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Análisis de fallas de un gasoducto con una grieta axial

XXI Convención Internacional y X Exhibición Industrial del Gas AVPG 2015

“Gas Natural para un Desarrollo Sustentable”

Caracas, 19-21 de mayo de 2015

Paulo Teixeira - USB Marco González - USB Manuel Martínez - UCV

Sesión: El Mundo de los Materiales en la Industria del Gas


Contenido •  Introducción •  Objetivos •  Mecánica de fractura •  Método de Elementos de Contorno •  API 579-ASME FFS1 •  Factores de Intensificación de Esfuerzos (KI) •  Diagrama de Evaluación de Fallas (FAD) •  Conclusiones


Introducción •  La fórmula para el diseño de un gasoducto se basa

en el análisis de esfuerzos de elementos cilíndricos de pared delgada sometidos a presión.

•  Los esfuerzos circunferenciales que ocurren en la tubería se comparan con el esfuerzo admisible del material usando alguna de teoría de falla (Rankine, Tresca) y factores de seguridad predeterminados.

•  Esta comparación permite obtener el espesor de pared mínimo que soporta tales esfuerzos o determinar la presión máxima de trabajo que admite la tubería.


Introducción •  El código ASME B31.8, Gas transmission and distribution

piping systems, cubre el diseño, fabricación, instalación, inspección y pruebas de gasoductos.

•  ASME B31.8, en su parágrafo 841.1.2, indica la fórmula a utilizar para el diseño de gasoductos

𝑡= 𝑃𝐷/2𝑆𝐹𝐸𝑇  •  Sin embargo, a veces la falla de la tubería ocurre a un

esfuerzo nominal por debajo del esfuerzo admisible del material.

•  En esos casos, el fallo está relacionado con la presencia de defectos o discontinuidades estructurales pre-existentes o no, los cuales han generado un nuevo parámetro a ser evaluado: Resistencia a la fractura de la tubería.


Introducción •  Una falla de este tipo en gasoductos puede

implicar un estallido o fugas al medio ambiente, con el consecuente peligro de pérdida de valiosos recursos humanos y materiales.

•  Es de interés no solo conocer cuándo se produce la falla por fractura, sino también determinar cómo se propaga o crece una grieta en el material para estimar la vida útil remanente.


Introducción •  El parágrafo 841.1.2 de ASME B31.8 establece que se

debe especificar un criterio de resistencia a la fractura u otro método para controlar la propagación de la grieta cuando una de las siguientes situaciones ocurre: o  Tubería diseñada para resistir esfuerzos circunferenciales entre

40% y 80% del SMYS para tuberías φ ≥ 16”, y entre 72% y 80% del SMYS para φ < 16”

o  Tubería con una temperatura de diseño ≤ -20 °F (-29 °C)

•  Cuando se utiliza un criterio de resistencia a la fractura, el control se puede lograr asegurando que el tubo tiene la ductilidad adecuada y especificando una dureza adecuada o instalando un supresor de grieta en la tubería para detener la propagación.


Introducción •  En la actualidad diversos trabajos de estudio de

comportamiento de grietas han sido realizados, donde se puede destacar el uso de API 579-1/ASME FFS-1 (Fitness-For-Service)

•  Estos trabajos presentan una serie de recomendaciones en el diseño y evaluación de componentes en presencia de grietas, sometidos a fatiga y otras condiciones de operación.

•  Las tuberías podrían tener grietas internas radiales causadas por la degradación debido a la corrosión, así como defectos originales en el material.

•  Estas grietas son comunes y peligrosas debido a la presencia de los esfuerzos circunferenciales debido a la presión interna.


Objetivos •  En este trabajo se presenta un análisis comparativo

entre los resultados de aplicar, a un gasoducto con un defecto tipo grieta axial, la norma API 579-1/ASME FFS-1 y un programa de computación basado en el Método de los Elementos de Contorno en dos dimensiones.

•  Esta presentación se centra en el modelado de una grieta axial superficial interna de un elemento cilíndrico sometida a presión interna mediante el programa 2D-BEM, para determinar el factor de intensidad de esfuerzos (KI) en la punta de la grieta. Este factor se utiliza para predecir el comportamiento mecánico del elemento cuando se somete a un estado de cargas.

•  Además, se presenta un análisis de vida remanente de un gasoducto a través de un Diagrama de Evaluación de Fallas (FAD).


Mecánica de fractura

Modo I Modo II Modo III

F r e n t e d e grieta

Caras de grieta


Método de Elementos de Contorno •  El método de elementos de contorno (BEM) es una técnica

numérica que sirve para resolver las ecuaciones de elasticidad discretizando solo el dominio de la geometría, siendo una alternativa válida respecto a otros métodos como el método de elementos finitos (FEM)

0 0.5 1 1.5 20

0.5

1

1.5

2

BEM FEM


Método de Elementos de Contorno

Método de Elementos de Contorno

0.82 0.84 0.860.82

0.84

0.86

Posición X

Posi

ción

Y

Esf. circunferencial

Pa

0

2

4

Posición X

Posi

ción

Y

Esf. von Misesnormalizado

a/t=0.20 1 2

0

0.5

1

1.5

2Pa

0.511.522.53

Posición X

Posi

ción

Y

Def. total

a/t=0.20 1 2

0

0.5

1

1.5

2m

6

8

10

x 10-6

0.96 0.98 10.96

0.98

1

Posición X

Posi

ción

Y


Pa

0

2

4

6

Posición X

Posi

ción

Y


a/t=0.40 1 2

0

1

2Pa

0.511.522.53

Posición X

Posi

ción

Y

Def. total

a/t=0.40 1 2

0

0.5

1

1.5

2m

0.811.21.41.6

x 10-5

1.1 1.151.1

1.12

1.14

Posición X

Posi

ción

Y


Pa

0

5

10

Posición X

Posi

ción

YEsf. von Mises

normalizado

a/t=0.60 1 2

0

0.5

1

1.5

2Pa

0.511.522.53

Posición X

Posi

ción

Y

Def. total

a/t=0.60 1 2

0

0.5

1

1.5

2m

1

1.5

2

2.5

x 10-5

1.24 1.26 1.281.24

1.26

1.28

Posición X

Posi

ción

Y


Pa

0

5

10

15

Posición X

Posi

ción

Y


a/t=0.80 1 2

0

1

2Pa

0.511.522.53

Posición X

Posi

ción

Y

Def. total

a/t=0.80 1 2

0

1

2m

2

3

4

5x 10-5


API 579-‐‑ASME FFS1

Inspección

Evaluación estructural del

defecto

•  Estado de esfuerzos •  Resistencia remanente •  Vida útil •  Riesgo

Actividades remediales

•  Nivel 1: visual •  Nivel 2: cálculos

empíricos •  Nivel 3: Análisis

numérico

•  Visual •  Ultrasonido •  Liquido

penetrante


Factores de Intensificación de Esfuerzos (KI)

0

50

100

150

200

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

KI/(

P i√a

)

a/t

BEM-Ri/t=12 API579-Ri/t=12 BEM-Ri/t=25 API579-Ri/t=25


Diagrama de Evaluación de Fallas (FAD)

•  El FAD es una herramienta gráfica que permite evaluar, a partir de un análisis elástico - lineal, el modo de falla de un componente.

•  en función de •  Para construir el diagrama de falla se necesitan:

o  Factores de intensificación de esfuerzo (KI) asociados a la grieta objeto de estudio

o  Propiedades del material, o  Estado de esfuerzo en el ligamento


FAD Vida remanente

𝐿↓𝑟 = 𝜎/𝜎↓𝑐𝑜𝑙𝑎𝑝𝑠𝑜  

𝐾↓𝑟 = 𝐾↓𝐼 /

𝐾↓𝐼𝑐  

Defecto

CRECIMIENTO DE GRIETA

No falla!

¿Qué pasa si una grieta crece?


FAD

05

1015

20

01

2

0

0.5

1

1.5

R/t

KIc=60

Lr

K r


FAD •  Si se determina, para diferentes valores de 𝐾↓𝐼𝑐 , la

intersección entre las curvas de evaluación y la curva envolvente del FAD, se puede calcular la longitud crítica de grieta 𝑎↓𝑐 /𝑡 , para cada una de las configuraciones geométricas.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

0.2

0.4

0.6

0.8

2030

40 5060 70 80

KIc

R/t

a c/t

Lr>1


Conclusiones •  A partir del FAD, se obtuvo que:

o  Para tuberías de pared gruesa ( 𝑅/𝑡 <4): la falla tiende a ser por colapso plástico

o  Para tuberías de pared delgada ( 𝑅/𝑡 ≥4): la falla tiende a ser por fractura

•  La metodología propuesta se destaca por su capacidad para: o  Determinar la longitud critica de una grieta en un gasoducto o  Evaluar la integridad mecánica del componente

•  La vida remanente del gasoducto puede ser determinada si se incluyera un modelo de crecimiento de grieta por fatiga

¡GRACIAS!

XXI Convención Internacional y X Exhibición Industrial del Gas AVPG 2015

“Gas Natural para un Desarrollo Sustentable”

Caracas, 19-21 de mayo de 2015


Introducción •  ingeniería de evaluación crítica: un procedimiento

analítico basado en la mecánica de fractura que permite la determinación de los tamaños máximos tolerables para las imperfecciones, y llevado a cabo por o bajo la supervisión de una persona competente con la comprensión demostrada y experiencia en la aplicación de los principios de ingeniería relacionados con el tema de ser evaluado.

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