ANÁLISIS DE JUNTAS TUBULARES CON ELEMENTOS FINITOS SUBESTRUCTURA

Transcripción

1 ANÁLISIS DE JUNTAS TUBULARES CON ELEMENTOS FINITOS SUBESTRUCTURA Carlos CORTÉS SALAS y Oswaldo SÁNCHEZ RUBIO Instituto Mexicano del Petróleo, Eje Lázaro Cárdenas No. 52, Apto. Postal 4-805, México, D. F., TEL: , Fax ; ccsalas@imp.mx

2 GENERALIDADES Antecedentes. Obje-vo del análisis de juntas tubulares con elementos finitos Alcance. Descripción. MODELO DE INSTALACIÓN CONEXIONES CON ALTOS NIVELES DE ESFUERZOS

3 MODELO DE JUNTAS PARA ANÁLISIS CON ELEMENTOS FINITOS Modelo y Materiales Cargas y restricciones RESULTADOS DE LOS ANÁLISIS Resultados de la Junta 80 Resultados de la Junta 53 CONCLUSIONES

4 Antecedentes Como parte del proceso de diseño de una plataforma, se realizaron los análisis en sitio; operación, tormenta, sismo, fatiga y los análisis de la ingeniería de instalación: carga, transportación, lanzamiento, posicionamiento vertical e instalación de la subestructura encontrandose juntas tubulares con altos niveles de esfuerzos, en las diferentes etapas de la ingeniería de instalación. Por lo anterior, se identificaron las conexiones críticas en la etapa que rige la revisión y se seleccionaron las más representativas para realizar los análisis detallados con elementos finitos.

5 Objetivo del análisis de juntas tubulares con elementos finitos Verificar la integridad de las juntas de la subestructura de la plataforma, con altos niveles de esfuerzos detectados en los análisis de instalación, esto en base a la distribución de esfuerzos y deformaciones de los canutos y en caso necesario integrar elementos de reforzamiento. Alcance Incluye la modelación de las conexiones con altos niveles de esfuerzos, determinación del sistema de solicitaciones obtenido de la condición crítica de los análisis de instalación (carga, transportación, lanzamiento), análisis detallado con elementos finitos, interpretación de resultados y elaboración de conclusiones y/o recomendaciones.

6 Descripción La subestructura está estructurada con ocho columnas de acero estructural dispuestas en cuatro marcos transversales y dos longitudinales. Cuenta con una estructura adosada al eje B entre los ejes 2 y 3, instalada desde patio, las columnas de esquina de los ejes y 4, presentan doble pendiente, mientas que las columnas de los ejes 2 y 3 tienen pendiente simple. Los diámetros y espesores de las columnas son: 65Øx44.45mm (65 Øx.750 ), entre las elevaciones M y la M. Entre las elevaciones M, M, M y M se tienen diámetros y espesores de 65Øx9.05mm (65 Øx0.750 ) a 65Øx22.23mm (65 Øx0.875 ).

7 Descripción (cont.) El sobre-espesor de pierna en juntas tubulares, conocido como canuto ( joint can ), entre elevaciones M a M, son: 65Øx38.mm (65 Øx.50). Se incluyeron elementos de arriostramiento para formar marcos longitudinales y transversales, a través de elementos tubulares con diámetros y espesores que varían de 60Øx25.4mm (24 Øx.0 ) a 762Øx25.4mm (30 Øx.0 ). Se cuenta con seis plantas de arriostramiento horizontal, localizadas en las elevaciones M, M, M, M, M, M.

8 MODELO DE INSTALACIÓN En la siguiente figura se muestra el modelo de la subestructura de la plataforma, utilizada para la elaboración de la ingeniería de instalación.

9 CONEXIONES CON ALTOS NIVELES DE ESFUERZOS Con base en los resultados de los análisis de instalación de la subestructura, se identificaron conexiones tubulares con altos niveles de esfuerzos, superiores a los permisibles, como se muestra en la tabla. REVISION DE JUNTAS CON RI >.00 JUNTA CARGA TRANSPORTACION LANZAMIENTO PENETRACION (PUNCHING SHEAR) COLAPSO GLOBAL

10 REVISION DE JUNTAS CON RI >.00 JUNTA CARGA TRANSPORTACION LANZAMIENTO COLAPSO GLOBAL

11 MODELO DE JUNTAS PARA ANÁLISIS CON ELEMENTOS FINITOS Con la finalidad de conocer los niveles de esfuerzos detallados en las conexiones tubulares de la plataforma, se elaboró un modelo de elementos finitos que en forma general muestra la pierna principal, el canuto, los elementos secundarios que convergen en ella y la silleta en la que se apoya la pierna. AREAS REAL NUM junta 80

12 Modelo y Materiales En la figura se observa el modelo general de elementos finitos utilizado para realizar la revisión de las juntas, este esta formado por elementos Shell93 de 8 nodos y fue modelado en el programa Ansys Ver. 0. ELEMENTS REAL NUM junta 80

13 Los materiales considerados son acero API 2H grado 50Z con esfuerzo de fluencia fy = Kg/cm² para el cuerpo principal del canuto y acero A-36 con fy = Kg/cm² para el resto del modelo, ambos con un modulo de elasticidad E = 2,000,000.0 Kg/cm². El comportamiento de ambos materiales fue considerado como perfectamente elástico, es decir no se modela la parte de la curva correspondiente a la plastificación del material.

14 Cargas y restricciones Se considera que el modelo se encuentra restringido en la dirección Z, por el apoyo que le proporciona la base de la silleta, y del mismo modo en la dirección Y pero solo en los extremos laterales de la silleta, simulando el efecto de las placas guía que se encuentran en la barcaza. Las cargas fueron obtenidas de las corridas estructurales hechas a la subestructura en condiciones de carga, transportación y lanzamiento; así mismo únicamente se modelaron las cargas axiales, esto es por que estas son las que provocan principalmente el efecto del colapso del canuto mientras que los momentos solo producen giro, mas no cargas. Las cargas y las propiedades de cada uno de los elementos se irán mostrando en una tabla individual a lo largo de las diferentes juntas a analizar.

15 ELEMENTS U F ACEL Maloob-C Junta 80

16 RESULTADOS DE LOS ANÁLISIS A continuación se muestran los resultados de los análisis hechos a las diferentes juntas mostradas en la tabla. Los valores de los resultados son el esfuerzo combinado Von Mises y su valor se encuentra en Kg/cm², los valores de las deformaciones se encuentran en centímetros. Se generó un análisis estructural de tipo elástico, con las características del modelo, cargas y restricciones mostradas anteriormente, el cual arrojó los resultados que se presentan a continuación.

17 Resultados de la Junta 80 La junta 80 tiene una interacción máxima de 5.20 en la condición 4 de la etapa de carga, se obtuvieron las propiedades geométricas de sus ramales así como sus elementos mecánicos (carga axial) del modelo y corrida estructural del programa SACS los cuales son mostrados en la siguiente tabla. JOINT MEMBER GRP LOAD CASE DIST FROM END M FORCE FX MT MOMENT MY MT-CM MOMENT MZ MT-CM E LLA ,209.80, LLB ,055.50,953.0

18 En la figura se muestra el modelo general de la junta 80, en este se nota que solo cuenta ramal. AREAS REAL NUM AREAS REAL NUM AREAS REAL NUM junta 80 junta 80 junta 80

19 Después de aplicar las cargas y realizar la corrida estructural se obtuvieron los resultados. En la figura se observan los esfuerzos resultantes en la superficie del modelo. NODAL SOLUTION STEP= SUB =6 TIME= SEQV (AVG) DMX = SMX =2976 NODAL SOLUTION STEP= SUB =6 TIME= SEQV (AVG) DMX = SMX =2976 MX MX Maloob-C Junta MN Maloob-C Junta Esfuerzos resultantes (Kg/cm²) en la superficie del modelo.

20 Esfuerzos CANUTO Deformaciones NODAL SOLUTION STEP= SUB =6 TIME= SEQV (AVG) DMX = SMN = SMX =2289 MX NODAL SOLUTION STEP= SUB =6 TIME= USUM (AVG) RSYS=0 DMX = SMN = SMX = MX MN MN Maloob-C Junta Maloob-C Junta 80 Los valores de los esfuerzos alcanzan niveles que no superan el esfuerzo de fluencia del material como lo es el caso del canuto que contienen un esfuerzo máximo en su superficie de 2289 Kg/cm² y siendo de acero especial su fy = 35 Kg/cm² esto significa que el esfuerzo resultante no supera el esfuerzo de fluencia del material.

21 Esfuerzos RAMAL Deformaciones NODAL SOLUTION STEP= SUB =6 TIME= SEQV (AVG) DMX = SMN =45.58 SMX =2976 NODAL SOLUTION STEP= SUB =6 TIME= USUM (AVG) RSYS=0 DMX = SMN = SMX = MX MN MX MN Maloob-C Junta Maloob-C Junta Los valores de los esfuerzos alcanzan niveles que superan el esfuerzo de fluencia del material de 2976 Kg/cm² y su fy = 2530 Kg/cm², por lo que podría esperarse plastificación del material y deformaciones permanentes. Pero debido a que las deformaciones son muy pequeñas 0.37 cm no afectaran el comportamiento global de la junta.

22 Esfuerzos AROS ATIEZADORES Deformaciones NODAL SOLUTION STEP= SUB =6 TIME= SEQV (AVG) DMX = SMN =2.535 SMX =252 MX NODAL SOLUTION STEP= SUB =6 TIME= USUM (AVG) RSYS=0 DMX = SMN = SMX = MX MN MN Maloob-C Junta Maloob-C Junta 80 Los valores de los esfuerzos alcanzan niveles que no superan el esfuerzo de fluencia del material con un esfuerzo máximo en su superficie de 252 Kg/ cm² y siendo de su fy = 2530 Kg/cm² esto significa que el esfuerzo resultante no supera el esfuerzo de fluencia del material.

23 Resultados de la Junta 53 La junta 53 tiene una interacción máxima de en la condición 4 de la etapa de transportación, se obtuvieron las propiedades geométricas de sus ramales así como sus elementos mecánicos (carga axial) del modelo y corrida estructural del programa SACS los cuales son mostrados en la tabla 6. JOINT MEMBER GRP 53 LOAD CASE DIST FROM END M FORCE FX MT MOMENT MY MT-CM MOMENT MZ MT-CM LL , L , A26G Z A A , B , M , A , H , PP , U27N- 53 8Q A26Y 30V ,

24 En la figura se muestra el modelo general de la junta 53, en este se nota que cuenta 0 ramales y 2 seguros marinos.

25 Después de aplicar las cargas y realizar la corrida estructural se obtuvieron los resultados. En la figura se observan los esfuerzos resultantes en la superficie del modelo. Esfuerzos resultantes (Kg/cm²) en la superficie del modelo.

26 Esfuerzos CANUTO Deformaciones NODAL SOLUTION STEP= SUB =6 TIME= SEQV (AVG) DMX = SMN =6.02 SMX =475 MX NODAL SOLUTION STEP= SUB =6 TIME= USUM (AVG) RSYS=0 DMX = SMN =.0038 SMX = MN MX MN Maloob-C Junta Maloob-C Junta 53 Los valores de los esfuerzos alcanzan niveles que no superan el esfuerzo de fluencia del material como lo es el caso del ramal que contienen un esfuerzo máximo en su superficie de 475 Kg/cm² y siendo de acero especial su fy = 35 Kg/cm² esto significa que el esfuerzo resultante no supera el esfuerzo de fluencia del material.

27 Esfuerzos RAMALES Deformaciones NODAL SOLUTION STEP= SUB =6 TIME= SEQV (AVG) DMX = SMN =2.644 SMX =938 NODAL SOLUTION STEP= SUB =6 TIME= USUM (AVG) RSYS=0 DMX = SMN =.0000 SMX = MN MN MX MX Maloob-C Junta Maloob-C Junta Los valores de los esfuerzos alcanzan niveles altos sin superar el esfuerzo de fluencia del material como lo es el caso del ramal que contienen un esfuerzo máximo en su superficie de 938 Kg/cm² y su fy = 2530 Kg/cm².

28 Esfuerzos AROS ATIEZADORES Deformaciones NODAL SOLUTION STEP= SUB =6 TIME= SEQV (AVG) DMX = SMN =8.39 SMX =674 MX NODAL SOLUTION STEP= SUB =6 TIME= USUM (AVG) RSYS=0 DMX = SMN = SMX = MX MN MN Maloob-C Junta Maloob-C Junta 53 Los valores de los esfuerzos alcanzan niveles altos sin superar el esfuerzo de fluencia del material como lo es el caso del ramal que contienen un esfuerzo máximo en su superficie de 674 Kg/cm² y su fy = 2530 Kg/cm².

29 CONCLUSIONES Se analizaron las juntas tubulares de la subestructura de una plataforma, que en los análisis de instalación, carga, transportación y lanzamiento, reportaron los más altos niveles de esfuerzos, por cortante de penetración y/o por colapso global. Como el Método del elemento finito es una herramienta que permite localizar con precisión las zonas de concentración de esfuerzos, y los esfuerzos resultantes que muestra son una combinación de todos los actuantes en ese punto, se plantea la opción de llevar los esfuerzos hasta el fy para aprovechar mejor la capacidad del material.

30 CONCLUSIONES Las juntas tubulares, identificadas con los más altos niveles de esfuerzos, se aislaron y se analizaron por medio del programa ANSYS de Elemento Finito, dando como resultado la aparición de zonas de concentración de esfuerzos en la superficie del ramal que superan el esfuerzo de fluencia del material, adentrándose en la zona plástica. Por lo anterior, la carga de la subestructura a la barcaza, la transportación y el lanzamiento pueden llevarse a cabo sin que se presenten esfuerzos mayores a los permisibles o deformaciones permanentes en la subestructura.