Las reglas de este capítulo del Código se aplican únicamente a las instalaciones de tuberí- as marítimas, según se definen más abajo.
Salvo que se indique expresamente lo contrario, las previsiones y requerimientos de los ocho primeros capítulos se aplican a las tuberías marinas. En caso de conflicto entre los requerimientos de dichos capítulos y los de este capítulo, prevalecerá este último.
Este capítulo se declara expresamente como NO TOTALMENTE INCLUSIVO, requi- riendo del juicio y criterio profesional para todas aquellas situaciones que son considera- das expresamente.
Alcance.
Este capítulo cubre los requerimientos para el diseño, materiales, fabricación, instalación y los aspectos relacionados con la seguridad de la operación y mantenimiento de tuberías
“offshore”. Para los propósitos de este capítulo, se incluyen las tuberías verticales (“ri- sers”), estaciones de bombeo “Offshore”, accesorios de tuberías, soportes, conectores y
todo otro componente expresamente referenciado por este capítulo del Código. Condiciones de diseño.
General.
• Condiciones de diseño “Offshore”.
Existe un número de condiciones denominadas “Condiciones de diseño” que gobier- nan el diseño de los sistemas de tuberías. Algunas de las condiciones que deben esta- blecerse para el correcto diseño son:
1. Presión 2. Temperatura 3. Olas 4. Corrientes 5. Lecho marino 6. Viento 7. Hielo 8. Actividad sísmica 9. Movimientos de la plataforma 10. Profundidad de agua 11. Asentamiento de soportes 12. Cargas accidentales 13. Actividad de buques
El diseño de los sistemas “offshore” resulta muchas veces condicionado más por las condiciones imperantes durante la instalación que por las operativas.
Consideración de las condiciones de instalación.
Todas las partes de los sistemas deberán diseñarse para la combinación más desfavorable de las cargas de instalación y las ambientales, actuando concurrentemente y a las que el sistema pueda estar sometido.
• Cargas durante la instalación.
Las cargas que deberían considerarse como cargas de instalación son: 1. Peso de componentes:
a. Tubería
b. Recubrimientos incluyendo el agua absorbida
c. Agregados permanentes o semi-permanentes a la tubería
d. Contenido de agua en caso que la tubería se inunde durante la instalación 2. Cargas de flotación
3. Presión externa
4. Cargas estáticas provocadas por el equipamiento utilizado • Cargas ambientales durante la instalación.
Deberían considerarse las siguientes acciones: 1. Olas
2. Corrientes 3. Viento 4. Mareas 5. Hielo
6. Cargas dinámicas impuestas por el equipamiento y el movimiento de buques 7. Acciones de tormentas para períodos de recurrencia de un año o tres veces el
tiempo estimado para la construcción, el mayor de ambos.
Los cambios potenciales en las condiciones de diseño durante la instalación deben te- nerse en cuenta mediante planes de contingencia y también en las etapas de diseño. • Suelos.
Las características de los suelos deben considerarse en los estudios de estabilidad du- rante el período de instalación y cuando se desarrollen los procedimientos de montaje para lo siguiente:
1. Instalación de tubos verticales en tubos de tracción (“Pull Tubes”). 2. Tendido de curvas horizontales en el ruteo de la tubería.
3. Arrastre de tuberías del fondo 4. Cavado y llenado de zanjas.
Consideraciones de cargas operativas de diseño. 1. Cargas para el diseño operativo.
Todas las partes de la instalación serán diseñadas para la combinación más crítica de cargas de operación y ambientales, actuando concurrentemente. La combinación más crítica dependerá del criterio operativo de la compañía operadora durante períodos de tormenta.
2. Cargas operativas.
Las siguientes cargas serán consideradas como operativas: 1. Peso de los siguientes elementos
a. Tubería
b. Recubrimientos incluyendo el del agua absorbida c. Aditamentos permanentes o semi-permanentes d. Peso de la sustancia transportada
2. Flotación
3. Presión interna y externa
4. Contracción y expansión térmica 5. Cargas residuales
6. Sobrecargas
7. Cargas de impacto tales como las causadas por buques pesqueros 3. Cargas ambientales durante la operación.
Se considerarán las siguientes cargas: 1. Olas
2. Corriente 3. Viento 4. Mareas
5. Cargas originadas en el hielo a. Peso
b. Impactos c. Barrido 6. Eventos sísmicos
7. Cargas del suelo inducidas dinámicamente a. Aludes
b. Licuación
Las cargas de naturaleza estocástica deben definirse para períodos de recurren- cia de no menos de 100 años.
Cuando se efectúen análisis de estabilidad y luces máximas para el tendido de tuberí- as en lechos marinos irregulares, se deben tener en cuenta las particularidades del sue- lo.
Cargas hidrostáticas de prueba.
Todas las partes de las tuberías “Offshore” estarán diseñadas para más crítica combina- ción de las cargas durante la prueba hidrostática y las cargas ambientales, actuando con- currentemente y a las que el sistema podrá estar sometido.
5. Cargas de prueba hidrostática.
Las cargas que puede anticiparse estarán presentes en la prueba hidráulica son: (a) Peso de los siguientes elementos
a. Tubería
b. Recubrimientos incluyendo el del agua absorbida c. Aditamentos permanentes o semi-permanentes d. Peso del agua empleada en la prueba
(b) Flotación
(c) Presión interna y externa
(d) Contracción y expansión térmica (e) Cargas residuales
(f) Sobrecargas
6. Cargas ambientales durante la prueba hidrostática. Deben considerarse las siguientes acciones:
1. Olas 2. Corrientes 3. Viento 4. Mareas
El período de recurrencia para las cargas caracterizadas estadísticamente será de un año.
7. Suelos.
Deben considerarse las particularidades del suelo y su influencia en los esfuerzos a los que estará sometida la tubería durante la prueba.
Consideraciones en la selección del tendido.
Para definir el tendido (ruteo) de la tubería se tendrán en cuenta las ubicaciones que con- duzcan a los menores esfuerzos de instalación, pruebas y operación, así como al equipa- miento que se anticipa estará disponible.
Se conducirán exploraciones para identificar: 1. Materiales del lecho marino
2. Constitución del sub-lecho marino para identificar riesgos potenciales para la ins- talación y operación
3. Cuencas
4. Areas para fijaciones y fundaciones 5. Rutas marítimas de buques
6. Otras tuberías Criterio de diseño.
Tensiones admisibles y otros límites.
El diseño y el análisis estructural para las condiciones de instalación se basarán en méto- dos de ingeniería aceptados, resistencia de materiales y condiciones de diseño aplicables.
Criterios de diseño durante la instalación y pruebas.
1. Tensiones admisibles.
El valor máximo de la tensión longitudinal debida a las cargas axiales y a los momen- tos flectores estará limitado de modo de prevenir el pandeo y que no afecte la capaci- dad operativa de la tubería.
Otras tensiones debidas a cargas de instalación – tales como luces – se limitarán con el mismo criterio. En lugar de un criterio de tensiones pueden emplearse criterios ba- sados en las deformaciones.
2. Diseño para prevenir el pandeo.
Se tendrá en cuenta la acción de la presión exterior, flexión, torsión y cargas axiales, impacto, tolerancias de fabricación (espesor de pared y ovalización) y otros factores aplicables.
El espesor de pared se seleccionará de modo de prevenir el colapso por pandeo local y global.
3. Diseño para prevenir fallas por fatiga.
La acción de las cargas variables será tenida en cuenta para prevenir daños y/o fallas por fatiga. Las olas y las vibraciones producidas por el desprendimiento de vórtices son cargas que típicamente deben ser tenidas en cuenta.
4. Diseño para prevenir la fractura.
La prevención de la fractura durante la instalación es tenida en cuenta al seleccionar el material (ductilidad a bajas temperaturas), los detalles de diseño (embridamientos), los procesos de fabricación (conformados y soldadura) y limitando el nivel de tensio- nes máximos a valores seguros para los estados de cargas aplicables.
Debe tenerse en cuenta para las tuberías apoyadas en el lecho del mar. Cuando las tuberías sean instaladas en zanjas, la estabilidad debe ser investigada durante el tiem- po previo a su instalación definitiva y llenado de la zanja.
6. Impacto.
Durante el período en que la tubería es susceptible de daños por impacto mientras se completa la instalación y pruebas, deben tenerse en cuenta las siguientes amenazas: a. Anclajes
b. Lanchones y redes de pesca c. Buques
d. Hielo e. Etc.
7. Tensiones residuales.
Los procesos de instalación se diseñaran de modo de inducir los menores niveles po- sibles de tensiones residuales, excepto que estos sean utilizados como un factor de di- seño.
Criterios de resistencia durante la operación.
1. Tensiones admisibles.
No excederán los valores que se indican a continuación: a. Tensiones circunferenciales.
(
)
1 2 h y h i e D S F S S P P t ≤ = − b. Tensiones longitudinales. 2 L y S ≤F SAlternativamente, las tensiones pueden combinarse de acuerdo con la teoría de fa- lla de Von Mises.
2 2 2 3 3 h L h L t y S −S S +S + S ≤F S d. Deformaciones.
Cuando las tuberías experimenten un desplazamiento no-cíclico y previsible de sus soportes, los límites para las tensiones longitudinales y combinadas pueden reemplazarse por una deformación límite, en la medida en que la fluencia no afec- te la capacidad operativa de la tubería.
El valor máximo de deformación permitido dependerá de la ductilidad del mate- rial, de la historia de deformaciones plásticas previas y de la capacidad de la tube- ría de experimentar deformaciones plásticas sin pandear localmente.
2. Diseño para prevenir el pandeo.
La tubería deberá diseñarse con un adecuado margen de seguridad ante este modo de falla, considerando los modos locales y globales.
3. Diseño para prevenir la falla por fatiga.
Deben considerarse los espectros de carga para todos los casos que puedan conducir a la falla por fatiga y verificar los componentes para que no se excedan los límites ad- misibles para la vida a fatiga requerida para el equipo.
4. Diseño para prevenir la fractura.
La prevención de la fractura durante la instalación es tenida en cuenta al seleccionar el material (ductilidad a bajas temperaturas), los detalles de diseño (embridamientos), los procesos de fabricación (conformados y soldadura) y limitando el nivel de tensio- nes máximos a valores seguros para los estados de cargas aplicables
5. Diseño para prevenir la inestabilidad en el lugar.
El diseño para prevenir la inestabilidad lateral y vertical del fondo esta gobernada por las propiedades arqueológicas del suelo marino, de ciertos eventos transitorios (hidrodinámicos, sísmicos, etc.) que tienen una probabilidad de ocurrencia significa- tiva durante la vida de la tubería.
La tubería será diseñada para prevenir movimientos horizontales y/o verticales o será diseñada de modo que esos movimientos queden limitados a valores que no den lugar a tensiones o deformaciones que excedan los valores admisibles.
Los factores típicos a considerar en el diseño para prevenir inestabilidades son: a. Fuerzas de olas y corrientes
b. Propiedades del suelo
c. Hundimientos con los consiguientes incrementos en la luces no soportadas d. Licuación del suelo
e. Derrumbes del lecho
La estabilidad puede mejorarse mediante los siguientes medios: • Ajuste del peso de la tubería sumergida
• Preparación de trincheras • Anclajes
Para el cálculo de las cargas hidrodinámicas, debe tenerse en cuenta que las fuerzas de las olas varían según la posición a lo largo de la tubería.
El empleo de bloques de cemento intermitentes no esta permitido para líneas
“offshore” cuando existan probabilidades que el suelo ceda y los bloques se
transformen en una carga sobre la tubería. 6. Diseño por expansión y flexibilidad.
Deben efectuarse cálculos detallados considerando la tubería (enterrada o no) como un sistema espacial para determinar los esfuerzos en cada sección crítica que lo re- quiera.
Esos esfuerzos (Momentos flectores, cargas axiales y momento torsor, deberán com- binarse de acuerdo con los requerimientos del Código, para verificar que no se exce- den los valores admisibles correspondientes.
Cuando las tuberías atraviesen zonas de falla o de actividad sísmica, debe considerar- se la necesidad de dotar a la tubería de la necesaria flexibilidad para soportar los des- plazamientos que se le impongan sin que se produzcan fallas catastróficas.
7. Diseño de soportes.
Los soportes deben diseñarse prestando atención al modo en que las cargas se trans- fieren a la tubería. Donde se prevé la existencia de tensiones locales elevadas puede ser necesario utilizar manguitos de circunferencia completa u otros medios apropia- dos para reducir las tensiones a valores aceptables.
Todas las soldaduras que se realicen a la tubería deben ser analizadas por métodos de END apropiados al tipo de cordón. Los soportes deben diseñarse de conformidad con los requerimientos de la Práctica Recomendada API RP 2A-WSD.
8. Diseño de tuberías flexibles.
Debido a la matriz de material compuesto, las tuberías flexibles tienen un comporta- miento mecánico sensiblemente diferente al de las tuberías metálicas.
Este tipo de tuberías puede utilizarse siempre que cálculos apropiados o los resultados de pruebas demuestren su aptitud para las condiciones de servicio en las que serán utilizados.
Se deberá prestar atención a la naturaleza permeable de estos tubos y a la posible rá- pida falla por descompresión del material de recubrimiento (API RP 17B).