Propiedades de la tubería.pdf

Conceptos sobre las propiedades de las tuberías y normas del API que debe considerar el usuario para su diseño.

David David Hernández Hernández Morales Morales Servicios Técnicos Petroleros 04.09.08

Contenido ü Definición de tubería de revestimiento ü Ley de Hook’s ü Esfuerzo a la cedencia ü Espesor del cuerpo del tubo ü Tensión ü Presión Interna ü Colapso ü Tubería Tubería para alto colapso colapso (ovalidad (ovalidad y redondez) redondez) ü Pruebas de colapso Conceptos generales sobre las propiedades de las tuberías. Normas API

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Septiembre, 2008 David Hernández M

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Contenido ü Definición de tubería de revestimiento ü Ley de Hook’s ü Esfuerzo a la cedencia ü Espesor del cuerpo del tubo ü Tensión ü Presión Interna ü Colapso ü Tubería Tubería para alto colapso colapso (ovalidad (ovalidad y redondez) redondez) ü Pruebas de colapso Conceptos generales sobre las propiedades de las tuberías. Normas API

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Contenido ü Video ü Rango de la tubería tube ría de revestimiento y producción ü Diámetro exterior de la tubería ü Paso Paso del calibra calibrador dor ó mandril mandril ü Anisotropía

Conceptos generales sobre las propiedades de las tuberías. Normas API

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Tubería de revestimiento Definición La tubería de revestimiento es definida como un tubular de un rango rango de de diámetr diámetro o exterio exteriorr de 4 1/2” 1/2” de 9.5 9.5 lb/pie lb/pie hasta hasta 20” de 133 133 lb/ lb/pie pie.. El API a adoptado una designación la cual corresponde al grado de acero. Esta designación consiste en una letra seleccionada arbitrariamente por el API, seguida por un número el cual representa el mínimo esfuerzo a la cedencia del acero en miles de lb/pg2 ó psi. Conceptos generales sobre las propiedades de las tuberías. Normas API

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Tubería de producción Definición La tubería de producción es definida como un tubular de un ran rango go de de diáme diámetr tro o exte exteri rior or de de 4 1/2” 1/2” de 26.1 26.10 0 lb/p lb/pie ie hasta hasta 1.050” 1.050” de 1.14 1.14 lb/pie lb/pie..


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Tubería de revestimiento Ejemplo Una tubería de revestimiento en grado de acero N-80, tiene un esfuerzo a la cedencia de 80,000 lb/pg2 N-80 = 80,000 lb/pg2 ó psi El esfuerzo de cedencia definido por el API es el esfuerzo de tensión mínimo requerido para producir una elongación por unidad de longitud de 0.005 sobre una prueba en un muestra en laboratorio cercana al límite elástico. Conceptos generales sobre las propiedades de las tuberías. Normas API

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Ley de Hook’s Concepto Si una barra de longitud L es sometida a una fuerza de tensión P, se observará, una deformación longitudinal δ, que es proporcional a la fuerza aplicada P e inversamente proporcional al área de la sección transversal de dicha barra. PL δα A Conceptos generales sobre las propiedades de las tuberías. Normas API

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L

δ P


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Ley de Hook’s Concepto Introduciendo una constante de proporcionalidad “E” característica de cada material llamdo módulo de elasticidad ó Young, tenemos; PL δ= EA Despejando el módulo de Young: E =

PL δ A


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L

δ P


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Ley de Hook’s Concepto El esfuerzo axial unitario es: P σ= A La deformación axial unitaria esta definida:

ε=

L

σ

L Por lo que el Módulo de Young es la relación entre el esfuerzo y deformación σ axial E =

δ P

ε


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Ley de Hook’s Gráfico carga contra elongación Cualquier incremento de carga de tensión es Carga (σ) acompañado de un último esfuerzo ó resistencia incremento de longitud, por ruptura esfuerzo cedencia ó fluencia lo que esta Ley de Hook’s es solo aplicable en la región elástica. E = Módulo de Young

Elongación (ε) Conceptos generales sobre las propiedades de las tuberías. Normas API

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Gráfico real de la Ley de Hook’s


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Gráfico real de la Ley de Hook’s


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Esfuerzo a la cedencia Ejemplo: TR de 16” N-80, 84 lb/pie del pozo Zaap 7D El fabricante deberá de cumplir como valores mínimos de fluencia = 80,000 psi y de resistencia 110,000 psi. No. Colada 96650 96995 97893 96503 96535 96570 96621 96881

Espesor (pg) Fluencia (psi) Resistencia (psi) nominal (0.495) mín.=80,000 mín.=110,000 0.484 84,348 122,042 0.523 87,478 125,029 0.508 81,077 119,766 0.547 86,197 121,615 0.539 84,064 116,068 0.583 86,197 125,029 0.547 83,068 120,619 0.524 85,628 118,628


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Colada Una colada corresponde 150 toneladas efectivas de acero líquido.


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Esfuerzo a la cedencia Ejemplo: TR de 13 3/8” TAC-95 de 72 lb/pie media = 113,041 psi Desv. estándar = 4,664 n = 70 16 F r e c u e n c i a

Max = 125,000 psi

Min. = 95,000 psi

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Media

12 10 8 6 4 2 0 90,000

102,000

106,000


110,000

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114,000

118,000

122,000

126,000 (psi)


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Espesor del cuerpo del tubo El espesor del cuerpo del tubo influye de manera directa en las propiedades de la tubería.

t

Si durante la operación y la vida productiva se presenta desgaste mecánico en las paredes de la tubería ó por corrosión, su resistencia a la tensión, presión interna y colapso también se verán reducidas.


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Espesor del cuerpo del tubo Ejemplo: TR de 13 3/8” TAC-95 de 72 lb/pie Media = 13.61 mm Desviación estándar = 0.281 n = 710 120 F r e c u e n c i a

Media 100

87.5 % nominal API 80

60

40 20 0 11.2

12.4


13.3 TenarisTamsa

13.6

13.9

14.2

(mm)


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Tensión FT

La fuerza de tensión FT, tiende a jalar parte de la tubería que es resistida por la fuerza del espesor de la propia tubería, la cual externa una contrafuerza:

D

FT = σy As d

As


FT = 0.7854 σy (D2 - d2) FT = π σy (Dt - t2) TenarisTamsa


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Tensión y dureza – API 5CT


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Presión Interna La presión de estallamiento dada por el API, está basada en la ecuación de Barlow´s. Donde utiliza el 87.5% del valor al considera el mínimo espesor de pared permisible Pbr Pbr

As

2 σy t = 0.875 D

El API permite una tolerancia máxima permisible del espesor de la pared del tubo de menos el 12.5 %.


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Presión Interna Prueba hidráulica en proceso de fabricación La pruebas hidráulica se realiza a todos y cada uno de los tubos. El valor de la presión es establecida por la norma del API 5CT ó ISO 11960, el cual también aparece en el prontuario. El tiempo de prueba mínimo es de 5 seg.


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Colapso Fuerza mecánica capaz de deformar un tubo por el efecto resultante de las presiones externas.

D Pc As Conceptos generales sobre las propiedades de las tuberías. Normas API

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Colapso 15 14 13

El API 5C3 presenta cuatro fórmulas las cuales permiten predecir el valor mínimo de resistencia al colapso del material, de acuerdo con el tipo de falla: elástico, transición, plástico y de cedencia. Conceptos generales sobre las propiedades de las tuberías. Normas API

) i 12 s p11 0 010 0 , 1 ( 9 o s 8 p a l 7 o c e 6 d n 5 ó i s 4 e r P 3

Colapso plástico promedio

Inicio de los modos de colapso elástico-plástico

Colapso plástico mínimo

Colapso elástico promedio

Colapsos plástico y elástico mínimos

Colapso elástico mínimo

2

Colapso de transición

1 0 10

12

14

16

18 20

22

24

26 28

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Relación diámetro/espesor TenarisTamsa


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Colapso Las cuatro ecuaciones Para colapso elástico     2 E  1  P c = 1 − ν   D  D      t  − 1   t   Para colapso plástico 2

2

   A  P c = σ y  − B − C D         t   Conceptos generales sobre las propiedades de las tuberías. Normas API

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Para colapso de transición

   F  P c = σ y  − G D         t  

Para colapso de cedencia

  D     t  − 1   P c = 2σ y    D     t    2


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Colapso Variables, A, B, C, F y G

( ) + 0.2130 X 10− ( )− 0.53132 X 10− ( − B = 0.026233 + 0.50609 X 10 ( ) C = −465.3 + 0.030867(σ y ) − 0.10483 X 10 − σ y − 0.53132 X 10 − σ y A = 2.8762 + 0.10679 X 10

−5

10

σ y 6

σ y

2

16

σ y

3

)

σ y

7

2

13

3

3

  3 B     A     46.95 X 10  B    2 +     A    F =   3 B     3 B       A   B     A     σ y  −    1 − B   A     B    2 +  2 +       A     A   6


2

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G =

FB A


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Colapso Relación Diámetro / espesor ) t ( r o 45 s e p s 40 E / ) 35 D ( o r t e 30 m á i D25 n ó i 20 c a l e 15 R 10

colapso elástico

colapso de transición

colapso plástico colapso de cedencia 5 5 5 0 5 0 5 0 0 - 0 0 7 4 2 2 3 3 - 5 K 6 7 C H y J

0 8 N y L

0 5 0 5 0 0 5 0 5 0 0 5 0 0 0 9 9 0 0 1 2 2 3 3 4 5 5 6 7 8 1 1 - 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 C P

grado de acero Conceptos generales sobre las propiedades de las tuberías. Normas API

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Colapso Colapso Elástico Grad o

H-40 H-50 J-K-55 y D - 60 -70 C-75 y E L-80 y N-80 -90 C-95 -100 P-105 P-110 -120 -125 -130 -135 -140 -150 -155 -160 -170 -180

ran g o D/t

Colapso de Transición

42.64 y más grande 38.83 y más grande 37.21 y más grande 35.73 y más grande 33.17 y más grande 32.05 y más grande 31.02 y más grande 29.18 y más grande 28.36 y más grande 27.60 y más grande 26.89 y más grande 26.22 y más grande 25.01 y más grande 24.46 y más grande 23.94 y más grande 23.44 y más grande 22.98 y más grande 22.11 y más grande 21.70 y más grande 21.32 y más grande 20.60 y más grande 19.93 y más grande


Grad o


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ran g o D /t

27.01 - 42.64 25.63 - 38.83 25.01 - 37.21 24.42 - 35.73 23.38 - 33.17 22.91 - 32.05 22.47 - 31.02 21.69 - 29.18 21.33 - 28.36 21.00 - 27.60 20.70 - 26.89 20.41 - 26.22 19.88 - 25.01 19.63 - 24.46 19.40 - 23.94 19.18 - 23.44 18.97 - 22.98 18.57 - 22.11 18.37 - 21.70 18.19 - 21.32 17.82 - 20.60 17.47 - 19.93


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Colapso Colapso Plástico Grad o


Colapso de Cedencia

ran g o D/t

16.40 - 27.01 15.24 - 25.63 14.81 - 25.01 14.44 - 24.42 13.85 - 23.38 13.60 - 22.91 13.38 - 22.47 13.01 - 21.69 12.85 - 21.33 12.70 - 21.00 12.57 - 20.70 12.44 - 20.41 12.21 - 19.88 12.11 - 19.63 12.02 - 19.40 11.94 - 19.18 11.84 - 18.97 11.67 - 18.57 11.59 - 18.37 11.52 - 18.19 11.37 - 17.82 11.23 - 17.47


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Grad o


r an g o D/t

16.40 y menores 15.24 y menores 14.81 y menores 14.44 y menores 13.85 y menores 13.60 y menores 13.38 y menores 13.01 y menores 12.85 y menores 12.70 y menores 12.57 y menores 12.44 y menores 12.21 y menores 12.11 y menores 12.02 y menores 11.94 y menores 11.84 y menores 11.67 y menores 11.59 y menores 11.52 y menores 11.37 y menores 11.23 y menores


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Tubería para alto colapso (TAC) Factores que se considerar para la tubería de alto colapso ü Aspecto Geométrico. ü Propiedades químicas y mecánicas.

Esta tubería para alto colapso, llamada TAC (tubería para alto colapso), debe de cumplir con los mismos requerimientos que la del API, especialmente aquellas con una alta relación D/t mayor a 13. Durante la fabricación de esta tubería se lamina como mínimo al espesor nominal y hacía el máximo permitido, sin restringirlo al paso de la barrena (drift). Conceptos generales sobre las propiedades de las tuberías. Normas API

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Tubería para alto colapso (TAC) Ovalidad Entre más redonda sea la sección transversal, la distribución de los esfuerzos aplicados desde el exterior será más uniforme (efecto de arco) y por lo tanto habrá un mejor equilibrio que permite una mayor resistencia mecánica de la tubería. La norma del API no especifica un rango de valor respecto a la ovalidad, pero el límite superior del 1% es bien aceptado. Conceptos generales sobre las propiedades de las tuberías. Normas API

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Tubería para alto colapso (TAC) Cálculo de la ovalidad Es la diferencia entre el diámetro exterior máximo y mínimo medido alrededor de una misma sección transversal, expresada en porcentaje con respecto al diámetro promedio (valor relativo). 0 =

Dmáx. – Dmín. Dprom.

X 100

9.724 – 9.709 X 100 = 0.15 % 0 = 9.717 Conceptos generales sobre las propiedades de las tuberías. Normas API

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Tubería para alto colapso (TAC) Cálculo de la excentricidad del tubo Es la diferencia entre el espesor máximo y mínimo medido alrededor de una misma sección transversal, expresada en porcentaje con respecto al espesor promedio (valor relativo). La norma del API no especifica un rango de valor respecto a la excentricidad, pero el límite superior del 10% al 12 % es bien aceptado. tmáx. – tmín. X 100 e = tprom. e =

0.558 – 0.542 X 100 = 2.93 % 0.546


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Pruebas de colapso Equipo para prueba de colapso en planta Se realizan de dos ó tres pruebas de colapso por colada. El rango de prueba es desde 13 3/8” a 5”. La muestra debe de tener una longitud de 8 veces el diámetro.


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Pruebas de colapso

V I D E O


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Torsión de la tubería Torsión de las tuberías Es la capacidad que tiene una tubería al efecto torsor. Es decir: Q=

0.096167

( J ) σ y

D

Donde: Q = Resistencia a la torsión (lb-pie) J = Momento de Inercia Polar = π(D4-d4)/32 (pg4)

σy = Esfuerzo a la cedencia del material (psi) D = Diámetro de la tubería (pg) Conceptos generales sobre las propiedades de las tuberías. Normas API

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Elongación de la tubería Elongación de la tubería La elongación es el incremento de la longitud generado por el propio peso de la tubería.

(W )( L ) e= E ( As ) 12

Donde: e = Elongación de la tubería (pg) W = Peso de la tubería flotado (lb) L = Longitud de la tubería (pies) E = Módulo de Young (psi), para el acero E= 30X106 psi As = Área de sección transversal del tubo (pg2) Conceptos generales sobre las propiedades de las tuberías. Normas API

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Composición química de los aceros


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Longitud de la tubería de revestimiento Rangos de longitudes permitidos por API 5CT/ISO 11960 El rango tres es el más comúnmente utilizado en las tuberías de revestimiento. Rango Longitud (pies)

Longitud (m) Máx. var. perm. (pies)

1

16 - 25

4.88 - 7.62

6

2

25 - 34

7.62 - 10.36

5

3

34 - 48

10.36 – 14.63

6


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38

Longitud de la tubería de revestimiento


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Longitud de la tubería de producción Rangos de longitudes permitidos por API 5CT/ISO 11960 El rango dos es el más comúnmente utilizado para las tuberías de producción. Rango Longitud (pies) Longitud (m) Máx. var. perm. (pies) 2 1 20 - 24 6.10 - 7.32 2

28 - 32

8.53 – 9.75

2

3

38 - 42

11.58 – 12.80

2


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Diámetro exterior de la tubería Tolerancia permitida por el API 5CT/ISO 11960 para el diámetro exterior Diámetro exterior

Tolerancia

Diámetro mayor ó igual a 4 ½”

Hacía arriba 1%

(tubería de revestimiento)

Hacía abajo -0.5%

Diámetro menor a 4 ½” (tubería de producción)

+ ó – 0.031 pg


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Diámetro exterior de la tubería Ejemplo: Se tiene una tubería de revestimiento de 20”. ¿Cuál es su tolerancia máxima al diámetro exterior de acuerdo con la norma del API 5CT ó ISO 11960 ? Tolerancia máxima permitida = (20) (1.01) = 20.20” Cabe destacar que el diámetro de los elevadores para esta tubería es de 20.250” Conceptos generales sobre las propiedades de las tuberías. Normas API

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Calibración de la tubería Paso del drift Durante el proceso de fabricación de las tuberías, estas son calibradas en su interior (paso del mandril ó drift) en dos ocasiones. Posteriormente al realizarse las conexiones (piñón y caja), nuevamente se vuelven a calibrar pero solamente los extremos de la conexión.


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Drift de la tubería Drift de acuerdo con el API 5CT/ISO 11960 Diámetro de la tubería Longitud drift (pg) Diámetro drift (pg) Casing & liners: Mayores a 13 3/8”

12

d–6/32”

Entre 13 3/8” y 9 5/8”

12

d–5/32”

Menores a 9 5/8” Tubing:

6

d-1/8”

Mayores de 2 7/8”

42

d-1/8”

Menores 2 7/8”

42

d-3/32”


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Marcaje de la tubería Ejemplo: Casing 13 3/8” N-80 54.5 lb/pie BTC Código de colores: Cople: De acuerdo con ISO 11960/5CT. Tubo: De acuerdo con código de Pemex Normas y el número de licencia del API a Tamsa Punzonado Para grados de acero resistentes a la corrosión no aplica

Diámetro (mm)

grado

CLIENTE

Paso del drift a todo lo largo del tubo

peso unitario (lb/pie)

Número del tubo y longitud (m)

Prueba hidráulica (13 M_Pascales)

ISO 11960/5CT-0124 Fecha N Col. #### Fecha 9.65 N S

####

TAMSA ISO 11960/5CT-0124

Fecha 339.72 9.65

54.50

N S INSP. AMALOG P 13 MPA BC D

Col. #### O.P. ####/

No. Tubo Longitud MT GRM INSP PEP HECHO EN MEXICO

ISO 11960/5CT-0124 Fecha N Z O.P. ####

Logotipo Tamsa

Número de cuadrilla

Logotipo API

Espesor (mm)

Inspección Amalog

Tubo sin costura (seamless)


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Conexión Butress

Número de orden de producción

Gerencia de Recursos materiales

Número de colada


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Código de colores


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46

Código de colores


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47

Código de colores


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Diámetro del calibrador ó mandril Diámetro 13 3/8” 11 3/4” 11 3/4” 11 3/4” 11 7/8” 10 3/4” 10 3/4” 9 5/8” 9 5/8” 9 5/8” 9 5/8” 9 7/8” 8 5/8” 8 5/8” 7 3/4” 7” 7”

Peso Unitario (lb/pie) Longitud del mandril Diámetro del mandril 72.0 42.0 60.0 65.0 71.8 45.5 55.5 40.0 48.4 53.5 58.40 62.80 32.0 40.0 46.1 23.0 32.0


12” 12” 12” 12” 12” 12” 12” 12” 12” 12” 12” 12” 6” 6” 6” 6” 6” TenarisTamsa

12.250” 11.000” 10.625” 10.625” 10.625” 9.875” 9.625” 8.750” 8.375” 8.500” 8.500” 8.500” 7.875” 7.625” 6.500” 6.250” 6.000” Septiembre, 2008 David Hernández M

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Anisotropía Concepto La anisotropía de un cuerpo se refiere a que no todas las partes de ese cuerpo posen las mismas propiedades mecánicas en todas las direcciones. 270° 0° 180° 90°


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Anisotropía Ejemplo: TR de 11 ¾” TRC-95 de un pozo Marino No. Colada

98366

98369

Posición 0° 90° 180° 270° 0° 90° 180° 270°


Fluencia (psi) Resistencia (psi) mín.=95,000 mín.=105,000 101,480 100,740 98,395 101,408 96,505 95,421 97,424 95,269 TenarisTamsa

116,865 115,782 115,376 116,291 110,277 112,364 112,235 106,609 Septiembre, 2008 David Hernández M

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Propiedades de la tubería.pdf

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