Este articulo demostrará el conocimiento básico de las capacidades de tensiòn de las tuberías de perforación (Drillpipe) y algunos cálculos relacionados. Primero que nada hay que conocer algunos datos basicos de esfuerzos de materiales, en este caso, el material sería el metal.
Esfuerzo (σ)
El esfuerzo (σ) es igual a la fuerza dividida entre el área transversal del materiañl (F/A). Para nuestro caso, discutiremos solamente sobre el esfuerzo en tensión, porque el drill pipe siempre se diseña para trabajar en condiciones de tensión.Esfuerzo (σ) = F/A
Figura 1 - Esfuerzo (σ) = F/A
Deformación (ε)
La Deformación (ε) es un cambio en el material con respecto a una longitud original.Por definición es igual a ∆L/L .Deformación (ε) = ∆L/L
Figura 2 – Relaciòn de deformación.
Módulo de Young’s (Modulo de Elasticidad)
El Módulo de Young (de tensión o elástico) es un radio de esfuerzo y deformación a lo largo de un eje, y lo podemos representar por la siguiente ecuación:Módulo de Young= Esfuerzo (σ) ÷ Deformación (ε) = (F x L) ÷ (∆L x A)
Donde;F es la fuerza con la que se está halando.
L es la longitud original del tubo.
∆L es la cantidad de la cual la longitud del tubo ha cambiado.
A es el área de la secció transversal del objeto.
El Módulo de Young de un material representa el factor de proporcionalidad en la Ley de Hook, por lo tanto será válida dentro de la zona elástica. Existen diferentes unidades para el Módulo de Young, tales como N/m2 (Newton), Mega Pascal (N/mm2) y Libras por Pulgada Cuadrada (psi).
Curva Esfuerzo - Deformación
Esta curva es un gráfico derivado del Esfuerzo (σ) versus Deformación (ε) para una muestra de un material. La naturaleza de la curva varía según el tipo del material. La siguiente muestra un comportamiento de un metal:
Figura 3 – Curva Esfuerzo-Deformación
La Resistencia a la Ruptura es el máximo esfuerzo aplicado antes de que el material se parta completamente.
El Modulo de Young (modulo de elasticidad) vendría a ser la pendiente de la curva Esfuerzo-Deformación, dentro de los límites elásticos. Ello significa que una vez que la tensión sea menor que el Punto de Cedencia, el Moduilo de Young será valido para esta ecuación. Este valor para el acero es de 30 x 106 psi.
F
En las operaciones de perforación, se debe trabajar dentro del punto
de cedencia para que el metal recupere su forma original. Por ejemplo,
si se presenta una pega de tubería, la maxima tensión que se debe
aplicar para liberar la sarta pegada debe estar siempre por debajo del
punto de cedencia con factor de seguridad diseñado para la operación.
Grado del cuerpo del Drill Pipe
La norma API RP7G clasifica el grado del cuerpo de la tuberia de perforación de acuerdo al esfuerzo cedente y los requerimientos de tensión (ver la tabla 1 y 2). Se encuentran 04 grados de tuberia de perforación: “E”, “X”, “G” y “S”.
Tabla 1 – Grado del Drill Pipe API en unidades de uso en EEUU
Tabla 2 –Grado del Drill Pipe API en unidades del SI
Capacidad de Tensiòn del DrillPipe
La capacidad de tensión de la tubería de perforación es la maxima tensión aplicada antes de que se alcancen los limites de elasticidad, y la formula es:Capacidad de Tensión = Area de Seccion Transversal x Esfuerzo Cedente
Emplearemos unidades de uso en EEUU, por lo que las unidades de calculo serán:Capacidad de Tensión, en lb.
Area de Sección Transversal, en pulgadas cuadradas.
Esfuerzo Cedente, en psi.
Ejemplo
Para un DrillPipe API 5”, S-135, NC50, Clase Nuevo (100% Espesor de pared)
OD = 5 pulgadas
ID Nominal = 4,276 pulgadas
Minimo Esfuerzo Cedente = 135.000 psi
Cual será la capacidad de tensión para este tubular?
Figura 5 – Diagrama de un tubo nuevo (100% espesor de pared)
Espesor de Pared = (5" -4,276") ÷2 = 0,362 pulgadas.
Figura 6 – Espesor de pared de un tubo nuevo.
Area de Seccion Transversal del Tubo Nuevo= π x (OD2 – ID2) ÷ 4 = π x (5,02 – 4,2762) ÷ 4
Area de Seccion Transversal del Tubo Nuevo= 5,275 pulgadas cuadradas
Capacidad de Tensión = Area de la Sección Transversal x Esfuerzo Cedente
Capacidad de Tensión = 5,275 x 135.000 = 712.070 lbs.
Cual será la Capacidad de Tensión de un Tubo Clase Premium (80% de espesor de pared)?
La tuberia clase premium es aquella que se define como un 80% de espesor de pared de un tubo nuevo.
Espesor de Pared del tubo nuevo = 0,362 pulgadas
Espesor de Pared de un Tubo Clase Premium = 0,8 x 0,362 = 0,290 pulgadas. por lo tanto el OD es 4,856”.
Area de Seccion Transversal del Tubo Premium = 4,154 pulgadas cuadradas
Capacidad de Tensión = Area de la Sección Transversal x Esfuerzo Cedente
Capacidad de Tensión = 4,154 x 135.000 = 560.764 lbs.
Como puedes ver en este calculo, la tuberia clase premium tiene aproximadamente el 79% de tensión que un tubo clase nuevo. Esta acotación es muy importante para la ingenieria de diseño y operaciones de perforación. Si en un momento se llegara a tener una pega de tubería con tubería clase premium, debes aplicar una tensión menor a 560 KLbs con el fin de asegurarte que no deformaras o dañarás la sarta de perforación.
Siempre tienes que recordar que en tus operaciones de perforación se debe operar la sarta dentro de los limites de tensión.
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Articulo traducido desde DRILLINGFORMULAS.COM
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