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“ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DURANTE LA SOLDADURA DE ENVOLVENTE A DUCTO ASCENDENTE 122-B, EN CONDICIONES DE

SERVICIO”

CD DEL CARMEN, CAMPECHE

JULIO DE 2014

DETALLES NOMBRE COMPAÑÍA FIRMA

Autorizó M.E David Alberto Herrera Martínez VERSUS RISK S.A. DE C.V.

Recibió Ing. Carlos M. García Montero GRUPO DIAVAZ, S.A. DE C.V.

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Contenido

1. Objetivo...................................................................................................................................2

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

3. Bases y criterios de diseño.........................................................................................................3

3.1 Consideraciones....................................................................................................................3

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

4. Procedimiento del análisis..........................................................................................................5

4.1. Verificación del espesor mínimo requerido para condiciones de operación...................................5

4.2. Verificación del espesor mínimo medido no presenta riesgo a quemaduras y/o perforaciones........5

4.3. Máxima presión permisible durante las operaciones de soldaduras de la envolvente....................6

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

5. Revisión por presión y transmisión de calor al fluido....................................................................10

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

6. Cálculo 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

7 Conclusiones..........................................................................................................................14

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

9 Referencias Analíticas.............................................................................................................15

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1. Objetivo

El objetivo de este documento es determinar si las condiciones de operación actuales del Ducto Ascendente 122-B y el proceso de soldadura (WPS PCC.022.FO.01.R2/001), son las adecuadas para realizar la instalación ENVOLVENTE METÁLICA DE 34”Ø DEL DUCTO ASCENDENTE 122-B, de manera que se cumplan los requerimientos mínimos para una ejecución segura del procedimiento de soldadura.

Se evaluara la integridad estructural por presión interna de la tubería a las condiciones actuales de operación y para los mínimos espesores medidos en el sello superior donde la se realizara la soldadura con el ducto ascendente. Así mismo, considerando los parámetros establecidos en el WPS, se calculará la transferencia de calor del proceso de soldadura hacia el fluido transportado y su interacción para establecer acorde al calor inducido, las relaciones de enfriamiento y la máxima dureza en la zona afectada por el calor.

2. Alcance

Los cálculos de este documento comprenden la evaluación de las soldaduras de sello superior del encamisado metálico con el ducto ascendente 122-B en la plataforma Nohoch-A (Perforación), en la sonda de Campeche:

DUCTO

ASCENDENTESERVICIO DIÁMETRO PRESIÓN TEMPERATURA MATERIAL REPORTE

122-B OLEOGASODUCTO 24”550 psi

38.70 Kg/cm2

176°F

80°CAPI X52

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.

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3. Bases y criterios de diseño.

3.1 Consideraciones.

Se aplican en la evaluación el código ASME B31.8, Las propiedades mecánicas de la tubería que se tomaran en cuenta serán las indicadas en los

PEP-SDC-GNE-NHA-P04-OLG-D0122 (21-02-2013), Los espesores medidos se tomaron de los reportes de inspección correspondientes, El factor por corrosión y/o erosión se consideró una máxima de 0.200”, El esfuerzo permisible de la tubería estará de acuerdo a lo establecido por los códigos ASME

B31.8, para las condiciones de temperatura de operación normal y para la temperatura máxima que se presente en el momento de la soldadura de la envolvente,

La presión máxima permisible durante el proceso de soldadura será la mínima entre los procedimientos recomendados, (2) y (3),

La temperatura máxima en la pared de la tubería será la máxima entre la temperatura media logarítmica acorde a la práctica recomendada (3) y la obtenida del nomograma del apéndice 2 (2),

Las propiedades fisicoquímicas del fluido se obtuvieron de simuladores de procesos para condiciones críticas para el proceso de soldadura,

Los parámetros de soldadura se obtendrán del promedio de los valores indicados en la especificación del procedimiento de soldadura (WPS), (6),

El Área de transferencia de calor por conducción por la soldadura, será el área proyectada sobre el plano perpendicular al flujo del fluido, ( AE = π/4*(diámetro del electrodo + 1.5mm)), (5)(6),

El valor de la conductividad térmica para tuberías API 5L, para una temperatura de 750°C manteniendo una estructura ferritica (7), en el rango de 25 Btu/hr °F Ft2/Ft.(5),

Para el cálculo de las relaciones de enfriamiento acorde al calor inducido y la dureza máxima en la zona afectada por el calor de 350 HV y el desarrollo de las gráficas 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. Líneas operando a temperaturas inferiores a 50 °F (10°C) o superiores a 700 °F (370 °C),

2. Líneas operando con vacío o con presiones superiores a 1000 psig,

3. Líneas que tienen un espesor mínimo medido en campo de inferior a 3/16",

4. Materiales susceptibles a agrietamiento. (La soldadura deberá ser limitada a aceros al bajo carbón y acero inoxidable y aceros dúplex austenitico),

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

6. Si en las líneas de proceso y/o de servicios auxiliares se puedan presentar atmosferas explosivas,

7. Todas las líneas que contengan líquidos corrosivos y/o tóxicos,

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8. Líneas de servicio que contengan hidrogeno o mezcla de este, y que la presión o presión parcial exceda los 100 psig,

9. RANGO DE FLUJO.

La ausencia de fluido es una condición potencialmente riesgosa, el fluido contenido en una línea empacada puede ser considerado como atenuador de calor la ausencia de fluido resulta en la reducción de la atenuación de calor provocando la extensión de la profundidad de la penetración de calor, pudiéndose alcanzar la temperatura de descomposición de ciertos fluidos volátiles.

En flujos muy altos con gases rara vez presentan un problema, pero altos flujos en líquidos pueden presentar dos posibles problemas:

1. Que se dificulte obtener calor suficiente en la tubería para asegurar una fusión completa de la soldadura

2. Flujos excesivamente altos tienden a resultar en un rápido 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 presión de operación exceda el 75% de la presión máxima de trabajo, varias condiciones pueden manipularse para permitir el cumplimiento de los requerimientos establecidos para este procedimiento, es decir:

a) Reducción de presión de operación,b) Reducción de la temperatura de operación,c) Reducción de la penetración en la HAZ (Zona afectada por calor).

El ultimo requerirá de pruebas de laboratorio para determinar la reducción de la penetración de HAZ (Zona afectada por calor).

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4. Procedimiento del análisis

4.1. Verificación del espesor mínimo requerido para condiciones de operación.

Ref. (1)(3)

tm = t + c + b

Donde:

Tm = Espesor mínimo requerido, (pulg). tmm = Espesor mínimo medido. (pulg).t = Espesor calculado por condiciones de operación, (in). t= P*D / (2*(S* fPb + P*ft))c = Tolerancia por erosión y/o corrosión, (0.200 pulg).P = Presión de operación, (Lb/ pulg 2).D = Diámetro externo de la tubería, (pulg).S = Esfuerzo permisible del material a las condiciones de operación SMTS, (Lb/ pulg 2).fPb = Factor de diseño por presión interna, adimensional (0.44).ft = Coeficiente, adimensional (1.0).B = Factor de seguridad por quemadura por arco eléctrico, (3/32 pulg). ref. (1)

Se compara el resultado obtenido con los datos de medición de espesores de la tubería en cuestión.

tmm ≥ tm

4.2. Verificación del espesor mínimo medido no presenta riesgo a quemaduras y/o perforaciones.

Ref. ( 1 )

Tmm > 3/16” (4.8 mm)Donde:

Tmm = Espesor mínimo medido.

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4.3. Máxima presión permisible durante las operaciones de soldaduras de la envolvente

METODO 1. Ref.(3)

Pmáx = 2 t Sa ft / (Do - 2 fEv tp)

Donde:

Pmáx = Presión máxima permisible durante operaciones de soldadura de envolvente, (Lb/ pulg 2).tp = Espesor disponible para contener presión, (pulg). tp = 0.4 tmm tmm = Espesor mínimo medido, (pulg).tc = Espesor comercial, (pulg).Do = Diámetro externo por ovalización, (pulg). Do= D- (1.2*tc)LMT= Temperatura media logarítmica. °F. LMT= Ts - Tf / ln (Ts / Tf) Ts = Temperatura máxima en la ZAC, 1380°F para E-XX10 y 1800°F para E-XX18.Tf = Temperatura del fluido, °F.ft = factor por Temperatura del fluido,fEv = factor de evaluación,Sa = Esfuerzo permisible del material @ LMT ASME B31.8 Tabla 841.116A (Lb/ pulg 2).

METODO 2. Ref.(2)

Pmáx = 2 tr Sa E / D

Donde:

Pmáx = Presión máxima 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 = Diámetro externo, (pulg).tr = Espesor reducido, (pulg). tr=tmm-uu = Reducción del espesor por penetración durante la soldadura, 1/8” de forma conservadora.tmm = Espesor mínimo medido, (pulg).fEv = factor de evaluación.

Se compara el resultado obtenido de los métodos 1 y 2 y el valor mínimo entre estos será la presión máxima a la cual se podrá realizar las operaciones de soldadura de la envolvente.

4.4. Transferencia de calor

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Transferencia de calor por conducción transferido por la soldadura

Qc = Ki AE (Ts - Tp) / ∆XDonde:

Qc = Transferencia de calor a la pared interna de la generado por la soldadura, (Btu/hr). Ki = Coeficiente de transferencia de calor por conducción para acero al carbón, (Btu/hr°Fft2/ft). AE = Área de transferencia de conducción del electrodo, ft2. ∆X = Distancia a recorrer por la adición de calor al sistema (espesor mínimo medido), ft. Tp = Temperatura de la pared interna de la tubería, °F.

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

hFDi / KF = 0.023 (RE0.8 Pr1/3)Donde:

hF = Transferencia de calor del fluido, (Btu/hr). Di = Diámetro interno de la tubería, (ft). di = Diámetro interno de la tubería, (in). KF = Conductividad térmica del fluido, (Btu/hr °F ft2/ft). W = Flujo másico, (Lb/hr.) Re = Número de Reynolds, (adimensional), Re = 6.31 W / (diμ). Pr = Número de Prandtl, (adimensional), Pr = Cpμ / KF. v = Velocidad del fluido, (ft/se g). ρ = Densidad del fluido, (Lb/ft3) μ = viscosidad del fluido, (cp) Cp = Calor especifico, (Btu/Lb °F).

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

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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 película del fluido, Btu/hr ft2ºF.AE = Área de transferencia de calor por inducción del electrodo, Ft2.Tp = Temperatura de la pared interna de la tubería. ºF.Tf = Temperatura de operación del fluido. ºF.

TEMPERATURA EN LA PARED INTERNA DE LA TUBERIA.

El calor generado por la soldadura es igual al calor transferido a la corriente del fluido, así 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 película es constante y despejando Tp se obtiene directamente la temperatura de pared a partir de la ecuación:

Tp = (Ts Ki + Tf hf ∆X) / (Ki + hf ∆X)

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VARIACIÓN 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 máxima que alcanza el fluido en contacto con la pared.

Q = W Cp (T - Tf)

Donde:

Q = Calor transferido, Btu/hr.W = Flujo másico, Lb/hr. Cp = Calor especifico, Btu/Lb °FTf = Temperatura de operación del fluido, °FT = Temperatura del fluido que está en contacto con la pared, °F.

VERIFICACIÓN DE TEMPERATURA MÁXIMA EN LA PARED INTERNA DE LA TUBERÍA.

Tp < 1800°F (982ºC Temperatura de Batelle)

Donde:

Tp = Temperatura de pared interna de la tubería, °F

API D12750 1991-DEC-01 Investigation and Prediction of Cooling Rates During Pipeline Maintenance Welding

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No de línea:No de interconexión:Diagrama de referencia: Temperatura operaciòn Tf = 176 °FServicio: Presión de operación P = 550 psiDiametro Exterior, pulg: 24.00 Velocidad del fluido v = 3.50 ft/sDiametro interno, pulg: 22.25 Relación de Flujo W = 512991.6 Lb/hrMaterial:

Descripción: CRUDO Fase: MEZCLA

Temperaturas Máxima en el deposito del Electrodo (°F) Viscosidad del fluido µ = 0.16 cp*LIMITE 1380 °F Conductividad térmica Kf = 0.0715 Btu/hr°Fft2/ft

Diametro del electrodo a utilizar: 0.125 in Calor especifico Cp = 1.015 Btu/Lb°F*1380ºF PARA ELECTRODOS XX10 Y 1800ºF PARA EXX18 Densidad del fluido ρ = 13.51 Lb/ft3

Presión de operación: P = 550 lb/pulg2.Esfuerzo de tension ultimo especificado S = 66700 lb/pulg2.Factor de diseño por presión interna fPb= 0.44 adimensionalfactor de temperatura f t= 1 adimensionalEspesor calculado t = 0.221 pulg.Tolerancia por erosión y/o corrosión considerando c = 0.200 pulg.Factor de seguridad por quemadura de arco eléctrico b= 0.094 pulg.

Espesor mínimo requerido tm = 0.515 pulg.Espesor minimo medido tmm = 0.863 pulg.

DICTAMEN:

0.863 ≥ 0.515

La tubería CUMPLE con el espesor minímo requerido para las condiciones de operación acorde al ASME B31.8.

0.863 ≥ 0.1875

La tubería CUMPLE con el espesor minimo para la aplicación de soldadura acorde a API 2201.

Metodo 1 ref (3)

Espesor minimo medido tmm = 0.863 pulg.Espesor para contener presión tp = 0.3452 pulg.Diametro externo De = 22.950 pulg.Espesor comercial tc = 0.875 pulg.Temperatura de servicio Tf = 176 °FTemperatura en (ZAC) Ts = 1380 °FTemperatura media logaritmica LMT= 584.6 °FEsfuerzo permisible del material @ LMT ASME B31.8 Tabla 841.116A Sa = 23400 lb/pulg2

Factor de temperatura: ft = 1 adimensionalFactor para evaluación por presión interna fEv = 0.44 adimensionalPresión máxima durante proceso de soldadura (metodo 1) Pmax 1= 703.63 lb/pulg2

DATOS DE LA TUBERÍA EXISTENTE DATOS DE OPERACIÓN EN LA LÍNEA

PROPIEDADES DEL FLUIDO

SELLO SUPERIOR

tmm ≥ 0.1875"

STIN-MS-4.E/24

API 5L X52

CONDICIONES DE SOLDADURA

OLEOGASODUCTO

VERIFICACIÓN DEL ESPESOR MÍNIMO RECOMENDADO PARA EVITAR QUEMADURAS Y/O PERFORACIONES

CÁLCULO DE MÁXIMA PRESIÓN PERMISIBLE DURANTE LAS OPERACIONES DE SOLDADURA DE LA ENVOLVENTE

ENVOLVENTE DA 122-B 24"Ø

VERIFICACIÓN DEL ESPESOR MÍNIMO REQUERIDO PARA CONDICIONES DE OPERACIÓN

tmm ≥ tm

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5. Revisión por presión y transmisión de calor al fluido.

5.1. Sello Superior.

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Metodo 2 ref (2)

Esfuerzo permisible del material @ LMT ASME B31.8 Tabla 841.116A Sa= 23400 lb/pulg2.Diametro externo De = 24 pulg.Reduccion de espesor por penetraciòn durante la soldadura u= 0.118 pulg.Espesor mínimo medido tmm = 0.863 pulg.Espesor reducido tr 0.745 pulg.Factor de evaluación: fEv = 0.44

Pmax2 = 639.21 lb/pulg2.

Comparando los metodos 1 y 2 obtenemos que la Pm ax= 639.21 lb/pulg2, de lo anterior

se establece que la relacion entre las presiones de operación y la màxima es de 0.86 , por lo que no es

necesario reducir la presion durante la soldadura del encamisado.

Coefic iente de transferencia de calor por conducción de acero al carbón K i = 25.7 Btu/(hr°Fft2/ft)

Área de transferencia de calor AE = 0.012108 ft2

Distancia (espesor m ínimo actual) a recorrer por el calor transferido ∆X = 0.0719 ft

Temperatura máxim a de aplicación de soldadura Ts = 584.6 °F

Temperatura Máxima de la pared interior de la tubería TP = 577.9010 °FCalor transferido por la soldadura Qc = 29.198935 Btu/hr

Tp < TBATELLE °F577.9010 < 1800 °F

CUMPLE CON LA CONDICIÓN QUE GARANTIZA QUE NO HABRA

Cálculo de coeficiente de transferencia de pelíciulaRe = 909263.2011 No de Reynolds, adimensionalPr = 2.271328671 No de Prandtl, adimensional

hF = 6.00022516 Coefic iente de transferencia de película, Btu/hr*ft2°F

hFDi/KF = 1867.20293Temperatura de la pared interna de la tubería Tp = 577.9010 °F

Calor absorbido por e l fluido Q F = 29.198935 Btu/hr

Qc = 29.1989352 Transferencia de calor generado por la soldadura, Btu/hr.QF = 29.1989352 Transferencia de calor del fluido en la soldadura, Btu/hr

T emperatura del fluido al momento de la soldadura: T = °F

DICTAMEN:DE ACUERDO A LAS CONDICIONES IMPERANTES EN EL MOMENTO DE LA SOLDADURA DE SELLOSUPERIOR DE LA ENVOLVENTE, EL AUMENTO DE TEMPERATURA DEL FLUIDO ES DESPRECIABLE

176.000056078

LA TEMPERATURA EN LA PARED INTERNA QUEMADURAS O PERFORACIONES EN LA TUBERÍA

T RANSFERENCIA DE CALOR

FLUJO TURBULENTO

VARIACIÓN DE TEMPERATURA POR EL FLUIDO

CALOR ABSORBIDO POR EL FLUIDO

CALOR T RANSFERIDO POR LA SOLDADURA

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6. Cálculo 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.

6.1. Sello Superior

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7 Conclusiones.Después de haber realizado el análisis de resistencia por presión, el de transferencia de calor y la

evaluación de parámetros de soldadura establecidos en el WPS No. PCC.022.FO.01.R2/001. Se establece lo siguiente:

Página 13 de 15CONDICIONES OPTIMAS DE SOLDABILIDAD

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Los espesores de la zona donde se realizara la soldadura, entre la envolvente y el DA-122B, cumplen con lo mínimo requerido. Por lo que no es necesario modificar los parámetros de operación de la línea,

La transferencia de calor al fluido transportado es despreciable, Se deberán emplear electrodos E-XX10 de 1/8”Ø, para el cordón de fondeo, Se debe realizar un precalentamiento MÍNIMO de 100ºC, acorde al WPS, Los rangos de los parámetros de soldadura deberán ser amperaje de entre 115-120 amp., con un

de voltaje de 45 volts y una velocidad de 4-5 pulg/min. Se deberá controlar el enfriamiento de la soldadura para poder mantener durezas aproximadas a

350 Hv en la HAZ.Concluyendo en que los parámetros 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 válidos si todos los parámetros evaluados se mantienen durante las operaciones de soldadura de la envolvente.

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8 . Documentos de referencia.a) Plano de envolvente metálica de Ducto Ascendente 122-B, STIN-MS-4.E/14,b) Medición de espesores por mapeo, c) Especificación 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 Analíticas.1. API-2201. ULTIMA EDICIÓN "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 PIPE9. SEAM ANNEALING OF HF WELDED API PIPE.

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