Diseño de Tuberías de Revestimeinto

Marzo 01, 2004 | 003

Definición: Tubería de revestimiento

La tubería de revestimiento es definida como una tubular

con un rango de diámetro exterior que va desde 4” hasta

20”.

El API a adoptado una designación de grado a la tubería

de revestimiento definiendo, la característica del esfuerzo

de cedencia de la tubería.

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El código del grado consiste en una letra seguida de un

número, la letra designada por el API fue seleccionada

arbitrariamente para proporcionar una asignación única

para cada grado de acero que fue adoptada como

estandard, el número de la asignación representa el

mínimo esfuerzo a la cedencia del acero en miles de psi.

N - 80

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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

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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.

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Ley de Hook´s

Si una barra de longitud L es sometida

a una fuerza de tensión F, se

observará (dentro de la región

elástica), una deformación longitudinal

, que es proporcional a la fuerza

aplicada F e inversamente

proporcional al área de la sección

transversal de dicha barra.

L

F F L

A

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Ley de Hook´s

L

F

Introduciendo una constante de

proporcionalidad “E” característica

de cada material llamado módulo

de elasticidad ó de Young,

tenemos:

F L

E A

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Ley de Hook´s

Despejando el módulo de Young:

El esfuerzo axial unitario, esta definido

por:

E =F L

A

F

A

L

F

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Ley de Hook´s

La deformación axial unitaria ó

elongación axial adimensional esta

definido por:

L

Por lo que el módulo de Young es la relación entre el

esfuerzo axial y la deformación axial, obteniéndose:

E

L

F

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Ley de Hook´s

De acuerdo con la Ley de Hooke´s, cualquier incremento

de carga de tensión es acompañado de un incremento de

longitud. Esta Ley es aplicable solamente en la región

elástica

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Ley de Hook´s

Elongación (e)

Carga ( )

límite elásticoesfuerzo cedencia

ruptura

Cúltimo esfuerzoB

A

El punto B define el

esfuerzo de

cedencia del

material. Es

importante no

excederse de este

valor durante las

corridas de TR´s, y

operaciones para

prevenir fallas del

tubular.

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Ley de Hook´s

Elongación (e)

Carga ( )

límite elásticoesfuerzo cedencia

ruptura

Cúltimo esfuerzoB

A

La Ley de Hooke´s

no es aplicable de

la región elástica a

la plástica, hasta

alcanzar el último

esfuerzo. Las

cargas aplicadas en

la región causan

deformaciones

plásticas y

permanentes.

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Esfuerzo a la cedencia

Pruebas de tensión realizadas a una tubería de

revestimiento de 16”, N-80 de 84 lb/pie; pozo Zaap 7D.

No. Colada

9665096995978939650396535965709662196881

Fluencia (psi)mín.=80,000

84,34887,47881,07786,19784,06486,19783,06885,628

Espesor (pg)nominal (0.495)

0.4840.5230.5080.5470.5390.5830.5470.524

Resistencia (psi)mín.=110,000

122,042125,029119,766121,615116,068125,029120,619118,628

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Distribución del esfuerzo a la cedencia

0

2

4

6

8

10

12

14

16

90,000 102,000 106,000 110,000 114,000 118,000 122,000

psi

F

r

e

c

u

e

n

c

i

a

TR 13 3/8" TAC-95 72 lb/pie

media = 113,041 psi Desv. estandard = 4,664 n = 70

Max = 125,000 psi

126,000

Media

Min. = 95,000 psi

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Distribución del espesor del cuerpo

0

20

40

60

80

100

120

TR 13 3/8" TAC-95 de 72 lb/pie

Media = 13.61 mm Desviación estandard = 0.281 n = 710

11.2 12.4 13.3 13.6 13.9 14.2 mm

MediaF

r

e

c

u

e

n

c

i

a

87.5 % nominal API

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Tensión

La fuerza de tensión FT, tiende a jalar

parte de la tubería

D

d

F

T

A

s

FT = y As

FT = 0.7854 y (D2 - d2)

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Tensión

Calcule la fuerza de cedencia de la tubería

de 7 pg. TRC-95 32 lbs/pie

ID = 6.094 pg

D

d

F

T

A

s

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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 = 0.8752 y t

DP

br

A

s

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Presión Interna

Pbr = 0.8752 y t

D

De tal manera que el API permite una

tolerancia máxima permisible del

espesor de la pared del tubo de menos

el 12.5 %.Pb

r

A

s

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Colapso

Fuerza mecánica capaz

de deformar un tubo por el

efecto resultante de las

presiones externas.P

c

A

s

D

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Colapso

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Colapso

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.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Colapso plástico promedio

Inicio de los modos de

colapso elástico-plástico

Colapso elástico promedio

Colapso elástico mínimo

Relación diámetro/espesor

Pre

sió

n d

e c

ola

pso (

1,0

00 p

si)

Colapso

plástico

mínimo

Colapsos

plástico y

elástico mínimos

Colapso de transición

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

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Colapso

Colapso Elástico

PE

D

t

D

t

c

2

1

1

1

2 2

Colapso de Transición

PF

D

t

Gc y

Colapso Plástico

PA

D

t

B Cc y

Colapso de Cedencia

P

D

t

D

t

c y2

1

2

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Colapso

3162105 1053132.01021301.01010679.08762.2 yyy XXXA

yXB 61050609.0026233.0

31327 36989.01010483.003086.093.465 yyy XXC

2

3

6

2

3

1

2

3

2

3

1096.46

A

B

A

B

A

B

A

B

A

B

A

B

X

F

y

A

FBG

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Colapso

Grado rango D/t

H-40 42.64 y más grande

H-50 38.83 y más grande

J-K-55 y D 37.21 y más grande

- 60 35.73 y más grande

-70 33.17 y más grande

C-75 y E 32.05 y más grande

L-80 y N-80 31.02 y más grande


C-95 28.36 y más grande


P-105 26.89 y más grande

P-110 26.22 y más grande











Colapso Elástico

Grado rango D/t

H-40 27.01 - 42.64

H-50 25.63 - 38.83

J-K-55 y D 25.01 - 37.21

- 60 24.42 - 35.73

-70 23.38 - 33.17

C-75 y E 22.91 - 32.05

L-80 y N-80 22.47 - 31.02

-90 21.69 - 29.18

C-95 21.33 - 28.36

-100 21.00 - 27.60

P-105 20.70 - 26.89

P-110 20.41 - 26.22

-120 19.88 - 25.01

-125 19.63 - 24.46

-130 19.40 - 23.94

-135 19.18 - 23.44

-140 18.97 - 22.98

-150 18.57 - 22.11

-155 18.37 - 21.70

-160 18.19 - 21.32

-170 17.82 - 20.60

-180 17.47 - 19.93

Colapso de Transición

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Colapso

Colapso Plástico Colapso de Cedencia

Grado rango D/t

H-40 16.40 - 27.01

H-50 15.24 - 25.63

J-K-55 y D 14.81 - 25.01

- 60 14.44 - 24.42

-70 13.85 - 23.38

C-75 y E 13.60 - 22.91

L-80 y N-80 13.38 - 22.47

-90 13.01 - 21.69

C-95 12.85 - 21.33

-100 12.70 - 21.00

P-105 12.57 - 20.70

P-110 12.44 - 20.41

-120 12.21 - 19.88

-125 12.11 - 19.63

-130 12.02 - 19.40

-135 11.94 - 19.18

-140 11.84 - 18.97

-150 11.67 - 18.57

-155 11.59 - 18.37

-160 11.52 - 18.19

-170 11.37 - 17.82

-180 11.23 - 17.47

Grado rango D/t

H-40 16.40 y menores

H-50 15.24 y menores

J-K-55 y D 14.81 y menores

- 60 14.44 y menores

-70 13.85 y menores

C-75 y E 13.60 y menores

L-80 y N-80 13.38 y menores

-90 13.01 y menores

C-95 12.85 y menores

-100 12.70 y menores

P-105 12.57 y menores

P-110 12.44 y menores











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Tubería para alto colapso

Son importantes dos factores para la tubería de alto

colapso.

Aspecto Geométrico.

Propiedades químicas y mecánicas.

La geometría de la tubería debe de cumplir con los

requerimientos para una tubería API, especialmente

aquellas tuberías con una alta relación D/t mayor 13.

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Una tubería con bajo espesor y alta ovalidad, son

factores que se combinan para favorecer al colapso.

El espesor del cuerpo es el factor de gran importancia

en el colapso, debido a la relación directa con la

capacidad mecánica del tubo, por lo que durante la

fabricación de la tubería se lamina con el espesor

nominal y máximo.

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Ovalidad

La diferencia entre el diámetro exterior mínimo

y máximo, medido alrededor de una misma

sección transversal, expresada en porcentaje

con respecto al diámetro medio, es llamada

ovalidad (valor relativo).

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Redondez

La diferencia entre el diámetro exterior mínimo y

máximo (valor absoluto), se denomina redondez

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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.

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La tubería de alto colapso se lamina con la mínima

ovalidad posible, 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.

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Hoy en día se garantizan los valores de resistencia al

colapso, a través de una cámara de presión que permiten

realizar pruebas de colapso de tuberías desde 13 3/8” con

una longitud de 8 veces el diámetro bajo esfuerzos axial

cero.

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Rangos de tubería de revestimiento

El API utiliza tres rangos para tubería de revestimiento,

siendo los siguientes:

Rango

1

2

3

Longitud (pies)

16 - 25

25 - 34

34 - 48

Longitud (m)

4.88 - 7.62

7.62 - 10.36

10.36 – 14.63

El rango tres es el comúnmente utilizado en las tuberías de

revestimiento, debido a que se reduce el número de

conexiones durante las introducciones. El uso rango dos es

utilizado para los ajustes de las sartas.

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Rangos de tubería de producción

El API utiliza tres rangos para tubería de producción,

siendo los siguientes:

Rango

1

2

3

Longitud (pies)

20 - 24

28 – 32

38 - 42

Longitud (m)

6.10 - 7.32

8.53 – 9.75

11.58 – 12.80

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Diámetro de la tubería de revestimiento

El API permite las siguientes tolerancias en el diámetro

exterior:

Diámetro exterior de la

tubería

menores a 4 1/2”

de 4 1/2” a mayores

Tolerancia

más, menos 0.031 pg

+1%, -0.5% del diámetro nominal

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Anisotropia

0°

270°

180°

90

°

Posición

0°90°180°270°0°

90°180°270°

Fluencia (psi)mín.=95,000

101,480100,74098,395101,40896,505

95,42197,42495,269

Resistencia (psi)mín.=105,000

116,865115,782115,376116,291110,277

112,364112,235106,609

No. Colada

98366

98369

Resultados obtenidos en pruebas de

laboratorio realizadas en COMIMSA (1323-

IT/97-035), a una TR de 11 3/4” TRC-95.

Es a un cuerpo

que no posee

iguales

propiedades en

todas sus

direcciones.

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TAREA

Determine la Fuerza de cedencia (Tensión), Presión de colapso y Presión

interna de la siguiente tubería, con formulas anteriores:

Diámetro y radio Peso (lbs/pie) Fuerza de cedencia ( lbs) Presión Interna (psi) Presión de colapso (psi)

5 ½” N-80 17

6 5/8” TRC-95 28

7” C-95 35

7 5/8” P-110 45.30

9 5/8” N-80 53.50

10 ¾” L-80 55.50

13 3/8” TAC-80 72

16” K-55 109

20” J-55 133

2 3/8” J-55 6.2

2 7/8” C-90 7.9

3 ½” P-110 12.95

4 ” T-95 15.5

4 ½” TRC-90 17

Diseño de Tuberías de Revestimeinto

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