tesis

123 Pages·2007·7.01 MB·English

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÈCTRICA
ZACATENCO
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

“ANÁLISIS DE ESFUERZOS ESTÁTICOS EN UN NODO DE
SEIS ELEMENTOS DE LA SUBESTRUCTRURA (JACKET) DE
UNA PLATAFORMA MARINA DE PRODUCCIÓN TIPO
OCTÁPODA FIJA PB-KU-S”

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE

MAESTRO EN CIENCIAS

C O N E S P E C I A L I D A D E N
I N G E N I E R Í A M E C Á N I C A

P R E S E N T A

ING. RAFAEL CARRERA ESPINOZA

DIRECTOR: DR. JOSÉ MARTINEZ TRINIDAD

MEXICO, DF. 2007

AGRADECIMIENTOS

A G R A D E C I M I E N T O S

A mi director de tesis, Dr. José Martínez Trinidad, a quien agradezco la
confianza, sugerencias y el apoyo incondicional para el desarrollo de este
trabajo de tesis y por ser una excelente persona.

A mi tutor Dr. Luís Héctor Hernández Gómez, por su apoyo, confianza,
amistad y sus valiosos consejos.

Al M. C. Ricardo López Martínez (†), por su confianza, amistad y sus
valiosos consejos.

A mis profesores del posgrado:
Dr. Luís Héctor Hernández Gómez
Dr. Alexander Balankin
Dr. Orlando Susarrey Huerta
Dr. Samuel Alcántara
Dr. Iván Campos
Dr. Guillermo Urriolagoitia
M. C. Gabriel Villa y Rabasa
M. C. Ricardo López Martinez (†)

A los sinodales, por su valiosa revisión y sugerencias para la mejora de este
trabajo.

Al Ing. …………..gerente de CELASA, por su apoyo brindado para el
desarrollo de este trabajo.

A mi gran amigo M. C. Héctor Adrián De León Olarte por su apoyo,
amistad y sugerencias.

Al Instituto Politécnico Nacional y en especial a la Sección de Estudios de
Posgrado e Investigación de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y
Eléctrica (SEPI-ESIME-ZACATENCO).

Al Instituto Tecnológico Superior de Poza Rica.

GRACIAS

Rafael Carrera Espinoza ii Tesis de Maestría
DEDICATORIAS

DEDICATORIAS

A Dios
Por darme vida, salud y porque siempre ha estado conmigo
en los momentos más difíciles de mi vida.

A mis padres
Rosa Espinoza Guzmán
Ignacio Carrera Hernández
Por confiar y creer en mí, y por enseñarme que en esta vida hay trabajar duro
Para obtener lo que se desea con el corazón.

A Pili
Esposa mía a ti por confiar y creer en mí, y por comprenderme y apoyarme en todo
momento Alentándome y pidiendo le pusiera ganas a este proyecto. Te adoro vida mía.

A Rafa Jr.
Hijo mió a ti por darme esos momentos tan felices desde que llegaste a nuestras vidas.

A mis hermanos
Rosy, Susa y Gaby
Que con su apoyo, me enseñaron a ser perseverante para alcanzar
las metas esperadas.

A mi cuñado y sobrinos
Javier, Rosalinda, Nallely, Jair y Joselyn
Por el su respeto y cariño que me han ofrecido todo el tiempo.

A todos mis amigos y personas que de alguna manera, me impulsaron en el desarrollo
del presente trabajo.

GRACIAS POR TODO

Rafael Carrera Espinoza ii Tesis de Maestría
ÍNDICE

ÍNDICE

PAGINA
ÍNDICE i
ÍNDICE DE TABLAS iii
ÍNDICE DE FIGURAS iv
SIMBOLOGÍA Y TERMINOLOGÍA vii
RESUMEN ix
ABSTRACT x
OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÒN xi

INTRODUCCIÓN 1

CAPÍTULO I. GENERALIDADES SOBRE PLATAFORMAS MARINAS 4
1.1 Generalidades acerca de las estructuras de las plataformas marinas de
producción 5
1.2 Características generales de la Plataforma de Producción PB–KU–S 9
1.2.1 Plataforma de Producción PB– KU–S 9
Materiales que conforman la Plataforma de producción
1.2.2
PB–KU–S 9
Accesorios de la Superestructura octápoda (DECK) que
1.2.3
compone a la Plataforma de producción PB-KU-S 12
1.2.4 1.2.4 Subestructura octápoda (JACKET) 13
1.2.5 Trípode de apoyo (T-4), para puentes hacia la
1.2.5
plataforma habitacional HA-KU-S (puentes C1 y C2) 14
1.2.6 Dos puentes (a y b) y dos trípodes a quemador (T1 y
1.2.6
T2) 15
1.2.7 Trípode de apoyo (T-3), para puentes de plataforma
1.2.7 PB-KU-S a plataforma de perforación PP-KU-S. (puentes D
Y E). 15
1.2.8 Cimentación de la plataforma PB KU S y trípodes 16
1.3 Definición del problema 16

CAPÍTULO II. METODOLOGÍA DEL ANÁLISIS DE ESFUERZOS
ESTÁTICOS EN UNA SUBESTRUCTURA (JACKET) DE UNA
PLATAFORMA MARINA DE PRODUCCIÓN. 19
2.1 Análisis de esfuerzos estáticos en las plataformas marinas de
producción. 20
2.1.1 Definición de esfuerzo. 20
2.2 Metodología para el cálculo de la resistencia mecánica empleando
métodos convencionales. 24
2.2.1 Análisis de cargas existentes 24
2.2.2 Factores de incremento de esfuerzos permisibles 28
2.2.3 Cálculo de Fuerzas en los elementos 29
2.2.3.1 Cálculo de Fuerzas (F ) en los elementos 29
dk
2.2.3.2 Cálculo de Fuerzas en los elementos mediante la 37

Rafael Carrera Espinoza i Tesis de Maestría
ÍNDICE

técnica de secciones
2.3 Desarrollo de modelo físico 45
2.4 Transportación de la plataforma 58

CAPÍTULO III. ANÁLISIS DEL CASO DE ESTUDIO EMPLEANDO EL
MÉTODO DEL ELEMENTO FINITO. 62
3.1 Aspectos teóricos del Método del Elemento Finito 63
3.1.1 Generalidades 63
3.1.2 Antecedentes del MEF 63
3.1.3 Características Principales del Método del Elemento Finito. 70
3.1.4 Ventajas y Desventajas del Método del Elemento Finito. 70
3.1.5 Tipos de Elementos 70
3.2 ANÁLISIS DE ESFUERZOS Y DEFORMACIONES 72
3.3 COMPONENTES DE LA DEFORMACIÓN 73
3.4 PROBLEMAS TRIDIMENSIONALES. 74
3.5 ECUACIONES DEL ELEMENTO. 75
3.6 FORMULACIÓN DEL MÉTODO DEL ELEMENTO FINITO. 76
3.7 EL PROGRAMA “ANSYS” 81
3.8 Metodología para el Análisis de esfuerzos al caso de estudio mediante
el Método del Elemento Finito 82
3.8.1 Planeación del modelo de la Subestructura 82
3.8.2 Generación del modelo en ANSYS 83
3.8.3 Elección del Elemento a utilizar en este Análisis 84
3.8.4 Malla del Modelo Estructural de la Subestructura (Jacket) 87
3.8.5 Condiciones de frontera y Cargas en el Modelo 89

CAPÍTULO IV. EVALUACIÓN DE RESULTADOS 92
4.1 Análisis de resultados 93
4.1.1 Generalidades 93
4.2 Resultados del Análisis Estructural con el M.E.F. 94
4.2.1 Deformación de la subestructura (Jacket) 94
Esfuerzos principales S1 sobre la superficie de la
4.2.2
subestructura (Jacket) 95
Esfuerzos principales S2 sobre la superficie de la
4.2.3
subestructura (Jacket) 97
Esfuerzos principales S3 sobre la superficie de la
4.2.4
subestructura (Jacket) 98
Esfuerzos sobre la superficie de la subestructura (Jacket) por
4.2.5
medio de la teoría de Von Mises. 100

CONCLUSIONES 102

RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS A FUTURO 103

ANEXOS 104

Rafael Carrera Espinoza ii Tesis de Maestría
ÍNDICE DE FIGURAS

ÍNDICE DE FIGURAS
Pags.
Figura 1.1 Sonda de Campeche. 5
Figura 1.2 Plataformas en la zona 5
Figura 1.3 Plataforma de Producción 6
Figura 1.4 Cargas que provocan los equipos en una Plataforma Marina de 6
a) y b) Producción
Figura 1.5 7
Presencia de ciclones en la Plataforma de producción
a) y b)
Figura 1.6 Partes principales de una plataforma de producción 8
Figura 1.7 Plataforma de Producción PB–KU–S 9
Figura 1.8 Instalación de válvulas en piso 10
Figura 1.9 Montaje de tubería 11
Figura 1.10 Selección de los accesorios para su instalación 12
Figura 1.11 Superestructura de una plataforma marina 13
Figura 1.12 Subestructura octápoda (Jacket) de una plataforma marina 14
Figura 1.13 Plataforma de Producción PB–KU–S 17
Figura 2.1 Carga axial de tensión y compresión 21
Figura 2.2 Carga cortante 21
Figura 2.3 Carga Flexionante 22
Figura 2.4 Carga torsionante 22
Figura 2.5 Carga combinada 22
Figura 2.6 Superestructura de la plataforma PB-KU-S 26
Figura 2.7 Cargas en los trípodes 28
Figura 2.8 Carga aplicada a la Subestructura: 14,294 ton (140.224 MN) 29
Figura 2.9 Gráfica ilustrativa de la variación de Cd. 30
Figura 2.10 Variación del área mojada con relación a la altura de ola. 31
Figura 2.11 Definición del área total de la cubierta 32
Figura 2.12 Definición de componentes del área mojada y convención para la 32
Dirección de la incidencia de la ola.
Figura 2.13 Muestra los nodos y elementos en los cuales se verifican 37
algunas de las fuerzas.
Figura 2.14 muestra el nodo 66 y los elementos que lo conforman 38
Figura 2.15 muestra el nodo 66 y los elementos que lo conforman en la vista del 38
plano XY
Figura 2.16 muestra el nodo 66 y los elementos que lo conforman en la vista del 39
plano ZY
Figura 2.17 muestra el nodo 66 y los elementos que lo conforman en la vista del 39
plano XZ
Figura 2.18 muestra el nodo 65 y los elementos que lo conforman 40
Figura 2.19 muestra el nodo 65 y los elementos que lo conforman en la vista del 40
plano XY
Figura 2.20 muestra el nodo 65 y los elementos que lo conforman en la vista del 41
plano ZY

Rafael Carrera Espinoza iv Tesis de Maestría
ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 2.21 muestra el nodo 65 y los elementos que lo conforman en la vista del 41
plano XZ
Figura 2.22 muestra el nodo 53 y los elementos que lo conforman 42
Figura 2.23 muestra el nodo 53 y los elementos que lo conforman en la vista del 43
plano XY
Figura 2.24 muestra el nodo 53 y los elementos que lo conforman en la vista del 43
plano ZY
Figura 2.25 muestra el nodo 53 y los elementos que lo conforman en la vista del 44
plano XZ
Figura 2.26 muestra el modelo físico de la subestructura (Jacket) de la 45
plataforma PB-KU-S
Figura 2.27 Marco A de la Subestructura 46
Figura 2.28 Marco B de la Subestructura 47
Figura 2.29 Marco 1 de la Subestructura 48
Figura 2.30 Marco 2 de la Subestructura 49
Figura 2.31 Marco 3 de la Subestructura 50
Figura 2.32 Marco 4 de la Subestructura 51
Figura 2.33 Planta en elevación + 6.096 m 52
Figura 2.34 Planta en elevación – 5.000 m 53
Figura 2.35 Planta en elevación – 17.000 m 54
Figura 2.36 Planta en elevación – 30.000 m 55
Figura 2.37 Planta en elevación – 44.000 m 56
Figura 2.38 Planta en elevación – 60.250 m 57
Figura 2.39 Subestructura sobre el chaflán de transportación 58
Figura 2.40 lanzamiento de la subestructura 58
Figura 2.41 Subestructura en posición de flotación libre 59
Figura 2.42 Posición de izaje inicial 59
Figura 2.43 Posición de izaje intermedia 60
Figura 2.44 Subestructura instalada y depositada en el lecho 60
Figura 3.1 Notación para una subdivisión continua 65
Figura 3.2 Elementos Finitos Unidimensionales. 71
Figura 3.3 Elementos Finitos Bidimensionales. 71
Figura 3.4 Elementos Finitos Tridimensionales 71
Figura 3.5 Elemento Finito tipo Axisimétrico 72
Figura 3.6 Conducciones generales de calor para el dominio de soluciones 78
tridimensionales.
Figura 3.7 Muestra los keypoints de la subestructura 83
Figura 3.8 Muestra las líneas de la subestructura 83
Figura 3.9 Geometría y localización de los nodos para el elemento PIPE16 85
Elastic Straight Pipe
Figura 3.10 Algunos aspectos del elemento PIPE16 en cuanto a los esfuerzos 86
que se generan

Rafael Carrera Espinoza v Tesis de Maestría
ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 3.11 Mallado de los elementos con más de una división 88
Figura 3.12 Mallado de los elementos con solo una división. 89
Figura 3.13 Restricciones en la parte inferior de los elementos principales de 89
la subestructura, fuerzas aplicadas en los nodos de la misma.
Figura 4.1 Modo de deformación de la subestructura al aplicarle las cargas y 94
fuerzas bajo las que se considera esta sometida.
Figura 4.2 Distribución de esfuerzos principales S1 en la subestructura vista por 95
la parte posterior derecha
Figura 4.3 Distribución de esfuerzos principales S1 en la subestructura vista 96
por la parte posterior teniendo un acercamiento de la parte derecha.
Figura 4.4 Distribución de esfuerzos principales S2 en la subestructura vista por 97
la parte posterior derecha
Figura 4.5 Distribución de esfuerzos principales S3 en la subestructura vista 98
por la parte posterior derecha.
Figura 4.6 Distribución de esfuerzos principales S3 en la subestructura vista por 98
la parte delantera izquierda
Figura 4.7 Distribución de esfuerzos según la teoría de Von Mises en la 99
subestructura vista por la parte delantera izquierda inferior.
Figura 4.8 Distribución de esfuerzos según la teoría de Von Mises en la 100
subestructura vista por la parte izquierda inferior.
Figura 4.9 Distribución de esfuerzos según la teoría de Von Mises en la 101
subestructura vista por la parte izquierda inferior.

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