Pandeo local en ductos compuestos sujetos a altas presiones y altas temperaturas

Abstract

RESUMEN: El estudio de nueva tecnología de ductos para la extracción, explotación y transporte de hidrocarburos es una necesidad que debe ser desarrollada e implementada en aguas profundas. Uno de los principales problemas que actualmente existen es que los ductos están expuestos a altas presiones y altas temperaturas, por lo que se producen taponamientos, debido a la formación de parafinas y una mayor probabilidad de pandeo local, lo cual puede llegar a inhabilitar los ductos. Una alternativa que se viene explorando es la de cambiar el ducto simple por ductos compuestos. El reto principal está en la validación de la confiabilidad de estos nuevos ductos. Por lo tanto, el objetivo de este trabajo es el de proponer y evaluar una serie de análisis analíticos y numéricos que permitan comprender a profundidad el comportamiento estructural de estos nuevos ductos compuestos con el propósito de garantizar su confiabilidad. Para este propósito se establece una metodología que consiste en analizar el comportamiento de ductos compuestos mediante el Método del Elemento Finito ante pandeo local, producto de la presión externa y el efecto térmico. Esta metodología es comparada y validada por un modelo matemático y pruebas experimentales de la literatura. Se analizaron 12 modelos de ductos compuestos con base en la teoría de la deformación plana teniendo en cuenta; imperfecciones geométricas (0.5; 1; 2; 3%), variaciones de sus dimensiones, diferentes materiales anulares (cemento y polipropileno), así como diferentes coeficientes de fricción. Se realizó un análisis de pandeo lineal con el fin de conocer la presión crítica y la forma del modo de pandeo, así como un análisis de pandeo no lineal. Finalmente, se realizó un análisis acoplado térmico estructural no lineal en donde se consideró el efecto térmico en las variaciones de las propiedades de los materiales con el propósito de evaluar el comportamiento real de las presiones de colapso. Entre los principales resultados se obtuvieron las presiones críticas tanto numéricas (139.31MPa) como matemáticamente (140MPa) de los ductos compuestos. La comparación de los resultados numéricos y experimentales de los ductos compuestos en condiciones de 2D y 3D no muestran diferencias significativas. A través del análisis numérico se obtuvo que existe una estrecha relación entre el aumento de la imperfección y la disminución de la presión de colapso. Las mayores presiones de colapso se encontraron en los modelos I, II y IV, del ducto compuesto con cemento para el 3% de imperfección, con valores de 92.9MPa, 68.6MPa y 52.8MPa respectivamente. Se obtuvieron resultados favorables en la presión de colapso con el aumento de la fricción, mostrando los ductos compuestos con cemento mayor capacidad para soportar el pandeo. El gradiente térmico provocó una disminución de la presión de colapso, haciéndose más notable en los ductos con polipropileno, el cual es menos resistente al efecto de la temperatura. Los modelos I, II y IV tanto para material anular de cemento como polipropileno, muestran presiones de colapso mayores 30 MPa para cada modelo de fricción e imperfección del 3%, superando las condiciones de operación existente en aguas ultraprofundas. Finalmente, los resultados obtenidos en este trabajo demuestran que es posible obtener un ducto que sea capaz de soportar las altas presiones existentes e inhibir II la formación de parafinas aun considerando las condiciones más desfavorables que pueden llegar a presentarse en aguas profundas del Golfo de México. ABSTRACT: The study of new pipeline technology for the extraction, exploitation and transport of hydrocarbons is a necessity that must be developed and implemented in deep waters. One of the main problems that currently exist is that the pipelines are exposed to high pressures and high temperatures, so clogging occurs, due to the formation of paraffins and a greater probability of local buckling, which can lead to disabling the pipelines. One alternative that has been explored is to change the simple pipeline to sandwich pipes. The main challenge is in the validation of the reliability of these new pipes. Therefore, the objective of this work is to propose and evaluate a series of analytical and numerical analyzes that allow an in-depth understanding of the structural behavior of these new sandwich pipes in order to guarantee their reliability. For this purpose, a methodology is established that consists in analyzing the behavior of sandwich pipes using the Finite Element Method against local buckling, due to external pressure and thermal effect. This methodology is compared and validated by a mathematical model and experimental test of the literature. Twelve models of sandwich pipes were analyzed based on the theory of flat deformation taking into account; geometric imperfections (0.5; 1; 2; 3%), variations in their dimensions, different annular materials (cement and polypropylene), as well as different coefficients of friction. A linear buckling analysis was performed in order to know the critical pressure and the shape of the buckling mode, as well as a non-linear buckling analysis. Finally, a nonlinear structural thermal coupled analysis was performed in which the thermal effect on the variations of the properties of the materials was considered in order to evaluate the actual behavior of the collapse pressures. Among the main results were obtained the critical pressures both numerical (139.31MPa) and mathematically (140MPa) of the sandwich pipes. The comparison of the numerical and experimental results of the sandwich pipes under 2D and 3D conditions do not show significant differences. Through the numerical analysis it was obtained that there is a close relationship between the increase in imperfection and the decrease in collapse pressure. The highest collapse pressures were found in models I, II and IV of the sandwich pipelines with cement for 3% imperfection, with values of 92.9MPa, 68.6MPa and 52.8MPa respectively. Favorable results in collapse pressure were obtained with increased friction, showing sandwich pipes with cement greater capacity to withstand buckling. The thermal gradient caused a decrease in collapse pressure, becoming more noticeable in polypropylene pipes, which is less resistant to the effect of temperature. Models I, II and IV for both cement and polypropylene annular material show collapse pressures greater than 30 MPa for each friction and imperfection model of 3%, exceeding the operating conditions existing in ultra-deep water. Finally, the results obtained in this work demonstrate that it is possible to obtain a pipeline that is capable of withstanding the existing high pressures and inhibit the formation of paraffins even considering the most unfavorable conditions that can occur in deep waters of the Gulf of Mexico.