ANLISIS DEL COMPORTAMIENTO TRMICO DURANTE LA SOLDADURA

DE ENVOLVENTE A DUCTO ASCENDENTE 122-B, EN CONDICIONES DE

SERVICIO

CD DEL CARMEN, CAMPECHE

JULIO DE 2014

DETALLE
S

NOMBRE

Autoriz

M.E David Alberto Herrera

Martnez

Recibi

Ing. Carlos M. Garca Montero

COMPAA

FIRMA

VERSUS RISK S.A. DE C.V.

GRUPO DIAVAZ, S.A. DE C.V.

www.versusrisk.com

Pgina 1 de 15

www.versusrisk.com

Contenido
1.

Objetivo......................................................................................................... 2

2.

Alcance......................................................................................................... 2

3.

Bases y criterios de diseo.................................................................................... 3

3.1

Consideraciones............................................................................................ 3

3.2

Limitaciones para realizar el proceso de soldadura......................................................3

Procedimiento del anlisis.................................................................................... 5

4.
4.1.

Verificacin del espesor mnimo requerido para condiciones de operacin............................5

4.2.

Verificacin del espesor mnimo medido no presenta riesgo a quemaduras y/o perforaciones......5

4.3.

Mxima presin permisible durante las operaciones de soldaduras de la envolvente................6

4.4.

Transferencia de calor...................................................................................... 7

5.

Revisin por presin y transmisin de calor al fluido.....................................................10

5.1.

Sello Superior............................................................................................. 10

6.
Clculo de las relaciones de enfriamiento y el desarrollo de las graficas de calor inducido y dureza
acorde al software PRCI HOT-TAP Ver. 4.2.1.......................................................................12
6.1.

Sello Superior............................................................................................. 12

Conclusiones................................................................................................. 14

. Documentos de referencia................................................................................. 15

Referencias Analticas....................................................................................... 15

Pgina 2 de 15

www.versusrisk.com

1. Objetivo
El objetivo de este documento es determinar si las condiciones de operacin actuales del Ducto Ascendente
122-B y el proceso de soldadura (WPS PCC.022.FO.01.R2/001), son las adecuadas para realizar la
instalacin ENVOLVENTE METLICA DE 34 DEL DUCTO ASCENDENTE 122-B, de manera que se
cumplan los requerimientos mnimos para una ejecucin segura del procedimiento de soldadura.
Se evaluara la integridad estructural por presin interna de la tubera a las condiciones actuales de
operacin y para los mnimos espesores medidos en el sello superior donde la se realizara la soldadura con
el ducto ascendente. As mismo, considerando los parmetros establecidos en el WPS, se calcular la
transferencia de calor del proceso de soldadura hacia el fluido transportado y su interaccin para establecer
acorde al calor inducido, las relaciones de enfriamiento y la mxima dureza en la zona afectada por el calor.

2. Alcance
Los clculos de este documento comprenden la evaluacin de las soldaduras de sello superior del
encamisado metlico con el ducto ascendente 122-B en la plataforma Nohoch-A (Perforacin), en la sonda
de Campeche:
DUCTO
ASCENDENT
E

122-B

SERVICIO

OLEOGASODUCTO

DIMETRO

24

TEMPERATUR
A

PRESIN

550 psi

176F
2

38.70 Kg/cm

80C

MATERIAL

API X52

REPORTE

PEP-SDC-GNE-NHA-P04-OLG-D0122
(21-02-2013)

Queda fuera del alcance el sello inferior ya que no existe transferencia de calor al ducto ascendente, a
consecuencia del encamisado de la zona de mareas y oleaje.

Pgina 3 de 15

www.versusrisk.com

3. Bases y criterios de diseo.

3.1 Consideraciones.

Se aplican en la evaluacin el cdigo ASME B31.8,

Las propiedades mecnicas de la tubera que se tomaran en cuenta sern las indicadas
en los PEP-SDC-GNE-NHA-P04-OLG-D0122 (21-02-2013),
Los espesores medidos se tomaron de los reportes de inspeccin correspondientes,
El factor por corrosin y/o erosin se consider una mxima de 0.200,
El esfuerzo permisible de la tubera estar de acuerdo a lo establecido por los cdigos
ASME B31.8, para las condiciones de temperatura de operacin normal y para la
temperatura mxima que se presente en el momento de la soldadura de la envolvente,
La presin mxima permisible durante el proceso de soldadura ser la mnima entre los
procedimientos recomendados, (2) y (3),
La temperatura mxima en la pared de la tubera ser la mxima entre la temperatura
media logartmica acorde a la prctica recomendada (3) y la obtenida del nomograma del
apndice 2 (2),
Las propiedades fisicoqumicas del fluido se obtuvieron de simuladores de procesos para
condiciones crticas para el proceso de soldadura,
Los parmetros de soldadura se obtendrn del promedio de los valores indicados en la
especificacin del procedimiento de soldadura (WPS), (6),
El rea de transferencia de calor por conduccin por la soldadura, ser el rea proyectada
sobre el plano perpendicular al flujo del fluido, ( AE = /4*(dimetro del electrodo +
1.5mm)), (5)(6),
El valor de la conductividad trmica para tuberas API 5L, para una temperatura de 750C
manteniendo una estructura ferritica (7), en el rango de 25 Btu/hr F Ft2/Ft.(5),
Para el clculo de las relaciones de enfriamiento acorde al calor inducido y la dureza
mxima en la zona afectada por el calor de 350 HV y el desarrollo de las grficas
correspondientes se realizaron con la ayuda del software PRCI Hot Tap ver. 4.2.1.

3.2 Limitaciones para realizar el proceso de soldadura.

La soldadura no debe llevarse a cabo, si en cualquier momento se llegasen a presentar cualquiera de las
condiciones siguientes:
1. Lneas operando a temperaturas inferiores a 50 F (10C) o superiores a 700 F (370 C),
2. Lneas operando con vaco o con presiones superiores a 1000 psig,
3. Lneas que tienen un espesor mnimo medido en campo de inferior a 3/16",
4. Materiales susceptibles a agrietamiento. (La soldadura deber ser limitada a aceros al bajo carbn
y acero inoxidable y aceros dplex austenitico),
Pgina 4 de 15

www.versusrisk.com

5. Cuando cualquier nivel de prueba o examen de la soldadura sea imposible realizar,

6. Si en las lneas de proceso y/o de servicios auxiliares se puedan presentar atmosferas explosivas,
7. Todas las lneas que contengan lquidos corrosivos y/o txicos,
8. Lneas de servicio que contengan hidrogeno o mezcla de este, y que la presin o presin parcial
exceda los 100 psig,
9. RANGO DE FLUJO.
La ausencia de fluido es una condicin potencialmente riesgosa, el fluido contenido en una lnea empacada
puede ser considerado como atenuador de calor la ausencia de fluido resulta en la reduccin de la
atenuacin de calor provocando la extensin de la profundidad de la penetracin de calor, pudindose
alcanzar la temperatura de descomposicin de ciertos fluidos voltiles.
En flujos muy altos con gases rara vez presentan un problema, pero altos flujos en lquidos pueden presentar
dos posibles problemas:
1. Que se dificulte obtener calor suficiente en la tubera para asegurar una fusin completa
de la soldadura
2. Flujos excesivamente altos tienden a resultar en un rpido enfriamiento, lo que significa
un incremento en una dureza excesiva de la soldadura en HAZ (Zona afectada por calor)
provocando problemas de fracturas.
En casos donde la presin de operacin exceda el 75% de la presin mxima de trabajo, varias condiciones
pueden manipularse para permitir el cumplimiento de los requerimientos establecidos para este
procedimiento, es decir:
a) Reduccin de presin de operacin,
b) Reduccin de la temperatura de operacin,
c) Reduccin de la penetracin en la HAZ (Zona afectada por calor).
El ultimo requerir de pruebas de laboratorio para determinar la reduccin de la penetracin de HAZ (Zona
afectada por calor).

Pgina 5 de 15

www.versusrisk.com

4. Procedimiento del anlisis

4.1. Verificacin del espesor mnimo requerido para condiciones de operacin.

Ref. (1)(3)
tm = t + c + b
Donde:
Tm = Espesor mnimo requerido, (pulg).
tmm = Espesor mnimo medido. (pulg).
t
= Espesor calculado por condiciones de operacin, (in). t= P*D / (2*(S* fPb + P*ft))
c = Tolerancia por erosin y/o corrosin, (0.200 pulg).
P = Presin de operacin, (Lb/ pulg 2).
D = Dimetro externo de la tubera, (pulg).
S = Esfuerzo permisible del material a las condiciones de operacin SMTS, (Lb/ pulg 2).
fPb = Factor de diseo por presin interna, adimensional (0.44).
ft = Coeficiente, adimensional (1.0).
B = Factor de seguridad por quemadura por arco elctrico, (3/32 pulg). ref. (1)
Se compara el resultado obtenido con los datos de medicin de espesores de la tubera en cuestin.
tmm tm

4.2. Verificacin del espesor mnimo medido no presenta riesgo a quemaduras y/o
perforaciones.
Ref. ( 1 )
Tmm > 3/16 (4.8 mm)
Donde:
Tmm = Espesor mnimo medido.

Pgina 6 de 15

www.versusrisk.com

4.3. Mxima presin permisible durante las operaciones de soldaduras de la envolvente

METODO 1.

Ref.(3)
Pmx = 2 t Sa ft / (Do - 2 fEv tp)

Donde:
Pmx = Presin mxima permisible durante operaciones de soldadura de envolvente, (Lb/ pulg 2).
tp
= Espesor disponible para contener presin, (pulg). tp = 0.4 tmm
tmm = Espesor mnimo medido, (pulg).
tc
= Espesor comercial, (pulg).
Do = Dimetro externo por ovalizacin, (pulg). Do= D- (1.2*tc)
LMT= Temperatura media logartmica. F. LMT= Ts - Tf / ln (Ts / Tf)
Ts
= Temperatura mxima en la ZAC, 1380F para E-XX10 y 1800F para E-XX18.
Tf
= Temperatura del fluido, F.
ft
= factor por Temperatura del fluido,
fEv = factor de evaluacin,
Sa = Esfuerzo permisible del material @ LMT ASME B31.8 Tabla 841.116A (Lb/ pulg 2).

METODO 2.

Ref.(2)
Pmx = 2 tr Sa E / D

Donde:
Pmx = Presin mxima permisible durante operaciones de soldadura de hot-tapping, (Lb/ pulg 2),
Sa = Esfuerzo permisible del material @ LMT ASME B31.8 Tabla 841.116A (Lb/ pulg 2).
De = Dimetro externo, (pulg).
tr
= Espesor reducido, (pulg). tr=tmm-u
u
= Reduccin del espesor por penetracin durante la soldadura, 1/8 de forma conservadora.
tmm = Espesor mnimo medido, (pulg).
fEv
= factor de evaluacin.
Se compara el resultado obtenido de los mtodos 1 y 2 y el valor mnimo entre estos ser la presin
mxima a la cual se podr realizar las operaciones de soldadura de la envolvente.
Pgina 7 de 15

www.versusrisk.com

4.4. Transferencia de calor

Transferencia de calor por conduccin transferido por la soldadura

Qc = Ki AE (Ts - Tp) / X
Donde:
Qc = Transferencia de calor a la pared interna de la generado por la soldadura, (Btu/hr).
Ki = Coeficiente de transferencia de calor por conduccin para acero al carbn, (Btu/hrFft2/ft).
AE = rea de transferencia de conduccin del electrodo, ft2.
X = Distancia a recorrer por la adicin de calor al sistema (espesor mnimo medido), ft.
Tp = Temperatura de la pared interna de la tubera, F.

COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIN A LA PELICULA DE FLUIDO.

hFDi / KF = 0.023 (RE0.8 Pr1/3)
Donde:
hF
Di
di
KF
W
Re
Pr
v

Cp

= Transferencia de calor del fluido, (Btu/hr).

= Dimetro interno de la tubera, (ft).
= Dimetro interno de la tubera, (in).
= Conductividad trmica del fluido, (Btu/hr F ft2/ft).
= Flujo msico, (Lb/hr.)
= Nmero de Reynolds, (adimensional), Re = 6.31 W / (di).
= Nmero de Prandtl, (adimensional), Pr = Cp / KF.
= Velocidad del fluido, (ft/se g).
= Densidad del fluido, (Lb/ft3)
= viscosidad del fluido, (cp)
= Calor especifico, (Btu/Lb F).

Con los datos definidos, se despeja hF para obtener el coeficiente de transferencia de calor de pelcula.

Pgina 8 de 15

www.versusrisk.com

TRANSFERENCIA DE CALOR ABSORBIDO POR EL FLUIDO.

Qf = hf AE (Tp Ts)
Donde:
Qf = Transferencia de calor del fluido, Btu/hr.
Hf = Coeficiente de transferencia de calor de pelcula del fluido, Btu/hr ft2F.
AE = rea de transferencia de calor por induccin del electrodo, Ft2.
Tp = Temperatura de la pared interna de la tubera. F.
Tf = Temperatura de operacin del fluido. F.
TEMPERATURA EN LA PARED INTERNA DE LA TUBERIA.
El calor generado por la soldadura es igual al calor transferido a la corriente del fluido, as como al absorbido
por el mismo fluido, es decir:
QF = QC = Q
Sustituyendo
hF AE (Tp - Tf) = Ki AE (Tp - Ts) / X
Considerando que el coeficiente de pelcula es constante y despejando Tp se obtiene directamente la
temperatura de pared a partir de la ecuacin:
Tp = (Ts Ki + Tf hf X) / (Ki + hf X)

Pgina 9 de 15

www.versusrisk.com

VARIACIN DE TEMPERATURA EN EL FLUIDO.

Se determina el calor transferido con cualquiera de las 2 ecuaciones QF o QC que es el calor absorbido por
la masa de fluido, y se determina T la temperatura mxima que alcanza el fluido en contacto con la pared.
Q = W Cp (T - Tf)
Donde:
Q = Calor transferido, Btu/hr.
W = Flujo msico, Lb/hr.
Cp = Calor especifico, Btu/Lb F
Tf = Temperatura de operacin del fluido, F
T = Temperatura del fluido que est en contacto con la pared, F.

VERIFICACIN DE TEMPERATURA MXIMA EN LA PARED INTERNA DE LA TUBERA.

Tp < 1800F (982C Temperatura de Batelle)
Donde:
Tp = Temperatura de pared interna de la tubera, F
API D12750 1991-DEC-01 Investigation and Prediction of Cooling Rates During Pipeline Maintenance
Welding

Pgina 10 de 15

www.versusrisk.com

5. Revisin por presin y transmisin de calor al fluido.

5.1. Sello Superior.

Pgina 11 de 15

www.versusrisk.com

t o

f u

i a

r z

r e

t r o

r m

i o

r e

t o

t e

i s

i b

t e

r i a

. 8

l a

. 1

i d

l u

l e

r n

i m

( 2

i d

t r a

r a

t e

l a

l d

r a

t m

r a

l e

t a

r i o

l o

r e

t o

l a

i r

r e

l a

l a

i o

t r e

l a

s i o

r a

t e

r e

t e

r e

l a

r e

f i c

i e

t r a

t e

t r a

f e

r e

i a

l o

l d

i o

s o

r a

i s

r o

r a

I D

l g

l g

t r

. 7

l g

. 4

. 2

l g

l b

l g

. 2

i m

l b

l g

. 8

l o

l o

t e

r i o

. 0

l g

. 8

I A

r b

l a

l b

. 1

l a

P
a

=
E

. 7

t u

/ ( h

f t

/ f t )

f e

r e

i a

l o

f t

f t

i s

t a

i a

r a

( e

t u

r a

i m

i m

t u

l i c

l )

r e

r r e

l d

r a

l o

t r a

f e

r i d

. 0

. 6

. 9

r a

t u

r a

i m

l a

r e

i n

t e

r i o

l a

t u

r a

. 1

l o

t r

f e

i d

l a

l d

<

I N

. 9

l c

l o

f i c

t e

. 2

i e

. 2

t r

r a

f i c

i e

l a

t u

. 0

r e

f e

i a

t e

l d

i m

t l ,

t r a

<

l c

i u

i m

i o

i o

i a

f e

I O

I D

t u

/ h

t u

/ h

L A

I C

I Z

i / K

I D

l a

r e

l c

l a

t u

/ h

r *

f t

r a

t u

r a

l a

i n

t e

r n

r a

. 2

. 1

. 9

l o

i d

f l u

i d

I C

I A

r a

. 1

r a

f e

r e

i a

l o

. 1

r a

f e

r e

i a

l o

f l u

t u

: D

I O

L A

L A

f l u

i d

L V

I C

I O

I M

t o

l a

i d

l d

l a

l a

l d

l d

r a

r a

t u

t u

/ h

r .

/ h

I D

L A

L U

I D

L D

I A

. 0

L L O

L E

Pgina 12 de 15

www.versusrisk.com

6. Clculo de las relaciones de enfriamiento y el desarrollo de las graficas de

calor inducido y dureza acorde al software PRCI HOT-TAP Ver. 4.2.1.

Pgina 13 de 15

www.versusrisk.com

6.1.

Pgina 14 de 15

www.versusrisk.com

Pgina 15 de 15

www.versusrisk.com

Sello Superior

Pgina 16 de 15

www.versusrisk.com

Pgina 17 de 15

www.versusrisk.com

7 Conclusiones.
Despus de haber realizado el anlisis de resistencia por presin, el de transferencia de calor y la
evaluacin de parmetros de soldadura establecidos en el WPS No. PCC.022.FO.01.R2/001. Se establece
lo siguiente: CONDICIONES OPTIMAS DE
SOLDABILIDAD
Pgina 18 de 15

www.versusrisk.com

Los espesores de la zona donde se realizara la soldadura, entre la envolvente y el DA-122B,

cumplen con lo mnimo requerido. Por lo que no es necesario modificar los parmetros de
operacin de la lnea,
La transferencia de calor al fluido transportado es despreciable,
Se debern emplear electrodos E-XX10 de 1/8, para el cordn de fondeo,
Se debe realizar un precalentamiento MNIMO de 100C, acorde al WPS,
Los rangos de los parmetros de soldadura debern ser amperaje de entre 115-120 amp., con un
de voltaje de 45 volts y una velocidad de 4-5 pulg/min.
Se deber controlar el enfriamiento de la soldadura para poder mantener durezas aproximadas a
350 Hv en la HAZ.
Concluyendo en que los parmetros indicados anteriormente se encuentran cubiertos por el
procedimiento de soldadura WPS No. PCC.022.FO.01.R2/001, para las condiciones de soldabilidad
establecidos en esta memoria.
Los resultados y conclusiones obtenidos en esta memoria solo son vlidos si todos
los parmetros evaluados se mantienen durante las operaciones de soldadura de la
envolvente.

Pgina 19 de 15

www.versusrisk.com

8 . Documentos de referencia.
a) Plano de envolvente metlica de Ducto Ascendente 122-B, STIN-MS-4.E/14,
b) Medicin de espesores por mapeo,
c) Especificacin
del
procedimiento
de
soldadura
WPS
No.
PCC.022.FO.01.R2/001,
d) PAID PEP-SDC-GNE-NHA-P04-OLG-D0122 (21-02-2013).

9 Referencias Analticas.
1. API-2201. ULTIMA EDICIN
"Produceres for welding or Hot Tapping on
equipament containing flammables",
2. DEP 31.38.60.10-Gen. HOT-TAPPING
ON
PIPELINES,
PIPING
AND
EQUIPMENT,
3. Piping and Pipelines Assessment Guide Chapter 7: Hot Tapping (Pressure Tapping)
and Freezing,
4. PIPELINE REPAIR MANUAL, APPENDIX-A WELDING ONTO AN IN-SERVICE
PIPELINE PRCI,
5. Numerical Simulation of Sleeve Repair Welding of In-service Gas Pipeline,
6. Numerical Simulation of Sleeve Repair Welding of In-service Crude Oil Pipelines,
7. Energia Calorifica Necesaria, Durante la Soldadura en Servicio de Tuberias para el
transporte de Petroleo,
8. MINIMUM THICKNESS FOR REPAIR GIRTH WELDS IN CORRODED PIPE
9. SEAM ANNEALING OF HF WELDED API PIPE.

Pgina 20 de 15

www.versusrisk.com