Modelo Finite Element Method (FEM) para el Colapso de Liniers Termoplásticos

Abstract

La utilizacion de “liners” termoplasticos en la industria petrolera es una técnica ampliamente utilizada como metodo de proteccion anti-corrosion o para la rehabilitacion de canerias existentes danadas. A altas presiones de operacion los polimeros disuelven gases (CO2 y CH4) del crudo, que irremediablemente permean a traves del espesor del tubo termoplastico. Esto genera que luego de un tiempo de servicio los “liners” puedan colapsar por presion externa en ejercicios obligatorios de descompresion durante periodos de revision del sistema de tuberias. Existen ecuaciones que predicen la presion de colapso para una tuberia confinada, sometida a presion externa.
Estos modelos analiticos o semi-analiticos, estan basados en modelos constitutivos sencillos: elástico y elastoplastico ideal. Ademas de las limitaciones relacionadas con el modelado del material, no permiten reproducir la curva experimental de presion. Tampoco permiten evaluar la influencia sobre la presion de colapso, de defectos superficiales o geometricos, siempre presentes en componentes reales. Por otro lado, existen modelos con “Finite Element Method” (FEM) sencillos que presentan divergencias en la solucion al acercarse a la presion critica de colapso, por lo cual, no permiten reproducir de forma completa la curva experimental de presion. Existen otros trabajos que utilizan “Finite Element Method” (FEM) con el metodo de Riks, para solucionar este problema. Si bien es un metodo muy efectivo se basa en la asuncion de una situacion estatica en equilibrio. Esto no representa mayores problemas en el caso de materiales de uso estructural clasicos como el acero. En el caso de materiales polimericos cuyas ecuaciones constitutivas son altamente dependientes de la velocidad de solicitacion es necesario simular el colapso en una situacion dinamica.
En el presente trabajo se modelo el colapso por presion externa de un “liner” de “High Density Polyethylene” (HDPE) aplicando “Finite Element Method” (FEM) con el metodo de Riks y con elementos hidrostaticos, metodologia no encontrada hasta el momento en la literatura. La utiliza“High Density Polyethylene” (HDPE)cion de este tipo de elementos, permitiria modelar situaciones dinamicas y considerar ecuaciones constitutivas dependientes del tiempo.
Los resultados al aplicar elementos hidrostaticos en una simulacion estatica del sistema fueron contrastados con los resultados de Riks y con los modelos analiticos de Glock y Jacobsen para distintas relaciones espesor-diametro (t/D). Los resultados con elementos hidrostaticos para un “liner” sin defectos y con un modelo constitutivo elastoplastico ideal, resultaron coherentes con las presiones de colapso calculadas con los metodos analiticos y por el metodo de Riks. Esto permitio ampliar el modelo a casos con distintos modelos constitutivos.
Luego de validar la aplicacion de elementos hidrostaticos con los modelos analiticos y con “Finite Element Method” (FEM) ya utilizados con un sistema estatico, el trabajo a futuro es ampliar la simulacion a un modelo dinamico con una ecuacion constitutiva dependiente del tiempo que represente mejor el comportamiento real del “High Density Polyethylene” (HDPE). Se esta trabajando tambien en la validacion experimental del modelo.