ENCAMISADO[1]

MANUAL DE REPARACION DE DUCTOS EN SERVICIO MEDIANTE ENCAMISADO

DR. JORGE L. GONZALEZ VELAZQUEZ V 1.2

MANUAL DE REPARACION DE DUCTOS EN SERVICIO MEDIANTE ENCAMISADO V. 1.2

L

POR

DR. JORGE LUIS GONZALEZ VELAZQUEZ

Derechos reservados ©1999 P r o h ib id a s u r e p r o d u c c ió n to ta l o p a r c ia l s in c o n s e n tim ie n to d e l a u to r

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MANUAL DE REPARACION DE DUCTOS EN SERVICIO MEDIANTE ENCAMISADO

DR. JORGE L. GONZALEZ VELAZQUEZ V 1.2

PREFACIO

E l p r e s e n te ma n u a l e s p r o p ie d a d in te le c tu a l s u a u to r y q u e d a p r o h ib id a la r e p r o d u c c ió n to ta l o p a r c ia l d e l mis mo s in c o n s e n timie n to p o r e s c r ito d e l autor. L o s c o n c e p to s , c o n o c imie n to s y d e s c r ip cio n e s a q u í in c lu id o s s o n r e s u lta d o d e la c o n s u lta b ib lio g r á f ic a , in f o r ma c ió n d e c a tá lo g o s , r e p o r te s té c n ic o s , a r tíc u lo s y la p r o p ia e x p e r ie n c ia d e l a u to r , p o r lo q u e s o n s u s c e p tib le s d e mo d i f i c a c i ó n , a c t u a l i z a c i ó n o r e e mp l a z o s i n p r e v i o a v i s o . E s t e ma n u a l e s u n a g u í a p a r a l a s e l e c c i ó n , d i s e ñ o e i n s t a l a c i ó n d e c a mi s a s para la reparación de ductos y es útil para la capacitación de personal, la p r e p a r a c i ó n d e e s p e c i f i c a c i o n e s y l a e l a b o r a c i ó n d e p r o c e d i mi e n t o s ; s i n e mb a r g o , n o e s u n p r o c e d i mi e n t o , n o r ma o e s p e c i f i c a c i ó n e n s í , y p o r l o t a n t o n o d e b e r á s e r p r e s e n ta d o c o mo ta l p a r a e f e c to s d e p r e s e n ta c ió n d e p r o p u e s ta s t é c n i c a s e n c o n c u r s o s , e s p e c i f i c a c io n e s d e c o n t r a t o s y c e r t i f i c a c i ó n d e trabajos de reparación de ductos. El autor no se responsabiliza del posible u s o q u e s e d e a e s te ma n u a l p a r a e s to s y o tr o s f in e s .

Dr. Jorge L. González V. Marzo de 1999

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INDICE CAP. 1

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CONTENIDO GENERALIDADES 1.1 Introducción 1.2 Criterios de decisión de reparación 1.3 Modos de falla en tuberías a presión 1.4 Teoría del reforzamiento con camisas NORMATIVA DE LA REPARACION CON ENCAMISADOS Requerimientos para reparaciones en tuberías operando a un esfuerzo circunferencial de mas de 20% de la resistencia a la cedencia Métodos de reparación Requerimientos generales CLASIFICACION DE DEFECTOS

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INSPECCION NO DESTRUCTIVA

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TIPOS DE CAMISAS Y FABRICACIÓN 5.1.Tipos de camisas 5.2.Camisas metálicas 5.3.Camisas no metálicas 5.4.Camisas con relleno de espacio anular 5.5.Camisas mecánicas SELECCIÓN DE CAMISAS

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DISEÑO DE CAMISAS 7.1 Material 7.2 Cálculo del espesor 7.3 Biseles y uniones INSTALACION DE CAMISAS 8.1.Procedimiento de instalación 8.2.Reducción de la presión de operación 8.3.Preparación de la superficie del ducto 8.4.Montaje 8.5.Ajuste del encamisado 8.6.Precauciones para soldadura en los extremos 8.7.Aplicación del recubrimiento

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REPARACION DE DUCTOS EN SERVICIO MEDIANTE ENCAMISADO 1.

GENERALIDADES

1.1 Introducción Cuando las tuberías que transportan gas, petróleo o algunos de sus derivados presentan daños de fabricación o por servicio que ponen en riesgo su integridad estructural, pueden repararse mediante la aplicación de una envolvente externa conocida como camisa. Una camisa es un elemento

cilíndrico

de

alta

resistencia

mecánica

y

que

encierra

completamente la zona de dañada de una tubería, actuando como refuerzo mecánico para ayudar al ducto a soportar las expansiones causadas por la presión de operación o como un contenedor hermético para el caso de un tubo con fuga. La reparación de ductos en servicio por técnica de encamisado presenta varias ventajas como: 1) Puede aplicarse sin interrumpir el servicio 2) El montaje de la camisa es relativamente rápido y usualmente de menor riesgo que el reemplazo del tramo dañado. 3) Se reduce el riesgo de falla del componente promoviendo al mismo tiempo la extensión de su vida útil. 4) Constituye un refuerzo mecánico en el que generalmente la resistencia del tramo reparado es mayor que la de un tubo similar sin defectos. 5) Generalmente es mas económico que reemplazar el tubo. 6) Cuando el encamisado detiene totalmente el crecimiento o acumulación de daño en el ducto, se considera una reparación permanente. Su únicas desventajas son que su selección y diseño requieren de personal capacitado y no siempre son una reparación permanente. Por lo general deben realizarse estudios de Análisis de Integridad del ducto para cada uno de los defectos presentes, con el objeto de asegurar que el tipo de

encamisado

sea

el

adecuado,

determinar

sus

dimensiones

y

procedimiento de instalación correctos. Ya que una camisa mal diseñada 1

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o mal instalada puede no cumplir su cometido o peor aún, introducir un daño al tubo.

El proceso de reparación por encamisado puede ser aplicado en ductos que transportan gas, petróleo o sus derivados y que presentan daños de fabricación o resultado del servicio, con la finalidad de disminuir su riesgo de falla y prolongar la vida útil. Los daños por servicio que contempla la aplicación de la técnica de encamisado son: • • • • • • • • • • •

Reducciones de espesor (uniforme y localizada, interna y externa) Grietas Abolladuras Pliegues Entallas, rayones y punzaduras Ampollas Laminaciones Defectos en soldaduras de campo Defectos en la costura del tubo Desalineamientos Defectos del material

Prácticamente cualquier tipo de tubería metálica y no metálica sometida a presión interna es susceptible de ser reparada mediante la instalación de camisas. Algunos tipos de tubo y piezas reparables son: • • • • •

Tubo sin costura Tubo con costura recta Tubo con costura helicoidal Tees y codos Válvulas, bridas y conexiones

La reparación de ductos en servicio por técnica de encamisados está limitada a que se cumplan las siguientes condiciones

A. Defectos ya localizados y dimensionados mediante inspección no destructiva B. Una técnica de instalación que garantice la sujeción firme y permanente de la camisa al tubo C. Estabilidad mecánica, estructural y química de la camisa durante su periodo de servicio 2

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Una camisa es un cuerpo sólido que envuelve completamente por el exterior a un tubo o una pieza de tubería con en propósito de constituir un respaldo o refuerzo. Bajo este concepto una camisa puede ser un refuerzo mecánico o un contenedor hermético, en otras palabras un contenedor de presión. Existen varios tipos de encamisados, construidos de diversos tipos de materiales, cuyo criterio de diseño obedece a alguno de los dos propósitos básicos, es decir, puede ser diseñada como refuerzo o como contenedor de presión; aunque en general, no existe un tipo absoluto de envolvente, ya que prácticamente todos los tipos de camisas sirven en alguna extensión para ambos propósitos. La versatilidad en la capacidad de las camisas para simultáneamente reforzar y contener la presión en un ducto es la causa de que muchas veces no se seleccione el tipo adecuado de camisa para la reparación de un defecto. Por otra parte, el desconocimiento de las capacidades de las camisas como técnica de reparación es causa de que se consideren como reparaciones temporales cuando pueden ser permanentes o peor aún, puede ser que no se consideren como una alternativa, optando por la mucho mas complicada operación de cortar o retirar de servicio un ducto. El objetivo de este manual es proporcionar al lector un análisis detallado de las características principales de las camisas mas comúnmente usadas, así como sus características de diseño, fabricación, procedimientos de instalación, etc. Obviamente el primer paso de una reparación es decidir se ésta es necesaria o no. En este texto no se discutirán los procedimientos de análisis de defectos, pero es conveniente repasar algunos aspectos de la toma de decisiones concerniente a la evaluación de defectos.

1.2 Criterios de decisión de reparación La decisión de reparar un ducto está en función de la severidad del defecto presente. La severidad es la medida de que tan propenso a la falla esta el tubo con el defecto. La falla puede ser una fuga, que es la salida del fluido transportado, sin reducción de la resistencia o una ruptura, que es la fractura en una zona grande del tubo. La ruptura puedes ser frágil, cuando hay poca deformación de tubo antes de la falla,

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o dúctil, cuando previo a la ruptura hay una apreciable deformación plástica del tubo. A la ruptura también se le denomina colapso. Para un ducto la decisión de reparar está basada en uno de los dos criterios siguientes: 1. La capacidad del ducto de soportar la presión interna sin ruptura (Resistencia residual) 2. El tiempo en que un defecto provoca una falla (Vida remanente) Si el defecto reduce la vida remanente a un periodo menor del programado para el servicio o antes de la próxima inspección, la reparación es necesaria. La decisión en términos de la resistencia residual es algo mas complicada y se explica en seguida. Expresando la resistencia de una tubería como su capacidad de contener una presión interna (por conveniencia a la presión de ruptura le llamaremos presión de falla) tenemos los siguientes niveles: 1. Presión de colapso (Pc).- Es la presión de ruptura de una tubería sin defectos. 2. Presión de diseño (Pd).- Es la presión límite con la que se diseña una tubería. El diseño esta en función del espesor, diámetro y resistencia del material de fabricación y normalmente se define como la presión que induce un esfuerzo en la pared menor al límite elástico del material de fabricación. 3. Presión de prueba hidrostática (Ph).- Es la presión a la que se prueba una tubería nueva, después de un cambio de servicio o después de una reparación. El valor de la presión de prueba corresponde al valor de la PMPO multiplicada por un factor que varía de 1.25 a 1.40 según la clase de localización. 4. Presión máxima permisible de operación (PMPO).- Es igual a la presión de diseño multiplicada por un factor de seguridad (FS) que normalmente es definido por la clase de localización, la eficiencia de las uniones soldadas, la temperatura, etc. Cuando se presenta un defecto, la PMPO es igual a la presión de falla multiplicada por el factor de seguridad. 5. Presión de operación (Pop).- Es la presión de operación del ducto en condiciones normales.

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6. Presión de falla (Pf).- Es la presión que causa ruptura en un ducto con un defecto. La figura (1.1) muestra de modo esquemático los niveles relativos de estas presiones. Una vez diseñado un ducto, la Po, Ph y Pd son fijas, mientras que la Pop, depende de la operación en sí y la Pf y PMPO varían dependiendo del contenido de defectos. La decisión de una reparación, bajo el punto de vista de la resistencia residual o capacidad de soportar presión es muy simple:

Si PMPO ≤ Pop NIVELES DE PRESION EN UN DUCTO

se debe reparar

Po = 2t UTS / D

D = diámetro t = espesor UTS = resitencia última YS = Límite elástico

Ph = Pd FACTOR Pd = 2t YS FS/D Pf PMPO = Pf x FS Pop

REPARAR

P=0

Fig. 1.1.- Niveles de presión en un ducto

Técnicamente, la presión de falla puede variar desde la presión de colapso hasta cero, pero para cumplir con la normatividad, si la presión de falla es mayor que la presión de diseño se toma el valor de ésta última 5

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para el cálculo de la PMPO, esto porque la presión máxima permisible de operación nunca debe ser mayor que la presión de diseño. En casos de líneas muy críticas, donde las consecuencias de una falla sean catastróficas, es posible que la decisión de reparar se tome aún cuando la PMPO sea mayor que la Pop. Una vez que se ha determinado la necesidad de la instalación de una camisa, el siguiente paso es evaluar las condiciones del ducto para tomar la decisión final. Algunos factores a considerar son:

• • • • • • • • • • • • •

Presión y temperatura de operación. Tipo de fluido transportado Existencia de fugas Distancia entre el defecto y las uniones soldadas Tipo de uniones soldadas (costura y de campo) Ovalidad y deformaciones del tubo Proximidad de otros defectos Localización (terrestre, aérea o marina) Condiciones climatológicas Acceso y condiciones del terreno Costo de la reparación Disponibilidad de materiales, equipos y personal adecuados Certificación

Solo cuando después de una evaluación técnico-económica de estos factores se indica que la reparación es viable, se puede proceder al diseño, fabricación e instalación de la envolvente. Para comprender mejor como funciona una camisa y decidir cual es el tipo mas apropiado, analicemos primeramente como falla una tubería sometida a presión interna.

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1.3 Modos de falla en tuberías a presión Básicamente existen tres modos de falla en una tubería con presión interna, estos son: • Fuga • Por expansión dúctil • Por falla frágil La fuga ocurre simplemente cuando una pérdida de metal o traspasa el espesor de la pared permitiendo la salida del necesariamente causar una reducción significativa de la mecánica del tubo, en este caso el tubo prácticamente no se expande.

una grieta fluido, sin resistencia deforma ni

La falla por expansión dúctil ocurre cuando el defecto reduce la resistencia de la pared, ya sea por pérdida de espesor, por concentración de esfuerzos o por ablandamiento, y entonces el metal comienza a deformarse plásticamente al aumentar la presión o cuando el defecto crece. La deformación se manifiesta primero como una expansión del diámetro, seguida de una expansión localizada en la zona del defecto. Cuando el esfuerzo rebasa la resistencia ultima del material, sobreviene una ruptura de tipo dúctil, con gran deformación plástica previa a la falla. Este tipo de falla ocurre en materiales dúctiles y de alta tenacidad, como son los aceros a temperaturas mayores de 0 C y los grados menores X70. Finalmente, la falla frágil es la mas peligrosa de todas pues ocurre con poca o nula deformación previa. Unicamente se requiere de una ligera expansión del diámetro del orden de milésimas, incluso debajo del límite elástico del material, para que ocurra la fractura. Típicamente se presenta en materiales de baja tenacidad, como hierros grises o en soldaduras por resistencia eléctrica de baja calidad o cuando se tienen defectos agudos y profundos. 1.4 Teoría del reforzamiento con camisas De acuerdo a los mecanísmos anteriores, para que una camisa funcione se requiere que realice alguna de las siguientes funciones: • Para las fugas se requiere que la camisa obstaculice la cavidad de la fuga o bien que contenga herméticamente el fluido fugante. 7

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• Para las fallas dúctiles, que restrinja la deformación hacia el exterior de la zona del defecto • Para las fallas frágiles, que restrinja la expansión del diámetro, transfiriendo los esfuerzos del tubo hacia la camisa. El logro de la primer función es obvio. Para limitar la expansión localizada se requiere que la camisa sea suficientemente rígida y que ajuste cerradamente sobre el tubo. La tercer función es mas difícil de conseguir y requiere sea suficientemente rígida e incluso de la presurización del espacio anular a una presión al menos igual a la presión de operación o del preesforzamiento de la camisa, para que al colocarla sobre el tubo, la contracción genere un esfuerzo compresivo. Las figuras siguientes muestran esquemáticamente estos modos de falla y como una camisa funciona para prevenir la falla. CONTENCION DE LA FUGA

CAMISA

FUGA FLUIDO

TUBO

Fig. 1.2(a) Control de un fuga DEFORMACION Y RUPTURA DE LA ZONA DEFORMADA

CONTENCION DE LA DEFORMACION EXTERIOR

CAMISA DIAMETRO EXPANDIDO DEFECTO

DEFORMACION DE EXPANSION LOCALIZADA HACIA EL EXTERIOR

DIAMETRO INICIAL

TUBO

Fig. 1.2b.- Control de la falla dúctil 8

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FRACTURA FRAGIL DEL DEFECTO DEBIDO A LA EXPANSION

EL DEFECTO NO FRACTURA PORQUE NO HAY EXPANSION

CAMISA RIGIDA O PRESURIZADA

DIAMETRO EXPANDIDO DEFECTO

DEFECTO LA CAMISA IMPIDE QUE EL DIAMETRO DEL TUBO SE EXPANDA

DIAMETRO INICIAL

Fig. 1.2c.- Control de la falla frágil Como se puede ver, el principio fundamental del reforzamiento por encamisado es que parte del esfuerzo en el tubo se transfiera a la camisa. Esto puede observarse si se coloca un medidor de deformación en la pared externa de un tubo: sin defecto, con defecto y con camisa, y se presuriza hasta la falla. Una gráfica de la presión vs. la deformación circunferencial se vería como sigue.

PRESION

Tubo con defecto y con camisa Tubo sin defecto

Tubo con defecto Presión de reparación Pr

Tubo con camisa instalada en un tubo con presión interna

Deformación a la presión de reparación DEFORMACION CIRCUNFERENCIAL

Fig. 1.3.- Deformación de un tubo en función de la presión 9

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Nótese que la resistencia de un tubo con camisa es incluso superior que la de un tubo sano; esto se debe, en principio, al incremento del espesor de pared. Suponiendo que la camisa ajusta perfectamente sobre el tubo, al espesor del tubo se le incrementa el espesor de la camisa lo que hace que automáticamente el esfuerzo disminuya. Estrictamente hablando la distribución de esfuerzos en el espesor del tubo y la camisa no es continua, sino que en realidad los esfuerzos se redistribuyen de manera que el esfuerzo neto en la combinación tubo-camisa es menor que el correspondiente en un tubo de un espesor igual a la suma de los espesores. Para una referencia mas detallada el lector puede consultar la teoría de tubos de doble pared en un texto de resistencia de materiales. 0

1.0 tc/t = 1/2 Fracción 0.8 del esfuerzo en el tubo 0.6

tc/t = 1

0.2

0.4 ·

S/So 0.6

0.4 tc/t = 2 0.2

0.8

0

0.2

0.4

0.6 Pr/Po

0.8

1.0

Fracción del S en la camisa

Fig. 1.5.- Transferencia de esfuerzo a una camisa

En la gráfica 1.5 se puede observar un aspecto fundamental de la reparación por encamisados. Este es la presión del tubo cuando se instala la camisa. Cuando la camisa se instala con el tubo a una presión reducida Pr, la camisa comienza a funcionar cuando la presión se 10

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incrementa por arriba de Pr, ya que el tubo experimentará una expansión antes de que ésta sea restringida por la camisa. Esto significa que entre menor sea la presión del tubo al instalar una camisa, mayor es el efecto benéfico de ésta. La siguiente gráfica muestra la fracción de esfuerzo transferido a una camisa (S/So) en función de la reducción de presión durante la reparación (Pr/Po) donde S es el esfurezo en el tubo con la reparación y So el esfuerzo en un tubo sano sin reparar, pr es la presión en la reparación y Po la presión del tubo sin defecto. Para camisas de acero cuyo espesor es igual al del tubo, si la presión se reduce a cero, la camisa resiste el 50% del esfuerzo, mientras que si la presión se reduce el 20% para reparar, al restablecer la presión de operación (Po), la camisa resiste solo el 40% del esfuerzo circunferencial, y el otro 60% es soportado por el tubo. Si no se reduce la presión Pr/Po = 1 el esfuerzo en la camisa es cero s/so = 1.

El siguiente aspecto importante es el espacio entre la camisa y el tubo. Si la camisa y el tubo ajustan perfectamente, la camisa comienza a trabajar justo cuando a presión rebasa la presión a la que estaba el ducto al repararlo, pero si existe un espacio, la camisa comenzará a trabajar solo cuando el tubo se expanda y haga contacto con ella. En la gráfica P vs deformación la escala de la deformación ha sido exagerada, en realidad las deformaciones de expansión en un tubo son muy pequeñas (rara vez rebasan el 2% del diámetro antes de la cedencia), lo que significa que un defecto puede fácilmente provocar una falla antes que la camisa restrinja la expansión. Esto hace a que uno de los requerimientos mas importantes en el diseño e instalación de una camisa sea el perfecto ajuste entre la camisa y el tubo. El uso de envolventes no metálicas fabricadas in situ y el relleno del espacio anular con resinas endurecibles de hecho, busca asegurar un perfecto ajuste.

En conclusión, de la teoría del reforzamiento con camisas se pueden obtener de las siguientes tres reglas básicas: 11

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1. La camisa debe restringir la expansión del tubo 2. La camisa debe ajustar lo mas cerradamente posible sobre el tubo 3. Es recomendable reducir la presión durante la instalación de una camisa

2.

NORMATIVA DE LA REPARACION CON ENCAMISADOS

La reparaciones de ductos de recolección, transporte y distribución de hidrocarburos mediante la instalación de camisas es una práctica común en la industria petrolera y por lo mismo es incluida en la mayoría de las normas y códigos relacionados con el mantenimiento. A continuación se resumen

algunos

de

los

requerimientos

y

especificaciones

de

la

reparación de ductos mediante camisas que se presentan en documentos tales la Norma Pemex 07.3.13 y la especificación API 5L. 2.1 Requerimientos para reparaciones permanentes en tuberías operando a un esfuerzo circunferencial de más de 20 % de la resistencia mínima especificada a la cedencia del tubo. a) Las reparaciones pueden realizarse mediante la instalación de una envolvente circunferencial completa, soldada o atornillada sin dejar la tubería fuera de servicio b) En reparaciones de abolladuras, debe usarse un material de relleno endurecible tal como resinas epóxicas para llenar el vacío entre le envolvente y el tubo y restaurar el contorno original del tubo, proporcionándose un adecuado ajuste del ducto contra la camisa o envolvente. c) Las imperfecciones superficiales pueden ser eliminadas por un sistema adecuado de esmerilado o perforación con el ducto en operación. Cuando se utilice el esmerilado, el área base debe quedar suavemente contorneada. Cuando se utilice la perforación, la porción del tubo conteniendo la imperfección debe ser removida completamente en la primera oportunidad. d) Las fugas menores y pequeñas áreas corroídas, pueden ser reparadas mediante la instalación de una envolvente. e) Un tubo conteniendo ranuras, arrancaduras o quemaduras generadas durante trabajos de corte y soldadura con arco eléctrico, puede ser reparado con envolventes soldables, si la quemadura o ranura es removida por esmerilado. 12

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f) Si la envolvente es más gruesa que el tubo que se va reparar, los extremos circunferenciales deben ser biseladas aproximadamente 45 grados abajo del espesor del tubo. g) Para las envolventes circunferenciales completas, instaladas como refuerzo solamente y no para soportar la presión interna, la soldadura circunferencial es opcional. h) Se deben dar las consideraciones especiales para minimizar concentraciones de esfuerzos resultantes de la reparación. i) Los accesorios del tipo circunferencial, aplicados mecánicamente deben ser completos. j) Las partes del tubo sustituido y la envolvente circunferencial usada en la reparación deben ser recubiertas cuando sean instaladas en un tubo con recubrimiento mecánico. k) Un tubo conteniendo hidrocarburos debe ser examinado para determinar que el material está sano y tenga el adecuado espesor en las áreas a ser afectadas por esmerilado, soldado o cortado o perforado en vivo. l) Durante la reparación que involucre trabajos de soladura, se debe reducir la presión de operación a un nivel seguro, realizándose en cada caso un análisis en el que participen las dependencias de operación, mantenimiento e inspección y seguridad de la rama responsable del ducto el cual debe contener como mínimo tanto los resultados de la inspección ultrasónica para determinar la presión máxima y áreas medidas de seguridad adicionales a los criterios que sugieren las prácticas recomendadas al respecto.

2.2

Métodos de reparación

a) Todos los soldadores que realicen trabajos de reparación deben ser calificados, también deben estar familiarizados con las precauciones de seguridad y otros problemas asociados con el corte y soldadura sobre tubos que contengan o hayan contenido hidrocarburos líquidos o amoniaco líquido. El corte y soldadura debe comenzar sólo después de comprobarse que no existen atmósferas explosivas en el área de trabajo. b) La prueba de calificación en procedimientos de soldadura para ser usados sobre tubos conteniendo líquido, debe considerar los efectos de enfriamiento de los productos contenidos en el tubo, la calidad y propiedades físicas de la soldadura. c) Los materiales usados para reparación de tuberías deben ser de acuerdo con la última consideración de las especificaciones ASTM, API y ASME. d) Las reparaciones provisionales pueden ser necesarias para propósitos de operación, y deben realizarse en una forma segura. Estas reparaciones provisionales deben ser remplazadas por una permanente en el periodo de tiempo establecido. e) Las envolventes circunferenciales completas soldadas instaladas para reparar fugas o para contener la presión interna, deben tener una presión de diseño no menor que la tubería que va a ser reparada, la que será soldada en su totalidad, tanto circunferencialmente como longitudinalmente. f) El largo de una envolvente circunferencial completa soldada, no debe ser menor que 100 mm (4 pulg). 13

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2.3

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Requerimientos Generales

a) Las reparaciones en ductos deben realizarse mediante un procedimiento aprobado, que será supervisado por personal calificado, entrenado y que tenga conocimientos de los riesgos a que puede ser expuesto, utilizando equipo y materiales localizados estratégicamente para las reparaciones. b) El personal que va a trabajar en reparaciones de tuberías que manejan gas natural, gas licuado del petróleo, amoniaco anhídro líquido o cualquier otro fluido tóxico o flamable, debe ser informado sobre las propiedades específicas, características y peligros potenciales asociados con estos productos, y las precauciones que debe tomar; así como también debe conocer los procedimientos de reparación establecidos. c) Los soldadores que realicen trabajos de reparación deben ser calificados cada tres meses, además deben estar familiarizados con las medidas de seguridad y con otros problemas asociadas con el corte y soldadura de ductos que contengan o hayan contenido hidrocarburos. d) Deben seguirse las técnicas establecidas en el procedimiento de reparación. Estas técnicas consideran elementos tales como la selección de electrodos y los procedimientos de soldadura apropiados. e) Las dependencias encargadas de la operación y mantenimiento de una tubería, deben tomar inmediatamente las medidas necesarias para proteger al personal y a las instalaciones siempre que se encuentre una fuga, imperfección o daño en las mismas, mientras se reparan definitivamente. f) Cuando en un ducto se realice una reparación con carácter provisional, tal como el uso de abrazaderas, de inmediato debe quedar programada la reparación definitiva, la cual debe realizarse en un plazo no mayor de 30 días.

3.

CLASIFICACION DE DEFECTOS

De acuerdo al tipo de defecto que presente el ducto, será la reparación que se programe. La adecuada interpretación de las señales que se reciben en los dispositivos de inspección al encontrar un defecto permitirá su identificación correcta, evitando con ello errores en la selección del tipo de reparación y reparaciones innecesarias. En particular, para el caso de la reparación por encamisado, es conveniente saber reconocer el tipo de defecto que se detecte, saber evaluarlo y con todo ello decidir si requiere o no reparación por encamisado. Los distintos tipos de defectos que se pueden encontrar en ductos en servicio se clasifican de acuerdo a 14

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su evolución a través del tiempo, su origen, su localización y su comportamiento mecánico. La clasificación de un defecto dentro de cada una de estas categorías facilita enormemente la selección de la técnica de reparación.

A continuación se presentan las categorías de clasificación de defectos típicos de las tuberías de recolección y transporte de hidrocarburos.

Por su evolución • Defectos progresivos: son aquellos cuyas dimensiones se incrementan con el tiempo, debido a efectos ambientales, mecánicos y/o de servicio. Dentro de los defectos progresivos se incluyen la corrosión uniforme, corrosión localizada, laminaciones y ampollamiento por hidrogeno, agrietamientos ocasionados por corrosión-esfuerzo, y agrietamientos por fatiga. • Defectos estáticos: son defectos cuyas dimensiones no se aumentan con el paso del tiempo. Dentro de los defectos estáticos se tienen a las abolladuras, entallas y rayones, deformación y pliegues, desalineamientos, defectos geométricos, defectos de soldaduras y defectos del material. Por su origen • Defectos de manufactura: Ocurren durante la fabricación del tubo e incluyen: grietas, desalieneamientos, socavaciones, falta de fusión, y falta de penetración de la soldadura; traslapes, picaduras, incrustaciones durante el rolado, endurecimientos localizados, laminaciones e inclusiones. • Defectos causados por el servicio: Se deben a la combinación de un material susceptible con un ambiente agresivo y en ciertos casos con esfuerzos y comprenden la corrosión uniforme y localizada, externa e interna, la fragilización por hidrógeno, agrietamiento por corrosiónesfuerzo en soldaduras y agrietamiento inducido por hidrogeno. • Defectos causados por fuerzas externas: Se deben al contacto físico con otros objetos, así como a las presiones por movimiento de suelos, subsidencia y presiones de viento o marea, que producen abolladuras, ralladuras, identaciones, pandeamiento y deformación. • Defectos de construcción: Son introducidos durante el tendido del ducto, e incluyen la socavación, fusión incompleta, falta de penetración, grietas y desalienamientos en soldaduras, abolladuras, deformación en frío etc. 15

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Por su geometría • Puntuales: Son defectos pequeños, cuyas dimensiones (largo y ancho) son del mismo orden de magnitud que el espesor. Normalmente este tipo de defectos no degrada la resistencia del tubo y solo producen riesgo de fugas. • Axiales: Son defectos cuyo ancho es menor al equivalente de 5 minutos técnicos de la circunferencia y su largo es al menos diez veces el ancho. Son muy sensibles a la presión y pueden producir fugas y explosiones. • Circunferenciales: Son defectos cuya dimensión mayor esta en el ancho y son sensibles a la flexión y expansión. • Aereales: Son aquellos cuyo largo y ancho son similares y a su vez mucho mayores que el espesor, siendo sensibles a la presión. Por su comportamiento mecánico • Defectos controlados por la presión: Su crecimiento y falla es impulsada por el esfuerzo circunferencial inducido por la presión interna, pudiendo suceder que fallen cuando la presión rebasa un determinado valor o bien si su tamaño es lo suficientemente grande como para fallar a la presión normal de operación. Incluyen: Grietas axiales, erosión, corrosión uniforme, picaduras y cazuelas , delaminaciones escalonadas, golpes, entallas agudas, identaciones y rayas longitudinales, defectos en la costura longitudinal y bandas de inclusiones. • Defectos controlados por el esfuerzo longitudinal: Su comportamiento es el mismo que en el caso anterior, excepto que la fuerza impulsora es el esfuerzo longitudinal en la tubería. La principal contribución al esfuerzo longitudinal después de la presión interna son las flexiones y pandeos y de la tubería. Los defectos susceptibles de falla bajo este esfuerzo son: todo tipo de defectos cuya dimensión máxima este en la dirección circunferencial. • Defectos fugantes: Son defectos que provocan fuga pero no ponen en riesgo de explosión o colapso a la tubería. Incluyen: picaduras pequeñas y grietas cortas y profundas.

La siguiente tabla presenta un resumen de los principales tipos de defectos arriba mencionados y sus consecuencias en un tubo a presión.

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Tabla ΙΙΙ.1.- Tipos de defectos presentes en ductos y su efecto DEFECTO Grietas longitudinales

CONTROL Presión

Grietas circunferenciales

Flexión y pandeo Presión

Incrustaciones en la placa durante el rolado Endurecimientos localizados

Presión

So c a va c i ó n , fu s i ó n incompleta y falta de penetración en soldadura de campo Traslapes y marcas de rolado en placa Corrosión uniforme y erosión

Presión y flexión

Reducción localizada de espesor, interna o externa por corrosión

Presión

Abolladuras, pliegues y deformaciones

Presión

Entalla longitudinal Laminaciones simples y ampollas

Presión Presión

Bandas de inclusiones internas Desalineamientos

Presión

Presión Presión

ORIGEN Enfriamiento rápido, SCC, fatiga ídem

EFECTO Fuga, reducción de resistencia, ruptura

Defecto de fabrica Enfriamiento rápido y segregación Mala aplicación de soldadura

Reducción de la resistencia, ruptura Agrietamiento en servicio (ver grietas)

Defecto de fabrica Fluido corrosivo y arrastre de sedimento Defectos en recubrimientos, mala protección catódica o fluido c o r r o s i vo Fuerzas externas

Reducción de la r e s i s te n c i a Reducción de la resistencia, ruptura

ídem Agrietamiento inducido por hidrogeno Fabricación del acero Construcción

Flexión y presión

ídem

Reducción de la r e s i s te n c i a

Fugas y reducción de l a r e s i s te n c i a , ruptura.

Disminución de la r e s i s te n c i a , agrietamientos y corrosión localizada Agrietamiento, falla. Fugas y disminución de la resistencia Disminución de la r e s i s te n c i a ídem

Adicionalmente, un defecto puede ser superficial si se genera en una de las superficies de la pared del tubo y se desplaza radialmente hacia el interior de la tubería, pero sin atravesar completamente la pared de la tubería si el defecto está en la superficie externa o interna del tubo, se 17

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debe indicar así o si el defecto esta contenido en la pared de la tubería, y no conecta con la superficie interna o externa del tubo interno.

4.

INSPECCION NO DESTRUCTIVA

Cualquiera que sea la técnica de reparación de ductos que se quiera aplicar, es necesario realizar inspecciones no destructivas para localizar y dimensionar los defectos presentes. Esto con el propósito de evaluar su riesgo de falla y saber donde se realizará el montaje de la camisa. Las técnicas de inspección no destructiva recomendadas para la detección de defectos en tramos de ductos donde se colocarán camisas, son las siguientes: •

Inspección visual (IV): Se recomienda la aplicación de este método para detectar y dimensionar defectos en la superficie exterior de la pared del ducto, siempre que ésta se encuentre al descubierto, ya sea por ser instalación aérea o por la práctica de excavación o inspección submarina, previa remoción del recubrimiento si éste es de un grosor tal que impida la observación de la superficie. Los defectos detectables por IV incluyen: picaduras, abollduras, entallas, fugas, defectos externos de uniones soldadas, anomalías en soportería, deformación, pliegues, defectos de recubrimiento, vibración y contacto físico con cuerpos y estructuras ajenos al ducto.

•

Líquidos penetrantes (LP): Este método permite detectar y dimensionar grietas conectadas a superficies externas y defectos agudos que penetran en el espesor, como poros, picaduras y entallas agudas.

•

Partículas magnéticas (PM): Es similar a LP en cuanto al tipo de defectos que detecta, con la ventaja de que este método permite detectar también discontinuidades subsuperficiales.

•

Ultrasonido (UT): Este método permite detectar y dimensionar discontinuidades internas de carácter planar que presenten un área lo suficientemente grande para producir la reflexión de un haz ultrasónico introducido en forma perpendicular (haz recto) u oblicua (haz angular) a la pared del componente. También permite medir el espesor de pared en el componente.

•

Emisión Acústica (AE): Es una técnica dinámica; esto significa que detecta la actividad de un defecto bajo la acción de una carga, presión 18

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o esfuerzo. Su principio es el siguiente: Al activarse un defecto, se producen vibraciones mecánicas elásticas, o sea ondas acústicas, en el material, las cuales son detectadas por un transductor piezoeléctrico. La señal captada es procesada y clasificada por sus atributos de amplitud, frecuencia, duración, energía y tiempo de llegada. Esta técnica es útil para determinar si un defecto está creciendo y si degrada la resistencia estructural, además de permitir la localización del defecto. Es una técnica muy sensible y que puede cubrir áreas muy grandes una sola prueba, en comparación con otra técnicas de ensayo no destructivo. En adición, las técnicas de inspección no destructiva ayudan a mantener un control en la calidad de los materiales y soldaduras aplicados durante el proceso de montaje del encamisado. Un cuidado especial se requiere en las soldaduras longitudinales que unen las dos mitades de una camisa metálica y las soldaduras circunferenciales en los extremos de ésta, para efectos de sellado. Uno de los aspectos mas importantes de la inspección no destructiva es el correcto dimensionamiento de defectos y su representación fiel en el reporte correspondiente. Por lo general, es en base al reporte de inspección no destructiva, como el ingeniero identifica el tipo de defecto y selecciona la camisa adecuada para la reparación. Debe quedar claro que no es suficiente con reportar el tamaño de defecto, ya que con este dato únicamente se establece la longitud de la envolvente; el resto de las dimensiones del defecto se usan para los cálculos de resistencia residual y vida remanente, con los que se completa el diseño de la reparación.

A

continuación

se

presenta

la

manera

correcta

en

que

se

deben

dimensionar y reportar los defectos mas comunes en ductos de transporte de hidrocarburos. • Corrosión uniforme y erosión: Su dimensión significativa es el espesor remanente mínimo. Aparece tanto en la superficie interna como en la superficie externa de la pared del tubo, lo cual debe indicarse en el reporte. Por lo general, la corrosión uniforme y la erosión no ocurren en la totalidad de la circunferencia de un tubo, sino que se concentran

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en una sección de la circunferencia. La extensión circunferencial de la zona con pérdida de espesor debe ser indicada también. • Corrosión localizada: Sus dimensiones significativas son la longitud (L) en ancho (C) y la profundidad máxima en el espesor (d). Debe indicarse si se localiza en la superficie interna o externa así como el espesor medio de la zona sana del tubo. • Grietas: Se debe reportar su ubicación, longitud, profundidad máxima y si presentan ramificaciones y combinación con otros defectos. • Agrietamientos inducidos por hidrógeno: Cuando se presenta como delaminación, se encuentra normalmente a la mitad del espesor de la pared del tubo. Sus dimensiones significativas son L y C, siendo L la extensión longitudinal y C su extensión circunferencial. Una delaminación puede estar escalonada y en tal caso debe reportarse el escalonamiento, que es la diferencia máxima de profundidad en el espesor a la cual se detectan indicaciones, además de las extensiones longitudinal y circunferencial. Cuando el daño por hidrógeno se manifiesta como un ampollamiento, se debe reportar el espesor de pared remanente de la ampolla y el espesor de la zona sana del tubo. Si la ampolla es externa se debe reportar también su altura. Una inspección complementaria con ultrasonido con haz angular debe realizarse para buscar posibles grietas secundarias. • Abolladuras: Se debe reportar la longitud y la profundidad. Si la abolladura presenta entallas o grietas, debe reportarse su profundidad y longitud. • Desalineamientos y defectos circunferenciales: Debe reportarse su dimensión en la dirección del espesor en toda la periferia, así como los espesores del tubo adyacentes a la soldadura, aguas arriba y aguas abajo de la unión soldada.

5- TIPOS DE CAMISAS Y FABRICACION 5.1 Tipos de camisas Por su función, los encamisados se clasifican en dos tipos básicos: • TIPO A: Provee un refuerzo mecánico al tubo, pero no es diseñada para contener la presión del fluido ni fugas.

20

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• TIPO B: Se conceptualiza como un recipiente a presión, diseñado para contener la presión de operación del ducto en caso de fuga, pero no necesariamente refuerza el tubo. Por su concepción de diseño como contenedor de presión, las camisas tipo B deben ser soldadas completamente al ducto, mientras que en las camisas tipo A la soldadura circunferencial es opcional y en algunos casos es prohibido.

En la actualidad existen en el mercado numerosos tipos de camisas cuyos diseños varían en función del material, la geometría y la forma en que se ajustan sobre el tubo. Por el material una camisa puede ser Metálica o No metálica. Sus características se describen a continuación.

5.2 Camisas metálicas

Las camisas metálicas pueden ser fabricadas de acero grado tubería o incluso forjadas en formas especiales, como las camisas Plidco, cuya forma se muestra en la siguiente figura (Plidco es una marca comercial). Ceja para brilos

Aro de sello hermético

Cuerpo principal

Fig. 5.1.- Esquema de una camisa forjada Plidco®.

Una camisa metálica puede ser diseñada para ajustarse sobre el tubo, soldarse o atornillarse y puede ser conformada de manera especial para

21

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seguir la curvatura del tubo o el contorno de las coronas de soldadura del tubo base.

La camisa puede ser fabricada a partir de un tubo de un diámetro un poco mayor al del tubo a reparar, cortándose longitudinalmente a la mitad, o bien fabricadas por rolado de placa, forja o fundición. Una camisa típica es fabricada a partir de dos mitades de cilindro, que se colocan alrededor del tubo dañado, alineándose y uniéndose longitudinalmente. Los códigos para recipientes a presión y sistemas de tuberías requieren que la camisa sea diseñada para soportar como mínimo la presión de diseño y deben ser de una longitud axial mínima de 4 pulgadas, no habiendo limitante expresa para la longitud máxima.

La unión de las dos mitades de cilindro puede realizarse por soldadura o por birlos. La unión por soldadura puede ser: longitudinal a tope 5.2(a) o mediante soldadura de una cinta de solapa 5.2(b); o por la unión con birlos, con dos cejas a cada una de las dos mitades de cilindro 5.2(c). Estas formas de unión se muestran en la figura siguiente.

a)

b)

c)

figura 5.2.- Diferentes montajes de camisas hechas a partir de medias cañas (a) soldadura a tope;(b) tira traslapada;(c) unión con birlos

22

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La soldadura longitudinal a tope de la camisa figura 5.2(a), es la mas recomendable para camisas tipo A colocadas en tuberías de alta presión donde el esfuerzo circunferencial es mayor del 50% del esfuerzo de cedencia

del

material

de

fabricación

del

tubo

y

es

prácticamente

obligatoria para las camisas tipo B, ya que al ocurrir la presurización del espacio anular se inducen altos esfuerzos en los filetes y la eficiencia de junta de la tira traslapada es muy baja.

En las camisas tipo A con soldadura circunferencial a tope es necesario colocar una cinta de respaldo entre el tubo y la unión a fin de evitar el posible daño por calor al tubo base. La cinta de respaldo puede ser una solera metálica o de cualquier material refractario. Si se usa solera de acero, un espesor de 1/16” es suficiente y la cinta puede ser punteada a la camisa para que no se mueva durante la instalación, ver figura 5.3.

camisa

Cinta de respaldo

Fig. 5.3.- Cinta de respaldo en unión a tope

La unión con tira traslapada figura 5.2(b) puede aplicarse en tuberías a baja y media presión y en camisas tipo A, ya que el esfuerzo en la camisa es solo una fracción del esfuerzo en el tubo, reduciéndose a mayor espesor de la camisa.

Durante la instalación de una camisa metálica se puede sacar ventaja de la contracción térmica de la soldadura longitudinal al enfriarse y lograr un mejor ajuste de la camisa sobre el tubo. Esto se consigue con una secuencia adecuada de soldadura. Lo mas recomendable es tener dos 23

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soladores soldando simultáneamente a cada lado de la camisa. Si se tiene un solo soldador, este puede alternar pases a cada lado de la camisa

5.3 Camisas no metálicas

Las camisas no metálicas son fabricadas por lo general de una cinta de material compuesto de fibras de alta resistencia contenidas en un polímero. EL material compuesto mas frecuentemente usado es la fibra de vidrio en resina epóxica o de poliuretano. La cinta se aplica como un vendaje sobre el tubo, con la ayuda de un pegamento, con o sin tensión durante el enrollado. EL material de la matriz del compuesto puede estar ya endurecido o ser activado durante la colocación, tambipen existe un sistema en el que la resina se prepara y aplica a una cinta de fibra justo antes de la instalación. Cuando la resina y el pegamento endurecen, la camisa prácticamente forma una estructura monolítica sobre el tubo y proporciona un reforzamiento muy grande sobre el tubo. Normalmente una camisa no metálica se diseña para que soporte una presión interna en el tubo de al menos 1.5 veces la presión de falla de un tubo sano.

Además de constituir un refuerzo sobre el tubo, la camisa no metálica es un aislamiento que protege contra la corrosión exterior y el desgaste.

Las camisas no metálicas, prácticamente son fabricadas en el sitio de la reparación, por lo que la capacitación del personal que las instala y el correcto procedimiento son dos requisitos fundamentales.

La cinta es generalmente provista en forma de rollos de que se van enrollando sobre el tubo, con la aplicación de un adhesivo entre cada capa para constituir al final una estructura monolítica. La superficie del tubo a reparar debe estar seca, limpia de polvo, óxido y desechos y el 24

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acabado debe ser terso y uniforme. Al preparar el adhesivo y aplicarlo debe tenerse en cuenta la temperatura ambiente y la del tubo a reparar, ya

que

el

tiempo

de

endurecimiento

del

ahesivo

depende

de

la

temperatura. Típicamente a 0 C el tiempo para aplicar el pegamento es de unos 45 minutos, mientras que a 40 C se reduce a 20 minutos. Una vez colocado el refuerzo, después de 2 a 4 horas

dependiendo de la

temperatura ha alcanzado su resistencia máxima y se puede poner en servicio la línea.

En estas camisas se requiere que los defectos que implíquen pérdida de metal

y

deformación

abolladuras,

etc.

sean

hacia

el

interior,

resanados

con

como

resina

corrosión para

externa,

restablecer

la

circunferencia del tubo, mientras que los defectos salientes como coronas altas, arrugas, etc., deben ser esmerilados hasta el nivel de la superficie. Las camisas no metálicas no son aplicables cuando existen fugas, ni para reparar

defectos

agudos

como

grietas

y

entallas

y

tampoco

se

recomiendan para defectos con mas de 80% de pérdida de metal de la pared. La principal limitación de las envolventes no metálicas solía ser la temperatura, la cual está limitada a unos 50 °C.

5.4 Camisas con relleno de espacio anular

Las investigaciones del comportamiento de defectos en tuberías a presión interna han demostrado que la falla de un defecto siempre inicia con la deformación hacia el exterior de la zona defectuosa del tubo. Si la deformación hacia el exterior se restringe, el defecto no falla. Este hallazgo ha motivado que se opte por rellenar el espacio anular entre el tubo y la camisa con un material que se conforme perfectamente sobre el contorno irregular de la superficie del tubo y garantice un contacto íntimo con la parte interna de la camisa, para que los esfuerzos generados en el tubo sean transmitidos a la camisa y las zonas defectuosas no se expandan hacia el exterior. 25

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El espacio anular puede ser rellenado mediante la infiltración de un material fluido que posteriormente solidifique, para formar un cuerpo continuo entre el tubo, el relleno y la camisa. Este tipo de camisas resultan ser de una elevada resistencia y en caso de las camisas tipo B con relleno de material endurecible, la reparación es totalmente hermética y prácticamente indestructible.

Las características generales que debe cumplir un material de relleno son:

1. Moldeabilidad, para que ajuste íntimamente las superficies entre la camisa y el tubo. 2. Inerte, para no atacar los materiales del tubo y camisa. 3. Durable, ya que la intención es que la reparación sea permanente. 4. Baja o cero compresiblidad, para evitar riesgo de explosión de la camisa. 5. Bajo coeficiente de expansión térmica y libre de encogimiento.

Los poliuretanos, poliesteres y resinas epóxicas cumplen con estas características.

En algunos casos se ha optado por restringir la expansión del tubo base presurizando con algún gas o líquido inerte el espacio anular en una camisa tipo B, sin embargo esta operación es de alto riesgo pues hay que presurizar a una presión igual o mayor a la de operación del ducto. El desarrollo

de

mejores

materiales

para

relleno

del

espacio

anular

prácticamente ha eliminado el uso de las camisas presurizadas, limitando su uso al control de fugas ya existentes.

5.5 Camisas mecánicas 26

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Las camisas mecánicas son camisas unidas por tornillos o birlos y que no se sueldan al tubo base excepto cuando se desea asegurar una total hermeticidad, en tal caso la soldadura debe ser solo de sello. Para contener fugas, estas camisas cuentan con empaque de sello que se aprieta por medio de tornillos y dependiendo de la temperatura, tipo de empaque y diseño, pueden resistir hasta 100 kg/cm 2 (1400 psi), sin fugar. El origen de las camisas mecánicas se remonta a los coples usados para unir tuberías cuando aún no existía la soldadura; de hecho, en 1920 se estimaba que un 90% de las tuberías de transmisión estaban unidas por coples mecánicos y algunos de ellos estan todavía en servicio. La gran ventaja de las camisas mecánicas es que no restringen la deformación longitudinal y al mismo tiempo restringen eficientemente los esfuerzos por flexiones y pandeos, resultando una excelente opción para la reparación de defectos circunferenciales además de servir como junta de expansión. Los fabricantes de juntas y coples mecánicos son usualmente los proveedores de camisas mecánicas, los cuales cuentan con una extensa variedad de diseños para proveer sello y refuerzo a una reparación. La versatilidad de estas camisas las hace aptas para prácticamente cualquier tipo de reparación en servicio con la ventaja de que pueden aplicarse en ductos con fugas activas, en cualquier ambiente y pueden fabricarse en tiempos muy cortos diseños adaptados para casos especiales en tiempos muy cortos.

6.

SELECCIÓN DE CAMISAS

La selección de una camisa para la reparación de un ducto, implica la toma de una serie de decisiones que se presentan mas claramente en el diagrama de flujo de la página siguiente.

La tabla VI.1 de la página siguiente presenta una guía para la selección del tipo de envolvente para los defectos mas comunes en líneas de 27

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conducción. Como se puede observar, algunos defectos pueden ser reparados por mas de una técnica y la selección final obedece a otros criterios como el costo de la reparación, la durabilidad deseada, etc. La efectividad de la camisa aumenta hacia la derecha, mientras que la severidad relativa de defecto aumenta hacia arriba de la lista.

Un NO en la tabla no necesariamente implica que no se pueda realizar una reparación con ese tipo de camisa, sino que significa que la reparación no es la recomendable. Debe quedar claro que algunas camisas no se pueden instalar en ciertos casos, como defectos fugantes o en ambientes subacuaticos, por lo que la selección con frecuencia puede dirigirse hacia aquellas mas viables, aún cuando no sean las mas recomendables. Cuando aparece la abreviación COND, significa que la camisa

podrá

emplearse

siempre

y

cuando

se

realicen

preliminares que garanticen la efectividad de la reparación.

28

pruebas

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Diagrama de flujo para la selección de camisas REPORTE DE INSPECCION

NO

¿FUGA?

NO SI ¿EL DEFECTO CRECE?

CALCULO DE TAMAÑO CRITICO Y VIDA RESIDUAL

CÄLCULO PMPO

SI

INSTALAR CAMISA TIPO MECANICO O BY PASAR LA LINEA Y COLOCAR ENVOLVENTE TIPO B

¿DEFECTO RECHAZABLE? PAPO>Pop

NO

SI

REPARAR RECUBRIMIENTO Y TAPAR EXCAVACION

COLOCAR ENVOLVENTE TIPO A DE TAMAÑO CORRECTO

¿VIDA RESIDUAL MAYOR QUE VIDA DE SERVICIO?

NO SI APLICAR RECUBRIMIENTO Y TAPAR EXCAVACION

COLOCAR ENVOLVENTE TIPO B DE TAMAÑO ADECUADO

APLICAR RECUBRIMIENTO Y TAPAR EXCAVACION

INSPECCIONAR EL DUCTO EN EL PERIODO DE TIEMPO RECOMENDADO

Tabla de selección de camisas

29

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DEFECTO

TIPO DE CAMISA

ORDEN DE S E V E R I D AD

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↓

Grieta larga y/o Profundidad >0.4t Grieta corta y/o Profundidad 0.6t) y erosión internas Corrosión externa severa (>0.8t) y larga Fuga localizada de cualquier tipo Ampollas y laminaciones (HIC) Picaduras externas (hasta 0.8t) pequeñas y aisladas Entalla aguda (>0.4t) o abolladura con entalla Corrosión Interna poco severa (0.6t) Corrosión externa poco severa (6% D.N. . Pliegues y deformaciones severas Bandas de inclusiones, acero de baja resistencia Puntos duros > 35 HRC, >2” y defectos menores en soldaduras Reparación de camisas defectuosas y “boilers” Refuerzo para cruces de camino

Tipo A SR No contiene presión únicamente refuerzo mecánico

Tipo A CR Dificil de hacer

Tipo B SR contiene presión solo en la circunferencia

NO metálica

Mecánica tipo B

Tipo B CR

No No

No Si

No No

No Si

Si Si

Si Si

No

No

No

No

Si

Si

No

No

Si

Cond.

Si

Si

No

No

No

Cond.

Si

Si

No

No

Si

No

Si

Si

No

No

SI

No

Si

Si

No

Si

No

Si

Si

Si

No

Si

No

Si

Si

Si

No

Si

Si

Si

Si

Si

No

3m Si

Cond.

Si

No

Si

Si

Si

No

Cond.

No

Si

Si

Si

Si

Si

No

Si

Si

Si

Cond.

Si

No

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Notas.1. t es el espesor nominal del tubo. 2 . SR e s s i n r e l l e n o y C R e s c o n r e l l e n o . 3. La camisa tipo Plidco es ajustada con birlos y soldada sobre el tubo. 4. El condicionamiento es que el GAID establezca el diseño y procedimiento de instalación o el contratista presente un reporte técnico certificado de la utilidad de su camisa en una prueba a escala real con un defecto similar.

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7.

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DISEÑO DE CAMISAS.

7.1 Material

El material de fabricación de la camisa en principio puede ser de cualquier tipo metálico o no metálico, siempre y cuando tenga la fabricabilidad, resistencia mecánica y durabilidad suficientes. Para las camisas tipo B es un requisito que resistan la acción del producto transportado y que sean soldables sobre el tubo, por lo que la selección del material es mas delicada. Por lo general, el uso de acero grado tubería similar al del ducto a reparar es suficiente para cumplir con los requerimientos de la camisa.

En las camisas con relleno de espacio anular, en el evento de una fuga, el producto entra en contacto con el material de relleno, siendo éste el que debe resistir la agresividad del fluido. Las camisas tipo A sin relleno y las camisas no metálicas (hasta ahora) no se deben aplicar donde haya riesgo de fuga, por lo tanto la selección del acero en base al producto transportado carece de sentido en estos dos casos. Se ha visto que en algunos casos se solicita acero para servicio amargo en la construcción de camisas tipo A ó B rellenas con resina, para reparaciones en ductos de gas amargo, lo que constituye un encarecimiento innecesario de la reparación.

Los materiales para camisas no metálicas, por otra parte, deben ser de alta resistencia, alta adhesividad, inertes al ataque del ambiente y del fluido transportado y deben ser maleables para poder conformarse sobre el tubo. La baja resistencia de los plásticos al calor y la luz ultavioleta limitan su aplicación en tuberías expuestas a insolación continua y que manejan producto a alta temperatura (mayor de 80 C). El constante desarrollo de los materiales compuestos, sin embargo, amplia día a día la aplicabilidad de las camisas no metálicas. La capacidad de resistir el 31

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ataque del fluido tanto en disolución como en adhesión abre la posibilidad de que la camisa se use para control de defectos fugantes.

7.2 Cálculo del espesor.

El cálculo del espesor y diámetro de la camisa deben ser objeto de análisis caso por caso. Para las camisas tipo A el análisis se realiza en base a la habilidad de la camisa para restringir la deformación del defecto y

la

expansión

del

tubo

a

presión.

Investigaciones

en

pruebas

hidrostáticas en tubería instrumentada y simulaciones por elemento finito, muestran que la transferencia del esfuerzo circunferencial del tubo hacia una camisa tipo A es muy baja (ver teoría del reforzamiento, página 10), de manera que los requerimientos de espesor y resistencia mecánica no son muy severos. Una regla simple es que el espesor sea al menos igual al espesor nominal del tubo, pero debe tenerse en cuenta que una camisa excesivamente gruesa resulta inconveniente, pues es mas difícil de conformar y puede ser demasiado pesada, lo que repercute en mayores esfuerzos en el tubo cercano sin reparar. Para las camisas tipo B el diseño debe hacerse como si se tratara de un recipiente a presión en concordancia con los códigos API 5L y ASME Secc. VIII, considerando para el cálculo el diámetro exterior de la camisa, el cual debe considerar el espacio anular. En ambos casos, sin embargo, lo ideal es realizar un análisis detallado de esfuerzos, donde la técnica de elementos finitos es muy recomendable, para establecer el espesor óptimo de la camisa, en especial cuando se utiliza relleno con resina.

7.3 Biseles y uniones.

El diseño de los biseles y uniones también es un aspecto importante del diseño de una camisa. Este diseño comúnmente se hace por experiencia o intuición, pero lo mas recomendable es hacerlo por medio de simulación por elementos finitos o probando el diseño en escala real. El propósito del 32

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diseño es obtener un tipo de bisel que minimice la concentración de esfuerzos, evitando la formación de zonas plásticas y agrietamientos. Esto último es particularmente importante en las camisas tipo B sin relleno, ya que existe la posibilidad de que el fluido transportado, al entrar en contacto con la soldadura provoque su agrietamiento. De acuerdo a algunas experiencias reportadas por los fabricantes, el bisel del extremo circunferencial mas recomendable es a un ángulo de 45° con respecto al tubo. Los empalmes a cero grados, por el contrario son los peores por la alta concentración de esfuerzos que involucran. Un esquema de esto se muestra a continuación.

EMPALME A 45°

BISEL A 45° CAMISA

PARED DEL TUBO DE CONDUCCIÓN

Fig. 7.1.- Unión recomendada para la soldadura circunferencial de una camisa tipo B

CAMISA EMPALME A 0°

TUBO DE CONDUCCIÓN 33

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Fig 7.2.- Unión no recomendable para camisas tipo B

8. INSTALACION 8.1 Procedimiento de instalación

El proceso que debe seguirse desde que se detecta la necesidad de reparar por encamisado hasta su aceptación como reparación, es el siguiente: 1.

Reducción de la presión de operación en el ducto (si procede)

2.

Inspección no destructiva para detección de zona sana para soldar (si procede) y establecer tamaño final de la reparación. Preparación de la superficie del tubo Resanado de la superficie si es necesario Montaje del encamisado Ajuste del encamisado Apriete de birlos (si procede) Soldadura longitudinal de las mitades (si procede) Aplicación de soldadura en los extremos de la camisa (si procede) Inspección no destructiva a los cordones de soldadura, Inyección de relleno al espacio libre entre ducto y camisa (si procede) Aplicación de recubrimiento anticorrosivo a la camisa. Tapado de la excavación.

3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.

A continuación se describen algunas de las etapas mas importantes de la instalación de camisas en ductos en servicio.

8.2 Reducción de la presión de operación

Una recomendación básica de toda reparación en servicio, es reducir la presión del tubo al momento de instalar la camisa. Esto con el fin de proteger a la cuadrilla de reparación, ya que siempre es posible que un defecto este al borde de su falla y también para que al retornar a la presión de operación, parte del esfuerzo circunferencial del tubo se transmita a la camisa como se vio en la sección 1.4. También, en las camisas tipo A, la deformación radial de un defecto disminuye al reducir 34

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la presión, de manera que al represionar con la camisa instalada la deformación radial es mas eficientemente restringida.

Como regla general se considera que una reducción de 20% de la presión de operación es suficiente para los fines anteriores. Cuando se tenga la seguridad de que la presión de operación es menor que el 80% de la PMPO del tubo con el defecto, la reparación se puede realizar si reducir la presión de operación.

Cuando no sea posible reducir la presión de operación, debe tenerse en cuenta que las camisas tipo A funcionaran solo en los represionamientos, mientras que las camisas tipo B funcionan al presentarse una fuga. Este principio es ilustrado en la figura siguiente

Defecto “abierto

PRESION ALTA

“Cierre” del defecto

Montaje de la camisa

PRESION REDUCIDA

REPRESIONAMIENTO

Fig. 8.2.- Esquema de la ventaja de la reducción de la presión en el reforzamiento de un tubo con un defecto abierto.

Preparación de la superficie del ducto

Después de haber disminuido la presión de operación, la superficie del ducto debe prepararse antes de colocar el encamisado, ya que una correcta instalación de la camisa requiere que exista un ajuste estrecho entre ésta y la zona dañada. Esto implica que los defectos superficiales 35

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que se extienden hacia el interior, como la corrosión localizada (cazuelas) y las abolladuras, sean resanados con un material endurecible antes de colocar la camisa para reestablecer la curvatura original de la superficie, como se muestra en la figura. Esto es aplicable para el la reparación con camisas tipo A y las no metálicas, con las que se busca reforzar el área defectuosa mediante la restricción de la deformación radial del defecto, que ocurrire cuando la tubería es presurizada.

DEFECTO SIN RESANAR, LIBRE DE DEFORMARSE

DEFECTO RESANADO, TRANSMITE ESFUERZO A LA CAMISA Y NO SE EXPANDE.

DUCTO

CAMISA

Fig. 8.2.- Resanado de defectos externos con material endurecible para un mejor refuerzo. Finalmente la superficie del tubo deber estar limpia, libre de óxido, grasa, tierra, humedad y suciedad en general, ya que estos afectan la soldadura, el ajuste de la camisa sobre el tubo y el sello del empaque en camisas mecánicas.

8.4 Montaje de la camisa

Cuando las camisas son de gran longitud, se recomienda utilizar grúas, con el objeto de facilitar su levantamiento y colocación, disminuyendo el riesgo de dañar el ducto a reparar.

Para éstos casos se requiere de

aditamentos en la camisa como una bisagra y orejas soldadas que sirvan para su adecuada sugección. 36

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ESLINGAS

CAMISA

ENTRADA PARA BIRLOS

BISAGRA

DUCTO

Fig. 8.3.- Montaje de una camisa de gran longitud.

8.5 Ajuste del encamisado

Una regla fundamental es que la camisa debe ajustar razonablemente bien al contorno del tubo, por lo que el ajuste sobre las coronas de las costuras longitudinales y las soldaduras circunferenciales requiere de atención especial. Este ajuste puede hacerse rebajando las coronas de soldadura (no recomendable en tubos a alta presión), usando tiras traslapadas (no recomendable si P > 50% SM y S), preformando la camisa o simplemente encimando la camisa sobre la costura. Esto es ilustrado en la figura 8.6 de la página siguiente.

Como

se

menciono

en

la

sección

de

fabricación,

la

secuencia

recomendada de soldadura de las camisas metálicas para lograr un buen ajuste es soldando primero las costuras longitudinales, a ambos lados simultáneamente si se tienen dos soldadores o si se tiene uno solo, alternando los pases a cada lado, las soldaduras circunferenciales se realizan al final.

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(a) rebajado de corona (b) Tira traslapada (c) Preformada

(d) Sin ajuste

Fig. 8.4.- Diferentes formas de ajuste de una camisa sobre una soldadura Por lo general, las camisas metálicas fabricadas a partir de medias cañas requieren una ajuste mecánico por medio de cadenas, gatos hidráulicos e inclusive

prensas,

los

diseños

de

estos

dispositivos

pueden

ser

sorprendentemente variables. En las figura siguientes se muestran dos métodos mecánicos simples para ajustar camisas.

GATO HIDRAULICO CON CADENA

TUBO

MECANISMO DE TENSION

TUBO

CAMISA

CADENA

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Fig. 8.5.- Aditamentos mecánicos para ajuste de la camisa sobre el ducto

En las camisas unidas con birlos figura 8.6, es posible relajar los esfuerzos en el tubo aplicando un torque lo suficientemente alto durante el apriete de la camisa, pero sin que llegue a estrangular el ducto; por lo que el torque debe ser calculado. La secuencia de apriete también debe ser cuidada, siguiendo la recomendación del fabricante, lo normal es una secuencia de zig-zag. En las camisas tipo B, puede practicarse un hot tapping a través del ducto y la camisa, para que la camisa quede presurizada, relajando completamente el esfuerzo en el tubo original; sin embargo esto no debe hacerse en caso de que se sospeche que la perforación del tubo pueda ocasionar la propagación de una grieta.

L

Fig. 8.6.- Camisa sujetada con birlos.

Finalmente, debe remarcarse que ningún ajuste mecánico o por soldadura reemplaza la reducción de presión para la eficiencia de una camisa. 39

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2

4

1

3

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6

8

5

7

birlos

Fig. 8.7.- Secuencia recomendada para apriete de tuercas de una camisa con sujeta con birlos 8.6 Precauciones para soldadura en los extremos de la camisa

Cuando se aplica soldadura para unir los extremos de una camisa, en especial en las de tipo B, se debe tener mayor cuidado que con una soldadura

normal.

Los

cuidados

para

soldar

una

camisa

han

sido

extensamente estudiados y se resumen a continuación:

a) QUEMADURA.- La quemadura es la penetración excesiva de la soldadura en el espesor del tubo. Tal penetración puede causar la perforación de la pared de la tubería causando una fuga, además de introducir posibles agrietamientos

puntos duros y socavones que harían

que la reparación fuese incluso mas riesgosa que el mismo defecto a reparar. La quemadura depende del espesor de pared del tubo a reparar, la entrada de calor por la soldadura y las condiciones de flujo en el tubo y básicamente es controlada por la temperatura de la superficie interna de la tubería. Generalmente, en acero, la perforación por quemadura no ocurrirá a menos que la temperatura de la pared interna exceda los 980 C. La condición para soldar una camisa sobre un tubo en servicio, evitando la quemadura es minimizar la entrada de calor al tubo.

El riesgo de quemadura se incrementa con la reducción de espesor. Para gases, los espesores mínimos recomendados para soldar se dan en 40

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función de la velocidad de flujo, en la tabla siguiente. Estos valores son conservadores y permiten la interpolación, para condiciones intermedias y extrapolación para valores fuera de los limites de la tabla.

Espesores mínimos para soldar tubos sin riesgo de quemaduras. Presión Velocidad de flujo de gas (m/seg) [kg/cm 2 ] (psi)

0

5

10

20

15

0.320

--

--

--

500

0.300

0.270

0.240

0.205

900

0.280

0.235

0.190

0.150

En general, el riesgo de quemadura es muy bajo para ductos con espesores mayores de 0.250 plg, siempre y cuando se suelde con electrodos de bajo hidrógeno (tipo EXX18) y se siga una práctica certificada de soldadura.

De acuerdo a las recomendaciones de la American Gas Association y la British Gas Corp., la quemadura es evitada, para los espesores de la tabla anterior, si se usan electrodos de bajo hidrogeno (EXX18), de 3/32 a 1/8 de pulgada de diámetro, 80 a 110 Amps de corriente y de 20 a 22 Volts CD y una velocidad de electrodo de 4 a 5 plg/minuto. Bajo estas condiciones se puede soldar en posiciones horizontal, vertical y de cabeza. Una creencia común entre los operadores de ductos es que la reducción de la presión y el flujo ayudan a disminuir el riesgo de quemadura. Esta creencia es falsa ya que por una parte, el enfriamiento es mas eficiente a mayor velocidad de flujo y en gases la conductividad térmica aumenta con la presión y por otra parte, la reducción de esfuerzo disminuye muy poco el riesgo de una falla, pues el área fundida y la zonas afectada por calor en una soldadura son muy pequeñas y no reducen la resistencia mecánica del tubo. La reducción de presión debe

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considerarse bien más para efectos de seguridad y eficiencia de la transferencia de esfuerzos a la camisa y no por riesgo de quemadura.

b) PRECALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO.- Si una soldadura se enfría rápidamente existe el riesgo de fragilizar el depósito, atrapar hidrógeno o favorecer la formación de grietas por servicio. El precalentamiento ayuda a evitar el enfriamiento rápido, sin embargo el flujo del ducto puede hacer que el precalentamiento no sea posible en la práctica; entonces se recomienda el fondeo con un flujo limitado de calor utilizando electrodos de 2.5 mm y aplicando los pasos subsiguientes de manera que el calor del nuevo paso provoque el revenido del paso previo. La idea es que el deposito al final tenga una dureza que no exceda los 400 HV.

Es

recomendable el uso de mantas de asbesto con las que se cubre el cordón de soldadura conforme se vaya aplicando,

para minimizar el

enfriamiento brusco. La secuencia recomendada de soldadura para una unión circunferencial camisa tubo es la siguiente.

6 Camisa 5 1

4 2

3

Tubo conductor

Fig. 8.7.- Secuencia recomendada de pases para la soldadura de una camisa de gran espesor a un ducto. c) ATRAPAMIENTO DE HIDROGENO.- El atrapamiento de hidrogeno debe evitarse a toda costa en una reparación en servicio, por lo que el uso de electrodos de bajo hidrogeno (menos de 5 ml / 100g) es obligatorio. Los electrodos deben estar empacados en envases al vacío en grupos reducidos de hasta 10 electrodos máximo, para asegurar una breve exposición al aire y la superficie debe estar libre de grasa, aceite, solventes y humedad (condensación). La susceptibilidad al agrietamiento 42

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por hidrógeno se incrementa con el contenido de carbono en el acero, por lo que es recomendable verificar el carbono equivalente no sea mayor de 0.42, de acuerdo a la siguiente formula.

CE = %C + %Mn/6 + (%Cu + %Ni)/15 + (%Cr + %Mo + %V)/5

(% peso)

El agrietamiento por hidrógeno ocurre por la combinación del hidrogeno con una microestructura dura en el acero. Las microestructuras duras en los aceros son producidas por enfriamiento rápido, por lo que el control de la entrada de calor es importante. Para evitar enfriamientos rápidos que produzcan fragilidad, se recomienda utilizar electrodos de 1/8” de diámetro a 110 amps y 22 Volts, con una velocidad máxima de 25 cm/min.

Como se puede ver, existe un compromiso entre la quemadura y el agrietamiento por hidrogeno en soldadura de tuberías en servicio, pues mientras

la

quemadura

es

evitada

con

enfriamientos

rápidos,

el

agrietamiento es favorecido por este. Por lo general el riesgo de quemado es remoto en tuberías de espesores mayores de 0.250”, de modo que la atención puede centrarse en el hidrógeno, para tuberías de mayor espesor. En tuberías de espesor bajo (menos de 0,250”) un cuidadoso análisis de la transferencia de calor debe hacerse para encontrar las condiciones que reduzcan al mismo tiempo el riesgo de quemado y el agrietamiento por hidrogeno. Para este fin, el uso de simuladores por computadora y de mediciones de capacidad de enfriamiento de los ductos son de gran ayuda. Cuando no se puede controlar la rapidez de enfriamiento otras alternativas pueden ser contempladas como el cambio de

materiales

(electrodos

extra

bajo

hidrogeno,

acero

inoxidable

austenítico) y un procedimiento cuidadoso de soldadura.

d) ESFUERZOS RESIDUALES.- Los esfuerzos residuales en soldaduras y zonas afectadas por calor pueden conducir al agrietamiento inmediato o en servicio, por lo que los biseles deben ser diseñados adecuadamente y 43

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el procedimiento de soldadura ser adecuado. Afortunadamente el proceso de soldadura es similar al descrito arriba. Los esfuerzos residuales son principalmente debidos a las contracciones térmicas que sufre el metal durante la soldadura, por lo que una secuencia correcta es la mejor prevención. Adicionalmente, la reducción de concentradores de esfuerzos y el correcto ajuste de la camisa, minimizando el espacio anular son de gran ayuda. El uso de metal de aporte suave puede ayudar, ya que las deformaciones

causadas

por

el

proceso

de

soldadura

pueden

ser

absorbidas por el depósito.

e) INSPECCION.- La inspección no destructiva es usada para verificar la calidad de las soldaduras, sin embargo esta inspección frecuentemente esta limitada a métodos superficiales (LP;PM) por la geometría de la unión, por lo que la mejor manera de asegurar una soldadura de calidad es utilizando materiales y equipos de alta calidad, y asignando el trabajo solamente a soldadores calificados.

Finalmente, debe recordarse que el agrietamiento por hidrogeno en soldaduras no ocurre inmediatamente, sino que demora algunas horas, por lo que es recomendable siempre que se pueda, inspeccionar las soldaduras circunferenciales entre 20 y 48 horas después de aplicadas. Las

técnicas

de

líquidos

penetrantes

o

partículas

magnéticas

son

adecuadas para la inspección de las grietas en la base de la soldadura de filete y el ultrasonido con haz angular es útil para las grietas en la raíz, como muestra la figura. Transductor UT SOLDADURA CAMISA PM, LP

DUCTO

grietas

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Fig. 8.8.- Técnicas y puntos de inspección de grietas por hidrogeno en las uniones de camisas con tubos

Como

ultima

inspección,

una

camisa

tipo

B

puede

probarse

hidrostáticamente antes de la puesta en servicio, inyectando nitrógeno u otro gas inerte, usando para esto los niples de la camisa.

f) APLICACION DE RECUBRIMIENTO A LA CAMISA

Una vez que el ducto ha sido reparado por encamisado es necesario protegerlo de la agresividad del medio, sobre todo si éste es salinoo acuoso, La protección debe aplicarse como a cualquier otro tramo del ducto, a menos que el fabricante de la camisa indique otra cosa.

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