P.3.0710.01 Cruces Direccionales Para Ductos

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ESPECIFICACIÓN TÉCNICA PARA CONSTRUCCIÓN DE OBRAS

CRUCES DIRECCIONALES PARA DUCTOS DE

RECOLECCIÓN Y TRANSPORTE

PRIMERA EDICIÓN DICIEMBRE, 2007

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P R E F A C I O

PEMEX-Exploración y Producción (PEP) en cumplimiento de la Ley Federal sobre Metrología y Normalización y acorde con la facultad que le confiere la Ley de Obras Públicas y Servicios Relacionados con las Mismas, para que desarrolle sus normas y especificaciones técnicas, emite la presente especificación, la cual establece los requisitos técnicos que se deben cumplir en el diseño y construcción de cruces direccionales de ductos por medio de perforaciones direccionales.

En la elaboración de esta especificación participaron:

Subdirección Región Norte

Subdirección Región Sur

Subdirección Región Marina Noreste

Subdirección Región Marina Suroeste

Subdirección de Ingeniería y Desarrollo de Obras Estratégicas

Subdirección de la Coordinación de Servicios Marinos

Subdirección de Seguridad Industrial, Protección Ambiental y Calidad

Subdirección de Distribución y Comercialización

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Í N D I C E D E C O N T E N I D O Página 0. Introducción... 4 1. Objetivo ... 4 2. Alcance... 4 3. Campo de aplicación... 4 4. Actualización ... 5 5. Referencias ... 5 6. Definiciones... 5 7. Símbolos y Abreviaturas ... 7 8. Desarrollo ... 7 8.1 Generalidades... 7

8.2 Arreglo del área para el equipo... 9

8.3 Estudios previos... 9

8.4 Diseño ... 9

8.4.1 Cálculo de la longitud del cruzamiento ... 10

8.4.2 Trazo del perfil ... 10

8.4.3 Especificación de la tubería ... 11

8.4.4 Recubrimiento anticorrosivo ... 13

8.5 Construcción ... 14

8.5.1 Equipo de perforación ... 14

8.5.2 Cortes y terraplenes... 14

8.5.3 Suministro, construcción y jalado de tubería ... 14

8.5.4 Integración a línea regular ... 15

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Í N D I C E D E C O N T E N I D O Página

8.5.6 Supervisión ... 15

8.5.7 Retiro del equipo y limpieza de áreas de trabajo... 15

9. Concordancia con normas internacionales ... 15

10. Bibliografía ... 16

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0. Introducción

Como parte de las actividades que se llevan a cabo en PEP, se encuentran la recolección, distribución y el transporte por ducto de los hidrocarburos producidos. Los ductos, con frecuencia se cruzan con obstáculos naturales (rios, arroyos y lagunas), así como vías de comunicación, entre otros. Para el libramiento de estos obstáculos se cuenta con la técnica de perforación direccional, ofreciendo un mínimo impacto ambiental, instalación segura con tuberías enterradas profundas, las operaciones de construcción se confinan a cada lado del cruce y no sobre el obstáculo.

Con el objeto de aprovechar esta tecnología, PEP emite a través de la Coordinación de Normalización, la presente especificación a fin de que se utilice en la contratación de los servicios de perforación direccional dirigida para el cruzamiento de ductos de recolección y transporte de hidrocarburos.

Esta especificación se realizó en cumplimiento con:

Ley Federal sobre Metrología y Normalización y su Reglamento

Ley de Obras Públicas y Servicios Relacionados con las Mismas y su Reglamento

1. Objetivo

Establecer los requisitos técnicos y documentales para la contratación y ejecución de los trabajos de perforación direccional para el cruzamiento de ductos de recolección y transporte de hidrocarburos.

2. Alcance

Esta especificación cubre el diseño, construcción, perforación direccional y la instalación (en los cruces) de los ductos para recolección y transporte de hidrocarburos, en los cuales se requiera de cruzamientos subterráneos para librar obstáculos como: ríos, carreteras, vías de ferrocarril, llegadas a tierra de líneas marinas, corredores de tuberías, canales, entre otros. Incluye el suministro de materiales, construcción y pruebas.

Los cruces direccionales no deben realizarse en zonas donde se detecte que sobre el derecho de vía o superficie delimitada como derecho de vía, existan edificios destinados para usos de habitación, o como sitios de reunión, o con fines industriales, comerciales, educativos, recreativos, o en zonas donde se presente tránsito de maquinaria pesada, cultivos de raíz profunda o cualquier otra actividad humana, independientemente de la densidad de población existente.

3. Campo de aplicación

Esta especificación es de aplicación general y observancia obligatoria para la contratación y ejecución de la perforación direccional para el cruzamiento de ductos de recolección y transporte de hidrocarburos, que se lleven a cabo en los centros de trabajo de PEP.

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4. Actualización

A las personas e instituciones que hagan uso de este documento normativo técnico, se solicita comuniquen por escrito las observaciones que estimen pertinentes, dirigiendo su correspondencia a:

PEMEX-Exploración y Producción. Coordinación de Normalización.

Bahía de Ballenas 5, Edificio “D”, PB., entrada por Bahía del Espíritu Santo s/n Col. Verónica Anzures, México D. F., C. P. 11 300

Teléfono directo: 1944-9286

Conmutador: 1944-2500 extensión 80-80, Fax: 3-26-54 Correo electrónico: mpachecop@pep.pemex.com

5. Referencias

5.1 NRF-001-PEMEX-2007 - Tubería de acero para recolección y transporte de hidrocarburos. 5.2 NRF-020-PEMEX-2005 - Calificación y certificación de soldadores y soldadura.

5.3 NRF-026-PEMEX-2001 - Protección con recubrimientos anticorrosivos para tubería enterrada y/o sumergidas.

5.4 NRF-030-PEMEX-2006 - Diseño, Construcción, Inspección y Mantenimiento de Ductos Terrestres para Transporte y Recolección de Hidrocarburos.

5.5 NRF-033-PEMEX-2003 – Lastre de concreto para tuberías de conducción. 5.6 NRF-038-PEMEX-2005 - Caminos de acceso a instalaciones industriales.

5.7 NRF-047-PEMEX-2007 – Diseño, instalación y mantenimiento de los sistemas de protección catódica.

5.8 NMX-CC-9001-IMNC-2000 – Sistema de Gestión de la calidad – Requisitos. 5.9 NOM-008-SCFI-2002 – Sistema General de Unidades de Medida.

6. Definiciones 6.1 Barrena

Herramienta empleada para perforar suelos consta de elementos de corte y de toberas para la inyección del fluido de perforación.

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6.2 Cruce o cruzamiento

Obra especial en el ducto que atraviesa en su ruta con una serie de obstáculos artificiales y naturales como son: ríos, lagos, pantanos, montañas, carreteras, vías férreas, tuberías, canales entre otros.

6.3 Ducto de recolección y transporte

Es la tubería que conduce hidrocarburos en una fase o multifases, entre estaciones y/o plantas para su proceso, bombeo, compresión y almacenamiento.

6.4 Ensanchamiento de la perforación

Operación que consiste en ampliar las dimensiones del pozo piloto, utilizando una barrena de mayor diámetro.

6.5 Laminosidad

Es la propiedad de un lodo bentonítico a nivel molecular, de formar un mosaico que haga la función de enjarre en las paredes del pozo abierto, para mantener la estabilidad del túnel.

6.6 Lingada

Sección de tubería de longitud variable, formada por tramos soldados a tope de manera circunferencial a instalar en el cruce.

6.7 Lodo o Fluido de perforación

Líquido de propiedades fisicoquímicas controladas que, entre otras funciones, tiene la de acarrear los recortes de perforación, lubricar la barrena de perforación, limpiar y acondicionar el agujero perforado.

6.8 Obstáculo

Impedimento físico para la instalación convencional de los ductos que transportan hidrocarburos que pueden ser, ríos, arroyos, lagunas, vías de comunicación (carreteras, vías de ferrocarril), entre otros.

6.9 Perfil de diseño

Levantamiento topográfico que indica la trayectoria de la tubería en el cruzamiento.

6.10 Pozo piloto

Perforación inicial direccional que sirve de guía para ensanchar posteriormente el diámetro del agujero para instalar la tubería del ducto.

6.11 Rima

Se emplea en la perforación direccional para aislar las paredes del pozo, aumentar su diámetro a un tamaño requerido, ayuda a estabilizar la barrena en la perforación direccional.

6.12 Sarta de perforación

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6.13 Tubería de perforación

Tubería sin costura empleada para hacer girar la barrena e inyectar el fluido de perforación.

6.14 Unión giratoria (swivel)

Accesorio o dispositivo giratorio que se conecta a un tapón o cabeza de la lingada para el jalado de la tubería para evitar la transmisión del movimiento giratorio de la sarta de perforación hacia la lingada de tubería.

7. Símbolos y Abreviaturas

7.1 ASTM American Society for Testing and Materials (Sociedad Americana para Pruebas y Materiales)

7.2 NRF Norma de Referencia

7.3 PHD Perforación Horizontal Dirigida

7.4 DN: Diámetro Nominal

7.5 DCCA Directional Crossing Contractors Association (Asociación de Contratistas de Cruces Direccionales)

7.6 m Metros

7.7 Psi Libras por pulgada cuadrada

7.8 SMYS Esfuerzo de cedencia mínimo especificado

7.9 PEP PEMEX-Exploración y Producción

8. Desarrollo 8.1 Generalidades

La perforación direccional es una técnica aplicable en todo tipo de suelos, permite instalar ductos de diámetros de 1 200 mm (48 pulg) y menores, en longitudes que alcanzan hasta 1 800 m, las características de los equipos de perforación y jalado de tubería, tipos de barrenas, fluidos de perforación, entre otros estarán en función de las condiciones del suelo y diámetros de tubería.

8.1.1 Etapas

a) Pozo piloto. Se debe perforar un pozo piloto (guía), por medio de empuje mecánico con auxilio de chorro de Iodo liberado a presión, a través de los orificios de la barrena. Para su ejecución se debe emplear tubería de perforación, iniciando con un determinado ángulo de inclinación con respecto al plano horizontal, ver numeral 8.4.2.2, inciso “b” de esta especificación, hasta pasar por debajo del obstáculo por librar, siguiendo el perfil topográfico de diseño.

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Dadas las condiciones del proyecto durante la ejecución y perforación del pozo piloto, se puede instalar una tubería de diámetro mayor al de la tubería de perforación, la cuál actúa como camisa de ésta, proporcionándole rigidez y en caso de tener que sacar la sarta de perforación para cambio de barrena, reposición o reparación de alguna pieza de los instrumentos del control de la dirección, se emplea como ademe para conservar las paredes del pozo perforado.

La trayectoria de la barrena se debe controlar mediante un dispositivo electrónico (sensor), colocado próximo a la misma, con el que se detecta la relación del extremo de la sarta de perforación con respecto al campo magnético de la tierra para determinar el rumbo sobre el eje del trazo de proyecto, y su inclinación para determinar geométricamente la distancia horizontal y vertical (profundidad) respecto al punto de entrada, esta información es transmitida a la superficie (cuarto de control), donde se deben efectuar cálculos que determinan la posición de la punta de la barrena respecto al punto de entrada Cuando se disponga de acceso a personas sobre el trazo del cruzamiento, se puede determinar la posición del extremo de la sarta por localización superficial mediante la creación de un campo magnético inducido por un generador de corriente directa. (Ver esquema ilustrativo Figura 1, de anexos).

b) Ensanchamiento de la perforación. Al terminar de perforarse el pozo piloto, el agujero o túnel se debe ensanchar como mínimo 1.5 veces el diámetro de la tubería por instalar; pero no menor a 30 cm que el diámetro de éste, utilizando una herramienta conocida como “rima”. Durante la operación de ensanchamiento, es necesario bombear Iodo bentonítico de perforación dentro del pozo, con la viscosidad necesaria para extraer el material de los recortes de la formación atravesada y con la laminosidad suficiente para mantener la integridad del pozo (evitar el colapso) y para lubricar y enfriar la rima (Ver esquema ilustrativo Figura 2, en anexos).

c) Jalado de la tubería. Posterior al ensanchamiento y lavado del pozo, la lingada de tubería por instalar, previa su colocación sobre soportes giratorios, roles o rodillos para minimizar la fricción y aligerar la carga, se debe jalar para su instalación definitiva. La lingada se debe ensamblar en la margen del eje del trazo, opuesta a la del equipo de perforación, de acuerdo a los procedimientos aprobados para la construcción de la línea regular. Para la operación de jalado, se le debe colocar en el extremo próximo al punto de salida de la perforación un elemento de fabricación especial y propósito específico para ser jalado que se denomina tapón de jalado. Éste conecta a la tubería de perforación mediante un dispositivo giratorio (swivel) y un barril de limpieza o una rima. El barril de limpieza o la rima debe limpiar el agujero y ademar con lodo bentonítico fresco y la unión giratoria evita la transmisión del movimiento giratorio del barril o de la rima hacia la lingada, permitiendo realizar la operación de jalado sin problemas; a continuación se debe colocar la lingada por jalar, girar la sarta de perforación desde el equipo e inyectar simultáneamente Iodo bentonítico de perforación, hasta que aparezcan el barril o la rima y el extremo de la lingada junto al equipo de perforación. (Ver esquema ilustrativo Figura 3, en anexos).

Las fuerzas de flotación que actúan en las tuberías de diámetro de 24 pulgadas o mayores- se pueden minimizar a través de un control de flotación específico para las condiciones de proyecto. Las fuerzas de flotación se determinan por la densidad del fluido en el túnel los lodos bentoníticos de perforación mezclados con los recortes de la formación, generan una alta densidad. Para minimizar las fuerzas de jalado, se inyecta agua a la tubería que está siendo instalada. Esta agua se puede inyectar de una manera controlada, por medio de instalar uno o varios tubos de diámetro menor dentro del ducto a ser instalado, creando un lastre lineal que es controlada, evitando golpes de ariete y “marejadas” de agua dentro la lingada que está siendo instalada. De este modo, se calcula la flotabilidad y las cargas de jalado para, de una manera calculada específicamente se determine la fuerza mínima necesaria para el jalado.

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8.2 Arreglo del área para el equipo 8.2.1 Caminos de acceso

Para el paso de equipo pesado en ambos extremos del cruzamiento, el contratista deberá utilizar los caminos de acceso ya existentes, en caso de requerirse y previa justificación ante la supervisión de PEP, el contratista debe preparar caminos de acceso con la mínima distancia posible de una vía de comunicación. El trazo y construcción de tales caminos en función de la topografía, deben de cumplir con la NRF-038-PEMEX-2005, la legislación local vigente o lo especificado en las bases de licitación.

8.2.2 Áreas de trabajo

a) Área para la localización del equipo de perforación - Con base en las necesidades del proyecto y el equipo a utilizar, el contratista debe indicar en su propuesta, las áreas y distancias requeridas para la distribución del equipo de perforación, debe contar con la información necesaria de campo, a fin de que proponga la preparación de las áreas que para tal fin requiera. El punto de inicio del túnel, debe quedar como mínimo a 3 m de la línea interior del área propuesta y sobre el eje longitudinal de la superficie de trabajo. La construcción de tales áreas, es responsabilidad del contratista, así como la instalación y seguridad de sus equipos (Ver en anexos, Figura 4), las instalaciones indicadas en la figura son ilustrativas la cantidad y características están en función del proyecto.

b) Área para construcción y jalado de la lingada - La lingada se debe construir en un solo tramo si las condiciones y topografía del terreno lo permiten; por lo que el contratista debe considerar las áreas mínimas necesarias que se requieran para maniobras, equipos y almacén. La lingada de un solo tramo, permite que la operación de jalado se efectúe en forma continua, evitando los riesgos de interrumpirla para efectuar soldaduras de empate, inspección y parcheo de los segmentos de lingada que sean requeridos por limitaciones de espacio. (Ver Figura 5, en anexo), las instalaciones indicadas en la figura son ilustrativas la cantidad y características están en función del proyecto.

c) Las áreas para la localización del equipo de perforación y para la construcción y jalado de la lingada, preferentemente se deben instalar en sitios previamente afectados y su superficie estará en función del equipo requerido.

8.3 Estudios previos

PEP debe proporcionar los estudios geotécnicos del terreno para el cruzamiento, o el contratista, cuando así se indique en las bases de concurso. Dichos estudios deben cumplir como mínimo con lo indicado en el Anexo 2 de esta especificación. Asimismo PEP debe incluir en las bases de licitación la longitud y profundidad (prediseño) del cruce, la existencia o cruce de tuberías y otros elementos naturales que pudieran incrementar el riesgo en ejecución de los trabajos o del personal.

Para el caso de cruces de cuerpos de agua (ríos, lagunas, entre otros), queda a consideración del área usuaria de PEP y en función del proyecto, proporcionar o solicitar los estudios hidrológicos, hidráulicos y análisis de socavación para verificar la profundidad y longitud del cruzamiento.

8.4 Diseño

Antes de iniciar los trabajos del cruzamiento, el contratista debe realizar el diseño definitivo y entregar al área usuaria de PEP los planos y memorias de cálculo del proyecto aprobados para construcción.

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El ducto al cual se conecte el cruce direccional deberá contar con trampas de diablos para correr periódicamente instrumentos de limpieza tipo suave (ploy pig), en caso de no contar con este sistema, PEP podrá solicitar se incluya en el cruce, la instalación de trampas de diablos a ambos extremos del cruce para la remoción de depósitos y sedimentos de la superficie interna del ducto; considerando de acuerdo a la normatividad vigente, el área de maniobra, especificación de materiales y dimensiones de las trampas para el ingreso y retiro de los diablos de limpieza.

El diseño del cruce (lingada), se debe llevar a cabo tomando como base la NRF-030-PEMEX-2006 y complementado con las siguientes actividades y requisitos:

8.4.1 Cálculo de la longitud del cruzamiento

La longitud del cruzamiento se debe calcular conforme lo especificado en el Anexo 1 de este documento, partiendo de elementos conocidos o predeterminados como son diámetro nominal de la tubería, profundidad del túnel y longitud del obstáculo, hasta llegar a la definición de la longitud mínima del cruzamiento direccional. Asimismo, se deben considerar las elevaciones y depresiones del terreno natural en el trazo del cruzamiento, los equipos y herramientas utilizadas y las necesidades mismas del proyecto. El contratista debe entregar a PEP, la memoria de cálculo con la longitud del cruzamiento de acuerdo a los últimos ajustes realizados.

8.4.2 Trazo del perfil

8.4.2.1 Previo al inicio de los trabajos, y una vez que se han definido las áreas de trabajo, el contratista debe realizar un levantamiento topográfico, que incluya los planos de detalle correspondientes, como plantas y perfil del obstáculo, indicando las elevaciones de cada lado hasta al menos 100 m, de distancia del obstáculo. Para el caso del cruce de un río, deben tomarse las batimetrías para establecer las profundidades y perfil topográfico del obstáculo

8.4.2.2 Parámetros del perfil de diseño

a) Profundidad del Cruzamiento – Como parte de la definición del perfil del cruce y considerando la información de los estudios geotécnicos del área, de acuerdo al numeral 8.3 de esta especificación, se debe determinar la profundidad a la que debe pasar el cruce por debajo del obstáculo a librar.

En el caso de cruces de ríos, existen factores que deben tomarse en consideración, tales como: características del flujo, profundidad del cauce durante periodos de precipitación pluvial, ancho y profundidad del canal, ampliaciones futuras y la existencia de otras instalaciones, como tubos o cables de comunicación que crucen por el área. La profundidad a la que debe pasar un cruzamiento por abajo del fondo del cause de un río, debe ser mínimo de 6 m, del limite a lomo de tubo al nivel suelo, profundidad que puede variar para otro tipo de obstáculos.

b) Ángulo de entrada y salida y radio de curvatura - Para la mayoría de los cruces, el ángulo de entrada debe estar entre 8° y 20° con respecto al plano horizontal, siendo conveniente iniciar la perforación en tramos tangentes rectos antes de cambiar de dirección mediante curvas de radio largo. El radio de curvatura es determinado por las características flexionantes de la tubería a instalar y se calcula de acuerdo a lo siguiente: t 4 PD FS EC R − = ...(1)

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Donde:

R = radio m (pies)

D = diámetro exterior mm (pulgadas) E = módulo de elasticidad

C = D/2 mm (pies)

S = esfuerzo de fluencia MPa (Psi) P = presión de diseño MPa (Psi) t = espesor mm (pulgadas) F = factor de diseño

La curva se debe trazar de manera que el perfil llegue al nivel requerido para que la tubería quede a la profundidad de diseño bajo el obstáculo por librar; a partir de este punto, de requerirlo, se debe seguir un trazo horizontal antes de iniciar el cambio de dirección vertical ascendente hacia el punto de salida. El ángulo de salida se recomienda entre 5° y 12° a fin de facilitar el manejo de la Iingada durante la operación de jalado.

8.4.2.3 Ubicación continúa de la barrena durante la perforación – Se deben emplear instrumentos electrónicos para seguir el trazo y control de la perforación, los cuales deben detectar el azimut magnético para control derecha/izquierda y la inclinación (arriba/abajo) del avance de la perforación, se permite el uso de localizador de superficie en conjunto con los paquetes electrónicos empleados por el interior del pozo.

8.4.2.4 Grado de precisión - La precisión en el trazo de la perforación del túnel con relación al perfil de proyecto, es afectada por las variaciones del campo magnético de la tierra debido a la presencia cercana de estructuras de acero, como puentes, cables de transmisión de energía eléctrica, entre otros, por lo que se permiten ciertas tolerancias, las cuales se deben verificar conjuntamente, contratista y supervisor de PEP, para asegurar que no existan problemas de afectaciones a otras instalaciones y/o propiedades.

8.4.2.5 Planos como quedó construido (As-Built) - Como práctica común, se deben efectuar cálculos del seguimiento del trazo cada 9 m durante la perforación, información que sirve para elaborar y proporcionar a PEP, a la terminación del trabajo, el plano de “como quedo construido". Para la elaboración de este plano, pueden emplearse métodos alternos como el uso de giroscopios o radar de penetración en el terreno, con el propósito de asegurar que la tubería, esté dentro de los niveles de esfuerzo permitidos, de acuerdo al diseño.

8.4.3 Especificación de la tubería (lingada)

El espesor de pared de la tubería que se utilice para el cruce direccional, debe diseñarse considerando un espesor adicional por corrosión, esto debido a la imposibilidad de dar mantenimiento a dicho tramo de tubería. Dicho espesor se debe determinar a criterio del diseñador y en función de las características del fluido a transportar.

8.4.3.1 Análisis de esfuerzo - El diseño del cruce direccional debe incluir el cálculo de los esfuerzos a que se someterá la tubería durante la construcción y en operación, verificando que se encuentren dentro de los límites permisibles para el grado del material seleccionado. Los esfuerzos que se indican a continuación deben evaluarse en forma individual y combinada:

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jalado.

- Presión de prueba hidrostática. - Fuerza de jalado.

- Radio de curvatura cuando la tubería va siendo introducida en el terreno. - Curvatura del perfil de la perforación.

- Presión externa en el túnel. - Presión de operación.

8.4.3.2.1 Pre-instalación

a) Se deben calcular los esfuerzos circunferenciales y longitudinales debidos a la prueba hidrostática. b) Se debe calcular el esfuerzo máximo debido a la separación de los apoyos, en base al momento de

flexión al centro del claro o derivado del cortante en los apoyos y aplicar el que resulte mayor. En caso de que la tubería se encuentre sobre roles al realizar la prueba hidrostática, se debe considerar el peso del tubo lleno de agua para determinar el momento máximo.

8.4.3.2.2 Instalación

a) Los esfuerzos debidos a la separación entre apoyos, también se deben aplicar durante esta fase de la operación de su instalación (8.4.3.2.1 inciso b, de la presente especificación técnica).

b) La fuerza de tensión teórica de jalado debe ser determinada para calcular el esfuerzo longitudinal, para obtener resultados conservadores, se recomienda considerar un factor de 1,0 por fricción dentro del pozo y sobre los rodillos transportadores de 0,15 por ciento e incluir el efecto del paso del tubo en tramos curvos.

c) Considerando una tolerancia de 10 por ciento por el efecto de perforación, se obtiene que para el cálculo de los esfuerzos longitudinales por curvatura, se debe emplear el 90 por ciento del radio de curvatura de diseño.

d) Deben tomarse en consideración las presiones por el exterior del tubo en el pozo, debidos a la carga hidrostática por diferencia de nivel y/o presión por sobre carga. Se recomienda afectar con un factor de 1,5 el valor de carga hidrostática máxima que se determine en función de la densidad del fluido de perforación que se utilice, para tener valores conservadores de esfuerzos circunferenciales y longitudinales.

8.4.3.2.3 Post-instalación

a) En esta etapa del cálculo, se debe aplicar también el esfuerzo longitudinal por curvatura indicado en 8.4.3.2.2 inciso c, de la presente especificación técnica).

b) Aplica el esfuerzo debido a presión externa indicado en 8.4.3.2.2 inciso d, de la presente especificación técnica).

c) Se deben considerar los esfuerzos circunferencial y longitudinal resultantes de la prueba hidrostática final.

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8.4.3.2.4 Operación

a) Esfuerzos por curvatura ver (8.4.3.2.2 inciso c, de la presente especificación técnica).

b) Presión exterior ver (8.4.3.2.2 inciso d, de la presente especificación técnica).

c) Esfuerzos circunferenciales y longitudinales debidos a la máxima presión a la que vaya a operar el ducto

8.4.3.2.5 Esfuerzos Permisibles

Teniendo determinados los esfuerzos individuales y los combinados en cada fase de construcción y los que actúan durante las condiciones de operación se deben comparar con los límites permitidos.

De acuerdo a la tabla A-842.22 de ASME 8-31.8 o equivalente, se deben respetar los límites siguientes:

a) Esfuerzo longitudinal máximo permisible 80 por ciento SMYS

b) Esfuerzo circunferencial máximo permisible 72 por ciento SMYS

c) Esfuerzo combinado máximo permisible 90 por ciento SMYS

d) Esfuerzo de flexibilidad del tubo (MY x r)/ R, menor al 25 por ciento del SMYS

(MY) Módulo de Young –Para el acero al carbono es de 29 000 000 psi (r) radio del tubo a instalar

(R) Radio de curvatura del segmento curvo del cruzamiento direccional, en m (pies).

En los que SMYS es la resistencia mínima a la cedencia especificada del material

El resultado de los esfuerzos debe vaciarse con la tabla del anexo-3

8.4.4 Recubrimiento exterior e interior de tubería

8.4.4.1 Los recubrimientos externos se deben diseñar considerando la vida de la instalación y que tengan la función de protección anticorrosiva y mecánica de la tubería enterrada y/o sumergida, así como sus zonas de interfase tierra-aire y agua-aire para la aplicación en planta o campo, y para la abrasión en las maniobras de construcción. Los cruces direccionales generalmente encuentran materiales diversos que a menudo exponen al tubo a ambientes corrosivos, por lo que es necesario seleccionarlo adecuadamente considerando antecedentes de: funcionalidad, resistencia dieléctrica, temperatura de operación, tipo de suelo y agua, condiciones y funcionamiento del sistema de la protección catódica (ya sea que se trate de ducto nuevo y/o compartido con otros ductos), accesibilidad al sitio de aplicación, requisitos mínimos de aceptación, así como resistencia a la abrasión excesiva durante la operación de jalado de la lingada, la razón por la que cuando se tiene evidencia de este tipo de material, es conveniente recubrir la tubería con una capa de material que permita aislarla del ambiente corrosivo, con alta resistencia mecánica y a la abrasión por lo que se debe poner atención especial.

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Para mantener su vida útil durante el tiempo de operación y jalado, el recubrimiento debe adherirse al tubo y presentar y mantener el aislamiento del mismo con el medio ambiente, creando una barrera para prevenir la corrosión y tener la resistencia mecánica necesaria para soportar los esfuerzos del terreno y una superficie tersa para reducir la fricción y facilitar la operación de jalado de la lingada durante su construcción

Sobre la capa de material de protección anticorrosivo y mecánica aislante del medio y resistente a la abrasión, como una barrera extra resistente a la abrasión para cruces que contengan piedras, cantos rodados o roca sólida, la tubería debe ser recubierta con una capa de un concreto polimérico de base epóxica, aplicado en planta o en campo con un espesor mínimo de 1 016 µm (40 mils de pulg).

Normalmente no se requiere lastrado de concreto, el método PHD proporciona estabilidad, sin embargo, previa justificación y memoria de cálculo, se pueden aplicar recubrimientos de concreto comprimido para obtener la flotabilidad neutral de la tubería dentro de los lodos de perforación, que reduzca los esfuerzos de las cargas. Las propiedades, características y la aplicación del concreto comprimido, deben cumplir con los requisitos de la NRF-033-PEMEX-2003.

Para la selección, aplicación, inspección y rehabilitación, de los sistemas de recubrimientos exteriores en ductos enterrados y/o sumergidos, se deben aplicar los requisitos de la NRF-026, además de las recomendaciones y requisitos anteriores.

8.4.4.2 Recubrimiento interno.- Adicionalmente y con el fin de evitar daños por corrosión interior, como resultado de los hidrocarburos líquidos y gaseosos que se transportan, mezclados con agua, vapor, bióxido de carbono, H2S, oxígeno, entre otros, así como aquellos que se acumulan y sedimentan en la tubería del

cruce, debido a su desnivel topográfico, se requiere recubrir interiormente la misma.

El recubrimiento interno, se debe especificar considerando su resistencia dieléctrica, temperatura de operación y vida útil de la instalación; aplicado en planta o campo, resistente a la abrasión o fricción que se presente cuando se corran diablos de limpieza. Dicho recubrimiento debe cumplir con los requisitos del API RP 5L7 (o equivalente).

8.4.4.3 Protección catódica, señalización y delimitación del derecho de vía. El cruce direccional se debe proteger catódicamente y señalizarse de acuerdo a la NRF-047-PEMEX-2007.

8.5 Construcción 8.5.1 Equipo de Perforación

El contratista, de acuerdo a las necesidades y requisitos del proyecto del ducto, condiciones y características del suelo y tipo de obstáculo a librar, debe indicar en su propuesta técnica, el equipo de perforación, equipo auxiliar, instrumentación y sistema de control que utilizará en los trabajos para la realización del cruce direccional.

8.5.2 Cortes y terraplenes

El contratista para la construcción de las áreas de trabajo en función del diseño, que requieran de cortes y terraplenes debe de cumplir con la especificación P.3.120.01, a menos que PEP en las bases de licitación especifique otra cosa.

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Para el suministro de la tubería el contratista debe cumplir con los requisitos especificados en la NRF-001-PEMEX-2007.

Los requisitos técnicos aplicables para la calificación de los soldadores y procedimientos de soldadura, así como la construcción, inspección y pruebas de la lingada, el contratista debe cumplir con la NRF-030-PEMEX-2006. Previo a la introducción de la lingada en el túnel, debe hacerse una prueba hidrostática.

Una vez concluida la prueba hidrostática, se debe colocar la lingada de tubería sobre rodillos de poliuretano o material equivalente que garantice no dañar al recubrimiento, con equipo de apoyo se levanta la punta del tubo hasta formar un arco para introducir la tubería en la salida del túnel. Se conecta una herramienta de corte y un destoqueador en la punta de la tubería de perforación, el cual se engancha a la lingada de tubería por jalar y se procede a la maniobra de jalado de la tubería a través del túnel, hasta salir por el punto original de entrada del lado de la barrena de perforación.

8.5.4 Integración a línea regular

Previa a la integración a la línea regular, se debe realizar otra prueba hidrostática de acuerdo a la NRF-030-PEMEX-2006.

8.5.5 Lodo de Perforación

La disposición final del lodo de perforación, es responsabilidad del contratista y debe cumplir con las normas y leyes locales, estatales y federales, así como a lo estipulado en el anexo “S”, de las bases técnicas.

8.5.6 Supervisión

El contratista debe de contar con un sistema de calidad implantado, basado en la NMX-CC-9001-IMNC-2000, que permita asegurar el cumplimiento de los requerimientos de la normatividad especificada en este documento y de los parámetros de seguridad indicados en las bases de licitación, entre otras, para las siguientes actividades:

a) Diseño (NRF-030-PEMEX-2006), construcción de accesos (NRF-038-PEMEX-2005) b) Construcción (cortes y terraplenes) P.3.120.01

d) Prueba hidrostática (NRF-030- PEMEX -2006)

e) Recubrimiento en planta y campo (NRF-026- PEMEX -2003) f ) Soldadura

g) Reparación de soldadura h) Inspección radiográfica

i ) Control de soldadores y soldadura (NRF-020- PEMEX-2005) j ) Calibración de instrumentos de medición e inspección k) Certificados de calidad de los materiales.

8.5.7 Retiro del equipo y limpieza de áreas de trabajo

Esta actividad se debe realizar apegada a las normas y leyes locales, estatales y federales, así como dar cumplimiento a lo estipulado en el anexo “S”, de las bases técnicas de licitación.

9. Concordancia con normas internacionales

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10. Bibliografía

10.1 Guía Para Realizar Una Oferta Exitosa de Perforación Horizontal Dirigida (DCCA) (Traducción al Español de MEARS HDD, LCC)

10.2 Proyectos de Perforación Horizontal Dirigida con Equipos de Mediana Envergadura (DCCA) (Traducción al Español de MEARS HDD, LCC)

10.3 American Gas Association – Installation of Pipelines by Horizontal Directional Drilling, An Engineering Design Guide. John D. Hair & Associates, Inc., Louis J. Capozzoli & Associates, Inc., Stress Engineering Services, Inc. April 15, 1995 (Asociación Americana para el Gas – Instalación de líneas de tubería por perforación direccional horizontal, una guía de diseño de ingeniería).

10.4 American Society of Civil Engineers (ASCE) – Pipeline Design for Installation by Horizontal Directional Drilling – ASCE Manuals and Reports on Engineering Practice No. 108. Prepared by the HDD Design Guideline Task Committee of the Technical Committee on Trenchless Installation of Pipelines (TIPS) of the Pipeline Division of the American Society of Civil Engineers. May 2005 (Sociedad Americana de Ingenieros Civiles (ASCE) Diseño de tubería de línea para la instalación por perforación direccional horizontal – ASCE Manuales y Reportes en la práctica de ingeniería No. 108. Preparada por el HDD Guía de diseño del Comité de Tareas del Comité Técnico de Instalación de Tuberías sin trincheras (TIPS) de la División de tubería de línea de la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles. Mayo 2005).

10.5 Articulo Técnico Cruzamientos Direccionales ORIZZON, -Determinación de Longitud (Principios básicos).

10.6 ASME B31.4 - Pipeline Transportation System for Liquid Hydrocarbons and Other Liquids (Sistema de Tubería de transporte para hidrocarburos líquidos y otros líquidos).

10.7 P.3.120.01 – Especificación para construcción de terracerías. 10.8 P.4.0111.02 - Pruebas índice (mecánica de suelos)

10.9 ASTM D 2487 - Standard Practice for Classification of Soils for Engineering Purposes (Unified Soil Classification System) [Práctica estándar para la clasificación de suelos para propósitos de ingeniería (Sistema de Clasificación de Suelo Unificado)]

10.10 ASTM D 2488 –Standard Practice for Description and Identification of Soils (Visual-manual procedure) [Práctica estándar para la descripción e identificación de suelos (procedimiento visual-manual)]

10.11 ASTM D 1587 – Standard Practice for Thin/Walled Tube Sampling of Soils for Geotechnical Purposes (Práctica estándar para el muestreo por medio de tubos de pared delgada de suelos para propósitos geotécnicos).

10.12 API RP 5L7-1988 – Recommended Practices for Unprimed Internal Fusion Bonded Epoxy Coating of Line Pipe (Práctica Recomendada para la aplicación por fusión de una capa de recubrimiento epóxico interno en tuberías de de línea).

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1. Anexos

Figura 1 Pozo piloto

Figura 2 Ensanchamiento del diámetro del pozo Ensanchador Tubería de perforación Tubo conductor Barrena de perforación Instrumentos para control de localización Perfil de perforación Tubería de perforación Lingada Ensanchador Tubo conductor Swivel

(19)

Figura 3 Jalado de tubería

Figura 4 Área de trabajo para el equipo de perforación

1 4 3 5 6 7 2

1.- Pileta de sedimentación de lodo 2.- Pozo de salida de lodo 3.- Rodillo para tubería 4.- Tubería a instalar (lingada) 5.- Equipo de construcción 6.- Tubería de perforación 7.- Almacén

1.- Equipo de perforación

2.- Cabina de control. Unidad de potencia 3.- Tubería de perforación

4.- Tanque de mezclado de lodo 9.- Almacén 5.- Equipo de separación de sólidos 10.- Oficinas

6.- Bomba de lodo 11.- Oficinas

7.- Depósito de bentonita 12.- Pozo de entrada de contenedores de lodo 8.- Generadores eléctricos 13.- Pileta de sedimentación de lodo

5 4 1 3 9 2 13 11 12 8 7 6 10

(20)

Figura 5 Área de trabajo para la lingada Anexo 1

Para el cálculo de la longitud del cruzamiento se debe considerar la siguiente secuencia.

1) Primeramente el cruzamiento consta de dos partes principales y un ajuste horizontal entre éstas.

Figura 6 Partes del cruzamiento

2) Parte I. Para definir las longitudes de tubería, se requiere conocer las longitudes horizontales y profundidades de los puntos de inflexión, lo siguiente es visualizar la trigonometría del cruzamiento direccional, comenzando por los segmentos de la parte I, para ir resolviendo las longitudes horizontales y las profundidades de los puntos de inflexión, y definir las longitudes de tubería instalada en esta parte, Figura 7, ilustra la trigonometría de la Parte I.

PC1

(21)

Figura 7 Trigonometría Parte I

Se inicia el desglose enfocado al ángulo de entrada <e, en la proyección del segmento curvo del cruzamiento direccional. La Figura 8, muestra las relaciones de los ángulos, para llegar al ángulo <e del círculo.

Al conocer el ángulo <e y el radio de curvatura Re, como se aclara en la Figura 9, se concluye Xe1:

1) sen<e = Xe1 / Re

2) Xe1 = Re * sen<e

(22)

Figura 9 Xe1

Continuando con la Trigonometría, se sigue con la determinación de Ye1 (Figura 10):

Figura 10 Ye1

Se crea la variable “temporal” Yet para efectuar el desarrollo de la ecuación y así determinar Ye1:

3) Re = Yet + Ye1

4) Ye1 = Re - Yet

5) cos <e = Yet / Re

6) Yet = Re*cos<e

7) Ye1 = Re – (Re*cos<e)

8) Ye1 = Re* (1 – cos<e)

Prosiguiendo con el desarrollo trigonométrico del cruzamiento direccional, considerando que en este punto se conocen tanto Ye1 como la profundidad total –“Y profundidad”- que, como se recordará, se determinó desde el inicio como la profundidad más el distanciamiento al túnel, se procede a definir Ye2 en consecuencia. La Figura 11 muestra Ye2.

(23)

10) Ye2 = Y profundidad – Ye1

Figura 11 Ye2

Para determinar Xe2, que es la distancia que falta para determinar la longitud horizontal de la parte I, de igual modo que anteriormente, se determina como deducción de los parámetros ahora conocidos. Específicamente, la Figura 12, indica la ubicación de Xe2, y esclarece la figura trigonométrica a usar.

11) tan<e = Ye2 / Xe2

(24)

Figura 12 Xe2

La longitud horizontal total de la Parte I se muestra, finalmente, en la Figura 13

13) Xet = Xe1 + Xe2

Figura 13 Xet

De modo que en la Figura 14 ya es posible determinar la longitud horizontal de la Parte I del cruzamiento direccional.

Partiendo de punto Xe, se conoce además que el inicio de la curva “PC1” es en el punto (Xe2, Ye2); se sabe también que el inicio del ajuste horizontal “PT1” es en punto (Xet, Y profundidad).

(25)

Figura 14 Trigonometría PARTE I

Para determinar los metros instalados, se resuelve para Be1 y para Be2 de la siguiente manera:

14) Si 360° => Perímetro =

π

*(2*Re) Entonces <e° => Sección Curva: Be1

15) Be1 = <e*

π

*(2*Re) / 360 16) Be1 = <e*

π

*(*Re) / 180 17) cos<e = Xe2 / Be2

18) Be2 = Xe2 / cos<e

3) PARTE II del cruzamiento direccional es decir del lado de la salida (Lingada), el análisis es similar al de la entrada – como un espejo- y se muestra en la Figura 15

Figura 15 Trigonometría parte II

Considerando que el ángulo de salida sea de entre 5° y 12°, para minimizar los riesgos de seguridad industrial al direccionar la tubería a instalar en el túnel. Más aún, la tubería a instalar se debe de levantar para acoplarse al mismo ángulo con el que se efectuó el pozo piloto en el lado de la salida; específicamente, la tubería habrá de levantarse por medios mecánicos a la altura de acople, y seguir la curvatura en superficie a lo largo de la lingada, lo cual implica que, entre mayor es ángulo de salida, mayor es el riesgo en la maniobra del jalado para la instalación de la tubería:

(26)

El objeto de todo el proceso de esta metodología es instalar el tubo de producto, por lo cual lo ideal es minimizar distracciones durante este preciso evento del proceso.

El análisis trigonométrico y fórmulas para la PARTE II del cruzamiento direccional, son similares a las de la Parte I, por lo cual sólo se listan los resultados a continuación:

19) Xs1 = Rs * sen<s

20) Ys1 = Rs* (1 – cos<s)

21) Ys2 = Y profundidad – Ys1

22) Xs2 = Ys2 / tan<s

23) Xst = Xs1 + Xs2

24) Bs1 = Rs*<s*

π

/ 180 25) Bs2 = Xs2 / cos<s

Como una práctica común, es la de dejar como ajuste horizontal entre las partes I y II del cruzamiento direccional, al menos el equivalente de una barra y media de perforación. Esto es con el afán de evitar direccionar en curva por una longitud larga, y para proveer de una longitud adecuada para correcciones al momento de estar direccionando. Es prudente recordar que lo diseñado en el papel es afectado en la implementación en campo por elementos en la formación como rocas, cavernas, madera, entre otros, que desvían a la broca de perforación del trazo de diseño originalmente planeado.

Entre los factores externos que influyen directamente en la longitud del cruzamiento direccional, están las elevaciones y depresiones del terreno a lo largo del trazo por donde se efectuará el cruzamiento.

ENTRADA SALIDA

Xe= Estación de entrada Total instalado: Be2+Be1+Xh+Bs1+Bs2 Xs= Estación de salida

Ye= Elevación de entrada Ys= Elevación de salida

Xe1= (Re) (SEN <e) Xst= (RS) (SEN <s)

Ye1= (Re) (1-COS<e) Yst= (Rs) (1-COS<s)

Be1= (Re) (<e x Pi/180) Bs1= (RS) (<s x Pi/180)

Ye2= Y profundidad – Ye1 Ys2= Y profundidad – Ys1

Xe2= (Ye2 + Ye) / TAN <e Xs2= (Ys2 + Ys) / TAN <s

Be2= Xe2 / COS <e Bs2= Xs2 / COS <s

(27)

Figura 16 Trigonometría Cruzamientos Direccionales Anexo 2

Geotecnia

- Numero de Sondeos. La cantidad de sondeos exploratorios para estudio de mecánica de suelos está en función de la longitud del cruzamiento y de la complejidad de estrato en la zona de trabajo. Por mencionar para un cruce de 300 m de longitud puede ser suficiente con la perforación de un sondeo en cada extremo siempre y cuando el análisis de las muestras obtenidas indique que las características de los materiales encontrados en ambos sondeos son similares. Si los reportes indican anomalías, discontinuidad de los estratos, presencia de roca o grandes concentraciones de grava, se deben efectuar sondeos adicionales, para obtener una mejor definición de los estratos. En cruzamientos mas largos y en especial cuando se encuentre presencia de grava, piedra bola, peñascos o roca, deben tomarse muestras con una separación entre 180 y 240 m, salvo el caso en que se encuentren anomalías significantes que puedan a juicio del responsable del estudio requerir de más información.

Todos los sondeos deben localizarse sobre el perfil del cruce con su elevación de superficie debidamente determinada. De ser posible deben efectuarse con una separación no mayor de 8 m del eje longitudinal del cruce y taparse con mortero a la terminación del muestreo a fin de evitar la posible perdida de Iodo durante la perforación.

- Profundidad de los sondeos. Deben efectuarse hasta una profundidad de 12 m por debajo del nivel mas bajo del perfil del cruzamiento o 6 m bajo la profundidad propuesta del cruce, debiendo tomar la distancia que sea mayor. Se debe considerar hacerlos a la misma profundidad para poder hacer una mejor determinación de la consistencia de los estratos.

- Clasificación Normal de Suelos. La clasificación del material debe ser realizada por un técnico calificado, en base a ASTM D-2487 y D-2488 o equivalente. El contratista debe entregar una copia del registro de perforación de campo, en los que se incluya la clasificación visual del material, así como la interpretación del perforador de la observación a las condiciones de las caras de las muestras.

- Densidad.- Prueba de Penetración Standard (SPT), con el objeto de definir mejor la densidad del material granular, se emplea la Prueba de Penetración Standard (SPT) de acuerdo con la especificación ASTM-D-1586 o equivalente.

- Tubo muestreador Shelby de pared delgada.- La mayoría de las empresas geotécnicas prefieren el uso de este muestreador para la obtención de muestras de material cohesivo. Esta prueba se debe efectuar conforme a la especificación ASTM-D-1587 o equivalente.

Mediante este procedimiento, es posible la recuperación de muestras relativamente inalteradas de materiales cohesivos, para su análisis en laboratorio. Estas muestras pueden ser probadas en campo con penetrómetros manuales. La información más precisa de la densidad y consistencia del material se obtiene en laboratorio mediante pruebas de resistencia a la compresión de muestras no confinadas, en las que los resultados se registran en toneladas por m2.

Normalmente para trabajos de perforación direccional, es suficiente, en ambos tipos de material, con los resultados obtenidos de la prueba de penetración estándar a muestras recuperadas con muestreador de tubo partido.

Granulometría.- El análisis granulométrico se debe realizar en base a la especificación P.4.0111.02 Cap.11. Información de Roca.- Si se llega a encontrar roca en los sondeos de investigación de suelo, es importante clasificar su tipo, su dureza relativa y la resistencia a la compresión no confinada. Esta información es

(28)

obtenida mediante un muestreador de corazón perforando el suelo con barrena con dientes de diamante; la típica muestra de corazón obtenida por este proceso es de 2 pulgadas de diámetro. El tipo de roca debe ser clasificado por un especialista, quien determinara la (RQD) designación de calidad de roca en base a la relación entre la longitud de roca obtenida y la longitud total del muestreador. La dureza de la roca en la escala de Mohs se determina comparando la dureza de la muestra de roca con diez materiales de dureza conocida. La resistencia a la compresión se obtiene midiendo con precisión las dimensiones de la muestra de corazón y aplicándole posteriormente carga de compresión hasta que falle. La resistencia del material en kg/cm2 está definida por el cociente que resulta de dividir la carga aplicada entre la sección transversal de la muestra. La información de tipo, dureza y resistencia de la roca a perforar es esencial para determinar el equipo requerido y la velocidad de perforación que se puede esperar.

Anexo 3

Condición

Pre-instalación Superficial Subterráneo

Post-instalación Operación Suma de esfuerzos (PSI)

S1 S2 S1 S2 S1 S2 S1 S2 S1 S2 9 9 Pre-instalación Prueba de presión 9 9 9 9 9 9 Espaciamiento 9 9 9 9 9 9 9 9 Fuerza de jalado 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 Curvatura 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

Presión externa en el túnel

9 9 9 9 9 9 9 9 Post-instalación Prueba de presión 9 9 9 9 Presión de operación 9 9 Esfuerzos máximos 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 S.M.Y.S. (%) Circunferencial Longitudinal Combinado 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 Notas:

1). Todos los esfuerzos (PSI) 2). Esfuerzo positivo arco tensión

3). S1 (esfuerzo longitudinal), S 2 (esfuerzo circunferencial)

4). Calculo de esfuerzos combinados usar Ec. (s12 +s22)−(s1×s2)

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