INTRODUCCIÓN

Investigaciones recientes sobre el comportamiento del acero Duplex bajo protección catódica han revelado una posibilidad de iniciación y propagación de grietas a partir de un punto de elevada deformación por tracción expuesto al medio ambiente que podría generar una falla catastrófica en las tuberías y en los componentes asociados. Este hallazgo tiene un efecto significativo sobre numerosas instalaciones submarinas existentes y futuras donde se utiliza acero Duplex para las piezas fundamentales.

EL ESTUDIO

El nuevo desarrollo Ekofisk de ConocoPhillips del año 2006 incluía una línea submarina 18” de diám. int. nom. y 64,9 bar construida con acero Duplex. Esta línea, y todos los conectores dentro de ella, debían diseñarse considerando los hallazgos del nuevo trabajo de investigación para poder satisfacer los requisitos de las evaluaciones del proyecto HISC II de DNV y para obtener una licencia para operar.

ConocoPhillips seleccionó conectores Taper Lok® para utilizar en esta línea debido a sus fuerzas habitualmente superiores, y adaptar los requisitos del nuevo diseño a concentraciones de máxima deformación era un concepto nuevo que requería investigación. Con el fin de investigar el diseño del conector Taper Lok® seleccionado para áreas de posible deformación excesiva, utilizamos análisis de elementos finitos (FEA) bidimensional simétrico respecto del eje. El análisis del diseño se dividió en dos partes:

a) La consideración de las propiedades lineales de los materiales para encontrar cualquier área que pudiera superar el 80% de rendimiento.

b) Para áreas que excedieran el 80% de rendimiento, la investigación del nivel de máxima deformación en la misma área considerando las propiedades no lineales de los materiales.
Los criterios finales de aceptación para la máxima deformación principal fueron de 0,4% sobre el total de espesor de sección, pero de un pico máximo de 0,6% en un área de menos de 5% de espesor de sección.

La dirección de la deformación también se tuvo en cuenta ya que no era probable que un área bajo compresión dominante se rompiera y permitiera la propagación de grietas de modo que pudiera ser tratada de manera distinta a un área con alta tensión.

El análisis inicial del conector Taper Lok® mostró áreas donde se esperaba ver concentraciones potenciales de alta tensión/deformación, es decir cantos vivos, empaquetadura, área del bisel de soldadura; sin embargo, todas estas regiones destacadas pudieron ser reducidas mediante alguna simple modificación menor de la geometría o la inclusión de radios mayores.

El FEA permitió realizar modificaciones simples de la geometría y volvió a realizar el análisis con rapidez, de modo que de inmediato obtuvimos un diseño que cumplía con los requisitos y estaba listo para la fabricación. La exactitud del análisis se logró dividiendo las bridas en zonas y creando una alta densidad de malla en las zonas de interés, mientras que las otras áreas no afectadas de la brida eran relativamente gruesas.

El conector Taper Lok® demostró ser ideal para los requisitos de aplicación y del nuevo diseño debido a que la pre-tensión de pernos relativamente baja no creaba cargas concentradas muy altas, la empaquetadura de área amplia distribuía la fuerza de contacto de forma pareja y no había rotación/deformación de la brida durante la aplicación de tensión a los pernos. El cuello largo, regular y delgado de la extremidad del conector Taper Lok® permitía que las tensiones fluyeran de forma pareja del tubo al cuerpo de la brida en lugar de golpear un canto vivo en el frente de la brida e intensificar las tensiones.

Además de los trabajos de FEA realizados para asegurar la eliminación de todas las concentraciones potenciales de alta tensión/deformación, se implementaron las siguientes prácticas:

• Selección de acerías y forjadores adecuados capaces de satisfacer los estrictos requisitos de microestructura (contenido de ferrita y refinamiento de grano) para el suministro de forja en el grado seleccionado (ASTM A182 F60).
• Mantenimiento de entorno y equipos “estériles” para garantizar que el material permanezca sin contaminarse en todo momento durante los procesos internos de fabricación y manipulación (incluido el envío de cada pieza individual en cajas de madera nuevas para decapado y pasivación).
• Revestimiento de todos los conectores con una capa de aluminio de pulverizado térmico (TSA) para evitar la exposición de la superficie de acero Duplex al medio ambiente durante las tareas de servicio.

Todos los trabajos realizados por Welding Units fueron revisados y aceptados por ConocoPhillips y DNV; en consecuencia, se otorgó licencia para operar a las bridas.
El resultado de este trabajo ha significado un aporte valioso al recientemente publicado informe técnico de DNV N.° 200503237 sobre pautas de diseño para acero inoxidable Duplex que se utiliza en equipos submarinos expuestos a protección catódica.

Volver a Estudios de casos