PROYECTO DE GRADO CAETO V1 - Unilibre

0

ANALISIS DE UN MODELO DE CÁLCULO DE RIESGO Y PROBABILIDAD DE FALLA EN JUNTAS SOLDADAS CIRCUNFERENCIALES SOMETIDAS A EVENTOS DE SUSCEPTIBILIDAD GEOTÉCNICA.

CAMILO ELIÉCER TORRES CASTRO

UNIVERSIDAD LIBRE

INSTITUTO DE POSGRADOS INGENIERÍA

ESPECIALIZACIÓN EN SOLDADURA

BOGOTÁ

2012

1

ANALISIS DE UN MODELO DE CÁLCULO DE RIESGO Y PROBABILIDAD DE FALLA EN JUNTAS SOLDADAS CIRCUNFERENCIALES SOMETIDAS A EVENTOS DE SUSCEPTIBILIDAD GEOTÉCNICA.

CAMILO ELIÉCER TORRES CASTRO

Trabajo de Grado como requisito para optar por el título de:

ESPECIALISTA EN SOLDADURA

Director:

Ing. Héctor Fernando Rojas Molano

UNIVERSIDAD LIBRE

INSTITUTO DE POSGRADOS INGENIERÍA

ESPECIALIZACIÓN EN SOLDADURA

BOGOTÁ

2012

2

AGRADECIMIENTOS

Agradecido con Dios por permitirme ampliar mis conocimientos. A Ecopetrol S.A por la

oportunidad de estudio que me brinda y a mi hermosa familia, por su incondicional apoyo

y paciencia.

3

ÍNDICE

1. ANTECEDENTES 7

2. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA 7

3. JUSTIFICACIÓN. 8

4. OBJETIVOS 8

4.1. GENERAL 8

4.2. ESPECÍFICOS 8

5. DELIMITACIÓN DEL PROYECTO 9

6. MARCO REFERENCIAL (Fundamentación) 9

6.1. INTRODUCCIÓN 9

6.2. PRINCIPIOS GEOTÉCNICOS: 11

6.2.1. TIPOS DE DESLIZAMIENTOS DE TIERRA 12

6.2.2. CAUSAS DE LOS DESLIZAMIENTOS: 17

6.3. ELEMENTOS DE DISEÑO DE UNA TUBERÍA DE TRANSPORTE 18

6.4. TIPOS DE CARGAS INVOLUCRADAS EN DISEÑOS DE TUBERÍA 18

6.5. DISEÑO GEOTÉCNICO: 19

6.5.1. ESTABILIDAD DE PENDIENTES: 19

6.5.2. ESPESOR DE PARED Y GRADO DE LA TUBERÍA: 20

6.5.3. BASE DE CÁLCULOS DE ACUERDO CON LOS CÓDIGOS ASME B31.4, B31.8 Y OTROS ESTANDARES 22

6.6. TEORÍA DE RIESGO PARA INFRAESTRUCTURA PETROLERA: 23

6.6.1. CONCEPTOS BÁSICOS: 23

6.6.2. MANEJO DEL RIESGO Y REDUCCIÓN DEL RIESGO: 24

6.6.3. RIESGO RELATIVO VERSUS RIESGO ABSOLUTO 24

6.6.4. CONSECUENCIA Y PROBABILIDAD PARA UNA INSPECCIÓN BASADA EN RIESGO (RBI) 24

6.6.5. CÁLCULO DE PROBABILIDAD DE FALLA 25

6.6.6. CÁLCULO DE CONSECUENCIAS DE FALLA 26

6.6.7. TIPOS DE VALORACIONES DE RIESGOS: 27

6.6.8. MATRIZ DE RIESGO 28

4

6.6.9. PLAN DE MITGACIÓN DE RIESGOS: 29

6.6.10. PROCESO ACTUAL DE MITIGACIÓN DE RIESGOS 30

6.6.12. VALORACIÓN DE RIESGO, IDENTIFICACIÓN DE AMENAZAS 32

6.6.13. VALORACIÓN DE RIESGO, ANÁLISIS Y EVALUACIÓN DE RIESGO 33

6.6.14. TRATAMIENTO DE RIESGOS 34

6.6.16. COMUNICACIÓN Y DIVULGACIÓN DE ALARMAS 36

6.6.17. Ejemplo de Mitigación del Riesgo en el Poliducto Salgar – Cartago 36

6.7. MECANICA DE LA FRACTURA 38

6.8. MARCO NORMATIVO. 39

6.8.1. ESTÁNDARES API (American Petroleum Institute) 39

6.8.2. CODIGOS ASME (American Society of Mechanical Engineers) 40

6.8.3. REGULACIÓN DOT (Department of Transportation of the USA) 40

6.8.4. CÓDIGOS NACE (National Association of Corrosion Engineers) 40

6.8.5. AUSTRALIAN STANDARDS 40

6.9. MARCO CONCEPTUAL. (Términos y definiciones) 40

7. DISEÑO METODOLOGICO 43

8. RESULTADOS 43

8.1. CONTEXTUALIZACIÓN DE MODELOS DE CÁLCULO DE ESTADOS LIMITE EN SOLDADURAS CIRCUNFERENCIALES (Etapa de revisión de Modelos) 43

8.2. RASTREO DE MODELOS DE CÁLCULO DE ESFUERZOS EN JUNTAS SOLDADAS 46

8.2.1. MODELO DE DISEÑO CON BASE EN CAPACIDAD DE DEFORMACIÓN: 47

8.2.2. ECUACIONES GENERALIZADAS DE CAPACIDAD DE DEFORMACIÓN POR TENSIÓN: 47

8.2.3. VALIDACIÓN DE LAS ECUACIONES DE CAPACIDAD DE DEFORMACIÓN BAJO TENSIÓN GENERALIZADA USANDO INFORMACIÓN DE PRUEBAS DE GRAN ESCALA. 50

8.2.4. DESARROLLO DE ECUACIONES SIMPLIFICADAS DE CAPACIDAD DE DEFORMACIÓN POR TENSIÓN PARA TUBERIAS DE GRADO X65-X80 52

8.2.5. CONSIDERACIONES DE TENACIDAD PARA DISEÑOS BASADOS EN DEFORMACIÓN 53

8.3. VALIDACIÓN DE METODOLOGIA FFS (FITNESS FOR SERVICE) 54

8.3.1. TECNICAS DE VALORACIÓN Y CRITERIOS DE ACEPTACIÓN 56

8.3.2. RESUMEN DE METODO PARA DEFINIR ESTADO LIMITE DE CONDICIÓN EN JUNTAS SOLDADAS 62

8.4. METODOS DE CALCULO DE CARGAS DE TERRENOS A TUBERIAS 64

8.5. OTROS CRITERIOS DE FLUENCIA 65

5

8.6. MODELO DE CALCULO DE CARGA DEBIDO A PRESIÓN LATERAL DEL SUELO 67

8.7. CALCULO DE RIESGO GEOTECNICO 69

8.7.1. GEOMETRÍA Y TOPOGRAFÍA 70

8.7.1.1. TOPOGRAFÍA 70

8.7.1.2. GEOMETRÍA DEL CRUCE DE LA TUBERÍA 71

8.7.2. PARÁMETROS DE LA TUBERÍA (Caso de estudio) 73

8.7.2.1. RESISTENCIA 73

8.7.2.2. DETERIORO 73

8.7.2.3. USO DE LA LÍNEA 74

8.7.3. LITOLOGÍA Y GEOLOGÍA 74

8.7.3.1. FORMACIÓN Y ORIGEN 74

8.7.3.2. TAMAÑOS DE PARTÍCULAS 76

8.7.4. PARÁMETROS REGIONALES 76

8.7.4.1. CLIMA 76

8.7.4.2. SISMICIDAD 76

8.7.4.3. USOS DEL SUELO 77

8.7.5. AGUA SUPERFICIAL Y SUBTERRÁNEA: 77

8.7.5.1. VEGETACIÓN: 77

8.7.5.2. CUERPOS DE AGUA 78

8.7.5.4. CARACTERÍSTICAS HIDROLÓGICAS 80

8.7.5.5. PROCESOS DE DETERIORO 81

8.7.5.6. EVIDENCIA DE INICIO DE MOVIMIENTO 82

8.7.6. MANTENIMIENTO Y MONITOREO 82

8.7.6.1. MANTENIMIENTO 82

8.7.6.2. MONITOREO 82

9. ANALISIS DE RESULTADOS 83

9.1. PROPUESTA DE PARAMETROS PARA CALCULO DE RIESGO GEOTECNICO 83

9.2. MEDICIÓN Y MONITOREO DE ESFUERZOS EN TUBERÍAS 86

9.2.1. MÉTODOS PARA DETECTAR ESFUERZOS Y DEFORMACIONES GENERADAS EN TUBERÍA POR MOVIMIENTO DE TERRENO 89

9.2.2. METODOS PARA PREDECIR ESFUERZOS Y DESPLAZAMIENTO DE DUCTOS 90

9.2.3. MÉTODOS PARA MEDIR EL DESPLAZAMIENTO DEL TERRENO CIRCUNDANTE A LA TUBERÍA. 92

6

10. CONCLUSIONES 93

11. RECOMENDACIONES 94

12. BIBLIOGRAFÍA 94

7

TÍTULO

Análisis de un modelo de cálculo de riesgo y probabilidad de falla en juntas soldadas circunferenciales

sometidas a eventos geotécnicos en los ductos de transporte de Hidrocarburos de Ecopetrol S.A.

1. ANTECEDENTES

Actualmente se están generando1 modelos predictivos para categorizar la incidencia de los movimientos

del terreno sobre las tuberías de transporte de hidrocarburos.

Desde 2008, se ha estado trabajando en desarrollar Estados Limites (Limit States) para cargas geotécnicas y

las siguientes lecciones aprendidas han aportado para el mejoramiento de los mismos:

• Los modelos requieren cuantificar las cargas geotécnicas y la capacidad/resistencia (Esfuerzo de Ruptura por Tensión vs Distorsión local por compresión) de las soldaduras.

• La identificación de las cargas geotécnicas es definida por la región (usualmente caracterizada por la capa país) y traducida en términos de Exigencia de esfuerzo (Ground deformation movement and Pipe-Soil Interaction Modeling)

• La identificación de la capacidad o estado limite, puede ser determinada por modelos definidos por diversas metodologías de fractomecanica.

• El criterio de aceptación o los factores de seguridad pueden ser establecidos en forma deterministica o probabilística (blancos de confiabilidad).2

La Vicepresidencia de Transporte y logística VIT de Ecopetrol S.A, ha venido desarrollando un modelo de

Riesgo enfocado en geotecnia, para el cual uno de los parámetros a valorar esta enfocado en las tuberías y

propiedades de las mismas. El resultado es el nivel de riesgo sectorial de todo el sistema de transporte.

2. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA

El mayor detonante de fallas en la Infraestructura de transporte de hidrocarburos a nivel mundial es

causado por la amenaza de clima y fuerzas externas, particularmente por geotecnia. Evidentemente en

los flancos de cualquier deslizamiento se va a ver involucrada una junta soldada circunferencial de

unión de las tuberías, lo que se convierte en un fusible de falla debido a diversos factores que

incrementan la susceptibilidad a la falla.

La única manera de mitigar y disminuir el riesgo de falla en casi todos los casos involucra el retiro del

sector de la tubería para una reubicación en una zona segura. Esta actividad en muchos de los casos es

tediosa y de alto riesgo para las personas y para el activo, generando altos costos de mantenimiento y

lucros cesantes por paros de bombeo de los sistemas.

1 Methodology for the assesment of rockfall hazard and risk linear transportation corridors, Canadá.

2 Transcanada. Integrity management process for geo-hazards in the Ocensa pipeline system.

8

De acuerdo con la necesidad de continuar las operaciones evitando el desabastecimiento de

combustibles al país, nace la necesidad de evaluar los estados límites de condición ante eventos

geotécnicos, usando metodologías de cálculo que permitan definir un periodo de operación segura y

de esta manera realizar planeaciones de mantenimiento acertadas.

3. JUSTIFICACIÓN.

Desde el año 20063 en Ecopetrol S.A se han presentado una serie de fallas en los ductos de transporte de

hidrocarburos, causados principalmente por la amenaza a la Integridad denominada Clima y Fuerzas

externas. Dicha amenaza se tipifica como movimientos de tierra lentos (reptaciones) y de carácter súbito.

Muchas de las fallas reportadas ocurrieron en las juntas circunferenciales de unión Tubo a tubo.

La mayoría de estudios4 enfocados en el análisis mecánico y de esfuerzo, se basan en la interacción de las

cargas netas aplicadas al ducto contra las características mecánicas del mismo. Estas interacciones de carga

son función de las propiedades geomecánicas del suelo en análisis y de la calidad de materiales con los que

se fabricaron los ductos. Estos modelos alimentan de manera sistemática el cálculo de susceptibilidad de

falla por el mecanismo de movimiento de tierras de los ejercicios RBI (Risk Based inspection) que

actualmente se llevan a cabo en la infraestructura.

La necesidad de involucrar un análisis de carga unitario aplicado a las juntas circunferenciales de unión tubo

a tubo en ductos cuya vulnerabilidad geotécnica es alta, contribuye a afinar y robustecer los modelos

actuales de predicción y fundamentación de los RBI.

4. OBJETIVOS 4.1. GENERAL

Estudiar un modelo que permita calcular el riesgo y la probabilidad de falla de las juntas de soldadura de

tuberías de transporte de hidrocarburos, sometidas a cargas debidas a movimientos de terrenos.

4.2. ESPECÍFICOS

4.2.1. Revisar las posibles metodologías que apliquen para realizar análisis de estados limite de condición debidos a cargas geotécnicas en soldaduras.

4.2.2. Validar la aplicabilidad de la evaluación FFS (Fitness for service). 4.2.3. Analizar las variables mínimas requeridas para generar una matriz de cálculo de riesgo de falla de

juntas soldadas que interactúan en zonas de vulnerabilidad geotécnica. 4.2.4. Proponer los métodos para realizar mediciones y monitoreos reales a soldaduras sometidas a

cargas por empuje de eventos geotécnicos.

3 Año de inicio de registro y documentación de fallas de tuberías.

4 Case study: Geohazards risks assessment for a proposed pipeline across diverse geological environments in Papua

New Guinea, Douglas partners Pty Ltd, Sydney, Australia

9

5. DELIMITACIÓN DEL PROYECTO

El presente proyecto de grado tiene como alcance las siguientes consideraciones:

1. El trabajo de grado únicamente cubrirá el análisis de cálculo de riesgo y probabilidad de falla de

ductos ante eventos geotécnicos relacionados con parámetros de propiedades mecánicas de los

materiales base de las tuberías y sus soldaduras.

2. Las revisiones de los modelos de cálculo y FFS estará enfocado únicamente a juntas soldadas

circunferenciales.

3. Para la evaluación de parámetros de probabilidad de falla, se tendrá en cuenta soldaduras cuya

construcción se haya realizado siguiendo el código API 1104.

4. Se descarta el parámetro de evaluación de SCC (Stress Corrosion Cracking), debido a que la

complejidad en los modelos de cálculo y la no referencia de fallas en tuberías hasta la fecha por

esta amenaza en los ductos de Ecopetrol S.A.

6. MARCO REFERENCIAL (Fundamentación) 6.1. INTRODUCCIÓN

10

El incremento en la dinámica de suelos que se activa por los cambios climáticos globales, ha impactado de

diversas maneras la infraestructura de nuestro país. Vías destrozadas por derrumbes (Foto 1), pueblos

enteros borrados del mapa5 (foto 2), líneas de transporte de fluidos rotas (foto 3) y en general daños a la

infraestructura que aporta al desarrollo económico del país.

Foto 1. Vías vehiculares destrozadas por deslizamientos de tierra (vía Bucaramanga

Barrancabermeja). Fuente: Autor del proyecto.

Foto 2. Poblaciones afectadas por deslizamientos de tierra (Gramalote- N. Santander).

5 Periódico El Tiempo, http://www.eltiempo.com/colombia/oriente/ARTICULO-WEB-NEW_NOTA_INTERIOR-

11620661.html Periódico El Espectador, http://www.elespectador.com/noticias/nacional/imagen-241721-gramalote-ruinas

11

Foto 3. Infraestructura Petrolera para el transporte de hidrocarburos afectada por eventos

geotécnicos (roturas de ductos de transporte). Fuente: Autor del proyecto.

Las amenazas geotécnicas por deslizamientos y derrumbes son permanentes en las zonas tropicales en

relación con las condiciones topográficas, hidrológicas y geológicas. La conveniencia de avanzar en este

sentido se ve claramente avalada por los crecientes daños que, a nivel mundial o nacional, se vienen

registrando como consecuencia de estos procesos, al igual que ocurre con los riesgos naturales en general.

Por lo anterior y con base en las fallas registradas en las líneas de transporte de hidrocarburos de

ECOPETROL S.A, se crea un proyecto tecnológico para desarrollar una metodología de evaluación de riesgo

geotécnico, que permite identificar en las líneas de transporte los cinco niveles de riesgo de acuerdo a lo

establecido en la matriz de valoración de riesgos RAM6 de Ecopetrol S.A. La metodología se basa en la

evaluación de una lista de parámetros que influyen en la ocurrencia de eventos geotécnicos y permite

valorar la vulnerabilidad de la tubería, entre los parámetros que se evalúan están la geometría, topografía,

geología, características de la tubería, características regionales, agua superficial, agua subterránea,

indicadores de movimiento, programas de mantenimiento y sistemas de monitoreo.

Considerando que no es posible controlar parámetros como topografía, clima, geología, hidrología y

sismología, a los cuales se les atribuye la gran mayoría de eventos geotécnicos, surgió la necesidad de

enfocar los esfuerzos a controlar el riesgo mediante la manipulación de sistemas de monitoreo y programas

de mantenimiento, estableciendo un protocolo para monitoreo de cada uno de los niveles de riesgo.

6.2. PRINCIPIOS GEOTÉCNICOS:

“Me contaban los campesinos que después de un invierno tan crudo como no se había visto en muchos

años, la quebrada se convirtió en una torrentera y aquella noche que se volverá un hito en sus

reminiscencias meteorológicas, un trueno subterráneo empezó a rodar, a retumbar, por la montaña abajo.

6 RAM: Risk Assesment Matrix

12

El agua enfurecida arrastró hacia el abismo del cañón piedras gigantescas, troncos descuajados de raíz,

lienzos enteros de tierra, de esos parches de tierra buena donde ya comenzaba a espigar el maíz y florecer el

tabaco. Las lomas chorreaban limo y cascajo y en un momento se quedaron desnudas en puras lajas que

son los huesos de la cordillera. Algunos ranchos rodaron lentamente sobre el suelo que se agrietaba, se

desmenuzaba, hervía como si el fuego, y no el agua, lo estuviera devorando por dentro. No hubo casa en el

pueblo que no se agrietara aquella noche, sobre todo cuando súbitamente, arrasando caminos, puentes y

sembrados, la quebrada cambió de curso y se abrió un nuevo cauce entre las peñas. En grandes trechos se

desmoronó y se agrietó la carretera que es una repisa tallada en las pizarras del cañón, mordidas y

trituradas por una erosión milenaria. El río, allá en lo hondo, se volvió un rollo de lodo que al explayarse

devoró las vegas donde se criaba el mejor tabaco del país. La carretera se partió en dos por una torrentera

surgida de la noche a la mañana. No sé si fuera pura imaginación pero quienes trabajaron en el agua la

noche entera, tratando de amansar la quebrada, socorrer a los vecinos que se quedaron sin casa y alojar a

los viajeros que se quedaron sin carretera, cuentan que la tierra apestaba a azufre. Aquello parecía como

cosa del diablo, ¡Ave María Purísima!.- Eduardo Caballero Calderon7.

6.2.1. TIPOS DE DESLIZAMIENTOS DE TIERRA

El término “deslizamiento” describe una amplia variedad de procesos que resultan en la caída y

desplazamiento de terrenos fuera de la pendiente, conformado con materiales que incluyen rocas, suelos,

rellenos artificiales o una combinación de estos. Los materiales pueden moverse por caídas,

derrumbamientos, deslizamientos, esparcimientos o flujos. La figura 1 muestra una ilustración grafica de un

deslizamiento, con la terminología comúnmente aceptada describiendo sus características.

Los diversos tipos de deslizamientos pueden ser diferenciados por la clase de materiales involucrados y el

modo de movimiento. Un sistema de clasificación basado en estos parámetros es mostrado en la Tabla 1.

Otros sistemas incorporan variables adicionales, tales como la velocidad del movimiento y el agua, aire o

hielo contenido en el material del deslizamiento.

Sin embargo son primordialmente asociados con regiones montañosas, estos también pueden ocurrir en

áreas de relieve generalmente bajo. En regiones de relieves bajos, los deslizamientos ocurren como fallas

de corte y llenado (carreteras y excavaciones de construcciones), fallas por escarpes de ríos,

deslizamientos esparcidos lateralmente, colapso de pilotes de minas (especialmente de carbón) y una

amplia variedad de fallas por pendientes asociadas con canteras y minas de cielo abierto. Los muchos tipos

comunes de deslizamiento son descritos como sigue y son ilustrados en la figura 2.

7 Periódico EL TIEMPO, edición 18 de Julio de 1972 (pag.5).

13

Figura 1. Terminología estándar de las partes de un deslizamiento8.

Desplazamientos: A pesar de que muchos tipos de movimientos de masas son incluidos en temimos

generales como “deslizamientos”, el uso más restrictivo del término se refiere solo a movimientos de masa,

donde hay una zona distintiva de inestabilidad que separa el material de desplazamiento del material

subyacente más estable. Los dos mayores tipos de desplazamientos son: rotacionales y translacionales.

Desplazamiento Rotacional: este es un deslizamiento en el cual la superficie de ruptura es curvada

cóncavamente hacia arriba y el movimiento del desplazamiento es aproximadamente rotacional sobre un

eje axial que es paralelo a la superficie de tierra y transversal a través del desplazamiento (figura 2-A)

Desplazamiento Translacional: en este tipo de desplazamiento, la masa del deslizamiento se mueve a lo

largo de un plano aproximado de la superficie con pequeñas rotaciones o inclinaciones hacia abajo (Figura

2-B). Un desplazamiento en bloque es un desplazamiento translacional en el cual el movimiento de masa

consiste de una unidad simple o una unidad relativamente baja que se mueve cuesta abajo como una masa

relativamente coherente (Figura 2-C)

8 Science for a changing world- Landslide Types and Processes.

Grietas en la corona

Corona

Escarpe Menor

Grietas Transversales

Crestas Transversales

Grietas

Radiales

Talón

Pie

Superficie de separación

Talón de Superficie de ruptura

Cuerpo principal

Superficie de Ruptura

Cabeza

Escarpe Principal

14

Caídas: las caídas son movimientos abruptos de masas de material geológico, tales como rocas y cantos

rodados, que se separan del pie del talud o acantilados (figura 2-D).

Tabla 1. Tipos de deslizamientos.

TIPO DE MOVIMIENTO

TIPO DE MATERIAL

FUNDACIÓN

SUELOS INGENIERILES

Grueso

Predominante

Fino

Predominante

CAIDAS Caída de rocas Caída de

escombros Caída de tierra

CUESTAS ABAJO Rocas Cuesta

abajo

Escombros cuesta

abajo

Tierras cuesta

abajo

DESPLAZAMIENTOS ROTACIONAL Desplazamiento

de rocas

Desplazamiento

de escombros

Desplazamiento

de tierra TRANSLACIONAL

PROPAGACIÓN LATERALES Propagación de

rocas

Propagación de

escombros

Propagación de

tierra

FLUJOS

Flujo de rocas

(reptación

profunda)

Flujo de

escombros

(reptación de

suelo)

Flujos de tierras

(reptación de

suelo)

COMPLEJOS Combinación de dos o más tipos principales de movimiento

La separación ocurre a lo largo de discontinuidades tales como fracturas, juntas y planos de fundación, y los

movimientos ocurren por caídas libres, rebotes y rodamientos. Las caídas son fuertemente influenciadas

por la gravedad, debilitamiento mecánico y la presencia de agua intersticial.

Cuestas abajo: estas fallas son distinguidas por una rotación frontal de una unidad o unidades sobre un

punto de pivoté, sobre o bajo de la unidad, bajo la acción de la gravedad y fuerzas adyacentes ejercidas por

unidades adyacentes o por fluidos en las grietas, (figura-3E).

Flujos: hay cinco categorías básicas de flujos que difieren uno del otro en formas fundamentales:

15

a. Flujo de escombros: es una forma de movimiento rápido de masas en la cual una combinación de

suelo suelto, rocas, material orgánico, aire y agua movilizada como lodo que fluye hacia abajo,

(figura 3F). el flujo de escombros incluye <50% de finos. Los flujos de escombros son causados por

intensos flujos de agua superficial, debidos a fuertes precipitaciones o rápidos derretimientos de

nieve, que erosiona y moviliza suelos sueltos o rocas en pasos de pendientes. El flujo de escombros

también movilizan comúnmente otros tipos de deslizamientos que ocurren en el paso de las

pendientes y son saturados, y consisten de una larga proporción de limo y arena.

b. Avalancha de escombros: Esta es una variedad de flujos de escombros rápidos a extremadamente

rápidos, (Figura 3G).

c. Flujos de tierra: tienen la característica de tener la forma de “reloj de arena” (figura 3H). el

material de la pendiente se licuefactua y corre cuesta abajo., formando una cuenca o depresión en

la cabeza. El flujo por sí mismo es elongado y usualmente ocurre en materiales de grano fino o

arcilla que contiene rocas en moderadas pendientes y bajo condiciones saturadas. Sin embargo, los

flujos secos de material granular son también posibles.

d. Flujo de Lodo: un flujo de lodo es un flujo de tierra consistiendo de material que está lo

suficientemente húmedo para fluir rápidamente y que contiene al menos 50% de arena, limo y

partículas de arcilla.

e. Reptación: la reptación es un movimiento suave, imperceptible y estable formado de rocas y suelo.

Los movimientos son causados por esfuerzos de corte suficientes para producir deformaciones

permanentes, pero muy pequeños para producir fallas de corte. Hay generalmente tres tipos de

reptamientos: 1. Estacional, donde el movimiento esta dentro de la profundidad del suelo afectado

por cambios estacionales en la humedad y la temperatura del suelo; 2. Continuo, donde los

esfuerzo de corte continuamente excede el esfuerzo del material; y 3. Progresivo, donde las

pendientes alcanzan el punto de falla como otros tipos de movimientos de masa. El reptamiento es

indicado por troncos de árboles curvados, cercas dobladas o paredes retenidas, poste inclinados o

cercas y pequeñas ondulaciones y crestas del suelo, (Figura 3I.)

Propagación lateral: los deslizamientos laterales son distintivos porque estos usualmente ocurren en

pendientes suaves o terrenos planos (Figura 3J). El modo dominante de movimiento es la propagación

lateral acompañado por corte o fracturas de tensión. La falla es causada por licuefacción, el proceso

mediante el cual se satura, material suelto perdida de cohesión de sedimentos (usualmente arenas y

limos) son transformados de un estado sólido a un estado liquido. La falla es usualmente provocada

16

por movimiento de tierra rápido, tal como el experimentado durante un terremoto, pero pueden ser

también inducidos artificialmente.

Figura 2 (cont). Tipos de deslizamientos de tierra. Fuente: Science for a changing world.

Desplazamiento Rotacional Desplazamiento Translacional Desplazamiento en Bloque

Caída de Rocas Cuesta abajo Flujos de escombros

Avalancha de escombros Flujo de Tierra Reptación

17

Figura 2. Tipos de deslizamientos de tierra. Fuente: Science for a changing world.

6.2.2. CAUSAS DE LOS DESLIZAMIENTOS:

1. Causas Geológicas:

a. Materiales flojos y sensitivos,

b. Desgaste de materiales,

c. Materiales cortados, juntados o fisurados,

d. Discontinuidades orientadas adversamente (estratificación, esquistos, falla, falta de conformado,

contacto y así sucesivamente),

e. Contraste entre permeabilidad y/o rigidez de materiales.

2. Causas Morfológicas:

a. Levantamientos Tectónicos y volcánicos,

b. Rebote glacial,

c. Fluvial, oleaje o erosión glacial de pie de pendiente o márgenes laterales,

d. Erosión subterránea,

e. Deposición de carga en la pendiente o en su cresta,

f. Remoción de vegetación (por fuego, tala),

g. Descongelamiento,

h. Congelamiento y descongelamiento por el clima,

i. Encogimiento y desgaste con contracciones.

3. Causas humanas:

a. Excavación de pendientes o sus talones,

b. Cargas de pendientes o sus crestas,

c. Disposición de depósitos,

d. Deforestación,

Propagación Lateral

18

e. Irrigación,

f. Minería,

g. Vibración artificial,

h. Fugas de agua de facilidades,

6.3. ELEMENTOS DE DISEÑO DE UNA TUBERÍA DE TRANSPORTE9

Muchos factores deben ser tenidos en cuenta en la ingeniería y diseño de tuberías de gran longitud.,

incluyendo la naturaleza y volumen del fluido a ser transportado, la longitud de las tuberías, los tipos de

terrenos a cruzar, los ambientes circundantes y las áreas de alta consecuencia por la cual la tubería tiene

vecindad.

Para obtener los resultados óptimos para un sistema de transmisión por tubería, estudios complejos de

economía e ingeniería son necesarios para decidir el tipo de tubería a usar, sus diámetros, material,

requerimientos de bombas de poder de compresión y la ubicación de la ruta por la cual cruzara el sistema.

Los principales factores que influyen en el diseño de una tubería son:

• Propiedades del fluido,

• Condiciones de diseño,

• Fuentes y magnitud de demanda/ubicaciones,

• Códigos y estándares,

• Ruta, topografía y accesos,

• Impacto ambiental,

• Económicos,

• Impacto hidrológico (flotabilidad de tuberías),

• Impactos sísmicos y volcánicos,

• Materiales,

• Construcción,

• Operación,

• Protección,

• Integridad a largo plazo.

6.4. TIPOS DE CARGAS INVOLUCRADAS EN DISEÑOS DE TUBERÍA

Gráficamente los siguientes son los tipos de carga que se deben tener en cuenta en el diseño de tuberías:

9 Pipeline Design Construction. A practical approach. 3 edition. M. Mohitpour, H. Golshan, A. Murray

19

Figura 3. Cargas tipo aplicadas a tuberías. Fuente: Penspen Defect Assesment.

Para efectos de este trabajo, se hará énfasis en temas relacionados con aspectos geotécnicos y mecánicos.

6.5. DISEÑO GEOTÉCNICO:

6.5.1. ESTABILIDAD DE PENDIENTES:

Durante el proceso de selección de la ruta de la tubería, es importante evitar pendientes inestables o

potencialmente inestables siempre y cuando sea posible, tal cual como lo muestra la figura 4.

La distribución y características de la naturaleza en la cual ocurren los deslizamientos pueden ser muchas y

variadas, y pueden depender del suelo local y las condiciones de aguas subterráneas y la forma de los

terrenos. Durante la fase de diseño del proyecto, inspecciones detalladas del terreno son requeridas para

detectar signos de movimientos de pendientes que pueden amenazar la integridad de la tubería.

Pendientes que no han mostrado signos recientes de inestabilidad pueden volverse potencialmente

inestables como un resultado de la construcción de la tubería.

Tensión Compresión Flexión Cizallamiento Torsión Presión Interna Presión externa

20

Figura 4. Deformaciones de tubería debidas a deslizamientos. Fuente: Pipeline Design Construction

El peor tipo de falla de pendientes afectando una tubería enterrada es una falla situada a profundidad,

donde la superficie de falla pasa bajo la línea central de la tubería. Cuando se seleccione la ruta de la

tubería es vital evitar áreas donde la pendiente de inestabilidad este situada en profundidad. Las tuberías,

sin embargo, pueden ser diseñadas y construidas para atravesar pendientes de inestabilidad potencial,

incluyendo deslizamientos inactivos viejos, sin iniciación de renovación de movimientos.

Los procedimientos de estabilización de terrenos comúnmente usados para mejorar la estabilidad de una

tubería en el derecho de vía, incluyen una cuidadosa selección de disposición de depósitos y gradas de la

pendiente.

Ciertas prácticas de construcción pueden contribuir a la inestabilidad del derecho de vía, tales como

disposición de depósitos sobre el derecho de vía, también como la inapropiada recomposición de los

contornos en los pies de las pendientes.

Hay considerables evidencias que muchas fallas de pendientes en los derechos de vía son el resultado de

inadecuada disposición de excesos de depósitos generados por las zanjas. El exceso de gradas desde la

superficie de una pendiente, es algunas veces empujado cuesta abajo y ubicado en las áreas planas de la

pendiente. Estas áreas planas, en muchas ocasiones, cargan la corona de antiguos deslizamientos. El peso

adicional del material sobrante de la zanja, puede causar renovación del movimiento sobre planos de falla

preestablecidos y posiblemente resulta en una falla de la tubería debido a tensionamiento de la misma.

6.5.2. ESPESOR DE PARED Y GRADO DE LA TUBERÍA:

En general, los diseñadores hidráulicos de sistemas de tubería se interesan con la optimización de las

facilidades basados en capital cesante y costos de operación. Por lo tanto ellos necesitan comprender la

interrelación entre el diámetro del tubo, el grado, el espesor de pared, la presión, el flujo y factores

económicos.

tubería

21

Las formulaciones para el cálculo de espesores de pared de tubería, se seleccionan de acuerdo a las

presiones y otras cargas. Los códigos Americanos y Canadienses son referidos como aquellos que dan un

entendimiento de los requerimientos especiales a los diseñadores.

La fórmula para determinar el esfuerzo circunferencial y axial en una tubería de pared delgada puede ser

desarrollada fácilmente considerando el equilibrio de las fuerzas verticales y horizontales esquematizadas

en la figura 5:

Figura 5. a. Fuerza de equilibrio en una tubería presurizada. b. Fuerza de equilibrio longitudinal.

Fuente: Pipeline Design Construction

La figura 5-a, una fuerza unitaria tangencial F, es creada en el espesor de la tubería debido a la reacción por

la presión interna, P, asumido que actuara en una longitud unitaria de la tubería. La fuerza vertical

resultante debida a esta presión es PD, así que la fuerza de equilibrio F, en el espesor de pared debe ser

PDL/2. Esta fuerza actúa en un área del espesor de pared, A, dada por el producto del espesor de pared, t, y

la profundidad unitaria (L) del tubo. Es esfuerzo tangencial o de anillo (Hoop stress) ST en la pared de la

tubería es F/A, o:

ST � �� Ecuación 1

Esta es la ecuación del esfuerzo de anillo (Hoop Stress), la cual puede ser transpuesta para generar la

ecuación de Barlow para el espesor de pared de la tubería.

Una consideración similar de las fuerzas de equilibrios horizontal, tal como se muestra en la figura 5-b,

permite una expresión para el desarrollo de esfuerzos longitudinales en el cilindro.

t P

D

F

P FPW

a b

22

La fuerza longitudinal actuando en el extremo de la tubería y causado por la presión interna es

aproximadamente F= P(πD2/4), la cual se equilibra por la fuerza (Fpw) en la pared de la tubería. Esta fuerza

Fpw actua en una area aproximada de πDt, asi que el esfuerzo axial Sx es:

Sx � � � �� Ecuación 2

6.5.3. BASE DE CÁLCULOS DE ACUERDO CON LOS CÓDIGOS ASME B31.410, B31.811 Y OTROS

ESTANDARES

Siempre hay incertidumbres en el diseño, la manufactura y la operación de una tubería, como por ejemplo:

• Variabilidad de materiales,

• Variabilidad en las practicas de construcción,

• Incertidumbres en las condiciones de carga,

• Incertidumbres en las condiciones durante el servicio.

Con base es dichas incertidumbres en el diseño, se establecen factores de seguridad o de diseño. El factor

de diseño se expresa normalmente como una relación entre el esfuerzo aplicado y el SMYS de la tubería de

línea, o como un porcentaje del SMYS.

Los factores de diseño no exceden 1, por lo tanto los esfuerzos se mantienen por debajo del SMYS. La

mayoría de las tuberías alrededor del mundo tienen un factor de diseño de 0.72. Algunas líneas operan a un

factor mayor. Los factores de diseño más elevados (0.8) están en USA y en Canadá.

La mayoría de los estándares tienen 0.72 como factor de diseño más elevado. La siguiente tabla relaciona

los factores de diseño de tuberías de acuerdo con el código específico aplicable.

Tabla 2. Factores de diseño máximo de estándares de diseño de tubería.

Estándar

Ecuación de

esfuerzo

Circunferencial (σѲ)

Factor de diseño de

esfuerzo

circunferencial

(Utilizando t código)


esfuerzo

circunferencial

(Utilizando t nominal)

ASME B31.4 σѲ= PD/2tnom 0.72 0.72

ASME B31.8 σѲ= PD/2tnom 0.80 0.80

10 ASME B31.4. Pipeline Transportation systems for liquid hydrocarbons and other liquids.

11 ASME B31.8. Gas transmission and distribution piping systems.

23

Estándar

Ecuación de

esfuerzo

Circunferencial (σѲ)


esfuerzo

circunferencial

(Utilizando t código)


esfuerzo

circunferencial

(Utilizando t nominal)

BS 8010-1 σѲ= PD/2tmin 0.72 0.65

CSA Z662 σѲ= PD/2tnom 0.80 0.80

AS 2885.1 σѲ= PD/2tnom 0.72 0.72

ISO CD 13623 σѲ= P(D-t)/2tmin 0.77 a 0.83 0.76

EN 1594 σѲ= PD/2tmin 0.72 0.65

6.6. TEORÍA DE RIESGO PARA INFRAESTRUCTURA PETROLERA: 6.6.1. CONCEPTOS BÁSICOS12:

El riesgo es algo que nosotros como individuos convivimos a diario. Conociendo o desconociendo, la gente

está constantemente tomando decisiones basados en el riesgo. Decisiones simples tales como manejar al

trabajo o caminar a lo largo de una ocupada calle, envuelve riesgo. Más decisiones importantes como

comprar una casa, invertir dinero e incluso casarse, implica una tolerancia al riesgo. La vida no es libre del

riesgo, aun el más cauto está envuelto en riesgos y los toma en conciencia.

Por ejemplo, al conducir un auto, la gente acepta la probabilidad de que ellos puedan morir o ser

seriamente afectados. La razón por la cual este riesgo es aceptado, es que la gente considera la

probabilidad de morirse o ser seriamente afectado, como ser suficientemente bajo para hacer el riesgo

tolerable. Influenciando la decisión, están el tipo de auto, las características instaladas de seguridad, el

volumen de tráfico, la velocidad y otros factores tales como la disponibilidad, asequibilidad y riesgo de

otras alternativas

El riesgo es la combinación de la probabilidad de que algún evento ocurra durante un periodo de tiempo de

interés y las consecuencias, (generalmente negativas) asociadas con el evento. En términos matemáticos, el

riesgo puede ser calculado por la siguiente ecuación:

Riesgo = Probabilidad X Consecuencia Ecuación 3

La susceptibilidad es algunas veces usada como un sinónimo de probabilidad, sin embargo la probabilidad

es usada a través de este trabajo de grado para dar consistencia al contexto de uso.

12

API RP 580- Risk-Based Inspection.

24

6.6.2. MANEJO DEL RIESGO Y REDUCCIÓN DEL RIESGO:

En primer lugar, se puede ver que el manejo del riesgo y la reducción de riesgo son idénticos. Sin embargo,

la reducción del riesgo es solo una parte del manejo del riesgo. La reducción del riesgo es el acto de mitigar

un riesgo conocido a una nivel de riesgo más bajo. El Manejo del riesgo es un proceso de valoración del

riesgo, para determinar si la reducción del riesgo es requerida y para desarrollar un plan que mantenga el

riesgo en un nivel aceptable. Usando el manejo del riego, algunos riesgos pueden ser identificados como

aceptables, así que ninguna acción de mitigación es requerida.

6.6.3. RIESGO RELATIVO VERSUS RIESGO ABSOLUTO

La complejidad en los cálculos del riesgo es una función del número de factores que pueden afectar el

riesgo. Calculando el riesgo absoluto, puede ser muy extenso en el tiempo y consumir mayores costos

frecuentemente, debido a que tiene muchas incertidumbres, es imposible. Muchas variables son

involucradas con pérdidas de contención de Hidrocarburos y la determinación del riesgo absoluto

frecuentemente no es efectiva en el costo.

El RBI (Risk Based Inspection) está enfocado en una determinación sistemática de riesgos relativos. De esta

forma, los equipos o componentes pueden ser categorizados basados en el riesgo relativo. Esto sirve para

enfocar los esfuerzos del manejo de riesgos en las categorías de riesgo mayor.

6.6.4. CONSECUENCIA Y PROBABILIDAD PARA UNA INSPECCIÓN BASADA EN RIESGO (RBI)

El objetivo del RBI es determinar qué incidentes podrían ocurrir (consecuencia) en el evento de una falla en

un equipo, y cómo la susceptibilidad (probabilidad) de este incidente podría ocurrir.

Por ejemplo, si un recipiente a presión sujeto a un deterioro de corrosión bajo aislamiento, desarrolla una

fuga, una variedad de consecuencias podrían ocurrir. Algunas de las posibles consecuencias son:

a. Formar una nube de vapor que puede hacer ignición causando accidentes y daños en el equipo,

b. Alivio de un químico toxico que podría causar problemas de salud,

c. Resulta en un goteo y causar daño al medio ambiente,

d. Forzar a una parada de equipo y tener un impacto económico adverso,

e. Tener un impacto mínimo en la salud, la seguridad, el medio ambiente y la economía.

Combinando la probabilidad de uno o más de estos eventos con sus consecuencias, se determinara el

riesgo de la operación. Algunas fallas pueden ocurrir relativamente frecuentes, sin impactos significantes a

la salud, el medio ambiente y la economía. Similarmente, algunas fallas tienen serios potenciales de

consecuencias, pero si la probabilidad del incidente es bajo, entonces el riesgo puede no merecer acción

25

inmediata. Sin embargo, si la combinación de la probabilidad y la consecuencia es lo suficientemente alta

para ser inaceptable, entonces la acción de mitigación para predecir o prevenir el evento es recomendado.

La pregunta ahora es: ¿Qué es un riesgo aceptable? La aceptabilidad de una clase de riesgo dado es

determinada por los beneficios asociados con ese riesgo y por la cantidad de esfuerzos que serian

requeridos para reducirlo.

Se reconoce un criterio común para aceptación de un riesgo y este es basado en la decisión como si este

fuese “tan bajo como sea razonablemente práctico” (ASAP). Un nivel de riesgo que satisface este criterio es

conocido como un riego tolerable. Si el riesgo es intolerable, entonces el proceso de manejo del riesgo o

reducción del riesgo debe ser iniciado.

6.6.5. CÁLCULO DE PROBABILIDAD DE FALLA

La probabilidad de falla utilizada en la metodología de API RP 580, es calculado mediante la siguiente

ecuación:

En esta ecuación, la probabilidad de falla,( )tPf , está determinada como el producto de una frecuencia de

falla genérica, gff , un factor de daño, ( )tD f , y un factor de sistemas gerenciales, MSF .

Los factores de ajuste sobre la frecuencia de falla genérica reflejan diferencias entre los mecanismos de

daño y los procesos administrativos de confiabilidad dentro de una planta. El factor de daño ajusta la

frecuencia de falla genérica con base en los mecanismos activos de daño al que está sujeto el componente

y considera la susceptibilidad a ese mecanismo de daño y/o la velocidad o relación a la cual evoluciona

(incrementa) dicho mecanismo.

El factor de daño también considera los resultados de inspecciones anteriores y futuras, así como su

efectividad, el factor de sistema gerencial se ajusta a la influencia del sistema gerencial de la instalación en

la integridad mecánica de la planta. El factor de daño es aplicado sobre un componente y mecanismo de

daño especifico, mientras que el factor del sistema gerencial es aplicado de la misma manera para todos los

componentes de la planta.

( ) ( ) MSff FtDgfftp ••= Ecuación 4

26

6.6.6. CÁLCULO DE CONSECUENCIAS DE FALLA

El análisis de consecuencias en la evaluación del riesgo con base en API, es desarrollado como una

herramienta para establecer la jerarquización de equipos en una instalación con base en el nivel de riesgo

de cada uno de ellos, con la finalidad de establecer prioridades en los programas de inspección. La

metodología de cálculo de consecuencias es clasificada en dos niveles, el nivel 1 de análisis de

consecuencias es con la finalidad de realizar un trabajo simplificado para un número limitado de fluidos

peligrosos, a diferencia de la metodología de análisis de consecuencias nivel 2, la cual es mucho más

rigurosa y puede ser aplicada a una gran cantidad de fluidos peligrosos.

Las categorías de consecuencias son analizadas utilizando diferentes técnicas:

- Consecuencias de productos inflamables y explosivos, son calculadas utilizando árboles de eventos

para determinar las probabilidades de ocurrencia de varios tipos de eventos (por ejemplo: bolas de

fuego, flash de fuego y nubes de vapor explosivas), combinados con modelos computarizados para

determinar la magnitud de las consecuencias. El área de consecuencia puede ser determinada con

base a los daños al personal y a los equipos desde el punto de origen de la radiación o explosión. Las

pérdidas financieras también son determinadas con base en el área afectada por la fuga.

- Las consecuencias tóxicas son calculadas utilizando modelos computacionales para determinar la

magnitud del área de consecuencia como resultados de la sobreexposición del personal a las

concentraciones toxicas dentro de una nube de vapor. Donde los fluidos son inflamables y tóxicos, la

probabilidad de que ocurra un daño toxico considera que si hay una liberación de producto y éste es

incendiado, la consecuencia toxica es despreciable. Las pérdidas financieras también son determinadas

con base en el área afectado por el volumen de producto liberado.

- Las consecuencias por la liberación de productos no inflamables, no tóxicos también son

consideradas ya que ello podría resultar en consecuencias severas, las consecuencias debido a cambios

químicos de las sustancias y a quemaduras ocasionadas por vapores a alta temperatura son

determinadas con base a los serios daños que puede provocar al personal. Explosiones físicas y

BLEVE´s (Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion) pueden también causar serios daños al personal y a

los equipos.

27

- Las consecuencias financieras incluye las pérdidas debido a la interrupción del negocio y costos

asociados con la liberación de productos contaminantes al ambiente. Las consecuencias por la

interrupción al negocio son estimadas como una función de los resultados de las consecuencias de

área de fluidos inflamables y no inflamables. Las consecuencias ambientales son determinadas

directamente de la cantidad de masa disponible para liberarse ó de la relación de volumen liberado.

Es importante recalcar que en la metodología utilizada en Inspección Basada en Riesgo, no están

considerados los daños colaterales debido a la liberación de fluido peligroso, tales como la exposición de

componentes eléctricos y equipos de instrumentación y control.

6.6.7. TIPOS DE VALORACIONES DE RIESGOS:

Varios tipos de valoraciones RBI pueden ser conducidos a diversos niveles. La selección es dependiente en

múltiples variables tales como:

a. Objetivo de estudio,

b. Numero de facilidades e ítems de equipos a estudiar,

c. Recursos disponibles,

d. Marco de tiempo de estudio,

e. Complejidad de las facilidades procesos,

f. Naturaleza y calidad de la información disponible.

El procedimiento de estudio puede ser aplicado cuantitativamente, cualitativamente o usando aspectos de

ambas (semi- cuantitativa). Cada enfoque dará una forma sistemática de barrer el riesgo, identificar áreas

de potencial interés y desarrollar una lista de priorización para profundidad en la inspección y análisis.

1. Enfoque cualitativo: este enfoque requiere de información de entrada basado en información

descriptiva usando juicio de ingeniería y experiencia como la base del análisis de probabilidad y

consecuencia de falla. Los insumos son frecuentemente dados en rangos de información en lugar

de valores discretos. Los resultados son típicamente dados en términos cualitativos tales como alto,

medio y bajo; sin embargo, valores numéricos pueden ser asociados con estas categorías. Los

valores de este tipo de análisis es el que permite completar la valoración del riesgo en la ausencia

de datos cuantitativos detallados. La precisión de los resultados del análisis cuantitativo es

dependiente de los antecedentes y experticia del análisis.

2. Enfoque Cuantitativo: el análisis de riesgo cuantitativo integrado dentro de una metodología

uniforme de la información relevante sobre facilidades de diseño, practicas de operación, historia

operativa, confiabilidad de los componentes, acciones humanas, la progresión física de accidentes y

efectos potenciales ambientales y de salud.

28

El análisis de riesgo cuantitativo usa modelos lógicos que representan combinaciones de eventos

que podrían resultar en accidentes severos y modelos físicos que representan la progresión de

accidentes y el transporte de un material peligroso a el ambiente. Los modelos son evaluados

probabilísticamente para dar puntos de vista tanto cualitativos como cuantitativos sobre el nivel de

riesgo y para identificar el diseño, sitio o características operacionales que son las más importantes

para el riesgo. El análisis cuantitativo es distinguido del enfoque cualitativo por el análisis profundo

y de integración de valoraciones detalladas.

El modelo lógico de análisis de riesgo cuantitativo generalmente consiste de arboles de eventos y

arboles de falla. Los arboles de eventos delimitan eventos iniciados y combinaciones de sistemas

exitosos y fallas, mientras los arboles de fallas muestran las formas en la cual las fallas de sistemas

representados en el árbol de eventos puede ocurrir. Estos modelos son analizados para estimar la

probabilidad de cada secuencia de accidente. Los resultados usando este enfoque son típicamente

presentados como números (i.e., costo por año.)

3. Enfoque Semi-cuantitativo: Semi-cuantitativo es un término que describe cualquier enfoque que

tiene aspectos derivados de los enfoques tanto cualitativo y cuantitativo. Este es orientado a

obtener mayores beneficios de los enfoques anteriores (i.e., rapidez del cualitativo y rigor del

cuantitativo). Típicamente, mucha de la información usada en el enfoque cuantitativo es necesario

pero en menor detalle. Los modelos también pueden no ser tan rigurosos como aquellos usados

para el enfoque cuantitativo. Los resultados son usualmente dados en categorías de consecuencia y

probabilidad más bien que riesgo numéricos pero valores numéricos pueden ser asociados con

cada categoría para permitir el cálculo del riesgo y la aplicación de criterios de aceptación de riesgo.

6.6.8. MATRIZ DE RIESGO

La matriz de riesgo muestra la distribución de todos los equipos de acuerdo con el nivel de riesgo que cada

uno de ellos representa, si bien es cierto, estas matrices son empleadas en un análisis cualitativo y semi-

cuantitativo, también pueden ser utilizadas en el análisis cuantitativo, como lo establece la práctica

recomendada API 580.

Los números contenidos en las celdas de la Matriz de Riesgo representan el número de equipos localizados

en ese nivel de riesgo de acuerdo a la categoría de probabilidad de falla y la categoría de consecuencia. La

Matriz de Riesgo representa cuatro regiones de riesgo: Bajo, Medio, Medio- Alto y Alto, los cuales se

muestran mediante un código de colores, tal y como se muestra en la Figura 6.

29

Figura 6. Matriz de Riesgo de la totalidad de equipos de una instalación. Fuente: API RP 580

6.6.9. PLAN DE MITGACIÓN DE RIESGOS13:

Para la mitigación de los riesgos contra la infraestructura de transporte y con el fin de asegurar la

Integridad mecánica de la misma, Ecopetrol S.A, tiene implementado un Modelo de Gestión de Riesgos

para la infraestructura. El Sistema de Gestión Integral de Riesgos se refiere a la cultura, estructura

organizacional, normativa y documentos que soportan la gestión de riesgos en una organización, a través

de la aplicación del ciclo de gestión de riesgos, de tal forma que ésta se realice de una manera sistemática,

sistémica y dinámica en la organización.

Este sistema de gestión, brinda un enfoque estratégico de empresa orientado hacia el cumplimiento de

objetivos, creación de valor, prevención de amenazas, aprovechamiento de oportunidades y minimización

de los impactos derivados de los riesgos que potencialmente se materialicen hacia sus grupos de interés,

activos y operaciones.

El desarrollo de esta metodología se basa en la Práctica Recomendada del Instituto Americano del Petróleo

API RP 580 “Inspección Basada en Riesgo” así como en el estándar internacional ISO 31000 titulado:

“Gestión de Riesgo – Principios y Directrices”.

13

Plan de Mitigación de Riesgos (Gestión de Riesgos) de Ecopetrol S.A

30

6.6.10. PROCESO ACTUAL DE MITIGACIÓN DE RIESGOS

Con el objeto de fortalecer la estrategia de integridad y robustecer el proceso de gestión de riesgo, se tiene

establecido un proceso con componentes base que comprenden las siguientes etapas:

1. Definición del Contexto.

2. Valoración de Riesgo, Identificación de Amenazas

3. Valoración de Riesgo, Análisis y Evaluación de Riesgo

4. Tratamiento del Riesgo

Soportados en dos habilitadores de proceso tales como:

1. Comunicación y Divulgación de Alarmas

2. Sistemas de Información

Como se ha mencionado anteriormente la base del proceso actual está soportada en el proceso enunciado en el

ISO 31000 ilustrado en la figura 7:

Figura 7. Proceso de Gestión de Riesgo, ISO 31000

Figura 8. Proceso de Gestión de Riesgo VIT. Fuente: Modelo de gestión de Integridad de

6.6.11. DEFINICIÓN DEL CONTEXTO

Al establecer el contexto, los objetivos y criterios de un determinado proyecto, proceso o actividad dentro de la

gestión de activos debe ser considerada a la luz de objetivos estratégicos de la organización. Es deci

actividades encaminadas al mantenimiento y proyección de la infraestructura deben estar alineadas con los

objetivos de la organización para que la determinación del riesgo sirva como herramienta de decisión.

Dentro de la definición del contexto s

- Las metas y objetivos de las actividades de gestión de riesgo (lograr el nivel de tolerancia al riesgo

deseable).

- Definir el sistema, función y segmentación del activo.

- Acopio de información de diseño, mante

roceso de Gestión de Riesgo VIT. Fuente: Modelo de gestión de Integridad de

DEFINICIÓN DEL CONTEXTO


gestión de activos debe ser considerada a la luz de objetivos estratégicos de la organización. Es deci



Dentro de la definición del contexto se encuentran los siguientes aspectos relevantes:

Las metas y objetivos de las actividades de gestión de riesgo (lograr el nivel de tolerancia al riesgo

Definir el sistema, función y segmentación del activo.

Acopio de información de diseño, mantenimiento, inspecciones, estudios de integridad y confiabilidad.

31

roceso de Gestión de Riesgo VIT. Fuente: Modelo de gestión de Integridad de ECOPETROL S.A


gestión de activos debe ser considerada a la luz de objetivos estratégicos de la organización. Es decir que las



Las metas y objetivos de las actividades de gestión de riesgo (lograr el nivel de tolerancia al riesgo

nimiento, inspecciones, estudios de integridad y confiabilidad.

32

Dentro de la definición del contexto la organización define la tolerancia al riesgo para asegurar razonablemente

el logro del objetivo de preservación y proyección del equipo estático dentro de la infraestructura.

Los criterios de tolerancia del riesgo reflejan los valores de la organización, objetivos y recursos. Algunos criterios

pueden ser impuestos o derivados de requisitos legales y reglamentarios y otros requisitos que la organización

suscriba, tales como operación en áreas de alta consecuencia, legislación ambiental, etc.

Para definir los criterios de riesgo para cada tipo de equipo se consideraron factores como:

- La naturaleza y tipos de causas y consecuencias

- Definición de la probabilidad

- Marco de tiempo de la probabilidad y / o consecuencia

- Si las combinaciones de los múltiples riesgos que deben tenerse en cuenta.

6.6.12. VALORACIÓN DE RIESGO, IDENTIFICACIÓN DE AMENAZAS

Durante esta etapa se identificaron fuentes de riesgo, zonas de impactos (Incluyendo Áreas de Alta

Consecuencia HCA) y equipo crítico por seguridad de proceso.

Dentro de la identificación de amenazas se encuentran los siguientes aspectos relevantes:

- Identificar equipos críticos, donde una falla potencial impactaría en los objetivos de la Empresa

(Clientes, Imagen, Economía, Ambiente, Personas)

- Definición de técnicas y herramientas para identificar amenazas y modos de falla.

- Definición de amenazas y mecanismos de falla.

- Procesamiento de información geográfica para la determinación de Áreas de Afectación.

33

Figura 9. Esquema geográfico de impacto. Fuente: Sistema de Administración de Riesgos de Integridad de

Lineas y Tanques de ECOPETROL S.A

6.6.13. VALORACIÓN DE RIESGO, ANÁLISIS Y EVALUACIÓN DE RIESGO

El análisis de riesgos proporciona una entrada para toma de decisiones sobre el tratamiento de las amenazas y/o

consecuencias que lo componen, así como la estrategia más adecuada para el tratamiento, ya sea Inspección,

mantenimiento o reposición.

Después de realizar el análisis detallado de cada amenaza, el propósito de la evaluación de riesgos es ayudar

en la toma de decisiones sobre riesgos que necesitan tratamiento y la prioridad para la aplicación del

tratamiento.

Esta evaluación consiste en comparar los niveles de riesgo encontrados durante el proceso de análisis con

criterios de costo beneficio. Con base en esta comparación, se establece la necesidad de tratamiento a ejecutar.

34

Figura 10. Esquema de priorización de activos. Fuente: Sistema de Administración de Riesgos de Integridad de

Lineas y Tanques de ECOPETROL S.A

Dentro del análisis y evaluación del riesgo se encuentran los siguientes aspectos relevantes:

- El propósito de la evaluación del riesgo es priorizar las actividades de inspección, mitigación y monitoreo

de activos mediante una evaluación de probabilidad (Modos de falla y amenazas) y consecuencias.

- La evaluación del riesgo involucra la adopción de una filosofía de focalización de recursos que permite

mantener la confiabilidad e integridad del sistema garantizando la seguridad del entorno.

6.6.14. TRATAMIENTO DE RIESGOS

El tratamiento del riesgo implica la selección de una o varias alternativas para mitigar y / o controlar los riesgos,

así como la aplicación de esas alternativas. Además de ello se compone por un proceso cíclico que incluye

aspectos de ejecución de las actividades, actualización de la información de amenazas y consecuencias,

reevaluación del riesgo o cálculo del riesgo residual, ajustes al plan de acción y por último un componente clave

de medición de la gestión del desempeño y efectividad.

Figura 11. Ciclo Tratamiento del Riesgo

Las opciones genéricas de tratamiento del riesgo no son necesariamente iguales en todas las circunstancias. El

tratamiento puede incluir lo siguiente:

- Evitar el riesgo al decidir no iniciar o continuar con la actividad que da lugar al riesgo.

- La eliminación de la fuente de riesgo

- Modificación en la probabilidad / Incertidumbre (Inspección)

- Modificación en las consecuenc

- Compartir el riesgo con la otra parte o partes (Seguros contra falla),

Dentro del tratamiento del riesgo se encuentran los siguientes aspectos relevantes:

- Se involucra el desarrollo y ejecución de las estrategias de mantenimiento, proyectos de reposic

variantes, cruces especiales, seccionamiento.

- Se asegura el sostenimiento del modelo donde se actualizan los niveles de riesgo acorde con la

ejecución y se ajusta la planeación de actividades midiendo periódicamente el desempeño.

6.6.15. GESTIÓN DEL DESEMPEÑ

El seguimiento a la gestión del desempeño del proceso se realiza con el fin de:

- Asegurar que los controles sean eficaces y eficientes tanto en el diseño como en el funcionamiento.

- Obtención de más información para mejorar la evaluación de riesgos.

- Analizar y aprender las lecciones de los acontecimientos (incluyendo cuasi

tendencias, éxitos y fallas.

. Ciclo Tratamiento del Riesgo. Fuente: Modelo de gestión de Integridad de


miento puede incluir lo siguiente:

Evitar el riesgo al decidir no iniciar o continuar con la actividad que da lugar al riesgo.

La eliminación de la fuente de riesgo

Modificación en la probabilidad / Incertidumbre (Inspección)

Modificación en las consecuencias

Compartir el riesgo con la otra parte o partes (Seguros contra falla),

Dentro del tratamiento del riesgo se encuentran los siguientes aspectos relevantes:

Se involucra el desarrollo y ejecución de las estrategias de mantenimiento, proyectos de reposic

variantes, cruces especiales, seccionamiento.

Se asegura el sostenimiento del modelo donde se actualizan los niveles de riesgo acorde con la


GESTIÓN DEL DESEMPEÑO

El seguimiento a la gestión del desempeño del proceso se realiza con el fin de:

Asegurar que los controles sean eficaces y eficientes tanto en el diseño como en el funcionamiento.

Obtención de más información para mejorar la evaluación de riesgos.

lizar y aprender las lecciones de los acontecimientos (incluyendo cuasi-accidentes), los cambios,

tendencias, éxitos y fallas.

35

Modelo de gestión de Integridad de ECOPETROL S.A


Evitar el riesgo al decidir no iniciar o continuar con la actividad que da lugar al riesgo.

Se involucra el desarrollo y ejecución de las estrategias de mantenimiento, proyectos de reposición,

Se asegura el sostenimiento del modelo donde se actualizan los niveles de riesgo acorde con la


Asegurar que los controles sean eficaces y eficientes tanto en el diseño como en el funcionamiento.

accidentes), los cambios,

36

- Detectar cambios en el contexto que puede requerir una revisión de los tratamientos de riesgos y

prioridades.

- La identificación de riesgos emergentes.

6.6.16. COMUNICACIÓN Y DIVULGACIÓN DE ALARMAS

Como uno de los habilitadores fundamentales de todo el proceso es la comunicación con todas las partes

involucradas, así como la estrategia utilizada para divulgar los eventos que modifiquen la condición de un equipo

y lo lleven a niveles aceptables de riesgo de falla.

La estrategia de divulgación de alarmas se basa en el concepto de dinamismo en la etapa del tratamiento del

riesgo, ya que durante el cálculo del riego residual se puede obtener que debido a las condiciones del entorno

pueda existir una mayor probabilidad de falla o la consecuencia mayor obligando a realizar acciones más

estrictas con una inversión mayor en recursos.

6.6.17. Ejemplo de Mitigación del Riesgo en el Poliducto Salgar – Cartago

El plan específico utilizado para la mitigación de riesgo particular se muestra en la tabla 4 con la descripción

de la ejecución del Plan de acción para mitigar o controlar el riesgo para cada amenaza, así como el periodo de

ejecución.

37

Tabla 4. Plan de Mitigación de Riesgos14.

14

Plan de acción para mitigación de Riesgos del Poliducto Salgar-Cartago.

Code

Riesgo Description Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

4CORROSIÓN EXTERIOR

Refuerzo y/o Rehabilitación Sistema de Protección Catódica % 330 230 240


Evaluación periódica de las unidades rectificadoras de Protección Catódica (URPC).

UN 6 6 4 4 4 4 4 4 4 4 4


Evaluación de potenciales de proteccion catodica poste a poste (potenciales instant On/Off).

KM 78 78

9 CORROSIÓN EXTERIOR

Estudio de Interferencias AC/DC con otras Estructuras y cruces encamisados

UN 1 1 1 1


Acciones de mitigación por interferencia UN 1 37


Cambio o rehabilitación de Revestimiento MT 30 70 70 568 568


DCVG KM 30 30 30


Inspección de aislamiento eléctricos, incluye plantas, estructuras aéreas y casetas de válvulas o bunkers.

UN 15


Aislar eléctricamente Estructuras Aéreas UN 60 60 20 22

22 CORROSION INTERIOR

Monitoreo de Corrosión Interior en líneas UN 1 1 1 1

24 CORROSION INTERIOR

Programa de Limpieza Interior de tuberias (Preventivo). UN 5 5 3 1 4 5 5

25CORROSION INTERIOR

Toma de muestras líquidas y sólidas producto de la limpieza para análisis microbiológico y fisicoquímico

UN 1 1

29CLIMA Y FUERZAS EXTERNAS

Diagnóstico y/o Monitoreo Geotécnico Líneas (Mínimo una vez cada 2 años) KM 52 52 52


Roceria derecho vía KM 9,4 9,4 16 10 6,3 6,7 3,3 3,3 9,1


Ejecución de Obras para asegurar la estabilidad Geotecnica del derecho de vía y sus zonas aledañas

UN 0,5 0,5 1 0,6

36 DAÑOS POR TERCEROS

Patrullajes de Vigilancia y Control Ilicitos, actividad y estado derecho de vía y estructura

KM 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

38 DAÑOS POR TERCEROS

Señalización línea - Educación Pública - Sistemas de información de llamada de emergencia

UN 48

43 OPERACIONES INCORRECTAS

Rutinas de Mantenimiento Sistema de Control Operacional Plantas

UN 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

44OPERACIONES INCORRECTAS

Plan de capacitación Empleados UN 1


Certificación de Competencias Empleados UN 1


Elaboración actualización y cumplimiento de Instructivos y Procedimientos Operacionales

UN 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

47 OPERACIONES INCORRECTAS

Elaboración, actualización y cumplimiento de manual de funciones y responsabilidades

UN 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

59INSPECCIONES

DE INTEGRIDAD

Atención anomalías ILI programadas IL 35 7,9 40 13 13 13 18 17 11

60INSPECCIONES

DE INTEGRIDAD

Atención anomalías Bending Strength PB 10 10 15 10 6 1 2 3

61INSPECCIONES

DE INTEGRIDAD

Inspeccion visual derecho via (Preventivo VIT).(12 Recorridos de Linea) KM 233 78 155 155 96 52 129 207 155 233 155

POLIDUCTO SALGAR - CARTAGO L.6" ODKPLAN DE MITIGACIÓN DE RIESGOS Unidades

Ejecutado 2011

38

6.7. MECANICA DE LA FRACTURA15

Frecuentemente fallas por fractura de componentes estructurales son precedidas por la existencia de

grietas, las cuales pueden provenir de fabricación o ser generadas en servicio. La mecánica de la fractura

tiene como propósito estudiar la capacidad de soporte de carga de componentes estructurales fisurados,

siendo de especial importancia cuando se emplean materiales de alta resistencia, con los cuales la carga

critica de falla por crecimiento inestable de una grieta usualmente es menor que la carga de falla por

fluencia generalizada.

Bajo condiciones normales de carga, en la vecindad del extremo de una grieta se genera un campo de

esfuerzos complejo, cuya intensidad elástica es cuantificada por un factor conocido como factor de

intensidad de esfuerzo, de manera que cuando este alcanza un valor limite se presenta una falla por

crecimiento de grieta, siempre y cuando en el extremo de la grieta solo se presente una deformación

plástica pequeña. Este valor límite de falla del factor de intensidad de esfuerzo es conocido como tenacidad

de fractura.

Cuando se presenta una deformación plástica masiva en la vecindad del frente de grieta, se ha propuesto el

criterio de falla que supone que se presenta falla por crecimiento de grieta cuando se llega a una

deformación plástica crítica en el frente de ésta.

En operación se pueden generar y propagar lentamente grietas con un nivel de esfuerzo nominal menor

que la resistencia a fluencia cuando el esfuerzo es fluctuante repetitivo, o por la acción cooperativa de un

esfuerzo de tracción y ciertos medios corrosivos, específicos para una determinada aleación. Por lo general,

en la medida que crece una grieta en un componente estructural se va reduciendo su resistencia o

capacidad de soporte de carga, hasta cuando se llega a la condición crítica de falla.

Mediante los estudios fracto-mecánicos de una estructura o de un componente estructural se puede

establecer:

a. La resistencia residual correspondiente a un tamaño de grietas detectado,

b. El tamaño de grieta que se puede tolerar para una determinada carga de servicio,

c. El tiempo que ha de transcurrir para que una grieta de un tamaño subcritico crezca a un tamaño

critico de falla,

d. La tenacidad de fractura apropiada del material,

e. El tamaño de defecto tipo grieta que se puede permitir en una estructura para la vida de servicio

operada,

15 Mecánica de la fractura y análisis de falla. H. Hernandez Albañil. E. Espejo Mora. Universidad Nacional de Colombia.

Colección Sede.

39

f. Periodo de inspección, de manera que una grieta pueda ser detectada antes que ésta alcance un

tamaño crítico de falla catastrófica.

Figura 12. Fuga de producto por causa de grieta en soldadura circunferencial de tubería (Fuente: Autor

del proyecto de grado). Fuente: Foto tomada por el autor del trabajo de grado.

La mecánica de la fractura nos proporciona la ciencia y los modelos para entender el comportamiento de

los defectos en una estructura. Es usada ampliamente a nivel mundial en todas las industrias. La mecánica

de la fractura conforma toda la base de los métodos que se usan en tubería para establecer estados límite

de condición.

6.8. MARCO NORMATIVO.

Los siguientes códigos y normas de referencia se estudiaron para llegar al objeto de este trabajo de grado.

Gran parte de las referencias del marco normativo está relacionado en la bibliografía citada al final de este

documento.

6.8.1. ESTÁNDARES API (American Petroleum Institute)

• Std 5T1, Standard on Imperfection Terminology.

• RP1110, Pressure Testing of Steel Pipelines for the Transportation of Gas,Petroleum Gas, Hazardous

Liquids, Highly Volatile Liquids or Carbon Dioxide.

• Publ 1156, Effects of Smooth and Rock Dents on Liquid Petroleum Pipelines.

• Std 1163, In-line Inspection Systems Qualification Standard.

• Std 579, Fitness for Service.

• API 570, Piping Inspection Code: Inspection, Repair, Alteration, and Rerating of In-service Piping

Systems.

• Publ 353, Managing Systems Integrity of Terminal and Tank Facilities.

• RP 651, Cathodic Protection of Aboveground Petroleum Storage Tanks

40

• RP 580, Risk-Based Inspection.

• RP 581, Risk-Based Inspection Technology.

6.8.2. CODIGOS ASME (American Society of Mechanical Engineers)

• B31.4, Pipeline Transportation Systems for Liquid Hydrocarbons and Other Liquid.

• B31G, Manual for Determining the Remaining Strength of Corroded Pipelines: A Supplement to

ASME B31 Code for Pressure Piping.

6.8.3. REGULACIÓN DOT (Department of Transportation of the USA)

• 49 CFR Part 195, Transportation of Hazardous Liquids by Pipeline.

6.8.4. CÓDIGOS NACE (National Association of Corrosion Engineers)

• SP 0169, Control of External Corrosion on Underground or Submerged Metallic Piping Systems.

• SP 0102, In-line Inspection of Pipelines

• SP 0208, Internal Corrosion Direct Assessment Methodology for Liquid Petroleum Pipelines

• SP 0502, Pipeline External Corrosion Direct Assessment Methodology

• SP 0204, Stress Corrosion Cracking (SCC) Direct Assessment Methodology

6.8.5. AUSTRALIAN STANDARDS

• AS/NZS 2885.5, Pipelines Gas and Liquid Petroleum Part 5: Field pressure testing

6.9. MARCO CONCEPTUAL. (Términos y definiciones)

6.9.1. Áreas de consecuencia (AC). Aquellos lugares donde un escape de líquido contenido en el sistema

de transporte podría tener un efecto adverso sobre el medio ambiente y/o la población.

6.9.2. Amenaza. Un estado anormal en el entorno en el que se encuentra la estructura que se genera a

partir de un peligro o de una combinación de éstos y que tiene la capacidad de causar daños en la

estructura.

6.9.3. Análisis de riesgo. Sub-proceso para identificar los peligros (fatiga, daños del revestimiento) que

puedan convertirse en amenazas (agrietamiento, corrosión), calcular la frecuencia de falla del

sistema debida a tales peligros y la severidad de las consecuencias potenciales a la población, al

ambiente y/o al negocio (p.e. Crudo entrando a un paso de agua usado para consumo humano y

41

riego). La formulación matemática y/o lógica resultado del análisis del riesgo se

denomina estimación del riesgo.

6.9.4. Consecuencia. Efecto o resultado de la materialización de la amenaza geotécnica.

6.9.5. Curvas-R. Por lo general, bajo un estado de esfuerzo plano, un crecimiento inestable de una grieta

es precedido por un crecimiento estable de ésta, de manera que, una vez que se inicia el

crecimiento de una grieta es necesario aumentar el esfuerzo para mantener dicho crecimiento

hasta cuando se llega a la condición crítica de crecimiento inestable de grieta. Se considera que

este comportamiento se debe a un continuo aumento de la tenacidad con el crecimiento estable de

grieta, lo que a su vez se debe al aumento de la zona plástica y al endurecimiento por deformación

en dicha zona.

Una curva-R, es un registro continuo de la variación de la tenacidad en función del crecimiento de

grieta. Si en el frente de grieta se mantiene primordialmente un estado de esfuerzo elástico, la

tenacidad se puede expresar en términos de un factor de intensidad de esfuerzo KR, entonces la

curva R es un grafico de KR contra el crecimiento de grieta Δa, (figura 13).

Figura 13. Curva-R. Fuente: Análisis de falla. UNAL

6.9.6. Deformación (Strain). Cambios en la forma de una estructura generados por esfuerzos internos o

externos. La deformación se denota por la letra griega ε. Para el caso de deformación lineal, ε =

ΔL/L, siendo L la longitud original de la estructura y ΔL el cambio generado. Nótese que ε es un

valor adimensional; sin embargo, tradicionalmente es escrito en unidades llamadas microstrain (με)

o como un porcentaje (%) respecto a las dimensiones originales, donde 1 με = 1 μm m-1 = 10-6 m m-1

= 0.0001 %. En sistemas de transporte de hidrocarburos que transcurren por zonas de montaña,

existen tramos donde la interacción sistema suelo-tubería es diagonal o perpendicular,

induciendo patrones de esfuerzos que causan deformaciones permanentes a lo largo de la tubería

y en la sección transversal, como curvaturas pronunciadas, abolladuras, ovalidades y arrugas.

6.9.7. Diagnóstico Geotécnico. Identificación, localización y valoración de los factores naturales y

antrópicos que inciden en la condición de estabilidad geotécnica del derecho de vía y/o la

integridad mecánica de la línea.

Curva R, KR = f(Δa)

KRo

KR

Resistencia de

crecimiento de

grieta

Crecimiento estable

de grieta, Δa

42

6.9.8. Esfuerzo (stress). Fuerza perpendicular por unidad de área (sección transversal). El esfuerzo se

denota con la letra griega σ y matemáticamente se escribe como σ = F/A. Las unidades del esfuerzo

en el sistema internacional son N/m2 o Pa (en general, se usa MPa). En el sistema americano la

unidad es psi (libras/pulgadas2).Tradicionalmente, se emplea un signo positivo para indicar un

esfuerzo de tensión y un signo negativo para indicar un esfuerzo de compresión. En ductos, los

esfuerzos afectan directamente la curvatura de la tubería, presión interna y cargas externas.

6.9.9. Estabilidad Geotécnica. Condición dada por el equilibrio de fuerzas actuantes sobre el terreno.

6.9.10. Gestión de riesgo. Aplicación selectiva de técnicas apropiadas para reducir la probabilidad de falla

y/o las consecuencias desfavorables debidas a los riesgos por amenaza geotécnica, que incluye las

siguientes actividades:

1. Estimar y planear actividades de análisis, planeación y gestión del riesgo para el proyecto. 2. Determinar cuáles riesgos pueden afectar la integridad de la tubería y el derecho de vía, y

documentar sus características. 3. Realizar un análisis del riesgo y de las condiciones de cada hallazgo para priorizar sus efectos

sobre la integridad de la tubería y del derecho de vía. 4. Medir la probabilidad y consecuencias de los riesgos y estimando sus implicaciones en la

integridad de la tubería y del derecho de vía. 5. Desarrollar procedimientos y técnicas para disminuir las amenazas. 6. Monitorear la efectividad de las medidas adoptadas evaluando su efectividad en el tiempo.

6.9.11. Integridad. Condición mecánica de un sistema de tubería que le permite desarrollar la función de

transportar un fluido, garantizando la contención y seguridad del mismo, de forma confiable

durante el ciclo de vida especificado.

6.9.12. Junta circunferencial. Soldadura de unión tubo a tubo o accesorio a tubo.

6.9.13. Método deterministico. Es un modelo matemático donde las mismas entradas producirán

invariablemente las mismas salidas, no contemplándose la existencia del azar ni el principio de

incertidumbre. Está estrechamente relacionado con la creación de entornos simulados a través de

simuladores para el estudio de situaciones hipotéticas, o para crear sistemas de gestión que

permitan disminuir la incertidumbre.

6.9.14. Peligro. Cualquier característica de un material, sistema o proceso que tiene el potencial de causar

daños a la población, al medioambiente y/o a la propiedad.

6.9.15. Presión de operación actual. Presión en cualquier punto de un sistema de tubería cuando el

sistema está operando bajo condiciones de estado estacionario. Esta presión corresponde a la

suma de la cabeza de presión estática, la presión requerida para vencer las perdidas por fricción y

cualquier contrapresión.

6.9.16. Presión máxima de operación actual establecida. Presión máxima de operación real (PMO) de la

tubería, algunas veces diferente de la PMO de diseño. La PMO actual establecida se puede ajustar

debido a la necesidad de reducir la capacidad normal de una tubería o por otras razones.

6.9.17. Presión de operación segura. Presión determinada usando modelos de cálculo de esfuerzo

remanente en tuberías que han sido afectadas mecánicamente (corrosión, deformaciones

43

geométricas, daños mecánicos, etc). Para considerar que un sistema de tubería es seguro, todas las

regiones afectadas mecánicamente deben soportar una presión igual a un nivel de esfuerzo de 1,39

veces la presión máxima de operación (PMO).

6.9.18. Reporte final de inspección en línea. Reporte suministrado por el proveedor del servicio de la

inspección en línea, que proporciona a la compañía operadora una interpretación completa de los

datos de una inspección en línea. Véase también Reporte preliminar de inspección en línea.

7. DISEÑO METODOLOGICO

La estrategia propuesta para el desarrollo del trabajo de grado se basa en los siguientes pasos:

1. Tipo de Investigación: Para efectos de este trabajo de grado el tipo de investigación estará enfocado a consideraciones cualitativas y de búsqueda de un contexto que pueda ser factible para la estructuración y desarrollo de un proyecto ejecutado directamente por Ecopetrol S.A para poder establecer mediante pruebas de gran escala los estados limite de condición de las juntas soldadas de las tuberías que interactúan con eventos geotécnicos.

2. Método de Investigación: sobre la base de las referencias encontradas se procederá a revisar algunos de los modelos matemáticos para calcular la incidencia de cargas y modelos de predicción del crecimiento de una falla en las soldaduras circunferenciales de las tuberías. Los modelos permitirán hallar parámetros de sensibilidad que reflejen mediante una matriz de riesgo la probabilidad de que una junta soldada falle ante un evento geotécnico.

3. Recolección de Información: La bibliografía usada para el desarrollo de este trabajo consiste en revisiones temáticas relacionadas con:

- Valoración de Riesgo de infraestructura sometida a eventos de vulnerabilidad geotécnica,

- Formulaciones para el cálculo de carga efectiva aplicada,

- Consideraciones FFS (Fitness for service) aplicadas a soldadura,

- Rastreo normativo de criterios de aceptación y rechazo.

8. RESULTADOS

8.1. CONTEXTUALIZACIÓN DE MODELOS DE CÁLCULO DE ESTADOS LIMITE EN SOLDADURAS CIRCUNFERENCIALES (Etapa de revisión de Modelos)

Las tuberías que operan en regiones sísmicas con alta vulnerabilidad geotécnica, pueden ser sujetas a

deformaciones plásticas causadas por desplazamientos de tierra. Diseños tradicionales basados en

esfuerzo, pueden no ser efectivos en ambientes severos. Consecuentemente, los lineamientos de diseño

basados en esfuerzo para la calificación de tuberías soldadas sujetas a deformaciones, son necesitadas

para facilitar futuros desarrollos en regiones sísmicas activas.

44

Actualmente ningún código provee de una guía completa en la valoración de las juntas soldadas para el

diseño basado en esfuerzo. La mayoría de los códigos existentes son basados en esfuerzo dando guías

limitadas de diseños basados en deformación de tuberías operando en condiciones sísmicas. El enfoque de

esfuerzo convencional tolerable, disponible en los códigos y estándares no puede ser adecuado para el

diseño, la especificación y la construcción de tuberías diseñadas basadas en deformación. Cualquier

procedimiento codificado para diseños basados en deformación, necesita contar con todos los estados

límites aplicables. Desde el punto de vista de una deformación por tensión, dos estados límites existentes

son:

1. Colapso plástico en el tubo/soldadura,

2. Estado limite de fractura asociado con la ductilidad al desgarre debido a la presencia de una falla de

soldadura preexistente.

Ambos estados límite deberían ser tenidos en cuenta para los procedimientos en los cuales se va a

determinar la capacidad a deformación por tensión de soldaduras de tuberías. Actualmente, algunos

estudios se han dedicado a la valoración del estado límite de fractura por tensión para predecir la

capacidad de deformación. Las investigaciones consideran los procedimientos de valoración de fracturas

para diseños basados en deformación de tuberías soldadas y que han sido relacionadas en la bibliografía de

este trabajo de grado. Estos y otros estudios han servido para incrementar el conocimiento de los

procedimientos de valoración de fracturas basadas en deformación, un problema permanece sin

resolverse, nombrado, “la necesidad de simplificar”, las ecuaciones practicas paramétricas para la

predicción de capacidad de deformación a tensión de fractura de soldaduras de tuberías se hace calculando

para todos los parámetros claves que están influenciando la capacidad de deformación. Los enfoques

basados en FEA (Finite Element Analysis) propuesto en la literatura, son complejos y requieren de

modelamiento computacional y análisis. Para desarrollar diseños para aplicaciones eficientes y rápidas

basadas en deformación, es deseable reducir la física del complejo, modelos computacionales simplificados

y ecuaciones paramétricas simples para el cálculo de la capacidad de deformación. Los estudios basados en

FEA, pueden dar un enfoque de desarrollo de estas ecuaciones. El desarrollo cuidadoso de estudios

paramétricos puede ser usado para el desarrollo de ecuaciones de capacidad que contenga todas las

variables influenciando la capacidad de deformación y reproducir con precisión los resultados del análisis

FEA.

Desarrollando formas cercanas de ecuaciones, hay dos ventajas distintas. Una forma de ecuación permite

además de mejoras en la capacidad de predicción de estos métodos a través de cuidadosas calibraciones de

los resultados del modelo FEA frente a los resultados experimentales. Tal como una calibración de capturas

45

fenomenológicas16 de los efectos de procesos físicos de segundo orden explícitamente no capturados en el

método FEA. Además una ecuación generalizada puede ser simplificada asumiendo valores conservativos

para variables tales como el desalineamiento de la soldadura que son difíciles de controlar a través del

diseño de materiales o soldadura. Seleccionando niveles conservativos para un conjunto reflexivo de

variables, reduce el número de variables en el resultado de la ecuación en una ecuación apropiadamente

conservativa y simple de usar. Estas ecuaciones simples de usar pueden ser más fácilmente incorporadas en

estándares y podría ser usada para estimar conservativamente de manera temprana en la fase de diseño de

los proyectos, la capacidad, donde se detalla la información de las propiedades de la soldadura que no son

disponibles.

Dos metodologías basados en procedimientos de valoraciones críticas de Ingenieria (ECA- engineering

critical assessment) son el BS 791017 y API 57918. Estos procedimientos dan opciones de niveles para el ECA

(referidos como Nivel 1, 2 y 3). El nivel 1 es una “valoración simplificada”, es un procedimiento basado en

supuestos conservativos, mientras que el nivel 3 da una “valoración detallada” incluyendo procedimientos

que usan análisis de elementos finitos elástico – plástico dando más precisión en la predicción del

comportamiento estructural.

En analogía con los métodos tradicionales de ECA, los modelos de cálculo actuales proveen la base para un

multi-nivel, en la técnica ECA basado en deformación. Las ecuaciones simplificadas de capacidad de

deformación basados en supuestos conservativos son presentados, los cuales pueden ser considerados

análogos a un procedimiento de nivel bajo de los procedimientos ECA basados en esfuerzo permisible. Un

parámetro no dimensional es presentado para relacionar la influencia de fallas y geometrías de tubos a la

capacidad de deformación a la tensión la cual forma la base de las ecuaciones de capacidad de deformación

a la tensión. Las ecuaciones generalizadas de la capacidad de deformación a la tensión y los enfoques

asociados con FEA son presentadas, estos métodos son análogos a procedimientos de nivel alto en ECA. La

validación de una ecuación general comprensiva de capacidad de deformación involucra todos los

parámetros geométricos claves desarrollados.

16

Fenomenología: término que se utiliza en investigación para describir un cuerpo de conocimiento que relaciona entre sí distintas observaciones empíricas de forma consistente con la teoría fundamental, pero sin derivar estas observaciones directamente de dicha teoría fundamental.

17 BS7910:2005 Guidance on Methods for Assessing Acceptability of Flaws in Fusion Welded Structures.

18 API. Recommended Practice for Fitness-For-Service. API 579. American Petroleum Institute, 2007.

46

8.2. RASTREO DE MODELOS DE CÁLCULO DE ESFUERZOS EN JUNTAS SOLDADAS

NOMENCLATURA

Flaw depth (mm)

(Profundidad de falla) a

Flaw length (mm)

(Longitud de la falla) 2C

Full-scale test

(Prueba de alto nivel) FST

Misalignment (mm)

(Desalineamiento) e

Weld overmatch at UTS (%)

(soldadura superior al UTS19)

λ

Outer diameter (inches)

(Diámetro exterior) (pulg.) OD

Inner diameter (inches)

(Diámetro interior) (pulg.)

ID

Pressure, internal (% SMYS)

(Presión Interna) (% SMYS) P

R-curve parameters (power law fit)

(Parámetros curva-R) (poder de la ley de ajuste) δ, η

Single edge notched tension specimen

(Muestra de tensión de entalla simple en el borde) SENT

Yield to tensile ratio, pipe

(Relación Limite de fluencia y esfuerzo de tensión) Y/T

19 UTS: Ultimate Tensile Strengh

47

Uniform elongation, pipe (%)

(Elongación Uniforme del tubo)

UELpipe

Wall thickness, pipe (mm)

(Espesor de pared del tubo)

t, WT

Heat affected zone

(Zona Afectada por el Calor)

HAZ

Specified minimum yield strength (ksi)

(Esfuerzo de Fluencia Mínima especificada)

SMYS

Weld center line

(Línea central de la soldadura)

WCL

8.2.1. MODELO DE DISEÑO CON BASE EN CAPACIDAD DE DEFORMACIÓN:

El programa de capacidad de tensión de deformación tiene los siguientes objetivos:

1. Determinar un modelo de pequeña escala para la medida de resistencia del material al desgarre

(Curvas-R20), para predecir la capacidad de deformación por tensión de soldaduras de tuberías.

2. Desarrollar y validar una metodología basada en FEA para la predicción de la capacidad de

deformación por tensión de soldaduras de tuberías.

3. Desarrollar y validar ecuaciones paramétricas para la predicción de la capacidad de deformación

por tensión usando estudios paramétricos basados en FEA.

8.2.2. ECUACIONES GENERALIZADAS DE CAPACIDAD DE DEFORMACIÓN POR TENSIÓN:

El siguiente enfoque fue adoptado para el desarrollo generalizado de ecuaciones de capacidad de

deformación por tensión para tuberías soldadas.

Primero, los estudios de sensibilidad basados en FEA fueron conducidos para identificar los parámetros

clave de geometría, material y cargas que influencian la capacidad de deformación por tensión. Los

siguientes parámetros claves fueron identificados:

Parámetros geométricos:

1. Espesor de pared de la tubería,

20 Curva-R: es un registro continuo de la variación de la tenacidad en función del crecimiento estable de grieta.

48

2. Profundidad de la falla,

3. Longitud de la falla,

4. Desalineamiento,

5. Ubicación de la falla (OD/ID, WCL/HAZ),

Parámetros del Material:

1. Relación Y/T del tubo,

2. Soldadura superior al UTS,

3. Soldadura/HAZ CTOD21 Curvas-R,

4. Elongación uniforme del tubo.

Parámetros de carga:

1. Presión Interna,

Segundo, un estudio de parámetros a gran escala basados en FEA será conducido además de los anteriores

parámetros que serán usados para el uso generalizado de las ecuaciones de capacidad de deformación por

tensión para grados de tubería entre X42 a X80. Conducir las predicciones de la fuerza para diferentes

ubicaciones de falla (OD HAZ, ID HAZ OD WCL y ID WCL).

Basados en los parámetros conducidos por el estudio, una ecuación de capacidad de esfuerzo involucra los

parámetros claves que pueden ser expresados como sigue:

ε� � ��, C, e, λ, �, �� , �� , δ, η, P) Ecuación 5

Donde, e, es el desalineamiento, C, es la mitad de la longitud de la falla, a, representa la profundidad de la

falla, Y, es el esfuerzo de fluencia del tubo, T, es el UTS del tubo, UEL pipe representa la elongación uniforme

del tubo, λ, representa la soldadura superior al UTS (en %), P, representa la presión, δ η, son los parámetros

de las curvas–R y t, representa el espesor de pared del tubo.

Además simplificaciones de la ecuación (5) son posibles haciendo supuestos razonables sobre los

parámetros clave tales como desaliniamiento, elongación uniforme, Y/T y la curva-R que darán lugar a

predicciones de capacidad de deformación conservativa de los diversos grados y procedimientos de

soldadura. Tales supuestos llevan la ecuación 5 a simplificarse en la ecuación 6, que puede considerarse

análoga al procedimiento tradicional ECA nivel 1 dado por los códigos para diseño de esfuerzo permitido:

21

CTOD: Crack Tip Opening Distance.

49

ε� � ��, C, , λ, �) Ecuación 6

Hay una necesidad de desarrollar enfoques ECA multi-nivel para el diseño basado en deformación y las

ecuaciones 5 y 6 pueden ser usadas para este propósito. La ecuación 5 puede ser considerada un tipo de

valoración nivel 3 por el rango de parámetros considerados en el estudio paramétrico. En términos más

generales, el fundamento del enfoque FEA puede ser usado para conducir una valoración tipo nivel 3 para

propiedades o rangos de geometría no considerados como parte del desarrollo generalizado de la ecuación

de capacidad. Además la ecuación simplificada 6 con pocos parámetros de entrada puede ser considerado

análogo al nivel 1 o 2 del enfoque ECA.

Para el desarrollo de las ecuaciones de capacidad de deformación por tensión de las formas 5 y 6 es la

identificación de un parámetro no dimensional que capture las tendencias de la capacidad de deformación

por tensión a lo largo de varios tamaños de tubos y tamaños de fallas para todos los grados. La figura 14

muestra un ejemplo del resultado de un estudio paramétrico extenso para determinar la forma funcional

de las ecuaciones 5 y 6. La capacidad de deformación mostrado en la figura 13, corresponde al estado

limite de desgarre dúctil. La capacidades de deformación por esfuerzo en desgarre dúctil de tres tubos de

diferente diámetro (OD y WT) con diferentes profundidades de falla, pero idénticas longitudes de falla, han

sido graficados contra los parámetros adimencionales, aC/(t-a)2 asumiendo idénticas propiedades de

material del tubo y la soldadura, la ubicación de las fallas y el desalineamiento. Para una longitud de falla

fija de 2C, el grafico sugiere una única relación entre los parámetros de geometría de profundidad de falla, a, mitad de la longitud de falla C, espesor de pared del tubo , t, contra el parámetro de desempeño del

tubo, la capacidad de deformación por tensión. Esta relación fue encontrada para mantener todos lo

grados (X65-X80) para todos los niveles de desalineamiento, niveles de soldadura sobre el UTS, curvas-R de

tubos UEL y relaciones Y/T. Lo anterior puede ser expresado como:

εc � β1 ln ' ()�*+(,�-+ β2 Εcuación 7

Donde, β1 y β2 son funciones de la longitud de falla, desalineamiento, λ, propiedades de la tubería y

curvas-R. La ecuación 3 se vuelve asintótica por fallas muy largas o muy pequeñas. Esto es direccionado

como sigue. Primero, los límites de aplicabilidad especificados por parámetros de tamaño de falla en la

ecuación son discutidos más adelante. Adicionalmente, nótese que para tamaños de fallas muy pequeños,

el modo de falla puede cambiar de desgarre dúctil en la falla a encuellamiento plástico en el metal base

fuera de la falla y será predicho por la ecuación de colapso plástico del tubo que no es discutido en este

documento. Físicamente, los parámetros adimensionales aC/(t-a)2 en la ecuación de desgarre dúctil 7,

representa la relación del área de falla al área del ligamento (t-a) en la soldadura del tubo. Este parámetro

adimensional forma la base para el análisis de las ecuaciones de capacidad de deformación por tensión

para el estado límite de fractura.

50

Figura 14. Ejemplo de graficas de estado limite de desgarre dúctil22.

8.2.3. VALIDACIÓN DE LAS ECUACIONES DE CAPACIDAD DE DEFORMACIÓN BAJO TENSIÓN GENERALIZADA USANDO INFORMACIÓN DE PRUEBAS DE GRAN ESCALA.

A continuación se muestran los resultados de la validación de las ecuaciones de capacidad de deformación

por tensión para tuberías de grados X65 y X80 que ha sido basada en comparaciones con información de

ensayos de gran escala. La información de los ensayos de gran escala cubre un rango amplio de materiales,

tamaños de fallas, tipo de falla, ubicación de falla, presión de cargas y desalineamiento.

El rango de los materiales es de X65 a X80. Para limitar las variaciones de materiales y datos dispersos,

todas las soldaduras fueron realizadas en la posición 1G- en posición de rolado usando el proceso GMAW.

El diámetro del tubo varía desde 8” a 30”. El desalineamiento de la soldadura varia de 0 a 3mm y la

soldadura supera el UTS variando entre el 5% y el 50%. La ubicación de las fallas en estas pruebas a gran

escala incluye OD WCL, OD FL, ID WCL y ID FL. Todas las fallas fueron defectos abiertos a la superficie. Las

cargas aplicadas fueron bi-axiales e incluyen presiones internas y desplazamiento longitudinal.

Los siguientes requerimientos fueron considerados esenciales para producir calidad, y asegurar la calidad

de las comparaciones entre las predicciones de ecuaciones y las mediciones de la capacidad de

deformación por tensión de las pruebas de gran escala:

22 Fuente: Tensile strain capacity equations for strain-based design of welded pipelines. IPC2010-31661. S. Kibey. X.

Wang.

51

1. Todas las propiedades de los materiales deberían ser medidas usando pruebas a baja escala

conducidas sobre estrictas comparaciones de tubos/soldaduras,

2. Todos los parámetros de entrada para cada prueba de gran escala, deberían ser definidos

consistentemente sobre todas las pruebas y grados. Por lo tanto, valores principales de los

parámetros de entrada fueron usados para asegurar la validación de comparaciones de

predicciones con medidas de capacidad de deformación para todos los ensayos de gran escala, y,

3. Tanto las medidas de capacidad de deformación por tensión, como los modos de falla en las

pruebas de gran escala, deben ser capturadas para predecir las ecuaciones.

Con respecto a los ensayos de comparación de materiales, las pruebas relevantes de los ensayos de

pequeña escala (esfuerzo longitudinal y SENT23) fueron conducidos usando tuberías y soldaduras

cuidadosamente seleccionados y preparados. Las muestras fueron extraídas tan cerca como sea posible de

las piezas usadas para ensayos a gran escala y numerosas muestras fueron tomadas alrededor de la

circunferencia para tener en cuenta las variaciones estadísticas. Las muestras de soladura fueron todas

producidas por el mismo equipo y operarios en niples soldados para cortar las muestras para las pruebas de

gran escala. Las curvas –R CTOD, para fallas en WCL24 y HAZ fueron medidas usando el ensayo de SENT.

La predicción de capacidad de deformación para cada ensayo a gran escala es basada en las siguientes

entradas para ecuaciones generalizadas de capacidad de deformación:

1. Parámetros geométricos: geometría de diámetro nominal, medida de desalineamiento y tamaño de

falla maquinado.

2. Parámetros de propiedades de material: valores principales para tubos con relación Y/T,

elongación del tubo (UEL pipe), superior al UTS y Curva-R.

Tres ecuaciones separadas han sido desarrolladas para tres estados límite: desgarre dúctil, colapso plástico

en la tubería y colapso plástico en la soldadura. Para cada ensayo de gran escala, el menor de las tres

capacidades para deformarse es reportado como la capacidad de deformación y el correspondiente estado

limite como el modo de falla predicho. La figura 14, muestra la comparación de medición contra la ecuación

de predicción de capacidad de deformación por tensión para 20 ensayos de gran escala. Estos resultados

cubren tubos grado X65 y X80.

La comparación en la figura 15 incluye también los resultados de los ensayos que fallaron por colapso

plástico en el tubo o debido a desgarre dúctil en la falla. Esta figura demuestra que dentro del modelo de

error, y basado en los principales valores del material, la capacidad de deformación predecida están de

acuerdo con las capacidades de los ensayos de gran escala medidos. Las diferencias pueden ser debidas a

incertidumbres en los datos de entrada de las propiedades y simplificaciones del modelo.

23

SENT: Single edge notched tension specimen 24 WCL: Weld Center Line.

52

Figura 15. Validación de ecuaciones de capacidad de deformación Vs datos de ensayo de gran escala25.

8.2.4. DESARROLLO DE ECUACIONES SIMPLIFICADAS DE CAPACIDAD DE DEFORMACIÓN POR TENSIÓN PARA TUBERIAS DE GRADO X65-X80

La complejidad de la ecuación 1 y la cantidad de datos de entrada requeridos para usar estas ecuaciones

puede ser relativamente incómoda para muchos escenarios de ingeniería que sería suficiente con enfoques

simplificados. Supuestos conservativos fueron hechos considerando las siguientes propiedades y

geometrías de los materiales: elongación uniforme de la tubería, relación Y/T de la tubería,

desalineamiento, presión interna y curvas R, los parámetros de ajuste δ y η representa las entradas de la

curva-R en la ecuación de capacidad de deformación, donde δ es el coeficiente de la ley de poder de ajuste

y η es el exponente de la ley de poder de ajuste. La figura 16 muestra un grafico de las curvas R asumidas

para grados X65/X70 y X80. Las variables asumidas son resumidas en la tabla No. 5.

25 Fuente: Tensile strain capacity equations for strain-based design of welded pipelines. IPC2010-31661. S. Kibey. X. Wang.

53

Figura 16. Grafico de curvas-R asumida. La ley del poder de ajuste es usada como entrada de las

curvas R en las ecuaciones de capacidad de deformación.

Tabla 5. Supuestos para ecuaciones de capacidad conservativas simplificadas para X65-X80.

Grado e (mm) Y/T del tubo UELpipe

(%) Curva-R

δ X η

Presión (% SMYS)

X65/X70 3 0.9 8 1 X 0.6 80

X80 3 0.93 6 1 X 0.2 80

8.2.5. CONSIDERACIONES DE TENACIDAD PARA DISEÑOS BASADOS EN DEFORMACIÓN

La tenacidad en juntas circunferenciales es un parámetro crítico en todas las fases del ciclo de vida

de una tubería. Hay una variedad de ensayos de tenacidad, que van desde muestras de laboratorio

a baja escala no costosas, hasta ensayo de gran escala sofisticados. La correlación de parámetros

físicos significantes, tales como la temperatura de transición y mayor conservación de

energía/tenacidad, de aquellas formas de ensayo, son examinados. El objetivo último es el

entendimiento de la similitud de varias formas de muestras. La similitud permite la predicción del

comportamiento a larga escala de muestras de laboratorio de baja escala.

54

Las muestras de ensayo más usadas son la prueba de impacto Charpy y la muestra de dobles de

entalla sencilla en el borde (SENB) prueba CTOD.

8.3. VALIDACIÓN DE METODOLOGIA FFS (FITNESS FOR SERVICE)

Claramente los procesos de cálculo de condiciones y estados límites tomando como base

formulaciones de fractomecánica, podrían llegar a simplificar los análisis y cálculos relacionados

con fallas o defectos en soldaduras. Los estudios de FFS en contraste con los simples y

conservativos cálculos que son típicamente encontrados en códigos de diseño, son valoraciones

más sofisticadas de condiciones metalúrgicas y análisis de esfuerzos de deformación locales que

pueden indicar precisamente si el equipo que se opera es apto para el servicio en el cual fue

diseñado o si defectos de fabricación o deterioros en el servicio amenazan su integridad. Tales

análisis ofrecen una base sana para tomar decisiones sobre continuar funcionando un equipo como

lo hacía o hacer una alteración, reparación, monitoreo, retiro o reemplazo de los componentes o

equipos afectados.

Las practicas más comúnmente usadas en la industria del petróleo son la practica recomendada API

RP 579, Fitness-For- Service26 del Instituto Americano del Petróleo y la norma BS 7910, Guide on

Methods for Assessing the acceptability of flaws in fusion welded structures de Estandares

Britanicos.

En circunstancias donde es necesario examinar críticamente la integridad de una construcción

nueva o existente por el uso de métodos de ensayos no destructivo, es también necesario

establecer niveles de aceptación para las fallas reveladas. La derivación de los niveles de aceptación

para fallas está basada en el concepto de Fitness- For- Service. Por este principio, una fabricación

particular es considerada que sea adecuada para este propósito, dando las condiciones para que no

se alcancen las causas de falla. Una distinción ha sido hecha entre la base de aceptación en el

control de calidad y la base de aceptación de acuerdo con el FFS.

Los niveles de control de calidad son usualmente conservativos pero son de considerable valor en

el monitoreo y mantenimiento de equipos. Las fallas que son menos severas que aquellas dadas en

los niveles de control de calidad, por ejemplo, en los estándares actuales, son aceptables sin mayor

consideración. Si las fallas más severas que los niveles de control de calidad son reveladas, el

rechazo no es necesariamente automático. Las decisiones en si el rechazo y/o las reparaciones son

justificadas pueden ser basados en FFS, aunque a la luz de experiencias documentadas previamente

con materiales similares, esfuerzos y combinaciones ambientales o sobre la base de una

“Valoración Critica de Ingenieria” (ECA).

26

FFS: Fitness For Service: apto para el servicio.

55

La implicación de una valoración de fallas en la base de un FFS es la necesidad de exanimaciones

precisas por medio de ensayos no destructivos, usando técnicas capases de localizar y dimensionar

fallas en las áreas críticas. Es objeto de los análisis FFS es identificar tales áreas y asistir en la

optimización de procedimientos de END´s27 identificando aquellos aspectos de caracterización de

fallas, tamaño y posición en la cual necesita ser determinado. Tales END deberían ser realizados

después de cualquier tratamiento térmico (PWHT) y/o prueba de ensayo (Pruebas de presión). Las

limitaciones de los END han sido tomadas en cuenta. Los siguientes son los estados en la valoración

de fallas reveladas por END:

1. Si la falla no excede el nivel del control de calidad, dado en el código aplicable, ninguna acción

adicional es requerida,

2. Si el límite de aceptación ya ha sido establecido sobre la base de un ECA para la combinación

apropiada de materiales, esfuerzos y factores ambientales, las fallas necesitan ser valoradas

sobre esa base,

3. Si experiencias documentadas relevantes no existen, entonces una guía basada en ECA dado en

los estándares FFS, necesita ser llevado a cabo.

El ECA ayudara a identificar las condiciones o estados límite de falla, o limitar las condiciones de diseño. La

aplicación de estos principios llevara a que resultados seguros sean obtenidos.

Las metodologías de FFS, también dan lineamientos en el uso de factores de seguridad, factores de

confiabilidad y métodos probabilísticos. Estos factores y métodos no constituyen un análisis de riesgo

completo del componente a ser valorado, dado que las metodologías no cuantifican la consecuencia de una

falla, pero si demarcan los estados limite con los cuales el riesgo puede ser tolerable.

Los métodos y procedimientos de los estándares FFS, están enfocados a suplementar y justificar los

requerimientos de API 510, API570, API 653 y otros códigos de mantenimiento.

Los procedimientos de análisis FFS, cubren tanto la integridad actual de los componentes dando un estado

actual de daño como la proyección de vida remanente. Las técnicas de valoración son incluidas para evaluar

fallas tales como: corrosión general y localizada, picaduras extensas o locales, ampollas y daño por

hidrogeno, desalineamiento y distorsiones de cuerpos, defectos tipo grietas incluyendo agrietamientos

ambientales, laminaciones, abolladuras y daños mecánicos y procedimientos para la valoración de vida

remanente de componentes operando en rangos de termofluencia. Adicionalmente, las técnicas de

evaluación son dadas para condiciones de valoración de equipos incluyendo la resistencia a fractura frágil,

daños por termofluencia a largo término y daños por fuego.

27

END: Ensayos No Destructivos

56

Los procedimientos de valoración FFS son organizados por el tipo de falla y mecanismo de falla. Lo pasos

mínimos a tener en cuenta en un análisis FFS son:

1. Identificación de la falla y el mecanismo de daño,

2. Aplicabilidad y Limitaciones de los procedimientos de valoración FFS,

3. Requerimientos de información,

4. Técnicas de valoración y criterios de aceptación,

5. Evaluación de vida remanente,

6. Remediación,

7. Monitoreo en servicio,

8. Documentación.

8.3.1. TECNICAS DE VALORACIÓN Y CRITERIOS DE ACEPTACIÓN

Tres niveles de valoración son cubiertos en las valoraciones FFS. En general cada nivel de valoración da un

balance entre el conservatismo, la cantidad de información requerida para la evaluación, la habilidad del

personal que desempeña la valoración y la complejidad del análisis a ser desarrollado. El nivel 1 es el más

conservativo, pero es el más fácil de usar. Mientras que el nivel 2 y 3 son más complejos. A continuación se

hace una breve descripción de los niveles de valoración FFS:

1. Valoración Nivel 1: los procedimientos de valoración incluidos en este nivel están enfocados para

dar un criterio de barrido (screening) que puede ser utilizado con una cantidad mínima de

inspección o información del componente. la valoración nivel 1 pueden ser realizadas por personal

de planta o personal de ingeniería.

2. Valoración Nivel 2: los procedimientos de valoración en este nivel incluye detalles de evaluación

que produce resultados que son más precisos que aquellos en la valoración nivel 1. En una

valoración nivel 2 la información de inspección requerida es la misma que la valoración nivel 1; sin

embargo, más cálculos detallados son usados en la evaluación. La valoración nivel 2 típicamente

será realizada por ingenieros de planta o especialistas en ingeniería con experiencia y conocimiento

en valoraciones FFS.

3. Valoración nivel 3: Esta valoración está enfocada en proveer evaluaciones más detalladas, con las

cuales se producen resultados más precisos que las valoraciones nivel 2. En una valoración nivel 3

son requeridos mas inspecciones detalladas e información de componentes, y el análisis

recomendado está basado en técnicas numéricas tales como métodos de elementos finitos (FEA) o

técnicas experimentales cuando sea apropiado. Una valoración nivel 3 está enfocada inicialmente

para ser aplicada por ingenieros especialistas con experiencia y conocimiento en valoraciones FFS.

La siguiente tabla relaciona lo aspectos más importantes en cado uno de los niveles de acuerdo con la falla

y el mecanismo de daño específico que se desea evaluar y valorar:

57

Tabla 6. Resumen por nivel de aspectos relevantes de FFS. Fuente: Autor de trabajo de grado.

Falla y

Mecanismo

de daño

Requerimiento Nivel 1 Requerimiento Nivel 2 Requerimiento Nivel 3

Fractura

Frágil

Los sistemas de tubería

deben reunir los

requerimientos de

tenacidad contenidos en

ASME B31.3 o el código con

el cual fue diseñado. El

MAT28

para un sistema de

tubería es el mayor MAT

obtenido por cualquier

componente del sistema. El

procedimiento inicial

consiste en los siguientes

pasos:

1. Determinar el MAT del

sistema,

2. Si los resultados de

pruebas de impacto

están disponibles para

el componente,

entonces la MAT puede

ser ajustada a la

temperatura de

impacto a la cual se

realizaron las pruebas.

- Método A: son aceptables

si puede demostrarse que

la presión y temperatura

de operación está dentro

de una zona segura con

respecto al esfuerzo de

diseño del componente y

la MAT. As valoraciones

deberían considerar

esfuerzos de

componentes debidos a

cargas térmicas

combinadas.

- Método B: los sistemas de

tubería son aceptables si

pueden demostrar que la

presión de operación y la

temperatura coincide con

las condiciones seguras

respecto a la prueba

Hidrostática.

- Método C: los sistemas de

tubería son aceptables si

el criterio de valoración de

la figura 3.9 del API 579

son satisfechas.

Para este nivel de valoración, el

juicio de un ingeniero puede ser

usado para aplicar alguno de los

principios de los niveles 1 y 2 sin

restricciones específicas.

Inspecciones de costuras de

soldaduras y uniones soldadas

pueden ser hechas para

determinar el tamaño de fallas

tipo grietas. Es necesario evaluar

esfuerzos usando técnicas

avanzadas de FEA.

Pérdida de

Metal

General

Las valoraciones son

limitadas a componentes

Tipo A, sujetos a presión

interna o externa.

Puede ser usado para

evaluar componentes tipo

A29

que no satisfacen el nivel

1 y puede ser usado para

componentes tipo A o B30

El nivel 3 puede ser usado para

evaluar componentes tipo C31

usando métodos de análisis de

esfuerzo (FEA).

28

MAT: Maximun Allowable Temperature. 29

Componentes Tipo A: componentes que tienen una ecuación de diseño que especialmente relata presión y otras cargas, como aplica para un espesor de pared requerido. 30

Componentes Tipo B: es un componente que no tiene una ecuación de diseño especifica que relacione presión u otras cargas a un espesor de pared requerido, p.e. refuerzo estructural de una boquilla. 31

Componentes Tipo C: es un componente que no tiene ecuación de diseño específica con la cual relacione la presión u otras caras. Adicionalmente estos componentes no tienen procedimiento para determinar los esfuerzos locales.

58

Falla y

Mecanismo

de daño


sujetos a presión interna,

presión externa, cargas

suplementarias o cualquier

combinación de estas.

Pérdida de

Metal Local

Este procedimiento puede

ser usado para evaluar un

componente tipo A con

pérdida local de metal

sujeto a presión interna. El

procedimiento puede ser

usado para determinar la

aceptabilidad o el rerateo

de un componente con una

falla. La única carga

considerada es por presión

interna y un único espesor

con una o dos áreas de

superficie son usadas para

caracterizar la perdida de

metal local.

Las reglas de valoración dan

una mejor estimación de la

integridad estructural de un

componente cuando las

variaciones significantes en

el perfil del espesor ocurren

dentro de la región de

pérdida de espesor. Mas

cargas generales son

consideradas y las reglas son

provistas por las ecuaciones

de pérdida de metal en una

conexión de boquilla.

Las reglas están enfocadas a

evaluar componentes con

geometrías y/o regiones

localizadas de pérdida de metal.

Técnicas de análisis de esfuerzo

numéricas son normalmente

utilizadas.

Corrosión

por Picado

Esta valoración debe ser

limitado a componentes

con una cara de daño por

picaduras generalizadas

diseñado por un código o

estándar reconocido o

usando una ecuación que

relacione específicamente

la presión a un espesor de

pared requerido. La única

carga considerada es

presión interna.

La valoración nivel 2 es

usada para evaluar todas las

categorías de picado: picado

generalizado, picado

localizado, picadura dentro

de un área localizada

delgada y un área localizada

delgada en una región de

picadura generalizada. Las

reglas de la valoración nivel 2

dan una mejor estimación de

la integridad estructural de

un componente porque una

medida del parámetro de

daño actual, picado por

ambas caras, es cubierta

directamente por esta

Este procedimiento está enfocado

para evaluar regiones más

complejas de picaduras,

condiciones de carga y detalles de

componentes donde las reglas de

diseño limitan solo provistas en el

código de construcción original.

Las evaluaciones FEA son usuales

en este nivel.

59

Falla y

Mecanismo

de daño


valoración.

Desalineami

ento de

soldadura

El procedimiento de

valoración es basado en los

criterios de construcción

del código original. Si este

criterio no es

completamente definido

por el código de

construcción original y no

esta en las especificaciones

originales del operador,

una valoración nivel 2 o 3

puede ser realizada. El

procedimiento nivel 1 no

debería ser usado para

componentes en servicio

cíclico.

Este nivel solo aplica si todas

las siguientes condiciones

son satisfechas:

a. El criterio de diseño

original estuvo de

acuerdo con un código o

estándar reconocido,

b. La geometría del

componente es uno de

los siguientes:

1. Lamina plana,

2. Sección cilíndrica,

3. Sección recta de un

sistema de tubería,

4. Codo o curva de tubería

que no tienen uniones

estructurales,

c. Las cargas aplicadas

están limitadas a

presión y/o cargas

suplementarias que

resultan en un estado

de esfuerzo de

membrana del

componente,

excluyendo los efectos

de desalineamiento en

soldadura. El

procedimiento de

valoración puede ser

usado para evaluar

esfuerzos resultantes,

tanto de presión interna

como externa.

d. Si el componente bajo

evaluación tiene falta de

redondez, esta es

constante a lo largo del

eje del cilindro.

Puede ser realizado donde el nivel

1 y 2 no aplica, de acuerdo a las

siguientes condiciones:

a. Componentes tipo A, B y C

sujetos a presión interna,

presión externa, cargas

suplementarias y cualquier

combinación de estas.

b. Componentes con una base

de diseño en ensayos de

pruebas,

c. Los resultados de

condiciones de carga en

gradientes de esfuerzo

significantes en la ubicación

del desalineamiento de

soldadura.

d. El componente es sujeto a

condiciones de carga que

resulta en esfuerzos

compresivos donde la

estabilidad estructural es una

preocupación.

60

Falla y

Mecanismo

de daño


Defectos

Tipo Grieta

La valoración nivel 1 está

limitada para defectos tipo

grieta que están fuera de

discontinuidades

estructurales.

Puede ser usado para

defectos tipo grieta ubicados

en discontinuidades

estructurales. En la

valoración nivel 2,

información detallada sobre

las propiedades del material

y condiciones de carga, son

requeridos y un análisis de

esfuerzos es requerido para

determinar el estado de

esfuerzo en la ubicación de

la falla. El análisis de

esfuerzo puede estar basado

en ecuaciones de código,

soluciones de forma fácil o

un análisis numérico.

Puede ser usado para evaluar

aquellos casos que no reúnen los

requerimientos del nivel 1 o el

nivel 2. La valoración nivel 3

también es requerida para fallas

que crecen en servicio a causa de

la carga o condiciones

ambientales.

Abolladuras,

daños

mecánicos y

combinación

de abolladuras

con daños

Mecánicos.

Esta limitado a abolladuras

en aceros al carbón

ubicadas fuera del

discontinuidades

estructurales. El criterio de

aceptación está basado en

el límite de profundidad de

la abolladura en el

componente por un

porcentaje del diámetro

externo del componente.

La valoración nivel 2 es

parecida a la valoración nivel

1, pero adicionalmente una

valoración de fatiga para

evaluar los efectos de cargas

de presión cíclica es

realizada.

La valoración nivel 3 está

enfocada a evaluar abolladuras de

geométricas complejas sujetas a

condiciones de carga general. Una

valoración nivel 3 requiere de

técnicas de análisis numérico tales

como FEA.

Inevitablemente todas las tuberías van a estar expuestas a procesos de corrosión, tanto en la pared interna

como externa. En particular las soldaduras por sus características metalúrgicas son focos importantes de

corrosión, especialmente bajo el proceso de corrosión preferencial, por lo tanto se hace necesario valorar

defectos de corrosión que interactúan con las soldaduras. Los métodos de valoración, al igual que los

demás tipos de anomalías, se basan en la fractomecánica y se agrupan en las evaluaciones FFS, pero

específicamente en el nivel 2. La siguiente tabla da un resumen de los métodos de valoración y las

formulaciones propuestas para tal fin.

61

Tabla 7. Resumen de Métodos para la valoración de corrosión en soldadura. Fuente: Autor de trabajo de

grado.

Método Ecuación básica Esfuerzo de

flujo

Forma del

defecto Factor de abultamiento32

NG-18 NG- 18 σy + 10 Ksi

Rectangular

(d/t) o área del

defecto A/Ao

/1 0 0.6275 6 2�√8�9� : 0.0033756 2�√8�9

�

Ecuación 8

ASME B31G NG-18 1.1 SMYS Parabólica

2/3(d/t)

/1 0 0.8 6 2�√8�9�

Ecuación 9

B31G

Modificado NG-18 SMYS+ 10 Ksi

Arbitraria 0.85

(d/t)

/1 0 0.6275 6 2�√8�9� : 0.0033756 2�√8�9

�

Ecuación 10

RSTRENG NG-18 SMYS+ 10 Ksi

Área Efectiva y

Longitud

efectiva

/1 0 0.6275 6 2�√8�9� : 0.0033756 2�√8�9

�

Ecuación 11

DNV-RP-F101 NG-18 SMTS Rectangular

(d/t)

/10 0.31 6 2�√8�9�

Ecuación 12

Nota: 2c= longitud del defecto, D= diámetro de la tubería y t= espesor nominal de pared.

Los métodos de valoración de corrosión solo aplican cuando el valor de tenacidad de la soldadura es mayor

o igual a la tenacidad del material base de la tubería.

En síntesis los modelos de valoración de corrosión aplican y fijan toda la atención en dos parámetros que

determinan la aplicabilidad para cada método. Estos parámetros son el Factor de Folias o factor de

abultamiento (M) y el esfuerzo de flujo.

El factor de Folias cuantifica el posible abultamiento que se genera alrededor de un defecto cuando falla

bajo presión.

32 Factor de abultamiento o Folias: los defectos que atraviesan la pared pueden mostrar una deformación extensa

durante la falla. Los defectos de longitud corta no se deforman y simplemente generan una fuga, mientras que los defectos largos se abultan generando una rotura.

62

El esfuerzo de flujo (Ō) es un concepto empírico que se introdujo durante los primeros trabajos de Battelle

en el desarrollo de criterios de fallas para defectos parciales que atraviesan la pared en tuberías, como

medio de tomar en cuenta en el endurecimiento previo a la plasticidad. Cuando el esfuerzo supera la

resistencia a la fluencia, se endurece a medida que se deforma y puede soportar más carga. Gráficamente

el concepto se explica en la figura 17.

Figura 17. Curva Esfuerzo-Deformación, franja esfuerzo de flujo. Fuente: Penspen Defect Assesment.

8.3.2. RESUMEN DE METODO PARA DEFINIR ESTADO LIMITE DE CONDICIÓN EN JUNTAS SOLDADAS

Producto del rastreo de modelos de cálculo extractado de papers y documentos tecnicos basados en

conceptos de fractomecanica, el siguiente cuadro resumen compila las ecuaciones aplicables dependiendo

del mecanismo de daño especifico.

UTS

YS

Endurecimiento

Deformación

Permanente

Reducción de

sección

Encuellamiento

Esfuerzo de Flujo >?Ō

= @+A

εyp εu εf

Deformación (ε)

Esfuerzo

(>)

63

Tabla 8. Resumen de ecuaciones principales de modelos de cálculo de esfuerzo remanente. Fuente:

Penspen Defect Assesment

Mecanismo de Daño Descripción Ecuación sugerida

Fatiga

N= vida de fatiga,

�= tamaño del defecto,

BC= Esfuerzo cíclico aplicado

Y= factor de conformidad, una

función del tamaño del

defecto y la geometría.

C,m= Constantes de

crecimiento de la grieta por

fatiga.

D � E F�G�BC,HIJKLH�JK

MNMO

Ecuación 13

Resistencia de fatiga de

Abolladuras

N= vida de fatiga para

abolladuras planas.

CP= Función de rango de

esfuerzo y CQ.

CQ= Esfuerzo Ultimo a la

Tensión,

K= Función de la profundidad

de la abolladura.

D � 1000 R�CQ : 50,2CPST U�.�V�

Ecuación 14

Defectos de pérdida parcial

de material

W� = Presión de falla,

t= espesor nominal de pared,

Ō= esfuerzo de flujo,

D= diámetro nominal,

M= factor de Folias, calculado

de acuerdo a los métodos de

la tabla 7.

W� � 2�Ō8 X 1 : Y�1 : Y� Z[\

Ecuación 15

64

8.4. METODOS DE CALCULO DE CARGAS DE TERRENOS A TUBERIAS

Uno de los modelos más acertados para el cálculo de esfuerzo de tensión es el modelo de esfuerzo de Von Mises33, el cual es una magnitud física proporcional a la energía de distorsión. En ingeniería estructural se usa en el contexto de las teorías de falla, como indicador de un buen diseño para materiales dúctiles.

La tensión de Von Mises puede calcularse fácilmente a partir de las tensiones principales del tensor tensión34 en un punto de un sólido deformable, mediante la expresión:

C]^ � _�`Z+`�,Ka�`�+`b,Ka�`b+`Z,K� ≥σY Ecuación 16

Luego si esta ecuación que involucra los esfuerzos principales en el tubo, supera el esfuerzo de fluencia, se supone que este entra en estado de fluencia o en estado plástico.

Siendo C1, C2, C3 las tensiones principales, y habiéndose obtenido la expresión a partir de la energía de distorsión en función de las tensiones principales:

� F� �, F�T� � Zcd e�`Z+`�,Ka�`�+`b,Ka�`b+`Z,K� f Ecuación 16

La tensión de Von Mises y el criterio de fallo elástico asociado debe su nombre a Richard Edler von Mises (1913), quien propuso que un material dúctil sufría fallo elástico cuando la energía de distorsión elástica rebasaba cierto valor. Sin embargo, el criterio fue claramente formulado con anterioridad por Maxwell en

1865,[] más tarde también Huber (1904), en un artículo en polaco, anticipó hasta cierto punto la teoría de fallo de Von Mises.[] Por todo esto a veces se llama a la teoría de fallo elástico basada en la tensión de Von Mises como teoría de Maxwell-Huber-Hencky-von Mises y también teoría de fallo J2.

De esta manera entonces, es necesario monitorear y medir los esfuerzos principales del tubo en tiempo real, para aplicar la teoría de Von Misses. Como en el tubo se están midiendo las deformaciones unitarias, en ciertos puntos de interés, tomando como base las ecuaciones de Hooke35, del rango elástico, y el módulo de elasticidad del material del ducto, se pueden estimar los esfuerzos principales del tubo y aplicar la teoría de Von Misses. Haciendo las respectivas transformaciones al tubo, se llega a un arreglo de ecuaciones, despreciando el esfuerzo en el eje Z para cada elemento diferencial tomado, debido a que el tubo, es de pared delgada, y este esfuerzo es muy pequeño comparado con los otros, y los esfuerzos se medirán en la superficie del tubo donde este se hace cero.

33

Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Tensi%C3%B3n_de_Von_Mises 34

Tensor de tensión: En mecánica de medios continuos, el tensor tensión o tensor de tensiones es el tensor que da cuenta de la distribución de tensiones y esfuerzos internos en el medio continuo. 35

Ley de Hooke: Constante de recuperación de un cuerpo elástico.

65

Haciendo las respectivas transformaciones para las condiciones de esfuerzos del tubo se llegó al siguiente arreglo de ecuaciones: �gh : C� � Ch� : iCj Ecuación 17 �gj 0 iC� � :iCh� 0 iCj Ecuación 18

Y la teoría de Von Misses, para este caso queda convertida en:

C]^ � _�C� : Ch�,� : k�C� 0 Ch�,�Cj,l� 0 �Cj,� Ecuación 19

Donde: C� � �m�� Ecuación 20

P= Presión de operación del tubo, (MPa), D= Diámetro nominal del tubo, m, t= espesor del tubo, mm, σc= esfuerzo circunferencial del tubo producido por la presión interna, (MPa), E= Modulo de elasticidad, (MPa) v= Modulo de Poisson del tubo, εx= Deformación unitaria en la dirección longitudinal del tubo, εy= Deformación unitaria en la dirección transversal del tubo, σxi= esfuerzo normal instantáneo en la dirección longitudinal del tubo por flexión, σy= esfuerzo normal en la dirección transversal del tubo producido por flexión. De estos valores, no se conocen las deformaciones unitarias, las cuales son medidas en tiempo real. De esta manera entonces, es necesario medir y registrar las deformaciones unitarias de las galgas longitudinal y transversal del punto específico, resolver el sistema de ecuaciones y calcular los esfuerzos, y con los datos de entrada de la geometría y la presión del tubo, y los esfuerzos, se evalúa la ecuación basada en la teoría de Von Misses, para establecer el momento en el que el tubo entrara en fluencia.

8.5. OTROS CRITERIOS DE FLUENCIA Otra forma de estimar cuando el tubo ha entrado en fluencia, es observando el comportamiento de las gráficas de las deformaciones unitarias, y el tiempo (ver figura 17). Según los resultados obtenidos en las

66

pruebas de laboratorio, se ve un comportamiento similar al que hubiera dado una curva de carga deformación convencional. Esta curva de tiempo vs deformaciones unitarias sería útil en los casos en los que el incremento de carga fuera a tasa constante, o deformación constante; sin embargo es necesario tomar estas lecturas en el monitoreo, para observar si las deformaciones siguen creciendo o se devuelven, lo que supondría que el tubo sigue en el rango elástico.

Figura 17. Grafica de deformaciones unitarias contra el tiempo36.

8.5.1. ESTADO LIMITE DE DEFORMACIÓN

Se toma como umbral de deformación la desviación referida en términos de unidades de microstrain con respecto al porcentaje del esfuerzo mínimo de fluencia especificado de la tubería (SMYS), de acuerdo con la norma canadiense CSA Z662-2012, como se muestra en la siguiente tabla para las tuberías de uso más frecuente en ECOPETROL S.A.

Tabla 9. Valores de Microstrain para diversos grados de tubería en Ecopetrol S.A

36

Fuente: Proyecto Unidad de Monitoreo Remoto UPTC-Tecnicontrol S.A.

67

El umbral de deformación se toma cuando las unidades de microstrain correspondan a un rango entre 50 y 90 % SMYS. En este caso, inmediatamente se deben verificar en sitio las condiciones, con el fin de tomar la acción de mitigación requerida (liberación de esfuerzos, corte y empalme, construcción de obra de estabilización geotécnica, entre otros).

8.6. MODELO DE CALCULO DE CARGA DEBIDO A PRESIÓN LATERAL DEL SUELO

La Presión lateral del suelo es la presión que el suelo ejerce en el plano horizontal. Las aplicaciones más comunes de la teoría de presiones laterales en suelos son el diseño de estructuras cimentadas como muros de tierras, zapatas, túneles y para determinar la fricción del terreno en la superficie de cimentaciones profundas. Para describir la presión que un suelo puede ejercer se usa un coeficiente de presión lateral, K.

El coeficiente K es la relación entre la presión lateral u horizontal respecto a la presión vertical (K = σh'/σv') (esfuerzos efectivos: esfuerzo total – presión de poros37. Esta fórmula está asumida por ser directamente proporcional y se cumple en cualquier punto del suelo. K puede depender de las propiedades mecánicas del suelo y de la historia tensional del suelo. Los coeficientes de presión lateral puede variar dentro de tres categorías: presión en reposo, presión activa y presión pasiva.

Los coeficientes de presión son usados en análisis de ingeniería geotécnica dependiendo de las características de su aplicación. Existen muchas teorías para predecir la presión lateral, algunas empíricas y otras analíticas

Presión Activa y pasiva: El estado activo ocurre cuando existe una relajación en la masa de suelo que lo permite moverse hacia fuera del espacio que limitaba la tensión del suelo (por ejemplo un muro de tierra que se rompe); esto es que el suelo está fallando por extenderse. Ésta es la presión mínima a la que el suelo puede ser sometido para que no se rompa. Al contrario el estado pasivo ocurre cuando la masa de suelo está sometida a una fuerza externa que lleva al suelo a la tensión limite de confinamiento. Esta es la máxima presión a la que puede ser sometido un suelo en el plano horizontal.

Teoría de Rankine: La teoría de Rankine, desarrollada en 1857, []es la solución a un campo de tensiones que

predice las presiones activas y pasivas del terreno. Esta solución supone que el suelo está cohesionado,

tiene una pared que está friccionando, la superficie suelo-pared es vertical, el plano de rotura en este caso

sería planar y la fuerza resultante es paralela a la superficie libre del talud. Las ecuaciones de los

coeficientes para presiones activas y pasivas aparecen a continuación. Observe que φ' es el ángulo de

rozamiento del suelo y la inclinación del talud respecto a la horizontal es el ángulo β.

S� � �nTo pqrs+ �pqrKs+pqrKt,u/Kpqrsa �wxy �s+pqrKt,u/K Ecuación 21

37

Presión de poros: esfuerzo que ejerce el agua al interior de la masa

68

S� � �nTo pqrsa �pqrKs+pqrKt,u/Kpqrs+ �wxy �s+pqrKt,u/K Ecuación 22

Para el caso en que β sea 0, las ecuaciones de arriba se simplifican como:

S� � ��z� {45 : t�} Ecuación 23

S� � ��z� {45 0 t�} Ecuación 24

Gráficamente (Ver figura 18) la función que involucra los coeficientes activos de presión, de manera lineal

permiten determinar la carga o fuerza aplicada en una determinada longitud de un ducto afectado por un

flanco de falla geotécnica. Este es un modelo simplificado, dado que no se tiene en cuenta el fenómeno de

interacción ni la compatibilidad de esfuerzos y deformaciones de la falla.

Figura 18. Calculo de carga en relación a las propiedades mecánicas de la tubería. Fuente:

Integridad VIT

El modelo propuesto involucra variables tales como el diámetro externo, el SMYS de la tubería, el

coeficiente de adhesión y fricción del terreno, los coeficientes de presión activa y pasiva, con lo cual puede

predecirse la carga aplicada para diversas alturas de enterramiento de la tubería, tal como se muestra en la

figura 19.

y = 3,8025x

y = 1,0573x + 122,11

0,0

50,0

100,0

150,0

200,0

250,0

300,0

350,0

0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0

Fue

rza

(To

n)

Longitud (m)

Actuante Resistente

69

Figura 19. Calculo de cargas a diversas alturas de enterramiento. Fuente: Integridad VIT

Determinando las cargas aplicadas y hallando los parámetros de resistencia de cada una de las posibles

condiciones anómalas que se puedan encontrar en las soldaduras circunferenciales de las tuberías, se

definen los estados límites probables con los cuales se puede calcular semicuantivamente el riesgo y

probabilidad de falla de juntas soldadas sometidas a eventos de susceptibilidad geotécnica.

8.7. CALCULO DE RIESGO GEOTECNICO38

Para realizar este procedimiento, se describirá a continuación los pasos básicos a tener en cuenta para

calcular la probabilidad de ocurrencia de un parámetro de cálculo de riesgo. Al final se hará énfasis en los

parámetros específicos que calculan el riesgo de falla únicamente en la sección de Tubería como propuesta

enfocada a calcular el riesgo y la probabilidad de falla de juntas soldadas sometidas a cargas por eventos

geotécnicos.

Para la estimación del riesgo, es necesario calcular la probabilidad de falla que corresponde a la amenaza

geotécnica. Para ello se tienen en cuenta factores endógenos y exógenos a la línea, que por su

particularidad tienen un efecto sobre su integridad. En este sentido, se ha realizado una clasificación de

parámetros que hace diferencia a aspectos propios de la línea (i.e. propiedades físicas, químicas y

mecánicas), de aspectos relacionados con las características propias de la zona donde se encuentra

instalada, que definen la interacción suelo-tubería. De acuerdo con lo anterior y la evaluación del estado

del arte de las metodologías de análisis de riesgo a nivel mundial, se establecieron siete (7) parámetros que

siguen este principio y se les ha dado un nivel de incidencia en el análisis.

38

Especificaciones técnicas para el diagnóstico, diseño detallado y monitoreo geotécnico del derecho de vía de las líneas de transporte

0

50

100

150

200

250

300

0,0 50,0 100,0

1

1.5

2

2.5

3

R ad 1

70

Tabla 10. Diferenciación de parámetros y peso de incidencia. Fuente: Matriz de Cálculo de Riesgo

Geotécnico de ECOPETROL S.A

PARÁMETRO PORCENTAJE

Geometría y topografía 20%

Parámetros de la tubería 6%

Litología y geología 10%

Parámetros regionales 4%

Agua superficial y subterránea 20%

Indicadores de inicio de movimiento 25%

Mantenimiento y monitoreo 15%

TOTAL 100%

Los parámetros contemplan una serie de características, cada una de ellas con un peso dentro del

parámetro, y disgregadas en variables que han sido ponderadas como reflejo de su influencia en la

condición de estabilidad del sistema. Por último, cada variable está dividida en rangos que permiten

establecer una calificación cualitativa de la percepción de la amenaza. En conclusión, la probabilidad de

falla se calcula como la sumatoria de los productos entre la probabilidad asignada a cada parámetro y su

porcentaje de incidencia, y tiene valores entre uno y cinco, donde cinco es la mayor probabilidad de falla. A

continuación se presenta una explicación detallada de las variables y rangos que corresponden a cada

característica.

8.7.1. GEOMETRÍA Y TOPOGRAFÍA

8.7.1.1. TOPOGRAFÍA

• Ángulo de inclinación de la ladera: Hace alusión a la pendiente más crítica cercana a la tubería que

debe ser medida en grados sexagesimales; de acuerdo con la figura 20.

71

Figura 20. Angulo de Inclinación. Fuente: Matriz de Cálculo de Riesgo Geotécnico de ECOPETROL S.A

• Curvatura del terreno: La curvatura de la ladera se define como la concavidad o convexidad ya sea

en sentido longitudinal o transversal y afecta el equilibrio de masa, así como la capacidad de

infiltración y erosión por su efecto en la velocidad del agua de escorrentía.

Figura 21. Curvatura del terreno. Fuente: Matriz de Cálculo de Riesgo Geotécnico de ECOPETROL S.A

8.7.1.2. GEOMETRÍA DEL CRUCE DE LA TUBERÍA

• Dirección de la tubería con respecto al eje de la ladera: Hace referencia al ángulo de la

intersección entre el eje de la tubería y el eje de la pendiente más crítica, que fue tomado como

base para medir la variable “ángulo de inclinación de la ladera”.

Talud Cóncavo

Curvatura

Talud Convexo

Curvatura

Cóncavo Convexo

Talud de Corte o RellenoLadera Natural

PendientePendiente Predominantem

1

m

1

α

α

72

Perpendicular Paralela Inclinada

Figura 22. Dirección de la tubería. Fuente: Matriz de Cálculo de Riesgo Geotécnico de ECOPETROL S.A

• Posición de la tubería sobre la ladera: Corresponde a la posición relativa de la tubería tomando

como referencia la geometría de la ladera, cuando la dirección de la tubería es paralela o inclinada

la posición sobre la ladera se considera como a media ladera.

Superio Inferior A media ladera

Figura 23. Posición de la tubería. Fuente: Matriz de Cálculo de Riesgo Geotécnico de ECOPETROL S.A

• Diámetro de la tubería: Corresponde al diámetro nominal de la tubería.

• Disposición de la tubería: De acuerdo con el sistema constructivo, la tubería se puede encontrar

superficial o enterrada.

Eje del M ov imiento

Ej e del Movimiento

Eje del Movimiento

73

8.7.2. PARÁMETROS DE LA TUBERÍA (Caso de estudio)

8.7.2.1. RESISTENCIA

• Grado de Acero de la Tubería: Corresponde al grado que determina el esfuerzo de fluencia de la

tubería, de acuerdo con lo establecido en la norma API 5L.

8.7.2.2. DETERIORO

• Corrosión interior y exterior: La corrosión se define como el deterioro de un material a

consecuencia de un ataque electroquímico o químico por su entorno. De manera más general,

puede entenderse como la tendencia general que tienen los materiales a buscar su forma más

estable o de menor energía interna. Siempre que la corrosión esté originada por una reacción

electroquímica (oxidación), la velocidad a la que tiene lugar dependerá en alguna medida de la

temperatura, de la salinidad del fluido en contacto con el metal y de las propiedades de los metales

en cuestión. La corrosión puede ser medida en milímetros por año (mmpy) o en milésimas de

pulgada por año, (mpy).

• Defectos Mecánicos identificados no atendidos: Hace referencia a defectos mecánicos como

arrugas, entallas, rayones, dobleces, y abolladuras entre otros, que hayan sido identificados

durante las inspecciones mecánicas de la tubería y que no hayan sido reparados.

αααα < 10° 1αααα > 45° 335° < αααα < 45° 410° < αααα < 35° 5Concava 3Uniforme 4Convexa 5

Subtotal 100%Perpendicular 1Paralela o Inclinada 5En terreno plano 1Superior 2Inferior 3A media Ladera 5d < 6" 16" < d < 12" 3d > 12" 5Superficial 1Enterrada 5

Subtotal 100%

30%

Posición de la tubería sobre la ladera (Altura)

45%

50%

PoF

Dirección de la tubería con respecto al eje de la ladera

Diámetro de la tubería, d 5%

Disposición de la Tubería

PARÁMETRO RANGOCARACTERÍSTICA% % %VARIABLE

GEOMETRÍA Y

TOPOGRAFÍA

20%

TOPOGRAFÍA 50%

Curvatura del Terreno 30%

Angulo de inclinación de la ladera, αααα 70%

GEOMETRÍA DEL CRUCE DE LA TUBERÍA

20%

74

8.7.2.3. USO DE LA LÍNEA

• Edad de la tubería: Corresponde al tiempo de construcción la línea en evaluación. En este

parámetro, deben tenerse en cuenta reemplazos de tramos significativos de la línea (mayor a la

longitud del segmento).

8.7.3. LITOLOGÍA Y GEOLOGÍA

8.7.3.1. FORMACIÓN Y ORIGEN

Hace referencia a las características genéticas del material que conforma el terreno, considerando dos tipos

de materiales, Roca y Suelo, los cuales se clasifican de acuerdo con la literatura geológica existente.

• Roca: Según su origen las rocas se pueden clasificar en Rocas ígneas, Rocas sedimentarias y Rocas

metamórficas.

• Rocas Metamórficas: Estas rocas son el producto del Metamorfismo o recristalización de rocas

ígneas y sedimentarias. En este proceso las rocas son sometidas a cambios texturales y

mineralógicos, en los que sus características originales son alteradas o completamente perdidas.

Como consecuencia de esto, las rocas metamórficas exhiben un alto rango de características

estructurales y comúnmente son muy útiles como materiales de construcción. (Cuarcita, Neiss,

Esquisto, Serpentinita, Pizarra, Filita, Mármol).

• Rocas Ígneas: Estas rocas se forman por la solidificación del magma y pueden ser intrusivas o

extrusivas según el lugar de su formación. Las rocas Ígneas intrusivas, son producidas por el

enfriamiento del Magma antes de aflorar a la superficie. Las rocas ígneas intrusivas son rocas muy

>API 5LX 70 2API 5LX 60 - API 5LX 70 3API 5LX 50 - API 5LX 60 4< API 5LX 50 5

Subtotal 100%Baja < 10% de perdida del espesor 1Moderada (11% - 80% de perdida del espesor) 3Alta > 80% de perdida del espesor 5Baja < 1 mpy 1Moderada (1 - 4.9 mpy) 2Alta ( 5 - 10 mpy) 3Severa > 10 my 5No 1Si 5

Subtotal 100%Tiene Inspección Interna 1Vr < 10 años 210 < Vr < 30 años 4Vr > 30 años 5

Subtotal 100%

RANGO PoFPARÁMETRO % CARACTERÍSTICA % VARIABLE %

PARÁMETROS DE LA

TUBERÍA

6%

USO DE LA LÍNEA 20%

RESISTENCIA Grado del Acero de la Tubería 100%

Corrosión Interior

30%Corrosión Exterior

30%

20%

DETERIORO(NACE RP-0775)

60%

100%Edad de la tubería

Defectos Mecanicos identificados no atendidos Arrugas, Abolladuras y otros

40%

75

duras, densas, y en su estado natural inalterado poseen una alta resistencia al cortante, sin

embargo, al fracturarse y meteorizarse pueden ser blandas y débiles. El comportamiento de las

rocas ígneas sanas o no meteorizadas en los taludes es controlado por su estructura, conformada

por las juntas o diaclasas, fallas y zonas de corte, las cuales actúan como superficies de debilidad.

(Granito, Diorita, Dolerita, Gabro). Las rocas Ígneas, son también conocidas como rocas volcánicas o

Piroclásticas, son producto de la cristalización de los materiales expulsados por los volcanes, las

propiedades estructurales de las rocas volcánicas dependen del grado de solidificación y de

acuerdo a ésta presentan una variedad de resistencias y permeabilidades. El principal problema de

las rocas volcánicas es su fácil desintegración al secarse y humedecerse y la presencia de arcillas

activas. (Riolita, Andesita, Basalto, Tobas).

• Rocas Sedimentarias: Estas rocas están formadas por la sedimentación y cementación de partículas

de arcilla, arena, grava o cantos. Sus características de estabilidad dependen generalmente, del

tamaño de los granos, los planos de estratificación, las fracturas normales a la estratificación y el

grado de cementación. (Conglomerado, Breccia, Lutitas, Areniscas, Limolitas, Calizas, Dolomitas,

Evaporitas).

• Suelo: Según su origen los suelos se pueden clasificar en Suelos residuales, Suelos aluviales, Suelos

glaciales, Suelos eólicos, Depósitos orgánicos, Suelos coluviales.

• Suelos glaciales: Los depósitos glaciales son transportados por los glaciales, los cuales al aumentar

la temperatura, se deshielan y se forman estos depósitos de suelo de origen glacial. Los depósitos

glaciales pueden variar en composición de tamaño de granos, desde grandes cantos hasta las

arcillas.

• Suelos aluviales: Los suelos aluviales son depósitos transportados por el agua en movimiento y

depositados cuando la velocidad del agua ha disminuido; estos materiales pueden ser de origen

fluvial o lacustre y pueden contener partículas finas, gruesas o entremezcladas. Los suelos aluviales,

compuestos por arcilla tienden a ser blandos y los de arena tienden a ser sueltos. Debido a su poca

cementación, los materiales aluviales son propensos a erosión y deslizamientos.

• Suelos orgánicos: Conforman depósitos de turba o material orgánico que no se ha descompuesto

totalmente, debido a su alto contenido de agua. Los depósitos orgánicos en ocasiones se

encuentran estratificados con otros elementos tales como limos o arenas o entremezclados con

arcilla.

• Suelos eólicos: Los suelos Eólicos son transportados por el viento y varían desde Dunas de arena

hasta Loess, que son depósitos de arena fina y limos. Generalmente, tienen muy poca vegetación y

los materiales son muy ricos en cuarzo y poco densos.

• Suelos residuales: Los suelos residuales se producen por la meteorización de las rocas y su

comportamiento esta relacionado con las propiedades de la roca original y del grado de

descomposición. Los deslizamientos de tierra son muy comunes en suelos residuales,

especialmente en los periodos de lluvias intensas.

76

• Suelos coluviales: Los suelos coluviales o coluviones son depósitos de ladera, originados por lavado

de la lluvia, reptación o deslizamiento. Los coluviones, generalmente consistentes de mezclas

heterogéneas de suelo y fragmentos de roca que van desde partículas de arcillas hasta rocas de

varios metros de diámetros, se les encuentra a lo largo de las partes bajas de los valles o a mitad de

talud, formando áreas de topografía ondulada. Los suelos coluviales son muy susceptibles a los

deslizamientos.

8.7.3.2. TAMAÑOS DE PARTÍCULAS

Se define como el tamaño nominal de los materiales, y se diferencian en materiales gruesos con diámetros

superiores o iguales al tamaño arena, y materiales finos con diámetros inferiores o iguales al tamaño limo.

8.7.4. PARÁMETROS REGIONALES

Corresponde a las características climáticas, sísmicas y de uso del suelo, basados en estudios realizados por

entidades como el IDEAM e INGEOMINAS.

8.7.4.1. CLIMA

Se define con base en el piso térmico que atraviesa el segmento analizado, el cual es función del

comportamiento medio de la precipitación y la temperatura.

8.7.4.2. SISMICIDAD

Dentro de esta característica se tiene en cuenta la pendiente del terreno en conjunto con los resultados del

estudio AIS-1996, que definió la zonificación sísmica del país, con base en los coeficientes de aceleración

horizontal.

Metamórfica 3Ígnea 4Sedimentaria 5Glacial 1Aluvial 2Orgánicos o Eólicos 3Residual 4Coluvial 5

Subtotal 100%Gravas Diámetro ( 4.76 - 150 mm) 1Bloques y Cantos Diámetro > 150 mm 2Arenas Gruesas ( 2 - 4.76mm) 3Arenas Medias (0.42 - 2mm) 4Arenas Finas Diámetro ( 0.074 - 0.42 mm) 5Limos Diámetro < 0.074mm 3Arcillas de baja plasticidad 4Arcillas de alta plasticidad 5

Subtotal 100%

PARÁMETRO % CARACTERÍSTICA % VARIABLE % RANGO PoF

Roca 20%

Materiales Finos 80%

TAMAÑOS DE PARTÍCULAS 40%

Materiales Gruesos 20%

80%

LITOLOGÍA Y

GEOLOGÍA

10%

FORMACIÓN Y ORIGEN(Abramson, 1996))

60%

Suelo

77

8.7.4.3. USOS DEL SUELO

Corresponde a la descripción de las actividades antrópicas o no, realizadas en el terreno, el los derechos de

vía generalmente podemos encontrar uso forestal natural, forestal artificial, agropecuario, urbano,

industrial o minero.

8.7.5. AGUA SUPERFICIAL Y SUBTERRÁNEA:

Evalúa en conjunto las características propias de las corrientes hídricas, considerando el nivel de

conservación de la vegetación y los parámetros hidrológicos de la zona.

8.7.5.1. VEGETACIÓN:

Procura valorar el tipo de vegetación existente considerando los cultivos adyacentes al derecho de vía, la

vegetación sobre la ladera, y el grado de conservación de unos y otros.

• Cultivos adyacentes: Hacer referencia a los cultivos de la región en la que se encuentra ubicado el

segmento de evaluación.

• Vegetación normal arbustiva: agrupa aquella cobertura vegetal con estrato dominante compuesto

por especies de poca altura y tronco leñoso delgado, compuesto por especies arbóreas y arbustivas

que surgen al ser abandonadas las tierras de cultivo o actividades antrópicas. Las especies que lo

componen no son consumidas por el ganado y al evolucionar se convierten en arbustos y árboles,

siendo el primer proceso en la regeneración del bosque.

• Cultivos de uso forestal: Congrega todas aquellas coberturas vegetales cuyo estrato dominante

está conformado por especies de tallo o tronco leñoso, compuesto por bosque natural producto de

la dinámica ecológica.

• Cultivos permanentes: Son aquellos cultivos cuyo ciclo vegetativo dura más de dos años y ofrecen

durante éste, varias cosechas.

Paramo (T °C < 3.0) 1Muy frío (T °C 3 a 12) 2Frío (T °C 12 a 18) 3Templado (T °C 18 a 24) 4Cálido (T °C > 24) 5

Subtotal 100%Baja Aa < 0.15 1Media 0.15 < Aa < 0.25 Pendiente < 10° 2Alta Aa > 0.25 - Pendiente ? 10° 3Media 0.15 < Aa < 0.25 - Pendiente < 10° 4Alta Aa > 0.25 - Pendiente ? 10° 5

Subtotal 100%Forestal natural 1Forestal artificial 2Agropecuario 3Urbano e Industrial 4Minero 5

Subtotal 100%

RANGO PoFPARÁMETRO % CARACTERÍSTICA % VARIABLE %

100%

PARÁMETROS

REGIONALES

4%

CLIMA(IDEAM)

20% Piso Térmico

Actividad

SISMICIDAD(NSR-98)

40% Aceleración Horizontal 100%

USO DE SUELO 40% 100%

78

• Cultivos pecuarios: Esta vegetación surge al ser eliminada la vegetación natural, sin necesidad de

realizar labores de cultivo o manejo para establecerla, compuesta por pastos naturales o

mejorados y arbustos de tronco delgado o mediano en diferentes puntos de los potreros, con el fin

de brindarle sombra al ganado y retener el suelo.

• Cultivos semipermanentes: Esta clase de cultivo son los que tienen un ciclo vegetativo entre medio

año y dos años.

• Vegetación de la Ladera: La vegetación de la ladera puede estar compuesta por árboles, arbustos o

pastos y hierbas.

• Arboles: Son considerados como arboles las plantas leñosas cuya ramificación inicia desde cierta

altura del suelo, su altura supera los seis metros en la madurez y producen ramas secundarias

nuevas cada año.

Figura 24. Vegetación de la ladera Fuente: Matriz de Cálculo de Riesgo Geotécnico de ECOPETROL S.A

• Arbustos: son las plantas leñosas cuya ramificación inicia desde la base, su altura no supera los

cinco metros, al igual que los arboles, los arbustos son plantas perdurables.

• Pastos o Hierbas: las hiervas o pastos no presentan órganos leñosos, en el tallo, raíz o en el ramaje,

la estructura de los pastos o hierbas es independiente de la duración del ciclo de vida de la planta,

muchos de estos pierden sus partes tiernas en invierno, pero brotan nuevamente a partir de un

bulbo o rizoma todos los años.

• Conservación: El estado de conservación hace referencia al nivel de preservación de la cobertura

vegetal del terreno, la conservación se valora de acuerdo al porcentaje de vegetación existente.

8.7.5.2. CUERPOS DE AGUA

Evalúa variables como tipo de corriente, forma, posición, depósitos de agua, y alteraciones del cauce.

79

• Corriente: De acuerdo al caudal y la continuidad del cauce, las corrientes de agua pueden

clasificarse en Principales (Ríos), Secundarias (Caños y Quebradas) y Menores (Corrientes de

escorrentía).

• Forma: De acuerdo a su morfología, los causes pueden ser semirrectos, meándrico o trenzado.

Semirrecto Meándrico Trenzado

Figura 25. Forma del cauce Fuente: Matriz de Cálculo de Riesgo Geotécnico de ECOPETROL S.A

8.7.5.3. DEPÓSITOS DE AGUA:

• Humedal: Es un terreno generalmente plano en la que la superficie se inunda permanente o

intermitentemente, al cubrirse regularmente de agua, el suelo se satura, quedando desprovisto de

oxígeno y dando lugar a un ecosistema híbrido entre los puramente acuáticos y los terrestres.

• Lago: Es un cuerpo de agua dulce o salada, más o menos extensa, que se encuentra alejada del

mar, y asociada generalmente a un origen glaciar. El aporte de agua a los lagos viene de los ríos y

del afloramiento de aguas freáticas. Los lagos de mayor tamaño se forman aprovechando

depresiones creadas por fallas.

• Embalse: Es el represamiento artificial de agua mediante a un muro fabricado con piedra, hormigón

o materiales sueltos, que se construye habitualmente en una cerrada o desfiladero sobre un río,

arroyo o canal.

80

• Dirección con respecto a la tubería: Hace referencia al ángulo de la intersección entre el eje de la

tubería y el eje del cauce.

Además de lo anterior se deber verificar la existencia o no de zonas de inundación, canalizaciones,

alteraciones del curso y alteraciones de caudal.

8.7.5.4. CARACTERÍSTICAS HIDROLÓGICAS

• Precipitación media anual: Es la suma de las precipitaciones medias mensuales, comúnmente se

conoce como Precipitación Total Anual de un período.

• Precipitación diaria: Es la precipitación en milímetros que cae sobre una superficie durante 24

horas.

• Intensidad: Es la razón de incremento de la altura que alcanza la lluvia respecto al tiempo.

• Drenaje: Se refiere a la facilidad y rapidez del terreno para evacuar el agua por medio de transporte

superficial o por infiltración.

Vegetación normal arbustiva 1Cultivo de uso forestal 2Cultivos Permanentes (mas de 2 años) 3Cultivos de uso pecuario (Pastoreo) 4Cultivos Semipermanentes (0.5 - 2 años) 5Arbustos 1Hierbas o Pastos 2Arboles 3Conservado (75 - 100%) 1Levemente deteriorado (50 -75%) 3Parcialmente deteriorado (25 - 50%) 4Muy Deteriorado (0-25%) 5

Subtotal 100%Ninguno 1Menor (Drenaje de escorrentia) 3Principal (Rio) 4Secundaria (Caños y Quebrada) 5Semirrectos 2Meandricos 4Trenzados 5Ninguno 1Humedal 3Lago 4Embalse 5Perpendicular o Inclinado 2Paralelo 5No 1Si 5No 1Si 5No 1Si 5No 1Si 5

Subtotal 100%Baja < 2000mm / año 3Media 2000 - 4000mm / año 4Alta > 4000mm / año 5Baja < 10mm 3Media 10 - 40mm 4Alta > 40mm 5Baja < 10mmph 3Media 10 - 40mmph 4Alta > 40mmph 5Efectivamente drenados 1Medianamente drenados 4Pobremente drenados 5

Subtotal 100%


AGUA SUPERFICIAL Y SUBTERRÁNEA

20%

VEGETACIÓN 20%

Cultivos adyacentes 20%

CUERPOS DE AGUA 40%

Corriente 20%

Vegetación de la Ladera 30%

Conservación 50%

Forma 10%

Depósitos de Agua 5%

Posición con respecto a la tuberia 20%

Zona de Inundación 5%

Alteración del curso 20%

Canalización 15%

Alteración de caudal 5%

CARACTERÍSTICAS HIDROLÓGICAS

40%

Precipitación media anual 15%

Precipitación diaria 20%

Drenaje 40%

Intensidad 25%

81

8.7.5.5. PROCESOS DE DETERIORO

Previo a la ocurrencia de deslizamientos en la mayoría de los casos la ladera sufre un deterioro estructural

generado por pérdida de material, erosión interna o superficial y otros procesos degenerativos que hacen

que la ladera pierda estabilidad.

• Sobrecargas o Alivios: Las laderas sometidas a esfuerzos de compresión por sobrecargas en la

parte superior de la ladera o tensión por alivios en la parte inferior, desarrollan deformaciones en

la geometría de la ladera.

• Erosión Laminar: La erosión consiste en el desprendimiento, transporte y acumulación de

partículas de roca o suelo, originado por el movimiento del agua o viento, el flujo puede

concentrarse en canales produciendo surcos y cárcavas. La caída de las gotas de agua y la acción de

las corrientes de viento pueden hacer que las partículas de material se desprendan y se precipiten

al pie del talud, igualmente los flujos de agua subterránea producen el desprendimiento de

partículas que generan erosión al interior del talud. La erosión laminar es originada por el impacto

de las gotas de agua lluvia contra la superficie del suelo y por la fuerza de la escorrentía,

provocando un lavado de la superficie en forma general sin definir canales de flujo.

• Erosión en surcos: La erosión en surcos es ocasionada por el flujo de aguas de escorrentía en la

superficie de la ladera, causando arrastre de materiales y formación de los surcos de erosión,

dando lugar a una red de drenaje superficial donde con el paso del agua se aumenta la profundidad

y el ancho del surco.

• Erosión en Cárcavas: El proceso de erosión más avanzado es la erosión en cárcavas por su

profundidad que permiten el movimiento lateral y longitudinal de masas de material, las cárcavas

inicialmente tienen una sección en V pero al encontrar un material más resistente o interceptar el

nivel freático se amplían lateralmente, tomando forma en U.

• Erosión interna: En laderas con flujo subterráneo se presenta la erosión interna, la cual genera

colapso y hundimiento del terreno localizado sobre la corriente subterránea, promoviendo la

formación de cárcavas de gran tamaño.

• Grietas: La actividad sísmica puede generar agrietamiento en materiales rígidos y frágiles,

generando superficies de falla que debilitan la estabilidad de la ladera. De igual manera en suelos

de una baja resistencia a la tensión, se pueden presentar grietas de tensión en la parte superior de

la ladera, cuando esta es sometida a esfuerzos de tracción. Las grietas de tensión favorecen el

ingreso de agua de escorrentía que debilitan la estructura y ayudan a la formación de una

superficie de falla.

82

8.7.5.6. EVIDENCIA DE INICIO DE MOVIMIENTO

Existen condiciones que pueden indicar el inicio de un movimiento, podemos identificar entre otras,

cambios de nivel, depresiones o levantamientos de la superficie, desplazamiento de estructuras

cimentadas, agrietamiento de viviendas sobre o bajo el talud, colapso de estructuras de contención,

desplazamiento de cercas, inclinación de árboles o postes y aparición de afloramientos de agua.

8.7.6. MANTENIMIENTO Y MONITOREO

8.7.6.1. MANTENIMIENTO

Este parámetro hace relación a los programas de mantenimiento geotécnico que deben existir en las líneas

de transporte y valora el cumplimiento y la efectividad del mismo.

8.7.6.2. MONITOREO

La implementación de sistemas de monitoreo tiene como objetivo identificar oportunamente los posibles

movimientos de terreno y los esfuerzos presentes en la tubería, que puedan afectar negativamente la

integridad de la línea. Los sistemas de monitoreo pueden ir desde los básicos como los recorridos

periódicos, hasta los mas complejos los cuales se conforman por una combinación de instrumentos y

equipos de medida como inclinómetros, piezómetros, control topográfico, estaciones meteorológicas, fibra

No 1Si 5No 1Si 5No 1Si 5No 1Si 5No 1Si 5No 1Si 5

Subtotal 100%

No 1

Si 5

Subtotal 100%


INDICADORES

DE INICIO

DE

MOVIMIENTO

25%

PROCESOS DE DETERIORO 40%

Sobrecarga en la corona o Alivio en la base

25%

Erosión en Cárcavas 20%

Erosión Laminar 5%

Erosión en Surcos 10%

Erosión Interna 10%

Grietas 30%

EVIDENCIA DE INICIO DE MOVIMIENTO

60%

Cambios de nivel en la superficieDesplazamiento de estructuras cimentadasAgrietamiento de estructuras sobre o bajo el taludColapso de estructuras de contenciónDesplazamiento de cercasInclinación de árboles o postesAparición de Afloramientos de agua

100%

83

óptica, mapeo inercial, entre otros.

9. ANALISIS DE RESULTADOS

Con base en la evaluación y validación de los métodos y modelos que nos permiten determinar los

estados limite de operación segura de las tuberías sometidas a cargas externas debidas principalmente

al empuje ocasionado por deslizamientos de terrenos, se proponen los siguientes parámetros que

definen claramente los estados limites de tolerancia a condiciones que pueden generar una falla.

Explícitamente se trata los parámetros de la tubería dado que en la matriz de valoración de riesgo

geotécnico, se cubren dichas condiciones:

9.1. PROPUESTA DE PARAMETROS PARA CALCULO DE RIESGO GEOTECNICO

Los siguientes son los parámetros que rigen el análisis de susceptibilidad de falla inherente en la

matriz de riesgo Geotécnico:

• Tenacidad de la soldadura: todos los modelos basados en deformación, son corroborados

por medio de pruebas de gran escala, los cuales incluyen un análisis de sensibilidad ante el

aspecto de la tenacidad de los materiales y las juntas soldadas. De hecho todas las

metodologías de cálculo de presiones de seguridad y esfuerzo remanente son aplicables

siempre y cuando los valores de tenacidad de la soldadura igualen o sobrepasen la tenacidad

de los metales base. Debido a que la infraestructura petrolera de Colombia es relativamente “vieja”, el parámetro

de tenacidad equivalente para dichos ductos es comparativamente más bajo respecto de los

valores de tenacidad de los ductos nuevos y este concepto se enmarca en un análisis de

Si 1No 5Si 1No 5Si 1No 5

Subtotal 100%Si 1No 5Personal Capacitado 1Personal no Capacitado 5Documentado 1No documentado 5Si 1No 5Si < 2 año 1Si > 2 año 3No 5Si documentado 1Si no documentado 3No 5

Sofisticado (Inclinómetro, Piezómetro, Deformimetros, Corridas de mapeo inercial periódica)

1

Básico (Control Topográfico) 3No existe 5

Subtotal 100%

5%

10%

40%

MONITOREO 40%Diagnostico Geotécnico 20%

15%

Recorrido anual aéreo de Especialista 15%

Actividad SísmicaLluvia InclinacionesDesplazamientosNivel Freático

20%

10%MANTENIMIENTO Y MONITOREO

15%

PROGRAMA DE MANTENIMIENTO PERMANENTE 60%

Existe

Recorrido Periódico

Efectividad 50%

Cumplimiento

Confiabilidad personal del Recorrido

Confianza registro del Recorrido

Cumplimiento de Frecuencia

15%


84

Benchmarking39 que permite evidenciar los valores nominales obtenidos de tenacidad de

ductos que por su edad y tecnología de fabricación se han afinado en el tiempo. La siguiente

tabla relaciona los parámetros mínimos de tenacidad por edad de las tuberías:

Tabla 11. Parámetros de tenacidad de material base de tuberías de acuerdo con su

edad40.

Década 1950´s 1960´s 1970´s 1980´s 1990´s

Grado de material

X42/52 X52/60 X60/70 X65/70 X75

CVN, Ft-Lb41 20 30 40 65 80

• Defectología en las juntas soldadas: teniendo coherencia con los niveles de valoración de la

metodología FFS, se establecen los siguientes estados limites de condición para las juntas

soldadas: 1. Aceptabilidad según criterios API 1104: este parámetro básico en la evaluación de

probabilidad de falla de juntas soldadas requiere de datos de aceptabilidad de juntas de

acuerdo a los criterios de aceptación y rechazo requeridos por el estándar API 1104 en su

sección 9 (Acceptance standards for Nondestructive Testing). 2. Criterios de aceptación de defectología según un ECA: este parámetro es definido

generalmente para ductos de construcciones nuevas, dado el nivel de detalle,

aseguramiento de calidad de todos los procesos y modelamiento FEA requerido como base

de sustento. Estos estados limite definidos por el análisis ECA el cual debe cumplir con los

requerimientos mínimos especificados en el estándar API 1104 apéndice A (Alternative

Acceptance Standards for Girth Welds).

3. Interacción con defectología relacionada con distorsión de diámetro: este parámetro permite

evaluar la condición de juntas soldadas que interactúan con distorsiones de diámetro tales

como abolladuras, arrugas y pandeos sin importar sus dimensiones. El insumo para este análisis

39

Benchmarking: es un anglicismo que, en las ciencias de la administración de empresas, puede definirse como un proceso sistemático y continúo para evaluar comparativamente los productos, servicios y procesos de trabajo en organizaciones. Consiste en tomar "comparadores" o benchmarks a aquellos productos, servicios y procesos de trabajo que pertenezcan a organizaciones que evidencien las mejores prácticas sobre el área de interés, con el propósito de transferir el conocimiento de las mejores prácticas y su aplicación 40

Fuente: Penspen, “The pipeline defect Assesment Course”. 41

1 Ft-Lb= 1.356 J (Joules).

85

se extrae de los resultados de las corridas con herramienta inteligente ILI42, específicamente de

las corridas de geometría extendida.

4. Interacción con pérdidas de espesor de pared: por ser las juntas soldadas más

susceptibles a corrosión preferencial externa e interna el parámetro de estado limite esta

dado por el análisis particular de cada caso de pérdida de espesor por corrosión mediante

los modelos de análisis de la misma. El insumo para este análisis se extrae de los resultados

de las corridas con herramienta inteligente ILI, específicamente de las MFL43.

• Control de Calidad: este parámetro permite establecer si las juntas soldadas contaron con un

buen control de calidad y por ende inferir que son soldaduras sanas. Se establece el estado

limite de acuerdo al porcentaje (%) de inspección que las juntas soldadas han tenido en la

construcción. Los siguientes parámetros permitirán verificar la susceptibilidad: 1. Nivel de Radiografía o Ultrasonido inferior al 10%. 2. Nivel de Radiografía o Ultrasonido al 100%.

• Carga Aplicada: el parámetro de carga aplicada es el de mayor peso en el análisis de

probabilidad de falla de juntas soldadas circunferenciales, debido a que la mayoría de los

parámetros especificados se basan en la carga unitaria y de sometimiento de la resistencia

máxima de las soldaduras. El tipo de carga se desglosa y pondera en lo siguiente: 1. Carga de terreno lateral (incidencia perpendicular). 2. Carga de terreno axial (incidencia en el sentido del eje de tubería). 3. Carga del terreno a torsión.

Por tanto la matriz de riesgo incluyendo los parámetros evaluados en este trabajo de grado es:

42 ILI. In-Line inspection: Tecnologia que permite hacer inspección 100% a las tuberías de transporte de hidrocarburos. 43

MFL: Magnetic-Flux-Leakage, técnica de inspección que se basa en la perdida de flujo magnético proveniente del magnetismo generado por imanes provistos en los equipos de inspección.

86

9.2. MEDICIÓN Y MONITOREO DE ESFUERZOS EN TUBERÍAS

La primera herramienta de categorización y prioridad de monitoreo se define como “capa país”, la cual

es evaluada por la base de datos del IDEAM y se muestra en la figura 26, posterior a esto se procederá

a segmentar los sistemas de transporte de hidrocarburos a los cuales se aplica la metodología RBI y se

priorizan los sectores que registren riego H y VH (ver Figura 27).

Una vez se han establecido los estados límite en las soldaduras circunferenciales por interacción con

eventos geotécnicos, se procede a realizar monitoreos que permitirán identificar crecimiento de

condición. Para determinar dichos estados límite es necesario estimar o medir las cargas unitarias y de

bloque (carga general por deslizamientos) aplicadas a los ductos.

Las técnicas de monitoreo que actualmente se están aplicando a nivel mundial, permiten medir el

posible desplazamiento, la carga de sometimiento y las deformaciones aplicadas a los ductos.

>API 5LX 70 5API 5LX 60 - API 5LX 70 4API 5LX 50 - API 5LX 60 3< API 5LX 50 2

Subtotal 100%Baja < 10% de perdida del espesor 1Moderada (11% - 80% de perdida del espesor) 3Alta > 80% de perdida del espesor 5Baja < 1 mpy 1Moderada (1 - 4.9 mpy) 2Alta ( 5 - 10 mpy) 3Severa > 10 my 5No 1Si 5

Subtotal 100%Tiene Inspección Interna 1Vr < 10 años 210 < Vr < 30 años 4Vr > 30 años 5

Subtotal 100%Rango entre 27 y 41 JoulesRango entre 27 y 41 JoulesRango entre 27 y 41 JoulesRango entre 27 y 41 Joules 5555Rango entre 41 y 54 JoulesRango entre 41 y 54 JoulesRango entre 41 y 54 JoulesRango entre 41 y 54 Joules 4444Rango entre 54 y 88 JoulesRango entre 54 y 88 JoulesRango entre 54 y 88 JoulesRango entre 54 y 88 Joules 3333Rango entre 88 y 108 JoulesRango entre 88 y 108 JoulesRango entre 88 y 108 JoulesRango entre 88 y 108 Joules 2222Interacción con defectologia Interacción con defectologia Interacción con defectologia Interacción con defectologia relacionada con distorsión de diametro.relacionada con distorsión de diametro.relacionada con distorsión de diametro.relacionada con distorsión de diametro.

5555

Interacción con perdidas de espesor de Interacción con perdidas de espesor de Interacción con perdidas de espesor de Interacción con perdidas de espesor de paredparedparedpared

4444

De acuerdo con API 1104De acuerdo con API 1104De acuerdo con API 1104De acuerdo con API 1104 3333Evaluación Crit ica de Ingenieria (ECA)Evaluación Crit ica de Ingenieria (ECA)Evaluación Crit ica de Ingenieria (ECA)Evaluación Crit ica de Ingenieria (ECA) 2222Nivel de radiografia inferior al 10%Nivel de radiografia inferior al 10%Nivel de radiografia inferior al 10%Nivel de radiografia inferior al 10% 5555Radiografia o UT al 100%Radiografia o UT al 100%Radiografia o UT al 100%Radiografia o UT al 100% 1111Carga de Terreno a TorsiónCarga de Terreno a TorsiónCarga de Terreno a TorsiónCarga de Terreno a Torsión 5555Carga de terreno LateralCarga de terreno LateralCarga de terreno LateralCarga de terreno Lateral 4444Carga de terreno AxialCarga de terreno AxialCarga de terreno AxialCarga de terreno Axial 3333

Subtotal 100% 100%

100%

40%

3

DETERIORO(NACE RP-0775)

20%

Corrosión Exterior 30% 3333

Corrosión Interior 30% 2222

Defectos Mecanicos identificados no

1111

USO DE LA LÍNEA 10% Edad de la tubería 100% 1111

JUNTA JUNTA JUNTA JUNTA CIRCUNFERENCIALCIRCUNFERENCIALCIRCUNFERENCIALCIRCUNFERENCIAL

Defectologia de Defectologia de Defectologia de Defectologia de las juntaslas juntaslas juntaslas juntas

6%

Carga Apl icadaCarga Apl icadaCarga Apl icadaCarga Apl icada

PARÁMETROS DE LA TUBERÍA

Control de cal idadControl de cal idadControl de cal idadControl de cal idad

RESISTENCIA 10%Grado del Acero de la Tubería

60%60%60%60%

20%20%20%20%

30%30%30%30%

50%50%50%50%

Tenacidad de la Tenacidad de la Tenacidad de la Tenacidad de la soldadurasoldadurasoldadurasoldadura

3

4

1

4

87

Figura 26. Susceptibilidad de deslizamientos en el territorio Colombiano44

44

IDEAM: Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia

88

Figura 27. Susceptibilidad del terreno a los deslizamientos en áreas de influencia de Ecopetrol S.A, (Tomado de Ante-Proyecto Convenio IDEAM-ECOPETROL S.A45)

45 Anteproyecto Convenio IDEAM- ECOPETROL S.A., para el servicio de monitoreo, seguimiento y pronóstico de la amenaza por deslizamientos de tierra de origen hidrometeorológico para alertas tempranas.

89

Los siguientes métodos de monitoreo de condición se enfocan en tres aspectos:

1. Métodos de detección de esfuerzos y deformaciones sobre la tubería,

2. Métodos para predicción de esfuerzos y desplazamientos de tubería,

3. Métodos para medir el desplazamiento del terreno circundante a la tubería.

9.2.1. MÉTODOS PARA DETECTAR ESFUERZOS Y DEFORMACIONES GENERADAS EN TUBERÍA POR MOVIMIENTO DE TERRENO

En este trabajo de grado se consideran tres soluciones tecnológicas para medir esfuerzos:

galgas de deformación de hilo vibrante (HV), galgas de deformación ópticas (sensores ópticos

basados en redes de Bragg, FBG por sus siglas en inglés) y fibra óptica distribuida basada en

dispersión de Brillouin46.

Figura 28 (Cont…). Tecnologías de medición de esfuerzo en tuberías. a) Strain gauges; b) FBG sensores ópticos y, c) Fibra óptica distribuida. Fuente: Smartec Technologies.

46

Branko Glisic and Daniele Inaudi, Fibre Optic Methods for Structural Health Monitoring, Jhon Wiley & Sons, Ltd, England, 2007, Chapter 3.

a b

90

Figura 28. Tecnologías de medición de esfuerzo en tuberías. a) Strain gauges; b) FBG sensores ópticos y, c) Fibra óptica distribuida. Fuente: Smartec Technologies.

9.2.2. METODOS PARA PREDECIR ESFUERZOS Y DESPLAZAMIENTO DE DUCTOS

Actualmente de la información de las corridas inteligentes, específicamente de los mapeos inerciales,

se pueden establecer dos parámetros que ayudan en la predicción y permite estructurar alertas

tempranas ante estados límites de las tuberías.

El primer método, denominado seguimiento espacial de la tubería, se basa en los desplazamientos

entre ejes (X, Y, Z) que se extraen de los mapeos inerciales y permiten después de generar una línea

base de condición, medir anualmente los corrimientos que la línea central de la tubería viene

experimentando. La figura 29, muestra la base del método de medición

c

29. Método de medición de cambios espaciales de líneas de transporte mediante el uso de información ILI

El segundo método, Bending Strain

predecir esfuerzos que afectan directamente a las curvaturas de los ductos. Técnicamente el concepto

de análisis Bending Strain determina a partir de la información de georreferenciación

(posicionamiento espacial del ducto, extractada de los mapeos inerciales de las corridas inteligentes)

las desviaciones que pueden encontrarse respecto al trazado original de la tubería, principalmente en

las curvas sometidas a carga lateral. Dicha desviación es r

esfuerzo con respecto al esfuerzo mínimo de fluencia especificado de la tubería (SMYS). El análisis

Bending Strain establece las zonas que por construcción o por aplicación de una carga lateral, son

susceptibles a un esfuerzo fuera de lo especificado por el diseño del ducto. Cabe aclarar que el esfuerzo

que se determina de este análisis es netamente relacionado con carga lateral, mas no es un efecto por

tensión o tracción del ducto. La figura 30 muestra el tipo de regist

Bending strain. Este registro muestra en diversos planos y relaciones respecto a los

Las zonas que mayormente están sometidas a un esfuerzo de curvatura

Trazado original de la línea

29. Método de medición de cambios espaciales de líneas de transporte mediante el uso de información ILI. Fuente: Desarrollo autor del proyecto.

, Bending Strain (Esfuerzo de Curvatura), corresponde a un análisis que permite



namiento espacial del ducto, extractada de los mapeos inerciales de las corridas inteligentes)


las curvas sometidas a carga lateral. Dicha desviación es referida en términos de porcentaje de



fuerzo fuera de lo especificado por el diseño del ducto. Cabe aclarar que el esfuerzo


La figura 30 muestra el tipo de registro generado después de un análisis

Bending strain. Este registro muestra en diversos planos y relaciones respecto a los

zonas que mayormente están sometidas a un esfuerzo de curvatura son enmarcadas en color rojo.

Trazado original de la línea Centerline del sistema

91

Figura 29. Método de medición de cambios espaciales de líneas de transporte mediante el uso de

: Desarrollo autor del proyecto.

corresponde a un análisis que permite



namiento espacial del ducto, extractada de los mapeos inerciales de las corridas inteligentes)


eferida en términos de porcentaje de



fuerzo fuera de lo especificado por el diseño del ducto. Cabe aclarar que el esfuerzo


ro generado después de un análisis

Bending strain. Este registro muestra en diversos planos y relaciones respecto a los desplazamientos.

son enmarcadas en color rojo.

Centerline del sistema

92

Figura 30. Registro de análisis Bending Strain. Fuente: Informe Bendig Strain Rosen Inspections.

9.2.3. MÉTODOS PARA MEDIR EL DESPLAZAMIENTO DEL TERRENO CIRCUNDANTE A LA TUBERÍA.

Este tipo de métodos se basa en mediciones locales mediante instrumentación tales como

Inclinometros, que permiten determinar por un periodo de tiempo el movimiento relativo de un

deslizamiento activo y de esta manera poder predecir la carga aplicada por la masa activa. La siguiente

figura muestra las zonas estratégicas de medición y el grafico tipo que muestra los resultados

adquiridos donde se aprecia el crecimiento de condición.

93

Figura 31. Zonas de ubicación de instrumentación y análisis de datos. Fuente: Intertek

10. CONCLUSIONES

10.1. La necesidad de una herramienta de ingeniería que permita tener en cuenta el crecimiento de

las fallas en los diseños y en las decisiones operacionales de los sistemas de tubería son el

objeto de múltiples investigaciones que buscan determinar los valores críticos de tolerancia de

un defecto ante las condiciones operacionales que actúan sobre dicho defecto. Estos valores

críticos de tolerancia son denominados los “estados límites” y asociados a los parámetros de

cálculo de probabilidad y consecuencia que determinan el riesgo de la infraestructura, resultan

ser una herramienta poderosa para la Vicepresidencia de Transporte y Logística de Ecopetrol

S.A.

10.2. Desde el punto de vista de una deformación por tensión, dos estados límites existentes son:

1. Colapso plástico en el tubo/soldadura,

2. Estado limite de fractura asociado con la ductilidad al desgarre debido a la presencia de una falla

de soldadura preexistente.

10.3. Actualmente ningún código provee de una guía completa en la valoración de las juntas soldadas

para el diseño basado en esfuerzo.

10.4. El uso de ECA en ninguna circunstancia puede ser visto como una alternativa para una buena

manufactura. La respuesta a fallas no conformes con los criterios de manufactura y construcción

necesitan ser corregidos en el proceso que causa la no conformidad. En síntesis una metodología

94

de aceptación de estados limite tales como el FFS, tiene como filosofía que los métodos cubiertos

por los estándares (API 579 y BS 7910), son complementarios a una buena calidad de manufactura

y construcción, no a reemplazarla, el cual es inherente en dichos estándares.

10.5. Las metodologías de FFS, también da lineamientos en el uso de factores de seguridad, factores de

confiabilidad y métodos probabilísticos. Estos factores y métodos no constituyen un análisis de

riesgo completo del componente a ser valorado, dado que las metodologías no cuantifican la

consecuencia de una falla, pero si demarcan los estados limite con los cuales el riesgo puede ser

tolerable.

10.6. Cualquier modelo matemático que se use para definir estados limites, debe ser exhaustivamente

corroborado mediante ensayos de gran escala, entregando información sobre la tendencia que los

materiales tienen para deformarse sin fallar. Los modelos experimentales que corroboran las

formulaciones de deformación plástica, después de tener un criterio de aceptabilidad, pueden ser

reemplazados por estudios FEA .

10.7. Definir nuevos parámetros para el cálculo de probabilidad de falla de juntas soldadas en la matriz

de Riesgo Geotécnico, permite hacer un acercamiento a los modelos QRA (Quantitative Risk

Assessment) de última generación, lo que permitirá tener perfiles de riesgo precisos y en tiempo

real.

11. RECOMENDACIONES

11.1. Con el fin de validar las ecuaciones y modelos de cálculos de esfuerzos remanentes de falla, se debe

proceder a realizar pruebas de gran escala, para lo cual el mejor vehículo para la ejecución y

validación de los modelos es el Instituto Colombiano del Petróleo - ICP.

11.2. Los métodos de monitoreo de medición de esfuerzo y desplazamiento de la tubería deben

implementarse en las zonas de inestabilidad geotécnica, permitiendo una trazabilidad y

definición de vectores de desplazamiento que permitan estimar las cargas predominantes en el

tramo de tubería.

11.3. Deben generarse programas de entrenamiento en monitoreo e identificación de zonas

inestables, enfocado al personal supervisor y de recorrido de línea, con lo cual se podrán

definir alertas oportunas ante posibles eventos geotécnicos.

12. BIBLIOGRAFÍA

12.1. Papers

- Seismic design of buried pipelines in India context, Suresh R. Dash.

95

- Advances in crack assessment for pipeline integrity, David katz, Ming Gao, Sergio Limon y Ravi

Krishnamurthy.

-Determination of pipe girth weld fracture toughness using sent specimens, Henryk G Pisarski

- Integrity management program for geo-hazards in the Ocensa pipeline system. Hugo Garcia, Carlos

Nieves y Juan Diego Colonia.

- Failure assessment for girth weld defects of pipelines. Qingshan Feng, Yi-han Lin, Bin Li, Hanchen Song.

- Recent PRCI guidelines for pipelines exposed to landslide and ground subsidence hazards. Douglas G.

Honegger, James D. Hart, Ryan Phillips, Carl Popelar y Richard W. Gailing.

- Stable and unstable crack growth in pipes. V.T Supunov.

- Toward more consistent pipe stress analysis. L.C Peng.

- Stress analysis methods for underground pipe lines. Liang- Chaung Peng.

- Monitoring slope deformation with quadrilaterals for pipeline risk management. Jaffrey R. Keaton y

Richard W. Gailling

12.2. Estándares:

- Fracture control for pipeline installation methods introducing cyclic plastic strain, DNV-RP-F 108.

- A theoretical model for crack propagation and arrest in pressurized pipelines. PRCI

- ASME B31.4 Pipeline Transportation systems for liquid hydrocarbons and otrher liquids.

12.3. Libros

-Costa, J. E. y Schuster, R. L. (1988), “The formation and failure of natural dams”. Geological Society of America Bulletin, V.100, pp. 1054-1068. -Crozier, M. J. (1984), “Field assessment of slope instability”. Cap. 4 de D. Brunsden y D. B. Prior, Editores, “Slope Instability”; John Wiley & Sons. Chichester, U. K. -Eisbacher, G. H. and J.J. Clague. (1984), “Destructive Mass Movements in High Mountains: Hazard and Management”. Geological Survey of Canada, Paper 84-16, Ottawa, Canada.

96

-Flageollet, J. C. (1999) “Landslide Hazard – A Conceptual Approach in Risk Viewpoint”, Capítulo 1 de: Casale R. y Magottini C. (Editores), “floods and landslides – Integrate Risk Assessment”. Springer – Verlag, Berlín. -García López, Manuel. (1988), “Eventos catastróficos del 13 de noviembre de 1985 (Erupción del Volcán Nevado del Ruiz)”. Boletín de Vías de la Universidad Nacional de Colombia, Seccional Manizales, Vol. XV No. 85, Manizales. -Hansen, M. J. (1984), “Strategies for classification of landslides”. Capítulo 1 de D. Brunsden y D. B. Prior, Editores, “Slope Instability”; John Wiley & Sons. Chichester, U. K. -Ikeya, H. (1989), “Debris flow and its countermeasures in Japan”. Bulletin of the International Association of Engineering Geology, Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, Paris. -Johnson, A. M. (with contributions by J. R. Rodine), (1984), “Debris flow”. Cap. 8 de D. Brunsden y D. B. Prior, Editores, “Slope Instability”; John Wiley & Sons. Chichester, U. K. -NOAA-USGS Debris Flow Task Force (2005), “Debris-Flow Warning System- Final Report”. U.S. Geological Survey, Circular 1283, Reston, Virginia. -Linkens, D., Formby, C.L., and Ainsworth, R.A., 2000, “A Strain-based Approach to Fracture Assessment – Example Applications,” Proc. 5th International Conference on Engineering Structural Integrity Assessment, -Wang, Y.Y., Rudland. D., Denys, R., Horsley, D., 2002, “A Preliminary Strain-based Design Equation For Pipeline Girth Welds,” Proc. 4th International Pipeline Conference, Calgary, Alberta, Canada, pp. 415-427. -Wang, Y.Y., Cheng, W., Horsley, D., 2004, “Tensile Strain Limits of Buried Defects in Pipeline Girth Welds”, Proc.

4th International Pipeline Conference, Calgary, Alberta, Canada, pp. 1-8. -Sandvik, A., Østby, E., Thaulow, C., 2008,“A Probabilistic Fracture Mechanics Model including 3D Ductile Tearing of Bi-axially Loaded Pipes with Surface Cracks”, Engg. Frac. Mech., 75, pp 76-96.

-Bockrath, G. and Glassco, J., “Fatigue and Fracture Mechanics of High Risk Parts – Application of LEFM & EMDM Theory,” Chapman & Hall, New York, N.Y., 1997. - Hooton, G.H. and Budden, P.J., “R6 Developments In The Treatment Of Secondary Stresses,” PVP-Vol. 304, ASME, 1995, pp 503-509. - Popelar, C.H., “A Tearing Instability Analysis for Strain Hardening Materials,” ASTM STP 833, 1984. Farahmand,B., Bockrath, G., and Glassco, J., “Fatigue and Fracture Mechanics of High Risk Parts – Application of LEFM & FMDM Theory,” Chapman Hall, New York, N.Y., 1997.

PROYECTO DE GRADO CAETO V1 - Unilibre

Documents

Transcript of PROYECTO DE GRADO CAETO V1 - Unilibre