Conforme pasa el tiempo y derivado de los distintos fenómenos metereológicos las distintas empresas que se dedican al diseño y construcción de plataformas marinas, se han dado a la tarea de llevar a cabo análisis en las estructuras que se emplean para la perforación y extracción de éste. Estas empresas se han dado cuenta que la cantidad de carga presente en cada una de las estructuras que conforman las plataformas requieren una confiabilidad para asegurar una eficiencia óptima para la obtención de éste recurso necesario, ya que los riesgos que implica el no realizar estos análisis aumentan en mayor medida los riesgos que se pudiesen presentar. Una de las primeras etapas para analizar el comportamiento de las plataformas marinas de producción consiste en la determinación de los efectos que provocan las cargas aplicadas sobre la superficie implicando un buen cálculo de la resistencia mecánica de todos sus componentes, así, con la aparición de las cargas, surgen los esfuerzos, raíz principal para medir la resistencia mecánica estructural de las plataformas marinas.
2.1.1 Definición de esfuerzo.
Una estructura es una armadura compuesta de elementos unidos por sus puntos extremos. Los elementos que comúnmente se usan en la construcción de las estructuras, están fabricados en su mayoría de metal, ángulos o canales y tubos. Las juntas de unión se forman usualmente remachando o soldando los extremos de los elementos a una placa común, llamada placa de unión, o simplemente haciendo pasar un perno largo o pasador a través de cada uno de los elementos estructurales.
Uno de los problemas fundamentales en la ingeniería consiste en la determinación del efecto de una carga sobre una parte estructural. Con el uso creciente de los materiales estructurales de alta resistencia y las conexiones soldadas, los aspectos no idealizados del comportamiento material han cobrado una mayor importancia en el diseño de elementos estructurales. Esta determinación es una parte esencial en el proceso de diseño en las plataformas de producción.
El esfuerzo es el término que se emplea para definir la intensidad y la dirección de las fuerzas internas que se producen en un componente estructural como consecuencia de una carga aplicada. La mayor parte de las estructuras no fallan por que sus esfuerzos calculados en función de la carga haya sobre pasado el esfuerzo de fluencia. Las fallas de las estructuras generalmente se deben a las suposiciones ideales utilizadas en su diseño [2.1]. Dichas suposiciones no conducen a una medición verdadera de la resistencia y del comportamiento de elementos estructurales reales sino que estas fallas generalmente son provocadas por discontinuidades geométricas presentes en las estructuras, las cuales provocan una concentración de esfuerzos, tal que provoca un aumento en el esfuerzo calculado que como consecuencia se puede llegar a observar que el esfuerzo de fluencia puede ser excedido en muchos lugares de la estructura sin que esta falle.
El diseño estructural es un proceso mediante el cual se establecen las dimensiones de los elementos componentes y del conjunto, de modo que tengan la suficiente resistencia
incluye el análisis de esfuerzos de estas partes y la consideración de las propiedades mecánicas de los materiales del componente estructural.
Una carga puede ser definida como una fuerza, un momento o un par de torsión aplicado a un elemento mecánico como lo es una estructura.
Cualquier carga aplicada se clasifica con respecto al tiempo en:
• Carga estática. Es aquella que se aplica en forma gradual de tal modo que el equilibrio en la parte estructural se alcanza en un tiempo relativamente corto. Con este tipo de carga la estructura no experimenta efectos dinámicos.
• Carga sostenida. Es considerada como el peso propio de la estructura, la cual es constante durante un largo periodo de tiempo.
• Carga de impacto. Es aquella carga que se aplica en forma rápida, usualmente se atribuye a una energía impartida a la estructura, pudiendo ser provocada por ejemplo por la existencia de cambios climatológicos como tormentas y huracanes.
• Carga cíclica. Es aquella que puede variar e inclusive invertirse el signo teniendo un periodo característico respecto al tiempo muy cambiante.
Estas cargas dependiendo del área sobre la cual actúa pueden ser:
• Carga concentrada. Es aquella carga puntual que se aplica en un área mucho menor que la del mismo elemento estructural.
• Carga distribuida. Es aquella que se distribuye a lo largo de toda el área de los elementos estructurales. En algunas ocasiones esta carga no se aplica en todo el elemento pero si se distribuye en un área mucho mayor que una carga concentrada.
Además estas cargas dependiendo de su localización y método de aplicación pueden ser: • Carga normal. Es aquella que pasa a través del centroide de la sección de la parte
estructural. Estas cargas pueden ser de tensión o de compresión, figura 2.1
Figura 2.1 Carga axial de tensión y compresión
• Carga cortante. Aquí la carga se supone colineal con una carga cortante transversal, , figura 2.2
• Carga flexionante. Esta carga se aplica transversalmente al eje longitudinal del elemento, figura 2.3
Figura 2.3 Carga Flexionante
• Carga de torsión. Este tipo de carga somete a un elemento a un movimiento de torsión, figura 2.4
Figura 2.4 Carga torsionante
• Carga combinada. Es aquella que muestra una combinación de dos o más de las cargas existentes, figura 2.5
Figura 2.5 Carga combinada
Generalmente las estructuras metálicas están fabricadas de aceros al carbono, los cuales se pueden clasificar debido:
• Al método de manufactura. Este da lugar, al acero bessemer de hogar abierto, de horno abierto de horno eléctrico y de crisol, entre otros.
• Su uso. Se refiere a la aplicación que se le dará una vez procesado, como aceros para maquinas, aceros para estructuras, aceros para resortes, aceros para calderas y aceros para herramientas.
• Su composición química. Este método indica, por medio de un sistema numérico, el contenido aproximado de los elementos importantes en el acero. Las especificaciones para los aceros representan los resultados del esfuerzo conjunto de la AISI y de la SAE en un programa de simplificación destinado a lograr mayor eficiencia para satisfacer las necesidades del acero en la industria.
Dentro de este marco de clasificaciones, los aceros al carbono y aceros aleados son dos de los metales de uso más común en las estructuras y tienen una amplia gama de aplicaciones.
El AISI así como la SAE clasifica a los aceros en: Aceros al Carbono, Aceros Aleados, Aceros de baja Aleación de baja resistencia, Aceros de Fase Dual, Aceros Inoxidables y
Aceros para herramientas y dados. De estos aceros, los aceros al carbono y aceros aleados son los más empleados en las Estructuras de las Plataformas
Los aceros al carbono se clasifican por lo general en función a la proporción del contenido de carbono que estos tengan. Estos aceros se clasifican en:
• Aceros al Bajo Carbono, también conocidos como aceros suaves o dulces. Estos aceros tienen menos de 0.3% de carbono, comúnmente son utilizados para productos industriales comunes, como pernos, tuercas, laminas, placas y tubos. • Aceros al Medio Carbono. Estos aceros tienen de 0.3% a 0.6% de carbono, son
generalmente utilizados en aplicaciones donde requieren una resistencia más elevada tal como en la fabricación de engranes, ejes, bielas y cigüeñales.
• Aceros al Alto Carbono. Son aquellos aceros que tienen más del 0.6% de carbono, se utilizan por lo general para partes que requieren una alta resistencia mecánica, dureza y resistencia al desgaste.
Las composiciones y el procesamiento de los aceros son controlados de manera que los hace adecuados para numerosos usos.
A los aceros se les agrega varios elementos de aleación, a fin de impartirles las propiedades de templabilidad, mejorar la resistencia a temperaturas comunes, mejorar la tenacidad a cualquier dureza o resistencia mínima, mejorar las propiedades mecánicas tanto a altas como a bajas temperaturas, aumentar la resistencia al desgaste, aumentar la resistencia ala corrosión, mejorar las propiedades magnéticas, mejorar la capacidad de trabajo.
Proceso de fabricación de tubería de perforación estirada en frió
En la acería se tiene un proceso de laminado continuo así como un laminado reductor estirador, los cuales a su vez se someten a tratamientos térmicos, en el primer caso se utiliza desgasificador al vació (vd), vibromolde y agitador electromagnético en colada continua. Axial mismo otro tratamiento térmico implica el proceso austenico, el templado y el revenido, en el cual otro proceso es un control no destructivo, corte biselado inspección de extremos recalibración plano de enfriamiento e inspección por ultrasonido [2.2]
Los elementos de aleación más comunes además del hierro y carbono presentes en el acero son:
• Azufre. Este elemento se mantiene por debajo del 0.005%. Este metaloide se combina con el hierro para formar sulfuro de hierro, el cual forma a su vez, una aleación eutéctica de bajo punto de fusión, con hierro que tiende a concentrase en las fronteras de grano. Cuando el acero se forja o lamina a altas temperaturas, se hace frágil, debido a la fusión de eutéctico sulfuro de hierro que destruye la cohesión entre los granos, permitiendo que se desarrollen grietas. En presencia de manganeso, el azufre tiende a formar sulfuro de manganeso en vez de sulfuro de hierro. Este puede salir en la escoria o permanecer como inclusión bien distribuida por toda la estructura. Se recomienda que la cantidad de manganeso sea de dos a ocho veces la cantidad de azufre.
• Manganeso. Este metal está presente en todos los aceros comerciales al carbono en el intervalo de 0.03 a 1.00%. El manganeso promueve la solidez de las piezas fundidas de acero a través de su acción de desoxidación en acero líquido.
• Fósforo. El contenido de fósforo generalmente se mantiene por debajo del 0.04%, cantidad que tiende a disolver en ferrita, aumentando ligeramente la resistencia y la dureza. En algunos aceros, del 0.07 al 0.12% de fósforo parece mejorar las propiedades de corte. En mayores cantidades, el fósforo reduce la ductilidad, aumentando con ello la tendencia del acero a agrietarse cuando se trabaja en frío.
• Silicio. La mayoría de los aceros comerciales contienen entre 0.05 y 0.3% de silicio. Este metaloide se disuelve en ferrita, aumentando la resistencia del acero sin disminuir en mucho la ductilidad. Promueve la desoxidación del acero líquido a través de la formación del dióxido de silicio, tendiendo así a dar mayor solidez en la pieza fundida.
Por otro lado, los aceros aleados, son aquellos que contienen cantidades significativas de elementos de aleación; se fabrican con más cuidado que los aceros al carbono. Los aceros aleados de grado estructural, según se indican en las especificaciones ASTM, son utilizados en las industrias de la construcción en razón de su alta resistencia. Estos aceros también pueden ser objeto de algún tratamiento térmico, con la finalidad de obtener las propiedades deseadas.
La presencia de cargas en una estructura provoca la generación de fuerzas internas direccionadas en el sentido de la aplicación de estas. La capacidad de soportar las cargas en un elemento estructural depende de la magnitud de estas fuerzas. Las fuerzas internas que actúan en los componentes estructurales están descritas en función de una cantidad llamada esfuerzo, la cual representa la intensidad de las fuerzas internas por unidad de área en las diferentes localizaciones de una sección determinada.
La presencia de esfuerzos en un componente estructural implica la disminución de resistencia en sus componentes. El análisis de esfuerzos mediante el Método del Elemento Finito resulta ser una herramienta analítica muy útil con la cuál se pueden analizar los esfuerzos presentes en las estructuras, así como la magnitud de la deformación máxima, y bajo ciertas condiciones la vida remanente del componente garantizando un buen factor de seguridad que asegure el buen funcionamiento de un componte estructural.
2.2 Metodología para el cálculo de la resistencia mecánica empleando métodos