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
Análisis de fallas de un gasoducto con una grieta axial
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
Análisis de fallas de un gasoducto con una grieta axial
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.
Análisis de fallas de un gasoducto con una grieta axial
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.
Análisis de fallas de un gasoducto con una grieta axial
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.
Análisis de fallas de un gasoducto con una grieta axial
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.
Análisis de fallas de un gasoducto con una grieta axial
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.
Análisis de fallas de un gasoducto con una grieta axial
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).
Análisis de fallas de un gasoducto con una grieta axial
Mecánica de fractura
Modo I Modo II Modo III
F r e n t e d e grieta
Caras de grieta
Análisis de fallas de un gasoducto con una grieta axial
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
Análisis de fallas de un gasoducto con una grieta axial
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
Esf. circunferencial
Pa
0
2
4
6
Posición X
Posi
ción
Y
Esf. von Misesnormalizado
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
Esf. circunferencial
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
Esf. circunferencial
Pa
0
5
10
15
Posición X
Posi
ción
Y
Esf. von Misesnormalizado
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
Análisis de fallas de un gasoducto con una grieta axial
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
Análisis de fallas de un gasoducto con una grieta axial
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
Análisis de fallas de un gasoducto con una grieta axial
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
Análisis de fallas de un gasoducto con una grieta axial
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?
Análisis de fallas de un gasoducto con una grieta axial
FAD
05
1015
20
01
2
0
0.5
1
1.5
R/t
KIc=60
Lr
K r
Análisis de fallas de un gasoducto con una grieta axial
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
Análisis de fallas de un gasoducto con una grieta axial
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
Análisis de fallas de un gasoducto con una grieta axial
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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