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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
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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)
Factor de diseño de
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)
Factor de diseño de
esfuerzo
circunferencial
(Utilizando t código)
Factor de diseño de
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
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 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
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 decir que las
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.
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
Las opciones genéricas de tratamiento del riesgo no son necesariamente iguales en todas las circunstancias. El
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
ejecución y se ajusta la planeación de actividades midiendo periódicamente el desempeño.
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
Las opciones genéricas de tratamiento del riesgo no son necesariamente iguales en todas las circunstancias. El
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
ejecución y se ajusta la planeación de actividades midiendo periódicamente el desempeño.
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
5CORROSIÓN EXTERIOR
Evaluación periódica de las unidades rectificadoras de Protección Catódica (URPC).
UN 6 6 4 4 4 4 4 4 4 4 4
7CORROSIÓN EXTERIOR
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
10 CORROSIÓN EXTERIOR
Acciones de mitigación por interferencia UN 1 37
11CORROSIÓN EXTERIOR
Cambio o rehabilitación de Revestimiento MT 30 70 70 568 568
13CORROSIÓN EXTERIOR
DCVG KM 30 30 30
15CORROSIÓN EXTERIOR
Inspección de aislamiento eléctricos, incluye plantas, estructuras aéreas y casetas de válvulas o bunkers.
UN 15
17 CORROSIÓN EXTERIOR
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
32CLIMA Y FUERZAS EXTERNAS
Roceria derecho vía KM 9,4 9,4 16 10 6,3 6,7 3,3 3,3 9,1
33CLIMA Y FUERZAS EXTERNAS
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
45OPERACIONES INCORRECTAS
Certificación de Competencias Empleados UN 1
46OPERACIONES INCORRECTAS
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
Requerimiento Nivel 1 Requerimiento Nivel 2 Requerimiento Nivel 3
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
Requerimiento Nivel 1 Requerimiento Nivel 2 Requerimiento Nivel 3
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
Requerimiento Nivel 1 Requerimiento Nivel 2 Requerimiento Nivel 3
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%
PARÁMETRO % CARACTERÍSTICA % VARIABLE % RANGO PoF
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%
PARÁMETRO % CARACTERÍSTICA % VARIABLE % RANGO PoF
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%
PARÁMETRO % CARACTERÍSTICA % VARIABLE % RANGO PoF
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
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
namiento 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 referida en términos de porcentaje de
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
fuerzo 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
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
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
namiento 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
eferida en términos de porcentaje de
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
fuerzo 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
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
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