Tetraparametric assembly method for the simulation and optimizaction of bolt tightening sequences in ASME ring type joints

Abstract

En el sector del Oil&Gas, debido a la gran longitud que suelen tener las tuberías de los oleoductos y gasoductos submarinos, se hace necesario fabricar las tuberías en pequeños tramos para posteriormente unirlos mediante uniones in situ. Además, esto permite abaratar los costes de fabricación ya que hace posible fabricar piezas de carácter general (tramos rectos de tubería, codos, válvulas, etcétera). Entre los diferentes tipos de uniones, las uniones atornilladas son muy utilizadas debido a su fácil desmontaje, ya que hace posible realizar tareas de mantenimiento o acoplar nuevos dispositivos a las tuberías de una manera muy sencilla. No obstante, en este tipo de uniones es necesario obtener una distribución de presiones uniforme en la junta para así evitar o al menos reducir al máximo sus fugas. Para ello, obviamente, es preciso obtener una carga uniforme en todos los tornillos de la unión. Esto no es una tarea sencilla ya que cuando un tornillo es precargado durante la secuencia de atornillado, la unión se comprime y por lo tanto la carga de los tornillos que han sido previamente precargados se reduce. Este fenómeno es conocido como interacción elástica. Debido a la pérdida de carga de los tornillos durante lasecuencia de atornillado, la carga que tienen los tornillos al final de la secuencia de atornillado es diferente de la carga de apriete que se ha aplicado a los tornillos. Además, la magnitud de estas variaciones de carga depende de un gran número de parámetros cuya influencia es muy difícil de prever, como por ejemplo la geometría y el material de los componentes de la unión, el orden de apriete, el espaciado entre tornillos, etcétera. En este sentido, se hace difícil prever las cargas finales en los tornillos, y por lo tanto, también es complicado obtener una distribución de cargas uniforme en la junta al final de la secuencia de atornillado.A fin de resolver esta problemática, existen diferentes normas (ASME, NORSOK, API, entre otras) que contienen procedimientos de ensambladopara obtener la carga final uniforme deseada en los tornillos. De este modo, se obtiene una distribución uniforme de presiones en la junta, y así se consiguen reducir al máximo las fugas en la unión. Sin embargo, las secuencias propuestas en las normas son muy costosas debido a que requieren un gran número de pasadas, y cuantas más pasadas, mayor es el tiempo de ensamblado de cada unión. Además, exceptuando las últimas pasadas, la secuencia de atornillado suele seguir un orden de apriete en estrella, lo cual complica aún más el ensamblado. En consecuencia, teniendo en cuenta que el número de uniones suele ser muy elevado, el coste económico del ensamblado acaba adquiriendo una gran importancia. Respecto a las secuencias de atornillado que proponen las normas, también cabe destacar que ellas mismas advierten que solo son orientativas y por lo tanto recomiendan que cada ensamblador desarrolle sus propias secuencias de atornillado para sus productos y condiciones de trabajo en particular. Resumiendo, para ser fiables y competitivos es indispensable crear procedimientos de ensamblado propios que se adapten a los productos propios.A fin de obtener diferentes secuencias para cada unión en particular y así obtener secuencias más eficientes, en los últimos años se han desarrollado métodos que definen las llamadas secuencias optimizadas. Entre ellos, los más populares en la literatura especializada son el ¿Método de los Coeficientes de la Interacción Elástica¿ (MCIE) y el ¿Método de la Secuencia Inversa¿ (MSI). Estos métodos estudian el comportamiento de la unión durante la secuencia de atornillado para así predecir las pérdidas de carga de todos los tornillos. De este modo, se pueden calcular las cargas de apriete de cada tornillo para una carga final deseada, y obtener una carga uniforme en tan solo una o dos pasadas. Sin embargo, estos métodos de optimización tienen la desventaja de que obtener la secuencia optimizada es bastante costoso porque hay que realizar un gran número de aprietes y mediciones previas. Es por ello, que estos procesos de optimización solo resultan rentables cuando el número de uniones a ensamblar es muy elevado o cuando se trata de una aplicación bastante crítica.Esta Tesis Doctoral tiene como objetivo global estudiar el proceso de optimización de secuencias de atornillado en las uniones Ring Type Joint (RTJ) de ASME con junta metálica. Estas uniones son ampliamente utilizadas en el sector del Oil&Gas por su capacidad de proporcionar un buen sellado a temperaturas y presiones internas muy elevadas, gracias a la junta metálica que va introducida en el surco que tiene mecanizado cada una de las superficies de sellado. Para definir su proceso de optimización, el primer objetivo es estudiar los dos métodos anteriormente mencionados en este tipo de uniones y así obtener sus ventajas y sus desventajas. El segundo objetivo, y también el objetivo principal de esta Tesis Doctoral, es desarrollar una nueva metodología para la optimización de secuencias de atornillado en uniones RTJ. Para finalizar con la Tesis Doctoral, el último objetivo es programar la nueva metodología desarrollada en ¿Visual Basic for Applications¿ de Microsoft Excel, para dar lugar a una aplicación de gran aplicabilidad y muy sencilla de utilizar.Para ello, la tesis Doctoral se ha dividido en varios capítulos y se ha estructurado como se expone a continuación.En primer lugar, en el Capítulo 1 se describen los antecedentes y se presentan los objetivos. Se comienza explicando la necesidad de utilizar uniones atornilladas en las líneas de tuberías destinadas al Oil&Gas, yla dificultad que supone ensamblar correctamente estas uniones debido a fenómenos muy diversos que complican obtener una distribución de cargas uniforme en los tornillos. Además, se explican las diferentes alternativas que existen hoy en día para tratar de ensamblar correctamente una unión. En este Capítulo también se presenta el tipo de unión atornillada a estudiar a lo largo de esta Tesis Doctoral.En el Capítulo 2 se presentan las herramientas de análisis utilizadas a lo largo de la Tesis Doctoral. Por un lado, se presenta un modelo multiparamétrico de Elementos Finitos desarrollado en ANSYS® Workbench, el cual tiene automatizada toda la extracción de resultados. Por otro lado, se presenta un banco experimental de la unión atornillada que ha sido fabricado y ensamblado con la ayuda de las empresas ULMA y MATZ-ERREKA. Además, se le ha implementado tecnología muy avanzada con el fin de obtener resultados muy precisos. Por último, en este Capítulo también se valida el modelo de Elementos Finitos comparando bajo diferentes situaciones de carga sus resultados con los resultados que proporciona el banco experimental.El Capítulo 3 explica en profundidad los dos métodos mencionados anteriormente para definir secuencias de atornillado óptimas: el MCIE y el MSI. Seguidamente, ambos métodos son detenidamente estudiados y validados mediante Elementos Finitos para el tipo de unión estudiado a lo largo de esta Tesis Doctoral, ya que en la literatura especializada no se encuentran estudios acerca de la optimización de secuencias de atornillado en uniones RTJ.En el Capítulo 4 se desarrolla la nueva metodología para la optimización de secuencias de atornillado en uniones RTJ, la cual se ha llamado el ¿Método Tetreparamétrico de Ensamblado¿ (TAM). En este Capítulo la metodología se desarrolla únicamente para secuencias de atornillado de una sola pasada y se valida únicamente para la geometría de unión del banco experimental. Con dicha metodología se consigue definir el comportamiento de una unión mediante tan solo cuatro coeficientes que se obtienen de un sencillo análisis; además, se demuestra que es más eficiente que los métodos anteriormente expuestos. Las validaciones se realizan tanto por Elementos Finitos como por el banco experimental.Con el fin de generar una metodología completamente aplicable en diferentes situaciones, en el Capítulo 5 se generaliza la metodología para secuencias de atornillado de múltiples pasadas. Esta generalización es de gran utilidad ya que en ocasiones, con el fin de no dañar la unión, es imprescindible reducir las cargas de apriete, lo que conlleva secuencias de atornillado de múltiples pasadas. La validación se hace nuevamente mediante Elementos Finitos y mediante el banco experimental. Por otro lado, en este mismo Capítulo también se estudia y se define el rango de aplicación de la metodología dentro de las uniones RTJ. Además, a continuación se genera una librería con los cuatro coeficientes de todas las uniones que se encuentran dentro del rango de aplicación.En el Capítulo 6 se desarrolla una aplicación programada en ¿Visual Basic for Applications¿ de Microsoft Excel, en la que se implementa el MTE generalizado y la librería con todos los coeficientes. Da lugar a una aplicación de gran interés y muy sencilla de utilizar para los usuarios, y por lo tanto fácil de implementar en una compañía del área del Oil&Gas. Para su mejor entendimiento, también se presenta un ejemplo ilustrativo paso a paso en el que se puede apreciar en detalle todo su potencial.En el Capítulo 7 se desarrolla otra metodología de optimización, pero en este caso para el estudio de secuencias optimizadas en otro tipo de uniones, que por lo tanto están fuera del rango de aplicación establecido en el Capítulo 5. Esta metodología, la cual también es mucho más eficiente que los métodos explicados en el capítulo 3, está basada en la técnica de los superelementos. En comparación con un modelo de Elementos Finitos convencional, se consigue un modelo mucho más eficiente ya que reduce el coste computacional sin tener ninguna pérdida de precisión. Para ello, mediante la técnica de los superelementos se construye una matriz de rigidez condensada a partir de una selección apropiada de los nodos principales del modelo. Así se reducen significativamente las dimensiones y el coste del problema.En el Capítulo 8, se presenta por un lado todas las conclusiones principales obtenidas a lo largo de toda la Tesis Doctoral. Por el otro lado, también se presentan las líneas de investigación que han quedado abiertas como consecuencia del trabajo de investigación realizado. Además, para concluir con el Capítulo, se listan todas las publicaciones derivadas de esta Tesis Doctoral.Por último, el apartado bibliográfico recoge las referencias citadas a lo largo de toda la Tesis Doctoral.