Estimación de la confiabilidad estructural de ductos en condiciones de operación reales en base a la simulación de fluidos

Abstract

RESUMEN: En los últimos años el porcentaje de fallas en ductos de transporte debidas a la operación incorrecta ha repuntado considerablemente. Entre los factores que influyen en la operación adecuada de los ductos, está el factor humano, el cual se ve involucrado en la manipulación de los componentes estructurales de los mismos. En el presente trabajo se describe una nueva metodología para estimar la confiabilidad estructural de ductos de transporte tomando como base un sistema de cómputo para la simulación de fluidos en tuberías. Este sistema permite determinar la distribución estadística de las presiones de operación asociadas a los transitorios de presión que se originan por la operación incorrecta de los componentes estructurales en un sistema de tuberías. La confiabilidad estructural del ducto se estimó utilizando la aproximación de carga-resistencia, en la cual la carga está representada por la presión de operación extrema generada por los transitorios de presión mientras que la resistencia está dada por la presión de falla asociada a la en presencia o no de defectos de corrosión en el ducto. Para estimar la presión de falla se utilizó la ecuación de falla PCORRC, la cual considera que la sección de ducto afectada por corrosión fallará por colapso plástico Esta metodología permite considerar el impacto de la confiabilidad humana en la confiabilidad estructural de ductos de transporte. También permite modelar y simular de manera cuantitativa los escenarios de riesgo y las medidas de seguridad necesarias para reducir el creciente número de incidentes en ductos de transporte debido a errores de operación de los mismos. Para ilustrar la aplicación de la metodología propuesta, se estimó la confiabilidad para un oleoducto con un número reducido de accesorios. Los resultados de este ejemplo mostraron que la confiabilidad de este ducto resultó inferior a lo que se considera aceptable para ductos de transporte de hidrocarburos. La metodología muestra que para estimar la confiabilidad estructural de ductos de transporte de hidrocarburos debe considerarse tanto las condiciones cotidianas, como las condiciones anómalas de operación que se pueden derivar de la manipulación incorrecta de los accesorios de estos ductos. Hasta la fecha no se contaba con las herramientas de modelación y simulación necesarias para considerar dichas condiciones de operación anómalas al momento de estimar la confiabilidad estructural de ductos de transporte. ABSTRACT: During the last decade, the percentage of failures due to the incorrect operation of transportation pipelines has steadily increased worldwide. The main reason behind this increase, in statistical terms, can be related to the fact that the occurrence of corrosion- and mechanical damage-related pipeline failures has dramatically decreased as the result of the maintenance policies implemented in the oil and gas industry in the past 20-30 years. In spite of their increasingly significance in pipeline safety statistics, operation related failures are far from being correctly addressed by pipeline design, integrity, and risk management procedures and codes. There is a clear need for new reliability methodologies capable of addressing the threats posed to transportation pipelines by incorrect operation. In this work a new reliability methodology is presented and illustrated for the estimation of the probability of failure and failure index associated with incorrect operation of corroding transportation pipelines. In the proposed methodology a pipeline (fluid) flow simulation software (AFT Impulse 3.0) is used to determine the statistical distribution of operating overpressures due to hydraulic transient or waterhammer events that result from the inadequate operation of components in a pipeline such as valves and pumps. To obtain such a distribution, a large number of component-manipulation scenarios are simulated using the above referred software. For each one of these scenarios, the resulting stationary and transient pressure profile is simulated along the entire pipeline under analysis. A probability of occurrence is assigned to each simulated profile according to its likelihood over the expected life of the pipeline. At each pipeline section, the distribution of operating pressure that results when all the scenarios are accounted for is used as the distribution of the load, which is later input into a traditional load-resistance reliability methodology. The resistance of a pipeline section affected by corrosion is given by the pressure that it can sustain or failure pressure. This pressure is computed using the PCORRC failure equation, which is a plastic collapse failure model. The statistical distribution of the failure pressure is estimated from the uncertainty in the variables used to feed PCORRC. The distributions of the load (operating pressure) and resistance (failure pressure) are used to estimate, through Monte Carlo simulations, the probability of failure and failure index of the pipeline under analysis. The time evolution of the pipeline reliability is determined from the expected change in size of the corrosion defects as the pipeline service time increases. The application of the developed methodology is illustrated for an oil pipeline which, for the sake of simplicity, has a reduced number of components. The results of this illustration example corroborate that the methodology is suitable for considering the anomalous operating conditions that arise from the unexpected, incorrect manipulations of components of transporting pipelines. It is shown that these conditions could unexpectedly compromise the reliability of the pipeline to levels which are considered intolerable for transporting pipelines. This situation can only be evidenced by using the proposed methodology, which allows pipeline integrity analysts not only addressing these otherwise unpredictable reliability issues, but also taking into account other pipeline integrity and risk aspects which are extremely difficult to model, such as human reliability.