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Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias
versión On-line ISSN 2071-0054
Rev Cie Téc Agr vol.29 no.1 San José de las Lajas ene.-mar. 2020 Epub 01-Mar-2020
ARTÍCULO ORIGINAL
Influencia de la temperatura en ductos compuestos sometidos a altas presiones
ISEPI-ESIME, Instituto Politécnico Nacional, Ciudad de México, México.
IILloyds Register, Ciudad de México, México.
IIIUniversidad Agraria de La Habana, Facultad de Ciencias Técnicas, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.
IVUnidad de Simulación e Ingeniería Mecánica Estructural - GrupoSSC, Ciudad de México, México.
A nivel mundial se está presentando un gran desarrollo de infraestructura para la extracción, explotación y transporte de hidrocarburos en aguas profundas, debido a la disminución de los recursos existentes en aguas poco profundas. El objetivo de esta investigación se centra en poder proponer un ducto compuesto dotado de aislamiento térmico, capaz de operar en aguas profundas bajo el efecto del gradiente térmico que se produce a estas profundidades y garantizando el aseguramiento del flujo. Esto es de gran importancia también en la agricultura para el riego con aguas subterráneas, donde es necesario garantizar la integridad estructural de los ductos que transportan el fluido por terrenos en donde pueden existir altas presiones y altas temperaturas. Por lo que se analizaron en elementos finitos 4 ductos compuestos, teniendo en cuenta las altas temperaturas del fluido y las bajas temperaturas del agua de mar, así como variaciones en el material anular (cemento y polipropileno) y los espesores. Se obtuvo que a mayor espesor disminuye la rigidez del sistema. Sin embargo, el efecto térmico no influye significativamente en la resistencia de los ductos con mayor espesor del material anular, producto del aislamiento térmico que ofrece el material anular. El ducto compuesto con material anular de cemento ofrece mayor potencial para ser implementado ya que presentó mayor presión de colapso que el ducto con polipropileno.
Palabras-clave: ducto compuesto; gradiente térmico; elemento finito
INTRODUCCIÓN
La industria petrolera necesita cada vez más incursionar en aguas profundas y ultraprofundas, marcando así una nueva etapa en el desarrollo petrolero e impulsando el crecimiento económico. Por tal motivo se requiere la generación de tecnología con alto potencial para ser implementada en estas profundidades y poder acceder a nuevos recursos de manera segura y eficiente.
En los últimos años diversos estudios han enfocado su atención en los ductos compuestos, entre ellos los de Kyriakides y Netto (2004); Kardomateas y Simitses (2005); Arjomandi y Taheri (2010a, 2010b, 2011, 2012); Xu et al. (2016), los cuales al estar dotados de aislamiento térmico ofrecen un mejor aseguramiento del flujo desde el yacimiento hasta las plataformas y sistemas de producción según Netto et al. (2002), superando así las deficiencias existentes actualmente de las tuberías de una sola pared (Castello y Estefen, 2008). Por lo que resulta de vital importancia el tener conocimiento del comportamiento de dichos ductos, los cuales estarán expuestos a severas condiciones de operación, ya que en aguas profundas los fluidos del yacimiento son más calientes en comparación con la temperatura del agua de mar generándose el choque térmico (Su et al., 2003; Castello y Estefen, 2008; An et al., 2012, 2014).
Es de gran importancia a su vez para la agricultura de precisión de alta productividad el estudio de la integridad estructural de los ductos empleados para el riego con aguas subterráneas según Llamas y Martínez (2005) y Paneque et al. (2018), los cuales en su trayectoria están expuestos a diferentes condiciones como terrenos donde pueden existir altas presiones y altas temperaturas. Por lo tanto, resulta de gran utilidad el conocimiento de su comportamiento a través de un modelo analítico y numérico (Arjomandi y Taheri, 2011).
De acuerdo a lo planteado, el objetivo de este trabajo es investigar mediante análisis en elemento finitos la influencia del gradiente térmico en el funcionamiento de los ductos compuestos propuestos, considerando diferentes materiales anulares y variaciones en su espesor.
MÉTODOS
Modelo analítico de la presión crítica
Con base en Arjomandi y Taheri (2011), se calcula la presión crítica para los ductos compuestos propuestos, con material anular de polipropileno. Esta ecuación solo es aplicable para núcleos blandos y considera la imperfección existente en el ducto, así como el espesor anular:
con
donde ;
Pcr |
es la presión crítica del ducto compuesto, |
k, α, γ, ξ |
son constantes calculadas en Arjomandi y Taheri (2011), usadas para obtener la presión del ducto. |
Estas constantes se obtuvieron mediante un modelo numérico empleando Matlab y el algoritmo de regresión no lineal restringido recomendado por Gill et al. (1986), con un método de programación cuadrática secuencial. Los parámetros ψ1 y ψ2 representan el efecto del núcleo y el ducto interno respectivamente, Ep y Ec es el Módulo de Elasticidad del acero y el material anular respectivamente, υp y υcla relación de Poisson, te y ti, el espesor externo e interno del acero, Re y Ri el radio del acero.
Simulación numérica
Para conocer el comportamiento de ductos compuestos ante el efecto de la temperatura en aguas profundas y ultra profundas, se realizó la modelación a través del Método de Elementos Finitos. Se analizaron 4 ductos compuestos de acero X-60, variándose dimensiones y material anular (polipropileno (PP) y cemento). El modelo del ducto analizado se redujo a un modelo en dos dimensiones sin perder exactitud según Estefen et al. (2005) y Chen et al. (2013), lográndose a su vez reducir los costos computacionales. El objetivo es proponer a la industria petrolera un ducto compuesto con las dimensiones requeridas y el material anular más factible, de acuerdo a las severas condiciones de operación en estas profundidades (Tabla 1).
TABLA 1 Dimensiones de los ductos compuestos
Ducto compuesto con material anular de PP | Ducto compuesto con material anular de Cemento | |||
---|---|---|---|---|
Dimensiones (mm) | I PP | II PP | I C | II C |
Diámetro externo | 359 | 359 | 359 | 359 |
Diámetro interno | 290 | 290 | 290 | 290 |
Espesor interno | 14 | 5.5 | 14 | 5,5 |
Espesor externo | 14 | 5.5 | 14 | 5,5 |
Espesor anular | 6,5 | 23,5 | 6,5 | 23,5 |
Los ductos están compuestos por dos capas de acero X-60 y un material anular (Figura 1).
Las propiedades mecánicas según Estefen et al. (2005); Castello y Estefen (2008); Castello (2011) y térmicas, según (Xu y Chung, 2000; Castello y Estefen, 2008) empleadas para el análisis numérico de los ductos compuestos se muestran en la Tabla 2, para cada material.
TABLA 2 Propiedades de los materiales
Propiedades | Acero X-60(Modelo multilineal de Endurecimiento isotrópico) | PP (Modelo Hiperelástico Arruda Boyce) | Cemento(Modelo de Endurecimiento isotrópico) |
---|---|---|---|
Módulo de elasticidad (GPa) | 206 | - | 5.78 |
Relacion de Poisson | 0.3 | - | 0.15 |
Densidad (kg/m3) | 7850 | 700 | 1666 |
Conductividad térmica (W/mºC) | 54 | 0.17 | 0.53 |
Se consideró perfecta adhesiónentre las capas de acero y el material anulara través de elementos de contacto unidos, que no permiten la separación de las capas.Se emplearon 2 tipos de elementos; a) elementos de contacto, CONTA172 y b) elementos tipo TARGE169.
Se aplicaroncondiciones de frontera comola restricción de movimiento en el eje y, permitiendo el eje x libre, como primera condición y la segunda condición fue la restricción de movimiento del eje x, permitiendo el eje y libre. La carga de compresión axial referente a la presión externa fue aplicada sobre toda la superficie exterior del ducto compuesto (Figura 2). Con estoes posible obtener la presión de colapso. Finalmente se aplicaron las temperaturas, externa (4oC) e interna (90oC) aegún Castello y Estefen (2008) y se emplearon las curvas de esfuerzo-deformación de cada material según Souza et al. (2007), para la correcta simulación.
La generación de una adecuada malla es un factor decisivo en la simulación (Figura 3), para obtener resultados confiables, para esto se definió el elemento Plane 183 de segundo orden, el cual experimenta gran hiperelasticidad y grandes deformaciones.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Resultados del análisis térmico
Se obtuvo el perfil de temperatura para cada ducto compuesto con cada material anular analizado (Figuras 4 y 5), observándose que para el PP disminuye más la temperatura en el ducto externo que para el caso del ducto compuesto con cemento. La temperatura disminuye (del ducto interno al ducto externo) a medida que el espesor aumenta (Souza et al., 2007; Castello y Estefen, 2008).
Resultados numéricos de la presión de colapso bajo el efecto de la temperatura
Las Figuras 6 y 7 muestran los resultados del análisis térmico y de pandeo para los ductos compuestos analizados. Se obtuvo la presión de colapso, bajo la influencia de un gradiente térmico. En la Figura 6 se muestran los ductos compuestos con material anular de polipropileno, observándose que con el aumento del espesor anular y la disminución de las capas de acero se genera una disminución de la presión de colapso.
Para el caso de los ductos compuestos con material anular de cemento (Figura 7) se obtuvo un comportamiento similar al de los ductos con polipropileno, haciéndose notable una vez más la influencia del aumento del espesor anular en la disminución de la presión de colapso.
De acuerdo a los resultados obtenidos,los ductoscompuestos con material anular de cemento presentan mayor presión de colapsoy a su vez mayor rigidez que los ductos con polipropileno, puesto que este último es menos resistente gradiente térmico que el cemento (Castello y Estefen, 2008). Con base en estos resultados se puede establecer que el ducto con cemento ofrece mayor potencial para la operación en aguas profundas tanto para un material anular delgado como para un mayor espesor.
Comparación de los resultados de la presión de colapso
Con el objetivo de conocer el efecto de la temperatura en la presión de colapso, se analizaron además en elementos finitoslos ductos compuestos con y sin el efecto del gradiente térmico (Figura 8).
De esta forma se pudo comparar y observar la diferencia en el comportamiento de la presión de colapso (Tabla 3). El gradiente térmico genera una disminución en la presión de colapso en los cuatro ductos compuestos analizados, obteniéndose con esto vulnerabilidad en su resistencia (Souza et al., 2007). Sin embargo, a pesar del efecto de la temperatura los ductos compuestos brindan mejor rendimiento que los ductos simples (Souza et al., 2007). Se obtuvo que para los ductos con mayor espesor la temperatura influyera en menor proporción en los resultados de presión de colapso, lográndose probablemente con esta tecnología el aseguramiento del flujo, producto de los beneficios que ofrece el aislamiento térmico.
Comparación de los resultados analíticos y numéricos
La presión crítica de cada ducto compuesto con polipropileno fue calculada a través de la Ecuación 1 y comparada con los resultados numéricos, obteniéndose valores similares para ambos casos (Tabla 4).
TABLA 4 Comparación de resultados analíticos y numéricos
Pcrít(MPa) | ||
---|---|---|
Modelo | Analítico (Ecuación 2) | Numérico (Elemento Finito) |
IPP | 200,97 | 200,15 |
IIPP | 108 | 107,32 |
CONCLUSIONES
Los ductos compuestos fueron analizados mediante elemento finito bajo el efecto del gradiente térmico y teniendo en cuenta variaciones en el material anular y en su espesor. La rigidez del sistema se ve afectada producto del choque térmico que se genera en aguas profundas. Los análisis numéricos y analíticos arrojaron resultados similares, tanto para aplicaciones en aguas profundas como para el riego con aguas subterráneas. Con el aumento del espesor anular, tanto para el caso del cemento como para el polipropileno, se produce una disminución de la presión de colapso. Se obtuvo además que los ductos compuestos con núcleo de cemento presentan mayor resistencia que los ductos con polipropileno ante las condiciones de operación analizadas. El ducto compuesto de polipropileno con mayor espesor anular no cumple con los requisitos para ser implementado en aguas profundas. Por tal motivo se puede plantear que el ducto compuesto con material anular de cemento a pesar de sufrir también una disminución de su rigidez, ofrece un alto potencial para ser implementado en aguas profundas y ultraprofundas. Con el aislamiento térmico que aporta la tecnología de ductos compuestos se logra superar las deficiencias existentes en la industria petrolera en ductos de una sola pared.
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Recibido: 15 de Julio de 2019; Aprobado: 19 de Diciembre de 2019