INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALtesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/18063/1... · 2017-09-01 · be pneumatic, hydraulic, electrical, mechanical or a combination of some of them

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA

SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS

“OPTIMIZACIÓN DEL MECANISMO DE CIERRE RÁPIDO

DE UNA VÁLVULA DE CORTE SDV PARA BATERÍAS DE

SEPARACIÓN EN EL SISTEMA PETROLERO NACIONAL”

Tesis para obtener el grado de

Maestro en Ciencias con Especialidad en

Ingeniería Mecánica presenta:

Ing. Enrique Alonso Rivera González

Directores: Dr. Luis Héctor Hernández Gómez

Dr. Carlos Torres Torres

México D.F. Junio 2014.

INSTITlTTO POLITÉCNICO NACIONAL

COORDINACIÓN GENERAL DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

CARTA DE CESIÓN DE DERECHOS

En la ciudad de México, Distrito Federal, el día 26 del mes de Septiembre del año 2013 el

que suscribe Ing. Enrique Alonso Rivera González, alumno del Programa de Maestría en

Ciencias en Ingeniería Mecánica con número de registro 8021898, adscrito a la Sección de

Estudios de Posgrado e Investigación, de la ESIME Unidad Zacatenco, manifiesta que es

autor intelectual del presente Trabajo de Tesis, bajo la dirección del Dr. Luis Héctor

Hemández Gómez y el Dr. Carlos Torres Torres, y cede los derechos del trabajo intitulado:

"Optimización del Mecanismo de Cierre Rápido de una Válvula de Corte (SDV) para

Baterías de Separación en el Sistema Petrolero Nacional", al Instituto Politécnico Nacional

para su difusión, con fines académicos y de investigación.

Los usuarios de la información no deben reproducir el contexto textual, gráficas o datos del

trabajo sin el permiso expreso del autor y/o director del trabajo. Este-puede ser obtenido

escribiendo a las siguientes direcciones: [email protected];

[email protected]

Si el permiso se otorga, el usuario deberá dar el agradecimiento correspondiente y citar la

fuente del mismo.

/,.~_.....\ ---~-----· ~~~

Ing. Enrique Alonso Rivera González Nombre y firma

RESUMEN

El transporte de aceite y gas desde los pozos, hacia los puntos de venta de Petróleos

Mexicanos (PEMEX), viaja a través de diferentes instalaciones tales como baterías de

separación, estaciones de bombeo, centros de proceso, estaciones de compresión, entre otras.

En todos estos casos, existen sistemas instrumentados de seguridad, los cuales protegen la

instalación y/o el ducto.

Básicamente se utilizan válvulas de bola para este propósito. Las cuales funcionan con un

actuador, que puede ser del tipo neumático, hidráulico, eléctrico, mecánico o combinación de

estos. Se controla por medio de unos sensores. Cuando la presión sale de los rangos de

operación, cierran o abren la válvula, de acuerdo con el protocolo de seguridad. Como

resultado el hidrocarburo se aísla. De esta manera se mitigan los accidentes. Por lo tanto las

válvulas son uno de los componentes principales del sistema de paro por emergencia.

El conjunto válvula-actuador se le denomina SDV (Shut Down Valve), en el cual la válvula se

encuentra abierta siempre, cerrando solo en caso de emergencia. La alternativa en caso

contrario se llama BDV (Blow Down Valve). Normalmente está cerrada y abre en situaciones

de emergencia. El actuador seleccionado para este estudio es el de una SDV del tipo yugo

escocés, el cual convierte la fuerza lineal del pistón del cilindro neumático, en una fuerza que

cierra la válvula.

Una vez que se determinaron los parámetros de operación, el yugo escocés se rediseñó. El

brazo de palanca se modificó, de tal manera que el torque de salida se incremente. El análisis

estructural se determinó con el programa ANSYS. El yugo se modificó con la finalidad de

obtener el mayor torque del actuador, con menor presión neumática del cilindro. Como

resultado la vida del actuador se incrementa, el mantenimiento de las empaquetaduras

disminuye así como el tiempo de cierre se redujo. Se toma cuidado en cumplir con las

recomendaciones de la normativa aplicable de la industria petrolera mexicana.

Se analizaron diversas geometrías del yugo escocés. La estructura seleccionada con las pinzas

orientadas a 30° con respecto a su eje de simetría. En este caso, el torque se incrementa 37% y

los esfuerzos de carga máxima son menores a los observados en el diseño original. Esta

solución se puede aplicar en instalaciones similares de PEMEX.

En una etapa final, se utilizaron los nuevos parámetros en el diseño de un sistema de control

que funciona con nitrógeno. El cual se instaló en una válvula de 16” en la plataforma marina

(Marsopa) en el Golfo de México. Se calibró para detectar condiciones de alta y baja presión.

En caso de fuego se cierra el suministro de gas. Este sistema es autónomo.

ABSTRACT

The transport of oil and gas from the wells to the sale points of Petróleos Mexicanos

(PEMEX), goes through different facilities, such as batteries of separation, pumping and

compression stations and process plants, among others. In all these cases, there are

instrumented systems of security, which protects the industrial facilities and the piping system.

Basically, ball valves are used for this purpose. They are operated with an actuator, which can

be pneumatic, hydraulic, electrical, mechanical or a combination of some of them. They are

controlled by sensors. When the level pressure is out of the range of operation, the valves are

opened or closed, in accordance with the protocol of security. The hydrocarbon, which is

transported, is isolated. In this way, accidents are mitigate. Therefore, the valves are one of the

main components of the shut down system.

The set valve-actuator is denominated Shut Down Valve (SDV). The valve is normally opened

and is closed in an emergency situation. The alternative arrangement is denominated Blow

Down Valve (BDV). It is normally closed and is opened in an emergency situation. In the case

of this work, the performance of the actuator of a SDV is analyzed. Its main mechanism is a

Scottish yoke. It transforms the linear force of the piston of the pneumatic cylinder, into a

moment, which closes the attached valve.

Once the operation parameters of the actuator were determined, the Scottish yoke was

redesigned. The arm lever was modified, in such way that the output moment was

incremented. Its structural integrity was determined with ANSYS code. The yoke was

modified in order to obtain the biggest moment of the actuator with the lowest pneumatic

pressure of its cylinder. As a result, the life of the actuator was incremented, the maintenance

of the gaskets was diminished and the closing time was reduced. Care was take in order to

fulfill the recommendations of the applicable regulations of the Mexican oil industry.

Diverse geometries of the Scottish yoke were analyzed. In the selected arrangement, the nails

were oriented at 30° with respect to its axis of symmetry. In this case, the opening torque was

incremented 37% and the stress peaks were lower than those observed in the original design.

This solution can be applied in similar facilities of PEMEX.

In a final step, the new parameters were used in the design of a control system, which operates

with nitrogen. It was installed with a 16” valve in a marine platform (Marsopa) in the Gulf of

Mexico. It was calibrated to detect low and high pressure conditions. In case of fire, it close

the supply of gas. This system is autonomous.

DEDICATORIA

A Dios, por elegir para mí este destino, dándome la fortaleza y voluntad para

seguir adelante todos los días de mi vida.

A mis padres, Pablo Rivera Tremari (♰) y Columba González Aguilera, que me

dieron la vida y me enseñaron a ser una persona de bien, con valores y

principios, a conducirme con rectitud, así como apoyarme siempre en todos mis

proyectos. Sin su apoyo no hubiera llegado hasta aquí, a ustedes les dedico este

logro y les doy las gracias por ser unos padres ejemplares, a ti papá a donde

quiera que te encuentres, te sigo extrañando.

A mis hijos, Enrique y Hannia Valeria y a mi esposa Arlette, por su cariño y

apoyo, que sea una muestra del esfuerzo de cuando te propones un objetivo,

aunque esté muy alto, si te lo propones alcanzar con perseverancia, dedicación y

coraje, se puede obtener todo lo que quieres.

A mis hermanos Pablo (♰), Neyra, Javier, algún día les platiqué con obtener este

triunfo, les agradezco los ánimos y creer en mí. De ustedes aprendí a ser lo que

soy, los quiero mucho.

A mi gran amigo Jose Manuel Milo Mora, por su incondicional apoyo.

A mi tío Braulio González Aguilera, y amigos que de alguna u otra manera

colaboraron para poder realizar este proyecto, aunque sus nombres no estén

escritos aquí, pero sí en mi memoria.

A todos ellos les digo gracias.

AGRADECIMIENTOS

Al Instituto Politécnico Nacional y la Sección de Estudios de Posgrado e

Investigación (SEPI) de la ESIME-ZAC. Por darme la oportunidad de poder

superarme profesionalmente.

Al Dr. Luis Héctor Hernández Gómez, le agradezco infinitamente por todo su

tiempo, experiencia, apoyo y consejos dedicados para la realización de esta tesis.

A mis profesores de la maestría, por toda la enseñanza recibida, en especial a la

memoria del M. en C. Ricardo López Martínez (♰), por su gran amistad y apoyo.

A mis compañeros de la maestría por conformar un grupo de amistad y

compañerismo.

A mis compañeros del Grupo Multidisciplinario de Mantenimiento, Equipo

Dinámico y Sistemas Auxiliares del Activo de Producción Poza Rica-Altamira,

Región Norte, de Petróleos Mexicanos, en especial al Ing. Rafael Rangel Rivas,

por el apoyo y facilidades otorgadas para la realización de este trabajo.

A Petróleos Mexicanos que ha sido la empresa a la cual le debo mi experiencia

en este campo de la Ingeniería Mecánica.

Gracias.

"Los científicos estudian el mundo tal como es, los ingenieros crean el mundo que nunca ha sido".

Theodore von Kárman.

Optimización del mecanismo de cierre rápido de una válvula de corte SDV para baterías de separación, en el sistema

petrolero nacional

I

ÍNDICE

Índice…………….………………………………………………………………………….…..I

Índice de tablas…………………………………………………………………..……………..V

Índice de figuras……...……………………………..…………………………………...........VI

Simbología…..………………………………………………………………………………....X

Glosario…...…………………………………………………………………………………...XI

Introducción……..………………………………………………………………………….......1

Objetivo…..……………………………………………………………………………………..7

Justificación…….………………………………………………………………………...…….8

Metodología....….……………………………………………………………………..………..9

Capítulo 1. Generalidades sobre actuadores instalados en válvulas de corte rápido SDV.......10

1.1 El petróleo…….……....…………………………………………………………………...11

1.1.1 Origen del Petróleo……..……..…………………...……………………….………...11

1.1.2 Regiones Petroleras de México.......………………...………………………………...12

1.2 Transporte de hidrocarburos..........……..…………………………………………………15

1.2.1 Oleogasoducto.………………………………………………………………………..15

1.3 Separación de hidrocarburos……..………………………………………………..………17

1.3.1 Baterías de separación…………….……….………………………………………….17

1.3.2 Tipos de separadores……..…………………………………………………………...18

1.3.2.1 Separador tipo ciclón……..…..…..………………………………………………...18

1.3.2.2 Separadores bifásicos-trifásicos…...….…..………………………………………...19

1.4 Protección de oleogasoductos e instalaciones…………………………………………….22

1.4.1 Sistema de paro por emergencia (SPPE)....………..…..………………....…………..22

1.4.2 Sistema SCADA…………………......……………………………………………….24

1.4.3 Válvula de corte rápido (SDV)……......…………………….………………………..25

1.4.4 Actuadores de la válvula de corte rápido SDV…...…………………………………..25

1.4.5 Fuente de suministro neumático………....…………………………..…………….…33

1.4.6 Material de construcción de los actuadores de las válvulas de corte rápido………....34


petrolero nacional

II

1.4.7 Material de construcción del yugo escocés……….…………….…………………....35

1.4.8 Aplicaciones del hierro dúctil………..…..…………..……..……..………………….36

1.5 Tipo de junta para la válvula de corte rápido (SDV)….……....……….…..……………..37

1.5.1 Mecanismo tipo piñón-cremallera…....……..…..……………………………………37

1.5.2 Mecanismo tipo paleta rotatoria……...………………………………………………37

1.5.3 Mecanismo tipo yugo escocés…..….…………………………..…………………….38

1.6 Planteamiento del problema……..….….……………………………………………....….39

1.7 Referencias…….…..………………………………………………………………………41

Capítulo 2. Marco Teórico………………..…………………………………………………...42

2.1 Teorías de falla….…………………………………………………………………………43

2.1.1 Materiales dúctiles……………………….…………………………………………...43

2.1.1.1 Teoría del esfuerzo cortante máximo…….….……………………………………...44

2.1.1.2 Teoría de la energía máxima de distorsión (Criterio de Von Mises)…….....……...44

2.1.2 Materiales frágiles………………………………………………………….………....45

2.2 Historia del Método del Elemento Finito….........………….…...…………..…………….46

2.2.1 Método de Hrennikoff para el análisis del elemento finito ………......…………..…46

2.2.2 Método de Courant para el análisis del elemento finito…………………………..….46

2.2.3 Método de Galerkin para el análisis del elemento finito…….………….……………46

2.3 Análisis por elementos finitos mediante un programa de cómputo……..………………...49

2.3.1 Procedimiento general del análisis por elementos finitos aplicando un programa..….49

2.3.2 Conceptos para el modelado por el método del elemento finito……….….……….…50

2.3.2.1 Elementos planos 2D.................................................................................................51

2.3.2.2 Elementos cinemáticos 2D…..……………….…………..………………………....51

2.3.2.3 Elementos “Armadura”…….……….….…...….………………………….………..52

2.3.2.4 Elementos “Viga”…….……….……………………………………………………53

2.3.2.5 Elementos Axisimétricos…….……………..………………………………………53

2.3.2.6 Sólidos elásticos tridimensionales o elementos Brick………….....…..…….……...54

2.3.3 Selección del tipo de Elementos.……………………………………………………..56

2.4 Programa ANSYS®……………………………………………………………...………..56

2.5 Consideraciones en el análisis del yugo escocés con el programa ANSYS®……………58


petrolero nacional

III

2.5 Referencias………...………………………………………………………………………59

Capítulo 3 Análisis del yugo escocés…....…………………………………………………….60

3.1 Modificación del mecanismo de cierre rápido de una válvula de bola SDV de 12” Ø...…61

3.1.1 Problemática de las válvulas de corte rápido (SDV) de la red de gasoductos urbanos

en la ciudad de Poza Rica, Veracruz..…………………………...………………………....61

3.1.2 Válvula SDV y gasoducto a analizar….……………………………………………...62

3.1.3 Dimensiones del cilindro neumático…..….………………………………….……….65

3.1.4 Cálculo del cilindro neumático de simple efecto en el avance…..………….……….66

3.2 Modificaciones propuestas del yugo escocés……………………………………………..69

Capítulo 4 Evaluación de resultados...……..………………………………………………….74

4.1 Simulación numérica y análisis de resultados…………………………………………….75

4.1.1 Desarrollo del modelo…………………………………………………………………...75

4.1.2 Tipo de elemento y propiedades del material…………………………………………...75

4.1.3 Condiciones de frontera y aplicación de las cargas……………………………………..76

4.1.4 Convergencia……………………………………………………………………………76

4.1.5 Aplicaciones de las cargas a los modelos estudiados…………………………………...78

4.1.6 Resultados de los modelos estudiados…………………………………………………..79

4.2.Discusión de los resultados obtenidos………..………………………………….………..85

Conclusiones…………………………………………………………………………………..88

Recomendaciones para trabajos futuros………………….……………………………………92

Anexo A.………..………………………………………………………………………...…...95

A.1 Posible aplicación de mejora al mecanismo de las válvulas SDV, en el enlace con

instalaciones costa afuera.……..…………………………………..……………………….96

A.2 Aplicación de mejora al mecanismo de las válvulas SDV, en instalaciones costa afuera

………………………………………………………………………………………………91

A.3 Importancia de la utilización de la válvula de corte rápido……..……………………100

A.4 Área de oportunidades en el Activo de Producción Poza Rica- Altamira, Región Norte

……………………………………………………………………………………………...104

Anexo B....………..………………………………………………………………………….105

B.1 Diseño del tablero de control de una válvula de corte rápido SDV………..…..……106


petrolero nacional

IV

B2. Filosofía de operación de una válvula de corte rápido SDV, de acción simple con

CIretorno por resorte, en forma automática y manual……………………………………….108

Anexo C....………..……………………………………………………………………….....112

C1. Técnica de fotoelasticidad……….……………………………………………………113


petrolero nacional

V

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1-1 Variedades de crudo para exportación que produce Pemex………….……………12

Tabla 1-2 Tipos de actuador de las válvulas de corte rápido que se utilizan en instalaciones

costa fuera……………………………………………………………………………………..26

Tabla 1-3 Tipos de actuador de las válvulas de corte rápido que se utilizan en instalaciones

terrestres……………………………………………………………………………………….27

Tabla 1-4 Propiedades mecánicas de diferentes grados de hierro dúctil…..………………….36

Tabla 4-1 Cargas aplicadas a los modelos analizados………………………………………...78

Tabla R-1 Tiempos de apertura y cierre de los actuadores hidráulicos………………………93

Tabla A-7 Censo, costo estimado en su refaccionamiento de las válvulas SDV del Activo de

Producción Poza Rica-Altamira, Región Norte……….……….………………………..…...104

Tabla B-1 Ficha técnica de la SDV para la cual se construyó el tablero de control

neumático…………………………………………………………………………………….106

Tabla B-2 Costo de materiales para fabricar el tablero de control de una SDV………….….107

Tabla C-1 Características de franjas isocromáticas………………………………………….115


petrolero nacional

VI

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1-1 Región Norte y sus activos (zona petrolera)……..………………………………12

Figura 1-2 Región Sur y sus activos (zona petrolera)…....……………………………………13

Figura 1-3 Región Marina Noreste y sus activos (zona petrolera)…………..…..…………....14

Figura 1-4 Región Marina Suroeste y sus activos (zona petrolera)…………..…..…………...14

Figura 1-5 Construcción del primer oleogasoducto en México…..…………..……………….15

Figura 1-6 Red de oleogasoductos de la Región Marina Noreste…..……………..………….16

Figura 1-7 Llegada del oleogasoducto de 20”Ø marino de enlace de la Plataforma Marsopa a

la batería de separación Punta de Piedra………………………………………………………16

Figura 1-8 Esquema típico de una batería de separación…….……………………………….18

Figura 1-9 Separador ciclónico vertical y sus elementos internos…...……………………….19

Figura 1-10 Separador horizontal con sus instrumentos de medición…..…………………….21

Figura 1-11 Esquema de un separador trifásico…..…………………………………………...21

Figura 1-12 Separador vertical bifásico…..............…………………………………………...22

Figura 1-13 Esquema de un separador horizontal bifásico..….……..………………………..22

Figura 1-14 Sistema digital de monitoreo y control del sistema de paro por emergencia del

centro de proceso Nohoch-Alfa, Activo Cantarell, Región Marina Noreste…………………23

Figura 1-15 Centro de monitoreo y control SCADA………………………………………….24

Figura 1-16 Esquema de una válvula de bola mostrando sus componentes internos…..…….25

Figura 1-17 Actuador eléctrico de doble motor para válvulas de corte……………………….28

Figura 1-18 Actuador hidráulico tipo paletas con bomba hidráulica manual…….…………..29

Figura 1-19 Actuador electrohidráulico tipo paletas con bomba hidráulica manual………….30

Figura 1-20 Actuador neumático de doble acción sin bomba hidráulica…..…………………31

Figura 1-21 Actuador neumático de yugo escocés de acción simple con retorno por resorte..31

Figura 1-22 Válvula SDV con actuador hidroneumático de doble acción con pistón hidráulico,

SDV de 24” Ø llegada de la plataforma Lankahuasa-A en la EPMG EL Raudal……………32

Figura 1-23 Válvula de corte rápido SDV de 24” con actuador hidroneumático de tipo paletas,

ubicada en el C.P. Akal-Golfo, Activo Cantarell, Región Marina Noreste…………….……..33


petrolero nacional

VII

Figura 1-24 Esquema de las partes de un actuador de acción simple con retorno por resorte y

sus materiales de fabricación………………………………………………………………….35

Figura 1-25 Esquema de una junta canteada y simétrica de un yugo escocés………………...38

Figura 2-1 Figura (a) dominio xa ≤ x ≤ xb discretizado en M elementos, figura (b) cuatro

primeras funciones de prueba……….…………………………………………………….......48

Figura 2-2 Ejemplos de elementos: triángulo (3 nodos) cuadrilátero (4 nodos)……………....51

Figura 2-3 Elementos Truss (Armadura)….…………………………………..………………52

Figura 2-4 Elementos Beam Tridimensional (Viga)…………………………………………..53

Figura 2-5 Elementos Axisimétricos…………………………………………………………54

Figura 2-6 Elementos Brick Sólidos………………………………………………………….55

Figura 2-7 Elementos tetraedros y hexaedros ……………………….…………...…………..55

Figura 3-1 Red de gasoductos urbanos de baja presión del Activo de Producción Poza Rica

Altamira, Región Norte…………………………………………….………………………….61

Figura 3-2 Válvula SDV de 12”Ø instalada en el gasoducto de baja presión de la Batería de

Separación Poza Rica III, Activo de Producción Poza Rica Altamira Región Norte……......62

Figura 3-3 Esquema de una válvula de bola Marca P.V.B. mostrando sus internos…….……63

Figura 3-4 Gráficos de torque máximo del vástago y presión-temperatura de la válvula de

12”Ø clase 300 marca P.V.B………………………………………………………………….63

Figura 3-5 Ficha técnica del gasoducto en el tramo que va de la B.S. Poza Rica III a la B.S.

Poza Rica XI, Activo de Producción Poza Rica Altamira, Región Norte…………………….64

Figura 3-6 Ficha técnica del actuador marca Bettis instalado en la B.S. Poza Rica III, Activo

de Producción Poza Rica Altamira, Región Norte……………………………………………64

Figura 3-7 Dimensiones del cilindro neumático del actuador marca Bettis modelo Robotarm II

Serie G3020-SR1CW-M11……………………………………………………………………65

Figura 3-8 Esquema del torque de salida y torque a 45° de un yugo escocés de un actuador...68

Figura 3-9 Dibujo en Autocad 2010® de un yugo escocés de un actuador marca Morín de 1”Ø

con acotaciones en cm. y con escala 2:1………...…………………………….………………69

Figura 3-10A Alternativa A……………………………………………….……………….….69

Figura 3-10B Alternativa B……………………………………………….……………….….69

Figura 3-11 Modelo geométrico en Solidworks del yugo escocés original……………….….70


petrolero nacional

VIII

Figura 3-12A Modelo geométrico en Solidworks del yugo escocés modificado a 15°…..…..71

Figura 3-12B Modelo geométrico en Solidworks del yugo escocés modificado a 30°…..…..71

Figura 3-13 Representación geométrica del torque del yugo escocés………………………..73

Figura 4-1 Componentes del yugo escocés……………………………………………………75

Figura 4.2 Aplicaciones de la carga…………………………………………………………...76

Figura 4.3 Prueba de convergencia……………………………………………………………77

Figura 4-4 Discretización del modelo………………………………………………………...77

Figura 4-5A Mejora del discretizado en las partes de interés (Pinzas – Saliente)……..….….78

Figura 4-5B Mejora del discretizado en las partes de interés (Cuña)……………..………….78

Figura 4-6 Esfuerzos máximos de Von-Mises para el modelo original (Pinzas – Saliente)…..79

Figura 4-7 Esfuerzos máximos de Von-Mises para el modelo original (Cuña)……………....80

Figura 4-8 Esfuerzos máximos de Von-Mises para el modelo modificado a 15° (Pinzas –

Saliente) ...…………………………………………………………………………………….81

Figura 4-9 Esfuerzos máximos de Von-Mises para el modelo modificado a 15° (Cuña)…….82


Saliente)……………………………………………………………………………………….83

Figura 4-11 Esfuerzos máximos de Von-Mises para el modelo modificado a 30° (Cuña)…...84

Figura 4-12 Esfuerzos críticos máximos de Von-Mises para el modelo modificado a 30°

(Cuña)…………………………………………………………………………………………85

Figura 4-13 Gráfica del yugo escocés original…………………….........................................86

Figura 4-14 Gráfica del yugo escocés modificado a 15°……………….................................86

Figura 4-15 Gráfica del yugo escocés modificado a 30°……………….................................86

Figura C-1 Imagen del análisis experimental por fotoelasticidad con una fuerza de 20N.….90




Figura A-1 Válvula de corte rápido instalada en la batería de separación Punta de Piedra,

Activo de Producción Poza Rica-Altamira Región Norte…..…………..……………………96

Figura A-2 Ubicación geográfica del enlace de la plataforma marina Marsopa, con la batería

de separación Punta de Piedra, Activo de Producción Poza Rica-Altamira ……….…………97


petrolero nacional

IX

Figura A-3. Ubicación geográfica de la plataforma marina Lankahuasa-A, y la estación de

proceso y manejo de gas El Raudal, Activo de Producción Poza Rica-Altamira,……..97

Figura A-4A Imagen de la válvula de compuerta de 8” instalada en el ducto de salida de la

Plataforma Bagre-B………………………………………………...…..…………..…………98

Figura A-4B Imagen de la válvula de compuerta de 8” instalada en el ducto de salida de la


Figura A-4B Imagen de la válvula de compuerta de 8” instalada en el ducto de salida de la


Figura A-4C Imagen de la válvula de compuerta de 4” instalada en el ducto de salida de la


Figura A-5 Cotización de un actuador de acción simple, con retorno por resorte de 8” marca

Bettis…..……………………………………………………………………….…..….……..100

Figura A-6 Incendio de la Plataforma Piper Alpha, Mar del norte, 6 de julio de 1988.……101

Figura A-7 Imágenes de la explosión e incendio del gasoducto de 30” Nuevo Teapa-Venta de

Carpio, 19 de diciembre del 2010.…………………………………………………………...102

Figura A-8 Imágenes de la explosión e incendio del gasoducto de 24” Cactus-Guadalajara 16

de diciembre del 2013………………………………………………………………………..103

Figura B-1 Tablero de control construido para la SDV de 16” de la plataforma Marsopa en el

oleoducto de llegada de la Plataforma Carpa-B, Activo de Producción Poza Rica-

Altamira……………………………………………………………………………………...106

Figura B-2 Instructivo de operación para pasar de modo automático a manual, una válvula

SDV de acción simple con retorno por resorte, mediante un control neumático……...…….109

Figura B-3 Instructivo de operación para pasar de modo manual a automático, una válvula

SDV de acción simple con retorno por resorte, mediante un control neumático……...…….110

Figura B-4 Imagen de un tablero de control construido por el autor de este trabajo de tesis,

para una SDV de doble acción…………..……………………………………………..…….111

Figura AC-1 Polariscopio circular…………………………………………………...............114

Figura AC-2 Componentes del Polariscopio circular……..………………………................114


petrolero nacional

X

SIMBOLOGÍA

°F - Grados Fahrenheit de temperatura

Ø - Diámetro

π - Constante, es la relación entre la longitud de una circunferencia y su diámetro

A – Área

c.a. - Corriente alterna

c.d. - Corriente directa

Fn - Fuerza real o efectiva del émbolo

FF - Fuerza del resorte en el retorno

FR - Fuerza de rozamiento (10% de la fuerza teórica)

Fteórica - Fuerza teórica del émbolo

h - Altura

NRF – Norma de referencia

psi - Libra por pulgada cuadrada

r - Radio de un círculo

R.C. - Relación de compresión

S - Superficie del émbolo

V - Volumen

http://es.wikipedia.org/wiki/Circunferencia

http://es.wikipedia.org/wiki/Di%C3%A1metro


petrolero nacional

XI

GLOSARIO

Abre a falla.- Condición en donde el actuador mueve la válvula a la posición abierta cuando

el suministro del fluido de potencia o la energía motriz falla.

Actuador.-Dispositivo adjunto a una válvula industrial de propósito general, para

proporcionar la operación de apertura o cierre de una válvula. El dispositivo está diseñado,

para operar con un fluido de potencia o energía motriz, el cual puede ser eléctrico, hidráulico,

neumático, manual, o una combinación de estas. El movimiento está limitado por la carrera,

par (torque).

Actuador de doble acción.-Actuador en el cual la fuerza es suministrada en cualquier

dirección, para abrir o cerrar.

Actuador eléctrico.-Actuador que convierte energía eléctrica en movimiento.

Actuador electrohidráulico.- Actuador que convierte energía eléctrica a presión hidráulica y

ésta a su vez en movimiento.

Actuador hidráulico.- Actuador en el cual se convierte la energía del fluido no compresible,

en movimiento.

Actuador neumático.-Actuador que convierte la energía de un fluido compresible (aire seco-

gas amargo, gas dulce, nitrógeno), en movimiento.

Actuador de paletas.-Actuador en el cual un fluido actúa sobre un elemento pivotado, la

paleta, para proporcionar un movimiento rotatorio.

Actuador de pistón.-Actuador en donde un fluido actúa sobre un pistón móvil para

proporcionar movimiento al vástago del actuador.

Actuador de simple acción.-Actuador en el cual la fuerza suministrada actúa en una sola

dirección, ejemplo, un actuador de diafragma-resorte o un actuador de pistón retorno por

resorte.

Aguas abajo.- Concepto que se refiere a la dirección del flujo a partir de un punto como una

válvula e indica la trayectoria del flujo.

Aguas arriba.- Concepto que se refiere a la dirección de contraflujo a partir de un punto como

una válvula.

BDV.- Válvula de desfogue rápido (Blow Down Valve).


petrolero nacional

XII

Banda muerta.- Es el máximo campo de variación de la variable en el proceso real, para lo

cual, el instrumento no registra ninguna variación en su indicación, registro o control.

Carrera.-Movimiento del actuador de la válvula desde la posición cerrada hasta una posición

intermedia o a la posición totalmente abierta (o viceversa).

CW.- Acción o giro que realiza un actuador en el sentido de las manecillas del reloj.

(Clockwise).

CCW- Acción o giro que realiza un actuador en el sentido contrario de las manecillas del

reloj. (Counter clockwise).

Cierre a falla.- Condición en donde el actuador mueve la válvula a la posición cerrada cuando

el suministro del fluido de potencia o la energía motriz falla.

Conmutar.- Cambiar el flujo de la presión mediante un instrumento.

ESD.- Estación de paro de emergencia.

Hart.- Protocolo de uso común en los sistemas de control, que se emplea para la

configuración remota y supervisión de datos, con instrumentos de campo.

Manifold.-Sistema de tuberías que cuenta con múltiples puertos para conexiones, canalizando

el flujo hacia cierta dirección.

NPT.- (National Pipe Thread,) Rosca nacional de tubos o rosca estadounidense cónica para

tubos, que se aplica para la estandarización del roscado de los elementos de conexión,

empleados en los sistemas e instalaciones hidráulicas.

NPTF.- (National Pipe Taper Fuel) Rosca estadounidense cónica para tubos de sellado en

seco, que hace innecesario el uso de teflón o material de sellado. (Norma ANSI B1.20.3).

PAF.-Pruebas de Aceptación en Fábrica (FAT. factory acceptance test).

Par galvánico.- Proceso en el que un metal se corroe cuando está en contacto con un tipo

diferente de metal y se encuentran en un medio húmedo.

PAS.-Prueba de Aceptación en Sitio (OSAT. on site acceptance test).

Protocolo de comunicación.-Conjunto formal de reglas convencionales que rigen el formato

y la sincronización relativa al intercambio de mensajes entre dos o más dispositivos en una red

de comunicaciones.

PSL.- Sensor de baja presión. (Pressure sensor low).

PSH.- Sensor de alta presión. (Pressure sensor high).

http://es.wikipedia.org/wiki/Roscado

http://es.wikipedia.org/wiki/ANSI


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XIII

Rango.- Conjunto de valores comprendidos entre los límites superior e inferior de medida, en

los cuales el instrumento es capaz de trabajar en forma confiable.

Redundancia.-Término que significa que a falla de algún elemento, otro de semejantes

características continúa operando al instante sin detener el proceso.

SDV.- Válvula de corte rápido (Shut Down Valve).

Sensor.- Elemento primario de medición.

SIS.-Sistema instrumentado de seguridad compuesto por sensores, procesadores lógicos y

elementos finales de control, que tiene el propósito de llevar a un estado seguro, cuando se han

violado condiciones predeterminadas.

Span.- Es la diferencia entre el valor superior e inferior del campo de medida.

SPPE.- Sistema de paro por emergencia.

Tapón fusible.- Tapón de acero inoxidable rosca NPT desde ⅛” hasta ½”, el cual tiene un

orificio. Contiene una aleación que al contacto con el fuego se funde y libera la presión de aire

o gas entrampado, se funde desde 70° C hasta 180°C.

TMR.- Triple redundancia modular, se emplea en los sistemas de seguridad, para garantizar la

continuidad en la detección y supresión, emplea un sistema de votación 3-2-0, indicando que

se actuará en caso de tener 3 ó 2 salidas iguales, en caso de ser diferentes los resultados, no se

ejecuta la salida.

Torque.-Capacidad para producir un giro o rotación alrededor de un punto, ocasionado por

una fuerza externa, aplicada a un brazo de palanca.

Torque de apertura.-Torque requerido para rotar la válvula a la posición de apertura.

Torque de cierre.-Torque requerido para rotar la válvula desde la posición de apertura, a la

posición de totalmente cerrado.

Transmisor.-Se conoce como transmisor en el campo de la instrumentación y control, al

conjunto acondicionador de señal, en casos integrado al sensor y en otros como un dispositivo

independiente, conectado al sensor mediante conductores eléctricos. Pueden ser de presión,

temperatura, flujo.

Última posición a falla.- Es una condición, en donde el elemento que cierra la válvula,

permanece en la última posición cuando el fluido de potencia o la energía motriz falla.


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1

INTRODUCCION.

Petróleos Mexicanos (PEMEX), se especializa en la extracción, producción, transporte,

refinación y exportación de hidrocarburos. Cuenta con la infraestructura para transportar

hidrocarburos y personal calificado para mantener en condiciones la red de oleogasoductos.

El transporte de hidrocarburos por todo el territorio nacional, proveniente de los yacimientos

de petróleo, hasta su llegada a las baterías de separación o estaciones de recolección, bombeo

y puntos de venta, requiere de un control y monitoreo constante por medio de mecanismos y

componentes para asegurar la integridad del oleoducto, evitar daños personales, al ambiente e

instalaciones y por consecuencia, la producción diferida de hidrocarburos.

Uno de los sistemas instrumentados de seguridad (SIS), en la red de oleogasoductos de

Petróleos Mexicanos, el cual bloquea o desfoga el flujo, es la válvula de corte rápido (SDV) o

(BDV). Para este efecto, un actuador instalado sobre una válvula de bola, convierte una fuerza

lineal en rotatoria, transmitiéndola al vástago por medio de un acoplamiento llamado yugo

escocés. En estos ciclos de cierre-apertura, es de vital importancia el tiempo en el cual se

realizan, ya que tiene que bloquear o desfogar con rapidez, asegurando la continuidad del

proceso y las instalaciones.

Para el desarrollo de este estudio, se utilizaron los parámetros de operación de las válvulas de

corte rápido SDV, de las baterías de separación y plataformas marinas del Activo de

Producción Poza Rica-Altamira, Región Norte. Se analizaron los tiempos de cierre-apertura de

las válvulas, observando la problemática existente, proponiendo una mejora al mecanismo de

cierre rápido, con la finalidad de aumentar la seguridad en estas instalaciones.

El desarrollo del presente trabajo de tesis se divide en cuatro capítulos:


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2

Capítulo 1.- Se muestra de manera general, los orígenes del petróleo, los inicios de la

industria petrolera en México, los medios más comunes de transporte de hidrocarburos, el

proceso de separación del aceite-gas-agua en las baterías de separación, los aspectos generales

de los actuadores instalados sobre válvulas de corte rápido (SDV). A partir de esta

información se hace el planteamiento del problema a desarrollar y la metodología a seguir, en

el trabajo de tesis.

Capítulo 2.- Se analizan las teorías de falla aplicables al caso, se describen los fundamentos

del método del elemento finito aplicado a esfuerzos, así como también se describe el programa

(ANSYS®) aplicado a esfuerzos.

Capítulo 3.- Se rediseña, modifica y analiza la geometría del yugo escocés, por medio del

programa de análisis por el método del elemento finito (ANSYS®). Se modela la pieza,

evaluando su deformación, al simular esfuerzos y cargas.

Capítulo 4.- De acuerdo a cálculos del capítulo 3, se realizan pruebas experimentales y se

analizan los resultados obtenidos, los cuales son satisfactorios y se pueden aplicar para

resolver la problemática.

Conclusiones.- Estas se obtuvieron, de los análisis de las pruebas experimentales, en los

cuales se recomienda considerar modificar las normas NRF-030-PEMEX-2009 (diseño,

construcción, inspección y mantenimiento de ductos terrestres para transporte y recolección de

hidrocarburos), NRF-152-PEMEX-2013 (actuadores para válvulas), con la finalidad de mejora

a los sistemas.


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3

Uno de los campos de acción y líneas de investigación que se llevan a cabo en la Escuela

Superior de Ingeniería Mecánica Eléctrica en Zacatenco, es la aplicación del método del

elemento finito en el análisis, diseño y evaluación de estructuras sometidas a cargas o

simulando esfuerzos, para determinar la integridad estructural.

A este respecto, algunas tesis de maestría que se han realizado para la industria nuclear y

petrolera son las siguientes:

Martínez [I.1] presenta la aplicación de los diagramas de evaluación de falla en la

determinación de la integridad de estructuras vinculadas a la industria nucleoeléctrica y

suministro de gas. Vázquez [I.2] aplica la mecánica de fractura para evaluar la integridad

estructural en gasoductos, utiliza el método del elemento finito mediante el programa

(ANSYS®). Martínez [I.3] establece una metodología, con base en la mecánica de la fractura

y el uso del método del elemento finito, calculando el factor geométrico adimensional definido

en la integral J plástica, correspondiente a tuberías con grietas no pasantes, sometidas a cargas

de tensión y flexión combinadas. Balanzá [I.4] propone calcular la sección recta del balancín

elevador de una unidad de bombeo mecánico usando la teoría básica de la flexión de vigas y la

teoría de falla de Von Mises. Méndez [I.5] desarrolló una metodología con base en la

mecánica de la fractura, aplicando el método del elemento finito mediante el programa

(ANSYS®), para determinar el comportamiento de la coraza del núcleo de un reactor BWR,

cuando se postula que está agrietado circunferencialmente. Mora [I.6] realiza un estudio de

integridad estructural, determinando el tamaño de la grieta permisible en la estructura de

concreto reforzado, de la contención primaria tipo Mark II de un reactor nuclear de agua en

ebullición. Lara [I.7] realizó estudios de integridad mecánica al gasoducto de 24”Ø x 39.040

km. San Andrés-Poza Rica. Cárdenas [I.8] realizó el análisis comparativo de evaluación de

defectos en ductos. Reynoso [I.9] realizó un análisis de esfuerzos a un oleogasoducto marino

de 20”Ø, evaluando la integridad estructural bajo las condiciones climatológicas imperantes en

la zona marina empleando el programa de tuberías CAESAR II, determinando los esfuerzos y

desplazamientos a los que se somete el oleogasoducto. Corona [I.10] realizó un diseño de

cabezal de distribución para un generador de vapor en el fondo de un pozo petrolero maduro.


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4

Espinosa [I.11] realizó un diseño de prototipo de laboratorio de un cabezal de distribución,

para la extracción de crudo en un yacimiento petrolero maduro.

Esta tesis, se agrupa en esta línea de investigación encontrándose en el caso de tener un

mecanismo de cierre rápido confiable, para la operación segura de oleogasoductos o

instalaciones estratégicas de bombeo de crudo, compresión de gas o plataformas marinas.


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5

Referencias

I.1 Martínez Trinidad José (2000) “Análisis Elastoplástico de Estructuras Agrietadas. Tesis de

Maestría. SEPI-ESIME-IPN.

I.2 Vázquez Montes de Oca Gabriel G. (2000) “Análisis Numérico Tridimensional de Grietas

Circunferenciales en Ductos. Tesis de Maestría. SEPI-ESIME-IPN.

I.3 Martínez Estrella Arturo Amadeo (2002) “Análisis Elastoplástico de Grietas

Circunferenciales No Pasantes en Ductos Bajo Carga Axial y Momento Flexionante

Combinadas. Tesis de Maestría. SEPI-ESIME-IPN.

I.4 Balanzá Chavarría Julio Cesar de Jesús (2004) “Diseño del Balancín Elevador de una

Unidad de Bombeo Mecánico Petrolera Mark II para Sustituir su Importación. Tesis de


I.5 Méndez Méndez Juan Vicente (2005) “Determinación de Tamaño Admisible de Grieta en

Cilindros de Pared muy Delgada y su Aplicación a Reactores Nucleares. Tesis de Maestría.

SEPI-ESIME-IPN.

I.6 Mora Santos Carlos Alberto (2006) “Análisis de Fractura en la Contención Primaria Tipo

Mark II de un Reactor de Agua en Ebullición para Generación de Energía Eléctrica. Tesis de


I.7 Lara Segura Javier (2007) “Revisión y Estudios de Integridad Mecánica al Gasoducto de

24”Ø (610mm) x 39.040 km. San Andrés-Poza Rica. Tesis de Maestría. SEPI-ESIME-IPN.

I.8 Cárdenas Ruiz Mario Antonio (2007) “Análisis Comparativo de Evaluación de Defectos en

Ductos Entre Estudios Realizados con Equipos Instrumentados Inteligentes de Segunda y

Tercera Generación. Tesis de Maestría. SEPI-ESIME-IPN.

I.9 Reynoso Martínez Luis Omar (2012) “Análisis de Esfuerzos en Oleogasoducto de 20”Ø x

7.0 km, que sale de la Plataforma Kambesah hacia la Plataforma Kutz-Ta, en el Golfo de

México. Tesis de Maestría. SEPI-ESIME-IPN.


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6

I.10 Corona Mejía Angel Salvador (2014) “Diseño de Cabezal de Distribución para Generador

de Vapor en el fondo de un Pozo Petrolero Maduro. Tesis de Maestría. SEPI-ESIME-IPN.

I.11 Espinoza Zavala Rafael (2014) “Diseño de un Prototipo de Laboratorio de Cabezal de

Distribución para la Extracción de Crudo en Yacimiento Petrolero Maduro. Tesis de Maestría.

SEPI-ESIME-IPN.


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7

OBJETIVO.

Este trabajo de investigación, responde a las necesidades existentes en los oleoductos, sistemas

instrumentados de seguridad y paro de emergencia, pertenecientes a instalaciones estratégicas

de Petróleos Mexicanos. Se busca optimizar, rediseñando el mecanismo de cierre (yugo

escocés) de un actuador hidroneumático, instalado en una válvula de corte rápido SDV,

llamado así al conjunto de válvula de bola y actuador, realizando el cierre (Shut Down) o

apertura (Blow Down) en un lapso corto de tiempo, cuando se detecta algún cambio de presión

en el oleogasoducto, y sale de los parámetros a los cuales fue calibrado el actuador.

Con el mecanismo optimizado, se mejorará la apertura-cierre de la válvula de bola de 12”Ø,

clase 300 del oleogasoducto urbano de 5.33 kilómetros, que comunica la batería de separación

Poza Rica III, a la batería de separación Poza Rica IX, sin causar daños al oleogasoducto por

un cierre-apertura lento, o dañar los elementos principales de la válvula por la aplicación de

par de torsión en exceso.

Objetivos Específicos

1) Comprobar en condiciones reales de operación, el comportamiento de las válvulas de

corte SDV, al utilizar diferentes gases de suministro neumático, y detectar el uso del

gas adecuado.

2) Analizar numéricamente, los esfuerzos presentes en el ciclo cierre-apertura, simulando

las condiciones reales de la válvula y modelando la estructura, empleando para esto un

programa con base en el elemento finito, así como evaluar los resultados y a su vez,

emitiendo recomendaciones para su mejora y aplicación en la industria.

3) Modificar la geometría del yugo escocés, para que transmita más fuerza con menos

suministro neumático, alargando la vida útil al actuador.

4) Con el mecanismo modificado se pretende reducir los tiempos de apertura-cierre, al

aplicar la fuerza necesaria al actuador garantizando la seguridad del oleogasoducto y

las instalaciones.


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8

JUSTIFICACION

La válvula de corte rápido SDV, tiene mucha importancia en el control de procesos de entrada

o salida del flujo hacia una batería de separación. Es un sistema de seguridad, el cual permite

el cierre o la apertura de un oleogasoducto. Es de relevancia el tiempo en el cual realiza su

acción, y se le instala un actuador de tipo hidroneumático, con características diseñadas a su

necesidad.

El propósito de optimizar el yugo escocés del actuador, es para aplicar más par de torsión,

rediseñando el brazo de palanca y mejorando el tiempo de cierre o apertura, al tener mayor

torque al inicio y final de la carrera. Con esto se busca vencer la inercia de la válvula, por estar

mucho tiempo en un estado y cambiar a otro en segundos.

Al optimizar el yugo escocés, se alarga la vida útil de las empaquetaduras del actuador, ya que

se puede operar con menor presión de suministro neumático. Además se protege el

oleogasoducto y las instalaciones, evitando los paros no programados y por consecuencia

producción diferida.

Consecuentemente se requiere llevar a cabo un análisis del yugo escocés, por medio del

método del elemento finito, el cual permitirá evaluar el comportamiento de la válvula y su

actuador de acuerdo a los esfuerzos, y condiciones a los que se someten sus elementos y

corroborar la información obtenida en el análisis experimental.

En el Anexo A se mencionan dos ejemplos de casos reales, donde se puede aplicar el presente

estudio en el Activo de Producción Poza Rica-Altamira, Región Norte, así como también se

presentan 3 casos de accidentes catastróficos, algunos con pérdidas de vidas humanas, daños

ambientales y a las instalaciones, en los cuales en el caso de haber tenido válvulas SDV

instaladas estratégicamente, el resultado hubiera sido menor, haciendo la aclaración que la

utilización de válvulas SDV no evita los accidentes, pero los puede mitigar.


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9

METODOLOGÍA

Se analizará la válvula de corte

rápido SDV en condiciones

reales de operación

Se evaluará el comportamiento del

actuador con los diferentes tipos

de gases de suministro neumático

Se determinarán numéricamente los

límites de operación del actuador

hidroneumático de una SDV bajo

diferentes condiciones de operación

Se modificará la geometría original

del yugo escocés del actuador por

medio del programa de análisis del

elemento finito ANSYS®

Se simularán las cargas y

esfuerzos a los que se somete

el yugo escocés rediseñado

Se fabricará un prototipo y se

realizarán pruebas experimentales

analizando los resultados

Se emitirán conclusiones y

recomendaciones para

mejora de los sistemas


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10

CAPÍTULO 1

GENERALIDADES SOBRE

ACTUADORES INSTALADOS EN

VÁLVULAS DE CORTE RÁPIDO SDV

Se presentan aspectos generales sobre actuadores

instalados sobre válvulas de corte rápido (SDV),

que operan en las baterías de separación. Además

se indica su uso, clasificación por el tipo de junta

o yugo, material de construcción, selección y

funcionamiento. Considerando lo anterior, se

plantea el problema a desarrollar.


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11

1.1 Petróleo

La palabra petróleo (del latín petro: piedra, óleum: aceite) significa aceite de piedra, es un

líquido oleoso bituminoso de color pardo o negro, de origen natural. Se trata de una mezcla

homogénea de compuestos orgánicos, insolubles en agua. Se le conoce también como crudo.

Su consistencia varía desde un líquido viscoso como la gasolina (condensado), hasta un

líquido espeso que difícilmente fluye (chapopote). Su densidad está entre 0.83 y 0.92 gr/cm³.

[1.1]

1.1.1 Origen del petróleo

El petróleo, se forma bajo la superficie terrestre por la descomposición de organismos

marinos, los cuales se mezclan con las arenas y forman rocas generadoras de crudo. El proceso

dura millones de años y una vez formado el petróleo, este fluye hacia arriba a través de la

corteza terrestre, ascendiendo por los poros microscópicos de los sedimentos, hasta que se

encuentran una capa de roca densa impermeable, ahí queda el petróleo atrapado formando un

depósito. Sin embargo, hay ocasiones en que el petróleo no se topa con rocas impermeables

brotando a la superficie terrestre o en el fondo del mar.

El petróleo, cuando se refina, encierra una serie de procesos físicos y químicos a los que se

somete para obtener de él, por destilación y transformación química, los diversos

hidrocarburos. El petróleo se separa en fracciones que después de un procesamiento adicional,

darán origen a los principales productos que se venden en el mercado como gas L.P., gasolina,

diésel, turbosina, combustóleo, aceites lubricantes, parafinas, asfaltos, grasas, y como materia

prima para la industria petroquímica básica.

En México se obtienen diferentes tipos de petróleo crudo para su exportación, preparándose

las siguientes variedades:


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12

Tabla 1-1 Variedades de Crudo para Exportación que produce Pemex. [1.1]

1.1.2 Regiones Petroleras de México

La República Mexicana se divide en 4 regiones petroleras:

Región Norte: Constituida por el Activo Integral Burgos, Activo de Producción Poza Rica-

Altamira, Activo de Producción Aceite Terciario del Golfo, Activo de Producción Veracruz,

Activo de Exploración Golfo de México Norte y Activo de Exploración Tampico-Misantla

Golfo. Se localiza al norte de la República Mexicana y comprende 1.8 millones de km²

aproximadamente, incluyendo una porción terrestre y otra marina. Colinda al norte con los

Estados Unidos de Norteamérica, al sur con el Río Tesechoacán en Veracruz, al este con el

Golfo de México y al oeste con el Océano Pacífico.

Figura 1-1 Región Norte y sus activos (zona petrolera). [1.2]


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13

Región Sur: Constituida por los Activos de Exploración Aguas Profundas Sur, Cuencas del

Sureste Marino, Cuencas del Sureste Terrestre, y los activos de producción: Bellota-Jujo,

Cinco Presidentes, Macuspana-Muspac y Samaria-Luna. Tiene una superficie aproximada de

390,000 kilómetros cuadrados, y comprende los estados de Guerrero, Oaxaca, Veracruz,

Tabasco, Campeche, Chiapas, Yucatán y Quintana Roo, y se ubica en la porción Sur-Sureste

de la República Mexicana. Al Norte colinda con el Golfo de México, al Noroeste con el Río

Tesechoacán en Veracruz y la Región Norte, hacia el Sureste con el Mar Caribe, Belice y

Guatemala, y al Sur con el Océano Pacífico.[1.2]

Figura 1-2 Región Sur y sus Activos (zona petrolera). [1.2]

Región Marina Noreste: Está constituida por los Activos de Producción: Cantarell y Ku-

Maloob-Zaap. Se localiza en el Suroeste de la República Mexicana, en aguas territoriales

nacionales, frente a las costas de los estados de Campeche, Yucatán y Quintana Roo. Abarca

una superficie aproximada de 166,000 kilómetros cuadrados, e incluye parte de la plataforma

continental y el talud del Golfo de México.


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14

Figura 1-3 Región Marina Noreste y sus Activos (zona petrolera). [1.2]

Región Marina Suroeste: Se conforma de los Activos de Producción Abkatún-Pol-Chuc,

Litoral de Tabasco. Se ubica en aguas territoriales que comprenden la plataforma y talud

continental del Golfo de México. Su extensión cubre un área superior a 352,390 kilómetros

cuadrados. En la porción Sur, colinda con los estados de Veracruz, Tabasco y Campeche,

hacia el Este con la Región Marina Noreste, y al Norte y Poniente está limitada por las aguas

territoriales nacionales. [1.2]

Figura 1-4 Región Marina Suroeste y sus Activos (zona petrolera). [1.2]


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15

1.2 Transporte de Hidrocarburos

1.2.1 Oleogasoducto

Es un sistema de transporte, que tiene por objeto enviar petróleo crudo y asociado con otros

hidrocarburos, entre una estación de recolección, un centro de proceso, estación de

almacenamiento y terminales de punto de venta. Pueden ser terrestres o marinos y se fabrican

uniendo tubos con o sin costura mediante soldadura, para el caso de ductos de petróleos

mexicanos que transporten hidrocarburos se rige la selección, construcción, y mantenimiento

mediante las normas de referencia NRF-001-PEMEX-2007, NRF-PEMEX-020, NRF-

PEMEX-026, y las normas internacionales API-SPEC-5L, API-STD-1104, ASME-B31.4,

ASME B31.8.

En 1927 “La Huasteca Petroleum Company”, construyó el primer gasoducto de la República

Mexicana, que partía de Cerro Azul a Mata Redonda en el estado de Veracruz, donde el gas

natural era utilizado como combustible. Actualmente, el medio de transporte de hidrocarburos

más utilizado entre estaciones de bombeo y terminales de almacenamiento y punto de venta es

el oleoducto. Petróleos Mexicanos mantiene en operación un sistema de ductos terrestres y

marinos de alrededor de 54,000 kms. Por donde se transporta crudo, gas natural, gas amargo,

gas dulce, gasolina, diésel y otros productos refinados.

Figura 1-5 Construcción del primer oleogasoducto en México

Año 1927 por la Cía. Huasteca Petroleum Company


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16

Figura 1-6 Red de Oleogasoductos de la Región Marina Noreste. [1.3]

Figura 1-7 llegada del oleogasoducto de 20”Ø Marino de Enlace de la Plataforma Marsopa a

la Batería de Separación Punta de Piedra, (Activo de Producción Poza Rica-Altamira, R.N.).


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17

En la República Mexicana, se tiene el sistema nacional de gasoductos (SNG), que pasa por 18

estados del país. Inicia en el estado de Chiapas y pasa por Veracruz, Tabasco hasta

Tamaulipas con líneas de 24”, 36” y 48” de diámetro; posteriormente se prolonga por los

estados de Nuevo León, Coahuila, Durango y Chihuahua, con líneas de 24” y 36” de diámetro.

Existen tres líneas importantes de 18”, 24” y 36” que recorren el centro del país, pasando por

los estados de Veracruz, Puebla, Tlaxcala, Hidalgo, México, Distrito Federal, Querétaro,

Guanajuato, San Luis Potosí, Michoacán y Jalisco.

1.3 Separación de Hidrocarburos

1.3.1 Baterías de separación

Una batería de separación, es una estación que recibe el petróleo crudo desde uno o varios

pozos que se encuentran produciendo en el mismo yacimiento, separando gas-aceite-agua.

Una vez separado el crudo, lo almacena en un tanque y lo transporta por gravedad o bombeo, a

una estación recolectora o a un oleogasoducto de venta. Por otra parte, el gas se envía a una

estación de compresión.

El proceso de separación comienza, cuando el crudo llega de los pozos a un colector o

manifold de válvulas, en el cual se desvía el flujo hacia el cabezal principal de producción

general (PG), o al cabezal de medición, para medir el volumen de un pozo en particular. Una

vez direccionado el crudo, se envía a un separador de etapa media, el cual recibe el crudo y

hace que éste se separe del gas, pasando por una mampara de choque y un extractor de niebla,

saliendo el gas por una toma en la parte superior del separador, quedando el líquido abajo.

Posteriormente, pasa a la segunda etapa (etapa de baja), donde se rectifica, y el crudo separado

pasa a un tanque de almacenamiento para su posterior envío. El gas obtenido se envía a una

estación de compresión y el excedente se quema a la atmósfera.


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18

Figura 1-8 Esquema típico de una Batería de Separación

1.3.2 Tipos de separadores

Los separadores, son equipos utilizados para desviar corrientes de aceite y gas que provienen

directamente de los pozos. Consiste en un recipiente metálico a presión, el cual recibe el crudo

de los pozos. Tiene un sistema interno, el cual desvía el aceite-gas-agua. En la parte externa

tiene válvulas de control, válvula motora, equipo instrumentado y de seguridad.

1.3.2.1 Separador tipo ciclón

Es un dispositivo que se utiliza para separar el gas, del petróleo crudo que se recibe de los

pozos en producción, mediante una fuerza centrífuga, generada por los giros del gas dentro de

un cono con orificios. En este caso, la fuerza centrífuga es mayor que la fuerza gravitacional,

separando las partículas de aceite. El gas sale por la parte superior y el líquido (aceite con


petrolero nacional

19

agua), se queda en el fondo. Actualmente, este dispositivo no se utiliza en el Activo de

Producción Poza Rica-Altamira, solo se emplean los separadores bifásicos y trifásicos.

Figura 1-9 Separador ciclónico vertical y sus elementos internos

1.3.2.2 Separadores bifásicos, trifásicos

Los separadores bifásicos separan el gas del líquido (aceite-agua), en cambio, los trifásicos

separan gas-aceite-agua. Se clasifican en: verticales, horizontales, esféricos.

Un separador consta de las siguientes secciones:

a) Sección de separación primaria

b) Sección de separación secundaria

c) Sección de extracción de niebla

d) Sección de almacenamiento de líquido


petrolero nacional

20

Sección de separación primaria.- La separación en esta sección se realiza mediante un

cambio de dirección de flujo. Dicho cambio de dirección se puede efectuar con una entrada

tangencial de los fluidos al separador; o bien, instalando adecuadamente una placa desviadora

a la entrada. Con cualquiera de las dos formas, se le induce una fuerza centrífuga al flujo, con

la que se separan grandes volúmenes de líquido.

Sección de separación secundaria.- Ésta sección separa la máxima cantidad de gotas de

líquido de la corriente de gas, por gravedad, por lo que la turbulencia del flujo debe ser

mínima. Para esto, el separador debe tener suficiente longitud. En algunos diseños se utilizan

veletas o aspas alineadas para reducir aún más la turbulencia, sirviendo al mismo tiempo como

superficies colectoras de gotas de líquido.

Sección de extracción de niebla.- En ésta sección se separan del flujo de gas, las gotas

pequeñas de líquido que no se lograron eliminar en las secciones primaria, y secundaria del

separador. En esta parte del separador, se utilizan el efecto de choque y/o la fuerza centrífuga

como mecanismos de separación. Mediante estos mecanismos, se logra que las pequeñas gotas

de líquido, se colecten sobre una superficie en donde se acumulan y forman gotas más

grandes, que se drenan a través de un conducto, a la sección de acumulación de líquidos o bien

caen contra la corriente de gas, a la sección de separación primaria. El dispositivo utilizado en

esta sección, es conocido como extractor de niebla. Está constituido generalmente por un

conjunto de veletas, aspas, alambre entretejido, o por tubos ciclónicos.

Sección de almacenamiento de líquidos.- En esta sección, se almacena y descarga el líquido

separado de la corriente de gas. Esta parte del separador, debe tener la capacidad suficiente para

manejar los posibles lotes de líquido que se pueden presentar en una operación normal. Además,

debe tener la instrumentación adecuada para controlar el nivel de líquido en el separador, la cual

consta de manómetros, filtro, una válvula motora pilotada que a falla de suministro abre, un

indicador de nivel de vidrio, válvulas de bloqueo en la llegada y las salidas. Aparte de las 4

secciones antes descritas, el separador debe tener los siguientes dispositivos de seguridad:

válvula de seguridad (PSV), tubo desviador de seguridad (By Pass) y “check” de contrapresión.


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Figura 1-10 Separador Horizontal con sus instrumentos de medición

Figura 1-11 Esquema de un separador trifásico

Entrada de flujo

Salida de Gas

Descarga de agua

Gas

Descarga de Aceite

Mampara de choque


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22

Figura 1-12 Separador Vertical Bifásico

Figura 1-13 Esquema de un Separador Horizontal Bifásico

1.4 Protección de oleogasoductos e instalaciones

1.4.1 Sistema de paro por emergencia (SPPE)

Es un sistema automatizado de seguridad, que tiene como objetivo reducir los riesgos y llevar

las instalaciones a paro seguro, cuando las condiciones normales del proceso hayan salido de


petrolero nacional

23

control, puede ser electrónico o neumático. El sistema de paro por emergencia electrónico, se

rige por un protocolo de comunicación. Consta de (transmisores de presión, válvulas de 5 vías

con solenoide, transmisores de temperatura, botoneras manuales de paro, válvulas SDV de

control electrónico, unidad de respaldo de energía), todo controlado desde un tablero de

interfase hombre-máquina y un controlador lógico programable. Es un equipo tolerante a

fallas, es decir, ninguna falla del sistema electrónico del ESD (emergency shut down) puede

ocasionar un paro en el proceso. El sistema no reacciona ante una falla aparente, si no ante una

falla real o por orden exclusiva del operador. Cada transmisor envía información hacia el PLC

TMR para que este tome decisiones. Alternativamente, el sistema de paro por emergencia

neumático consta de sensores de presión (pilotos PSL, PSH), manómetros, válvulas de 3 vías,

válvulas de 5 vías, botoneras manuales de paro ESD, los cuales en conjunto detectan la

presión en el proceso. Al salirse de los parámetros a los cuales fue calibrado, el tablero de

control de la SDV, manda a cierre las válvulas de corte, protegiendo la instalación o el

oleoducto.

Figura 1-14 Sistema digital de monitoreo y control del sistema de paro por emergencia del

C.P. Nohoch-Alfa, Activo de Producción Cantarell, Región Marina Noreste.


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24

1.4.2 Sistema SCADA

En la subsidiaria PGPB (Pemex Gas y Petroquímica Básica) de Petróleos Mexicanos, se tiene

un sistema llamado SCADA (sistema supervisorio de control y adquisición de datos), el cual

permite el control y monitoreo de los sistemas de transporte de gas natural y licuado en tiempo

real, el cual entró en operaciones en el año 2000 y cuenta con la siguiente infraestructura:

01 centro de control principal en la Ciudad de México y 1 alterno en Venta de Carpio.

51 centros de información remota.

542 actuadores de válvulas automatizadas y 146 controladores de válvulas reguladoras

de presión para la supervisión de límites operativos y control remoto.

07 estaciones de compresión de gas natural y 05 estaciones de bombeo de gas L.P.

enlazadas al sistema SCADA.

64 estaciones terrenas satelitales, 79 microondas y 236 enlaces de UHF.

Con este sistema, se monitorea en tiempo real las presiones de los gasoductos. Es de suma

importancia para detectar alguna variación en las presiones de los ductos, y de forma remota

se puede cerrar o abrir una válvula. Utiliza válvulas de corte rápido, algunas de tipo paletas y

de yugo escocés, pero no está generalizado a los oleoductos que transportan combustible de

las baterías de separación, ni los enlaces de plataformas marinas.

Figura 1-15 Centro de monitoreo y control SCADA.


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25

1.4.3 Válvula de Corte Rápido (SDV)

En los procesos automatizados de producción, separación, manejo, transporte y

almacenamiento de gases y fluidos a presión se tiene un tipo de válvulas en las llegadas o

salidas (fronteras), que integran el sistema de paro por emergencia. A éstas se les denomina de

cierre o apertura rápido (SDV) ó (BDV). Consistente en una válvula de bola, a la cual se le

instala un actuador del tipo neumático, hidráulico, hidroneumático o eléctrico que al sensar

por medio de transmisores electrónicos o pilotos, una baja presión, alta presión, fuego, o

presencia de gas, se activan, cerrando o abriendo el oleogasoducto en segundos según sea el

caso, protegiendo la instalación y la integridad del ducto.

Figura 1-16 Esquema de una Válvula de Bola mostrando sus componentes internos.

1.4.4 Actuadores de la Válvula de Corte Rápido (SDV)

El actuador, es un dispositivo cuya función es proporcionar o transmitir fuerza para mover o

actuar una válvula. La fuerza proviene de tres fuentes principales: presión neumática, presión

hidráulica y fuerza motriz eléctrica.


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26

Los actuadores se instalan vertical u horizontalmente sobre una válvula paralelos al ducto,

incluso hacia abajo y se clasifican por su uso, diseño, tipo de junta y posición de falla de la

siguiente manera:

Tabla 1-2 Tipos de Actuador de las Válvulas de Corte rápido que se utilizan en instalaciones

costa fuera. [1.4]


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27

Tabla 1-3 Tipos de Actuador de las Válvulas de Corte rápido utilizan en instalaciones

Terrestres. [1.4]


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28

Actuador eléctrico.- Funciona con un motor eléctrico reversible de inducción y una caja de

engranes, los cuales transmiten la fuerza al vástago de la válvula a través de un tornillo sinfín

o engrane planetario. Está protegido contra sobrecarga eléctrica, por medio de elementos

térmicos y el motor es de diseño no ventilado totalmente cerrado. Tiene la capacidad de

proporcionar un cuarto de vuelta o multivuelta, e instalarse en cualquier posición sin ver

afectado su desempeño. El control del actuador recibe señales analógicas de 4-20 mA CD

(Protocolo de comunicación Hart), 0-5 VCD y 0-10 VCD (Protocolo de comunicación Field

bus).

Figura 1-17 Actuador eléctrico de doble motor para válvulas de corte.

Actuador Hidráulico.- Funciona con fluido hidráulico suministrado por una central

hidráulica independiente del actuador. La junta puede ser del tipo paletas o yugo escocés.

Cuenta con bomba hidráulica manual. El control del actuador recibe señales analógicas de 4-

20 mA CD (Protocolo de comunicación Hart), 0-5 VCD y 0-10 VCD (Protocolo de

comunicación Field bus).

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=actuador para v%C3%A1lvula con motor electrico&source=images&cd=&cad=rja&docid=R5N8tyJ1_0jnGM&tbnid=-yrqomXD6-KeqM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.directindustry.es/prod/sipos-aktorik/actuadores-electricos-de-doble-motor-para-valvulas-24372-59833.html&ei=v3EGUrW3LeyQyQG39oBI&psig=AFQjCNH9eyO6XqIZo21GMBC966YyXYA-IA&ust=1376240264408560


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29

Figura 1-18 Actuador Hidráulico tipo Paletas con Bomba Hidráulica Manual. [1.5]

Actuador Electrohidráulico.- Este actuador es de diseño similar al actuador hidráulico pero

incluye una unidad de potencia hidráulica, compuesta por un motor eléctrico, bomba

hidráulica, depósito de aceite e interruptor de presión, formando una unidad auto contenida

para ser montada directamente sobre la válvula. La fuente de suministro de energía es

eléctrica, La diferencia con el actuador de la figura 1-18 es que en éste, la unidad de potencia

hidráulica está integrada al actuador y en el otro es independiente del actuador.


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30

Figura 1-19 Actuador Electrohidráulico tipo Paletas con Bomba hidráulica manual. [1.5]

Actuador neumático.- Funciona con suministro de aire de instrumentos, gas de proceso o

banco de nitrógeno. Puede tener uno o dos cilindros, en el cual adentro tienen un pistón

separado por un anillo de nitrilo que comprime el gas suministrado, produciendo una fuerza

que la transmite hacia el vástago de la válvula, por medio de un mecanismo llamado yugo

escocés. El cilindro puede ser de simple acción con retorno con resorte, o doble acción. Puede

tener o no, una bomba hidráulica manual de respaldo.

Actuador neumático de doble acción: Es aquel que tiene doble cilindro neumático. Funciona

entre el rango de 60 a 160 psi de suministro en las cámaras. A falla de energía eléctrica en su

control o pérdida de suministro neumático se queda en la última posición. Asimismo, puede

tener o no redundancia hidráulica, (bomba hidráulica de respaldo).


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31

Figura 1-20 Actuador neumático de doble acción sin bomba hidráulica. [1.6]

Actuador de acción simple con retorno por resorte: Es aquel que tiene solo un cilindro

neumático, y el suministro es solo por un lado de la cámara. Funciona entre el rango de 50 a

160 psi de suministro en la cámara. A falla de energía eléctrica en su control, o pérdida de

suministro neumático, el resorte que lo integra se libera y cierra la válvula. Tiene una bomba

hidráulica de respaldo, para mantener comprimido el resorte a falla de suministro neumático o

en mantenimiento.

Figura 1-21 Actuador neumático de yugo escocés de acción simple con retorno por resorte.

Actuador de doble acción con pistón hidráulico: Es aquel que tiene solo un cilindro

neumático, pero tiene la acción de doble suministro neumático. En la otra sección, tiene un

pistón hidráulico accionado por una bomba hidráulica manual, la cual puede mantener abierta


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32

o cerrada la válvula aún en condición de falla. Funciona entre el rango de 50 a 160 psi de

suministro en la cámara. A falla de energía eléctrica en su control o pérdida de suministro

neumático se queda en la última posición.

Figura 1-22 Válvula SDV con actuador hidroneumático de doble acción con pistón hidráulico,

SDV de 24” Ø llegada de la plataforma Lankahuasa-A, en la EPMG El Raudal.

Actuador Hidroneumático.- Este actuador está equipado con 2 tanques de gas/fluido

hidráulico, o por una unidad de potencia hidráulica operada por una bomba neumática, que

presuriza el fluido hidráulico. La fuente de energía es neumática, puede ser del tipo paletas

montado verticalmente o de tipo pistón de simple o doble acción paralelo al oleogasoducto.


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33

Figura 1-23 Válvula de corte rápido SDV de 24” con Actuador Hidroneumático de tipo

Paletas, ubicada en el C.P. Akal-Golfo, Activo Cantarell, Región Marina Noreste.

1.4.5 Fuente de Suministro Neumático

El suministro neumático de los actuadores es un factor que se debe considerar para determinar

la selección del tipo de actuador. La fuente de suministro se puede seleccionar entre:

Aire de instrumentos.- Se debe suministrar aire seco y limpio con una presión de 120

psi, por medio de compresores y secadora de aire, garantizando que se provea la

cantidad requerida, considerando el crecimiento de la instalación y fugas en los

actuadores. Así mismo, se toma en cuenta el almacenamiento individual por cada

válvula instalada y un tanque de almacenamiento de la red de aire de instrumentos. [4]

Gas de Proceso.- Cuando en la instalación no se cuenta con aire de instrumentos, se

puede utilizar gas amargo o natural del proceso pasando por un separador de gas-

aceite- sólidos y después por medio de un filtro. Se debe de disponer de un rango de

presión en la línea de 100 psi. El gas de proceso debe ser acondicionado a la presión

requerida del actuador por medio de un regulador. Esto se considera como una primera

opción en instalaciones que manejen gas y no cuenten con aire de instrumentos. [4]


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34

Banco de Nitrógeno.- Se utiliza en instalaciones donde no se cuenta con energía

eléctrica, aire de instrumentos, ni gas de proceso. Consiste en cilindros de nitrógeno de

9m³. La cantidad dependerá del número de actuadores. Se conectan a un cabezal con

salida de presión regulada de 100 psi, y de ahí a los controles de los actuadores.

Energía eléctrica.- Se utiliza en instalaciones tripuladas donde existe generación o

suministro externo de energía eléctrica, se consideran los siguientes voltajes:

a) 24 VCD

b) 120 VCA, 60Hz, 1 fase

c) 220 ó 460 VCA, 60 Hz, 3 fases.

1.4.6 Material de Construcción de los Actuadores de las Válvulas de Corte Rápido

Los materiales de construcción de los actuadores son de distinta conformación y se adecuan

según: el uso y tipo de gas de suministro a utilizar. El ambiente en que funcionarán, el fluido

que transportará la válvula y el material de construcción de la válvula, ya que al ser de

distintos materiales la válvula y el actuador, se produce el efecto de par galvánico y un

material se corroe más rápidamente que el otro en un medio húmedo. Para el cilindro

neumático, carcaza, barra guía, yugo, bridas, horquilla y resorte se utilizan diferentes

materiales como acero al carbón, acero inoxidable 316, hierro dúctil y acero cromado.

Para los bujes y cojinetes se emplea bronce, teflón y una aleación (Du Bearing) de acero-

bronce-teflón. Deben ser resistentes a la corrosión. Para las empaquetaduras, o-rings y sellos

se emplean materiales como Buna, Nitrilo Butadieno (NBR) o teflón.


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35

Figura 1-24 Esquema de las partes de un actuador de acción simple con retorno por resorte y

su material de fabricación. [1.7]

1.4.7 Material de Construcción del Yugo Escocés

El material de fabricación del yugo escocés de una SDV, es de hierro dúctil o fundición

nodular, el cual se produce tratando con magnesio un hierro bruto líquido, con alto contenido

de carbono. Esto hace que durante la solidificación crezca grafito esferoidal, haciéndolo más

fuerte y con mayor elongación que el hierro gris o maleable. Es la fundición que ha alcanzado


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36

gran aceptación y ha logrado obtener propiedades similares a las de los aceros, debido a su

gran ductilidad, dureza promedio y tenacidad entre otras propiedades.

1.4.8 Aplicaciones del Hierro Dúctil o Fundición Nodular:

Se emplean en la fabricación de cigüeñales, eslabones de cadenas, conexiones de tubería,

tubería de alta presión y componentes de válvulas y actuadores. La sustitución de partes de

acero por hierro dúctil se ha vuelto una alternativa que ofrece diversas ventajas como menor

espesor, menor densidad, menor peso (aproximadamente 10% menor que el acero), menor

susceptibilidad a la corrosión, todo lo anterior provocado gracias al contenido y distribución

de precipitados de grafito.

Tabla 1-4 Propiedades mecánicas de diferentes grados de hierro dúctil. [1-8]


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37

1.5 Tipo de Junta para la Válvula de Corte Rápido

1.5.1 Mecanismo Tipo Piñón-Cremallera

El principio de funcionamiento de este mecanismo, es a base de una caja de engranes, los

cuales transmiten la fuerza al vástago de la válvula, a través de un tornillo sinfín o engrane

planetario. Este tipo de junta, transmite el torque de igual magnitud en toda su carrera. La

relación entre la velocidad de giro del piñón y la velocidad lineal de la cremallera depende de

dos factores: el número de dientes del piñón y el número de dientes por centímetro de la

cremallera. Este sistema, se utiliza en puertas corredizas, taladros de columna, en los trenes en

los cuales aparte de los dos carriles típicos de un tren normal, disponen de un tercer carril

dentado, o cremallera, situado en el centro de la vía. Los ejes motrices del tren tienen un piñón

que engrana en la cremallera e impulsa el tren hacia arriba con facilidad. Sin este sistema, el

tren resbalaría y no podría subir. Para el caso de las válvulas de corte rápido (SDV), este tipo

de mecanismo, se utiliza en instalaciones donde se cuente con energía eléctrica y aire de

instrumentos seco.

1.5.2 Mecanismo Tipo Paleta Rotatoria

Este mecanismo tiene doble aspa giratoria, funciona con fluido hidráulico, ya sea con una

bomba externa o con cilindros de nitrógeno a un lado del actuador. Este tipo de actuador, se

instala verticalmente a la válvula. Se utiliza en lugares donde el espacio es reducido. Éste

mecanismo dispone de una geometría concéntrica, por lo que es sumamente eficaz en

aplicaciones de alta vibración. El diseño de doble aspa, evita que se generen cargas laterales,

tanto en el vástago de la válvula, como en los cojinetes del actuador, el par de salida es

equilibrado y constante en toda su carrera aplicándose directamente al vástago.


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38

1.5.3 Mecanismo Tipo Yugo Escocés

Este mecanismo convierte un movimiento lineal en rotatorio. La forma del movimiento del

pistón, es una onda sinusoidal pura en el tiempo a una constante, dada la velocidad de

rotación. Es utilizado en algunos motores de combustión interna, tales como el motor Bourke,

motor Sytech, y máquinas de vapor. El yugo escocés, no se emplea en la mayoría de los

motores de combustión interna, debido al rápido desgaste de la ranura en el yugo causado por

la fricción y las altas presiones de contacto. Una mejora de yugo escocés, con un medio de

absorción de empuje hacia los lados, fue patentado en 1978 por William L. Carlson, Jr.,

Patente (U.S.A) 4.075.898.

Para el caso de las válvulas de corte rápido (SDV), se utiliza este mecanismo, ya que la

válvula se encuentra abierta o cerrada por largo tiempo, ya sea al inicio o término de la

carrera, que es cuando se requiere utilizar más par de torsión, venciendo la inercia de la

válvula.

Existe una variante del yugo escocés simétrico, la cual incrementa el torque en una sola acción

(yugo escocés canteado), solo que al operar al cierre, disminuye su torque, como se muestra en

la gráfica de junta canteada.

Figura 1-25 Esquema de una Junta Canteada y Simétrica de un Yugo Escocés

Junta Canteada Junta Simétrica

Posición abierta

Canteada Posición Cerrada

Posición abierta

Canteada

Posición Cerrada


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39

1.6 Planteamiento del Problema

Durante el proceso de conducción de hidrocarburos, desde el yacimiento, hasta las baterías de

separación, estaciones de bombeo y punto de venta, se requiere contar con un sistema que

detecte variaciones en las presiones y se mande a un cierre o desfogue del oleoducto en forma

segura. Para ello se utilizan las válvulas de corte rápido que consiste, en una válvula de bola a

la cual se le instala un actuador. Una de las fallas de estos sistemas instrumentados de

seguridad (SIS) es, que debido a que permanecen mucho tiempo en una sola posición, abierta

o cerrada, y el ducto se encuentra con fluido a presión. En este caso, al existir un evento de

cierre o apertura, demoran en su actuar, siendo indispensable el cierre inmediato para

mantener seguro el ducto y las instalaciones.

En ocasiones lo que se realiza para aumentar la velocidad al actuador es incrementar la presión

de suministro, pero debido a que se utilizan diferentes gases (aire seco, nitrógeno, gas amargo,

gas natural) se dañan las empaquetaduras, haciendo que se pierda presión pasando a la otra

cámara del actuador, provocando con esto que se igualen las presiones y el actuador se vuelva

lento para operar.

El yugo escocés, es el componente que transmite la fuerza lineal que genera el pistón del

actuador y la convierte en torque hacia la válvula. Por su geometría, transmite al máximo la

fuerza cuando se encuentra la válvula abierta (90°) y cerrada (0°), pero es menor a la mitad de

su carrera (45°). Al rediseñar el yugo escocés, se logra disminuir el tiempo de actuar, con

menor presión de gas suministrado. Con esto se alarga la vida útil de las empaquetaduras del

actuador, como resultado se protegerían las instalaciones y ductos.

Ya con el análisis teórico y numérico realizado, se modelaría para el análisis, por el método

del elemento finito en el programa ANSYS®, y poder evaluar su comportamiento bajo

condiciones semejantes a las reales, posteriormente se fabricará un prototipo del mecanismo

modificado.

Para este trabajo de investigación, se analizó la problemática existente en la red de gasoductos

urbanos de baja presión de la Cd. de Poza Rica, Veracruz. En particular, en el tramo de la

batería de separación Poza Rica III a la batería de separación Poza Rica IX, el cual es un

gasoducto de 12” Ø, con 5 años de servicio, presión de trabajo de 35 psi, transporta gas


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40

amargo. Cuenta con dos válvulas de corte rápido SDV, con yugo escocés neumáticas de

acción simple con retorno por resorte. La válvula es de bola, es clase 300, bridada y de

acuerdo a su manual soporta un torque máximo de 27,200 lbs.plg, con una presión interna de

740 psi a 80°F; El actuador se diseñó para operarse, con suministro neumático gas de proceso

con un mínimo de 50 psi., y debido a que no se alcanza esa presión, no se puede operar

eficazmente. De esta problemática se soporta este estudio y se investiga una solución

adecuada.

Debido a la problemática existente y al tipo de actuador, junta, y acción utilizada se deben

tomar en cuenta estas premisas:

De todos los tipos de junta y acción de los actuadores, solo se analizará el actuador

neumático de yugo escocés, de acción simple, de retorno por resorte, con redundancia

hidráulica. En diámetros de 20” con yugo escocés simétrico.

Se analizará el comportamiento con los gases (aire seco, nitrógeno, gas amargo, gas

natural).

Se tomarán como base, las condiciones normales de operación de las válvulas de corte

rápido SDV, oleogasoductos y actuadores, de las instalaciones costa afuera y baterías

de separación, del Activo de Producción Poza Rica-Altamira, Región Norte.

Para el cálculo de fuerzas y volumen en el actuador, se desprecia el diámetro del

vástago del mismo, ya que en los ciclos cierre-apertura se compensa con el volumen de

la línea de suministro neumático, por lo que no se considerará.

Para la pérdida de fuerza por rozamiento en el cilindro, el cual es un promedio de entre

un 4% y un 20% de la fuerza teórica, tomando en cuenta la lubricación de la cámara y

el gas utilizado se considerará un 10%.

Se modelará el prototipo con el programa ANSYS®.

Se fabricará el prototipo en acero.

Las recomendaciones, se apoyan en el resultado obtenido de este trabajo de

investigación y en las experiencias personales en la instalación, mantenimiento y

operación de las válvulas de corte rápido SDV.


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41

1.7 Referencias

[1.1] Origen del Petróleo e Historia de la Perforación en México, Archivo de Pemex-1999

[1.2] www.pemex.com Sesión 157 Ordinaria del Consejo de Administración de Pemex-

Exploración y Producción celebrada el 21 de marzo de 2013, numerado CAPEP-011/2013 al

CAPEP-049/2013

[1.3] Archivos de la Coordinación de Operación de Pozos, Activo de Producción Cantarell.

[1.4] Norma NRF-152-PEMEX-2013 Actuadores para válvulas.

[1.5] Catálogo Shafer Valve Company, Boletín RV-0294.

[1.6] www.pentair.com/valves boletín MORMC-0024-ES-1305

[1.7] Catálogo Bettis Brochure # 35.00-2 Rev.: 6-08 2.5M/6-08

[1.8] Norma ASTM A-536 Especificación Estándar para Fundición de Hierro Dúctil.

http://www.pemex.com/

http://www.pentair.com/valves%20boletín%20MORMC-0024-ES-1305


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42

CAPÍTULO 2

MARCO TEORICO

En este capítulo, se analizan las teorías de falla, se

describen los fundamentos del método del

elemento finito enfocado a esfuerzos, así como

también se describe el programa ANSYS®, en el

análisis de la integridad estructural.


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43

2.1 Teorías de falla

En la industria, es muy importante conocer las propiedades de los materiales y su resistencia.

Se debe determinar el esfuerzo permisible, para poder determinar las condiciones de operación

seguras. Para ellos se han formulado las teorías de falla para materiales homogéneos,

continuos, isotrópicos y lineales elásticos, donde se contemplan dos tipos de materiales:

Materiales dúctiles

Materiales frágiles

2.1.1 Materiales dúctiles

Son aquellos materiales, que al aplicarles una o más fuerzas pueden deformarse

considerablemente, antes de llegar a la falla. Para este tipo de materiales existen

principalmente las siguientes teorías:

Teoría del esfuerzo cortante máximo

Teoría de la distorsión máxima(Criterio de Von Mises)

La falla ocurre en una parte si cualquiera de los esfuerzos cortantes principales excede el

esfuerzo cortante principal que da lugar a la falla en la prueba uniaxial simple.

Puesto que:

2

2

2

32

32

31

31

2121

fluencia


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44

La condición segura es:

ytyc

ytyc

ytyc

31

32

21

Si se introduce un factor de diseño se tiene la respectiva ecuación de diseño:

d

yt

d

yc

nn

21

2.1.1.1 Teoría del esfuerzo cortante máximo

Henri Tresca propuso en 1868, la teoría del esfuerzo cortante máximo. Esta teoría se usa para

predecir el esfuerzo de falla de un material dúctil sometido a cualquier clase de carga. La

teoría del esfuerzo cortante máximo considera que el material fluye cuando se alcanza el

esfuerzo cortante en algún punto del componente mecánico analizado. En otras palabras se

establece lo siguiente:

“Una pieza de material dúctil no presentará falla alguna, mientras algún esfuerzo cortante (τ )

a la que está sometido el elemento mecánico o estructura, no iguale o supere la mitad del

esfuerzo de fluencia del material (σ ).

2.1.1.2 Teoría de la energía máxima de distorsión (criterio de Von Mises) [2.1]

“La falla se producirá en un punto de una estructura o componente mecánico, cuando la

energía de distorsión por unidad de volumen, debida a los esfuerzos principales en el punto

crítico, sea igual o mayor a la energía de distorsión por unidad de volumen de una probeta en


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45

el ensayo de tensión en el momento de producirse la fluencia”. Se expresa mediante la

siguiente fórmula:

(σ₁+ σ₂)² + ( σ₂ +σ₃)² + (σ₃ - σ₁)² = 2σ y²

Donde σ₁, σ₂, σ₃, son los esfuerzos principales, y σy es el esfuerzo de fluencia.

2.1.2 Materiales frágiles

Son aquellos cuya deformación plástica es prácticamente inexistente y tiende a fracturarse

directamente al fallar.

Para estos materiales existen dos teorías

Teoría del esfuerzo normal máximo

Teoría de la máxima deformación unitaria

Teoría de falla por esfuerzo normal máximo

La falla ocurrirá en cualquier punto de una estructura o componente mecánico, donde el

esfuerzo principal máximo, excede el esfuerzo de cedencia que ocurre en la prueba uniaxial

simple.

Si: S1 = Esfuerzo principal máximo 1 σyc = Esfuerzo de fluencia a compresión

S2 = Esfuerzo principal 2 σyt = Esfuerzo de fluencia a tensión.

S3 = Esfuerzo principal mínimo 3.


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46

2.2 Historia del Método de Elementos Finitos

El Método del Elemento Finito (MEF), es un método numérico general para la aproximación

de soluciones de ecuaciones diferenciales parciales. Es muy utilizado en diversos problemas

de ingeniería y física. Se originó, por la necesidad de resolver problemas complejos de análisis

estructural en ingeniería civil y aeronáutica. Es relativamente nuevo, ya que sus inicios fueron

en la década de los 40´s. Su desarrollo se remonta, a la obra de Alexander Hrennikoff (1941) y

Richard Courant (1942). [2.2]

El desarrollo del MEF, comenzó en mayor medida a finales de 1950 para diseño del fuselaje

de aeronaves. El análisis estructural cobró impulso en la Universidad de Stuttgart, a través de

la obra de Juan Argyris, y en Berkeley, con la obra de Ray W. Clough en 1960, para su uso en

la ingeniería civil. Durante las décadas de los años 1960 y 1970, el MEF fue

extendido a las aplicaciones de flexión en placa, recipientes a presión, y

problemas generales en tres dimensiones en el análisis estructural elástico, así

como al flujo de fluido y la transferencia de calor.

Durante la década de 1960, se desarrolló el primer programa de elementos finitos

(NASTRAN®). Fue creado en conjunto con la NASA. Considera miles de grados de libertad

nodales. En los años transcurridos desde el desarrollo de NASTRAN®, se han introducido

muchos paquetes comerciales para el análisis de elementos finitos. Entre estos están

ANSYS®, ALGOR®, COSMOS®, CATIA®. En el entorno computacional de hoy en día, la

mayoría de estos paquetes pueden ser utilizados, para obtener soluciones a problemas en el

análisis estructural, estático, dinámico, transferencia de calor, flujo de fluidos,

electromagnetismo, y respuesta sísmica.

2.2.1 Método de Hrennikoff para el análisis por el elemento finito

http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9todo_num%C3%A9rico

http://es.wikipedia.org/wiki/Ingenier%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsica


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47

Alexander Hrennikoff (1896-1984), fue Ingeniero Estructural nacido en Rusia. Se graduó en

el Instituto de Ingenieros de Moscú. También fue egresado de la Universidad de la Columbia

Británica (1933) y del Instituto de Tecnología de Massachusetts (1941).

Fue uno de los creadores del MEF. Durante su trabajo en el Instituto de Tecnología de

Massachusetts, desarrolló la analogía de la malla en modelos de membrana. Presentó una

solución a un problema de elasticidad, usando lo que se conocía como método de estructura de

trabajo (frame work method).

El estudio de Hrennikoff, discretiza el dominio, proponiendo el uso de líneas de una

dimensión para representar elementos como barras o vigas, para el cálculo de esfuerzos en

sólidos con sección transversal continua.

2.2.2 Método de Courant para el análisis del elemento finito

Richard Courant (1888–1972), fue un matemático alemán. Desarrolló el análisis de

elementos finitos desde un enfoque matemático en 1943. Usó el Método de Ritz del análisis

numérico y el cálculo variacional, para obtener soluciones aproximadas para sistemas

oscilatorios. Introdujo el concepto de funciones continuas a bloques en un subdominio, desde

un punto de vista ingenieril. A partir de esto se origina como el método de análisis estructural

de matrices de desplazamiento, el cual surge luego de varias décadas de investigación. Se ha

empleado principalmente en la industria aeroespacial inglesa, como una variante apropiada

para computadores. Usaba interpolaciones polinomiales sobre regiones triangulares finitas,

para la solución de ecuaciones diferenciales parciales de segundo orden elíptico, de problemas

relacionados con la torsión.

2.2.3 Método de Galerkin para el análisis del elemento finito

Boris Grigoryevich Galerkin (1871-1945), Matemático e ingeniero ruso, a quien se le

atribuye el método de Galerkin. La característica principal del método de Galerkin discontinuo

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=es&prev=/search%3Fq%3DAlexander%2BHrennikoff%26safe%3Dactive%26biw%3D1067%26bih%3D521&rurl=translate.google.com.mx&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Massachusetts_Institute_of_Technology&usg=ALkJrhj2662Rbu2dXgISWMM5C7Jc5WrMdQ

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=es&prev=/search%3Fq%3DAlexander%2BHrennikoff%26safe%3Dactive%26biw%3D1067%26bih%3D521&rurl=translate.google.com.mx&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Massachusetts_Institute_of_Technology&usg=ALkJrhj2662Rbu2dXgISWMM5C7Jc5WrMdQ

http://es.wikipedia.org/wiki/Matem%C3%A1ticas

http://es.wikipedia.org/wiki/Alemania

http://es.wikipedia.org/wiki/1943

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=M%C3%A9todo_Ritz&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1lculo_variacional


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48

es que la solución numérica, puede ser discontinua en las fronteras de los elementos, quedando

estos acoplados mediante los flujos numéricos característicos de volúmenes finitos.

Con fines ilustrativos consideremos la siguiente ecuación diferencial:

Sujeta a condiciones de límite

El dominio del problema se divide en M elementos delimitada por M+1 valores xi de la

variable independiente, de manera que x1 = xa y xM+1 = xb

Figura 2-1 Figura (a) dominio xa ≤ x ≤ xb discretizado en M elementos, figura (b) cuatro

primeras funciones de prueba. [2.3]


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49

Se supone una solución aproximada en la forma:

Donde yi es el valor de la función de solución, en donde x = xi y ni (x) corresponde a una

función de prueba.

2.3 Análisis por elementos finitos mediante un programa de cómputo.

2.3.1 Procedimiento general del análisis por elementos finitos, mediante un programa de

cómputo [2.4].

El proceso de analizar una estructura mediante un programa se divide en de tres etapas:

Pre proceso o definición del modelo

Solución

Post-proceso

Etapa de Pre proceso o Modelaje

Es una etapa crítica, ya que la solución que se obtendrá será incorrecta si el problema no está

definido correctamente y específica:

El dominio geométrico del problema.

Los tipos de elementos que se van a utilizar.

Las propiedades de los elementos (material).

Las propiedades geométricas de los elementos.

Las conectividades y la malla del modelo.

Las restricciones del modelo (fronteras).

Las cargas y esfuerzos aplicados.


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50

Etapa de Solución

En esta etapa, se enlazan las ecuaciones que rigen el problema, y se establecen en forma de

una matriz de rigidez. Se calculan los valores desconocidos, en el caso de los problemas de

esfuerzos, son los desplazamientos nodales. Dichos valores, son luego utilizados para la

sustitución y cómputo adicional de variables como deformaciones unitarias y esfuerzos en los

elementos. Una vez conocidos los esfuerzos principales, se aplica la teoría de falla, de acuerdo

a las características del material, para evaluar la integridad estructural.

Etapa Post proceso

En esta etapa, se analizan y evalúan los resultados obtenidos, realizándose las siguientes

operaciones:

Clasificar y ordenar los esfuerzos de los elementos de acuerdo a su magnitud.

Verificar el equilibrio.

Calcular factores de seguridad.

Proyectar la forma de la estructura analizada.

Mostrar el comportamiento del modelo en imágenes animadas y dinámicas.

Producir gráficos en los que los desplazamientos nodales y esfuerzos se indican a

través de códigos de colores.

2.3.2 Conceptos para el modelado por el método del elemento finito [2.5]

La elección de un buen modelo para el análisis por el método del elemento finito, asegura la

solución adecuada para resolver el problema. Por lo tanto, la creación del modelo es el paso

más importante en al análisis. El objetivo es seleccionar el patrón nodal apropiado y que

provea el número de elementos necesario para obtener resultados exactos.

El modelo, está compuesto de un número de elementos independientes, que son los elementos

finitos, unidos entre sí a través de un número de puntos llamados nodos.


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51

Para realizar un modelo de la estructura a analizar, se pueden seleccionar los elementos

adecuados dependiendo del tipo de estructura a estudiar. Estos son:

Truss (2D), beam, plane stress, plane strain, axisymmetric, membrane, plate, shell, solid ó brick,

tetrahedral, hexahedral, boundary, y gap.

2.3.2.1 Elementos planos (2D)

Estos elementos pueden ser dinámicos, cinemáticos, sólidos flexibles, entre otros. Se les

utiliza en simulaciones de análisis de esfuerzos mecánicos y/o térmicos. Asimismo, en

aquellos casos que presentan la interacción de sólidos y fluidos, en los que el detalle del flujo

no es importante. Se utilizan para simular cargas generadas por líquidos en estructuras.

También pueden emplearse en modelos axisimétricos.

2.3.2.2 Elementos cinemáticos 2D

Se utilizan para modelar partes de una estructura, que experimenta una deformación relativa

durante la aplicación de las cargas, se les pueden asignar límites, cargas, presión o gravedad.

Los elementos cinemáticos poseen masa y pueden transmitir carga, produciendo movimiento

y tensiones en elementos flexibles. La ventaja más importante de los elementos cinemáticos,

es la capacidad para reducir drásticamente el tiempo de análisis.

Figura 2-2 Ejemplos de elementos: triángulo (3 nodos) cuadrilátero (4 nodos) [2.5]


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52

2.3.2.3 Elemento “Armadura”

El elemento armadura o “Truss”, está caracterizado básicamente porque solo puede

comportarse como un miembro sometido a dos fuerzas. Se sabe por tanto que estas cargas,

deben estar dirigidas a lo largo del eje longitudinal del elemento. En una estructura, los

elementos se pueden modelar como un elemento armadura, si cumplen estos tres

requerimientos:

a. Su longitud es mucho mayor que su alto o ancho (entre 8 y 10 veces).

b. La longitud es conectada con el resto de la estructura con pasadores que no transfieren

momentos.

c. Las cargas externas solo son aplicadas en el extremo de los elementos, y son paralelas al

mismo (Carga Axial).

Los elementos Armadura, solo pueden ser sometidos a tracción o compresión. De esta forma,

la única propiedad de la sección que se debe especificar es el área recta del elemento.

Figura 2-3 Elementos Armadura o “Truss”


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53

2.3.2.4 Elementos viga

El elemento viga o “Beam”, es probablemente el más usado. Además de sus aplicaciones

obvias en estructuras, y sistemas como uniones mecánicas, sistemas de conductos, tuberías y

vigas en puentes, pueden ser modeladas con el elemento “Beam”.

Para las estructuras a ser modeladas con los elementos “Beam”, una de sus tres dimensiones

debe ser mucho mayor, por lo menos 10 veces más grande que las otras dos. Contrario al

elemento “Truss”, el elemento “Beam” puede estar sometido a cargas transversales y/o

momentos flectores, en adición a la tracción y compresión.

Figura 2-4 Elemento “Viga” Tridimensional

2.3.2.5 Elementos Axisimétricos

Tanques de acero y concreto, rotores, toberas y contenedores son algunos ejemplos

representativos de estructuras axisimétricas. En este caso, es importante considerar que para

hacer un modelo axisimétrico, es necesario que tanto la geometría del caso de estudio, como la


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54

carga sean simétricos, con respecto del eje axial. De forma similar a las estructuras

tridimensionales que están bajo condición de esfuerzo plano o deformación plana, las

estructuras axisimétricas sometidas a cargas axisimétricas, pueden ser analizadas en un

modelo bidimensional. Para analizar una estructura axisimétrica, como un cilindro de pared

delgada t, sujeta a una presión constante p, el modelo es la intersección del cilindro con el

plano YZ. De ésta forma el análisis tridimensional se reduce a uno bidimensional.

La carga p, es aplicada al modelo de elementos finitos como se muestra en la figura 2-5

Cuadriláteros y triángulos axisimétricos poseen dos grados de libertad en cada nodo.

Figura 2-5 Elementos Axisimétricos

2.3.2.6 Sólidos elásticos tridimensionales ó elementos “Brick”

Los elementos sólidos, son elementos tridimensionales con tres grados de libertad de translación

por nodo. Los nodos, son usualmente introducidos en la intersección de los tres planos en el

elemento, o la mitad de la intersección de dos planos. Elementos Brick de 6 y 8 nodos, con sus

respectivos grados de libertad se pueden apreciar en la figura 2-6.


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55

Figura 2-6 Elementos Brick Sólidos

Así como los elementos Brick, los elementos Tetraedros y Hexaedros, pueden ser usados para

modelar estructuras tridimensionales. El tetraedro puede ser visto como un triángulo en tercera

dimensión, como se ve en a figura 2-7, mientras que el hexaedro puede ser visto como un

cuadrilátero extendido en la tercera dimensión. Se puede apreciar entonces, que el hexaedro

tiene la misma geometría del elemento Brick de 8 nodos. La diferencia entre estos dos, es la

formulación y precisión computacional. Por lo general, los elementos tetraedro y hexaedro

poseen solo tres grados de libertad por nodo, y la precisión de estos elementos se puede

incrementar colocando nodos en la mitad de los lados.

(a) Tetraedro de 4 nodos, (b) Tetraedro de 10 nodos.

Figura 2-7 Elementos Tetraedros y Hexaedros


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56

2.3.3 Selección del tipo de Elementos

Antes de seleccionar el tipo de elemento para el modelo de una estructura, se debe primero dibujar

un bosquejo del sistema físico, indicando su geometría, condiciones de frontera, cargas y

discontinuidades geométricas o de material. El bosquejo, debe además incluir un sistema de

coordenadas globales y las dimensiones de la estructura. Después, se debe examinar si el modelo

puede ser simplificado. Esfuerzo plano, deformación plana y modelos axisimétricos, permiten la

simplificación de problemas tridimensionales a bidimensionales. Además, la presencia de planos

de simetría, permite modelar sólo una parte de la estructura.

El bosquejo de un sistema físico, puede ayudar en la selección del elemento apropiado. Por

ejemplo, para modelar cargas transversales o axiales en elementos mecánicos, eléctricos y

estructuras civiles, se pueden usar elementos “Beam” o “Truss”. Elementos de esfuerzos planos,

son apropiados para modelar en el plano de acción, placas y vigas cortas. Los elementos de

deformación plana, son usualmente utilizados para modelar paredes de contención y diques largos.

Por otra parte, los elementos axisimétricos, son usados para modelar estructuras que son

rotacionalmente simétricas sobre uno de los ejes, y cargado simétrica o antisimétricamente sobre el

mismo eje, como los cilindros sometidos a presión interna. La correcta selección del tipo de

elemento o elementos depende del tipo de resultados esperados.

2.4 ANSYS® Programa de simulación y diseño empleando el método del elemento finito [2.6]

ANSYS, Inc. Es una empresa fundada en 1970 (Swanson Analysis Systems, Inc.), con

personal con experiencia en el análisis con el método del elemento finito y dinámica de fluido

computacional. Este programa, se utiliza para predecir cómo funcionará y reaccionará

determinado producto bajo un entorno real. Está desarrollado para funcionar, bajo la teoría del

elemento finito para estructuras, y volúmenes finitos para fluidos. La primera versión de

ANSYS® fue programada a finales de 1970. La compañía Westinghouse, fue el primer cliente

que usaba ANSYS®, como programa principal de análisis en el diseño.

http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9todo_de_los_elementos_finitos

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=M%C3%A9todo_de_los_vol%C3%BAmenes_finitos&action=edit&redlink=1


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57

Desde finales de los años 1950 y principios de los años 1960, diferentes métodos para el

análisis con base en el Método de los elementos finitos han sido implementados, pero casi

siempre con base en fuerzas y no en desplazamientos. Los paquetes de elementos finitos

comerciales aparecieron en la década de 1970, utilizaban toda la capacidad de cómputo de los

grandes computadores, y estaban dirigidos esencialmente a las industrias aeronáutica,

automotriz, de defensa y nuclear. En la actualidad, este tipo de programas corre en

computadores de escritorio y realizan al mismo tiempo el análisis de diferentes fenómenos,

como por ejemplo, termodinámica, electromecánica y mecánica estructural.

ANSYS®, está dividido en tres herramientas principales llamados módulos: pre-procesador

(creación de geometría y malla), procesador y post-procesador. Tanto el pre-procesador como

el post-procesador, están previstos de una interfaz gráfica. Este procesador del elemento finito,

para la solución de problemas mecánicos incluye: análisis de estructuras dinámicas y estáticas

(ambas para problemas lineales y no-lineales), análisis de transferencia de calor y

fluidodinámica, así como problemas de acústica y de electromagnetismo. Usualmente, estas

herramientas se utilizan simultáneamente, logrando mezclar problemas de estructuras junto a

problemas de transferencia de calor como un todo. Este programa es usado también en

ingeniería civil, eléctrica, física y química.

ANSYS®, simula esfuerzos para determinar la integridad estructural de una estructura, bajo

un entorno real bajo la teoría del elemento finito. Funciona suministrando al programa, datos

de la estructura a simular (espesores, medidas, peso, ángulos de inclinación, tipo de ensamble

si es por tornillo o soldadura, clase y tipo de material si es placa, perfil angular, vigueta, tubo,

temperatura, según sea el caso si aplica y composición de acero), después se clasifica el

material a simular si es lineal, no lineal, isotrópico, ortotrópico. También se le pueden incluir

vibraciones, simular un sismo, y vientos para que se asemeje a situaciones reales.

Para efectuar el análisis, lo primero que se tiene que hacer, una vez que se entiende la física

del fenómeno estudiado y se ha decidido la mejor forma de modelación, es introducir el

modelo geométrico a ser evaluado. Ya que se hayan suministrado los datos al programa, éste

simula las condiciones a las que se someterá el modelo mediante una malla de nodos. Con

http://es.wikipedia.org/wiki/A%C3%B1os_1950

http://es.wikipedia.org/wiki/A%C3%B1os_1960


http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Termomec%C3%A1nica&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/Electromec%C3%A1nica

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Mec%C3%A1nica_estructural&action=edit&redlink=1


http://es.wikipedia.org/wiki/Fluidodin%C3%A1mica

http://es.wikipedia.org/wiki/Ac%C3%BAstica

http://es.wikipedia.org/wiki/Electromagnetismo


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58

base en este programa, se puede determinar el esfuerzo máximo que soportará la estructura,

restándole un porcentaje de carga aplicada para efectos de tolerancia, según las normas

aplicables.

El propósito de utilizar el programa ANSYS®, es que tiene un acierto del 98% en la

simulación respecto a otros programas. En este programa, se puede importar el diseño a

analizar desde el programa Autocad y solidworks.

En síntesis, el programa ANSYS® predice el comportamiento de un equipo, sistema o

componente bajo cualquier condición de operación, en el área mecánica, fluidos y

transferencia de calor y electromagnetismo.

2.5 Consideraciones en el análisis del yugo escocés con el programa ANSYS®

Para el análisis del yugo escocés de este trabajo y después de analizar el elemento adecuado se

realizará el modelo como un elemento parabólico 3D-solid-186 de 20 nodos, en el programa

ANSYS® versión 14.5, así mismo se usará un acero estructural A-36.


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59

2.5 Referencias

[2.1] Reynoso Martínez Luis Omar (2012) “Análisis de Esfuerzos en Oleogasoducto de 20”Ø

x 7.0 km que sale de la Plataforma Kambesah hacia la Plataforma Kutz-Ta en el Golfo de

México. Tesis de Maestría. SEPI-ESIME-IPN

[2.2] K. J. Bathe (1995): "Finite Element Procedures", Prentice Hall, 2nd edition.

[2.3] Fundamentals of Finite Element Analysis, David v. Hutton, the McGraw−Hill Company,

2004

[2.4] H. Gómez, I. Colominas, F. Navarrina, M. Casteleiro, Revista Internacional Métodos

Numéricos en Ingeniería, un nuevo enfoque para el tratamiento de los términos difusivos de la

ecuación de convección- difusión en el método de Galerkin discontinuo. Universidad de la

Coruña Campus de Elviña, España, 2009.

[2.5] Alfonso Cubillos Introducción al método de los elementos finitos Universidad de Ibagué

– Programa de Ingeniería mecánica, Ing. Alfonso Cubillos (2009)

[2.6]http://web.archive.org/web/20090711214016/http://www.hallf.kth.se/kurser/0708/SE2129

/Brottmekanik/Ansys%20Tutorials.pdf. Real Instituto de tecnología (KTH), Estocolmo

Suecia.

http://web.archive.org/web/20090711214016/http:/www.hallf.kth.se/kurser/0708/SE2129/Brottmekanik/Ansys%20Tutorials.pdf

http://web.archive.org/web/20090711214016/http:/www.hallf.kth.se/kurser/0708/SE2129/Brottmekanik/Ansys%20Tutorials.pdf


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60

CAPÍTULO 3

ANÁLISIS DEL YUGO ESCOCÉS

En este capítulo, se presenta un análisis de los

esfuerzos a los que se somete el yugo escocés

simétrico, en condiciones reales de operación. Se

plantean las condiciones de carga y frontera, y se

modificará la geometría del yugo escocés,

mediante el programa de simulación ANSYS®.


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61

3.1 Modificación del mecanismo de cierre rápido de una válvula de bola SDV de 12” Ø

3.1.1 Problemática de las válvulas de corte rápido (SDV) de la red de gasoductos urbanos en la

ciudad de Poza Rica, Veracruz.

Las Baterías de Separación Poza Rica V, Poza Rica III, Poza Rica IX, pertenecientes al Activo

de Producción Poza Rica Altamira, se comunican mediante una red de gasoductos de baja

presión de 12”Ø, con una presión promedio de 35 psi. Se les instaló a las llegadas y salidas

unas válvulas de corte rápido SDV, con un actuador hidroneumático de yugo escocés

simétrico de 12”, marca Bettis, Modelo Robotarm II serie G3, con cilindro de 20” con retorno

por resorte, los cuales cuentan con una bomba hidráulica de respaldo para abrir manualmente.

Figura 3-1.- Red de gasoductos urbanos de baja presión de la ciudad de Poza Rica, Veracruz,

Activo de Producción Poza Rica Altamira, Región Norte.


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62

Este tipo de actuador, funciona con suministro neumático de entre 50 y 56 psi. Los controles

son neumáticos, no cuentan con energía eléctrica, no tiene Banco de nitrógeno, ni acumulador

de aire de respaldo. La opción para que entre en operación es tomar gas del mismo proceso

para la alimentación neumática, solo que la presión del proceso es de alrededor de 35 psi, por

lo que la finalidad de este estudio es incrementar su torque hacia la válvula, con esta presión

del proceso.

Figura 3-2- Válvula SDV de 12”Ø, instalada en el gasoducto de baja presión de la Batería de

Separación Poza Rica III, Activo de Producción Poza Rica Altamira, Región Norte.

3.1.2 Válvula SDV y gasoducto a analizar

La válvula es de bola de 12”Ø, clase 300 Bridada de la marca P.V.B. De acuerdo a su manual

de operación, soporta un torque máximo de 27,200 lbs.plg. Con una presión interna de 740 psi

a 80 °F.


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63

Figura 3-3- Esquema de una válvula de bola marca P.V.B. mostrando sus internos

Figura 3-4 Gráficos de Torque máximo del vástago y Presión-Temperatura de la válvula de

12”Ø clase 300 Marca P.V.B.


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64

El gasoducto es de 12” Ø x 2.6 km. instalado sobre terreno irregular y pendientes, se encuentra

dentro de la zona urbana, se le aplica mantenimiento preventivo y predictivo, celaje,

protección catódica e inyección de inhibidor de corrosión. Además se corre émbolo de

limpieza cada 7 días, a continuación se menciona su ficha técnica.

Figura 3-5 Ficha técnica del gasoducto de baja presión que va de la batería de separación Poza

Rica III a la batería Poza Rica XI, Activo de Producción Poza Rica Altamira, Región Norte.

Figura 3-6 Ficha técnica del actuador marca Bettis instalado en la batería Poza Rica III, Activo

de Producción Poza Rica Altamira, Región Norte.


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65

3.1.3 Dimensiones del Cilindro Neumático

Figura 3-7 Dimensiones del cilindro neumático del actuador marca Bettis modelo Robotarm II

Serie G3020-SR1CW-M11

Diámetro Longitud Espesor de

pared

Espesor de

Tapas

Diámetro del

pistón

Espesor de

Pistón(plato)

Volumen total

del Cilindro

20” 16” ⅜” ½” 1” 1” 0.0667m³

Volumen de un cilindro 𝑉 = 𝜋𝑟2. ℎ

𝜋=3.14159265

r =10”- ⅜”(espesor de pared)= 9.625”

h=16”-1”(espesor de Tapas)- 1” ”(espesor de pistón) = 14”

aplicando 𝑉 = 𝜋𝑟2. ℎ tenemos:

V=4074.54 pulg³.

20”Ø

16”

15.3”

36.6”


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66

Se desprecia el volúmen del pistón, debido a que en los ciclos cierre-apertura se compensa con

el volumen de la línea de suministro, por lo que no se considerará. El consumo de aire se

calcula referido a condiciones normales que según la norma ISO R554 son: Temperatura de 20

ºC, Presión de 1,013 mbar y una humedad relativa del 65%.

3.1.4 Cálculo del cilindro neumático de simple efecto en el avance

Para conocer a detalle el consumo de suministro neumático, fuerza teórica, fuerza real de

empuje, relación de compresión y considerando que el diámetro interno del cilindro del

actuador es de 19.25”Ø, con un diámetro del vástago de 1”Ø y una presión de trabajo 56 psi,

se tienen que realizar los siguientes cálculos:

1 bar = 14.5053 psi 56 psi ( 1 𝑏𝑎𝑟14.5053 𝑝𝑠𝑖

)= 3.86 bar

Calculamos la superficie del émbolo: S=D²(𝜋4

)

Considerando los siguientes datos:

Carrera del cilindro 15 in=0.381m.

Diámetro del cilindro = 19.25 in= 0.4889m.

Carrera =15 in=0.381 m.

S =(0.4889m)² 3.1415926

4 =0.1877m²

Calculamos la relación de compresión

Relación de Compresión =1.013 + Presión de trabajo (en bar)

1.013

R.C.= (1.013+3.86 𝑏𝑎𝑟1.013

) = 4.810

Consumo de aire = (Relación de compresión)(superficie del émbolo)(carrera)

Consumo de aire = (4.810) (0.1877m²) (0.381m)= 0.343 m³


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67

Se calcula la fuerza teórica de empuje en el avance

Fteórica=A⋅p

Fteórica=Fuerza teórica del émbolo

A=Superficie útil del émbolo =0.1877m²

p=Presión de trabajo=56 psi= 216219.58 N/m²

Fteórica=A (0.1877m²). p (386106.40N/m²)= 40,584.415 N

FR =Fuerza de Rozamiento= 4,058.44 N

Se calcula la Fuerza real de empuje

Fn =A.p-(FR+FF)

Fn= Fuerza real de empuje en el avance

A=Superficie útil del émbolo

p = Presión de trabajo

FR = Fuerza de rozamiento (10% de la fuerza teórica)

FF = Fuerza del resorte en el retorno =23,823.5675𝑁

Fn = (0.1877m²) (216219.58 N/m²) -[4,058.44𝑁 + 23823.5675𝑁]

Fn = 12,702.41 N.

En el yugo escocés simétrico, debido a su geometría, la longitud del brazo de palanca al

principio y al final del ciclo, se puede determinar al dividir la longitud del brazo de palanca en

el centro por el coseno de 45° ó 0.7071. Al efectuar esta operación, se determina que el brazo

de palanca al principio y al final del desplazamiento es 1.414 veces, el brazo de palanca en la

posición central del desplazamiento. En la figura 3-8, se muestra el esquema del yugo escocés

al inicio de su carrera 0°, en el cual el brazo de palanca L es de mayor longitud, que cuando se

encuentra a la mitad de su carrera 45°, se tiene que considerar que en las válvulas de bola, su

carrera completa de apertura-cierre son de ¼ de vuelta o 90° de giro.


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68

Figura 3-8 Esquema del torque de salida y torque a 45° de un yugo escocés de un actuador.

Para conocer el torque que transmite el yugo escocés simétrico, al inicio y final de su carrera,

tenemos que considerar la siguiente formula:

Torque = F. 𝐿

cos 45°

Por otra parte, para conocer el torque que transmite el yugo escocés simétrico a la mitad de la

carrera, 45° de la válvula, tenemos que considerar la siguiente formula:

Torque = (F) x (A) x (L), donde:

F=fuerza

A= área del cilindro

L=longitud del brazo de palanca


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69

Figura 3-9 Dibujo en Autocad 2010® de un yugo escocés de un actuador marca Morín de 1”Ø,

con acotaciones en cm. y con escala 2:1

3.2 Modificaciones propuestas del yugo escocés

Para realizar el análisis del yugo escocés simétrico y su posterior modificación, se propusieron

de inicio las siguientes alternativas, dibujándose desde el programa Autocad 2010®.

Figura 3-10A Alternativa A Figura 3-10B Alternativa B


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70

De los modelos anteriores de las figuras 3-10A, 3-10B se encontraron las siguientes

inconsistencias:

En estos modelos cinemáticamente no corren sobre el perno del vástago. Se produce

un atoramiento.

Se genera un esfuerzo cortante en el perno debido a que solo tiene un punto de apoyo

en cada pinza.

Para el caso del desarme del yugo, el vástago no puede girar radialmente para extraer

el perno.

El modelo de la figura 3-10B presenta los mismos inconvenientes que el modelo de la

figura 3-10A, aun cuando el interior de las pinzas donde se mueve el perno es

semicircular.

La problemática es para un actuador de acción simple de retorno por resorte y este

modelo, por la forma de las pinzas es de doble acción.

Por lo anterior, se descartan y se proponen los siguientes modelos, dibujándose desde el

programa Solidworks 2010®, el modelo original y 2 modelos de yugo escocés modificado,

debido a que este programa, simula movimientos.

Figura 3-11 Modelo geométrico en Solidworks 2010® del yugo escocés original


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Figura 3-12A Modelo geométrico en Solidworks 2010® del yugo escocés modificado a 15°

Figura 3-12B Modelo geométrico en Solidworks 2010® del yugo escocés modificado a 30°


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72

Los modelos geométricos modificados de las figuras 3-12A y 3-12B, se tienen las siguientes

ventajas:

Estos modelos cinemáticamente si corren sobre el perno del vástago. No presentan

obstrucciones, siendo similares al modelo original.

Para el caso del desarme del yugo, el vástago si puede girar radialmente para extraer el

perno, en el caso del modelo original el desarme es a la mitad de su carrera 45°, para el

modelo de la figura 3-12A, el desarme se tiene que realizar con las pinzas a 60° en la

posición de apertura, para el modelo de la figura 3-12B, el desarme se tiene que

realizar a 75° en la posición de apertura.

En los 2 modelos, el esfuerzo cortante se distribuye en 2 puntos de apoyo como en el

modelo original.

No existe impedimento para utilizarlo en un actuador de acción simple.

Para estos modelos disminuye su torque en el caso de cierre, aunque éste lo realiza un

resorte, el cual se puede ajustar a la tensión requerida.

A los modelos geométricos modificados de las figuras 3-12A y 3-12B, se les cambió la

geometría de las pinzas con respecto al modelo original. Esto con el fin de aumentar el torque

en la apertura de la válvula. De esta forma se garantiza la seguridad de las instalaciones en

tiempo y forma de acuerdo a la norma NRF-152-PEMEX-2013.

El torque se incrementa en un 86% (Figura 3-12A) para un ángulo de 15° modificado a partir

del modelo original (Figura 3-11) y en 96% para el modelo modificado en ángulo de 30°

(Figura 3-12B).


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73

Figura 3-13 Representación geométrica del torque del yugo escocés

En la Figura 3-13, se presenta el diagrama del torque del yugo escocés. Se observa que el

torque varía con respecto al ángulo en que se aplica la carga, representado básicamente por las

tres posiciones (P1, P2 y P3) y que se describe matemáticamente por la variación del Sen (δ) y

la distancia d. También varía de acuerdo a la expresión (Ax2+Bx+C) en donde los coeficientes

A, B y C dependen de las posiciones iniciales y finales de F.

Finalmente, la expresión matemática puede ser representado por:

𝑀(𝐴) = 𝐹(𝐴𝑥2 + 𝐶) ∗ 𝑠𝑒𝑛(𝛿)

Conociendo las posiciones de F, los coeficientes pueden ser calculados mediante una

aproximación numérica por mínimos cuadrados.

A = 0.0041 y B = 100; finalmente el modelo matemático que representa al torque es:

𝑀(𝐴) = 𝐹(0.0041𝑥2 + 100) ∗ 𝑠𝑒𝑛(𝛿)

F

F

F

MA

d

d0 δ

P1 P3

P2


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74

CAPÍTULO 4

EVALUACIÓN DE

RESULTADOS

En este capítulo, se analizan los resultados

obtenidos al realizar la modificación del yugo

escocés.


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75

4.1 Simulación numérica y análisis de resultados

4.1.1 Desarrollo del modelo

El modelo geométrico está representado por la (Figura 4-1), en donde se describen sus

componentes.

Figura 4-1 Componentes del yugo escocés

4.1.2 Tipo de elemento y propiedades del material

El tipo de elemento usado en este trabajo, será un elemento parabólico 3D-solid-186 de 20

nodos. Este tipo de elemento puede tolerar formas irregulares. Además se puede utilizar como

tetraedro o hexaedro sin pérdida en la precisión de los resultados. En cuanto al material, se

usará un acero estructural A-36 que tiene un módulo de Young de 200GPa y coeficiente de

Poisson de 0.30.

Yugo escocés Cuña

Vástago

Soportes del

yugo

Soporte del

vástago

Saliente de empuje


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76

4.1.3 Condiciones de frontera y aplicación de las cargas

El modelo consta de cuatro grados de libertad. Las condiciones de frontera serán aplicadas de

tal forma, que se deje actuar al yugo en su movimiento normal bajo carga, en donde se

desprecia la fricción considerada ya en la aplicación de la carga, de acuerdo a la Figura 4-2,

esto con el fin de observar los esfuerzos que se provocan por el contacto de las pinzas, y las

salientes del vástago.

Figura 4.2 Aplicaciones de la carga

Para todas las simulaciones se utilizó un procesador CoreTM i7, de segunda generación con una

memoria RAM de 6GB y 1GB de memoria física independiente para gráficos.

4.1.4 Convergencia

Para la prueba de convergencia se utilizaron 5 densidades de mallas diferentes, a partir de

204,015 elementos el modelo converge al 97% del valor máximo para esta prueba.


petrolero nacional

77

Figura 4.3 Prueba de convergencia

Se puede observar que usando 461,101 elementos el resultado es el mismo. Sin embargo el

tiempo de computo se incrementa 5.5 veces.

En la Figura 4-4 se muestra el modelo discretizado, cuya densidad de elementos es homogénea

y es de 461,101 elementos.

Figura 4-4 Discretización del modelo

1.00

0.96

0.90

0.84

0.68

12275 42544 75164 204015 461101

5362

1581

180

70

12

Número de elementos

δ(p.u.) Tiempo Seg.


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78

Para mejorar el tiempo de cómputo y la convergencia de los resultados, se procede a

discretizar el modelo con densidades diferentes de malla. Esto se justifica, debido a que los

efectos más críticos suceden, en donde se produce el contacto entre las pinzas y las salientes

del vástago, además de la cuña.

En la Figura 4-5A y 4-5B, se aprecian las densidades de la malla utilizada para el análisis de

estos modelos

Figura 4-5A Mejora del discretizado en las

partes de interés (Pinzas – Saliente)

Figura 4-5B Mejora del discretizado en las

partes de interés (Cuña)

4.1.5 Aplicaciones de las cargas a los modelos estudiados

En la siguiente tabla se tienen las presiones aplicadas a los tres modelos bajo estudio.

Tabla 4-1 Cargas aplicadas a los modelos analizados

Modelos analizados Aplicación de la

carga

Presión (MPa)

Original 45° 1.566

Modificado 15° 60° y 30° 1.566

Modificado 30° 75° y 15° 1.566


petrolero nacional

79

La aplicación de la carga, varía conforme al ángulo de diseño, esto con el fin de obtener un

mayor torque y un tiempo de respuesta más rápido, vital para este tipo de válvulas de

seguridad.

4.1.6 Resultados de los modelos estudiados

Figura 4-6 Esfuerzos máximos de Von-Mises para el modelo original (Pinzas – Saliente)

En la Figura 4-6 se presentan los resultados de los esfuerzos de Von Mises obtenidos con

ayuda del Método del Elemento Finito, para una presión constante de 1.566 MPa, los

esfuerzos máximos se presentan en el contacto de las salientes y las pinzas del yugo escocés.


petrolero nacional

80

Figura 4-7 Esfuerzos máximos de Von-Mises para el modelo original (Cuña)

En la Figura 4-7 se presentan los resultados de los esfuerzos de Von Mises obtenidos con


esfuerzos máximos se presentan en la región en donde se localiza la cuña.


petrolero nacional

81


Saliente)

En la Figura 4-8, se presentan los resultados de los esfuerzos de Von Mises obtenidos, con



En este modelo se modificó la geometría de las pinzas en 15°.


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82

Figura 4-9 Esfuerzos máximos de Von-Mises para el modelo modificado a 15° (Cuña)





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83


Saliente)




En el siguiente modelo se modificó la geometría de las pinzas en 30°.


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84

Figura 4-11 Esfuerzos máximos de Von-Mises para el modelo modificado a 30° (Cuña)




Con los resultados obtenidos se observa que el esfuerzo decrece en los modelos propuestos y

que está por debajo del límite de fluencia. Con esto se simula una condición crítica en el yugo

de 30°.


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85

Figura 4-12 Esfuerzos críticos máximos de Von-Mises para el modelo modificado a 30°

(Cuña)

En la Figura 4-12, se simula un atorón del yugo escocés y se muestran los esfuerzos máximos

de Von Mises que ocurren en la región de la cuña.

4.2 Discusión de los resultados obtenidos

Considerando los 2 modelos con las pinzas modificadas a 15° y 30°, se muestran a

continuación unas gráficas, en las cuales se observa el comportamiento de dichos modelos y el

original.


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86

Figura 4-13 Grafica del yugo escocés original

Figura 4-14 Grafica del yugo escocés modificado a 15°

Figura 4-15 Grafica del yugo escocés modificado a 30°


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87

Se tiene que el modelo modificado a 30°, es el que incrementa el torque en la apertura a 96%

con respecto al original, aunque en el cierre disminuye, pero considerando que el actuador es

de acción simple y el retorno lo realiza un resorte, y este a su vez se puede ajustar a la tensión

requerida, es posible el funcionamiento de este modelo, con la fuerza que suministran 35 psi

de gas de proceso.

Desde el punto de vista de operación y mantenimiento, el modelo modificado tiene las mismas

características que el modelo original, solo el caso que cuando se va a desarmar, se tiene que

tener en la posición de apertura a 75°, el modelo original se debe tener en la posición de

apertura a 45°, pero esta situación es despreciable ya que para el desarme se debe de retirar la

cuña de acoplamiento.


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88

CONCLUSIONES

Se presentan las conclusiones y observaciones

obtenidas en el análisis.


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89

Conclusiones:

Después de haber analizado los resultados obtenidos en la optimización del yugo escocés se

concluye lo siguiente:

Debido a que el yugo escocés modificado a 30° fue el que presenta mayor torque con la

presión con respecto del modelo a 15°, y se encuentra abajo del límite de cedencia, se

seleccionó este modelo, tomando en cuenta lo siguiente:

1) Los esfuerzos máximos de Von Mises se encuentran dentro de la región de tolerancia

para el diseño propuesto.

2) Los esfuerzos tanto para la región de las pinzas – salientes, así como para la región de

la cuña varía en función del seno del ángulo.

3) Los esfuerzos simulados decrecen esto es debido a que la aplicación de la carga se

realizó en la región neutra del movimiento del yugo, para los extremos, estos esfuerzos

aumentarían en un 37% para el caso del ángulo modificado de 30°.

4) El torque en la apertura de la válvula de seguridad aumenta un 37% con respecto a la

geometría original, con lo que se garantiza un tiempo menor de apertura, así como una

operación segura.

Por lo que si es factible poder realizar la modificación al yugo, y así solucionar esta

problemática con la presión de 35 psi que se tiene como suministro.

Para efectos de reafirmar la solución propuesta, a continuación se muestran como referencia,

imágenes del análisis experimental por fotoelasticidad, a un yugo escocés simétrico a escala

12:1 del original, éste modelo no tiene cuñero, se acopla a la válvula mediante un perno

pasante hacia el vástago, pero las características son similares.


petrolero nacional

90

Figura C-1 Imagen del análisis experimental por fotoelasticidad con una fuerza de 20N



petrolero nacional

91



Con este método se demuestra que el campo de esfuerzos se comporta de la misma manera

que con el análisis realizado con el programa ANSYS®, para más detalles sobre el análisis

experimental, consultar el anexo C de este trabajo de tesis.


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92

RECOMENDACIONES

PARA TRABAJOS

FUTUROS

En este capítulo, se presentan recomendaciones

para trabajos futuros de los resultados obtenidos.


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93

De los resultados obtenidos en este trabajo, se observa la importancia de la utilización y buen

funcionamiento de las válvulas de corte rápido, en los procesos de conducción de

hidrocarburos, y para el caso de minimizar los riesgos en el caso de un evento no deseado

como derrame, fuga o incendio en los ductos urbanos de Petróleos Mexicanos, se recomienda

considerar instalar válvulas de corte rápido SDV a las entradas y salidas de las poblaciones.

La norma NRF-030-PEMEX-2009 (diseño, construcción, inspección y mantenimiento de

ductos terrestres para transporte y recolección de hidrocarburos), en su capítulo 8.1.11.3

Válvulas de seccionamiento, enuncia lo siguiente “En el caso de ductos que transporten

líquidos en áreas industriales, comerciales o residenciales, la máxima separación de las

válvulas de seccionamiento debe ser 12 km.” Lo cual solo menciona la distancia máxima de

separación, no así la mínima, debiéndose considerar instalar las válvulas a las entradas y

salidas de poblaciones, para aislar el ducto y no tardar mucho tiempo en recolectar los

remanentes en una reparación o esperar a mucho tiempo a que se quemen en un incendio.

Por otro lado se debe considerar realizar una propuesta y sugerencia de cambio a la norma

NRF-152-PEMEX-2013 (actuadores para válvulas), ya que en el capítulo 8.3.4.7.14 enuncia

que “los tiempos mínimos y máximos de apertura y cierre del actuador neumático deben

cumplir con los requisitos de la aplicación, de acuerdo a la ingeniería de proceso, así mismo

estos tiempos de apertura y cierre se deben especificar en el formato del anexo 12.2 de dicha

norma”.

Anteriormente en la norma NRF-152-PEMEX-2006 enunciaba en la siguiente tabla los

tiempos de apertura y cierre para los actuadores hidráulicos.

Tabla R-1. Tiempos de apertura y cierre de los actuadores hidráulicos


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94

Por lo cual se debe considerar establecer en dicha norma, los tiempos mínimos y máximos de

apertura de las válvulas de corte SDV, de acuerdo al diámetro del cilindro neumático,

diámetro de la válvula, presión, fluido que transporta y su temperatura.

En los trabajos de mantenimiento, se ha notado la importancia en los tiempos de cierre o

apertura de los actuadores, debido a que la válvula permanece mucho tiempo en una posición

y en el caso de un evento, debe realizar el cierre de forma inmediata, por lo que se deben

establecer tiempos cortos de acción, pero sin ocasionar un golpe de ariete.


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95

ANEXO A

En este anexo, se presentan casos reales de

aplicación de este estudio, así como la

importancia de la instalación y buen

funcionamiento de las válvulas de corte rápido.


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96

A.1 Posible aplicación de mejora al mecanismo de las válvulas SDV, en el enlace con

instalaciones costa afuera.

En el oleogasoducto de llegada, de la Batería de Separación Punta de Piedra, Activo de

Producción Poza Rica-Altamira Región Norte, se tiene una válvula de corte rápido con un

actuador hidroneumático marca Rotork de 20” Ø de yugo escocés, doble acción modelo GP-

85, que protege el oleoducto de llegada de la plataforma de enlace Marsopa. Éste tiene el

mismo inconveniente de la válvula analizada en este trabajo, una presión baja en el suministro

neumático (56.8 psi) en promedio, y éste actuador opera con un rango de 80 a 125 psi. Por lo

que se puede considerar realizar una modificación al yugo escocés para incrementar el torque.

Figura A-1. Válvula de Corte Rápido Instalada en la Batería de Separación Punta de Piedra,

Activo de Producción Poza Rica-Altamira Región Norte.


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97

Figura A-2. Ubicación geográfica del Enlace de la Plataforma Marina Marsopa con la Batería

de Separación Punta de Piedra, Activo de Producción Poza Rica-Altamira Región Norte.

Figura A-3. Ubicación geográfica de la Plataforma Marina Lankahuasa-A, y la Estación de

Proceso y Manejo de Gas El Raudal, Activo de Producción Poza Rica-Altamira, Región Norte.


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98

A.2 Aplicación de mejora al mecanismo de las válvulas SDV, en instalaciones costa afuera.

En la Plataforma Marina Bagre-B, del Activo de Producción Poza Rica-Altamira, Región

Norte, se tiene instalada una válvula de compuerta marca Unival de 8” serie 600, en el

oleoducto de salida. Se recomienda sustituir, e instalar una válvula de bola con actuador de

yugo escocés. En este caso, no se tienen inconvenientes por utilizar la presión del proceso

como suministro neumático, ya que se tiene una presión en promedio de 280 psi de gas. Ésta

presión es suficiente para actuar la válvula, el problema consiste en que no se cuenta con el

actuador. Adicionalmente, se tiene disponible un actuador nuevo para una válvula de 6” pero

con menos torque de salida. Por cuestiones de costos, resulta más factible realizar

modificaciones al yugo escocés del actuador, que comprar un actuador nuevo, obteniendo un

ahorro considerable por la adquisición, y un menor costo en sus refacciones.

Figura A-4A. Imagen de la válvula de compuerta de 8”, instalada en el ducto de salida en la

Plataforma Bagre-B


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99

Figura A-4B. Imagen de la válvula de compuerta de 8” instalada en el ducto de salida en la

Plataforma Bagre-B

Figura A-4C. Imagen de la válvula de compuerta de 4” instalada en el ducto de salida en la

Plataforma Bagre-B


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100

Figura A-5.Cotización de un actuador de acción simple, retorno por resorte de 8” de la Marca

Bettis.

A.3 Importancia de la utilización de la Válvula de Corte Rápido

Accidente 1

El 6 de julio de 1988 en la Plataforma Piper Alpha, en el Mar del Norte, personal de

mantenimiento realizaba una reparación a una de las 2 compresoras de gas con las que se

tenía. Procedieron a retirar una válvula de seguridad e instalan una brida ciega en el ducto de

salida de la misma. Por falta de comunicación, ponen en funcionamiento dicha compresora.

Derivado de ésta acción se represiona el ducto originando una fuga y posterior incendio.

Adicionalmente las plataformas Tartan y Claymore que estaban enlazadas con la Piper Alpha,

continuaban enviando petróleo crudo, el resultado fue catastrófico. En instalaciones de

proceso y derivado de este accidente, es notable la importancia de tener instaladas válvulas de


petrolero nacional

101

corte rápido SDV, conectadas a un sistema de paro de emergencia, éstas mediante sensores

detectan baja presión, alta presión, fuego, presencia de gas, procediendo a cerrar en segundos

el oleoducto, bloqueando el flujo y asegurando la instalación.

Figura A-6. Incendio de la Plataforma Piper Alpha, Mar del norte, 6 de julio de 1988

Accidente 2

El 19 de diciembre del 2010 a las 5:30 am, en el oleoducto de 30” de Pemex, Nuevo Teapa-

Venta de Carpio, en la ciudad de San Martín Texmelucan Puebla, una toma clandestina de

combustible se sale de control produciendo una fuga, explosión y posterior incendio, con saldo

de 30 personas fallecidas y daños materiales considerables. Cabe mencionar que en el análisis

causa raíz del accidente estuvo a cargo el Dr. Jorge Luis González Vázquez, integrante del

Grupo de Análisis de Integridad de Ductos del IPN. Para el caso de zonas urbanas por donde

pasen ductos con hidrocarburos, es factible considerar instalar válvulas de corte rápido SDV

automatizadas con sensores a la entrada y salida de la población. En el caso de producirse una

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=PY77RUJDolQn3M&tbnid=q64HHZYbuAODqM:&ved=0CAUQjRw&url=http://es.wikipedia.org/wiki/Plataforma_petrol%C3%ADfera&ei=xNBRUqTwGo39rAGG_IAg&bvm=bv.53537100,d.aWc&psig=AFQjCNHRk05-CUUQxN2K8g5EyBFuVvIf6A&ust=1381179960346476


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102

fuga ésta cerraría de inmediato bloqueando el flujo, minimizando el combustible derramado.

En este caso, no es comparable el costo de adquisición, instalación y mantenimiento de este

tipo válvulas con la pérdida de vidas humanas.

Figura A-7. Imágenes de la explosión e incendio del gasoducto de 30” Nuevo Teapa-Venta

de Carpio, 19 de diciembre del 2010.

Accidente 3

La madrugada del lunes 16 de diciembre del 2013, se produce un incendio por una toma

clandestina en el gasoducto de 24” Cactus-Guadalajara, en el municipio de Acolman en el

Estado de México, terminando 7 personas lesionadas y desalojando a 800 habitantes. El

incendio no se pudo controlar debido a los remanentes de gas que tenía el ducto, hasta pasadas

70 horas quemándose el gas. Para minimizar este tipo de eventos es necesario instalar válvulas

de corte rápido a la entrada y salida de las zonas urbanas. Actualmente, la paraestatal Pemex

está realizando el análisis causa raíz del accidente para definir las causas.

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=hM0XOisqYiPb_M&tbnid=vNmCcSkUAYsXNM:&ved=0CAUQjRw&url=http://noticias.terra.com.mx/mexico/estados/danos-tras-el-incendio-en-san-martin-texmelucan,7978064ffaecf310VgnCLD200000bbcceb0aRCRD.html&ei=Qd9RUu6VHIqQ9gSCpoGwAw&bvm=bv.53537100,d.aWM&psig=AFQjCNG3goJsqini3B0xEbr9RkRGwTekgg&ust=1381183648790261

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=hM0XOisqYiPb_M&tbnid=vNmCcSkUAYsXNM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.milenio.com/cdb/doc/impreso/8883797&ei=ct9RUtnBOZKC9QS43ICQDw&bvm=bv.53537100,d.aWM&psig=AFQjCNG3goJsqini3B0xEbr9RkRGwTekgg&ust=1381183648790261


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103

Figura A-8. Imágenes de la explosión e incendio del gasoducto de 24” Cactus-Guadalajara

16-12-2013.

Es los accidentes anteriormente descritos se observa la importancia de la utilización de

válvulas SDV ya sea para proteger el ducto o la instalación.

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=WwfAxqSryB32dM&tbnid=rdG3-1Vnn6bR6M:&ved=0CAUQjRw&url=http://noticias.terra.com.mx/mexico/pgr-indaga-explosion-de-ductos-de-pemex-en-acolman-edomex,84ca15c20fef2410VgnVCM4000009bcceb0aRCRD.html&ei=EODIUpaHJoHM2QWZ04CYDQ&bvm=bv.58187178,d.b2I&psig=AFQjCNHQGPebI0BN1e6JuDSb99EYTyQfPw&ust=1388982653749796


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104

A.4 Área de oportunidades en el Activo de Producción Poza Rica- Altamira, Región Norte.

En la siguiente tabla se muestra la ubicación de las válvulas de corte rápido que se tienen en

funcionamiento. No están incluidas la válvulas del complejo petroquímico Poza Rica, ni del

complejo petroquímico Escolín. El costo es estimado para su refaccionamiento y

rehabilitación.

Tabla A7. Censo, costo estimado en su refaccionamiento de las válvulas SDV del Activo de

Producción Poza Rica-Altamira, Región Norte.


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105

ANEXO B

En este anexo, se presenta el diseño de un tablero

de control neumático para una SDV, el cual sensa

alta presión, baja presión y fuego, el cual se puede

considerar para instalar cerca de las poblaciones.


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106

B1. Diseño del tablero de control neumático de una válvula de corte rápido SDV.

Este tablero, fue diseñado y construido por el autor de este trabajo de Tesis, para instalarlo en

la válvula SDV de 16” de la Plataforma marina Marsopa, del activo de producción Poza Rica-

Altamira, en el oleoducto de llegada proveniente de la Plataforma marina Carpa B, el

suministro neumático es con nitrógeno y se consideraron los siguientes datos de operación:

Tabla B-1 Ficha técnica de la SDV para la cual se construyó el tablero de control neumático.

Válvula

Marca Tipo Clase Serie Presión Normal

Cooper

Cameron Esférica 600

STN1PL SERIE

110316448-3 10 kg/cm²

Actuador

Marca Tipo Modelo Acción Serie Presión de calibración

de los sensores

Bettis Yugo

escocés

Robotarm

II Doble G5

Baja Alta

6 kg/cm² 20 kg/cm²

Figura B-1. Tablero de control construido para la SDV de 16” de la Plataforma Marsopa en el

oleoducto de llegada de la Plataforma Carpa-B, Activo de Producción Poza Rica-Altamira.


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107

La característica que tiene este diseño, es que al calibrar los sensores de alta y baja presión y

producirse un evento de cierre, actúa cerrando y protegiendo el ducto o la instalación, según

donde se instalen los disparos de las válvulas de proceso (aguas arriba o aguas debajo de la

válvula). Posteriormente, cuando la presión regresa a condiciones normales y estando dentro

del rango al cual se calibró, y superando la banda muerta, vuelve a conmutar y manda la señal

para abrir la válvula, sin que para eso lo manipule algún operador.

En el caso de detectar fuego, se funden los fusibles mandando a cierre la válvula y ya no abre

en automático, aunque esté dentro del rango de calibración (span), solo en modo manual. Esto

se debe a que la presión regulada de nitrógeno de 40 psi hacia los sensores, está enlazada con

la red de tapones fusible. Cuando éstos se funden arriba de los 70° C, se escapa la presión y

los sensores conmutan mandando a cierre la válvula, y solo se restablece en forma manual.

Este diseño puede ocuparse en lugares remotos donde no exista personal y se tarde un tiempo

considerable para llegar. Para construir este tablero se utilizó material en acero inoxidable 316,

no se consideró en el costo la mano de obra ni el maquinado de la placa, ya que se cuenta con

el equipo para realizarlo, ocupándose el siguiente material:

Tabla B2. Costo de materiales para fabricar el tablero de control de la una SDV.


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108

B2. Filosofía de operación de un tablero de control genérico, que controla una válvula de corte

rápido SDV, de acción simple con retorno por resorte, en forma automática y manual.

Filosofía de operación

La SDV de acción simple con retorno por resorte, indica que cuando la válvula se encuentra

abierta, el resorte está comprimido, por lo que se debe tener la precaución si está en

automático y se va a pasar a manual retirándole el suministro de gas, primero se tiene que

mantener comprimido el resorte por medio de la bomba hidráulica y se pueda efectuar el

mantenimiento de modo seguro.

La válvula SDV funciona de 2 maneras:

1. De manera automática, por medio del control neumático con 2 sensores, 1 por alta

presión (PSH) calibrado a la presión indicada por personal operativo y el otro por baja

presión (PSL), este control neumático se alimenta con presión de gas regulado de 100

psi a la cámara neumática, al ocurrir un evento por alta o baja presión, los pilotos

sensan la presión, y mandan una señal a una válvula de 3 vías pilotada dentro del

control, la cual conmuta y desvía el suministro de gas que mantenía llena la cámara

neumática del actuador, provocando que la válvula de desfogue rápido, localizada a la

entrada a la cámara, desfogue todo el suministro neumático, el retorno o cierre de la

válvula lo realiza un resorte localizado dentro del módulo hidráulico. El indicador de

posición ubicado en la parte superior central deberá indicar CLOSED en color

amarillo, ahí se encuentra la válvula cerrada al 100 %.

2. De manera manual, por medio de la bomba hidráulica, la cual se le pone el selector en

manual y se bombea hasta que el indicador de posición indique OPEN en color negro,

ahí se encontrará abierta al 100%.


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109

Figura B-2. Instructivo de operación para pasar de modo automático a manual, una válvula

SDV de acción simple con retorno por resorte, mediante un control neumático.


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110

Figura B-3. Instructivo de operación para pasar de modo manual a automático, una válvula

SDV de acción simple con retorno por resorte, mediante un control neumático.


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111

Figura B-4. Imagen de un tablero de control construido por el autor de este trabajo de tesis,

para una SDV de doble acción.

El tablero de control de la figura B-4, se encuentra instalado y operando en forma automática,

en la plataforma marina Marsopa, Activo de Producción Poza Rica-Altamira, Región Norte, el

cual se caracteriza por ser funcional y con bajo costo en su fabricación y mantenimiento,

funciona de modo automático y manual. Todos los materiales utilizados son de acero

inoxidable 316.

Este sistema es autónomo y se puede restablecer solo, sin necesidad de manipularlo algún

operador, cuando los parámetros de operación vuelven a ser normales.


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112

ANEXO C

En este anexo, se presenta el análisis experimental

por fotoelasticidad aplicado a un modelo de yugo

escocés.


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113

C1. Técnica de fotoelasticidad

Cuando se aplican cargas sobre un cuerpo sólido, las tensiones varían punto a punto en el

interior del mismo. En muchos casos se presentan puntos de concentración de tensiones, que

pueden generar propagación de fisuras.

Utilizando programas de cómputo basados en el elemento finito, se obtienen resultados

teóricos y numéricos que pueden ser de utilidad práctica, sin embargo, es necesario realizar

una verificación experimental de los mismos, siempre que sea posible. En general, las técnicas

fotoelásticas se caracterizan por ser simples y brindar información en forma rápida de la

distribución de campos de tensiones. Además, permite determinar los niveles y las magnitudes

de las mismas con gran aproximación.

La fotoelasticidad es útil principalmente para el estudio de objetos de forma irregular y

tensiones localizadas, como piezas de maquinaria con muescas y curvas, componentes

estructurales con ranuras o agujeros y materiales con hendiduras. Proporciona un medio visual

de observar sobre todo las características de las tensiones del objeto por medio de diagramas

de luz proyectados sobre una pantalla o sobre una película fotográfica. Por simple

observación, se determina en general las regiones en que se concentran los esfuerzos.

Para la prueba fotoelástica al yugo escocés se realizó en el laboratorio de análisis experimental

de esfuerzos de la SEPI-ESIME-ZACATENCO, donde se encuentra el equipo para los

ensayos. El dispositivo empleado para la realización de las pruebas es un polariscopio circular

modelo SSM-AJ de la serie 060, el cual posee una capacidad de carga hasta 2500N y

pertenece a la marca Interface.


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114

Figura AC-1 Polariscopio circular

Figura AC-2 Componentes del polariscopio circular


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115

Se utilizó una mezcla homogénea de resina con catalizador, en una mesa de trabajo a

temperatura controlada de 52°c, se realizó el vaciado, extendido y reposo por 45 minutos, para

que el proceso de polimerización surtiera efecto, obteniéndose una resina maleable la cual se

aplicó al yugo escocés. Se instala en el polariscopio y se le aplica una fuente de luz y una

carga de 10N, incrementándola 5 veces de 10N hasta obtener 50N de carga total, obteniéndose

los patrones de franja, haciéndose visible la distribución de esfuerzos.

Tabla C-1 Características de franjas isocromáticas

Es importante destacar que a través de este análisis experimental se puede conocer las zonas

de mayor peligro a la ruptura, observándose en cada una de las figuras la región más castigada

y en donde se localizan los mayores esfuerzos.

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