Conceptos generales sobre las propiedades de las tuberías. -Normas API-
M.I. David Hernández Morales Servicios Técnicos Petroleros
13.11.16
Contenido Definición de tubería de revestimiento revestimiento Definición
Ley de Hook’s Esfuerzo a la cedencia Espesor del cuerpo del tubo Tensión Presión Interna Colapso Tubería para alto colapso (ovalidad y redondez) Pruebas de colapso Conceptos generales sobre las propiedades de
TenarisTamsa
Noviembre, 2005.
2
Contenido Definición de tubería de revestimiento revestimiento Definición
Ley de Hook’s Esfuerzo a la cedencia Espesor del cuerpo del tubo Tensión Presión Interna Colapso Tubería para alto colapso (ovalidad y redondez) Pruebas de colapso Conceptos generales sobre las propiedades de
TenarisTamsa
Noviembre, 2005.
2
Contenido Video Rango de la tubería de revestimiento y producción Diámetro exterior de la tubería Paso del calibrador ó mandril Propiedades de la tubería de acuerdo con la norma del API 5CT Anisotropía
Conceptos generales sobre las propiedades de
TenarisTamsa
Noviembre, 2005.
3
Tubería de revestimiento Definición La tubería de revestimiento es definida como un tubular de un rango de diámetro exterior de 4 1/2” hasta 20”. 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
TenarisTamsa
Noviembre, 2005.
4
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
TenarisTamsa
Noviembre, 2005.
5
Ley de Hook’s Concepto Si una barra de longitud L es sometida a una fuerza de tensión P, se
observará,
longitudinal a
la
d,
fuerza
una
deformación
L
que es proporcional aplicada
P
e
inversamente proporcional al área de la sección transversal de dicha barra. da
PL
d
P
A
Conceptos generales sobre las propiedades de
TenarisTamsa
Noviembre, 2005.
6
Ley de Hook’s Concepto Introduciendo
una
proporcionalidad
constante
“E”
de
característica
de cada material llamdo módulo de
L
elasticidad ó Young, tenemos; PL d=
EA
d
Despejando el módulo de Young: E=
P
PL d A
Conceptos generales sobre las propiedades de
TenarisTamsa
Noviembre, 2005.
7
Ley de Hook’s Concepto El esfuerzo axial unitario es: P s=
A
L
La deformación axial unitaria esta definida: e=
s
L
d
Por lo que el Módulo de Young es la relación entre el esfuerzo y deformación axial
E=
P
s e
Conceptos generales sobre las propiedades de
TenarisTamsa
Noviembre, 2005.
8
Ley de Hook’s Gráfico carga contra elongación Carga (s) Cualquier carga
último esfuerzo esfuerzo cedencia
ruptura
incremento
de
tensión
acompañado
de
de es un
incremento de longitud, por lo que esta Ley de Hoo’s es solo aplicable en la Región Elástica. Elongación (e)
Conceptos generales sobre las propiedades de
TenarisTamsa
Noviembre, 2005.
9
Esfuerzo a la cedencia Ejemplo de Pruebas de tensión Pruebas realizadas a una TR de 16”, N-80 de 84 lb/pie, de diferentes coladas utilizadas en el pozo Zaap 7D. No. Colada 96650 96995 97893 96503 96535 96570 96621 96881
Espesor (pg) Fluencia (psi) nominal (0.495) mín.=80,000 0.484 84,348 0.523 87,478 0.508 81,077 0.547 86,197 0.539 84,064 0.583 86,197 0.547 83,068 0.524 85,628
Conceptos generales sobre las propiedades de
TenarisTamsa
Resistencia (psi) mín.=110,000 122,042 125,029 119,766 121,615 116,068 125,029 120,619 118,628 Noviembre, 2005.
10
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
14
Media 12 10 8 6 4 2 0 90,000
102,000
106,000
Conceptos generales sobre las propiedades de
110,000
TenarisTamsa
114,000
118,000
122,000
126,000 (psi)
Noviembre, 2005.
11
Esfuerzo a la cedencia Distribución de valores Pruebas realizadas a una TR de 16”, N-80 de 84 lb/pie, de diferentes coladas utilizadas en el pozo Zaap 7D. 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
Conceptos generales sobre las propiedades de
TenarisTamsa
Noviembre, 2005.
12
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
Conceptos generales sobre las propiedades de
13.3
TenarisTamsa
13.6
13.9
14.2
(mm)
Noviembre, 2005.
13
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 = sy As FT = 0.7854 d
sy
(D2 - d2)
As
Conceptos generales sobre las propiedades de
FT = p TenarisTamsa
sy
(Dt - t2) Noviembre, 2005.
14
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 = 0.875 Pbr
As
El
API
permite
2
sy
t
D una
tolerancia
máxima permisible del espesor de la pared del tubo de menos el 12.5 %.
Conceptos generales sobre las propiedades de
TenarisTamsa
Noviembre, 2005.
15
Presión Interna Prueba hidráulica en línea a todos los tubos La pruebas hidráulica se realiza a todos los tubos de acuerdo con las normas del API, el cual es del orden del 80% de su capacidad mecánica a la presión interna durante 5 seg.
Conceptos generales sobre las propiedades de
TenarisTamsa
Noviembre, 2005.
16
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
TenarisTamsa
Noviembre, 2005.
17
Colapso 15 14 13
El API 5C3 presenta cuatro
fórmulas
cuales
las
permiten
predecir
el
valor
mínimo de resistencia al
colapso
del
material, de acuerdo con el tipo de falla:
12 ) i 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
Colapso plástico mínimo
plástico
transición, y
de
cedencia. Conceptos generales sobre las propiedades de
Colapso elástico promedio
Colapsos plástico y elástico mínimos
Colapso elástico mínimo
2
Colapso de transición
1
elástico,
Inicio de los modos de colapso elástico-plástico
0 10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
Relación diámetro/espesor TenarisTamsa
Noviembre, 2005.
18
Colapso Las cuatro ecuaciones Para colapso elástico
2 E 1 P c = 1 D D 1 t t Para colapso plástico A P c = s y B C D t 2
Conceptos generales sobre las propiedades de
2
TenarisTamsa
Para colapso de transición
F P c = s y G D t Para colapso de cedencia D
1 t P c = 2s y D t 2
Noviembre, 2005.
19
Colapso Las variables (polinomios) A
B C
= 2.8762 0.10679 X 10 s y 0.21301 X 10 s y 0.53132 X 10 = 0.026233 0.50609 X 10 s y = 465.93 0.03086s y 0.10483 X 10 s y 0.36989 X s y 5
2
10
16
3
s
y
6
7
B 3 A X 46 . 96 10 B 2 A F = B B 3 3 A 1 A s y B B 2 2 A A
2
13
3
3
6
G =
2
Conceptos generales sobre las propiedades de
TenarisTamsa
FB A
Noviembre, 2005.
20
Colapso )
t ( Relación Diámetro / espesor r o 45 s e p s 40 E / ) 35 D ( o r t e 30 m á i 25 D n ó i 20 c a l e 15 R 10
colapso elástico
colapso de transición
colapso plástico colapso de cedencia 0 5 8 5 - 0 0 5 0 0 5 0 5 0 7 6 7 5 2 2 3 3 4 - N K C y H y J L
0 5 0 5 0 0 5 0 5 0 0 5 0 0 0 0 9 - 9 0 1 1 2 2 3 3 4 5 5 6 7 8 1 - 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 C P
grado de acero Conceptos generales sobre las propiedades de
TenarisTamsa
Noviembre, 2005.
21
Colapso Colapso Elástico G r ad 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
r an 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
Conceptos generales sobre las propiedades de
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
TenarisTamsa
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
Noviembre, 2005.
22
Colapso Colapso Plástico 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
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
Conceptos generales sobre las propiedades de
TenarisTamsa
G r ad 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
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
Noviembre, 2005.
23
Tubería para alto colapso Factores a considerar para la tubería de alto colapso Aspecto Geométrico.
Propiedades químicas y mecánicas. La geometría de la tubería debe de cumplir con los mismos
requerimientos
que
para
una
tubería API,
especialmente aquellas tuberías con una alta relación D/t mayor a 13. El espesor del cuerpo juega un papel importante en la relación directa con la capacidad mecánica al colapso; por lo que durante la fabricación de este tipo de tubería se lamina como mínimo con el espesor nominal y hacía el Conceptos generales sobre las propiedades de
TenarisTamsa
Noviembre, 2005.
24
Tubería para alto colapso Ovalidad La ovalidad no significa una forma oval de la sección transversal, sino la irregularidad
del
diámetro
en
esa
sección. Entre más redonda sea una 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
permita
una
mayor
resistencia mecánica de la tubería. Conceptos generales sobre las propiedades de
TenarisTamsa
Noviembre, 2005.
25
Tubería para alto colapso 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=
0=
Dmáx. – Dmín. Dprom.
9.724 – 9.709
Conceptos generales sobre las propiedades de
9.717 TenarisTamsa
X 100
X 100 = 0.15 %
Noviembre, 2005.
26
Tubería para alto colapso Ovalidad La tubería para alto colapso se lamina con mínima ovalidad, realizando una continua medición en línea del diámetro exterior por sección y longitudinal, así como la redondez (máximos y mínimos) por medio de un medidor automático por emisión de rayos laser a la salida del calibrador,
incrementándose
la
frecuencia
física
de
medición
Conceptos generales sobre las propiedades de
TenarisTamsa
Noviembre, 2005.
27
Tubería para alto colapso 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). e=
e=
tmáx. – tmín. tprom.
0.558 – 0.542
Conceptos generales sobre las propiedades de
0.546 TenarisTamsa
X 100
X 100 = 2.93 %
Noviembre, 2005.
28
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 . La muestra debe de tener una longitud de 8 veces el diámetro.
Conceptos generales sobre las propiedades de
TenarisTamsa
Noviembre, 2005.
29
Pruebas de colapso
V I D E O
Conceptos generales sobre las propiedades de
TenarisTamsa
Noviembre, 2005.
30
Rango de tubería de revestimiento Rangos de longitudes permitidos por el API El rango tres es el más comúnmente utilizado en las tuberías de revestimiento.
Rango
Longitud (pies)
Longitud (m)
1
16 - 25
4.88 - 7.62
2
25 - 34
7.62 - 10.36
3
34 - 48
10.36 – 14.63
Conceptos generales sobre las propiedades de
TenarisTamsa
Noviembre, 2005.
31
Rango de tubería de producción Rangos de longitudes permitidos por el API El rango dos es el más comúnmente utilizado para las tuberías de producción.
Rango
Longitud (pies)
Longitud (m)
1
20 - 24
6.10 - 7.32
2
28 - 32
8.53 – 9.75
3
38 - 42
11.58 – 12.80
Conceptos generales sobre las propiedades de
TenarisTamsa
Noviembre, 2005.
32
Diámetro exterior de la tubería Tolerancia permitida por el API para el diámetro exterior
Diámetro exterior
Tolerancia
Diámetro mayor a 4 ½”
Hacía arriba 1%
(tubería de revestimiento)
Hacía abajo -0.5%
Diámetro menor a 4 ½”
+ ó – 0.31 pg
(tubería de producción) Conceptos generales sobre las propiedades de
TenarisTamsa
Noviembre, 2005.
33
Paso del calibrador ó mandril Diámetro
Peso Unitario (lb/pie)
Longitud del mandril
Diámetro del mandril
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 7/8” 8 5/8” 8 5/8” 7 3/4” 7” 7”
72.0 42.0 60.0 65.0 71.8 45.5 55.5 40.0 48.4 53.5 62.80 32.0 40.0 46.1 23.0 32.0
12” 12” 12” 12” 12” 12” 12” 12” 12” 12” 12” 6” 6” 6” 6” 6”
12.250” 11.000” 10.625” 10.625” 10.625” 9.875” 9.625” 8.750” 8.375” 8.500” 8.500” 7.875” 7.625” 6.500” 6.250” 6.000”
Conceptos generales sobre las propiedades de
TenarisTamsa
Noviembre, 2005.
34
Propiedades de la tubería Norma API 5CT Grupo
Grado
1
H–40
Tipo
J–55 K–55
2
3 4
N-80 M-65 L-80 L-80 L-80 C-90 C-90 C-90 C-90 C-95 T-95 T-95 T-95 P-110 Q-125 Q-125 Q-125
1 9Cr 13Cr 1, 2 1, 2 1, 2 1, 2 1, 2 1, 2 1, 2 1-4 1-4 1-4
Fluencia (psi) Mínima Máxima 40,000 80,000 55,000 80,000 55,000 80,000 80,000 110,000 65,000 85,000 80,000 95,000 80,000 95,000 80,000 95,000 90,000 105,000 90,000 105,000 90,000 105,000 90,000 105,000 95,000 110,000 95,000 110,000 95,000 110,000 95,000 110,000 110,000 140,000 125,000 150,000 125,000 150,000 125,000 150,000
Conceptos generales sobre las propiedades de
Resistencia (psi) 60,000 75,000 95,000 100,000 85,000 95,000 95,000 95,000 100,000 100,000 100,000 100,000 105,000 105,000 105,000 105,000 125,000 135,000 135,000 135,000
TenarisTamsa
Dureza HRC 22 23 23 23 25.4 25.4 25.4 25.4 25.4 25.4 25.4 -
Espesor de Pared (pg)
Var. dureza HRC
0.500 o menores
3.0 4.0 5.0 6.0
0.501 – 0.749 0.750 – 0.999
1.000 o mayor 0.500 o menor 0.501 – 0.749 0.750 – 0.999
0.5000 o menor 0.501 – 0.749
0.750 o mayor
3.0 4.0 5.0 3.0 4.0 5.0
Noviembre, 2005.
35
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°
Conceptos generales sobre las propiedades de
TenarisTamsa
Noviembre, 2005.
36
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°
Conceptos generales sobre las propiedades de
Fluencia (psi) mín.=95,000
Resistencia (psi) mín.=105,000
101,480 100,740 98,395 101,408 96,505 95,421 97,424 95,269
116,865 115,782 115,376 116,291 110,277 112,364 112,235 106,609
TenarisTamsa
Noviembre, 2005.
37
