Nombre de la ponencia:

“USO DE PARCHES COMO MÉTODO DE MEJORA DE MANTENIBILIDAD EN DUCTOS

AFECTADOS POR PERFORACIONES AFECTADOS POR PERFORACIONES CILÍNDRICAS ILÍCITAS”

Ponente: G d S t C t ñ dGerardo Santos Castañeda

gerardo.santos@ecopetrol.com.co

III Congreso de Ingeniería Mecánica ASME Perú 2009

Lima, 2009

EQUIPO DE TRABAJO

G d S t C t ñ d (ICP)Gerardo Santos Castañeda (ICP)

Arnulfo Gamarra Lizarazo (VIT)

Oscar Javier Culman Mora (ICP)

Guillermo Latorre Cortes (ICP)

Fabio Marcel Serrano Romero (VIT)

III Congreso de Ingeniería Mecánica ASME Perú 2009

CONTENIDO

1. Descripción de la problemática.

2. Objetivo.

3 Metodología desarrollada3. Metodología desarrollada.

4. Resultados y discusión.

5. Conclusiones.

6. Agradecimientos.

III Congreso de Ingeniería Mecánica ASME Perú 2009

1. Descripción de la problemática1. Descripción de la problemática

Instalación válvulas ilícitas desde hace mas de 20 años.

Alta frecuencia instalación de válvulas ilícitas (2004 2006: VIT realizó 5336Alta frecuencia instalación de válvulas ilícitas. (2004- 2006: VIT realizó 5336eventos de retiro de válvulas ilícitas según GCP).

Limitaciones y prohibiciones del código ASME B31.4 para usar parches comoLimitaciones y prohibiciones del código ASME B31.4 para usar parches como

método de reparación.Altos costos de reparación para cumplir con el código y recuperar la integridad.Las perforaciones varían entre 0.250” y 2” de diámetro.No existe un estudio documentado que demuestre que el método de reparación es seguro.

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1. Descripción de la problemática

Otro tipo de conexiones instaladas…..

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1. Descripción de la problemática

Alta frecuencia instalación de válvulas ilícitas (2004-2006)VÁLVULAS RETIRADAS VIT TOTAL LÍNEAS ATN VÁLVULAS RETIRADAS VIT TOTAL LÍNEAS ATN

2004

46339%

TOTAL LÍNEAS ATNTOTAL LÍNEAS ATATOTAL LÍNEAS ATO

2005

914%

32314%

TOTAL LÍNEAS ATA

TOTAL LÍNEAS ATO

(2004) (2005)

131

(2004)1184 Válvulas

(2005)2383 Válvulas

13111%

59050%

196982%

TOTAL DE VÁLVULAS Y PERFORACIONES ILÍCITASEN POLIDUCTOS VIT AÑO 2006.

ÁREA TÉCNICA ANDINA

493%

ÁREA TÉCNICA

OCCIDENTE1508%(2006)

1799 Vál l

ÁREA TÉCNICA NORTE

1600

1799 Válvulas

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160089%

ÁREA TÉCNICA NORTE ÁREA TÉCNICA ANDINA ÁREA TÉCNICA OCCIDENTE

Fuente: GCP

1. Descripción de la problemática

Limitaciones y prohibiciones del código ASME B31.4(Pipeline Transportation Systems for Liquid Hydrocarbons and Other Liquids)( p p y f q y q )

(Edición 2002)

“Patches shall be limited to pipe sizes NPS 12 and less and conforming to API 5L, Grade X42 and lower”

(Edición 2006)

“Patches and Half Soles. Neither patches nor half soles shall be installed on pipelines” (Page 65)

Z662-07, Page 966.3.4 Patching repair: Pipe shall not be repaired by patching.

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g p p p y p g

1. Descripción de la problemática

Altos costos de reparación al usar camisas o grapas para cumplir con el código ASME B31 4con el código ASME B31.4

$$$$

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1. Descripción de la problemática

Diferente tamaño de perforaciones encontradas (diámetro = 0.250” - 2”)

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1. Descripción de la problemática

Es confiable el uso de parches o cascotas sin cumplir para todos los casos el código ASME B 31 4 ?casos el código ASME B 31.4 ?

Nuestra meta es demostrar y sustentar que el uso de cascotas es un método de ió fi bl f t l bl áti d l ireparación confiable, para enfrentar la problemática de las reparaciones

posterior al retiro de las válvulas ilícitas.

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2. Objetivo

Comprobar que el uso de parches o cascotas es una metodología l i id d á i d l d f dsegura para recuperar la integridad mecánica de los ductos afectados

por perforaciones cilíndricas ilícitas.

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3. Metodología desarrollada

Para abordar esta problemática se plantearon las siguientes actividades:p p g

1) Recolección y análisis de documentación histórica para sustentar el desempeñoestructural que han presentado las cascotas en el tiempo.

2) I ió b d i d d d2) Inspección y pruebas no destructivas en campo a ductos reparados usandocascotas con tiempos de instalación mayores a 10 años.

3) Modelamiento por medio de Elementos Finitos (FEA) del comportamientoestructural del conjunto cascota-soldadura-ducto.

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3. Metodología desarrollada

Para abordar esta problemática se plantearon las siguientes actividades (Cont´):

4) Realización de pruebas destructivas de estallido en el laboratorio a niplesd b í i d d i i dpreparados con tubería retirada de servicio reparada con cascotas.

5) Análisis metalográfico e inspección del conjunto cascota soldadura ducto para5) Análisis metalográfico e inspección del conjunto cascota-soldadura-ducto paracada niple ensayado.

6) Análisis estructural de esfuerzos por medio de Elementos Finitos a niples deensayo.y

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4. Resultados y discusión

1) Recolección y análisis de documentación histórica para sustentar el desempeño estructuralque han presentado las cascotas en el tiempo.

Desde 1998, la VIT cuenta con el Sistema de Información de Operaciones, SINOPER

Analizando la información de este sistema, desde el año 1998,

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no se encontró registro de fallas de tuberías por cascotas instaladas.

4. Resultados y discusión

1) Recolección y análisis de documentación histórica para sustentar el desempeñoestructural que han presentado las cascotas en el tiempo. (Cont´)

Bases de datos y registros fotográficos con reparaciones de hace mas de 10 años; se encuentran disponibles para consulta en cada Área Técnica de la VIT.

Base de datosBase de datosreporte ilícitos ATO

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No se encontró evidencia de fallas de tuberías por cascotas instaladas.

4. Resultados y discusión

2) Inspección y pruebas no destructivas en campo a ductos reparados usando cascotas con

tiempos de instalación mayores a 10 años

Objeto: Determinar comportamiento estructural cascota-soldadura-ducto en servicio.

tiempos de instalación mayores a 10 años.

Los puntos inspeccionados fueron las siguientes:

1) Línea Sebastopol Medellín Km 127+3001) Línea Sebastopol – Medellín Km. 127+300OD = 10.750”; t = 0.250”; Grado 5LX-52; Presión = 1554 Psi.

2) Línea Sebastopol – Medellín Km. 137+8002) Línea Sebastopol Medellín Km. 137+800OD = 10.750”; t = 0.250”; Grado 5LX-52; Presión = 1446 Psi.

3) Línea 12” Galán - Sebastopol Km. 30. API 5LX-52OD = 12.750”; t = 0.375”; Grado 5LX-52; Presión = 1110 Psi.

4) Línea Cartagena – Baranoa Km. 71+200OD 12 750” G d 5LX 52 t 0 219” P ió 250 P i

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OD = 12.750”. Grado 5LX-52, t = 0.219”. Presión = 250 Psi.

4. Resultados y discusión

2) Inspección y pruebas no destructivas en campo a ductos reparados usando cascotas contiempos de instalación mayores a 10 años

Ensayos No Destructivos realizados:

tiempos de instalación mayores a 10 años.

Inspección visual.

Medición de espesores por ultrasonidoMedición de espesores por ultrasonido.

Medición de dureza.

Inspección por tintas penetrantes.

Inspección por partículas magnéticasInspección por partículas magnéticas.

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4. Resultados y discusión

2) Inspección y pruebas no destructivas en campo a ductos reparados usando cascotas contiempos de instalación mayores a 10 años.

No se evidenciaron cambios en la metalurgia, ni indicaciones de agrietamiento en las uniones soldadas, que comprometan la integridad de las zonas inspeccionadas

p y

uniones soldadas, que comprometan la integridad de las zonas inspeccionadas.

Las zonas inspeccionadas mostraron solamente evidencias de dañospor corrosión localizada propios de tuberías enterradas

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por corrosión localizada, propios de tuberías enterradas.

4. Resultados y discusión

3) Modelamiento por medio de Elementos Finitos (FEA) del comportamiento estructural del conjunto cascota-soldadura-ducto.j

Objeto: identificar la ubicación de los máximos esfuerzos presentes a las cargas de presión

Sistemas de transporte modelados:presión.

1. Sistema Galán-Salgar de 16”

2. Sistema Galán-Chimitá 12”, 6” y 4”2. Sistema Galán Chimitá 12 , 6 y 4

3. Sistema Galán-Salgar de 12”

4 Sistema Cartagena Baranoa 12”4. Sistema Cartagena-Baranoa 12

5. Sistema Pozos Colorados-Ayacucho.

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4. Resultados y discusión

3) Modelamiento por medio de Elementos Finitos (FEA)… Cont´

Condiciones usadas en el modelamiento para cada una de los sistemas de transporteconsiderados:

Diámetro perforaciones entre 0.250” y 2” con variaciones de 1/16”Máxima presión, Menor espesor de pared del tubo, Menor grado API 5LXMaterial cordón soldadura: E70xxDiámetro de cascota: 6”. Longitud del modelo = 1 m.Elementos finitos: Tetraedros.

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Análisis esfuerzos: Von Mises Stress (Esfuerzos teóricos a la falla vs SMYS).

4. Resultados y discusión

Análisis del conjunto tubería-cascota-soldadura: (Ej.: Sistema Galán Salgar 16”, 5LX-60)

3) Modelamiento por medio de Elementos Finitos (FEA)… Cont´

j ( j g , )

Smys del material = 60000 Psi.

Smax =59370 Psi

Para todos los sistemas de transporte analizados:

El esfuerzo máximo (Smax) se localiza en las vecindades de la perforación, al interior del ducto, en dirección axial y actúa como un concentrador de esfuerzos).

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¡¡¡¡¡ Tubo es el elemento crítico ¡¡¡¡¡¡¡¡¡.

4. Resultados y discusión

3) Modelamiento por medio de Elementos Finitos (FEA)… Cont´

Análisis de la cascota por separado: (Ej.: Sistema Galán Salgar 16”, 5LX-60)

Smax cascota = 23750 Psi vs Smax encontrado en la perforación =59370 Psi Smys del material = 60000 Psi.

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¡¡¡¡¡ Nuevamente el elemento crítico es la tubería ¡¡¡¡¡¡¡

4. Resultados y discusión

Análisis de la soldadura por separado: (Ej : Sistema Galán Salgar 16” 5LX 60)

3) Modelamiento por medio de Elementos Finitos (FEA)… Cont´

Análisis de la soldadura por separado: (Ej.: Sistema Galán Salgar 16 , 5LX-60)

Smax soldadura = 39000 psi vs 70000 Psi (E70xx)

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¡¡¡¡ Soldadura No es el elemento crítico ¡¡¡¡¡¡

4. Resultados y discusión

Variación del esfuerzo máximo para cada diámetro de orificio consideradoEj.: Sistema Galán Salgar 16”, 5LX-60

Sistema Galán-Salgar de 16”Presión máxima del sistema: 1760 psi,

Espesor del tubo: 0 344” Grado API: 5L X60Espesor del tubo: 0.344”, Grado API: 5L X60

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4. Resultados y discusión

Variación del esfuerzo máximo para cada diámetro de orificio consideradoEj.: Sistema Galán Lizama 12”, 5LX-60

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4. Resultados y discusión

4) Realización de pruebas destructivas de estallido en el laboratorio a niples preparados con

tubería retirada de servicio reparada con cascotas.p

Galán-Sebastopol 12” Km.30, con masde 40 cascotas P = 1110 Pside 40 cascotas. P = 1110 Psi

Se prepararon 4 niplespara ensayopara ensayo

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4. Resultados y discusión

4) Realización de pruebas destructivas……….Cont´

Para efectos comparativosPara efectos comparativos

Adicionalmente se prepararon otros 4 niples con tubería nueva Adicionalmente se prepararon otros 4 niples con tubería nueva instalándose cascotas

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4. Resultados y discusión

4) Realización de pruebas destructivas………Cont´

Matriz de experimentosPrueba # ID del Tubo Calidad API Numero de

cascotas Observaciones

Matriz de experimentos

1 TL-0 5LX 60 0 Tubo sin uso

2 TL-1 5LX 60 1 Tubo sin uso

3 TL-2 5LX 60 2 Tubo sin uso

4 TC-1 5LX 56 4 Tubo retirado de servicio

5 TC-2 5LX 56 14 Tubo retirado de servicio

6 TC-3 5LX 56 4 Tubo retirado de servicio

7 TC 4 5LX 56 8 T bo retirado de ser icio7 TC-4 5LX 56 8 Tubo retirado de servicio

8 TL-3 5LX 60 1Tubo sin uso para

pruebas cíclicas de ió

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presión

4. Resultados y discusión

4) Realización de pruebas destructivas………..Cont´

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4. Resultados y discusión

4) Realización de pruebas destructivas……….Cont´

Sin cascotas

Tubería nueva Con una cascota

Con dos cascotas

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4. Resultados y discusión

4) Realización de pruebas destructivas………..Cont´

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4. Resultados y discusión

4) Realización de pruebas destructivas………Cont´

Resumen resultados pruebas estallidoPrueba # ID del Tubo Calidad API Numero de

cascotas Observaciones Presión de falla (Psi)

1 TL-0 5LX 60 0 Tubo sin uso 4640

Resumen resultados pruebas estallido

1 TL-0 5LX 60 0 Tubo sin uso 4640

2 TL-1 5LX 60 1 Tubo sin uso 4400

3 TL-2 5LX 60 2 Tubo sin uso 4420

4 TC-1 5LX 56 4 Tubo retirado de servicio 4400

5 TC-2 5LX 56 14 Tubo retirado de servicio 4420servicio

6 TC-3 5LX 56 4 Tubo retirado de servicio 4200

7 TC 4 5LX 56 8 Tubo retirado de 42007 TC-4 5LX 56 8 servicio 4200

8 TL-3 5LX 60 1Tubo sin uso para

pruebas cíclicas de 5300

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presión

4. Resultados y discusión

5) Análisis metalográfico e inspección del conjunto cascota-soldadura-ducto para cada nipleensayado. (Desgarres en soldaduras).

TC-1 TC-2

 250

260

240

250

TC-3 TC-4

190

200

210

220

230

240

Mic

rodu

reza

- H

MV

180

190

200

210

220

230

Mic

rodu

reza

- H

MV

160

170

180

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

TC-1 38 TC-1 39 TC-1 40 TC-1 41 Valor Crítico

160

170

180

0 2 4 6 8 10 12 14 16

TC-3 08 TC-3 09 TC-3 11 Valor Critico

En ninguna de las 40 cascotas inspeccionadas posterior a la prueba de ruptura se

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En ninguna de las 40 cascotas inspeccionadas posterior a la prueba de ruptura, se detectó desgarre en el conjunto cascota-soldadura-tubería

4. Resultados y discusión

6) Análisis estructural de esfuerzos por medio de Elementos Finitos (ANSYS) a niples deensayoensayo.

• Presión modelamiento (1) = 1110 Psi• Presión de modelamiento (2) = Presión de estallido niples.

Los máximos esfuerzos encontrados, se localizan en el espacio entre los dos grupos de cascotas yLos máximos esfuerzos encontrados, se localizan en el espacio entre los dos grupos de cascotas yno directamente sobre las cascotas; este valor está por debajo del SMYS del material.

Según la ecuación de Barlow el esfuerzo calculado es cercano al encontrado en el modelo, lo quei di l d l l lid d

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indica que el modelo se acerca a la realidad.

5. Conclusiones5. Conclusiones

Se demostró que el uso de parches o cascotas para reparar ductos que han sido afectados porperforaciones cilíndricas, es un método seguro y no afecta la integridad mecánica, nip , g y g ,operacional de las tuberías.

Las siguientes conclusiones soportan la anterior afirmación:

No se encontraron evidencias de fallas en el transcurso de los veinte años deuso de este método de reparación.uso de este étodo de epa ac ó .

No se detectó agrietamiento o desgarres en la unión soldada de las cascotascon la tubería, en las inspecciones y evaluaciones no destructivas en campo, p y prealizadas, con tiempos de servicio mayores a 10.

La parte crítica en una reparación por medio de cascotas es la tubería y no elcordón de soldadura, ni la cascota.

En ninguno de los casos modelados, el Smáx supera el Súltimo de la tubería para

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todos los diámetros de perforación analizados.

5. Conclusiones

La falla de cada uno de los niples del Km. 30 de la línea Galán Sebastopol, sepresentó alrededor de la presión teórica de estallido y nunca a la presión máximade operación.

S d ó l f d l i d i ió l d ió lSe demostró que el efecto del tiempo de exposición a las cargas de presión y alambiente del suelo en una tubería reparada con cascotas, no afectan laspropiedades mecánicas del conjunto tubería-soldadura-cascota.

Los modelos permitieron identificar zonas de alta probabilidad de falla ubicadasen las vecindades de las cascotas, tanto para la presión de estallido como para lapresión de operación del Km 30presión de operación del Km 30.

No se observaron grietas ni desgarres en el cordón de soldadura debido a laaplicación de cargas cíclicas de fluctuación de presión en el niple ensayadoaplicación de cargas cíclicas de fluctuación de presión en el niple ensayado.

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6. Agradecimientos

Los autores expresan su agradecimiento a Ecopetrol S. A. por el permiso parap g p p p p

publicar este trabajo; a los Ingenieros del Laboratorio de Materiales del ICP, al

Señor Eduardo Gutiérrez del Departamento de Mantenimiento Norte y alSeñor Eduardo Gutiérrez del Departamento de Mantenimiento Norte y al

Ingeniero Ricardo Henríquez Luque de la Superintendencia de Proyectos, por el

apoyo y suministro oportuno de recursos para el desarrollo de la presenteapoyo y suministro oportuno de recursos para el desarrollo de la presente

investigación.

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