Nivel de presión de tuberías y normas de diseño

El nivel de presión de una tubería se refiere al nivel máximo de presión de trabajo que el sistema de tuberías puede soportar. Este nivel suele estar determinado por los siguientes factores: el medio transportado por la tubería, el material de la tubería en sí y el proceso de fabricación. Su objetivo principal es garantizar que el sistema de tuberías pueda funcionar de forma segura y fiable sin causar daños a la producción o al medio ambiente.

La determinación del nivel de presión es el núcleo del diseño de tuberías de presión, y también es un requisito previo para el diseño y la verificación de tensiones, así como un factor importante que afecta a la inversión en infraestructura y la fiabilidad de las tuberías de presión. El nivel de presión de la tubería incluye dos aspectos: el nivel de presión nominal de los accesorios de tubería estándar (expresado en presión nominal) y el nivel de espesor de pared (expresado en nivel de espesor de pared). Por lo general, el nivel de presión de la tubería es un parámetro determinado por el nivel de presión nominal y el nivel de espesor de pared de los accesorios de tubería estándar.

Al determinar el nivel de presión de la tubería, se deben considerar los siguientes aspectos: las propiedades del medio transportado por la tubería (como el caudal, la densidad, la viscosidad, la temperatura, la presión y otros parámetros), el material y el proceso de la tubería en sí (como el material de la tubería, el revestimiento interno, las normas de fabricación, etc.), la presión externa o la carga que el sistema de tuberías debe soportar (como terremotos, cargas de viento, cargas de apoyo, etc.) y el factor de seguridad y la vida útil requeridos (como vida útil, tensión, fatiga, grietas, etc.). De acuerdo con estos indicadores y las necesidades reales de ingeniería, se pueden realizar cálculos y análisis sistemáticos para determinar el nivel de presión requerido de la tubería. Al mismo tiempo, también es necesario considerar las disposiciones de las normas y reglamentos nacionales pertinentes, así como la situación real y los requisitos de seguridad en el sitio.

1. Determinación del nivel de presión de la tubería

1.1 Determinación de la presión de diseño

La presión de diseño de la tubería: no debe ser inferior a la presión en las condiciones más exigentes compuestas de presión interna (o presión externa) y temperatura durante el funcionamiento normal.

Las condiciones más exigentes: se refieren a las condiciones que conducen al espesor máximo de pared o al nivel de presión nominal más alto de la tubería y los componentes de la tubería.

Teniendo en cuenta la influencia de factores como la presión de la columna hidrostática del medio, la presión de diseño generalmente debe ser ligeramente superior a la presión de trabajo más alta en las condiciones más exigentes compuestas de (o) presión externa y temperatura.

La presión de diseño de la tubería debe tener en cuenta los factores de presión interna y externa y la temperatura en las condiciones más exigentes. Por razones de seguridad, la presión de diseño generalmente es ligeramente superior a la presión de trabajo máxima.

Al determinar la presión de diseño, podemos referirnos a la práctica de los recipientes a presión y utilizar el método de aumentar el coeficiente de margen para garantizar un funcionamiento conveniente y seguro.

a. Generalmente, se determina la presión de diseño de los componentes de la tubería. Generalmente, se agrega un coeficiente de margen sobre la base de la presión de trabajo correspondiente. Generalmente, se determina la presión de diseño de los componentes de la tubería.

La presión de diseño de todas las tuberías conectadas a equipos o recipientes a presión no debe ser inferior a la presión de diseño del equipo o contenedor y cumplir con los siguientes requisitos:

b. Cuando hay un dispositivo de alivio de presión de seguridad en la tubería, indica que la tubería puede exceder su presión de funcionamiento normal durante el funcionamiento. El propósito de instalar un dispositivo de alivio de presión de seguridad (como una válvula de seguridad, un disco de ruptura, etc.) es liberar automáticamente la presión cuando el sistema excede su presión de funcionamiento normal, de modo que el hardware del sistema, como equipos y tuberías, pueda protegerse. En este momento, la presión de diseño de la tubería no debe ser inferior a la suma de la presión de alivio de seguridad y la presión estática de la columna de líquido.

Cuando no se instala ningún dispositivo de alivio de presión de seguridad, su presión de diseño no debe ser inferior a la suma de la presión máxima que puede alcanzar la fuente de presión y la presión estática de la columna de líquido.

La presión de diseño de la tubería de salida de una bomba centrífuga sin un dispositivo de alivio de presión de seguridad debe tomar el mayor de los dos valores siguientes:

(1) La presión de succión normal de la bomba centrífuga más 1,2 veces la diferencia de presión nominal de la salida de la bomba.

(2) La presión de succión máxima de la bomba centrífuga más la diferencia de presión de salida de la bomba

c. Las bombas con una gran altura en la tubería, especialmente las bombas reciprocantes, a menudo generan una mayor presión de sellado en la tubería y la bomba antes de la primera válvula de cierre dentro de un corto período de tiempo después del arranque. A veces, esta presión de sellado puede alcanzar un valor muy grande. En este momento, la presión de diseño de la tubería de salida de la bomba debe tomar el valor máximo de presión de sellado de la bomba.

d. La presión en la tubería del sistema de vacío es la presión atmosférica fuera de ella, por lo que su presión de diseño debe ser de 0,1 MPa de presión externa;

e. La presión de diseño de la tubería conectada a equipos como torres o contenedores no debe ser inferior a la presión de diseño del equipo conectado. Cuando hay una gran columna de líquido en la tubería, también se debe considerar la influencia de la presión estática del líquido.

De hecho, en el caso de la tubería, su fuerza es más complicada que la del equipo. Esto se debe a que, además de la carga media, a menudo está sujeta a la fuerza del sistema de tuberías generada por la expansión y contracción térmica de la tubería. Por lo tanto, la presión de diseño de la tubería generalmente no debe ser inferior a la presión de diseño del equipo.

2. Factores que afectan la determinación del nivel de presión de la tubería

Además de la temperatura y la presión de diseño mencionadas anteriormente, que son los parámetros básicos para determinar el nivel de presión de la tubería, existen otros factores que afectan la determinación del nivel de presión de la tubería. Entre ellos, el sistema estándar de aplicación, los materiales, los medios y las condiciones de operación son factores importantes.

2.1 Selección del sistema estándar de aplicación

Debido a las diferentes series de niveles de presión nominal bajo diferentes sistemas estándar, los manómetros de temperatura-presión correspondientes también son diferentes. Por lo tanto, incluso bajo las mismas condiciones de diseño, si se seleccionan diferentes estándares de aplicación, el nivel de presión nominal puede ser diferente. Por lo tanto, antes de determinar el nivel de presión nominal de la tubería, es necesario aclarar primero el sistema estándar de aplicación utilizado.

2.2 Materiales utilizados en el sistema de tuberías

Las propiedades mecánicas de los diferentes materiales son diferentes, por lo que sus valores correspondientes en el manómetro de temperatura-presión estándar también serán diferentes. Antes de determinar la presión nominal de la tubería, es necesario dar prioridad a la selección del material de la tubería y sus componentes, porque la selección de materiales debe basarse en la temperatura de diseño, la presión de diseño y el medio de operación.

En circunstancias normales, los estándares de materiales utilizados para los diferentes componentes de la tubería también son diferentes. Por ejemplo, las tuberías generalmente están hechas de tubos, las bridas están hechas principalmente de piezas forjadas y las válvulas están hechas principalmente de piezas fundidas.

Independientemente de los estándares de materiales utilizados, deben tener el mismo nivel de propiedades del material, es decir, deben adaptarse a las mismas condiciones de operación y tener la misma resistencia; además, se debe prestar atención a la correspondencia entre tuberías, placas, barras y piezas fundidas.

El nivel de presión-temperatura de la brida se refiere a la presión de trabajo sin impacto más alta o la presión de trabajo máxima permitida que la brida puede soportar a diferentes temperaturas de operación. Está estrechamente relacionado con factores como el material de la brida y sus propiedades mecánicas de alta temperatura, el método de cálculo utilizado por la brida, etc. De acuerdo con la presión de trabajo sin impacto más alta de la brida a diferentes temperaturas de trabajo, la presión nominal de la brida y los accesorios de la brida deben seleccionarse razonablemente para lograr la coordinación con los accesorios para garantizar que los accesorios de la tubería puedan operar de manera segura y confiable en el dispositivo de tubería. Si los pernos y las juntas de la unión de la brida cumplen con las condiciones límite relevantes, y la alineación y el ensamblaje de la unión de la brida cumplen con las buenas prácticas, dicha unión de brida se puede aplicar a la clasificación de presión-temperatura. Si el valor nominal se utiliza para una unión de brida que no cumple con estas condiciones límite, es responsabilidad del usuario.

La temperatura nominal correspondiente a la presión nominal se refiere a la temperatura de la carcasa del recipiente a presión de la brida y los accesorios de la brida. En general, esta temperatura es la misma que la temperatura del fluido almacenado. El usuario es responsable de no seleccionar la clasificación de presión de acuerdo con la temperatura del fluido de almacenamiento. Cuando la temperatura es inferior a -29 ℃ (-20 ℉), la presión nominal seleccionada no debe ser mayor que el valor nominal a -29 ℃ (-20 ℉).

Las clasificaciones de presión-temperatura de varios materiales que se dan en la tabla de selección de presión-temperatura se refieren a la presión máxima de trabajo sin impacto (en presión manométrica) a la temperatura de trabajo indicada; para presiones a temperaturas intermedias, se permite la interpolación lineal.

La temperatura de trabajo se refiere a la temperatura del metal de la brida bajo presión. Cuando la temperatura de trabajo es inferior a 20 ℃, el valor máximo de presión de trabajo sin impacto de la brida es el mismo que el de 20 ℃. Para el acero ferrítico, el valor máximo de presión de trabajo sin impacto a 100 ℃ se puede utilizar hasta 120 ℃; para el acero inoxidable austenítico, el valor máximo de presión de trabajo sin impacto a 20 ℃ se puede utilizar hasta 50 ℃.

Cuando se utiliza la clasificación de presión-temperatura para la conexión de bridas, se debe considerar el riesgo de fugas causado por las fuerzas y momentos generados en la conexión de la tubería. Por lo tanto, se recomienda no utilizar bridas roscadas cuando la temperatura sea superior a 260 °C en condiciones de cambios rápidos de temperatura y ciclos térmicos.

3. Estándares de diseño clave para tuberías y entubado de pozos

Para garantizar que los sistemas de tuberías y entubado funcionen de manera óptima en condiciones de presión variables, se deben cumplir estándares de diseño específicos. Estos estándares son determinados por organizaciones internacionales como el Instituto Americano del Petróleo (API) y son esenciales para garantizar tanto la seguridad como la funcionalidad. Algunos de los estándares de diseño clave incluyen:

Especificaciones de tuberías API 5CT: esta norma rige el diseño y las especificaciones de las tuberías de revestimiento utilizadas en la industria del petróleo y el gas. Especifica los grados de material, las dimensiones y los procesos de fabricación que son adecuados para diferentes condiciones ambientales y de presión.

Especificaciones de tuberías API 5L: API 5L especifica los requisitos para las tuberías, asegurando que la resistencia del material sea suficiente para soportar las presiones internas de la tubería. Incluye detalles sobre los grados de material como X42, X52 y X60 que ofrecen diferentes niveles de resistencia a la presión.

Clasificación de presión y resistencia del material: la selección de materiales de tuberías y entubado, según los estándares API, se basa en gran medida en la presión máxima que se espera que el sistema soporte. Por ejemplo, se eligen materiales como el acero J55 para aplicaciones de presión moderada, mientras que se utilizan materiales como el N80Q en escenarios de mayor presión.

4. Cómo los niveles de presión de las tuberías afectan las opciones de diseño

Los niveles de presión de las tuberías afectan directamente el diseño de los sistemas de tuberías y revestimiento. Estos sistemas están diseñados para soportar rangos de presión específicos, y exceder estas presiones puede provocar fallas o daños catastróficos. La determinación de la presión implica considerar factores como:

Presión de formación: la presión ejercida por los fluidos en el yacimiento que podría ejercerse sobre la carcasa del pozo. Esta presión debe medirse con precisión para garantizar que la carcasa pueda soportarla sin deformarse ni romperse.

Presión externa: la presión ejercida sobre la carcasa por las formaciones terrestres y los fluidos circundantes. En ciertos entornos, las presiones externas pueden superar las presiones internas, lo que hace que la selección de tuberías de acero de alta resistencia sea crucial.

Presión en la boca del pozo: la presión en la superficie del pozo, a menudo influenciada por la profundidad del pozo y las características del fluido dentro del yacimiento. Esta presión debe ser monitoreada de cerca para seleccionar la tubería adecuada para evitar fallas durante la extracción.

5. Selección de materiales según los niveles de presión

Uno de los aspectos más críticos del diseño de pozos es elegir los materiales correctos para la tubería y el revestimiento según los niveles de presión de la tubería. Los siguientes materiales se utilizan comúnmente en diversas aplicaciones de pozos, cada uno de los cuales ofrece diferentes características de rendimiento:

Revestimiento J55: se utiliza comúnmente en escenarios de baja presión debido a su resistencia moderada y resistencia a la corrosión. Se utiliza típicamente en pozos poco profundos donde la presión es menos intensa.

Revestimiento N80Q: un acero de mayor calidad, el N80Q está diseñado para soportar presiones más altas, especialmente en entornos más desafiantes como pozos profundos y zonas de alta temperatura.

Materiales de tubería de primera calidad: para condiciones de presión extrema, se utilizan materiales de primera calidad como CrMo o aleaciones resistentes a la corrosión para garantizar un rendimiento óptimo sin comprometer la integridad del pozo.

6. Normas de diseño comunes para equipos de tuberías a presión

Las siguientes son normas de diseño comunes:

1) GB50316-2008 Especificaciones de diseño de tuberías de metal industriales

2) GB50251-2015 Especificaciones de diseño de ingeniería de tuberías de gas;

3) GB50253-2014 Especificaciones de diseño de ingeniería de tuberías de petróleo;

4) GB50028-2016 Especificaciones de diseño de gas urbano;

5) GB50030-2013 Especificaciones de diseño de estaciones de oxígeno;

6) SH3059-2012 Reglas generales para la selección de equipos de diseño de tuberías petroquímicas;

7) SH3064-2003 Selección, inspección y aceptación de válvulas generales de acero petroquímico;

8) HG/T20646 Normas de diseño de materiales para tuberías de equipos químicos.

Preguntas frecuentes

1. ¿Por qué es importante la presión de la tubería de revestimiento?

La presión de la tubería de revestimiento es vital para mantener la integridad estructural del pozo y garantizar la extracción segura de petróleo o gas.

2.¿Cuál es el papel de la tubería en el diseño de pozos?

La tubería transporta el petróleo y el gas extraídos desde el yacimiento hasta la superficie y debe ser lo suficientemente fuerte como para soportar las presiones dentro de la tubería.

3.¿Cuáles son los mejores materiales para pozos de alta presión?

Los materiales como la tubería de revestimiento N80Q y la tubería de aleación premium son ideales para pozos de alta presión, ya que ofrecen durabilidad y resistencia a la corrosión.

4.¿Cómo se determinan los niveles de presión de la tubería?

Los niveles de presión de la tubería se determinan a través de una medición cuidadosa de las presiones de formación, las presiones externas y las presiones en la boca del pozo, lo que garantiza que la tubería y la tubería seleccionadas puedan soportar estas fuerzas.