4. Análisis de tuberíaEn este capítulo nos centramos nuestra atención principalmente en la capacidad de resistencia de una tubería. Se discuten los diferentes materiales utilizados para la construcción de tuberías y la forma de calcular la cantidad de presión interna que una tubería dada puede soportar . Determinamos la cantidad de presión interna de un determinado tamaño de la tubería puede soportar basado en el material de la tubería , diámetro y espesor de pared. A continuación, establecemos la presión de prueba hidrostática de la tubería estará sujeto a , de tal manera que la presión interna calculada anteriormente se puede tolerar con seguridad . También se discute el contenido del volumen o de la línea de volumen de llenado de un gasoducto y cómo se utiliza en las tuberías por lotes con varios productos.

4.1 Presión de funcionamiento admisible y Hidrostática Presión de prueba

Para el transporte de un líquido a través de una tubería , el líquido debe estar bajo una presión suficiente para que la pérdida de presión debido a la fricción y la presión necesaria para los cambios de elevación pueden ser acomodados. El más largo de la tubería y la más alta es la velocidad de flujo , mayor es la caída de la fricción será , lo que requiere un aumento correspondiente en la presión del líquido al principio de la tubería .En los sistemas de flujo por gravedad , el flujo se produce debido a la elevación diferencia sin ningún tipo de presión de la bomba adicional. Por lo tanto , una tubería de un tanque de almacenamiento en una colina a una terminal de entrega a continuación puede no necesitar ningún tipo de presión de la bomba en el tanque.

Sin embargo , el oleoducto todavía tiene que ser diseñado para soportar la presión generada debido a la diferencia de elevación estática.La presión de operación permisible en una tubería se define como la máxima presión continua seguro que la tubería puede ser operado a . A esta presión interna del material de la tubería se destacó a algún valor seguro por debajo del límite elástico del material de la tubería . El estrés en el material de la tubería consiste en circunferencial ( o aro ) estrés y longitudinal ( o axial ) de estrés . Esto se muestra en la Figura 4.1 . Se puede demostrar que el esfuerzo axial es la mitad del valor de la tensión circunferencial . Por consiguiente, la tensión circunferencial controla la cantidad de presión interna de la tubería puede soportar . Para tuberías que transportan líquidos , la tensión circunferencial se puede permitir llegar a 72 % de la resistencia a la fluencia de la tubería.Si el material de tubería tiene límite de elasticidad 60.000 psi , la presión de operación interna segura no puede exceder un valor que se traduce en una tensión circunferencial de

0,72 × 60.000 = 43.200 psi

Para asegurarse de que la tubería puede ser operado de manera segura a una presión particular, máximo permitido de operación ( MAOP ) hay que probar la tubería con agua , a una presión mayor .La presión de prueba hidrostática es una presión superior a la presión de operación permisible . Es la presión a la que la tubería se prueba por un período específico de tiempo , tal

como 4 h (para tuberías de superficie ) o 8 h (para tubería enterrada ) como es requerido por el código de diseño gasoducto o por la ciudad o del gobierno regulaciones apropiadas . En los Estados Unidos, el Departamento de Transporte (DOT ) de la pieza 195 se aplica . En general , para las tuberías de líquido la presión de prueba hidrostática es 25 % más alto que el MAOP . Por lo tanto , si el MAOP es de 1000 psig , el gasoducto será probado hidrostáticamente a 1,250 psig .Cálculo de la presión de diseño interno en una tubería se basa en la ecuación de Barlow para la presión interna en tubos cilíndricos de pared delgada , como se discute a continuación .

Figura 4.1 estrés Hoop y esfuerzo axial en una tubería.

4.2 Barlowís ecuación para la presión interna

La tensión circunferencial o tensión circunferencial , Sh , en un tubo cilíndrico de pared delgada debido a una presión interna se calcula utilizando la fórmula

Sh = PD / 2 ( 4.1 )

dondeSh = esfuerzo tangencial , psi P = presión interna , psi D = diámetro exterior del tubo , pulg espesor t = Tubería de pared , pulgDel mismo modo , la tensión axial ( o longitudinal ) , Sa , esSa = PD/4t ( 4.2 ) Las ecuaciones anteriores constituyen la base de la ecuación de Barlow utilizado para determinarla presión admisible de diseño interno de una tubería. Como puede verse a partir de las ecuaciones ( 4.1 ) y ( 4.2 ) , la tensión circunferencial es dos veces la tensión longitudinal . Por consiguiente, la presión de diseño interno se basa en la tensión circunferencial (Ecuación 4.1 ) .Ecuación de Barlow se puede derivar fácilmente de la siguiente manera : Considere la mitad de una longitud unidad de tubo como se muestra en la Figura 4.1 . Debido a la presión interna P , la fuerza de ruptura en la mitad de la tubería es

P x D x 1

donde la presión P actúa sobre un área proyectada D × 1 . Esta fuerza de ruptura se equilibra exactamente por la actuación aro de estrés Sh lo largo de ambos bordes de la tubería . Por lo tanto ,

Sh × t × 1 × 2 = P x D x 1

Despejando Sh obtenemosSh = PD/2tLa ecuación ( 4.2 ) para la tensión axial Sa se deriva de la siguiente manera . El esfuerzo axial Sa actúa sobre un área de sección transversal de la tubería representada por πDt . Esto se equilibra con la presión interna P que actúa en el área de sección transversal interna del tubo de πD2 / 4 . Igualando los dos lleguemos

Sa × πDt = P × πD2 / 4Despejando Sa , obtenemosSa = PD/4t En el cálculo de la presión de diseño interno de las tuberías de líquido , modificamos la ecuación de Barlow ligeramente. La presión de diseño interior de una tubería se calcula en unidades inglesas como sigue:

( 4.3 )dondePresión de diseño P = tubería interna , psig D = diámetro exterior nominal de la tubería , pulg T = espesor de pared nominal de la tubería , pulgS = mínimo especificado límite elástico ( SMYS ) del material de la tubería , psigE = factor de articulación Seam, 1.0 para arco sumergido fisuras y soldadas (SAW )tuberías ( véase la Tabla A.11 del Apéndice A )F = Factor de diseño , por lo general 0.72 para tuberías de líquido , pero si un factor de diseño de 0,60 se utiliza para la tubería, incluyendo elevadores , en una plataforma ubicada frente a la costa o en una plataforma en aguas navegables interiores , y 0,54 se utiliza para la tubería que ha sido sometido a expansión en frío para cumplir con el SMYS y posteriormente se calienta , que no sea por soldadura o para aliviar el estrés como una parte de la soldadura , a una temperatura superior a 900 ° F ( 482 ° C) durante cualquier período de tiempo o para más de 600 ° F ( 316 ° C) durante más de 1 hora .El formulario anterior de la ecuación de Barlow se puede encontrar en la Parte 195 del Código de Reglamentos Federales DOT , Título 49 y B31.4 norma ASME para tuberías de líquidos. En unidades del SI , la ecuación de Barlow se puede escribir como :

( 4.4)

dondeP = Pipe presión de diseño interno , kPa D = nominal de la tubería de diámetro exterior , espesor mm T = pared nominal del tubo, mmS = límite elástico mínimo especificado ( SMYS ) del material de la tubería , en kPaE y F se definen en la ecuación ( 4.3 )

En resumen , la ecuación de Barlow para la presión interna se basa en el cálculo de la tensión circunferencial ( circunferencial ) en el material de la tubería . La tensión circunferencial es la tensión de control de material de la tubería dentro de subrayado , siendo el doble de la tensión axial (Figura 4.1).La fuerza del material de la tubería designada como se especifica límite elástico mínimo ( SMYS ) en las ecuaciones (4.3) y ( 4.4) depende de material de la tubería y el grado. En los Estados Unidos , el material de la tubería de acero se utiliza en la industria del petróleo y el gas se fabrica de acuerdo con el Instituto Americano del Petróleo normas ( API) 5L y 5LX . Por ejemplo , los grados 5LX -42, 5LX -52 , 5LX -60, Análisis Pipe 69

5LX - 65 , 5LX - 70 , y 5LX - 80 se utilizan comúnmente en aplicaciones de tuberías . Los números después 5LX anteriores indican los valores SMYS en miles de psi. Por lo tanto , la tubería 5LX - 52 tiene un límite elástico mínimo de 52.000 psi. El grado más bajo del material de la tubería utilizada es 5L Grado B , que tiene un SMYS de35,000 psi . Además , el tubo de acero sin costura designado como tubería ASTM A106 Grado B y también se utilizan para los sistemas de tubería de líquido. Estos tienen un valor de 35.000 SMYS psi.Es obvio a partir de la ecuación de Barlow ( 4.3 ) que , para un determinado diámetro de la tubería , material de la tubería , y el factor de articulación de la costura , la presión interna permitida P es directamente proporcional al espesor de pared de la tubería . Por ejemplo , un tubo de 16 pulgadas de diámetro con un espesor de pared de 0,250 pulgadas hecho de 5LX -52 tubo tiene una presión de diseño interno permisible de 1,170 psi calculado de la siguiente manera :

P = ( 2 × 0,250 × 52 000 × 1,0 × 0,72 ) / 16 = 1.170 psig

Por lo tanto , si el espesor de la pared se aumenta a 0.375 pulg los permitidos aumenta la presión de diseño interior a

( 0.375/0.250 ) × 1170 = 1755 psig

Por otro lado , si el material de la tubería se cambia a 5LX - 70 , manteniendo el espesor de pared en 0,250 pulg , la nueva presión interna es

( 70000 / 52000 ) 1170 = 1575 psig

Tenga en cuenta que se utilizó la ecuación de Barlow para calcular la presión interna admisible basándose en el material de la tubería estar estresado a 72 % de SMYS . En algunas situaciones, la ciudad o las regulaciones gubernamentales más estrictas pueden requerir que el tubo se hace funcionar a una presión más baja. Por lo tanto , en lugar de utilizar un factor de 72 % en la ecuación ( 4.3 ) se nos puede exigir utilizar un factor más conservador ( el número inferior) en lugar de F = 0,72. Como ejemplo , en ciertas zonas de Los Ángeles , tuberías de

líquidos sólo se les permite operar en un factor en lugar del factor 72 % 66 % . Por lo tanto , en el ejemplo anterior , la tubería in./X52 16 pulgadas / 0,250 sólo puede ser operado a

1170 (66/ 72) = 1.073 psig

Como se ha mencionado antes , con el fin de operar un oleoducto a 1170 psig , se debe probar hidrostáticamente a 25 % mayor presión . Dado que la presión interna de 1170 psig se basa en el material de la tubería estar estresado a 72 % de SMYS , la presión de prueba hidrostática hará que la tensión circunferencial para alcanzar

1,25 ( 72 ) = 90 % de SMYS

Generalmente , se especifica la presión de prueba hidrostática como un rango de presiones , tales como 90 % a 95 % SMYS SMYS . Esto se llama la prueba hidrostática

sobre de presión. Por lo tanto , en el presente ejemplo, el rango de presión hidrostática es1.25 ( 1170 ) = Límite de 1.463 psig inferior ( 90 % SMYS ) (95 /90) 1463 = 1544 psig límite más alto ( 95 % SMYS )

En resumen, una tubería con un MAOP de 1170 psig necesita ser hidrostáticamente a una presión de 1463 psig a 1544 psig . De acuerdo con el código de diseño , la presión de prueba se llevará a cabo durante un mínimo de 4 horas para las tuberías sobre el suelo y las 8 h para tuberías enterradas .En el cálculo de la presión interna admisible en tuberías mayores , se debe prestar atención a la reducción del espesor de la pared debido a la corrosión durante la vida útil de la tubería . Una tubería que se instaló hace 25 años con0,250 pulg espesor de pared puede haber reducido en espesor de pared de 0,200 pulgadas o menos debido a la corrosión . Por lo tanto , la presión interna admisible tendrá que ser reducida en la relación del espesor de pared , en comparación con la presión de diseño original 4.3 Línea de volumen de llenado y Lotes

Con frecuencia tenemos que saber cuánto líquido está contenido en una tubería entre dos puntos a lo largo de su longitud , por ejemplo entre las válvulas o las estaciones de bombeo .Para un tubo circular , se puede calcular el volumen de una longitud dada de tubería multiplicando el área de la sección transversal interna por la longitud de la tubería . Si el diámetro interno del tubo es D pulgadas y la longitud es L m, el volumen de esta longitud de la tubería esV = 0,7854 ( D2/144 ) L ( 4,5 )dondeV = Volumen, m3Simplificando ,V = 5.4542 × 10-3 D2 L ( 4.6 ) Ahora vamos a reiterar esta ecuación en términos de unidades de tuberías convencionales , tales como el volumen de barriles en una milla de la tubería . La

cantidad de líquido contenida en un millas de tubo, también llamado el volumen de llenado de línea , se calcula como sigue :VL = 5.129 (D ) 2 ( 4,7 ) Análisis de tubo 71

dondeVL = volumen de la línea de llenado de la tubería , bbl / millasDiámetro interior D = tubo, pulgEn las unidades del SI podemos expresar el volumen de la línea de llenado por km de tubería de la siguiente manera : VL = 7,855 × 10-4 D2 ( 4,8 )dondeVolumen de llenado VL = Línea , m / kmD = Diámetro del tubo interior , mmUtilizando la ecuación ( 4.7 ) , una tubería 100 millas de largo , 16 pulgadas de diámetro y0,250 pulgadas de espesor de pared , tiene un volumen de llenado de línea de

5.129 ( 15,5 ) 2 ( 100 ) = 123.224 bbl

Muchas tuberías de petróleo crudo y de productos refinados operan en un modo por lotes , en el que los productos múltiples se bombean simultáneamente a través de la tubería como lotes . Por ejemplo , 50.000 bbl del producto C se introduce la tubería seguido de 30.000 bbl del producto B y 40.000 bbl de producto A. Si el volumen de llenado de la línea de la tubería es de 120.000 barriles , una condición instantánea instantánea de una tubería por lotes es como se muestra en Figura 4.2 .

Problema Ejemplo 4.1

Una tubería de 50 millas consta de 20 kilómetros de tubería de 16 pulgadas de diámetro y 0,375 cm de espesor de pared seguido de 30 kilómetros de tubería de 14 pulgadas de diámetro y 0,250 pulgadas de espesor de pared . Calcular el volumen total contenido en las 50 millas de tubería .

solución

Utilizando la ecuación ( 4.7 ) obtenemos , para el 16 pulg tubería

Volumen por milla = 5.129 (15.25 ) 2 = 1.192,81 bbl / millas

Y para el gasoducto de 14 pulgadas

Volumen por milla = 5.129 ( 13,5 ) 2 = 934.76 bbl / millas

Volumen total de llenado de línea es

20 × 30 × 1.192,81 934,76 = 51.899 bbl

Problema Ejemplo 4.2

Una tubería de 100 kilometros de largo es de 500 mm de diámetro exterior y 12 mm de espesor de pared. Si lotes de tres líquidos A ( 3000m3 ) , B ( 5000m3 ) y C ocupan la tubería , en un instante particular , calcular las ubicaciones de la interfaz de los lotes , teniendo en cuenta el origen de la tubería para estar en 0,0 km.

soluciónUtilizando la ecuación ( 4.8) se obtiene el volumen de llenado de línea por km para ser

VL = 7,855 × 10-4 ( 500-24 ) 2 = 177.9754 m3/km

El primer lote A se iniciará a 0.0 kilómetros y terminará a una distancia de

3000/177.9754 = 16,86 kilometros

El segundo lote B se inicia en 16,86 kilometros y termina en

16,86 + ( 5000/177.9754 ) = 44,95 kilometros

El tercer lote C comienza a las 44,95 kilometros y termina a los 100 km. El volumen total de la tubería es

177.9754 x 100 = 17.798 m3

Por lo tanto el volumen de la tercera lote C es

17,798-3000-5000 = 9.798 m3

Por lo tanto, puede verse que el cálculo del volumen de llenado de línea es importante cuando se trata de tuberías por lotes . Necesitamos saber los límites de cada lote de líquido , de manera que las propiedades del líquido correctas se pueden utilizar para calcular las caídas de presión para cada lote .La caída total de presión en una tubería por lotes se calcula sumando gotas para cada lote la presión individual. Desde el entremezclado de los lotes no es deseable , tuberías por lotes se debe ejecutar en flujo turbulento . En flujo laminar habrá extensa mezcla de los lotes , que contradice el objetivo de mantener cada producto por separado , de modo que al final de la tubería de cada producto puede ser desviada en un tanque separado . Algunos entremezclado se producirá en las interfaces de productos y este líquido contaminado generalmente se bombea a un tanque de decantación en el extremo de la tubería y puede ser mezclado con un producto menos crítica . La cantidad de contaminación que se produce en la interfaz de lote

depende de las propiedades físicas de los productos por lotes , por lotes , longitud y número de Reynolds .

Análisis Pipe 734.4 ResumenEn este capítulo hemos hablado de cómo se calcula la presión interna admisible en una tubería , dependiendo del tamaño y material del tubo . Hemos demostrado que para la tubería bajo presión interna de la tensión circunferencial en el material de la tubería será el factor de control . La importancia del factor de diseño en la selección de grosor de pared de la tubería se ilustró con un ejemplo. Con base en la ecuación de Barlow, el cálculo de la presión de diseño interno según lo recomendado por norma ASME B31.4 y el Código de Regulaciones Federales , Parte 195 del DOT EE.UU. fue ilustrado . Se discutió la necesidad de que las tuberías de prueba hidrostática para una operación segura . El cálculo del volumen de llenado de línea se introdujo y su importancia en las tuberías por lotes se muestra con un ejemplo.

4.5 Problemas

4.5.1 Cálculo de la presión de diseño interna permitida en factor de diseño del 72% para un 18 pulgadas de tubería, espesor de pared de 0,375 pulgadas y API material de la tubería 5LX -46 . ¿Cuál es el rango de presión hidrostática para este gasoducto ?4.5.2 Se ha determinado que la presión de diseño para un sistema de tuberías tanque de almacenamiento es de 720 psi . Si se utiliza tubería API 5L Grado B , lo que el espesor de pared mínimo se requiere para la tubería de 14 pulgadas ?4.5.3 En el problema 4.5.2 , si la presión nominal se incrementó a ANSI600 (1440 psi) , calcular el espesor de pared de tubo requerido con14 pulgadas de tubo , si se utiliza de alta resistencia del tubo 5LX -52 . ¿Cuál es la presión hidrostática mínima para este sistema?4.5.4 Determinar el volumen de líquido contenido en un kilómetro de tubería de 14 pulgadas con un espesor de pared de 0.281 pulg