periodos de retorno de 10 y 100 años (Altura de ola significante y periodo pico asociado, velocidad de corriente), temperatura y densidad del agua de mar. La información geotécnica obtenida a lo largo de la ruta del ducto: Caracterización del suelo, resistencia al cortante no drenada, ángulo de fricción pico y residual, y peso unitario sumergido. De estas propiedades de suelo se debe incluir para cada una, el límite inferior (LB), el valor más probable (BE) y el límite superior (UB). Para el LB, se deben presentar las curvas geotécnicas que caracterizan el comportamiento del suelo. La tensión residual de tendido. La localización de los cruces con otros ductos La localización, peso en el aire y sumergido, y área superficial en contacto con el suelo de cualquier estructura relacionada con el ducto (Válvulas, disparos submarinos, PLEM´s, PLET´s, ILT´s, entre otros). 2. GEOMETRÍA DE LA TUBERIA Se debe utilizar el espesor de pared nominal (la sección no reducida por el espesor por corrosión) en el cálculo de los efectos de carga (peso sumergido, fuerza accionadora, etc.), mientras que para el cálculo de la resistencia (resistencia al levantamiento, pandeo local, etc.) debe usarse la sección reducida por el espesor por corrosión, conforme a lo siguiente: Instalación: t1 = tcom (1) Operación: (2) t2 = tcom – tc Donde: Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. tcom= tc = PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 5 de 99 Espesor comercial, en mm (in). Espesor por corrosión de acuerdo con NRF-013-PEMEX-2009, en mm (in) 2.1 Propiedades del material de la tubería En los cálculos de la resistencia deben incluirse los efectos de la temperatura en los parámetros del material de la tubería, tales como: SMYS, SMTS, módulo de elasticidad y coeficiente de expansión térmica. La curva de esfuerzo-deformación que se utilice para el diseño se debe basar en los valores mínimos especificados fy y fu de ingeniería, conforme a lo siguiente: ππ¦ = (ππππ − ππ¦,) (3) ππ’ = (ππππ − ππ’,) (4) En las ecuaciones anteriores: fy,temp = Disminución por temperatura del SMYS correspondiente al material de los tubos fu,temp= Disminución por temperatura del SMTS correspondiente al material de los tubos Cuando no se disponga de información referente a la disminución del SMYS y del SMTS del material de los tubos, se puede usar realizar una estimación de los mismos, de acuerdo a: π, = 0 para T≤ 50°C (5) π, = 3 5 (π − 50) para 50°C < T ≤ 100°C (6) π, = 30 + 2 5 (π − 100) para 100°C < T ≤ 200°C (7) El valor del módulo de elasticidad del material de los tubos para los análisis en el rango elástico lineal en las etapas iniciales del diseño, debe ser conforme a lo establecido en la siguiente Tabla 1 Tabla 1. Modulos de elasticidad para aceros al carbono TEMPERATURA °C °F 21 70 MODULO DE ELASTICIDAD ππ/πππ × πππ 29.5 90 194 28.8 110 230 28.6 130 266 28.5 Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. 150 302 PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 6 de 99 28.3 Nota: Para temperaturas intermedias se debe interpolar 2.2 Propiedades del suelo Los datos que caracterizan al suelo marino tienen incertidumbres importantes, además de que se dispone de un número limitado de resultados de pruebas de suelo, lo cual causa que se tengan rangos amplios en los valores de sus propiedades, por lo que se deben usar los valores mínimo, máximo y más probable. Los valores mínimo y máximo se definen a partir del valor promedio ± 2 desviaciones estándar, cuando la distribución de valores es simétrica. Cuando los valores no tengan una variabilidad alta, se puede usar el valor promedio. Cuando la distribución de valores es asimétrica, es más representativo definir un valor mínimo o máximo a base de percentiles, en el orden de 2 a 5%. 2.3. Solicitaciones La fuerza de compresión presente en el ducto es ocasionada principalmente por el diferencial de presión (ΔP) y de temperatura (ΔT), además de la tensión residual (TR) originada por el método de instalación o tendido de la línea. En el análisis termo-mecánico del ducto se deben considerar los perfiles de temperatura y presión a lo largo del ducto, teniendo también en cuenta los efectos de tendido y el enterrado. El perfil de temperatura se debe calcular utilizando un modelo que incluya los efectos de cobertura adicional del ducto, además de los factores de proceso asociados al ducto tales como propiedades del fluido, caudal y coeficientes de transferencia de calor. 2.3.1 Presión Se deben considerar los efectos de la presión debidos al efecto de Poisson en la pared de la tubería y a la fuerza longitudinal de compresión en el contenido de la tubería. 2.3.2. Temperatura Se deben considerar los efectos del diferencial de temperatura ΔT en la pared de la tubería producto de la restricción del suelo. La fuerza longitudinal inducida por la temperatura es usualmente negativa y de compresión, debido a que la temperatura de operación es mayor que la temperatura de instalación En la determinación de la fuerza longitudinal inducida por la temperatura se deben considerar las variaciones del valor de la temperatura a lo largo del ducto. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 7 de 99 2.3.3. Tensión residual Se debe determinar la tensión residual efectiva (TR) debida al tendido y a la presión de prueba. La tensión efectiva residual debido al tendido en el lecho marino se puede determinar con un programa de cómputo específico para el cálculo de los esfuerzos de tendido. Cuando no se disponga de información referente a la tensión residual, se puede considerar igual a cero en el cálculo de la fuerza impulsora, de acuerdo a 2.4 de este documento. 2.4 Fuerza Impulsora 2.4.1. Fuerza impulsora en ductos totalmente restringidos La fuerza impulsora que puede ocasionar pandeo global se relaciona con la fuerza efectiva presente en un ducto restringido debido a la restricción del suelo o por efecto de los extremos fijos. Esta fuerza de compresión longitudinal So presente en la pared de la tubería y el contenido, inducida por la temperatura y la presión de operación, así como la tensión residual, se debe calcular con la expresión siguiente: ππ = ππ − β (1 − 2π) − π΄π πΈπΌΔπ (8) Donde: Donde: ππ =Tensión axial residual debido al tendido, en N (lb) βππ =Diferencial de presión interna con respecto a la presión de instalación, en N/mm2 (psi) π·π =Diámetro exterior de la tubería, mm (in) π‘= Espesor de pared, mm (in) π΄π =Área de la sección transversal interna de la tubería = π 4 (π·π −2π‘)2, en mm2 (in2) π΄π =Área de acero de la sección transversal de acero de la tubería = (π·π −π‘), en mm2 (in2) Δπ= Diferencial entre la temperatura de operación y la temperatura de instalación (considerado como positivo si la temperatura de operación es más alta que la temperatura de instalación), en °C (°F) πΈ= Módulo de Elasticidad del material de los tubos, en N/mm2 (psi) Ρ΄ =Relación de Poisson del material de los tubos πΌ= Coeficiente lineal de expansión térmica del material de los tubos, en 1/°C (1/°F). Se deben evitar consideraciones muy conservadoras de los parámetros de operación. El cálculo de la fuerza impulsora en un punto particular en la línea debe tomar en cuenta los perfiles de presión y de temperatura a lo largo de la línea, y no utilizar los valores máximos en la entrada de la misma. Los perfiles de producción y el análisis del yacimiento pueden indicar que la temperatura máxima de operación puede no ocurrir al mismo tiempo que la presión máxima de operación, por lo que la fuerza longitudinal para el diseño debe basarse en la combinación más desfavorable que puede ocurrir, y no necesariamente en los dos máximos individuales. Las consideraciones en la obtención de la fuerza impulsora están basadas en un comportamiento elástico por lo que el valor obtenido de la ecuación 8, representa el límite superior del valor de la restricción máxima. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 8 de 99 Si el comportamiento del ducto es en el rango no elástico, cerca de la fluencia, se debe tener en cuenta que la ecuación proporciona una sobreestimación de la fuerza de restricción. 2.4.2. Fuerza impulsora en ductos parcialmente restringidos Los ductos no son totalmente restringidos en toda su longitud, ya que son diseñados de manera que puedan expandirse en sus extremos mediante las curvas de expansión. De manera similar, se incorporan loops de expansión que permitan a la tubería expandirse y reducir la fuerza axial. En los extremos de los ductos se genera una fuerza longitudinal S, debido a la continuidad con la curva de expansión, dicha fuerza es usualmente muy pequeña en comparación con la fuerza longitudinal correspondiente a la restricción total. El desplazamiento por expansión hacia la plataforma o loop es resistido por la fricción axial del lecho marino. La fuerza de fricción por unidad de longitud entre la tubería y el lecho marino es f’, por lo que la fuerza longitudinal a una distancia x de la curva de expansión está dada por -S + f’x hasta el punto en el cual la fuerza longitudinal se iguala con la fuerza correspondiente a la de restricción total. La distancia a la cual la fuerza longitudinal alcanza el valor de la restricción total, Za, considerando que la presión y la temperatura son uniformes y que la tensión residual es despreciable, se calcula con la siguiente expresión: π§ = ´ [βπ π΄ (1 − 2π£) − π΄ πΈπΌβπ + π] (9) Por lo que para distancias menores a Za, la fuerza de compresión longitudinal So, puede estimarse como: ππ = −π′π₯ + π (10) Donde: f’= S= Fuerza de fricción axial por unidad de longitud entre la tubería y el suelo, en N/m (lb/pie). x Distancia medida entre el punto de interés y el último codo de la curva de expansión, en m (pie). Fuerza longitudinal en el extremo del ducto, en el último codo de la curva de expansión, en N/m (lb/pie). En la determinación de la fuerza de compresión longitudinal So, deben considerarse las variaciones a lo largo del ducto de la temperatura, la presión y la resistencia longitudinal por fricción del suelo. Para la determinación de la fuerza de fricción por unidad de longitud entre la tubería y el lecho marino, debe considerarse lo establecido en las secciones 3 y 4 de esta especificación, de acuerdo con el tipo de suelo del que se trate. 2.4.3. Factor de carga de la fuerza efectiva de compresión Para el caso del diseño por pandeo vertical por levantamiento (UHB), se debe aplicar un factor de carga a la fuerza efectiva de compresión, ϒF, para tomar en cuenta la variabilidad estadística de los datos que influyen Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 9 de 99 en su magnitud, así como para asegurar el valor de la probabilidad de falla requerida. Los valores del factor de carga a la carga axial, ϒF, son establecidos en el numeral 5.1 de esta especificación. 2.5 Selección de la ruta La ruta de una línea submarina debe seleccionarse tomando en cuenta la seguridad del personal, la protección del medio ambiente y la probabilidad de daño del ducto u otras instalaciones. Para su selección, se deben tomar en cuenta las siguientes consideraciones como mínimo: • Tráfico de embarcaciones. • Actividad pesquera. • Instalaciones costa fuera. • 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. prestando especial atención a las irregularidades del fondo marino, evitando pasar o atravesar por áreas de rugosidades, montículos y depresiones, asimismo, evitando en lo posible la presencia de claros libres en el ducto. En caso de que aun así no sea posible evitar irregularidades en la batimetría, se debe optar en el “suavizado” del perfil del ducto durante el zanjado con un equipo que excave más profundo en puntos más altos del perfil y menos profundo en puntos más bajos. 2.6. Cargas hidrodinámicas Se debe realizar un análisis de estabilidad hidrodinámica para comprobar que los factores de estabilidad horizontal del ducto cumplen con lo establecido en este numeral, este análisis se debe realizar para sus condiciones de instalación y operación, así como utilizar los niveles 2 y/o 3 del programa AGA “Analysis for Submarine Pipeline On-Bottom Stability”. Se deben combinar fuerzas verticales y horizontales que actúen simultáneamente, así como la direccionalidad del oleaje y corriente. El peso del ducto sumergido se puede controlar con la combinación del espesor y densidad del lastre de concreto. Para la condición de instalación el análisis se debe realizar con el ducto expuesto, vacío y para un período de tormenta de 10 años. Los parámetros de diseño para esta condición se establecen en la Tabla 2 de este documento técnico. El análisis de estabilidad hidrodinámica para la condición de operación se debe realizar únicamente si la línea regular del ducto o un tramo de ésta, no se encuentran bajo el lecho marino. El análisis en esta fase se debe realizar con el ducto expuesto, lleno del fluido y un período de tormenta de 100 años. Los parámetros de diseño a utilizar para la fase de operación se establecen en la Tabla 3 de este documento técnico. Durante el análisis hidrodinámico del ducto submarino, el factor de estabilidad seleccionado, se debe comparar con el obtenido para las siguientes velocidades de fondo inducidas por el oleaje: a) Una velocidad de fondo (U1/100), para un período de 4 horas de desarrollo de tormenta. b) Una velocidad de fondo (U1/1,000), para un período de 3 horas de tormenta completamente desarrollada. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 10 de 99 Los dos factores de estabilidad calculados para las dos velocidades de fondo, deben ser iguales o mayores que el factor de estabilidad establecido en las Tablas 2 y 3 de este documento técnico, según sea el caso. Los parámetros oceanográficos se deben incluir en el análisis. Se debe revisar que los ductos en la condición vacía durante su instalación, sean estables verticalmente, para lo cual se debe verificar que el peso sumergido del ducto sea como mínimo 1,10 veces la fuerza de levantamiento para las condiciones a) y b) anteriormente indicadas. Los ductos se deben revisar en su condición de cubiertos con el lecho marino en cuanto a hundimiento y flotación. Tanto para ductos de gas como de líquido, el hundimiento se debe evaluar asumiendo que se encuentra lleno de agua y la flotación asumiendo que se encuentra vacío. Si el peso específico sumergido del ducto lleno de agua es menor que el del lecho marino que soporta, no se requiere de ningún otro análisis en cuanto al hundimiento. Si de acuerdo a las características del suelo se puede presentar licuación, se debe revisar que la profundidad de hundimiento del ducto no genere esfuerzos mayores al 18% del SMYS a consecuencia de la curvatura. Si el peso específico sumergido del ducto vacío es menor que el del lecho marino que soporta, se debe revisar que la resistencia al corte del lecho marino sea la requerida para prevenir la flotación. Si no se puede garantizar la estabilidad del ducto con el lastre de concreto y con la capa de lecho marino que soporta, se puede utilizar como opción un sistema de anclaje, malla lastrada o modificar la trayectoria del ducto. Adicional a lo establecido en apartado 2.6 de este documento, para el caso del diseño de ductos superficiales susceptibles al pandeo lateral, se deben considerar las cargas ambientales correspondientes a un período de retorno de 100 años, para evaluar la condición de operación y garantizar que se cumple con lo establecido en la Tabla 3 de esta norma. Tabla 2. Parámetros de diseño por estabilidad hidrodinámica horizontal de ductos submarinos en fase de instalación. PARAMETROS DE DISEÑO - Enterrado inicial del ducto. FASE DE INSTALACION Superficial al lecho marino (1). - Factor de estabilidad horizontal. FE = 1,1 - Peso del fluido. -Características del suelo. Tubo vacío. Tomar datos del estudio geotécnico del corredor, realizado con pruebas estáticas y dinámicas. Datos del Anexo A (2) correspondientes a un periodo de retorno de 10 años. Datos del Anexo A (2) correspondientes a un periodo de retorno de 10 años. -Altura de ola significante - Velocidad de corriente a 95% de la profundidad Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. - Período pico de la ola para la Sonda de Campeche y el Litoral Tabasco. - Período pico de la ola para la Zona Norte y Lankahuasa - Gravedad específica mínima. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 11 de 99 1,3 seg. 11,9 seg 1,2 (1) Se puede proponer una profundidad de enterrado en el lecho marino, diferente a una condición superficial en función de un análisis de asentamiento instantáneo provocado por actividades de instalación del ducto. (2) Se debe prever la direccionalidad del oleaje y de la corriente, en el análisis de estabilidad hidrodinámica se debe realizar en función del ángulo de incidencia del oleaje y la corriente con el ducto submarino Tabla 3. Parámetros de diseño por estabilidad hidrodinámica horizontal de ductos submarinos en fase de operación PARÁMETROS DE DISEÑO - Enterrado del ducto. FASE DE OPERACIÓN Superficial al lecho marino (1). CSS FE gas FE crudo - Factor de estabilidad horizontal. MODERADA ALTA MUY ALTA ---1,0 ---- - Peso del fluido. Tubo lleno - Características del suelo. Tomar datos del estudio geotécnico del corredor, realizado con pruebas estáticas y dinámicas de acuerdo a los parámetros oceanográficos para periodo de retorno de 10 años. - Altura de ola significante. Datos del Anexo A (2) correspondientes a un periodo de retorno de 100 años. - Velocidad de corriente a 95% de la profundidad. Datos del Anexo A (2) correspondientes a un periodo de retorno de 100 años. 1,1 ---1,3 - Período pico de la ola para la Sonda de 13,0 seg. Campeche y el Litoral Tabasco. - Período pico de la ola para la Zona Norte y Lankahuasa. 12,3 seg. Se puede proponer una profundidad de enterrado en el lecho marino, diferente a la superficial en función de un análisis de asentamiento instantáneo provocado por actividades de instalación y prueba hidrostática del ducto. (1) Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 12 de 99 Se debe prever la direccionalidad del oleaje y de la corriente como se establece en 4.2.2 de esta Especificación Técnica. (2) 3. ESTUDIOS GEOTÉCNICOS Y GEOFÍSICOS Complementariamente a los requisitos técnicos y documentales que se deben cumplir para la realización de estudios geofísicos y geotécnicos para la instalación de plataformas marinas y líneas submarinas localizadas en el golfo de México, se deben realizar las pruebas en el sitio y en laboratorio que se indican a continuación: 3.1 Pruebas en el sitio Para suelos cohesivos: • • • Pruebas de penetración con T-bar o bola para determinar la resistencia al esfuerzo cortante inalterada continua desde la superficie del fondo marino hasta una profundidad de 4 m. Pruebas de penetración con T-bar para obtener la resistencia al esfuerzo cortante remoldeada, al realizar ciclos de penetración y extracción. En las pruebas de veleta remota (ASTM D2573) solicitadas para la determinación de las características del esfuerzo cortante de los suelos cohesivos, se debe llevar la veleta hasta que complete cuando menos medio giro (180°) o en caso de no contar con este equipo, se debe usar la veleta miniatura (ASTM D4648/D4648M), en donde se llevará la veleta hasta que complete cuando menos un giro (360°). Se obtendrán las resistencias al esfuerzo cortante inalterada y residual, incluyendo la profundidad de 0.30 m bajo el lecho marino. Para suelos friccionantes: • • Pruebas de cono penetrómetro para determinar la resistencia al esfuerzo cortante inalterada en la superficie del fondo marino hasta una profundidad de 4 m. Determinación del potencial de licuación (ASTM D6066, última versión). 3.2. Pruebas en laboratorio (barco y tierra) Para suelos cohesivos: • • • • • Prueba con cámara centrífuga instrumentada con T-bar miniatura para la obtención de la resistencia al esfuerzo cortante reconsolidada en condiciones drenadas. El programa de pruebas se definirá conforme a las necesidades propias de cada proyecto. Pruebas de mesa inclinada (Tilt Table) a diferentes presiones normales, en el rango del peso sumergido de la tubería por metro lineal. Pruebas de corte simple a varias velocidades de deformación, que representen las velocidades de expansión y contracción de la tubería por diseñar. Coeficiente de permeabilidad. Prueba de consolidación unidimensional (ASTM D2435 última versión) en muestras recuperadas preferentemente de la superficie del lecho marino hasta una profundidad de máxima de 2.40 m, para Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. • PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 13 de 99 obtener el coeficiente de consolidación (Cv). Para este tipo de pruebas es preferible usar muestras de suelo de los mismos sondeos con las que se elaborarán las pruebas de restitución de suelos marinos. Prueba triaxial para determinar la resistencia al esfuerzo cortante no drenada y drenada (UU y CD en condiciones isotrópicas y anisotrópicas, conforme a ASTM 2850 y ASTM D7181, última versión), así como del ángulo de fricción drenado. Estas pruebas tienen la finalidad de obtener los parámetros de suelo en condiciones drenadas y serán usados en la etapa de diseño del ducto en condiciones de operación. Para suelos friccionantes: • • • • Prueba triaxial para determinar la resistencia al esfuerzo cortante drenado (isotrópico), el ángulo de fricción y su curva esfuerzo-deformación. Coeficiente de permeabilidad. Determinación de las resistencias al esfuerzo cortante inalterada y drenada a partir de las muestras recolectadas de conformidad con lo indicado en los requisitos técnicos y documentales que se deben cumplir para la realización de estudios geofísicos y geotécnicos para la instalación de plataformas marinas y líneas submarinas localizadas en el golfo de México, a las profundidades de 0.30, 0.60, 0.90, 1.20, 1.50, 2.10 y 2.40 m. Además de los datos obtenidos de las pruebas solicitadas en el inciso 3.1 de esta especificación técnica, con los resultados del suelo muestreado se requiere evaluar el potencial de licuación el suelo. 3.2.1. Pruebas centrífugas Tienen la finalidad de acelerar el proceso de disipación del exceso de presión de poro que sucede durante el proceso de consolidación, para determinar la resistencia al esfuerzo cortante reconsolidada, la cual se obtiene con ayuda de la herramienta T-bar miniatura, adaptada para la cámara centrífuga en los suelos cohesivos recuperados del fondo marino o su posterior equivalente en un suelo artificial. Es necesario determinar la resistencia al esfuerzo cortante reconsolidada para pandeo lateral (bermas) y pandeo vertical (bajo el ducto) en las zonas susceptibles al pandeo determinadas en el análisis estructural del ducto. En particular, para pandeo lateral se deben realizar a diferentes profundidades de enterramiento inicial del ducto (0.1 D, 0.25 D, 0.40 D y 0.5 D). (White et al, 2014). 3.2.2. Reconstitución de suelos marinos cohesivos Por medio de metodologías probadas (procedimiento especifico) y para condiciones prescritas dependiendo de la zona de donde se obtuvieron las muestras de suelo, se volverán a formar los suelos recuperados del fondo marino, llevándolos hasta un estado semi - sólido, con el propósito de obtener probetas de suelo con la consistencia necesaria para usarse en las pruebas triaxiales y de consolidación unidimensional. Se recomienda que la consolidación de reconstitución se lleve a cabo a 50 kPa o en su caso hasta los 80 kPa, dependiendo de las condiciones del suelo (Guimaraes, 2000). Para este tipo de pruebas es preferible usar muestras de suelo de los mismos sondeos con las que se elaborarán las pruebas en centrifuga. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 14 de 99 Los reportes de las pruebas de campo o en laboratorio deben tener la interpretación detallada de los resultados obtenidos de las mismas, para una aplicación correcta de los parámetros obtenidos. 4. INTERACCIÓN SUELO - DUCTO En el análisis de interacción suelo-ducto para el diseño se deben considerar las direcciones siguientes: • • • • Vertical ascendente (upward) Vertical descendente (downward) Axial Horizontal o Lateral El modelo de interacción suelo-ducto debe proporcionar las relaciones de la resistencia última del suelo y sus desplazamientos para determinar la rigidez aplicable en cada caso. El uso de los parámetros del suelo y las fórmulas a utilizar, requiere de una interpretación por parte del ingeniero diseñador, debiendo tomar en cuenta los resultados obtenidos para cada uno de los análisis, el tipo de resistencia al esfuerzo cortante a utilizar (inalterada, remoldeada, reconsolidada, y residual), así como la fase en que se encuentra el diseño (iniciación de operaciones u operación del ducto), las anteriores resistencias pueden presentarse en condiciones no drenadas (inicio de operaciones) o drenadas (operación) para determinar qué tan críticas son para el diseño. 4.1. Ductos enterrados Se deben considerar las propiedades de los suelos cohesivos (arcilla) y no cohesivos (limo, arena, grava y roca usada como material de relleno) en las condiciones siguientes: • Condiciones de sitio inalteradas y drenadas (consolidadas).- Para el cálculo de la resistencia vertical descendente (downward). • Material producto del zanjado (remoldeado y fluidizado), inalteradas para el cálculo de la resistencia vertical ascendente (uplift). • Material de cubierta añadido (grava y/o roca), tomando en cuenta su peso específico sumergido, así como su ángulo de reposo del material, para el cálculo de la resistencia vertical ascendente (uplift). La Figura 1 muestra un esquema general de un ducto enterrado en una zanja. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 15 de 99 Figura 1. Esquema de un ducto enterrado en una zanja El programa de pruebas del suelo debe considerar las condiciones del suelo inalterado y después del zanjado (remoldeado, fluidizado post-tendido), incluyendo para condiciones drenadas. 4.1.1 Resistencia vertical ascendente o al levantamiento (uplift) La resistencia total del suelo (considerando las contribuciones de resistencia al esfuerzo cortante y peso sumergido del ducto) está dada por la siguiente ecuación establecida en el apéndice B de DNV-RPF110:2007: π = πΎ´π»π· + πΎ´π· − (11) + πΎ tan(Φ) γ´ π» + π» = Altura de cubierta (profundidad de la cubierta al lomo superior del ducto) (m) ϒ’= Peso volumétrico sumergido del suelo (kg/m 3) K= Coeficiente de presión lateral de tierras tomando en cuenta el incremento de los esfuerzos verticales durante el levantamiento (ante la falta de este dato se puede usar un valor de 0.55) (Bruton et al, 1998) Φ= Ángulo de fricción interna del suelo o material de relleno D= Diámetro exterior total del tubo incluyendo el lastre de concreto (m) La ecuación 11 también puede escribirse como: π = πΎ´π»π· + πΎ´π· Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. − + πγ´ π» + (12) Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 16 de 99 Donde: π= Factor de resistencia al levantamiento El coeficiente f está en función del ángulo de fricción interna drenado, obtenido de pruebas de campo y/o laboratorio. El factor f se expresa como: (13) π = πΎ tan(π) Donde: Φ= Ángulo de fricción interna del suelo o material de relleno K= Coeficiente de empuje de tierras Para el caso de un suelo puramente arenoso, la resistencia está dada por la ecuación siguiente: π = 1−π π» (ϒ’π» π·) π· (14) π» = Profundidad desde la superficie del suelo hasta el centro del ducto (m) ϒ’= Peso volumétrico sumergido del suelo (kg/m3) π=Factor de resistencia al levantamiento del suelo D= Diámetro exterior total del tubo incluyendo el lastre de concreto (m) Para el caso de arena suelta: π = πΎπ π‘ππ(π) = (1 − π πππ)π‘πππ Donde: πΎπ= Coeficiente de empuje pasivo de tierras. (15) Para arenas medias y densas: π = πΎπ π‘ππ(π) = ( ) (√ √ ) (16) Donde: π= Parámetro de rugosidad, con valor negativo cercano a -1 πΎπ= Coeficiente de presión pasiva de tierras = tan (45° + ) El valor de f en función de tan Ο, para tres tipos de arena son presentados en la tabla B-1 del apéndice B de DNV-RP-F110:2007, los cuales se muestran en la Tabla 4. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 17 de 99 Tabla 4. Resultados del valor del factor de levantamiento f para arenas Tipo de Ο (°) para K Rugosidad E[f] arena E[tanΟ] modelada r Suelta 30 Ko N/A 0.29 Media 35 Kp -1.00 0.47 Densa 40 Kp -0.97 0.62 Nota: Para ángulos de fricción diferentes a los establecidos en la Tabla 4, la rugosidad se tomará de -1 Para valores mínimos de f (Schaminée et al 1990), propone los siguientes valores: ππΏπ΅ = 1.4 (π‘ππ∅ − 0.5) (17) El desplazamiento vertical ascendente δf, para alcanzar la resistencia Rmáx se debe considerar entre 0.005 a 0.008 veces la altura H, independientemente de la relación H/D. Cuando la información proporcionada por los estudios geofísicos y geotécnicos no sea suficiente o en el caso de que no contenga la información requerida para poder establecer las condiciones del modelo de interacción suelo-ducto, se deben utilizar valores en los rangos sugeridos en la tabla B-2 (Tabla 5) de DNVRP-F110:2007 para la modelación de la curva tri-lineal de resistencia del suelo mostrada en la Figura 2, con las siguientes limitaciones en la relación de la cubierta de suelo: Arena suelta: 5≤ ≤ 7.5 2≤ ≤8 2≤ ≤8 Arenas medias y densas: Roca: Los tamaños de partícula de grava y/o roca deben estar entre 25 y 75 mm. Tabla 5. Rangos de algunos parámetros de suelo (DNV-RP-F110:2007) Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. Características Arena suelta Parámetros f δf α Arena media/densa β f δf α Roca β fr απ δfr f δf α Rango Ο΅ Ο΅ Ο΅ [0.1,0.3] = 0.2 [0.4, 0.6] Ο΅ Ο΅ Ο΅ = = = = Ο΅ Ο΅ Ο΅ PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 18 de 99 [0.5% a 0.8%]H [0.75, 0.85] [0.5% a 0.8%] H [0.65, 0.75] 0.2 ο‘f f [0.65, 0.75] 3 ο‘f [0.5,0.8] [20, 30] mm* 0.7 R = 0.2 β * Basado en un número limitado de pruebas con tendencia no clara respecto a la altura de cubierta. El rango dado es representativo para el relleno (gravas/roca triturada) con relaciones de altura de cubierta vs diámetro menores a 4 El uso de estos valores debe hacerse en base a la valoración e interpretación por parte del ingeniero diseñador, por lo que es conveniente que los estudios geofísicos y geotécnicos estén lo más completos posibles para disminuir las incertidumbres del modelaje de interacción suelo-ducto. f Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 19 de 99 Figura 2. Curva esfuerzo-deformación tri-lineal (DNV-RP-F110:2007) DNV-RP-F110:2007 sugiere los valores de β = 0.2 y α = 0.78. Estos valores requieren de una interpretación juiciosa, y sólo se deben usar en caso de no contar datos obtenidos conforme a las pruebas citadas en el punto 3.2 de esta especificación. 4.1.1.1 Modelo de resistencia en el suelo friccionante con grava adicional En el uso de grava y/o roca triturada para incrementar la resistencia al levantamiento del suelo marino (uplift), es necesario tomar en cuenta lo siguiente: Para que se logre la resistencia al levantamiento, se debe asegurar que el ducto se mantenga por debajo del límite de la capa entre el suelo y la grava o roca. De otra manera, se debe despreciar la contribución de la capa de suelo cohesivo. Se debe considerar una pequeña reducción de la altura de cubierta de grava, por la penetración de dicha cubierta en el suelo friccionante (zona de mezcla entre el suelo y la grava que penetra ésta). Es conveniente que se determine el porcentaje de penetración antes de la instalación de la grava, y la erosión causada por corrientes marinas y oleaje. Para el cálculo preliminar de la resistencia total, tomando en cuenta la grava y/o roca adicional, se debe usar la ecuación 18: (Cathie et al., 2005). πΉ = πΎ´π·π» + 0.1πΎ´π· + πΎ´π π» + + 2πΎ ´π» ππ» + πΎ ´π·π» + πΎ ´π» π (18) Donde: π»π= Profundidad desde la superficie del suelo hasta el lomo del ducto (m) π»π = Altura desde la superficie del suelo hasta el lomo del relleno (m) ϒ´= Peso volumétrico sumergido del suelo (kg/m ) ϒ´ = Peso volumétrico sumergido del relleno (grava y/o roca) (kg/m3) f = Factor de resistencia al levantamiento del suelo ππ = Factor de resistencia al levantamiento del relleno D= Diámetro exterior total del tubo incluyendo el lastre de concreto (m) En el caso de usar matrices flexibles de concreto como peso adicional de cobertura del ducto, se debe usar la ecuación 19: π πππ‘ = 2.5 π·π´πππ‘ (19) Donde: D= Diámetro exterior total del tubo incluyendo el lastre de concreto (m) w’mat= Peso volumétrico sumergido de la matriz del concreto (kg/m 3) Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 20 de 99 Esta fórmula no contempla el análisis de capacidad de carga del suelo en el cual se depositará la matriz de concreto, ni del cálculo de las matrices necesarias para asegurar la estabilidad del ducto. Para el uso de material adicional (grava y/o roca o matrices flexibles de concreto), se debe realizar un estudio de la estabilidad hidrodinámica de las alternativas de peso adicional, para evitar que las condiciones oceánicas las desplacen y se pierda parte del peso útil. 4.1.1.2. Resistencia vertical descendente (downward) La rigidez vertical descendente del suelo en el fondo de la zanja debe ser calculada como la fuerza de contacto transferida entre el ducto y el suelo, dividida por el desplazamiento vertical, que en algunas condiciones será igual a la profundidad de penetración del ducto. La fuerza de contacto es esencialmente una resistencia a la penetración y a la extracción del ducto (adherencia), igual a la capacidad de carga por el área de contacto que corresponde a dicha penetración. La resistencia a la penetración inicial está en función del incremento en la resistencia a la penetración del ducto conforme aumenta el área de contacto del ducto durante la penetración inicial y al inicio de la disipación de presión de poro (consolidación). Sin embargo, cuando la penetración del ducto se acerca aproximadamente a la mitad del diámetro del ducto, el incremento de la capacidad de carga para una penetración mayor disminuirá pronunciadamente y simplemente está en función del incremento del esfuerzo efectivo (debido a la disipación de la presión de poro) vertical in situ con la profundidad. La resistencia a la penetración para un ducto que penetra gradualmente el suelo en condiciones inalteradas y considerando que el material de relleno sólo contribuye a la presión por sobrecarga, se calcula con la ecuación 20: π (π§) = π π΅(π§) + π (ππ’ + πΌ)π΅(π§) (20) Donde: π= Penetración del ducto inicial en suelo homogéneo (m) B(z)= Área de contacto del ducto Po’= Esfuerzo del ducto embebido para H1 y H2 >0 (Kg/m) π»1 = Distancia del centro del ducto al fondo marino (m) π»2= Distancia del fondo marino al lomo del material de relleno (m) a = Adherencia del suelo (cero para material de relleno). Nq,Nϒ= Coeficientes de capacidad de carga, ecuaciones 22 y 23 En caso de que haya una separación entre el ducto y el fondo de la zanja, se asume que la resistencia del material de relleno es igual a la resistencia del suelo inalterado, por lo que la resistencia puede ser calculada como un área constante y se debe usar la ecuación 21. π (π§) = π ´π· + π (ππ’ + πΌ)π· Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. (21) Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 21 de 99 Donde: Z= Penetración del ducto inicial en suelo homogéneo (m). D= Diámetro exterior total del ducto incluyendo el lastre de concreto (m). Po’= Esfuerzo del ducto embebido = πΎ2′ π»2 + πΎ1′(π»1 + π·) para H1 y H2 >0. (kg/m2) π»1= Distancia del centro del ducto al fondo marino, (m) π»2= Distancia del fondo marino al lomo del material de relleno (m) a Atracción del suelo (cero para material de relleno). Nq,Nϒ= Coeficientes de capacidad de carga, ecuaciones 22 y 23 π =π tan (22) 45 + (23) ππΎ = 2(ππ + 1) La ecuación 21 es válida cuando es posible tener material de cubierta con una altura total de H1 + H2 que se extienda lateralmente más allá de los límites de la superficie de la capacidad de carga asumida a través del suelo inalterado. La rigidez secante vertical descendente se usa cuando la deformación requerida para modificar la capacidad de carga es muy pequeña comparándola con la penetración del ducto y considerando la penetración z, lograda en la zanja durante instalación. Se debe calcular con la ecuación 24: πΎ (π§) = ( ) (24) Con πΎ1′ = πΎ2′ = πΎ′ (condición homogénea) y π» = π»1 + π»2. La rigidez secante asociada con la penetración gradual del ducto en el suelo inalterado del fondo de la zanja, se debe calcular con la ecuación 25: π· π = 2π πΎ´(π· − π§) + 2π [πΎ´(π» + π·) + π] ( − 1) π§ (25) La ecuación 25 es válida únicamente para π» ≥ 0 π¦ π§ ≤ π·/2. En el caso posterior a la instalación, si existe una distancia debajo de la tubería hacia el suelo inalterado y la rigidez secante sea controlada por el desplazamiento descendente en el interior de la zona entre el suelo suelto y el suelo inalterado, se debe calcular con la ecuación 26: π· π· π = 0.5π πΎ´π· + π πΎ´ π» + + π§ + π} 2 2 Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 22 de 99 (26) Válida para π» ≥ 0 π¦ π§ > 0 La rigidez secante para el caso de penetraciones pequeñas, en las que el desplazamiento para lograr la resistencia del suelo no sea despreciable respecto del valor de z, se debe calcular con la ecuación 27: πΎ = ( ) (27) δπ En la ecuación 27 δf se debe tomar igual a 0.05 veces el ancho de contacto B. Cuando la información proporcionada por los estudios geofísicos y geotécnicos no sea suficiente o en el caso de que no contenga la información requerida, y a juicio del diseñador, se pueden utilizar las expresiones simplificadas presentadas por DNV-RP-F110:2007 en su tabla B-3 (Tabla 6), las cuales son válidas para relaciones H/D > 0.5. Tabla 6. Valores de rigidez vertical ascendente para ductos enterrados (DNV-RP-F110:2007) Tipo de suelo Arena suelta Media Condiciones inalteradas rigidez vertical Kv(kN/m/m) Condiciones homogéneas rigidez vertical Kv (kN/m/m) D (750 + 670 D (960 + 1500 D (1700 + 1450 D (2850 + 3300 Densa H D (11800 + 9800 D (5300 + 4300 *La arena densa combinada con el modelo de suelo homogéneos, no está justificada para material de relleno natural, ya que existen varios métodos de instalación que probablemente dejen el material de relleno en la condición desde suelto hasta medio denso 4.1.1.3 Resistencia axial La resistencia axial se debe modelar mediante resortes no lineales, considerando las propiedades representativas del material de relleno en condiciones de suelo uniforme, conforme con lo establecido en el documento “Design Analysis Guidelines for Offshore Pipeline Risers” (Battelle, 1983). De acuerdo con la guía mencionada, para el diseño de ductos en la modelación de la resistencia axial del suelo es necesario tomar en cuenta lo siguiente: La resistencia del suelo sobre el ducto está representada por resortes no lineales. La magnitud de la fuerza máxima del resorte del suelo está dada por unidad de longitud del ducto. Las ecuaciones se basan en condiciones del suelo uniforme. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 23 de 99 La fuerza axial última del suelo por unidad de longitud que puede transmitirse al ducto se debe obtener aplicando la ecuación 28: π = (28) π·π» πΎ´(1 − πΎ )π‘ππδ Donde: D= H c= ϒ’= Ko= δ= Φ= f= Diámetro exterior total del tubo incluyendo el lastre de concreto (m) Profundidad de enterrado al centro del ducto (m) Peso unitario sumergido del suelo (kg/m3) Coeficiente de presión lateral del suelo en reposo, πΎπ = (1 − π πππ) Ángulo de interfase suelo-ducto = π Ángulo de fricción interna del suelo o material de relleno Factor de fricción entre el recubrimiento del ducto y el suelo, ver Tabla 4 La Tabla 7 indica los valores de coeficiente de fricción entre el suelo y el recubrimiento del ducto (f) para diferentes tipos de recubrimiento (Guidelines for the Design of Buried Steel Pipe: 2001, ASCE). Tabla 7. Valores del factor de fricción entre el suelo y el recubrimiento del ducto f Recubrimiento del ducto Concreto Alquitrán de hulla Acero rugoso Acero liso Fusion bonded epoxy Polietileno f 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.6 Los desplazamientos últimos Δt, deben ser de acuerdo a lo siguiente: π₯π‘ = 3mm (0.1”) para arena densa π₯π‘ = 5mm (0.2”) para arena suelta 4.1.1.4. Resistencia lateral La rigidez lateral, al igual que la resistencia axial, se debe modelar mediante resortes no líneales, considerando las propiedades representativas del material de relleno en condiciones de suelo uniforme, conforme con lo establecido en el documento “Design Analysis Guidelines for Offshore Pipeline Risers” (Battelle, 1983). Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 24 de 99 La resistencia lateral por unidad de longitud, se debe obtener con la ecuación siguiente: (29) ππ’ = πππ·π»ππΎ′ Donde: Nq= Factor de capacidad de carga horizontal para suelo friccionante (ecuación 22) Los desplazamientos últimos son: π = 0.015 π» + πΌ0.02 π» + (30) Donde: Hc = Distancia del lecho marino al centro del ducto (m) 4.1.2. Suelos cohesivos Para el análisis de interacción suelo-ducto en este tipo de suelos se deben considerar los efectos por el método de zanjado elegido (arado y chorro de agua), así como el tipo de zanjadora a usar para el enterramiento del ducto, siendo el parámetro más importante la resistencia al esfuerzo cortante (s u) desde el lecho marino (0.5 a 1 kPa) hasta la profundidad de 2.40 m. 4.1.2.1. Modos de falla Se deben considerar dos modos de falla que gobiernan el desarrollo de la resistencia de levantamiento, como se muestran en la Figura 3 (se debe tomar en cuenta que la condición de falla global es conservadora) y se describen a continuación: • Falla local. Modo en el que el suelo encima del ducto es desplazado alrededor y por debajo del ducto, debido a los movimientos pequeños que experimenta el ducto por los cambios en las condiciones de operación (presión y temperatura). Este modo de falla está en función de la resistencia al esfuerzo cortante remoldeada y/o residual (su), así como de la profundidad de enterrado inicial del ducto. • Falla global. Modo en donde la cuña de falla del suelo se extiende hasta la superficie del lecho marino, y es donde el suelo que se encuentra depositado en la parte superior del ducto se levanta en forma conjunta con el ducto, lo que implica una combinación del peso del ducto y de la resistencia al esfuerzo cortante residual (su). En la etapa de operación del ducto prevalece la resistencia al esfuerzo cortante en condiciones drenadas (consolidada) y en la etapa de instalación o inicio de operación del ducto prevalece la resistencia al esfuerzo cortante no drenada, por lo que es conveniente usar en el modelo de interacción suelo-ducto de acuerdo al tipo de resistencia al esfuerzo cortante conveniente para cada caso. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 25 de 99 Figura 3. Modos de falla (local y global) de la resistencia vertical ascendente 4.1.2.2. Resistencia vertical ascendente o al levantamiento (uplift) 4.1.2.2.1. Modelo de falla local La resistencia al levantamiento para el modo de falla local está dada por la ecuación establecida en el apéndice B de DNV-RP-F110:2007: π = ππ π π π’π· Donde: ππ = Coeficiente de capacidad de carga, calculado con la ecuación 22 π = Factor empírico de pruebas de campo (rango 0.55 – 0.80), se recomienda usar 0.60 su= Resistencia al esfuerzo cortante al centro del ducto (kPa), ver Tabla 6 D= Diámetro exterior total del tubo incluyendo el lastre de concreto (m) (31) Cuando sólo se cuente con el dato de la resistencia al esfuerzo cortante inalterada no drenada (Suinalt), se debe considerar para la resistencia al esfuerzo cortante remoldeada un valor entre 0.33 y el 0.50 de Suinalt, o para la Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 26 de 99 resistencia residual entre 0.80 al 0.90 de la resistencia al esfuerzo cortante remoldeada para suelos de la Sonda de Campeche, incluyendo la zona denominada Litoral Tabasco. (ππ)π π’πππππππππ = 2π 1 + ππππ πππ tan( )(1 + π) (32) (π» + π·/2) ≤ 4.5 π· Donde: r= Factor de rugosidad de superficie del ducto, (superficie lisa r = 0 ducto sin lastre, superficie rugosa r = 1 ducto con lastre de concreto). πππ tan( ) El resultado se debe expresar en radianes. El valor que se obtiene de Nc con esta fórmula es para un ángulo de fricción interna que varía entre 15 y 40° en un suelo cohesivo para una prueba triaxial consolidada drenada (CD). Para ductos enterrados a una profundidad H menor de 4.5 D, (zona de falla superficial), el factor de reducción empírica, tiene valores en el rango de 0.55 y 0.80. Para efectos prácticos se recomienda usar 0.60. Este valor depende del criterio del diseñador, siendo recomendado 0.60, debiendo considerar las fases del diseño y el colchón mínimo de suelo al lomo de ducto que será de un metro. Existe otra relación para el cálculo de la resistencia, que requiere de la interpretación y valoración por parte del ingeniero diseñador para aplicarla en el cálculo de la misma, que produce valores mayores que la ecuación 21 (Martin and White, 2012), (Gudmund et al, 2013). π = 9.14(0.5) 1 + . . (1 + 0.306 π)π π· (33) Donde: π= H= su= Factor de rugosidad de superficie del ducto, (superficie lisa r = 0, superficie rugosa r = 1). Distancia del lecho marino al centro del ducto (m) Resistencia al esfuerzo cortante al centro del ducto (kPa), ver Tabla 9. ππππ π»/π· > 2 El desplazamiento para lograr la resistencia máxima el suelo δf , correspondiente a la falla local, se sugiere que en suelos remoldeados los desplazamientos serán del orden de δf /D= 1 – 3 % (DNV-RP-F110:2007). Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 27 de 99 Otro criterio que requiere de una interpretación y valoración por parte del ingeniero diseñador es considerar que los desplazamientos son del orden de 7 – 8 % de δf /D. (Schaminée et al, 1990). 4.1.2.2.2. Modelo de falla global (falla al esfuerzo cortante somera) La resistencia al levantamiento de una falla de suelo global se debe calcular con la ecuación establecida en el apéndice B de DNV-RP-F110:2007: π = πΎ´π»π· + πΎ´π· − + 2π (π» + π·/2) (34) Donde: H= ϒ’= Altura de la cubierta (profundidad de la parte alta de la zanja hasta el lomo de ducto) (m) Peso volumétrico sumergido del suelo (kg/m 3) Su= promedio de la resistencia al esfuerzo cortante en el centro del ducto depositado en la zanja (kPa), ver Tabla 6 El valor del promedio de la resistencia al esfuerzo cortante en la superficie de falla debe reflejar la resistencia del material removido de la zanja, por lo que depende del método de zanjado usado. Los desplazamientos últimos deben considerarse de acuerdo a lo establecido en la DNV-RP-F110:2007: δf /H = 7-8% para arcilla remoldeada δf /H = 1-6% para arcilla inalterada δf /H = 20-40% para terrones de arcilla (zanjado con chifloneo). 4.1.2.2.2.1. Modelo de resistencia en el suelo cohesivo con grava adicional En los casos en que se utilice la grava para incrementar la resistencia del suelo marino de la zanja al levantamiento, y sea vertiendo material adicional (grava y/o roca, o en su caso elementos de concreto) encima de la capa de arcilla o directamente sobre el ducto, es necesario tomar en cuenta lo siguiente: La resistencia es afectada por la presencia de suelo fino (arcilla y/o limos) en la zanja. Para que se logre la resistencia asociada con el modo de falla local descrito por la ecuación 31, se debe asegurar que el ducto se mantenga por debajo del límite de la capa entre la arcilla y la grava. Se debe considerar la reducción de la altura de cubierta de grava, por la penetración de la misma en el suelo fino (arcilla), así como de la aceleración de la disipación de exceso de presión de poro (consolidación), que experimentará el suelo marino por efecto de este peso adicional. En la zona de mezcla entre la arcilla y la grava que penetra habrá una consolidación y asentamientos asociados a la misma, los cuales se deben considerar al momento de efectuar el cálculo del volumen adicional de suelo grueso (roca). Cuando el ducto está cubierto con arcilla (Figura 4), se debe considerar una respuesta suave del suelo, así como un aumento de la resistencia, debido a la consolidación del material de la zanja por debajo del ducto, esto para obtener un cálculo aproximado del volumen de material necesario para aumentar la resistencia al levantamiento. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 28 de 99 Figura 4. Ducto en zanja con relleno natural y con cubierta de grava adicional El desplazamiento para iniciar la movilización de la resistencia de la cubierta de grava se debe considerar igual a H1-zp donde zp es la penetración de la cubierta de grava en la arcilla y H1 es igual al tamaño medio de la partícula d50. El efecto de la arcilla siendo empujada hacia el interior de la grava influye en el tiempo de consolidación. Típicamente, la altura de drenaje se debe incrementar en 2 ó 3 veces el tamaño medio del grano d50. El tiempo de consolidación se obtendrá de los estudios solicitados en el punto 3.2 de esta especificación. 4.1.2.3. Resistencia Vertical descendente (downward) La resistencia vertical descendente está gobernada por la resistencia al esfuerzo cortante no drenada para las condiciones de instalación, debido a que inmediatamente después del zanjado inicia el proceso de disipación del exceso de presión de poro. El ducto puede no estar tendido directamente en el fondo de la zanja idealizada (fondo plano), sino con cierta separación respecto al suelo inalterado, zo, lo cual está relacionado con el método de zanjado, las condiciones del suelo y la rigidez estructural del ducto. Cuando el ducto alcanza la frontera en donde el suelo conserva sus propiedades inalteradas se inicia el proceso de consolidación, por lo que la resistencia se incrementa y se debe calcular asumiendo la penetración en la arcilla reconsolidada, tomando en cuenta el incremento del área de contacto que se da con el paso del tiempo. Cuando la mitad del ducto penetra en la masa de suelo, el contacto es constante e igual al diámetro del ducto. El incremento en la resistencia está gobernada por el gradiente de resistencia al esfuerzo cortante ksu. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 29 de 99 En la Figura 5 se muestran los dos modelos de falla que representan la resistencia vertical descendente. Figura 5. Modos de falla (local y global) de la resistencia vertical descendente La resistencia vertical descendente en el interior de la zanja RVzanja, se debe calcular usando la ecuación 35 (DNV-RP-F110:2007). (35) π π£,π§ππππ = πππππ’π· Donde: ππ = π= Su= D= Coeficiente de capacidad de carga, calculado con la ecuación 22 Factor empírico (entre 0.55 a 0.80), se recomienda para usar 0.60 Promedio de la resistencia al esfuerzo cortante en la zona de falla (kPa), ver Tabla 6. Diámetro exterior total del tubo incluyendo el lastre de concreto Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 30 de 99 Los desplazamientos de falla, δf, se deben considerar no menores del 10% del diámetro del ducto (0.10 D) o de la separación del tubo respecto al suelo intacto. La resistencia asociada con la penetración gradual del ducto en el suelo fino inalterado RV,intacto se debe calcular de acuerdo a la ecuación 36. π π, = (ππππ’ + ππ′) π΅(π§) z< D/2 (36) Donde: B(z)= Ancho de contacto = 2√π§(π· − π§)(π ) Po’= Presión efectiva de la sobrecarga = πΎ′(π» + π§π + π·)(ππ/π2) Nc= Coeficiente de capacidad de carga calculado con la ecuación22 Su = Resistencia al esfuerzo cortante (kPa), ver Tabla 6. Para una penetración máxima de π§ < π·/2. El desplazamiento de falla, δf, se debe considerar igual a la diferencia entre la penetración inicial en el suelo fino inalterado y la mitad del diámetro, pero no menor a 0.10 D. En la rigidez secante existe mayor detalle en la curva esfuerzo - deformación, (descarga y recarga) (Langford et al, 2008) si se ignora la deformación requerida para lograr la capacidad de carga (muy pequeña con respecto a la penetración): πΎ = ( ) (37) Generalmente después de la instalación, el ducto tiene una separación hacia abajo respecto del suelo inalterado por lo que existe material más suelto debajo del tubo. La rigidez secante después de la instalación, momento en el que el ducto tiene una separación hacia abajo respecto del suelo inalterado, se debe calcular con la ecuación siguiente: (38) Donde: su,0: Resistencia al esfuerzo cortante reconsolidada en sitio a la profundidad de la zanja (m) ksu Gradiente de resistencia al esfuerzo cortante reconsolidada en el centro del ducto. Se debe tener un perfil de la resistencia al esfuerzo cortante continuo para estimar la penetración inicial del ducto. Existen algunos aspectos de la interacción suelo-ducto que involucran ciclos de remoldeo y reconsolidación del suelo. (White and Randolph, 2007). Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 31 de 99 Existen varias pruebas de laboratorio (triaxial CD con deformaciones controladas con probetas obtenidas de la reconstitución de suelos) con material recogido del fondo marino, en las cuales se ha visto la importancia de asegurar el valor del ángulo de fricción y las resistencias remoldeadas para bajos niveles de esfuerzo, relevantes en la interacción suelo-ducto. 4.1.2.3.1 Factor tiempo La consolidación es el proceso donde el exceso de presión de poro es disipado debido a la aplicación de una carga externa en un determinado tiempo, siendo que la presión de poro será transferida al suelo provocando que los esfuerzos sean efectivos a la masa de suelo. Cuando el método de zanjado es con chorro de agua, la resistencia al esfuerzo cortante del suelo afectado directamente por este proceso es prácticamente cero. El tiempo desde que el suelo se zanjó hasta la puesta en operación del ducto, el suelo se va consolidando de manera acelerada debido al peso del ducto. Para calcular el coeficiente de consolidación Cv (m2/año) y el tiempo en que se desarrolla un porcentaje de la consolidación, se debe considerar para un ducto alojado en una zanja, la longitud de drenaje efectiva en un solo sentido, desde el centro del ducto hasta el nivel de lecho marino, por medio de la ecuación 30. La altura efectiva del material consolidado se obtiene con la ecuación 39. π»′ = √πΎπΎπΆπ£π‘ ππππ π»′ ≤ π»π‘ (39) El tiempo de predicción para el total de la consolidación se determinará aplicando la ecuación 40. π = π» πΎ πΆ (40) Donde: H t= H’= Cv= t= Kϒ= Altura total del material fluidizado (distancia del lecho marino al centro del ducto) (m) Altura efectiva del material consolidado en el tiempo t (m) Coeficiente de consolidación Tiempo (seg)(1) Factor de distribución de deformación, se sugiere darle un valor de 2 Nota (1): en caso de no contar con el valor del coeficiente de consolidación, se recomienda usar un C v entre 0.1 y 0.5 m2/año. Para el cálculo de la altura consolidada Hconsolidada, se debe usar la ecuación 41. π» = 1 − π tan(π) ( ) π»´ ≥ 0 ππππ π σ tan(π) < πΌπ Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. (41) Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 32 de 99 4.1.2.4. Resistencia Axial Se debe prever que la resistencia axial depende de la duración de la carga, del desplazamiento y de la rugosidad relativa existente entre el ducto y el suelo (factor de fricción). La fuerza axial última del suelo por unidad de longitud que puede transmitirse al ducto, se debe obtener aplicando la ecuación siguiente conforme con lo establecido en el documento “Design Analysis Guidelines for Offshore Pipeline Risers”, (Battelle, 1983). (42) ππ’ = πΌ π π’π π· Donde: D= πΌ= su= Diámetro exterior total del tubo, incluyendo el lastre de concreto (m) Factor de adherencia (para concreto = 1) Resistencia al esfuerzo cortante (kPa), ver Tabla 9. Tabla 8. Valores para calcular los desplazamientos últimos conforme con lo establecido en “Design Analysis Guidelines for Offshore Pipeline Risers (Battelle, 1983)” Diámetro nominal sin lastre (D) Diámetros en mm (“) Relación D/t D/25 D/60 304.8 (12) 12.19 (0.48) 5.08 (0.20) 457.2 (18) 18.28 (0.72) 7.62 (0.30) 508 (20) 20.32 (0.80) 8.38 (0.33) 609.6 (24) 24.38 (0.96) 10.16 (0.40) 762 (30) 30.48 (1.20) 12.7 (0.50) 914.4 (36) 36.57 (1.44) 15.24 (0.60) 1209.2 (48) 48.77 (1.92) 20.32 (0.80) Para diámetros que no estén contenidos en la Tabla 8, será necesario calcular sus desplazamientos por medio de interpolaciones. 4.1.2.5. Resistencia Lateral La carga lateral última se debe calcular con la ecuación siguiente, conforme con lo establecido en el documento “Design Analysis Guidelines for Offshore Pipeline Risers” (Battelle, 1983). (43) ππ’ = ππππ’π· Donde: Nc = Su: = Factor de capacidad de carga horizontal (ecuación 32) Resistencia al esfuerzo cortante al centro del ducto (kPa), ver Tabla 9. Los desplazamientos últimos se deben calcular de acuerdo a la siguiente ecuación: Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. π = 0.05 π» + Hc = πΌ0.06 π» + PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 33 de 99 ≤ 0.1π· πΌ0.15π· (44) Distancia del lecho marino al centro del ducto (m) 4.1.2.6. Tipos de resistencia al esfuerzo cortante (su) a utilizar en el cálculo de rigideces En la Tabla 9 se encuentran las resistencias al esfuerzo cortante recomendadas para cada una de las etapas que se deben considerar en el diseño. Tabla 9. Tipos de Resistencias al esfuerzo cortante sugeridas Resistencia al Esfuerzo Cortante a Utilizar en el Cálculo de Rigideces Tipo de Resistencia Inicio de Operación (Su no Drenada) Operación (Su Drenada) Fuerza Lateral (Pu) su residual su remoldeada Fuerza Axial (Pu) su residual su remoldeada Fuerza Vertical Ascendente (R) su residual su remoldeada Fuerza Vertical Descendente (R) su Inalterada su reconsolidada 4.2. Efectos de los métodos de zanjado Para suelos cohesivos, las diferencias entre los métodos de zanjado para el enterramiento del ducto (arado y chorro de agua) son decisivas al momento de analizar la interacción suelo-ducto. Se debe considerar el porcentaje de consolidación en el que se queda el suelo que rodea al ducto después de ser zanjado, sobre todo del suelo por debajo del ducto, particularmente en zanjas realizadas con el método de chorro de agua o aire. En el caso de que no sea posible evitar irregularidades en la batimetría del lecho marino, se debe optar por el “suavizado” del perfil del ducto durante el zanjado con un equipo que excave más profundo en puntos más altos del perfil y menos profundo en puntos más bajos. Independientemente del tipo de zanjado que se realizará, se deben tomar en cuenta los siguientes aspectos: (Brunning et al, 2014) • • • • • • • • • • Diámetro exterior del ducto Peso del ducto Requerimientos de relleno Método de instalación Programa de construcción Tirante marino Especificación del zanjado Perfil del lecho marino Condiciones del suelo Requerimientos de embarcación Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 34 de 99 Se debe asegurar la estabilidad hidrodinámica, incluyendo la flotación del ducto, debido a que el empuje vertical ascendente del agua marina aumenta al momento del zanjado, por lo que la velocidad máxima recomendada de zanjado será de 400 m/hr. (Finch, 2014). 4.2.1. Método de zanjado con chorro de agua o aire (jetting) Cuando se proyecte utilizar este método de zanjado, se deben tener en cuenta los efectos siguientes: Después del zanjado, el ducto estará rodeado en su parte superior por material en suspensión, el cual se irá asentando gradualmente (si es suelo fino se irá consolidando) en el fondo de la zanja en un tiempo considerable (hasta más de un año en algunos suelos). • La resistencia al esfuerzo cortante Requerimientos de embarcación Se debe asegurar la estabilidad hidrodinámica, incluyendo la flotación del ducto, debido a que el empuje vertical ascendente del agua marina aumenta al momento del zanjado, por lo que la velocidad máxima recomendada de zanjado será de 400 m/hr. (Finch, 2014). de la arcilla alrededor del ducto se incrementará gradualmente debido a la disipación de la presión de poro (consolidación), desde un valor cercano a cero hasta llegar a la de una arcilla normalmente consolidada, manteniéndose constante y con el consecuente decremento del espesor de la capa de arcilla producto de esta consolidación, lo cual depende del porcentaje de coeficiente de consolidación y del espesor de la capa de arcilla. La velocidad y presión con la que el chorro de agua entra en la masa de suelo en donde se ha depositado el ducto, hacen que se produzcan vacíos en el suelo al irse formando la zanja, pero generalmente es un material homogéneo en proceso de consolidación con una resistencia al esfuerzo cortante muy baja (Su < 1.00 kPa). La resistencia al levantamiento inmediatamente después de la instalación tiene un valor muy pequeño y su valor con respecto al tiempo de la puesta en operación del ducto depende del proceso de consolidación. Es importante tomar en cuenta este aporte a la resistencia al modelar la interacción suelo-ducto. El diseñador y/o constructor de la zanja debe hacer un análisis del zanjado tomando en cuenta la forma, potencia y tamaño de la zanjadora, así como las propiedades del suelo (cohesivos y friccionantes) que van a zanjar, con lo que se determinará la velocidad de desplazamiento con que la zanjadora debe desplazarse sobre el ducto, así como la presión y velocidad de salida del chorro de agua para minimizar la perturbación del suelo marino y con ello tener una recuperación más rápida de la resistencia al esfuerzo cortante, además de evitar tener un tamaño de anomalías mayores a las indicadas en el diseño preliminar del ducto. 4.2.2. Método de zanja con arado (ploughing) Se debe usar este método de zanjado debido a que ofrece mejores condiciones para el enterrado del ducto, con una menor perturbación de las propiedades del suelo, Si el suelo es muy resistente, es viable usar la draga de arado tipo cortador para facilitar el proceso de zanjado. El contenido de agua de la arcilla no experimenta un incremento en relación al material inalterado, por lo que se ha comprobado que la resistencia al esfuerzo cortante es la remoldeada. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 35 de 99 La resistencia al esfuerzo cortante remoldeada se establece a través de la medición de la sensitividad del suelo y se espera una resistencia al esfuerzo cortante mínima (mayor a cero). La resistencia al esfuerzo cortante se recobra al paso del tiempo (proceso de consolidación) y es proporcional al esfuerzo efectivo de acuerdo a la teoría de arcillas normalmente consolidadas o igual a la resistencia al esfuerzo cortante remoldeada, cualquiera que resulte mayor. Con la acción del arado se espera un cambio en la macro-estructura de la arcilla al introducir grietas y vacíos rellenos de agua. El constructor de la zanja determinará la velocidad con que la zanjadora debe desplazarse sobre el ducto para minimizar en lo posible la perturbación del suelo marino, y con ello tener una recuperación más rápida de la resistencia al esfuerzo cortante, así como evitar tener anomalías mayores a las indicadas en el diseño preliminar del ducto. 4.2.3. Recomendaciones de modelación La Tabla 7 define los rangos de algunos parámetros del suelo, así como algunas fórmulas para determinar la resistencia al levantamiento del suelo contenido en una zanja en suelo arcilloso. Estos parámetros son recomendados por la DNV-RP-F110:2007 con adecuaciones del IMP para la Sonda de Campeche. El uso de la misma requiere de la interpretación por parte del ingeniero diseñador. Tabla 10. Rangos definidos de parámetros de suelo y recomendaciones para resistencia de levantamiento en zanja de arcilla (DNV-RP-F110:2007), adaptada a las condiciones del Golfo de México Zanjado por chorro de agua (jetting) Zanjado por arado Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. π ∈ [0.55,0.80] = π π ππππππ π π ππ ππ. ππ ππ ∈ [π. ππ, π. ππ] ππ [π. π, π. π]ππ΅/ππ πΈ´ ∈ πΉπ ∈ [π. πππ«, π. πππ«]π πΆ=0.5 π· =0.2 ππ πΉπππππ = ηπ΅πͺ πΈ´ π―ππππ π« ππ ππ πΉππππππ = πΈ´ π―ππππ π« + π―ππππ ππ πΉ = πππ πΉπππππ , πΉππππππ π ∈ [0.55,0.80] π΅πͺ = π π ππππππ π π ππ ππ. ππ [π, ππ]ππ΅/ππ πππ ∈ [π. π, π. π]ππ΅/ππ πΈ´ ∈ π΅πͺ Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 36 de 99 [π. πππ«, π. πππ«]π πΉπ ∈ πΆ=0.5 π· =0.2 [π. ππ, π. ππ] π ∈ πΉπππππ = ηπ΅πͺ πππ π« π« π π« π πΉπ πππππ π = πΈ´ π―π« + ππΈ´ π― + π πΉ = πππ πΉπππππ , πΉππππππ , πΉπ πππππ π Nota: Todas las fórmulas son válidas para el rango 1<H/D<8. πΉππππππ = πΈ´ π―π« + ππππ π― + La Tabla 11 define el rango de los parámetros del suelo para determinar la resistencia al levantamiento ofrecida por el material colocado encima del relleno natural y que proporcionará un peso adicional en la zanja, con relleno primario de arcilla recomendados por la DNV-RP-F110:2007. El uso de la misma requiere de la interpretación y valoración por parte del ingeniero diseñador. En muchos casos se espera que el análisis sea sensible con la rigidez y se debe utilizar la curva completa no lineal carga – desplazamiento. La Tabla 12 presenta los rangos de los parámetros del suelo para determinar la resistencia vertical descendente en zanjas excavadas en suelos arcillosos, así como una simplificación de la expresión para la rigidez vertical secante Kt en función de la resistencia al esfuerzo cortante y considerando un desplazamiento del ducto vertical significativo (más allá de la falla del suelo y la posición inicial de la zanja con más de la mitad del ducto embebido, H/D > 0.5). El uso de la misma requiere de la experiencia y juicio del diseñador. Tabla 11. Rangos definidos de parámetros de suelo para resistencia del material adicional (arena, grava y/o roca) (DNV-RP-F110:2007) Grava/roca Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. f Ο΅ [ 0.50,0.80]m δf Ο΅ α = [0.70 ο‘0.80] β = 0.25 zp Ο΅ [0.4D]m [0.05ο‘0.10]m Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. Arena o arena mezclada con grava f Ο΅ [0.40,0.60] [0.6D]m δf Ο΅ α = [0.70ο‘0.80] β = 0.3 zp PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 37 de 99 Ο΅ [0.02ο‘0.05]m Tabla 12. Rangos definidos de parámetros de suelo para rigidez vertical en ductos enterrados en suelo cohesivo (DNV-RP-F110:2007), adaptada a las condiciones del Golfo de México Arcilla inalterada k(t kN/m/m=25su su δ[2,20]kN/m2 Rv,zanja δNcηsuD Nc = de acuerdo a ecuación 30 Nota: sustituyendo (H + D/2)/2 con Z/D se encuentra Nc η=[0.55,0.80] Arcilla en condiciones homogéneas k(t kNm /m) =25 su π ∈[2,20]kN/m2 π , = (ππ + ππ’ + π΅π´)(π§)π§ < π·/2 Nc= de acuerdo a ec.30 Zo Ο΅ [0.1D,0.5D]m 4.3. Ductos superficiales Para el diseño de ductos superficiales es importante considerar que en suelos cohesivos (arcilla), se debe tomar en cuenta su baja permeabilidad al momento de diseñar para condiciones de operación, debido a que este parámetro está ligado al proceso de disipación de presión de poro (consolidación). Para suelos no cohesivos (arena, grava y roca) se debe considerar el potencial de licuación, debido a que este fenómeno ligado al transporte de sedimentos derivado de las condiciones metoceánicas puede producir claros libres o el enterramiento del ducto. Para el pandeo lateral se debe evaluar el comportamiento del suelo ante grandes desplazamientos a través de ciclos de carga y descarga más allá de punto de falla. Los esfuerzos efectivos gobiernan la resistencia axial, siendo que la mayor disipación de poro se presenta al mes de instalado el ducto, esto debido a su baja permeabilidad. (Bruton et al 2007). Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 38 de 99 4.3.1. Efectos del movimiento de sedimentos Se ha inferido que el lecho marino no sufre movimiento al desplazamiento del ducto al formarse las bermas, pero el suelo se desplaza (Borges et al, 2014), lo que puede provocar: • Cambios significativos en las propiedades del lecho marino y de su resistencia al esfuerzo cortante • Aparición de claros libres que pueden provocar vibración y fatiga • Posible relajación de la expansión axial • Cambios en el aislamiento térmico del ducto, afectando el perfil de temperatura y el aseguramiento del flujo La Figura 6 muestra un esquema general de un ducto superficial. Figura 6. Esquema de un ducto superficial La solución preliminar y final para determinar el pandeo lateral es sumamente sensible a la interacción sueloducto, debido a los grandes desplazamientos que están involucrados al momento de aplicación paulatina de la carga. Se debe tomar en cuenta que las fuerzas se van incrementando en el tiempo debido a la velocidad con la que se desplaza el fluido en el interior del ducto, por lo que el análisis de interacción debe considerar esta condición, ya que las fuerzas de resistencia que el suelo presenta al tratar de oponerse al movimiento del ducto se desarrollarán al mismo tiempo. El modelo de comportamiento de la interacción suelo-ducto, utiliza normalmente el modelo de fricción de Coulomb, este se debe usar con las consideraciones pertinentes (grandes desplazamientos) y sólo para el diseño preliminar (Bruton et al, 2006). En la interacción suelo-ducto se tomarán en cuenta las propiedades del suelo, el diámetro exterior del ducto (incluyendo el lastre de concreto), el peso sumergido del ducto y el proceso constructivo (formación) de las bermas de suelo. Para disminuir la incertidumbre y variabilidad de los parámetros de suelo involucrados en el análisis de interacción suelo-ducto en arcillas suaves o muy suaves, es necesario realizar un programa específico de pruebas de suelo, (ver 3.1 y 3.2 de esta especificación), incluyendo las bermas. No es posible adoptar un valor conservador para Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 39 de 99 el cálculo de la resistencia lateral del suelo. El pandeo lateral es muy sensible a la resistencia local del suelo, por lo que se deben calcular valores probables mínimos y máximo, así como un valor considerado como mejor estimado (Bruton et al, 2006). Se debe determinar el enterramiento inicial del ducto, ya que la interacción suelo – ducto depende de este valor. Un enterramiento menor a medio diámetro del ducto, indica que este se puede diseñar como un ducto superficial. En el inciso 4.3.2. de esta especificación se establecen las fórmulas a utilizar para determinar el valor del enterramiento inicial. 4.3.2. Enterrado inicial del ducto En ductos con diámetros entre 324 y 914 mm (12 y 36”) con un enterrado inicial entre el 20 al 80 % del diámetro, es indispensable conocer las propiedades del suelo desde el lecho marino hasta una profundidad de 0.8 m (White et al, 2007) para definir si se calcula como ducto ligero o pesado. Para ductos instalados en suelos friccionantes se debe calcular el enterrado inicial que tendrá en ducto en el lecho marino, usando la ecuación siguiente (DNV RP F109). = 0.037πΎ . (45) π = Enterrado inicial del ducto en el suelo, en m (in) π·= Diámetro exterior total del ducto incluyendo el lastre de concreto, en m (in) πΎ = Rigidez del suelo friccionante (varía normalmente entre 50 – 100 N/m). Se debe obtener mediante la siguiente expresión: πΎπ = πΎ′π·2/ππ ππ = Peso sumergido del ducto, en N/m (lb/in) ϒ’= Peso volumétrico sumergido del suelo, en N/m3 (lb/in3) Nota: Se deben hacer los cálculos para cada una de las diferentes etapas del suelo (instalación y operación). En suelos cohesivos, el modelo de fricción equivalente y la interacción suelo-ducto no son lineales, por lo que es necesario obtener los perfiles de la resistencia al esfuerzo cortante continuos, así como su permeabilidad. En suelos con una resistencia al esfuerzo cortante inalterada y no drenada con penetración de D/2, se debe usar cualquiera de las fórmulas siguientes para el cálculo de la penetración inicial del ducto (White et al, 2007). Fórmula de Aubeny et al (2005): =π ππππ π§ < π·/2 (46) Donde: a= b= v= su= w= Factor empírico (0.007 para ductos sin lastre) Factor empírico (2.5 para ductos sin lastre) Carga debida a la velocidad de corriente (esencialmente el peso del ducto sin lastre) Resistencia al esfuerzo cortante reconsolidada, en kPa (psi) Profundidad estimada de enterrado del ducto, en m (in) Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 40 de 99 Para simplificar el cálculo, se debe usar la ecuación siguiente, siempre que no se tengan los estudios de suelo correspondiente (ducto pesado): = 4.5 (47) Ecuación DNV RP F109 (48) Donde: Z= D= Ws= su = ϒ’ = Enterrado del ducto inicial en suelo, en m (in) Diámetro exterior total del ducto incluyendo el lastre de concreto, en m (in) Peso sumergido del ducto en N/m (lb/pie) Resistencia al esfuerzo cortante inalterada no drenada al centro del ducto, kPa (psi) Peso volumétrico sumergido del suelo N/m 3 (lb/in3) Ecuación SAFBUCK = (49) Donde: Z= Su= D= ππ = π π‘ = Enterrado inicial en del ducto el suelo, en m (in) Resistencia al esfuerzo cortante promedio inalterada, en kPa (psi) (Bruton et al, 2006) Diámetro exterior total del ducto incluyendo el lastre de concreto, en m (in) Peso sumergido del ducto, en N/m (lb/in) Sensitividad del suelo (normalmente de 2 a 3), se recomienda 3 Factor de incremento debido a la zona de contacto (ducto-suelo)en instalación (normalmente 1) Klay= Ecuación Verley and Lund, (1995). = 0.09(ππΊ . (50) ) Donde: Z= D= S= Su= Fc= G= ϒ= Enterrado inicial del ducto en suelo, en m (in) Diámetro exterior total del ducto incluyendo el lastre de concreto, en m (in) Factor adimensional definido por: πΉπ/π·ππ π’ Resistencia al esfuerzo cortante no drenada a la profundidad de enterramiento del ducto, kPa (psi) Peso sumergido del ducto, incluyendo lastre de concreto, N/m 3 (lb/in3). Factor adimensional definido por: π π’/π·ππΎ′ Peso volumétrico sumergido del suelo N/m 3 (lb/in3) Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 41 de 99 Nota: Se debe hacer el cálculo del enterradoinicial también para condiciones drenadas (condición de operación) El desplazamiento de falla, ο‘f, se debe considerar igual a la diferencia entre el enterrado inicial en el suelo inalterado y la mitad del diámetro, pero no menor a 0.10 D En conveniente tomar en cuenta si el ducto es considerado ligero (light pipe), neutral o pesado (heavy pipe), ya que de ello depende en gran medida el análisis y cálculo de la interacción suelo–ducto (relación entre el peso del ducto y la resistencia del suelo del fondo marino) (Qiang Bai and Yong Bai, 2014). En la Figura 7 se puede apreciar cada uno de los diferentes comportamientos de un ducto, dependiendo de su peso sumergido. RESPUESTA LATERAL DEL DUCTO Figura 7. Respuesta Lateral del suelo ante diferentes tipos de ductos Con base a la relación V /(su D), se establece la clasificación en base al comportamiento debido al peso de los diferentes tipos de ductos, que es la siguiente: ο· Para valores de π/ππ’π·< 1.5, el ducto se considera ligero y su comportamiento será similar al ilustrado en la Figura 8, en donde la resistencia lateral u horizontal se reduce desde el valor de resistencia pico hasta el valor de resistencia residual. DUCTO LIGERO Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 42 de 99 Figura 8. Ducto ligero (light pipe) ο· Para valores menores a π/ππ’π· > 2.5, el ducto se considera pesado y el movimiento lateral generalmente va hacia abajo, lo que hace que la berma crezca por arriba del lomo del ducto y se incremente la resistencia lateral del suelo. Su comportamiento será similar al ilustrado en la Figura 9. Figura 9. Ducto pesado (heavy pipe) 4.3.3. Resistencia axial La resistencia axial es en función del área de contacto (inicio de operación o en fase de operación). Cuando el enterrado inicial excede medio diámetro se debe considerar que el área de contacto es la circunferencia entera (Casola et Al, 2011), es decir, que el ducto opera en condiciones de enterrado y se debe calcular su resistencia como un ducto enterrado. En suelos friccionantes, la resistencia del suelo para condiciones drenadas se puede obtener mediante la ecuación siguiente: (Qiang Bai and Yong Bai, 2014). (51) πΉππ₯πππ = πππ Donde : µ= Coeficiente de fricción de Coulomb que se define como π = π πππ π€ = Peso sumergido del ducto (kg) π = Ángulo de fricción del suelo Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 43 de 99 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. (52) π = Ι΅ se muestra en la Figura 12. En la determinación de la resistencia axial se debe usar la condición drenada, debido a la alta permeabilidad de este tipo de suelos. En suelos cohesivos es aceptable el modelo de resistencia al esfuerzo cortante residual. Se sugiere utilizar como referencia la gráfica esquemática de curva bi-lineal simple como la que se muestra en la Figura 10. 0.25 DESPLAZAMIENTO 0.2 0.15 0.1 0.05 0 50 100 150 200 DESPLAZAMIENTO (mm) Figura 10. Modelo de restricción de fricción axial El desplazamiento axial se puede considerar de 5 mm, debiendo contar con el dato real obtenido de la prueba de suelo al momento de realizar el diseño. Se debe tomar el comportamiento frágil del suelo como el más crítico, pero se debe considerar el que más se apegue a los resultados de las pruebas de laboratorio tomando en cuenta el esquema de la Figura 11 (Bruton et al, 2008). Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 44 de 99 Figura 11. Esquema del modelo por fricción axial con desplazmiento (Bruton et al, 2008) La resistencia de pico o máxima se puede calcular usando las ecuaciones siguientes: (Casola et Al, 2011) πΉππ, π΅πΈ = π ′π’π· π πππ 1 − πππππ’π πΉππ, π΅πΈ = π π’π· πππππ’π π ´ = para z< D/2 para z< D/2 (53) (54) (55) ∫ π (π) cos(π) ππ Z= Penetración del ducto inicial en el suelo, en m (in) D= Diámetro exterior total del ducto incluyendo el lastre de concreto, en m (in) π π’= Resistencia al esfuerzo cortante en función de profundidad de enterrado, en kPa (psi) πππππ’π= Factor de eficiencia del recubrimiento (0.6 a 1) π= Coeficiente de adherencia (para concreto = 1) Para el modelo no drenado, la resistencia al esfuerzo cortante depende de los siguientes factores: • La resistencia al esfuerzo cortante en la superficie de contacto con el ducto • La variación de la resistencia al esfuerzo cortante con la profundidad • El remoldeo del suelo debido a la instalación del suelo • La consolidación del suelo y sus efectos de tixotropía En la Figura 12 se aprecia el ángulo Ι΅ Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 45 de 99 Figura 12. Esquema frontal del modelo de fricción axial La resistencia residual se puede calcular usando la ecuación siguiente: (Casola et al, 2011) πΉ , = , (56) Donde: π = Sensitividad del suelo 4.3.4. Resistencia lateral El parámetro más influyente en la restricción lateral, es el enterrado inicial del ducto debido principalmente al peso sumergido y los movimientos oscilatorios del ducto. (Qiang Bai and Yong Bai, 2014). En suelos friccionantes, la resistencia lateral del suelo (FL) consta de dos componentes: una parte es pura fricción (Coulomb, FF) y la otra es la resistencia pasiva del suelo (FR) debido a la penetración que el ducto hace en el suelo. (57) πΉπΏ = πΉπΉ + πΉπ La parte de fricción se obtiene mediante la ecuación 56: πΉπΏ = π πΏππ (58) Donde: µL= ππ = Coeficiente de fricción lateral Peso sumergido del ducto (kg) Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 46 de 99 Se debe considerar un modelo de resistencia pasiva del suelo para cuatro diferentes regiones: (Qiang Bai and Yong Bai, 2014), (Tianna et al, 2014). • La región elástica donde el desplazamiento lateral es menor al 2% del diámetro del ducto • La región en donde hay un desplazamiento significativo más allá del medio diámetro del ducto para arenas donde la interacción causa un incremento en la penetración del ducto y aumenta la resistencia pasiva del suelo. • Región posterior a la ruptura, donde la resistencia y penetración decrecen. • Región donde el desplazamiento excede un diámetro de ducto, la resistencia pasiva y la penetración se asumen constantes. En la Figura 13 se muestra un esquema de la resistencia pasiva en un suelo friccionante para las 4 regiones antes mencionadas. Figura 13. Esquema de la resistencia pasiva del suelo La fuerza pasiva del suelo (FR) en arenas se debe calcular usando las ecuaciones 59 y 60: = (5.0π − 0.15π ) =πΎ . . ππππ π ≤ 26.7 ππππ ππ > 26.7 (59) (60) (61) π = πΎ´ Donde: ππ = πΉπ = Peso sumergido del ducto, en N/m (lb/in) Fuerza de contacto suelo – ducto = ππ – πΉπ§, en N/m (lb/in) Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 47 de 99 Fuerza hidrodinámica vertical, en N/m (lb/in) πΉπ§= El comportamiento que tiene un ducto durante su etapa de operación involucra grandes desplazamientos del mismo, en donde se dan procesos repetitivos de remoldeo y consolidación del suelo en el que se encuentra ubicado en forma lateral, formando zanjas y bermas. Todos estos cambios ocurren en el suelo a niveles de esfuerzos efectivos (con disipación de presión de poro) por lo que el orden de magnitud de los esfuerzos será menor que lo considerado comúnmente en la ingeniería geotécnica. La resistencia lateral del ducto, debe ser determinada con el modelo de resistencia lateral cíclico, hasta la formación de bermas. En caso de no contar con información proporcionada por las pruebas descritas en 3.2 de esta especificación, se debe usar la Figura 14 como guía para el análisis. Figura 14. Esquema del modelo de resistencia lateral cíclica En suelos cohesivos muy blandos (resistencia al esfuerzo cortante < 5 kPa), el enterramiento inicial del ducto es mayor a medio diámetro, lo que contribuye a una alta resistencia lateral del suelo. La resistencia lateral se debe calcular con las ecuaciones 62 y 63: (Qiang Bai and Yong Bai, 2014). Estas fórmulas consideran que el ducto tendrá un considerable enterramiento inicial o estará totalmente enterrado. πΉπΏ = ππΆ π π’ππππ· ππππ π§ ≥ π· (62) πΉπΏ = ππΆ π π’πππ π§ ππππ π§ < π· (63) Donde: z= Penetración del ducto inicial en suelo, en m (in) ππ = Factor de capacidad de carga (ππ − 1) ∅ (Nq se obtiene de fórmula 22) π = Resistencia al esfuerzo cortante remoldeada, en kPa (psi) Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 48 de 99 También se puede aplicar la ecuación siguiente para todas las arcillas en función de la profundidad de enterramiento inicial (Verley and Lund, 1995) πΉ = 4.13π·π πΊ . . (64) Donde: Z= Penetración del ducto inicial en suelo, en m (in) D= Diámetro exterior total del ducto incluyendo el lastre de concreto, en m (in) π = Resistencia al esfuerzo cortante no drenada, en kPa (psi) G= Factor adimensional definido por: su / Dϒ ϒ= Peso volumétrico sumergido del suelo, en N/m3, (lb/in3) La resistencia de quiebre del suelo se debe calcular usando las ecuaciones 65 y 66: (Casola et Al, 2011) πΉ , (65) = 3π§√πΎ´π π· + 0.2π 5 π§ ππ 2 πΉππ ,π΅πΈ = ππ’ π· [3,8√2 − 0.08 ( ) ] 8 π· ππ’ π· (66) Donde: Z= D= su= W s= Penetración del ducto inicial en suelo, en m (in) Diámetro exterior total del ducto incluyendo el lastre de concreto, en m (in) Resistencia al esfuerzo cortante inalterada (no drenada) en función de profundidad de enterrado, en kPa (psi) Peso sumergido del ducto, en N/m 3 (lb/in3) Nota: Se debe definir la etapa (instalación u operación) en el cálculo, debido a que de eso dependerá el tipo de resistencia al esfuerzo cortante que deberá usar (su inalterada, su remoldeada o su reconsolidada). La resistencia residual se debe calcular usando las ecuaciones 67 y 68: (Casola et al, 2011). πΉππ, = πππ πΉππ, = (πππ ),π΅πΈ (67) (68) Donde: OPR= µ= Relación de sobre penetración, que está definida como la carga necesaria para enterrar el ducto y se puede estimar usando la resistencia al esfuerzo cortante no drenado dividido entre el peso sumergido del ducto en operación. Coeficiente de fricción para resistencia residual. Varia de 0.3 a 0.6 y para fricción pico de 0.6 a Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 49 de 99 1.0. 4.3.4.1. Bermas Los ductos experimentan ciclos de carga y descarga (expansión y contracción) derivados de las condiciones de operación. En el lecho marino se van formando bermas en los extremos de cada desplazamiento. En la figuras 12a se aprecia la configuración de un suelo sin bermas y en la figura 12b se aprecia el efecto de las bermas en el suelo en una modelación numérica. Figura 15. Esquema de la forma del desplazamiento del pandeo sin bermas (a) y con bermas (b) 4.3.5. Walking en Interacción suelo – ducto El movimiento axial del ducto conocido como walking es debido a los ciclos de carga y descarga que sufre en su vida útil (Casola, et al 2011). Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 50 de 99 Los parámetros que influyen el movimiento axial (walking) son: (Bruton et al, 2008) • • Respuesta de la resistencia axial del suelo (no drenada y drenada) Longitud del ducto (zona susceptible al walking) El walking puede ocurrir en condiciones drenadas y no drenadas en suelos cohesivos, y su comportamiento depende del rango de expansión y contracción del ducto. Las ecuaciones 69 y 70 determinan de manera aproximada la posibilidad de que se presente el walking. (Senthilkumar et al, 2011). < 1 ππππ πππππππππ π‘ππ‘ππππππ‘π πππππππ > 20 ππππ πππππππππ π‘ππ‘ππππππ‘π ππ πππππππ (69) (70 Donde: π= π·= πΆπ£ = Velocidad de movimiento del ducto (en condiciones drenadas de 0.2 mm/s) Diámetro exterior del ducto, incluyendo lastre (m) Coeficiente de consolidación (en caso de no contar con este dato, se debe aplicar la nota) Nota: El walking se presenta frecuentemente en ductos con longitudes menores a 5 km (ductos cortos), dependiendo del diámetro, condiciones de operación (paros y arranques) y tipo de suelo por donde cruza el alineamiento. El cálculo de la fuerza axial en condiciones no drenadas, se determina con la ecuación 71. En la Figura 16 se aprecia un esquema del sistema suelo – ducto. (71) πΉπ’ = π΄ππ π’πΌ Donde el área de contacto Ac está definida por las ecuaciones 72 y 73. π΄π = π· cos 1− ππππ 0 ≤ π ≤ π΄ (72) (73) En el caso de condiciones drenadas, se debe considerar un aumento en la resistencia al esfuerzo cortante y se recomienda usar la resistencia de esfuerzo cortante reconsolidada. Para el cálculo de la rigidez se recomienda un desplazamiento en suelos cohesivos muy suaves entre 3 y 5 mm. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 51 de 99 Figura 16. Esquema del sistema suelo – ducto 5. CLASIFICACIÓN POR SEGURIDAD Y SERVICIO La Clasificación por Seguridad y Servicio (CSS) para el diseño de ductos marinos se realiza conforme a la siguiente clasificación que establece tres Categorías de Seguridad y Servicio (CSS) para diseño de un ducto submarino, en función del tipo de fluido, la zonificación y el volumen de producción transportado; para aplicar el factor de diseño correspondiente, el cual incluye las condiciones de riesgo del ducto submarino. Dichas categorías son: Muy alta, Alta y Moderada. La zonificación de una línea submarina se define de la siguiente manera: • • Zona A Comprende la línea regular y ramales. Zona B Comprende trampa de diablos, cuello de ganso, ducto ascendente y curva de expansión. Con relación al tipo de fluido que transporta se deben clasificar en dos grupos: • • Gas Gases inflamables y/o tóxicos además de mezclas de hidrocarburos (oleogasoductos). Líquido Líquidos inflamables y/o tóxicos. La categorización de un ducto específico que transporta gas o mezcla de crudo y gas, se debe estimar un volumen en Miles de Barriles de Crudo Pesado Equivalente Diario (MBCPED) de acuerdo al Anexo B. Esta categorización puede ser elevada a una categoría mayor con base en una estimación cuantitativa de riesgo y consecuencias de falla. 5.1 Ductos que transportan gases inflamables y/o tóxicos. Las CSS para ductos submarinos que transportan gases inflamables y/o tóxicos se deben seleccionar de acuerdo con lo que establece la tabla 13. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 52 de 99 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. NIVEL DE PRODUCCIÓN ZONA A ZONA B 0 - 300 MBCPED ALTA MUY ALTA Tabla 13. Categorías de Seguridad y Servicio para ductos submarinos que transportan gases inflamables y/o tóxicos 5.1.1 Ductos que transportan líquidos inflamables y/o tóxicos. Las CSS para ductos submarinos que transportan líquidos inflamables y/o tóxicos se deben seleccionar de acuerdo con lo establecido en la tabla 14. NIVEL DE PRODUCCIÓN ZONA A ZONA B 0 - 100 MBCPED MODERADA MODERADA 101 – 1000 MBCPED MUY ALTA ALTA Tabla 14. Categorías de Seguridad y Servicio para ductos submarinos que transportan líquidos inflamables y/o tóxicos 5.1.2 Ductos que transportan fluidos no inflamables y no tóxicos. En ductos que transporten fluidos que no sean inflamables y no tóxicos como agua o nitrógeno entre otros, se deben categorizar con la clasificación Moderada. 5.2 Factores para el diseño por pandeo vertical por levantamiento (UHB) Los factores de carga πΎπΉ a aplicar a la fuerza impulsora actuante (πΎπΉππ; donde ππ se define en la ecuación 8), deben ser los indicados en la Tabla 15 para ductos que transportan gases inflamables y o tóxicos con nivel de producción de 0 a 300 MBCPED, en la Tabla 16 para ductos que transportan líquidos inflamables y o tóxicos con nivel de producción de 0 a 100 MBCPED, y en la Tabla 17 para ductos que transportan líquidos inflamables y o tóxicos con nivel de producción de 101 a 1000 MBCPED Tabla 15. Factores de carga para la fuerza impulsora; ductos que transportan gases Ductos que transportan gases inflamables y/o tóxicos. ZONA A; NIVEL DE PRODUCCIÓN 0-300 MBCPED. π½0 =3.2 πΏ [m] πΎπΉ 0.1 2.2 Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. 0.2 1.7 0.3 1.6 0.4 1.55 0.5 1.55 PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 53 de 99 Tabla 16. Factores de carga para la fuerza impulsora; ductos que transportan líquidos en volumen de producción menor de 100 MBCPED Ductos que transportan líquidos inflamables y/o tóxicos. ZONA A; NIVEL DE PRODUCCIÓN 0-100 MBCPED. π½0 =3.2 πΏ [m] πΎπΉ 0.1 2.2 0.2 1.7 0.3 1.6 0.4 1.55 0.5 1.55 Tabla 17. Factores de carga para la fuerza impulsora axial; ductos que transportan líquidos en volúmenes de producción de 101 a 1000 MBCPED Ductos que transportan líquidos inflamables y/o tóxicos. ZONA A; NIVEL DE PRODUCCIÓN 101-1000 MBCPED. π½0 =3.6 πΏ [m] πΎπΉ 0.1 2.3 0.2 0.3 1.8 1.7 Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. 0.4 0.5 PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 54 de 99 1.65 1.65 Para imperfecciones que no vienen indicadas en las tablas, los factores de carga correspondientes se deben de obtener mediante un procedimiento de interpolación. Se pueden utilizar factores de carga diferentes a los presentados en las Tablas 15-17, siempre que los mismos sean obtenidos mediante una metodología de confiabilidad estructural que demuestre que el nivel de seguridad sea por lo menos igual al índice de confiabilidad (π½0) que se indica en la tabla respectiva. La determinación del volumen de producción en Miles de Barriles de Crudo Pesado Equivalente Diario (MBCPED) de un ducto que transporta gas o mezcla de crudo y gas, se debe obtener de acuerdo con la conversión de la producción de gas y crudo ligero a miles de barriles de crudo pesado 1) La producción en ductos de gas se debe convertir a Miles de Barriles de Crudo Pesado Equivalente Diarios con la siguiente expresión: 1 MBCPED = 139,798 m3 (4.937 millones de pies cúbicos) diarios de gas. 2) La producción en ductos de crudo ligero se debe convertir a Miles de Barriles de Crudo Pesado Equivalente Diarios con la siguiente expresión: 1 MBCPED = 140,83 m3 (0,886 miles de barriles) de crudo ligero diarios. 6. CRITERIOS DE ANÁLISIS Y DISEÑO POR PANDEO VERTICAL (UHB) Un ducto enterrado puede llegar a ser inestable y moverse verticalmente, produciendo un pandeo vertical, si la cubierta de suelo sobre de él no tiene la resistencia suficiente para contrarrestar la fuerza de levantamiento del ducto que se produce por la acción combinada de una configuración fuera-de-rectitud (OOS) de la línea (es decir, por una imperfección en el fondo marino), y la fuerza de compresión efectiva (S o) inducida por las condiciones de alta presión y alta temperatura (AP/AT). Para prevenir el pandeo vertical por levantamiento se deben considerar dos estrategias principales en el análisis de este fenómeno. La primera es enterrar o cubrir el ducto con la suficiente cantidad de suelo o material de aporte para proporcionar una resistencia adecuada al levantamiento, asegurando que el ducto permanezca en su sitio. La segunda se enfoca a limitar la fuerza de compresión a niveles que prevengan se detone el mecanismo de pandeo por levantamiento en el ducto, por medio de la instalación de curvas de expansión intermedias u otro mecanismo. La cubierta de suelo resultante se debe basar en la que resulte mayor entre los dos criterios siguientes: • La cubierta específica, Hspec, la cual se determina a partir de los análisis de resistencia al levantamiento requerida para la configuración estimada o medida del ducto, la cual será variable a lo largo del ducto dependiendo del perfil de la tubería, de la presión y la temperatura. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 55 de 99 • La cubierta mínima, Hmin, obtenida mediante el análisis de una imperfección supuesta no detectada en el levantamiento de la configuración. La altura de la imperfección (δ) no detectada supuesta se considerará igual a la desviación estándar de la precisión del levantamiento de la configuración, y no será menor a 0.025 m. La definición de la resistencia o altura de cubierta debe determinarse para toda la trayectoria del ducto, con un margen adicional debido a las incertidumbres cuando se haga el levantamiento de la cubierta durante su construcción. Para suelos friccionantes, la altura medida de la cubierta debe ser tal que π»ππππππ ≥ π» + 2πππ’πππππ‘π (74) Donde πππ’πππππ‘π= Es la desviación estándar del levantamiento para medición de la altura de cubierta, la cual debe ser de 0.10 a 0.15 m Lo anterior se debe aplicar también cuando el relleno con suelo cohesivo producto del zanjado se complemente con material de aporte. El análisis y diseño por pandeo vertical se debe realizar en dos etapas, que están basadas en los mismos criterios de análisis, diferenciándose por las características de la configuración del perfil del ducto que se utiliza: • La etapa previa, realizada en la fase de diseño del ducto antes de su instalación, por lo que se debe basar en una configuración asumida del perfil del ducto. Se debe calcular el espesor de la cubierta de suelo o material de aporte en dos pasos, realizando un prediseño mediante un método simplificado de análisis como el de Palmer et al (1990), presentado en el inciso 6.1. de esta especificación, para posteriormente ajustar los resultados mediante un análisis numérico que considere el perfil de imperfecciones geométricas iniciales del ducto, y las no-linealidades geométricas y del material del ducto, así como las referentes a la interacción suelo-tubo, por medio del método de elemento finito. • La etapa definitiva, realizada en la fase de construcción del ducto de “cómo-quedó-instalado”, que requiere los resultados de la inspección posterior a la instalación del ducto tendido y enterrado o cubierta por el material de aporte. Se realizará el análisis detallado por el método de elementos finitos que determine la resistencia de levantamiento y se haga el ajuste de la cubierta o descarga requerida a lo largo del ducto, de acuerdo con la configuración medida y los perfiles de presión y de la temperatura. Las herramientas numéricas a utilizar podrán ser programas de cómputo de basados en el método de elemento finito, donde se modelen configuraciones tridimensionales. El peso propio de la tubería en condiciones de operación y el recubrimiento del suelo sobre la misma, proporcionan la resistencia que tendrá el ducto para moverse verticalmente. Cuando se realice el diseño mediante el enfoque de limitar la fuerza de compresión a niveles que prevengan se detone el mecanismo de pandeo por levantamiento en el ducto, por medio de la instalación de curvas de Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 56 de 99 expansión intermedias u otro mecanismo, se debe realizar el análisis de la altura de cubierta para las imperfecciones menores a la tomada como máxima para la determinación de la ubicación y número de las curvas de expansión. 6.1. Método analítico simplificado Antes de la aplicación de métodos de análisis más complejos, dependiendo de la estrategia definida para el análisis diseño del fenómeno de pandeo vertical por levantamiento, se debe aplicar un método analítico simplificado, como el descrito en la secciones siguientes, con el fin de establecer de manera preliminar la resistencia al levantamiento requerida (cubierta de suelo o cantidad de material de aporte) y/o los niveles de carga de compresión que causan que ocurra el pandeo por levantamiento en el ducto. El método analítico propuesto considera el comportamiento elástico del material, es de tipo semi-empírico, y se basa en la resolución de la ecuación diferencial de una tubería inicialmente recta, apoyada en una imperfección del lecho marino, sujeta a una carga de compresión y cuyo estado de equilibrio como viga pandeada sometida a una carga lateral uniforme igual a la resistencia de descarga (peso de la tubería + contención del suelo) está dado por: πΈπΌ +π = −π (75) Donde: πΈπΌ = Rigidez a la flexión de la tubería, en Nmm2 (lb-in2) N= Fuerza axial de compresión de la tubería, en N (lb) W= Fuerza de descarga por unidad de longitud, necesaria para mantener el equilibrio en la posición Deformada (peso propio del ducto + resistencia del suelo sobre la línea), en N/m (lb/in) y(x) = Configuración vertical de la tubería, en m (in) 6.1.1. Parámetros de longitud y descarga máxima La ecuación diferencial 75 se reformula en términos de los parámetros adimensionales: ΟL = ΟW = Parámetro de la longitud de la imperfección. Parámetro de descarga máxima. Los cuales están dados por las ecuaciones 76 y 77. ΟπΏ = πΏ π πΈπΌ Ο = (76) (77) Donde: Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. L= δ= PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 57 de 99 Longitud de la configuración curva de la tubería sobre la imperfección, en m (in) Altura de la imperfección, en m (in). 6.1.2. Dimensiones de la imperfección En un contexto de diseño preliminar, se debe definir el tamaño de la imperfección estableciendo la altura de la misma. La longitud de la imperfección se puede estimar suponiendo que el ducto toma una forma dada considerando la relación entre su rigidez a la flexión y su peso sumergido en la fase de instalación. La longitud de la curvatura (L), en función de la altura de la imperfección (δ), de la rigidez a la flexión (EI) y del peso sumergido de la tubería en su condición de instalación (Ws), está dado por: (78) πΏ= 6.1.3. Descarga requerida El valor de la descarga o resistencia al levantamiento requerida se obtiene de la curva de diseño mostrada en la Figura 17, la cual está basada en las consideraciones teóricas del modelo descrito y en simulaciones numéricas. Dependiendo del valor del parámetro øL, la descarga requerida se deriva utilizando la ecuación 79 para øW, a partir del criterio: (79) Ο ≥Ο Siendo: Ο = 0.0646 ππππ ΟπΏ < 4.49 Ο = Ο = . Ο . Ο Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. − − Ο . Ο ππππ 4.49 < ΟπΏ < 8.06 ππππ 8.06 < ΟπΏ (80) (81) (82) Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 58 de 99 Parámetro de la longitud de la imperfección Figura 17. Curva de Diseño para resistencia al levantamiento requerida La descarga o resistencia al levantamiento requerida es resultado de la aportación del peso propio de la tubería en condiciones de operación y la cubierta de suelo sobre la misma. El espesor de la capa de suelo o material de aporte, y/o la cantidad de material de aporte requerido para mantener al ducto en su posición inicial evitando el pandeo vertical por levantamiento, se obtiene a partir del valor mínimo de la resistencia al levantamiento, de acuerdo a lo siguiente: π πππ πππππππ = min (π πππππ, π ππππππ, π πππππππ) (83) El espesor de la capa de suelo o material de aporte, y/o la cantidad de material de aporte requerido para mantener al ducto en su posición inicial evitando el pandeo vertical por levantamiento, se obtiene a partir del valor mínimo de la resistencia al levantamiento, de acuerdo a lo siguiente: π πππ πππππππ = min (π πππππ, π ππππππ, π πππππππ) (83) Los valores de resistencia vertical al levantamiento se obtienen de los modelos establecidos en el inciso 4 de esta especificación, de acuerdo con el tipo de suelo o material de aporte del que se trate. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 59 de 99 6.1.4. Carga crítica y Carga axial mínima de pandeo De la solución de la ecuación diferencial 75 es posible obtener la magnitud de la carga necesaria para que ocurra el pandeo, denominada carga crítica de pandeo Ncrit, la cual se obtiene de la siguiente expresión: π = . (84) Donde: πΈπΌ = πΏ= Rigidez a la flexión de la tubería, en Nmm 2 (lb-in2) Longitud de la configuración curva de la tubería sobre la imperfección, en m (in) 6.1.5. Cálculo de esfuerzos Se deben calcular los esfuerzos debidos a las cargas aplicadas y a la configuración debida a la imperfección, se calcula como: (85) π = 1.4142π r= Ws= δ= E= I= δ I Radio exterior de la tubería, en mm (in) Peso sumergido de la tubería en su condición de instalación, en N/m (lb/in) Altura de la imperfección, en m (in) Módulo de elasticidad del material de la tubería, en N/mm 2 (psi) Momento de inercia de la sección de tubería de acero, en mm 4 (in4) 6.2. Etapa Previa a la instalación En la etapa previa de diseño, se debe evaluar la viabilidad de enterrar la tubería utilizando el suelo de sitio, material de aporte o la necesidad de una cubierta artificial (p. ej. matrices de concreto). Para realizar el análisis de pandeo de tipo predictivo, puesto que no están disponibles los datos del perfil del lecho marino donde se asentará la línea, se deben asumir imperfecciones de apoyo en dicho perfil, tales como las que se pudieran producir por discontinuidades del suelo durante el procedimiento de zanjado. En la etapa previa a la instalación, además de utilizar un método analítico como el establecido en 6.1 de esta especificación, se deben realizar los análisis utilizando un método numérico de Elementos Finitos para un análisis más detallado y más preciso, que pueda considerar la naturaleza no-lineal geométrica y física del fenómeno de pandeo. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 60 de 99 6.2.1. Perfil estimado del ducto Puesto que la estabilidad del ducto depende del perfil local del ducto en contacto con el lecho marino o el fondo de la zanja o trinchera y se desconocen las dimensiones de las imperfecciones geométricas iniciales generadas en la instalación misma, se deben definir las alturas de las imperfecciones (δ), medidas desde un nivel horizontal que representa el fondo del lecho marino o el fondo de la zanja, con base en la experiencia y en el método utilizado para el zanjado de la línea. Las imperfecciones geométricas iniciales se deben considerar del tipo "apoyo", con la intención de simular el efecto en la configuración del ducto al estar sobre una piedra o un montículo de arcilla compactada en la zanja o trinchera. Las dimensiones de las imperfecciones geométricas iniciales definidas, se deben establecer considerando lo indicado en el numeral 6.1.2 de esta especificación. 6.2.2. Análisis detallado usando métodos numéricos de EF El análisis detallado de pandeo vertical mediante un modelo numérico de Elementos Finitos (EF) debe considerar las no linealidades asociadas al fenómeno de pandeo (geométricas, del material y de la interacción tubo-suelo), la imperfección geométrica inicial y una modelación que considere el efecto de la discontinuidad en el lastre de concreto y la excentricidad en las juntas de campo. El modelo numérico EF debe considerar todas las cargas a las que el ducto está sometido, tales como peso propio, presión interna y carga térmica inducida. En general, el modelo con método de EF debe tomar en cuenta como mínimo lo siguiente: • • • • • Comportamiento no lineal del material del ducto Comportamiento no lineal del suelo Tipo y tamaño de los elementos de las secciones analizadas Interacción ducto suelo Condiciones de carga mínima, normal y máxima de operación Se deben realizar todos los análisis necesarios para cubrir un rango completo de alturas de la imperfección probables considerando dos longitudes de desarrollo; la inicial calculada de acuerdo al inciso 6.1.2, y otra longitud mayor que cubra las incertidumbres de la irregularidad del suelo marino (se puede usar 1.5 veces la longitud inicial), incluyendo el rango de resistencias al esfuerzo cortante del suelo de la frontera inferior al valor más probable de acuerdo a los resultados del estudio geotécnico del corredor correspondiente. 6.2.2.1. Comportamiento no lineal del material del ducto Para determinar la curva esfuerzo deformación del material, se deben utilizar los valores del SMYS y del SMTS establecidos en la norma ISO-3183:2012, con las disminuciones por temperatura indicadas en el inciso 2.3 de esta especificación. Para la determinación de la región de comportamiento elasto-plástico del material, se puede utilizar la ecuación de Ramberg-Osgood: π= Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. 1+π΄ (86) Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. π΄ = 0.005 PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 61 de 99 −1 (87) El coeficiente de endurecimiento n del material se determina con la ecuación siguiente: π = πΌπ ε= σ= E= π = fu= π= π = (88) . Deformación unitaria Esfuerzo, en N/mm2 (psi) Módulo de elasticidad del material de los tubos Valor mínimo del esfuerzo de fluencia, conforme a inciso 2.1, en N/mm 2 (psi) Valor mínimo del esfuerzo último de tensión, conforme a inciso 2.1, en N/mm 2 (psi) Coeficiente de endurecimiento del material de los tubos Deformación unitaria última 6.2.2.2. Tipo y tamaño de los elementos de las secciones analizadas El tipo de elemento seleccionado debe permitir la respuesta estructural de esfuerzos y deformaciones grandes en tres dimensiones en comportamiento elasto-plástico. La longitud de los elementos debe ser del orden de un diámetro en la zona en la que se espera pueda presentarse el pandeo o la imperfección y de mayor longitud en las secciones rectas. 6.2.2.3. Interacción suelo-ducto Se modelará la interacción suelo-ducto utilizando una serie de resortes no lineales independientes o por medio de elementos de contacto, los cuales deben ser caracterizarse por una relación no lineal de fuerzadesplazamiento y representar las restricciones que impone el suelo a la tubería en la superficie de contacto. Se deben considerar las respuestas en la dirección axial, lateral, vertical ascendente y descendente conforme a lo establecido en la sección 4 de este documento técnico. 6.2.2.4. Condiciones de carga mínima, normal y máxima de operación Se considerarán en el análisis los efectos de la historia de carga de la línea (prueba de presión del sistema, ciclos de paros-arranques, etc.). El efecto de la carga cíclica se debe evaluar en el análisis para considerar los posibles efectos de acumulación de deformación. 6.2.3. Proceso de análisis Se debe realizar un análisis de la respuesta del ducto ante las condiciones de operación teniendo en cuenta la inestabilidad, la modificación de la configuración por las imperfecciones y las deformaciones adicionales debidas Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 62 de 99 a los incrementos de la temperatura y la presión, para determinar si ante tales condiciones se presenta el pandeo vertical por levantamiento, así como el estado de esfuerzos y deformaciones correspondiente. El análisis debe partir del modelo del ducto asentado sobre el lecho marino conteniendo una imperfección geométrica inicial, adicionando el modelo de la cubierta de suelo forzando el ducto sobre la imperfección geométrica inicial, procediendo a aplicar las cargas de presión y temperatura, incrementando gradualmente la temperatura hasta que el ducto se mueva de manera ascendente en la región de la imperfección. El proceso de revisión de pandeo vertical por levantamiento del ducto mediante el análisis del modelo de EF, para las alturas de imperfección y los espesores de cubierta definidos por el método preliminar, se debe realizar de conformidad a lo establecido en las secciones 8.3.2. y 8.3.3. de la DNV-RP-F110:2007. Se pueden utilizar otras metodologías de revisión de pandeo vertical por levantamiento del ducto basadas en confiabilidad estructural, siempre que se demuestre que el nivel de seguridad que se obtenga por la metodología sea equivalente al especificado en la Tablas 15-17 de este documento técnico. 6.3. Etapa Definitiva Después de la construcción del ducto debe realizarse la revisión final de la seguridad del ducto ante la ocurrencia potencial de pandeo vertical, sobre la base del perfil y de las alturas de imperfecciones medidos en campo. 6.3.1. Perfil medido del ducto La medición de la configuración del ducto, la altura real de la cubierta de suelo, así como información adicional referente al perfil del terreno y la posible geometría de la zanja, es una parte importante del análisis de pandeo vertical por levantamiento de los ductos enterrados, pues a partir de ella se deben obtener las dimensiones de las imperfecciones reales que se presentan en la instalación del ducto. El levantamiento de la configuración del ducto tiene asociada una incertidumbre, la que debe ser estimada a partir de series de mediciones independientes mediante el cálculo de la desviación estándar de las mediciones. Puesto que usualmente no se cuenta con varias series de mediciones, se deben asumir los criterios basados en la experiencia y el juicio ingenieril presentados en DNV-RP-F110:2007, los cuales son: σconfiguracion = 0.05 – 0.15 m para el lomo superior de la tubería. σcubierta = 0.10 – 0.15 m para la altura de cubierta H. Los datos del levantamiento de la configuración se deben dar en forma de listados relacionados con el kilometraje del ducto. El espaciamiento promedio entre las mediciones debe ser del orden de dos diámetros, pero no mayor a 1 m. Se debe realizar el post-procesamiento de datos del levantamiento de la configuración para transformarlos en listas de datos, pero el contratista que realice el levantamiento no debe llevar a cabo el “suavizado” de los datos. El “suavizado” debe ser realizado por el diseñador y/o analista para garantizar un tratamiento coherente de los datos sin procesamiento. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 63 de 99 El “suavizado” de los datos debe realizarse conforme a lo que se describe a continuación. • • Se deben remover los datos individuales muy distintos al resto. Se debe aplicar una rigidez del suelo representativa al resto de los puntos del levantamiento. • Se debe considerar que una sección recta de tubería libre de esfuerzos en la condición de tendido o zanjada se deposita en los resortes de suelo sin aplicación de fricción axial. La rigidez vertical descendente se debe tomar como el valor más probable. Se permite el uso de métodos alternativos dependiendo de las capacidades del programa de EF para modelar el problema de contacto. • En esta configuración, los resortes de suelo que no están en contacto con la tubería se conectan en un estado de esfuerzo nulo para simular el suelo circundante al ducto. 6.3.2. Análisis OOS Este análisis verifica el diseño de la etapa previa a la instalación, analizando el ducto con base en los datos de cómo quedo instalado. Durante la etapa definitiva de diseño, se puede medir el efecto de configuración fuera-derectitud (OOS) y por lo tanto, se pueden conocer las imperfecciones. El proceso y los criterios de análisis para esta etapa, mediante el uso de modelo de elementos finitos, son los mismos que para la etapa previa a la instalación, los cuales son establecidos en los incisos 6.2.2 y 6.2.3 de este documento técnico. 7. CRITERIOS Y METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO POR PANDEO LATERAL (LB) 7.1. Generalidades El diseño por pandeo lateral (LB) se debe basar en la presión y temperatura máximas de operación; las cuales no serán excedidas durante la vida del ducto. El análisis debe tomar en cuenta el gradiente (cambio de temperatura a lo largo del ducto durante su puesta en marcha). El diseño por pandeo lateral (LB) se debe realizar siguiendo la metodología indicada en el diagrama de flujo presentado en la Figura 18, tanto para la etapa preliminar como para la etapa de ingeniería de detalle. La evaluación preliminar del pandeo lateral se debe llevar a cabo usando un modelo analítico, considerando que toda la tubería es recta. El modelo debe ser validado por medio de modelos de elemento finito que consideren la ruta de diseño, durante la etapa de ingeniería de detalle. Dentro del diseño se permite el desarrollo del pandeo lateral, pero de una manera controlada, por medio de la adición de activadores de pandeo en algunos puntos a lo largo de la ruta del ducto. Los activadores de pandeo se deben diseñar de forma que distribuyan la fuerza de compresión en varios puntos, logrando pandeos cuyos esfuerzos flexionantes y deformaciones satisfagan las revisiones de integridad establecidas en el inciso 8. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 64 de 99 Debe tomarse en cuenta que si un pandeo no se forma en una ubicación en donde se diseñó, otra ubicación puede alcanzar esfuerzos o deformaciones inadmisibles de acuerdo con las revisiones de integridad establecidas en el inciso 8. El diseño debe asegurar que: ο· ο· ο· Se mantenga la integridad del ducto en la configuración posterior al pandeo, al cumplir con las revisiones de estado límite marcadas en el punto 8. bajo el espaciamiento virtual de anclaje (VAS) máximo factible que se podría desarrollar en el ducto. La probabilidad de que el VAS máximo factible desarrollado en el ducto en operación exceda el valor usado en el diseño sea aceptablemente baja (10-4). El desplazamiento axial acumulado (walking) del ducto no comprometa la integridad del ducto. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 65 de 99 Selección de los Parámetros de diseño Paso 1 Modificación de los Parámetros de diseño ¿El ducto es Susceptible a Pandearse? Paso 2 No No se requiere Evaluación Sí Paso 3 Identificación del Espaciamiento virtual Tolerable (VAS) Paso 4 Definir la estrategia de Inicio del pandeo y Calcular la confiabilidad de la formación del Pandeo Paso 5 Sí ¿La confiabilidad de inicio es Aceptable? Modificar la estrategia De inicio de pandeo Sí No Quizá Identificar el VAS para una Confiabilidad aceptable Paso 6 Evaluar el Walking Del Ducto ¿Puede Mejorarse la Estrategia de Inicio? No No ¿El diseño tolera Incrementar el VAS? Sí Diseño completo Figura 18. Metodología para el diseño por pandeo lateral Debido a las incertidumbres grandes en la interacción ducto-suelo y la configuración fuera de rectitud (OOS) del ducto, se deben tomar en cuenta los siguientes aspectos: Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. ο· ο· PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 66 de 99 No es suficiente hacer el diseño de un ducto por pandeo lateral basándose en la peor combinación de resistencias laterales y axiales del suelo. Estos valores mínimos y máximos de la resistencia del suelo por lo general tienen una probabilidad de excedencia y por sí mismos no prueban una probabilidad de falla nominal, por lo que se debe realizar una evaluación de la probabilidad de falla de la solución dada. Una resistencia alta del suelo a los movimientos laterales es más efectiva para prevenir un pandeo lateral, pero si estos, se generarían esfuerzos flexionantes y deformaciones mayores en estos segmentos del ducto. La deformación calculada se debe multiplicar por un factor de concentración de deformación (SNCF) para considerar los efectos localizados de las deformaciones. El contratista debe determinar el valor de SNCF que se utilizará en el diseño del ducto, para ello puede utilizar el Método de Neuber. 7.2. Evaluación de la susceptibilidad de pandeo lateral Se debe evaluar la susceptibilidad al pandeo lateral comparando la fuerza efectiva de compresión contra la fuerza de pandeo crítica para el modo de pandeo infinito de Hobbs, de acuerdo a lo siguiente. La fuerza efectiva en cada punto a lo largo del ducto es: πππππ = πππ (πππ, ππππ) (89) Donde: π = So r= So pr= Fuerza efectiva de compresión, en N (lb) Fuerza impulsora cuando el ducto está totalmente restringido (ver inciso 2.4.1), en N (lb) Fuerza impulsora cuando el ducto está parcialmente restringido (ver inciso 2.4.2), en N (lb) No hay susceptibilidad de pandeo lateral cuando: (90) πππππ < π∞ Donde: S∞ =Fuerza de pandeo crítica para el modo de pandeo infinito de Hobbs, basada en la resistencia mínima ducto-suelo, “Lower Bound” (fLLB), la cual se obtiene con las formulaciones indicadas a continuación, en N (lb) (91) πΝ = 2.29 πΏ= ( ( ππΏ = πππ π ; Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. . ) (92) ) ( ) (93) Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 67 de 99 Donde: ππΏπΏπ΅= = π = F L= FD= Mínimo valor considerado de la resistencia lateral del suelo, en N/m (lb/pie) Valor esperado de la resistencia lateral del suelo, en N/m (lb/pie) Peso sumergido del ducto en condición de operación, en N/m (lb/pie) Fuerza hidrodinámica de levantamiento máxima por unidad de longitud, en N/m (lb/pie) Fuerza hidrodinámica de arrastre máxima por unidad de longitud, en N/m (lb/pie) Asimismo, se debe revisar que el radio mínimo del eje del ducto no sea menor a: (94) π = 2.41(π· − π‘) En la ausencia de información más precisa, el radio mínimo de curvatura de una tubería nominalmente recta se tomará de 1000 m. De acuerdo con el numeral 6.2.1. de esta especificación, se deben definir las dimensiones de las imperfecciones geométricas iniciales máximas aceptables en la instalación. La susceptibilidad al pandeo lateral también se tiene que verificar con respecto a dichas imperfecciones usando métodos numéricos de elemento finito o, en su defecto, métodos analíticos previamente validados. Algunos lineamientos generales para realizar un análisis se reportan en el numeral 6.2.3 y en el Apéndice A (sección A.3.3) de la DNV-RPF110:2007 7.2.1. Comparación del perfil de fuerza efectiva con la fuerza crítica de pandeo Se debe establecer el perfil de la fuerza efectiva de compresión en toda la longitud del ducto, considerando los perfiles de presión y temperatura y la restricción axial impuesta por el suelo. Se debe realizar la comparación del perfil de la fuerza efectiva de compresión con la fuerza crítica de pandeo correspondiente al modo 3, de acuerdo con la formulación de Hobbs (1984). En todos los tramos del ducto donde el valor de la primera sea mayor que el valor de la segunda, o que el valor de la fuerza crítica por imperfección, hay susceptibilidad de pandeo (ver Figura 19.). Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 68 de 99 Kilometraje del ducto Fuerza crítica de pandeo Zona susceptible de pandeo Figura 19. Zona susceptible de pandeo a lo largo del ducto 7.3. Determinación del VAS tolerable Se debe obtener el valor del espaciamiento entre anclajes virtuales (Virtual Anchor, Spacing, VAS) tolerable en la zona susceptible de ocurrencia de pandeo del ducto. Se deben analizar varios puntos en la longitud del ducto, considerando la presión y temperatura en los mismos. El VAS tolerable, corresponde al VAS máximo que satisface las revisiones por estado límite indicadas en el inciso 8.8 de esta especificación. Para el caso del diseño preliminar, solamente se puede considerar la revisión de pandeo local. Para calcular los elementos mecánicos correspondientes a un VAS propuesto, en el diseño preliminar se deben usar las fórmulas propuestas por Hobbs (1984), para el modo 3 de pandeo, considerando las variaciones de la presión y la temperatura a lo largo del ducto. π = π +πΎ π =π π π¦ π€πΏ 1+πΎ Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. ) (95) (96) π€πΏ =π ( πΏ (97) Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. π PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 69 de 99 (98) =π Donde: Momento máximo en el centro del pandeo, en N-m (lb-pie) Deflexión máxima en el centro del pandeo, en m (in) Fuerza de compresión residual en el centro del pandeo, en N (lb) 34.06 1.668x10-4 1.294 1.032x10-2 0.1434 ππππ₯= π¦πππ₯= π = k1= k2= k3= k4= k5= 7.3.1. Cargas de diseño 7.3.1.1. Carga de inicio El VAS tolerable se debe calcular para las siguientes condiciones: • • • Resistencia axial mínima. Resistencia lateral máxima. Resistencia máxima anticipada proporcionada por las curvas de expansión en los extremos. • Tensión de tendido residual mínima. El VAS tolerable se debe calcular basándose en la fricción axial no drenada para suelos cohesivos, y en la fricción axial drenada para suelos no cohesivos o friccionantes. Una resistencia axial baja permite mayor alimentación axial del ducto, la cual debe absorberse por el pandeo lateral, con lo que incrementa su magnitud. Por lo tanto, se debe usar la resistencia axial mínima en el análisis del VAS tolerable. Para el diseño conceptual, el análisis se debe basar en la resistencia residual axial y lateral. Para la ingeniería de detalle, el análisis empleará la curva de resistencia de la fuerza lateral no lineal. 7.3.1.2. Cargas cíclicas Para el cálculo de las cargas de fatiga, se debe emplear la presión y temperatura de operación normal del ducto. El rango de esfuerzos desarrollado depende de la fase entre la presurización y la carga térmica. El análisis debe considerar los ciclos de carga debidos a: Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. • • • • PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 70 de 99 Aumento de la presión Aumento de la temperatura Disminución de la presión Disminución de la temperatura Esta secuencia de cargas debe producir el rango de esfuerzos más amplio asociado con el cambio de las condiciones de operación. El VAS tolerable se debe calcular para las condiciones siguientes: • • • • Resistencia axial drenada media Resistencia lateral máxima Resistencia anticipada máxima proporcionada por las curvas de expansión en los extremos Tensión de tendido residual mínima Se debe usar la resistencia axial drenada para un comportamiento a largo plazo aplicable a una carga por fatiga sobre muchos ciclos. Los ciclos de presión y temperatura determinan el movimiento del ducto una vez que el pandeo lateral se ha formado. En el tiempo entre la primera carga y los ciclos subsecuentes se debe considerar que la presión de poro excedente generada durante la formación del pandeo lateral se habrá disipado llevando a una respuesta drenada del suelo. Para el diseño conceptual, el análisis se debe realizar con la resistencia residual axial y lateral. Para el diseño detallado, el análisis empleará la curva de resistencia de la fuerza lateral no lineal. 7.4. Determinación del VAS máximo factible El VAS máximo factible representa al pandeo más grande que es posible que se desarrolle en una ubicación del ducto, es decir, es el espaciamiento entre pandeos que resultaría si se formara un pandeo solo en el ducto, en la ubicación seleccionada. El VAS máximo factible se debe comparar con el VAS tolerable. Cuando el VAS tolerable es menor que el VAS máximo factible, se requieren medidas de mitigación. Se debe realizar la determinación de los VAS para el primer ciclo de inicio/paro de operación y de los ciclos posteriores cuando sea el caso de cargas cíclicas. 7.5. Propuesta de medidas de mitigación Se debe proponer la posición de los activadores de pandeo en la parte de la zona susceptible de pandeo que requiere medidas de mitigación de forma que se logre que el VAS máximo factible sea menor que el VAS tolerable (Ver Figuras 20 y 21). Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 71 de 99 Kilometraje del ducto Antes del pandeo Después del pandeo Fuerza crítica de pandeo Zona que requiere medidas de mitigación Zona susceptible de pandeo Figura 20. Propuesta de medidas de mitigación Figura 21. Ampliación de la zona con medidas de mitigación El propósito del diseño debe ser la formación de varios pandeos a intervalos regulares a lo largo del ducto, logrando deformaciones manejables dentro de cada pandeo. El proceso de diseño se debe enfocar en identificar el VAS máximo tolerable y en asegurar que los pandeos se formarán efectivamente para asegurar que este VAS no se excederá. Un requisito de diseño es establecer una estrategia de formación de pandeos conservadora. Conforme la distancia entre los sitios propuestos para el pandeo disminuye, la garantía de activación disminuye. Esto significa que el pandeo podría no ocurrir en algunos de los sitios propuestos. Si los sitios propuestos para iniciar un pandeo Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 72 de 99 están muy cercanos, algunos de ellos no desarrollarán pandeos y la distancia entre pandeos será mayor que la diseñada. En otras palabras, hay un límite en qué tanto se pueden garantizar los pandeos. En este paso se debe seleccionar la estrategia de activación de pandeo. Hay un número de métodos los cuales se han empleado o se han propuesto para iniciar el pandeo en un espaciamiento controlado. En el inciso 9 se presentan las opciones disponibles, entre las que se incluyen: • • • • Imperfecciones inherentes (y curvas en la ruta) Tendido en zig-zag Imperfección vertical (durmiente) Flotación distribuida La metodología de diseño adoptada para demostrar la eficiencia de la activación de pandeos debe considerar: • Seleccionar la ubicación del activador de pandeo con base en la probabilidad de que el pandeo se presente en el sitio seleccionado y no en otro sitio donde se encuentre una imperfección • Verificar que el activador de pandeo no induzca inestabilidad alguna en el movimiento del ducto. • Verificar que el pandeo inducido satisfaga las condiciones de estado límite. • Revisar la influencia de la batimetría • Verificar la interacción entre las zonas de alimentación de pandeos adyacentes • Combinar las evaluaciones en una estrategia robusta de diseño • Realizar un análisis de elemento finito confirmatorio 7.6. Evaluación probabilística 7.6.1. Generalidades El diseño de un ducto por pandeo lateral debe tomar en cuenta lo siguiente: • Verificar que las imperfecciones adyacentes pueden producir pandeo si la capacidad de la imperfección considerada fuera ligeramente mayor • En el modelado de la capacidad lateral ducto-suelo, considerar el efecto de que algunas partes que se mueven poco podrían tener una capacidad lateral mayor que las partes que se mueven más el efecto de alguna ondulación vertical en el fondo marino que active un pandeo vertical Se debe llevar a cabo el análisis de confiabilidad estructural del inicio del pandeo, por ejemplo, el desarrollado por Brown et al (2006) para el problema de formación de pandeos. En el análisis de confiabilidad, los parámetros con incertidumbre se deben modelar usando una función de distribución de probabilidad apropiada. La probabilidad del pandeo lateral se debe calcular como: (99) ππ = [π ≤ 0] Donde Z es la función de estado límite que describe la formación del pandeo. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 73 de 99 Para llevar a cabo la evaluación probabilística, se debe desarrollar una función de estado límite adecuada que describa la formación del pandeo del ducto, la cual varía dependiendo la estrategia de inicio de pandeo adecuada. En la evaluación de la confiabilidad de la formación de pandeos, se debe simular el proceso de expansión con el fin de identificar al menos: • • • La probabilidad general de pandeo lateral para el ducto La probabilidad de la formación de pandeos a lo largo de su longitud La distribución de VAS para cada pandeo Los resultados del análisis deben mostrar que la estrategia de activación propuesta es robusta. La estrategia debe asegurar que el espaciamiento entre pandeos es menor al espaciamiento crítico, tanto para los activadores como para pandeos inesperados. Se deben establecer las recomendaciones que permitan definir: • El número de activadores de pandeo capaces de producir el número requerido de pandeos para un nivel de confiabilidad aceptable • Las características de los activadores (por ejemplo, longitud y peso sumergido de los módulos de flotación, etc.) • Si la confiabilidad de la estrategia de activación es robusta a variaciones realistas de los datos de diseño El análisis de formación de pandeos debe incluir, al menos, los conceptos siguientes: • • • • • La ausencia de estrategia de activación La selección de las estrategias de activación La evaluación de la sensibilidad La respuesta en los cruces OOS vertical y lateral 7.6.2. Evaluación de sensibilidad Se debe realizar una evaluación de sensibilidad para asegurar que la estrategia de diseño sea robusta a la variación de los datos de diseño. Esta evaluación de la sensibilidad se debe llevar a cabo para establecer el efecto de los siguientes parámetros: • Gradiente térmico de inicio • Distribución de la fricción axial • Sensibilidad de los activadores de pandeo a la fuerza de pandeo crítica. Se debe notar que la fuerza de pandeo crítica está influenciada por variaciones en las características de los activadores (por ejemplo, longitud y peso sumergido de los módulos de flotación, altura del durmiente, radio de las curvas, etc) • OOS inherente, basado en la información obtenida de proyectos previos • Prueba hidrostática • Tensión de tendido Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 74 de 99 7.6.3. Probabilidad de pandeo desde un OOS vertical La configuración OOS vertical puede modificar el comportamiento del pandeo haciendo más probables los pandeos inesperados que lleven a la falla. Se debe verificar la probabilidad de que no haya pandeos inesperados. Ésta se debe calcular usando una metodología probabilística la cual considere la incertidumbre de los parámetros ducto-suelo, OOS y la formación de pandeos. Estos cálculos conjuntamente con el análisis VAS, serán suficientes para confirmar la robustez de la estrategia de diseño por pandeo lateral. Los modelos probabilísticos se deben basar en OOS laterales (obtenidos de la experiencia en proyectos anteriores) y las imperfecciones diseñadas. Se debe considerar la posibilidad de que la batimetría del fondo marino sea otra fuente de OOS es puesto que es posible que haya características importantes a lo largo de la ruta del ducto y éstos son sitios de inicio potenciales de pandeo. Si las cargas críticas de pandeo asociadas con el OOS son lo suficientemente bajas, entonces puede incorporarse en la estrategia de inicio de pandeo. Para evaluar la factibilidad de emplear la batimetría, pueden desarrollarse modelos de elemento finito basados en la batimetría real a lo largo de la ruta del ducto. Estos modelos deben identificar la carga de pandeo crítica asociada con la batimetría. 7.6.4. Desarrollo de la estrategia de diseño En este paso se debe evaluar la habilidad del proceso de formación para logar el número requerido de pandeos. La evaluación debe demostrar una alta probabilidad a que un número adecuado de pandeos se formarán en el ducto. Al seleccionar la estrategia de inicio de pandeo, se deben considerar los lugares donde el pandeo es inaceptable (por ejemplo, en los cruces). Adicionalmente, se debe considerar el potencial de formación de pandeos inesperados (en lugares donde no se diseñó), y la estrategia de formación de los pandeos será robusta. La probabilidad de que el VAS pueda exceder el VAS tolerable no deberá exceder el valor de 10 . El diseño conceptual debe evaluar la factibilidad de cada técnica de inicio de pandeo en función de identificar la solución de diseño óptima. La evaluación de diseño detallado se debe basar en la técnica óptima identificada. 7.7. Modelado por elemento finito (FE) del pandeo lateral Para la evaluación por pandeo lateral, se debe usar un programa basado en el método por elemento finito (FE), que permita el comportamiento no lineal de los materiales y del fenómeno. Los ductos se modelarán usando elementos tubo. El modelo de elemento finito debe incorporar los esfuerzos asociados con la condición “como se tendió”, como son aquellos asociados con las curvas en la ruta o cambios de dirección verticales (OOS). Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 75 de 99 El análisis se debe efectuar tanto para las cargas iniciales como para las cargas cíclicas subsecuentes. Se deben modelar al menos tres ciclos completos de inicio/paro. El diseño debe emplear dos tipos de modelo de elemento finito: Modelos con VAS y modelos de longitud total. 7.7.1. Modelos con VAS Se deben usar los modelos VAS para identificar el VAS tolerable. Estos modelos representan una longitud corta del ducto (generalmente de 2 a 4 Km) entre anclajes virtuales; los extremos de los modelos deben estar totalmente restringidos para representar los anclajes virtuales. Los modelos para evaluar el inicio de pandeo proporcionado por la falta de rectitud (OOS), tendido en zigzag, o flotación, no deben incorporar la batimetría del fondo marino. La longitud máxima del elemento en la cercanía del pandeo estará limitada a un diámetro de la tubería, y a un medio del diámetro donde ocurra la deformación plástica máxima (corona del pandeo). En los puntos de pandeo, los elementos emplearán al menos 20 puntos de integración alrededor de la circunferencia. Lejos de estos puntos, se emplearán al menos 8 puntos de integración alrededor de la circunferencia. 7.7.2. Modelos de longitud total Se deben usar modelos de longitud total para evaluar el walking del ducto y para realizar análisis finales para confirmar la aceptación del diseño. Estos modelos deben representar el ducto desde su inicio a su fin. Los extremos de la tubería se expandirán libremente, sujetos a una resistencia incrementada en los extremos basada en su peso y la resistencia a la ducto-suelo de las estructuras. Si la longitud de los modelos es grande, la discretización de elementos debe ser más burda que los empleados en los modelos VAS. Se debe seleccionar el tamaño final del elemento una vez que el modelado inicial ha mostrado su estabilidad y no hay problemas en los tiempos de ejecución. Los modelos incorporarán la batimetría definida a lo largo de la ruta del ducto. 7.7.3. Modelado del material El diseño por pandeo lateral debe admitir deformaciones más allá del límite elástico, por lo que se debe emplear un modelo preciso del comportamiento esfuerzo-deformación del material. 7.7.3.1. Comportamiento esfuerzo-deformación Para el cálculo de las deformaciones aplicadas en el estado límite basado en deformaciones, el acero de la tubería deberá modelarse con una meseta en el dominio de los esfuerzos reales (en la respuesta esfuerzo de formación) hasta del 2% de la deformación unitaria total. Para cargas cíclicas, el modelo de plasticidad debe ser capaz de representar el efecto Baushinger. Para modelar este fenómeno, se debe usar un modelo de endurecimiento cinemático (o combinación isotrópico/cinemático). El diseño debe asegurar que el rango de esfuerzos no cumple la consideración de elasticidad cíclica al aplicar las verificaciones a la limitación de plasticidad, indicadas en el inciso 8 de este documento técnico. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 76 de 99 7.7.3.2. Dependencia de la temperatura Se deben tomar en cuenta las reducciones con la temperatura en el SMYS, el SMTS, y el módulo de elasticidad de acuerdo con el inciso 2.1 de este documento técnico. 7.7.4. Influencia del OOS vertical En los análisis de elemento finito de pandeo lateral que tengan como medida de mitigación un peso reducido o una imperfección vertical, se requiere de una consideración especial para la implementación de la interacción suelo-ducto que cuantifique las descargas mayores en los extremos del claro libre (como pasa con los durmientes). Se requiere de un método que proporcione un incremento en la resistencia lateral en los extremos de los claros libres. Esto se debe realizar mediante el uso de un coeficiente de fricción lateral, el cual será multiplicado por la carga de contacto tubo/suelo que deriva en una resistencia lateral. Adicionalmente, si se emplean elementos de flotación en el diseño, se debe hacer un cálculo separado de la interacción tuberíasuelo en los tramos de la tubería ligera. 7.7.5. Requisitos del análisis Al identificar las deformaciones pico dentro del pandeo, el análisis deberá emplear la respuesta axial mínima de la interacción tubo-suelo en conjunto con la respuesta lateral máxima. 7.7.6. Concentración de deformaciones Las deformaciones pico desarrolladas en un pandeo lateral están sujetas a una amplificación local como un resultado de los cambios de rigidez. Algunos temas clave son los desajustes de rigidez en las soldaduras, y los arriostradores de pandeo. El efecto de estos desajustes de rigidez se debe incorporar en el proceso de diseño. 7.7.6.1. Desajustes de la resistencia en las soldaduras En el análisis de VAS se debe evaluar la variación en las propiedades de la tubería en las partes más débiles del ducto como son las discontinuidades de rigidez que ocurren en las soldaduras. Se deben analizar los siguientes casos: • Análisis base con las dimensiones nominales de la tubería y las resistencias mínimas especificadas (con la disminución por la temperatura). • Como el anterior, pero incorporando una sección fuerte-débil debido a las variaciones en el espesor y material de la tubería. La sección débil incorporada en el modelo debe representar la discontinuidad más severa que puede razonablemente esperarse que ocurra en la corona del pandeo. Se debe hacer una evaluación para identificar el nivel adecuado de discontinuidad en la resistencia. Esto se debe basar en las propiedades estadísticas de la tubería (por ejemplo, distribuciones del espesor de pared, resistencia a la fluencia y excentricidad) en lugar de los valores extremos de las propiedades de la tubería. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 77 de 99 La sección débil se debe modelar con un espesor de pared nominal y un SMYS disminuido por la temperatura de acuerdo a lo establecido en el inciso 2.1 de esta especificación. Se debe considerar la localización de la sección débil relacionada con la corona de pandeo para identificar la situación más crítica. Por ejemplo, la soldadura circunferencial entre la sección débil y la sección nominal puede estar en la corona, o el centro de la sección débil puede estar en la corona. Se debe identificar y evaluar el peor caso. 7.7.6.2. Arriostradores de pandeo Esta sección es aplicable solamente para ductos que serán instalados con arriostradores de pandeo por colapso por presión externa. Si no se adopta una estrategia de inicio de pandeo, podría ocurrir un pandeo inesperado en cualquier lugar. Por lo tanto, es posible que un arriostrador de pandeo quede en la corona de un pandeo lateral. El cambio de sección transversal asociado con el supresor de pandeo podría amplificar las deformaciones y esfuerzos en la tubería, por ello se deben identificar y evaluar las cargas desarrolladas en la cercanía de los arriostradores de pandeo localizados en la corona del pandeo. Esto debe incluir los pasos siguientes: • • • • Desarrollar un modelo de elemento finito del supresor de pandeo Calcular la respuesta flexionante del supresor de pandeo y de la tubería adyacente bajo las cargas máximas (presión y fuerza axial) desarrolladas en la corona del pandeo lateral. Identificar la capacidad de deformación del supresor de pandeo Identificar factores de concentración de deformaciones adecuados (SNCF) como una función de la deformación nominal impuesta. Los SNCF calculados en el análisis se deben aplicar a las deformaciones calculadas en el análisis de pandeo lateral y ser comparados con la capacidad de deformación para confirmar la integridad del arriostrador de pandeo. Donde sea posible, no se deben instalar activadores de pandeo en puntos donde se encuentren arriostradores de pandeo. 7.8. Walking del ducto 7.8.1. Generalidades El walking del ducto es un fenómeno en el que los ciclos de inicio/paro causan un desplazamiento axial que se va acumulando, y puede llevar a la sobrecarga de las curvas de expansión en los extremos, y de los pandeos intermedios. El fenómeno afecta principalmente a los ductos cortos con alta temperatura que tienen extremos libres y están sujetos a cargas cíclicas, aunque también tiene que ver la pendiente del fondo marino. Los pandeos laterales esencialmente dividen al ducto en un conjunto de ductos cortos, por lo que el mecanismo es relevante para cualquier ducto que adopta una solución por pandeo lateral. La susceptibilidad del ducto al walking está gobernada por la longitud de la tubería (o la longitud entre pandeos); la fricción axial, la temperatura máxima en su extremo más caliente; la forma como va aumentando la temperatura cuando se pone en operación; y la pendiente del fondo marino a lo largo de la trayectoria del ducto. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 78 de 99 El dato de entrada primordial en el análisis de walking son los perfiles temporales de temperatura a lo largo del ducto durante el inicio de operación. Se debe llevar a cabo un análisis térmico durante el inicio de operaciones con el fin de desarrollar los perfiles requeridos para el análisis del walking. El walking del ducto se debe evaluar usando una metodología consistente y probada como la desarrollada por SAFEBUCK, que se establece en el OTC 17945. 7.8.2. Evaluación analítica del walking del ducto Antes de realizar cálculos y modelos más detallados se debe realizar una evaluación inicial del walking del ducto debido al cambio térmico y las pendientes en el fondo marino, que proporcione una indicación inicial de la severidad del reto de diseño del walking. La respuesta al walking de un ducto pandeado lateralmente puede ser considerablemente diferente de la de un ducto no pandeado. Por lo tanto, la evaluación del walking del ducto se debe basar en dos escenarios: • • La respuesta al walking considerando una configuración recta La respuesta al walking entre pandeos Para cada escenario se debe evaluar la sensibilidad a la fricción axial y el cambio de temperatura. El número de ciclos considerados en la evaluación por walking debe tomar en cuenta la variación de las condiciones de operación con el tiempo. Se debe llevar a cabo un análisis de sensibilidad para cuantificar el efecto de los parámetros clave en el walking del ducto: • Resistencia axial tubería-suelo (cubriendo el rango de la respuesta axial drenada) • Cambio térmico (cubriendo el rango de un cambio lento a brusco) • Pendiente del fondo marino (Cubriendo el rango desde plano hasta la pendiente más pronunciada en cualquier sección de 2 Km) • Ciclo de paro de operación (cubriendo paros parciales y totales) Los resultados del estudio de sensibilidad se deben usar para cuantificar la severidad del problema de walking y definir los casos que se deben analizar usando elemento finito. 7.8.3. Modelo por elemento finito del walking de la tubería Una vez que se ha establecido la filosofía de diseño por pandeo lateral y se estima la severidad del walking en el ducto, se debe emplear un modelo de elemento finito para confirmar el comportamiento al walking. El modelo debe incorporar lo siguiente: • La longitud total del ducto a modelarse • El modelo deberá incorporar la respuesta al pandeo lateral que se requiere por la estrategia de diseño • El modelo incorporará la batimetría del fondo marino • El número de pasos de tiempo empleados para representar el proceso de inicio de operación será suficiente para capturar la respuesta del walking Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 79 de 99 • El análisis continuará hasta que la magnitud del desplazamiento axial en cada ciclo de inicio/paro haya alcanzado un estado permanente, generalmente éste se logra en al menos 10 ciclos. • • Debe lograrse la estabilidad de las curvas del ducto durante la respuesta del walking. 7.8.4. Evaluación de resultados Se debe evaluar el incremento del desplazamiento axial en el ciclo de inicio de operación. El desplazamiento axial total más probable en la vida del ducto se debe calcular en base a los desplazamientos y las cargas cíclicas de diseño. El diseño es aceptable si el desplazamiento axial total más probable en la vida del ducto es menor a la capacidad de expansión del ducto y a la verificación de todos los estados límite dentro de cualquier pandeo lateral que pudiera presentarse. Si los conectores en los extremos o los pandeos laterales no pueden tolerar el desplazamiento axial total desarrollado en la vida del ducto, se deben diseñar medidas de mitigación para controlar el walking. 8. REVISIÓN DE LA INTEGRIDAD DEL DUCTO El pandeo global no es un modo de falla en sí mismo, pero puede causar falla por alguno de los siguientes estados límite: ο· Pandeo local por presión interna y externa (criterio de deformación) ο· Carga axial última ο· Deformación plástica última acumulada (Ratcheting) ο· Fatiga (raíz y casquillo de la soldadura) ο· Fractura (inicio y final de la vida de diseño) 8.1. Pandeo local La verificación de la integridad del ducto por pandeo local es aceptable si se satisfacen las siguientes revisiones: ο· Revisión del momento combinado para la curva esfuerzo-deformación basada en el SMYS y el SMTS, los valores promedio de la resistencia ducto-suelo, cargas de arrastre promedio (si son relevantes) y un gc determinado. ο· Criterio de deformaciones para el peor caso (en el análisis de sensibilidad para la determinación de gc. Lo anterior implica que: ππΉ = (π , π , π , πΉ )πΎπΉπΎπΆ ≤ (100) πΈ πππΆπΉ ≤ ∈ (101) (Para todos los análisis de sensibilidad) Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 80 de 99 El pandeo local por cargas combinadas es la revisión más importante. Se debe hacer un análisis de sensibilidad modificando los parámetros básicos para determinar las posibles respuestas en términos de momentos y deformaciones. El propósito de los análisis requeridos para la condición de pandeo es determinar un gc mayor que 0.80. El pandeo local debe revisarse conforme a lo establecido en D608 de la Sección 5 del DNV-OS-F101:2013, correspondiente a la condición de desplazamiento controlado para una tubería sujeta a deformación longitudinal de compresión debida a momento flexionante y fuerza axial efectiva, combinada con sobrepresión interna, en la que debe cumplirse lo siguiente: (102) πππ ≤ ππ π π = Siendo π‘2 = π‘ − π‘π; π (103) , ππππ π·π/π‘ ≤ 45π ≥ π (104) π‘1 = π‘ − π‘πππ − π‘π = Deformación calculada para el caso de carga correspondiente π = 0.78 − 0.01 1 + 5.75 π (π‘) = π π·π − . 2 3 πππ = min(ππ¦´ πΌ = π π . (105) (106) ππ’ 1.15 (107) ) = 0.93 (108) πΌ π = 1 π π =1− Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. (109) ≤ 20 π π 20 < ≤ 60 (110) Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 81 de 99 Donde: π = Deformación unitaria longitudinal de compresión de diseño π = Deformación unitaria longitudinal resistente de diseño πΎ= Factor de resistencia de la deformación, de acuerdo a Tabla 13 π = Capacidad de deformación longitudinal de compresión π = Presión interna mínima que puede ser sostenida de manera continua con la deformación asociada, en N/mm2 (psi) π = Presión externa, en N/mm2 (psi) π= Resistencia a la contención de presión, en N/mm2 (psi) πΌ = Endurecimiento por deformación= 0.93 πΌ = Factor de soldadura circunferencial (resistencia a la deformación fy, fu= Valores característicos de resistencia del material t= Espesor de pared nominal de la tubería, en mm (in) Do= Diámetro externo de la tubería, en mm (in) tc = Tolerancia a la corrosión, en mm (in) El pandeo local para ductos que se instalan superficialmente debe revisarse conforme a lo establecido en D605 de la Sección 5 del DNV-OS-F101:2013, correspondiente a la condición de carga controlada para una tubería sujeta a deformación longitudinal de compresión debida a momento flexionante y fuerza axial efectiva, combinada con sobrepresión interna, en la que debe cumplirse lo siguiente: πΎ πΎ |π | πΎ πΎ π + πΌ π (π‘ ) πΌ π (π‘ ) + πΌ π π πΌ π (π‘ ) ≤1 (111) La cual aplica para 15 ≤ π·/π‘2, ππ > ππ, |πππ|/ππ < 0.4 Siendo: (π‘) = (π·π − π‘)π‘ (112) (π‘) = (π· − π‘)2π‘ (113) πΌ = (1 − π½) + π½ (114) πΌπ = 1 − π½ ππππ πΌπ = 1 − 3π½ 1 − π½ = (115) < ππππ / Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. ≥ (116) (117) Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 82 de 99 Donde: MSd = SSd = Pi = Pe = Pb = Sp y Mp = ϒm = ϒSC = αc = αp = f y , fu = t= Do = tcor = Momento de diseño, en N-m (lb-in). Fuerza axial efectiva de diseño, en N (lb) Presión interna, en N/mm2 (psi). Presión externa, en N/mm 2 (psi). Resistencia a la contención de presión, en N/mm2 (psi). Capacidades plásticas de la tubería definidas por ecs 112 y 113 Factor de resistencia del material, de acuerdo a Tabla 18. Factor de resistencia para la CSS, de acuerdo a Tabla 18. Parámetro del flujo de esfuerzos. Parámetro para considerar el efecto de la relación D/t2. Valores característicos de resistencia del material. Espesor de pared nominal de la tubería, en mm (in). Diámetro nominal de la tubería, en mm (in). Tolerancia a la corrosión, en mm (in). Tabla 18. Factores de resistencia ZONA NIVEL DE PRODUCCIÓN (MBCPED) NRF-013-PEMEX-2009 CSS ϒε ϒm ϒSC 1.15 1.14 Ductos que transportan gases inflamables y/o tóxicos. A 0 - 300 ALTA 2.5 Ductos que transportan líquidos inflamables y/o tóxicos 0 - 100 MODERADA 2.5 1.15 1.14 101 - 1000 MUY ALTA 3.3 1.15 1.26 A 8.2. Carga axial ultima El estado límite de compresión axial se debe revisar conforme al criterio establecido en 10.3.1 de la DNVRPF110:2007, según el cual se debe cumplir que: π ≤ (118) Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 83 de 99 8.3. Deformación plástica ultima acumulada (Ratcheting) Se puede producir una deformación plástica acumulada de la sección transversal de un ducto (ratcheting) debida a las cargas cíclicas donde se excede el límite elástico del acero de la tubería. La acumulación de la deformación plástica ocurre durante las etapas iniciales de las cargas cíclicas y se estabiliza antes del final de las series de ciclos de carga. Para su análisis, se debe adoptar un modelo de plasticidad o endurecimiento cinemático para el acero. Hay dos tipos de ratcheting: • El que produce deformaciones circunferenciales (expansión del diámetro del ducto), donde el límite de la deformación circunferencial acumulada es de 0.5%. • El debido a la flexión cíclica y la presión externa, que produce cambios en la ovalidad del ducto. La ovalidad no debe ser mayor al 3%. 8.4. Fatiga La vida por fatiga de las soldaduras de la tubería se revisará de acuerdo con el DNV-OS-F101 y la práctica recomendada DNV-RP-C203. Las soldaduras se considerarán en la corona del pandeo lateral. Si durante la vida útil se imponen al ducto variaciones de esfuerzo cuya magnitud y número de ciclos sean suficientes para causar fatiga, se debe realizar un análisis que considere los efectos de fatiga. Para ello, puede utilizarse la hipótesis de daño lineal o Regla de Miner, Se debe realizar un análisis por fatiga en la línea regular y el ducto ascendente, dependiendo de la longitud de los claros libres que se encuentren sometidos a cargas cíclicas producto de vibraciones por vorticidad, cargas hidrodinámicas, variación cíclica de presión y temperatura, entre otros. En el caso general donde se presenta variación de esfuerzos debido a la fluctuación de la amplitud de cargas cíclicas, se puede utilizar la hipótesis de daño lineal o Regla de Miner, la cual incluye un histograma de esfuerzos en función de las amplitudes de carga. La vida de diseño por fatiga calculada con este método, debe ser como mínimo 10 veces la vida útil. El criterio de fatiga entonces se expresa como: π· =∑ (119) ≤ 0.10 Dónde: π· = Daño acumulado por fatiga ππ = Número de ciclos sostenidos en la i ésima amplitud de esfuerzo ππ = Número de ciclos a la falla en la i ésima amplitud de esfuerzo i = Número de amplitud de esfuerzo i = 1,…s La revisión del estado límite por fatiga de la tubería estará basada en la frecuencia del ciclo paro/inicio de operaciones, aunque también se deben considerar las pequeñas fluctuaciones en las condiciones de operación (diaria, semanal, mensual). Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 84 de 99 8.5. Fractura Los tamaños de defectos aceptables deben definirse para todas las soldaduras estructurales del sistema de ductos. Para definir estos defectos, se deberá realizar un ECA (Engineeering Criticallity Assessment), usando el BS-7910. 8.6. Limitaciones plásticas Las deformaciones impuestas no deberían acercarse a la capacidad de deformación uniforme del material. La deformación equivalente nominal máxima en el pandeo no deberá exceder de la siguiente limitación: (120) π ≤ 0.3(0.97 − πΌβ) Donde: αh= Endurecimiento por deformación = 0.93. La revisión estará basada en la deformación nominal desarrollada en el pandeo; no se deberá considerar ningún Factor de Concentración de Deformaciones (SNCF). 9. OPCIONES DE DISEÑO POR PANDEO GLOBAL DE UN DUCTO Habiéndose establecido que un ducto es susceptible a sufrir pandeo global durante su vida útil, se deben considerar las medidas que se pueden tomar para mitigar el problema de inestabilidad y evitar la ocurrencia de esfuerzos y deformaciones que comprometan la integridad del ducto. La selección de la opción de diseño se debe realizar considerando: la configuración adquirida por el ducto en el fondo marino, la capacidad de flexión de la sección de tubería, la interacción tubo-suelo, las condiciones de riesgo ante cargas ambientales y accidentales, las condiciones geográficas, limitaciones del barco de instalación, las cargas ambientales durante la instalación, los programas de construcción, costos asociados, entre otros. Las medidas mitigantes correspondientes a las opciones de diseño por pandeo global principales se agrupan de la forma siguiente: • • • • Opciones Opciones Opciones Opciones basadas en la reducción de la fuerza de compresión enfocadas a proporcionar la resistencia necesaria al levantamiento enfocadas a promover el pandeo lateral controlado alternativas El uso de las opciones alternativas está limitado a diseños con características especiales y que se rigen con la normatividad propia correspondiente. A continuación, en las Tablas 19, 20, 21 y 22, se presentan las descripciones generales, aspectos clave e implicaciones de las opciones principales para diseño por pandeo global, a fin de que el diseñador las tenga en consideración para la solución que proponga buscando la más efectiva y confiable, de acuerdo con las condiciones y restricciones existentes para la situación en particular de que se trate. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 85 de 99 Tabla 19. Opciones de diseño basadas en la reducción de la fuerza de compresión Concepto Descripción Aspectos clave e implicaciones Cambio en los parámetros de operación del ducto Consiste en plantear reducir la presión de operación y la temperatura a fin de reducir la fuerza axial de compresión a niveles que no generen pandeo. Las condiciones de operación están ligadas al proceso y a la filosofía de operación, por lo que se depende de las posibilidades de modificación de los mismos. Considera el efecto de reducción en la magnitud de la fuerza impulsora al reducir el espesor de pared al mínimo posible debido a la relación de proporcionalidad entre ellos. El espesor de pared debe tener la resistencia para todas las solicitaciones, de acuerdo con los requisitos técnicos que se deben cumplir para la contratación de los servicios de ingeniería de diseño de ductos submarinos, localizados en el Golfo de México. Esto se pretende mediante la consideración de: a) Incrementar el grado de acero de la tubería. Cambio de las b) Incrementar el diámetro de la tubería. características c) Adoptar un diseño basado en deformación físicas del permisible. ducto La restricción en el grado del acero establecido en los requisitos técnicos que se deben cumplir para la contratación de los servicios de ingeniería de diseño de ductos submarinos, localizados en el Golfo de México. El diámetro está definido por requerimientos de flujo. Las deformaciones deben ser determinadas con el uso de modelos numéricos como el EF. Colocación de curvas de expansión (omegas) intermedias Es necesario calcular los movimientos para asegurar que no ocurrirá una flexión o torsión excesiva. Mediante la colocación de curvas de expansión (omegas) intermedias, se pretende la reducción de la magnitud de la fuerza de compresión al permitir que ocurran movimientos de expansión Se debe analizar el efecto de la variación de las propiedades del suelo marino. Considerar los posibles ciclos de carga, por variaciones en las condiciones de operación o paros y arranques. Selección de la ruta de la línea submarina sobre un perfil regular Consiste en buscar homogeneizar el perfil del ducto durante el zanjado con la finalidad de eliminar imperfecciones en la superficie donde se tenderá la tubería. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Es necesario considerar la factibilidad en función de las limitaciones de los equipos de zanjado para lograr el perfil con imperfecciones mínimas y las características de los suelos que predominan en la zona. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 86 de 99 Tabla 20. Opciones de diseño enfocadas a proporcionar la resistencia necesaria al levantamiento Concepto Descripción Aspectos clave e implicaciones Se debe considerar: Consiste en el zanjado y posterior enterrado del ducto Zanjado y para restringir el movimiento vertical del mismo. Se enterramiento debe proveer de un relleno con material producto de la del ducto excavación de la zanja. Si las profundidades de zanjado y enterrado requeridas son factibles. La incertidumbre en la consolidación natural del relleno sobre todo en suelos arcillosos, los cuales requieren de un periodo de consolidación considerable (6 a 16 meses) para proporcionar una resistencia efectiva al levantamiento. Se requiere considerar: Colocación de peso adicional (roca, matrices de concreto) Consiste en proveer el peso adicional mediante algún relleno o material de aporte que proporcione la fuerza descendente necesaria para asegurar que el ducto se va a mantener en su posición en el fondo marino, previniendo la ocurrencia del pandeo vertical. El peso adicional puede ser a través de grava, roca, matrices de concreto, u otros. Incremento del peso sumergido de la tubería Consiste en asegurar la resistencia al levantamiento con el peso propio de la tubería, haciéndola más pesada, lo cual se puede lograr aumentando el espesor de la tubería o el espesor y densidad del lastre de concreto Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. La disponibilidad de roca o grava debidamente graduada o matrices de concreto en grandes cantidades y los costos asociados La erosión del lecho marino, la penetración del material en el mismo, los asentamientos de acuerdo con el tipo y propiedades de suelo en que se instalará el ducto. Que la roca debe tener peso sumergido y ángulo de fricción alto (35-40° y 9 KN/m3) y se debe colocar con taludes de 1:3 (vertical: horizontal). Es una opción que generalmente requiere de la complementación de otra alternativa, pues no se logra proporcionar la resistencia requerida con aumentos factibles Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 87 de 99 Tabla 21a. Opciones enfocadas a promover el pandeo lateral controlado Concepto Descripción Aspectos Clave e implicaciones Representa una opción relativamente simple y de bajo costo en ductos con longitud considerable en lecho marino regular en profundidades someras y medias. El radio en la corona es el parámetro clave para detonar el pandeo, mientras que el offset es el que menos efecto tiene en la carga crítica de pandeo, misma que se reduce al disminuir el radio, que a su vez depende de la fricción lateral y de la tensión durante el tendido. Tendido en configuración serpenteada (snaking) Consiste en realizar el tendido superficial de la tubería en un patrón de serpenteo regular, de tal forma que las curvas de radio específico sean los sitios de ocurrencia del pandeo de forma que se redistribuya la longitud extra generada por la expansión (Ver Figura 22). Tiene retos considerables asociados que dificultan la predicción confiable del pandeo en cada sitio propuesto, siendo las razones principales: • La incertidumbre en la reacción del suelo • La variación de las resistencias axial y lateral del suelo (debidas al embebido inicial). • La imperfección (out-of-straightness) inherente • La dependencia en parámetros de instalación (tensión disponible y dimensiones del pontón) Es una opción poco viable y confiable en suelos con resistencia lateral alta debido al embebido inicial, como es el caso de los suelos muy blandos. los aspectos clave son: Se basa en la creación de imperfecciones verticales, en ubicaciones específicas a lo largo de la trayectoria del ducto, causando menor resistencia lateral, para que éste se mueva aliviando la carga efectiva de compresión. (Ver Figura 23). Consiste usualmente en tuberías de diámetros grandes, que se colocan previamente al tendido de la tubería, levantándola del lecho marino de forma que: Durmientes o sleepers ο· ο· ο· ο· ο· Se genera una imperfección en donde se inicia el pandeo a cierto nivel de fuerza efectiva de compresión Se reduce la restricción lateral y las incertidumbres asociadas. Se disminuye el nivel de carga crítica requerida para el pandeo Se crea un pandeo más suave con niveles de deformación menores en la cúspide Se lograr una capacidad más alta de avance axial entre pandeos, incrementando la separación y disminuyendo así la cantidad requerida. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. ο· Definir la altura adecuada para producir la carga crítica de pandeo mínima para asegurar que el pandeo se inicie en los durmientes y no en imperfecciones naturales del tendido. ο· Considerar los asentamientos del durmiente (de 0.2 a 0.3 m). ο· Considerar las tolerancias de tendido en la longitud del durmiente (40 m). ο· Tener en cuenta que la carga crítica de pandeo disminuye al incrementar la altura del durmiente. Se requiere considerar: ο· Que son de construcción simple, instalación fácil y costos de fabricación bajos. ο· Crean claros libres a cada lado que pueden ser susceptibles a VIV ο· Pueden ser un peligro en áreas con actividad pesquera ο· Su susceptibilidad a efectos dinámicos por flujo tipo slug en flujos a varias fases. ο· Que puede requerir alturas considerables, especialmente en ductos de diámetro grande. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 88 de 99 Los aspectos relacionados con la precisión en construcción y para minimizar el embebido del durmiente. Tabla 21b. Opciones enfocadas a promover el pandeo lateral controlado (continuación) Concepto Descripción Aspectos Clave e implicaciones Se basa en incrementar la flotación de ciertas ubicaciones específicas a lo largo de la trayectoria del ducto, disminuyendo la resistencia lateral del suelo generando un mecanismo activador de pandeo y de alivio de los esfuerzos. Colocación de secciones con flotación distribuida ZeroRadiusBend (ZBR) La fuerza de flotación por unidad de longitud se logra mediante un incremento en el espesor del aislante o mediante la sujeción de módulos de flotación en una longitud determinada para generar una flotabilidad mayor a la de la operación normal. (Ver Figura 24) de forma que: • Disminuye aún más el nivel de carga crítica requerida para el pandeo al tener un diámetro externo mayor. • Crea pandeos más suaves con niveles de deformación menores, incrementando la separación. • Permite un control mejor del avance axial (feed-in) entre pandeos Los aspectos clave son: • El hecho de que más que la longitud con flotación, es la cantidad de flotación la que influye en el valor de la carga crítica. • Tener en cuenta que la carga crítica de pandeo disminuye al incrementar la capacidad de flotación. Se requiere considerar: • La disponibilidad comercial de las cantidades de los módulos de flotación que pueden ser requeridos. • Los tiempos de entrega de los módulos de flotación. • Que sean de diámetro adecuado para que se puedan pasar por el pontón o algún método alternativo de instalación. Combina el uso de un durmiente incorporando el jalado Se requiere considerar que: lateral sobre un tope vertical (ver Figura 25), de forma que: ο· Es una solución que se ha utilizado en suelos arcillosos blandos. ο· Se crea una curva dentro del claro creado por el durmiente. ο· Se ha usado en proyectos en aguas someras en el rango de 50-100m. ο· El radio de la curva es controlado por la rigidez a flexión de la tubería y es considerablemente ο· Se ha usado el método de tendido en “S”. menor que el generado en un tendido en serpenteo normal. ο· La carga crítica se reduce considerablemente. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. Combinación de la configuración en serpenteo con flotación distribuida PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 89 de 99 Consiste en la colocación de una sección corta de Se requieren considerar las implicaciones flotación en la cresta de la configuración serpenteada de correspondientes de la configuración y de las secciones forma que: con flotación distribuida. ο· Se disminuye la carga crítica de pandeo en 40% respecto a la sin flotación. ο· Es posible incrementar ligeramente el radio del serpenteo. ο· La carga crítica resulta menor que la de la opción de flotació Figura 22. Tendido en Configuración Serpenteada Figura 23. Colocación de durmientes (sleepers) Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 90 de 99 Figura 24. Colocación secciones con flotación distribuida Figura 25. Método Zero-Radius-Bend (ZBR) Módulo de flotación Eje central de tendid o Ducto Planta Figura 26. Configuración en serpenteo con flotación distribuida Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 91 de 99 Tabla 23. Opciones alternativas Concepto Descripción Aspectos Clave e implicaciones Se requiere considerar todos los aspectos e implicaciones como en cualquier aplicación que la involucre, especialmente las relativas a: Uso de tubería flexible Es una aplicación específica de tuberías consistente combinaciones de capas metálicas y capas poliméricas con funciones específicas, con propiedades de rigidez axial alta y una baja rigidez a la flexión. Este sistema equivalente, consiste en una tubería conductora que se localiza dentro de una tubería externa. Se identifican los sistemas compatibles (compliant) y no compatibles (no compliant), existiendo Sistema en las primeras conexiones entre la tubería interna y la equivalente pipeconductora, permitiendo transferencia de momento por in-pipe (tubo-en flexión entre las mismas. tubo) La fuerza resultante a través del sistema es de tipo compresiva, pero el pandeo generalmente no ocurre debido a la alta rigidez a flexión provista por la tubería externa. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. • Los radios mínimos de flexión (MBR). • La posibilidad de inestabilidad de las armaduras de tensión ante las cargas de compresión • Las restricciones de temperatura de los materiales poliméricos (hasta 130°C) • Las limitaciones para el transporte de fluidos amargos (capa anti-H2S, hasta 2,500 ppm) • Son considerablemente menos sensitivas a las cargas de compresión por temperatura (3 veces), aunque son ligeramente más sensitivas a las fuerzas causadas por la presión interna. • Su resistencia intrínseca al pandeo es menor que la de la tubería rígida, sin embargo las amplitudes asociadas son considerablemente menores. • Que debido a su naturaleza flexible, pueden trabajar en condiciones post pandeo. • Se rigen por normatividad específica Se requiere considerar que: ο· Son sistemas ampliamente usados como una forma económica para resolver problemas de aseguramiento de flujo en los ductos marinos de AP/AT. ο· Su pandeo es más complejo que el de una tubería individual, sin embargo, a través de simplificaciones, como la de las pequeñas deformaciones, permiten aplicar soluciones analíticas, para tener la base para construir un modelo de EF. ο· En el caso de los sistemas compatibles se deben evaluar dos etapas, una para predecir pandeos de longitud corta y otra para verificar la resistencia de post pandeo. Para así definir la distancia entre los separadores. ο· En el caso de los sistemas no compatibles se tiene el riesgo de pandeo de la tubería interna en el espacio anular generando concentraciones de esfuerzos severas en la misma tubería. De manera que se requiere de rigidez suficiente y precisión en la instalación para mejorar la estabilidad de dichos sistemas Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 92 de 99 10. CONSIDERACIONES DURANTE LA CONSTRUCCIÓN Durante la construcción de un ducto marino con condiciones de AP/AT, existen varias consideraciones adicionales a las establecidas en los requisitos mínimos necesarios que se deben cumplir en la contratación de servicios de construcción, instalación y desmantelamiento de líneas submarinas de recolección y transporte de hidrocarburos que se deben tomar en cuenta, una de las más importantes para la realización exitosa del proyecto es el zanjado, el cual está definido como un proceso mediante el cual la tubería es enterrada en el lecho marino. 10.1. Selección del Equipo de zanjado Se debe establecer de forma definida antes de la ejecución de los trabajos de zanjado, el o los métodos aplicables de acuerdo a las propiedades de los suelos que se identifican en la trayectoria del ducto, comprobando que el equipo propuesto cuenta con las capacidades y desempeño para cumplir con los requisitos de zanjado y el logro económicamente viable de la profundidad de enterrado requerida y el nivel de imperfecciones establecido en la fase de ingeniería. La selección del equipo de zanjado implica la comprensión completa de las propiedades geotécnicas de los suelos y rocas a lo largo de la ruta del ducto, debido a los numerosos cambios en las características y en la topografía, para poder determinar el desempeño del equipo de zanjado. Para ello se debe contar con los estudios geofísicos y geotécnicos del corredor del ducto, que permitan identificar las formaciones geológicas cercanas al lecho marino y las propiedades de los suelos con un nivel apropiado de certeza de forma que la planeación del zanjado tenga mayor certeza y confiabilidad. • • • • • • • • • • • • El diámetro externo de la tubería, incluyendo lastre de concreto El peso sumergido y la gravedad específica de la tubería Los requisitos de enterrado El método de instalación El programa de construcción El tirante de agua Las dimensiones y sección transversal requeridas para la zanja (profundidad de bajado y de cubierta, DOL y DOC) El perfil del lecho marino Las propiedades de los suelos en el corredor Los requisitos de la embarcación de soporte Las condiciones ambientales imperantes en la zona Las consideraciones en la interacción tubo-suelo se hayan tomado en la ingeniería respecto al método de zanjado Cuando la excavación de la zanja es ejecutada después de tender la tubería, el equipo de zanjado debe ser del tipo que no genere cargas significantes sobre la tubería y minimice la posibilidad de daño a la misma. El equipo de zanjado debe ser equipado con suficiente instrumentación para asegurar que se evitarán daños y contacto excesivo con la tubería. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 93 de 99 En la selección del zanjado se deben tomar en cuenta las recomendaciones y capacidades características de los equipos de zanjado presentadas en la Tabla 24, además de los aspectos mencionados en los párrafos siguientes. Tabla 24. Capacidades características de los equipos de zanjado genéricos Equipo de chorro de agua (jetting) Equipo de arado (plough) Equipo de corte mecánico Suelos arenosos y arcillas blandas a muy blandas, con resistencias de hasta 100-190 kPa. Hasta 1524mm (60 pulg) Roca y suelos muy duros de hasta 40 000 kPa Tipo de zanja De hasta 3000m En forma de “V” o rectangulares dependiendo del tipo de suelo Para un rango amplio de suelos, con resistencias de hasta 400 kPa, incluyendo roca fracturada. De 210 mm hasta 1524 mm (8 hasta 60 pulg) De hasta 1000 m Bien definidas en forma de “V” con talud de 35° Perfil de OOS que se obtiene Dependiente de varios factores Bueno Regular Recuperación de material como relleno De 40% a un 80% en suelos arenosos y hasta el 50% en suelos arcillosos De hasta 0.4 km/hr, con profundidades promedio de zanja de 2 m Machin and Allan, 2010. (ISFOG 2010) Concepto Tipos de suelo en que puede usarse Diámetros de tubería Profundidades Velocidades típicas de zanjado en una pasada. Modelos disponibles análisis de desempeño y capacidades Tipo de soporte para embarcación Costo relativo Requieren de umbilicales de potencia y comunicaciones de Con capacidad de remolque moderada Menor si con imperfecciones mínimas. De 80% a un 100% Hasta 1524 mm (60 pulg) De hasta 2500 m En forma de “V” Requiere de otro equipo para el relleno De hasta 0.2 km/hr, con profundidades promedio de zanja de 2 a 3 m Cathie and Wintegs, 2001 (OTC 13145) De hasta 0.4 km/hr, con profundidades promedio de zanja de 2 a 3 m No identificados Con dimensiones de cubierta considerable y una capacidad de jalado de remolque de hasta 500 toneladas Mayor si Generalmente por separado Mayor si Cuando se utilizan las zanjadoras de arado en suelos arcillosos blandos, se debe revisar su estabilidad para evitar hundimientos que generen zanjas con mayor profundidad, imperfecciones (OOS) grandes, una zanja de mala calidad y una fuerza de remolque mayor a la esperada. En la evaluación de estabilidad y operatividad de la zanjadora de arado en arcillas blandas se deben considerar los aspectos siguientes: • • • • • La penetración del compartimento principal (share) en el lecho marino antes del zanjado, Capacidad estática de los patines (skids) Capacidad dinámica de los patines (skids) Capacidad estática del compartimento principal (share) Capacidad dinámica del compartimento principal (share) Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 94 de 99 Para las capacidades dinámicas se debe considerar la resistencia del suelo al esfuerzo cortante y la profundidad requerida de la zanja para calcular la fuerza de remolque necesaria a partir del modelo de desempeño del equipo de zanjado. 10.1.1. Aspectos específicos respecto a los tipos de suelo Para los suelos arenosos se debe poner especial interés en los casos en que debido a la acción hidrodinámica de las corrientes y el oleaje se crean formas de fondo tales como dunas, olas u ondulaciones de arena, las cuales pueden representar dificultades para el proceso de zanjado, especialmente en el tránsito de los equipos sobre orugas y las dificultades para lograr la profundidad de bajado requerida. En los suelos arcillosos de depósitos recientes, que son generalmente sin cambios abruptos de forma, con resistencias al esfuerzo cortante bajas, se debe poner especial interés cuando se identifique la presencia de cráteres o marcas (pockmarks), que representan una obstrucción al proceso de zanjado cuando se debe cruzar sobre éstas. Los suelos arcillosos con mayor antigüedad de formación tienden a ser más rígidos o duros y por consiguiente más difíciles de zanjar, puesto que las resistencias al esfuerzo cortante de estos suelos pueden exceder las capacidades de los equipos de zanjado con chorro de agua, que típicamente es de alrededor de 40 KPa. Los sedimentos y afloramientos carbonatados que pueden ser bastante duros con resistencias entre 2 MPa y 18 MPa, requieren equipos de zanjado de corte mecánico, con velocidades de avance muy lentas con un considerable y costoso desgaste y deterioro 10.2. Requisitos para el Zanjado El zanjado de la línea regular se debe realizar de acuerdo al procedimiento aprobado. El esfuerzo longitudinal no debe exceder el 72 por ciento del esfuerzo de fluencia mínimo especificado de la tubería. Se debe contar previamente con las memorias de cálculo, donde se establece la máxima cobertura que se puede realizar en un solo paso sin poner en peligro la integridad de ala tubería. Así mismo el dragado debe apegarse a la ingeniería. Previo al inicio de los trabajos de dragado, los equipos deben ser aprobados y calibrados conforme al diámetro de la tubería, al tipo de terreno y profundidad del área. Para el posicionamiento de la embarcación durante el dragado, se debe utilizar el posicionamiento GPS. Con el personal y equipo de buceo se deben llevar a cabo las inspecciones de la zanja para corroborar que se cumplen con las dimensiones de las coberturas de cada paso. El intervalo de estas inspecciones, debe considerar el funcionamiento del equipo, las condiciones climatológicas y los resultados obtenidos, debiendo ser como máximo cada cuatro horas. En caso de no cumplir con la cobertura, se deben dar los pasos que sean necesarios con el equipo de dragado hasta lograr lo indicado en la ingeniería de proyecto. En caso de existir cruzamientos con líneas existentes o disparos submarinos, se deben tomar en cuenta para efectuar las transiciones correspondientes. El perfil de la tubería dentro de la zanja debe ser constante o uniforme (sin valles o crestas) así como también, la pendiente en la zona de transiciones, para que los esfuerzos no excedan los limites indicados anteriormente. La tubería debe quedar dentro de la zanja, con espacio de un metro como mínimo dentro del lomo superior del tubo y el lecho marino. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 95 de 99 La cobertura de aproximaciones a la costa debe ser establecida considerando los estudios geofísicos y geotécnicos y de estabilidad hidrodinámica, la cual no debe ser menor a 4 m (13,123 pies) el arribo en playa a partir de tirantes de agua menores a 10 m (32,808 pies) de profundidad. La transición entre las coberturas de 1 a 4 m (3,281 pies -13.123 pies) debe de efectuarse de acuerdo a las características propias de la tubería. Lo anterior, aplica únicamente para suelos blandos o semicompactados, y arribos a la línea de playa a través de canal de lanzamiento. Si los alcances de la ingeniería lo indican, se deben establecer las condiciones naturales en los arribos playeros, protegerlos y mejorar el entorno de arribo de la línea con escolleras artificiales de sandtiners, colchacretos, dados de concreto y/o roca natural. Si durante el dragado se encuentran escombros que no permitan continuar con el trabajo, tales como estructuras, tuberías o cables, se debe inspeccionar, analizar y eliminar dicho escombro. Se deben llevar acabo un registro de todos los acontecimientos que surjan en el dragado de la línea regular, incluyendo los equipos, instrumentos y personal que interviene, para tener constancia documental de esta actividad. Se debe tomar en cuenta las consideraciones adicionales mencionadas a continuación. Durante el zanjado se deben minimizar las imperfecciones en el fondo de la zanja. La selección del equipo y el método de zanjado tienen implicaciones relacionadas con la interacción tubosuelo en suelos arcillosos considerada para el diseño del ducto, por lo que el equipo debe ser seleccionado conforme a las consideraciones que al respecto se hayan tomado en la ingeniería. Cuando se utilice el equipo de zanjado con chorro de agua (jetting), no se deben accionar los dispositivos para succionar y retirar el material del suelo. Lo anterior debido a que con este dispositivo se está arrojando material del suelo a los lados de la zanja, causando que dicho material se pierda, lo cual es contrario a lo que se pretende lograr, que es en lo posible que todo el material que ha sido removido vaya recubriendo el tubo. En suelos cohesivos se debe considerar el porcentaje de consolidación en el que se queda el suelo que rodea al ducto después de ser zanjado, sobre todo el suelo por debajo del ducto, particularmente en zanjas realizadas con el método de chorro de agua o aire. Se debe realizar el zanjado a la profundidad mínima indicada en los planos de proyecto (considerando el diámetro total de la tubería incluido el lastre de concreto y el colchón mínimo de suelo). En caso de no obtenerse esta profundidad con una pasada del equipo, se debe analizar la conveniencia de realizar las pasadas necesarias para lograrlo. En el caso de la alternativa consistente en la reducción de la fuerza axial, se requiere que la velocidad de zanjado asegure el remoldeado completo del suelo, logrando la reducción de la fricción axial entre el ducto y el lecho marino y de este modo extender los tramos del ducto parcialmente restringidos (es decir sin llegar a las condiciones de completamente restringido). Independientemente del método de zanjado que se utilice, se debe evaluar el riesgo de levantamiento del ducto durante el proceso de relleno, debido a la posible insuficiencia de las fuerzas resistentes de la tubería, tales como el peso propio, rigidez y tensión residual. Se debe asegurar que la gravedad específica de la tubería sea mayor a la del suelo en suspensión en que se puede estar instalando. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 96 de 99 Para la evaluación del riesgo de levantamiento del ducto durante el proceso de relleno, se deben considerar los siguientes factores: • • • • Las condiciones del suelo. La presencia de imperfecciones (OOS). Velocidades del relleno. Gravedad específica de la tubería. Cualquiera que sea el método y equipo de zanjado, es responsabilidad del proveedor de los servicios de zanjado proporcionar a PEMEX la confianza de que el equipo tendrá un desempeño y resultados acordes a lo esperado, por lo que debe demostrar que cuenta con la experiencia requerida, por medio de datos históricos basados en casos similares, que confirmen los niveles típicos de desempeño para las condiciones esperadas, acompañados de los métodos de cálculo para el análisis de desempeño, así como procedimientos operativos bien definidos. 10.3. Inspección y levantamiento de perfil Posterior a la instalación, se debe llevar a cabo la Inspección de desalineamiento o configuración fuera de rectitud de ductos submarinos y levantamiento de perfil (Out-of-Straightness Survey, OOS) para determinar la Profundidad de Cobertura (DOC – Depth of Coverage) y la Profundidad de Dragado (Depth of Lowering DOL) a fin de verificar el cumplimiento con los criterios establecidos. La inspección se debe realizar mediante el principio operativo del Vehículo Operado Remotamente (Remote Operated Vehicle, ROV) sobre el derecho de vía y el ducto submarino, usando la combinación de una Ecosonda Multi-haz (MBE – Multibeam Echosounder), y un sistema de detección de Tuberías (p.ej. TSS 440 o sistemas equivalentes), los cuales deben ser presentados oportunamente por el contratista para su aprobación a PEMEX Exploración y Producción. Uno de los factores que afecta el Análisis de Pandeo Vertical es la calidad de los resultados de la inspección OOS, por lo tanto, a bordo de la embarcación se debe llevar a cabo un análisis de calidad de los resultados durante la inspección y a lo largo de todo el ducto. Esta información se debe entregar a PEP en un formato electrónico para su aceptación y su subsecuente análisis (UHB) en las oficinas en tierra. 10.3.1. Requisitos para la embarcación y ROV Con la finalidad de asegurar resultados óptimos de la inspección OOS, el Contratista debe contar con las siguientes especificaciones generales, usando los últimos estándares aceptados en la industria: 10.3.1.1. Requisitos aplicables para la embarcación de posicionamiento dinámico • • • • • Embarcación con posicionamiento dinámico clase 2 (DP2) para apoyo a ROV, con servicio DGNSS (Differential Global Navigation Satellite System) y con una precisión al decímetro. Referencia de rumbo y compensación de movimiento (compensación de la antena). La referencia de rumbo debe ser basada en inercia, láser por Fibra Óptica o Sistemas de Vector GPS. Sistema de Posicionamiento Acústico de Línea Base Ultra Corta (USBL – Ultra Short Base Line) incluyendo una Unidad de Referencia Vertical (VRU). Los sistemas de obtención de datos y procesamiento de los mismos, deben ser capaces de manejar los volúmenes de información generados durante la inspección. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. • • • PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 97 de 99 Sincronización de tiempo de todos los sensores de inspección, tanto en la embarcación como en el ROV. Barómetro digital. Sistema Medidor de Velocidad del Sonido CTD (Conductivity, Temperature and Depth). 10.3.1.2. Requisitos aplicables al ROV • Sistema de ROV Clase de Trabajo, con poder mínimo de 100 HP. • Referencia acústica de posicionamiento (transponder). • Sistema Doppler para registro de velocidad (DVL – Doppler Velocity Log). • Sistema Batimétrico (sistema piezo-eléctrico, ejemplo Digiquartz). • Sistema de Altímetro. • Ecosonda Dual Multi-haz (MBE), lecturas a través/a lo largo del haz de cobertura de 0.5º/1.0º ο‘ Sistema detector de tuberías TSS 440. • Giro compás (Inercia, Láser por Fibra Óptica). • Sensor de movimiento. • Dos cámaras a color montadas en brazos laterales y cámara a color central montada en unidad de desplazamiento/inclinación (Pan-Tilt). • Cámara para baja luminosidad. • Luces ajustables en intensidad. • Cámara acústica • Sistema de escritura en video sobre pantalla. • Sistema de grabación de video y audio. • Controles de ROV con Auto-Rumbo, Auto-Profundidad, Auto-Altitud y Auto-Pitch/Roll. • Sistema medidor de velocidad del sonido CTD (Conductivity, Temperature and Depth). • Sistema de registro de mareas. Se debe contar con sistema de respaldo. Ambos sistemas se utilizarán simultáneamente, tanto el especificado como el respaldo, para contar con redundancia. 10.3.2. Requerimientos generales de precisión • Precisión horizontal de DGNSS de 10 cm, precisión vertical de 20 cm (95% de probabilidad) • Giro compás estático, con una precisión en la desviación estándar de 0.10º *seg (latitud) • Giro compás dinámico con una precisión en la desviación estándar de 0.25º *seg (latitud) • Sensor de movimiento, con una precisión en la desviación estándar (pitch/roll) de 0.03º • Sistema Doppler para registro de velocidad (DVL), con una precisión en la desviación estándar de 0.3 cm/seg • USBL, con una precisión en la desviación estándar de 0.30% del rango de inclinación • Sistema Batimétrico con una precisión en la desviación estándar de 0.01% del rango calibrado. • La densidad de datos a lo largo del derecho de vía debe ser igual o menor a 5 cm. • La desviación estándar al lomo del ducto (Top of Pipe TOP) para el análisis OOS será igual o inferior a 2.5 cm. 11. CRUCES El diseño de cruces de ductos de AP/AT debe ser conforme a lo establecido, en un cruce, la separación vertical mínima, de paño a paño considerando el lastre de concreto, entre dos tuberías debe ser de 1,00 m Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 98 de 99 (3,28 pies). El ángulo entre dos líneas que se cruzan debe ser lo más cercano a 90° preferentemente no menor a 30°. De preferencia se deben evitar los cruces en la zona de curvas de expansión, en caso de no ser posible, se debe evitar restringir y revisar la flexibilidad de la línea existente. De preferencia, previo análisis de factibilidad, se debe aumentar el nivel de enterrado del ducto existente, de tal manera que se cumpla con la separación mínima entre paño y paño, y cumplir con el requerimiento de 1,00 m (3,28 pies) de enterrado de la línea nueva. Entre las dos líneas se debe colocar un elemento protector a base de sacos de arena-cemento o malla lastrada, para asegurar dicha separación. La configuración final de la línea existente, debe garantizar un nivel de esfuerzo equivalente no mayor del 90% del SMYS. En caso de presentarse limitaciones para bajar la línea existente, se puede realizar el cruce con radio de curvatura o mediante el diseño de una pieza puente formada por codos y tramos rectos, de tal manera que exista la separación mínima de 1,00 m (3,28 pies) entre las dos líneas. En el caso de pieza puente, se debe colocar una cama de sacos de arena-cemento o malla lastrada para que se apoyen ambos codos (inicio y término de la pieza puente), así como entre las dos líneas y arriba de la pieza puente, de tal manera que el fluido que se transporta no provoque levantamientos de la misma. Se debe realizar un análisis hidráulico detallado para definir el efecto que tendrá ésta en el comportamiento del fluido. Los codos utilizados en la pieza puente deben ser mínimo de 3 diámetros de radio de tal manera que se permita el paso del diablo instrumentado. Para el caso de radio de curvatura, la configuración final de la línea, debe ser tal que el radio mínimo, bajo ninguna circunstancia genere esfuerzos mayores a un 18% del esfuerzo de cedencia mínimo especificado. Además, se debe revisar que no exceda el esfuerzo combinado permisible. Tomando en cuentas las consideraciones adicionales mencionadas a continuación. El diseño de la configuración del cruce submarino debe garantizar una separación mínima de 0,305 m (12 in) entre el ducto de diseño y el ducto o cable submarino existente a cruzar, medida de paño a paño, a partir del lastre de concreto, para lo cual se debe especificar el conformado de un acolchonamiento continuo con elementos prefabricados de concreto. Se debe privilegiar el cruce con ductos existentes sin modificar la configuración geométrica del ducto de AT/AP. En caso de que se requiera realizar la modificación de la configuración geométrica mediante curvas verticales o piezas puente, se debe realizar un análisis de pandeo global de la configuración del cruce submarino. El diseño debe prever los asentamientos instantáneos y por consolidación generados durante las etapas de instalación y operación. En el caso de ductos cuya instalación implica la realización de zanjado, las pendientes de transición de la zanja en ambos lados del cruce deben ser muy suaves, dependiendo de las características del ducto y del cruce. Se puede considerar que estás pendientes pueden ser generalmente menores a 1:80. Como medida de mitigación para evitar la ocurrencia de pandeo vertical por levantamiento, se debe considerar la instalación de elementos prefabricados de concreto colocados en la parte superior del ducto, de acuerdo con los resultados del análisis realizado. Se debe revisar la estabilidad hidrodinámica de los elementos prefabricados de concreto colocados tanto en condiciones de instalación como de operación. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DUCTOS MARINOS PARA ALTA TEMPERATURA. PEP-SPEE-GIPIE-EST-AS-415-2021 Revisión A Hoja 99 de 99 Para ductos con estrategia de diseño por pandeo lateral se deben incluir activadores inmediatamente aguas arriba o aguas debajo de la ubicación del cruce, con objeto de evitar la ocurrencia del pandeo en la ubicación del cruce, además de que se debe confirmar la probabilidad baja de pandeo en los cruces. Los cruces deben incorporarse en el modelo de elemento finito completo para confirmar que el diseño del pandeo no se comprometerá con ellos. Pemex Exploración y Producción. Dirección General Subdirección de Proyectos de Explotación Estratégicos Gerencia de Ingeniería de Proyectos de Infraestructura Estratégica Centro Técnico Administrativo, Edificio La Herradura. Campo Sitio Grande 2000, Fraccionamiento Carrizal, C.P. 86035 Villahermosa, Tabasco. Todos los derechos reservados. Este documento es propiedad de PEP, queda prohibida su reproducción parcial o total
