Propiedades de la tubería

12.02.09

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

David Hernández MoralesServicios Técnicos Petroleros

David Hernández MConceptos generales sobre las propiedades de las tuberías. Normas API

TenarisTamsa 2

Contenido

ü Definición de tubería de revestimientoü Ley de Hook’sü Esfuerzo a la cedenciaü Espesor del cuerpo del tuboü Tensiónü Presión Internaü Colapsoü Tubería para alto colapso (ovalidad y redondez)ü Pruebas de colapso


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Contenido

ü Videoü Rango de la tubería de revestimiento y producciónü Diámetro exterior de la tuberíaü Paso del calibrador ó mandril


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La tubería de revestimiento (revestidor ó casing) es definido como una tubería de diámetro exterior en rango de 4 1/2” (9.5 lb/pie) hasta 20” (133 lb/pie).

Tubería de revestimiento

Definición


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La tubería de producción (aparejo ó tubing) es definido como una tubería de diámetro exterior en rango de 4 1/2”(26.10 lb/pie) hasta 1.050” (1.14 lb/pie).

Tubería de producción

Definición


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El API ha designado el grado de acero, el cual consiste en una letra que fue seleccionada arbitrariamente seguida por un número el cual representa el mínimo esfuerzo a la cedencia del acero en miles de lb/pg2 ó psi.

Ejemplo: Una tubería en grado de acero N-80, tiene un esfuerzo a la cedencia de 80,000 lb/pg2

N-80 = 80,000 lb/pg2 ó 80,000 psi

Grado de acero

Definición


TenarisTamsa 7

Grado de acero


TenarisTamsa 8

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.

Ley de Hook’s

Concepto

P LA

δ α

L

δ

P


TenarisTamsa 9

Introduciendo una constante de proporcionalidad “E” característica de cada material llamdo módulo de elasticidad ó Young, tenemos;

Ley de Hook’s

Concepto

L

δ

P

P LE A

δ =

Despejando el módulo de Young:

P Lδ A

E =


TenarisTamsa 10

El esfuerzo axial unitario es:

Ley de Hook’s

Concepto

P A

σ =

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

εE =

La deformación axial unitaria esta definida:σ L

ε =

L

δ

P


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Cualquier incremento de carga de tensión es acompañado de un incremento de longitud, por lo que esta Ley de Hook’ses solo aplicable en la región elástica.

Ley de Hook’s

Gráfico carga contra elongación

Elongación (ε)

Carga (σ)

esfuerzo cedencia ó fluenciaruptura

último esfuerzo ó resistencia

E = Módulo de Young


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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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Muestra para pruebas de laboratorio

Propiedades químicas

Tensión

Dureza

Impacto


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Muestra para pruebas de laboratorio


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El fabricante deberá de cumplir como valores de fluencia (esfuerzo a la cedencia) y de resistencia.

Esfuerzo a la cedencia

Ejemplo: Casing de 16” N-80, 84 lb/pie

No. Colada

96995978939650396535965709662196881

Fluencia (psi)mín.=80,000

87,47881,07786,19784,06486,19783,06885,628

Espesor (pg)nominal (0.495)

0.5230.5080.5470.5390.5830.5470.524

Resistencia (psi)mín.=110,000

125,029119,766121,615116,068125,029120,619118,628


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Una colada corresponde 150 toneladas efectivas de acero líquido.

Colada


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El espesor del tubo influye directamente en las propiedades de la tubería.

Durante las operaciones de perforación, terminación, reparaciones y durante la vida productiva del pozo se pueden presentar desgaste mecánico en la paredes de la tubería ó desgaste químico por corrosión; entonces la capacidad de la tubería se veráreducida.

Espesor del cuerpo del tubo

t


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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:

Tensión

D

d As

FT = σy As

FT = 0.7854 σy (D2 - d2)

FT = π σy (Dt - t2)

F T


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Tensión


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Tensión y dureza – API 5CT


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La presión de estallamiento (burst) esta dada por la ecuación de Barlow´s y adoptada por el API. Se utiliza el 87.5% del valor mínimo del espesor de pared permisible, es decir el API permite una tolerancia máxima del 12.5% del espesor del cuerpo del tubo.

Presión Interna

Pbr AsPbr = 0.875

2 σy tD


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Presión Interna


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Presión Interna

Prueba hidráulica durante la fabricación de la tuberíaSe realiza un pruebas hidráulica a todos los tubos. La prueba consiste en cerrar ambos extremos del tubo y por uno de ellos aplicar

un presión hidráulica

(valor establecido por la

norma del API)

durante de 5 segundos.


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Colapso

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

Pc

As

D


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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

sión

de

cola

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

Para colapso elástico Para colapso de transición

Para colapso plástico Para colapso de cedencia

P

DtDt

c y=

−

21

2σ

Las cuatro ecuaciones

PAcDt

Bc Ccc y=

−

−σ

PFcDt

Gcc y=

−

σPE

Dt

Dt

c =−

−

21

1

12 2ν


TenarisTamsa 28

Colapso

( ) ( ) ( )3162105 1053132.01021301.01010679.08762.2 yyy XXXAc σσσ −−− −++=

( )yXBc σ61050609.0026233.0 −+=

( ) ( ) ( )31327 1036989.01010483.0030867.093.465 yyy XXCc σσσ −− −−+−=

Variables, A, B, C, F y G

AcFcBcGc =

2

3

6

2

3

12

3

2

3

1095.46

+

−

−

+

+

=

AcBc

AcBc

AcBc

AcBc

AcBc

AcBc

AcBc

X

Fc

yσ


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Colapso

Relación Diámetro / espesor

10

15

20

25

30

35

40

45

20 25 30 35

H-4

0

50

J y

K-55

60 70

C-7

5

L y

N-8

0

C-9

0

95 100

P-10

5

110

120

125

130

135

140

150

155

160

170

180

grado de acero

Rel

ació

n D

iám

etro

(D) /

Esp

esor

(t)

colapso elásticocolapso de transición

colapso plástico

colapso de cedencia


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Colapso

Grado rango D/tH40 42.64 y más grande-50 38.83 y más grandeJ55, K55 37.21 y más grande- 60 35.73 y más grande-70 33.17 y más grandeC75 y E75 32.05 y más grandeL-N-80 31.02 y más grandeC90 29.18 y más grandeC95, T95, X95 28.36 y más grande-100 27.60 y más grandeP105, G105 26.89 y más grandeP110 26.22 y más grande-120 25.01 y más grandeQ125 24.46 y más grande-130 23.94 y más grandeS135 23.44 y más grande-140 22.98 y más grande-150 22.11 y más grande-155 21.70 y más grande-160 21.32 y más grande-170 20.60 y más grande-180 19.93 y más grande

Colapso ElásticoGrado rango D/tH40 27.01 - 42.64-50 25.63 - 38.83J55, K55 25.01 - 37.21- 60 24.42 - 35.73-70 23.38 - 33.17C75 y E75 22.91 - 32.05L-N-80 22.47 - 31.02C90 21.69 - 29.18C95, T95, X95 21.33 - 28.36-100 21.00 - 27.60P105, G105 20.70 - 26.89P110 20.41 - 26.22-120 19.88 - 25.01Q125 19.63 - 24.46-130 19.40 - 23.94S135 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 CedenciaGrado rango D/t

H40 16.40 - 27.01-50 15.24 - 25.63J55, K55 14.81 - 25.01- 60 14.44 - 24.42-70 13.85 - 23.38C75 y E75 13.60 - 22.91L-N-80 13.38 - 22.47C90 13.01 - 21.69C95, T95, X95 12.85 - 21.33-100 12.70 - 21.00P105, G105 12.57 - 20.70P110 12.44 - 20.41-120 12.21 - 19.88Q125 12.11 - 19.63-130 12.02 - 19.40S135 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/tH40 16.40 y menores-50 15.24 y menoresJ55, K55 14.81 y menores- 60 14.44 y menores-70 13.85 y menoresC75 y E75 13.60 y menoresL-N-80 13.38 y menoresC90 13.01 y menoresC95, T95, X95 12.85 y menores-100 12.70 y menoresP105, G105 12.57 y menoresP110 12.44 y menores-120 12.21 y menoresQ125 12.11 y menores-130 12.02 y menoresS135 11.94 y menores-140 11.84 y menores-150 11.67 y menores-155 11.59 y menores-160 11.52 y menores-170 11.37 y menores-180 11.23 y menores


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Tubería para alto colapso (TAC)

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 busca laminar hacía el máximo espesor permitido, sin restringir el paso de la barrena (drift).

Factores que se considerar para la tubería de alto colapso


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Cuando la tubería es más redonda, la distribución de los esfuerzos que se aplican desde el exterior será más uniformes (efecto de arco). Este equilibrio permite mayor resistencia a la tubería.

La norma del API 5CT ó ISO 11960 no especifica un valor de ovalidad, pero un valor superior del 1% es bien aceptado.

Ovalidad


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Es la diferencia entre el diámetro exterior máximo y mínimo medido alrededor de la misma sección transversal. Se expresa en porcentaje con respecto al diámetro promedio (valor relativo).

Cálculo de la ovalidad

Dmáx. – Dmín.

Dprom.0 = X 100

9.724 – 9.7099.717

0 = X 100 = 0.15 %


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La excentricidad es la diferencia entre el espesor máximo y mínimo medido alrededor de una misma sección transversal. Se expresa en porcentaje con respecto al espesor promedio (valor relativo). La norma del API no especifica un valor respecto a la excentricidad, pero el límite superior del 10% al 12 % es bien aceptado.

Cálculo de la excentricidad del tubo

tmáx. – tmín.

tprom.e = X 100

0.558 – 0.5420.546

e = X 100 = 2.93 %


TenarisTamsa 36

Pruebas de colapso

Equipo para prueba de colapso en plantaSe realizan de dos a tres pruebas por cada colada. El rango del equipo de prueba es de 13 3/8” a 5” y la muestra debe de tener un 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

( )( )D

JQ yσ096167.0

=

Es la capacidad que tiene una tubería al efecto torsor. Es decir:

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)


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Elongación de la tubería

Elongación de la tubería

( )( )( )AsE

LWe 12=

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

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)


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Composición química de los aceros


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Longitud de los casing

El rango tres es el más comúnmente utilizado en las tuberías de revestimiento.

Rangos establecidos por la norma API 5CT/ISO 11960

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

Máx. var. perm. (pies)

6

5

6


TenarisTamsa 42

Longitud de los casing


TenarisTamsa 43

Longitud del tubing

El rango dos es el más comúnmente utilizado para las tuberías de producción.

Rangos establecidos por la norma API 5CT/ISO 11960

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

Máx. var. perm. (pies)

2

2

2


TenarisTamsa 44

Diámetro exterior de la tubería

Tolerancia permitida para el diámetro exterior de acuerdo con la norma API 5CT/ISO 11960.

Diámetro

exterior

Diámetro 4 ½”

(casing)

Diámetro 4 ½”

(tubing)

Tolerancia hacía abajo

0.5% del diámetro

0.031 pg

Tolerancia hacía arriba

1% del diámetro

0.031 pg


TenarisTamsa 45

Calibración de la tubería

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.

Paso del drift


TenarisTamsa 46

Drift de la tubería

Drift de acuerdo con la norma del API 5CT/ISO 11960

Diámetro de la tubería

Casing & liners:

13 3/8”

13 3/8” - 9 5/8”

9 5/8”

Tubing:

2 7/8”

2 7/8”

Longitud drift (pg)

12”

12”

6”

42”

42”

Diámetro drift (pg)

d – 6/32”

d – 5/32”

d - 1/8”

d - 1/8”

d - 3/32”


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Marcaje de la tubería

Ejemplo: Casing 13 3/8” N-80 54.5 lb/pie BTC

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 Col. ####

PunzonadoPara grados de acero resistentes a la corrosión no aplica

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

Logotipo Tamsa Logotipo API

Diámetro (mm)

Espesor (mm)

peso unitario (lb/pie)

grado

Tubo sin costura(seamless)

InspecciónAmalog

Prueba hidráulica(13 M_Pascales)

Conexión Butress

Número de colada

Número de orden de producción

Paso del drift a todo lo largo del tubo

Gerencia de Recursos materiales

Número del tubo y longitud (m)

Normas y el número de licencia del API a Tamsa

Número de cuadrilla

Código de colores:Cople: De acuerdo con ISO 11960/5CT.Tubo: De acuerdo con código de Pemex

CLIENTE


TenarisTamsa 48

Código de colores


TenarisTamsa 49

Código de colores


TenarisTamsa 50

Código de colores


TenarisTamsa 51

Diámetro del calibrador ó mandrilDiámetro

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)

72.042.060.065.071.845.555.540.048.453.5

58.4062.8032.040.046.123.032.0

Longitud del mandril

12”12”12”12”12”12”12”12”12”12”12”12”6”6”6”6”6”

Diámetro del mandril

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”

12.02.09

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

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