diseño y construcción de gasoducto

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACION UNIVERSITARIA UNIVERSIDAD BOLIVARIANA DE VENEZUELA PROGRAMA: PFG HIDROCARBUROS GAS CENTRO DE ESTUDIOS DE LA ENERGÍA

DISEÑO DE GASODUCTOS TEMA 3

MARACAIBO 09/04/2011

INTRODUCCION

El gas es un componente esencial de los hidrocarburos que presenta sus propias características que difieren de las del petróleo, por lo tanto, las instalaciones para el almacenamiento y transportación del mismo deben tener sus propias normas de control y eficiencia que garanticen, entre otras cosas, la seguridad en esta actividad.

En los campos petrolíferos y/o gasíferos se habla de gas de baja, mediana y alta presión. Estas designaciones son importantes porque determinan la capacidad o fuerza propia (presión) de flujo que por sí tiene el gas producido de los pozos. La presión hace posible la recolección del gas y su transmisión por tubería (gasoducto) de determinada longitud y diámetro.

El gas como componente esencial de los hidrocarburos se relaciona en diferentes aspectos con el petróleo, entre ellas está las características de su composición, su comportamiento volumétrico bajo la acción de la presión y la temperatura y su compresibilidad, su contenido de hidrocarburos líquidos, su utilización como energético, el gas en las refinerías y en la petroquímica como materia prima y otros aspectos tecnológicos referentes al manejo y a la utilización del gas. Mucho de lo anteriormente mencionado tiene aplicación en el transporte de gas por gasoductos.

INDICE

1. Criterio de diseño y construcción de gasoducto

2. Presiones operativas

3. Normas códigos y estándares utilizados en la construcción de sistemas de tuberías

4. Determinación de de espesor, presión y temperaturas de diseño.

5. (asme 31,8, covenin 3567-2000).

6. Formulas de calculo barlow

7. Protección anticorrosivas.

8. Especificaciones de soldadura.

9. Planos y especificaciones técnicas.

10.Seguridad.

11.Previsión de la demanda

12.Pruebas.

13.Formación de hidratos

1. Criterio de diseño y construcción de gasoducto

El gasoducto será diseñado conforme a la Norma más reciente de ASME B31.8, norma industrial norteamericana para “Sistemas de Ductos para Transporte y Distribución de Gas.”

Se recopilará la información siguiente:

carga de operación, condiciones, topografía de la ruta, suelos y datos ambientales. Según el código para gasoducto ASME B31.8, el diseño de espesor de pared de ducto tiene por base la fórmula para esfuerzo tangencial y tres factores de seguridad. La verificación final de diseño tomará en cuenta: expansión térmica, fijación del ducto, vibración, fatiga, cruces del gasoducto y condiciones de carga especiales tales como eventos sísmicos. Se tiene la intención de que los datos del diseño básico constituyan la base para el diseño detallado una vez que queden bien definidos los datos de levantamiento topográfico de la ruta y demás parámetros. Por lo tanto, se efectuarán cálculos de esfuerzo combinado según la Cláusula 833 de ASME B31.8. El diseño del gasoducto también atiende a los aspectos de integridad permanente para todo el gasoducto o gasoductos. Por ejemplo, serán necesarias corridas periódicas de poly pigs inteligentes para inspeccionar la superficie interior y exterior de los ductos en cuanto a corrosión, pérdida de

metal y posibles mellas. Por consiguiente, el sistema permitirá la instalación de lanzadores y/o receptores de poly pigs en ubicaciones estratégicas dentro del sistema de Transporte.

2 Presiones operativas Al definir la presión de operación de un gasoducto de transporte, si bien el caudal transportado será mayor cuanto más alto sea la presión de ingreso al gasoducto, será también mayor la potencia necesaria de las plantas compresoras y más resistentes todas las demás partes que componen el sistema. Por lo tanto, la decisión de adopción de una presión de diseño deberá estar en cada caso condicionada, como contrapartida de los mayores caudales transportados, a los mayores costos de inversión y operación en que se incurrirá por la necesidad de utilizar materiales más resistentes. En la actualidad los gasoductos de transporte se dimensionan para presiones comprendidas entre 1,230 Psig (presión de operación) 1,450.00 Psig presión operativa, dependiendo de la selección de los valores intermedios entre los valores mencionados, de las características de los consumos en ruta.

3 Normas códigos y estándares utilizados en la construcción de sistemas de tuberías

Las normas más utilizadas en el análisis de sistemas de tuberías son las normas conjuntas del American Estándar Institute y la American Society of Mechanical Engineers ANSI/ASME B31.1, B31.3, etc. Cada uno de estos códigos

recoge

la

experiencia

de

numerosas empresas especializadas,

investigadores, ingenieros de proyectos e ingenieros de campo en áreas de aplicación específicas, a saber:

B31.1. (1989) Power Piping (tuberías de alimentación. Publicado 1989 por la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos en Nueva York) •

B31.3 (1990) Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping (planta química y de refinería de petróleo Código de tuberías)

•

B31.4

(1989)

Liquid

Transportation

System

for

Hydrocarbons,

Petroleum Gas, And hydroys Anmonia and Alcohols (Sistema de Transporte de Hidrocarburos Líquido , Gas Petróleo, Y amoníaco acuoso de los Alcoholes)

•

B31.5 (1987) Refrigeration Piping (tuberías de refrigeración)

•

B31.8 (1989) Gas Transmisión and Distribution Piping System (Transmisión y Distribución del sistema tubería de Gas)

•

B31.9 (1988)

Building Services Piping

(Servicios de tuberías de

Edificio)

En lo que concierne al diseño todas las normas son muy parecidas, existiendo algunas discrepancias con relación a las condiciones de diseño, al cálculo de los esfuerzos y a los factores admisibles

4 Determinación de de espesor, presión y temperaturas de diseño. -

Presión de diseño (máxima y mínima)

La presión de diseño no será menor que la presión a las condiciones más severas de presión y temperatura coincidentes, externa o internamente, que se espere en operación normal. Para cumplir con ASME B31.8 el gasoducto deberá tener un flujo estándar de 33.98 MMm3/día (1.2 BCF), la presión operativa mínima del gas natural a ser suministrada en el Sistema de Transporte de Gas Natural es de 8,480.55 kPa (1,230 Psig). Con una presión de diseño o máxima de 9,997.40 kPa (1,450.00 lpc). -

Temperatura de diseño (máxima y minima)

La temperatura de diseño es la temperatura del metal que representa la condición más severa de presión y temperatura coincidentes. Los requisitos para determinar la temperatura del metal de diseño para tuberías son como sigue: Para componentes de tubería con aislamiento externo, la temperatura del metal para diseño será la máxima temperatura de diseño del fluido contenido. Para componentes de tubería sin aislamiento externo y sin revestimiento interno, con fluidos a temperaturas de 32ºF y mayores, la temperatura del metal para diseño será la máxima temperatura de diseño como por ejemplo el acero donde su temperatura máxima es de 450 ºF. -

Espesor de pared

El mínimo espesor de pared para cualquier tubo sometido a presión interna o externa es una función de: a. El esfuerzo permisible para el material del tubo b. Presión de diseño

c. especificación del acero utilizado d. Diámetro de diseño del tubo e. tipo de junta de la tubería

f. temperatura g. Diámetro de la corrosión y/o erosión h. clasificación del área i. construcciones existentes a lo largo de la ruta Además, el espesor de pared de un tubo sometido a presión externa es una función de la longitud del tubo, pues ésta influye en la resistencia al colapso del tubo. El mínimo espesor de pared de cualquier tubo debe incluir la tolerancia apropiada de fabricación.

5 (ASME 31,8, COVENIN 3567-2000).

ASME 31,8 El B31.8 Código abarca el diseño, fabricación, instalación, inspección, pruebas y otros aspectos de seguridad de la operación y mantenimiento de sistemas de transmisión y distribución de gas, incluidas las tuberías de gas, estaciones de servicio del compresor, la medición de gas y estaciones de regulación, red de gas, y líneas de servicio hasta la salida de la asamblea del cliente metros establecidos. COVENIN 3567-2000 Esta norma venezolana establece la clasificación de áreas por las que atraviesan gasoductos, basándose en la cantidad de unidades habitacionales contenidas a lo largo de una franja del mismo. La clasificación de áreas se toma como base para prescripciones de diseño construcción y métodos de prueba en el caso de instalar gasoductos nuevos; o rediseñando y remplazando en el caso de gasoductos existentes. La unidad de medición será una indicación de la densidad poblacional.

Adicionalmente se indica en esta norma, las consideraciones que se deben seguir para el calculo de la máxima presión de operación admisible (MPOA) de un gasoducto y los valores de las pruebas hidrostáticas

6 Formulas de calculo.

-

Formula de barlow

Calculo de presión El espesor de la pared de la tubería debe ser suficiente para soportar los esfuerzos que serán ejercidos sobre ellas, tales como los producidos por la presión interna del gas y los provenientes de las fuerzas externas que actúan sobre la tubería, como lo son su propio peso, los esfuerzos geostaticos, los esfuerzos generados en el traslado, las fuerzas del viento. Las fuerzas sísmicas, etc. En tuberías de trasmisión de gas la presión interna generada produce los mayores componentes de esfuerzo, así que el espesor de la pared de la tubería requerida para operaciones a altas presiones se obtiene del calculo con la formula de barlow, para el diseño de tuberías de acero sometidas a presión interna, utilizada en la trasmisión y distribución de gas, la cual se define de la siguiente manera P= ((2+S+t) / D)+F+E+T Donde: P = Presión de diseño S= Esfuerzo de fluencia mínimo especificado, En LPC D= Diámetro externo nominal de la tubería, EN PULG T = Espesor de la pared nominal del tubo, EN PULG F = Factor de diseño E = Factor según el tipo de unión longitudinal T= Factor de reducción por efecto de temperatura

7 Protección anticorrosiva.

Recubrimiento Externo La protección anticorrosiva se debe efectuar mediante aplicación en fábrica de un recubrimiento externo sobre la superficie limpiada del ducto. El recubrimiento externo será un sistema epóxico ligado por fusión (FBE) aplicado de acuerdo con las normas aceptadas internacionalmente. Los empalmes en campo deben ser protegidos usando FBE aplicado en el campo o mangas contraídas por calor de polietileno. Cualquier daño o imperfección en el recubrimiento debe ser detectado y reparado en campo antes de la instalación, empleando material compatible con el sistema de recubrimiento original.

Se le debe aplicará recubrimiento protector adicional al ducto que vaya a ser instalado en cruces taladrados o perforados. Este recubrimiento adicional será diseñado de manera que impida la abrasión del recubrimiento protector primario del ducto durante el proceso de instalación en el espacio perforado.

También se debe instalar un recubrimiento de tipo apropiado sobre el recubrimiento protector anticorrosivo para asegurar una liga adecuada al aplicar concreto al ducto para los fines de proporcionar flotación negativa en cruces de ríos o pantanos o espejos de agua.

8 Especificaciones de soldadura. La soldadura podrá ser efectuada por cualquier proceso o combinación de procesos que produzcan soldaduras que cumplan con los requerimientos de calificación de procedimiento del Código ASME-B318. Hay tres métodos de fabricación de tubería.



Sin costura (sin soldadura). La tubería se forma a partir de un lingote cilíndrico el cual es calentado en un horno antes de la extrusión. En la extrusión se hace pasar por un dado cilíndrico y posteriormente se hace el agujero mediante un penetrador. La tubería sin costura es la mejor para la contención de la presión gracias a su homogeneidad en todas sus direcciones. Además es la forma más común de fabricación y por tanto la más comercial.



Con costura longitudinal. Se parte de una lámina de chapa la cual se dobla dándole la forma a la tubería. La soladura que une los extremos de la chapa doblada cierra el cilindro. Por tanto es una soldadura recta que sigue toda una generatriz. Variando la separación entre los rodillos se obtienen diferentes curvas y con ello diferentes diámetros de tubería. Esta soldadura será la parte más débil de la tubería y marcará la tensión máxima admisible.



Con soldadura helicoidal (o en espiral). La metodología es la misma que el punto anterior con la salvedad de que la soldadura no es recta sino que recorre la tubería siguiendo la tubería como si fuese roscada.

Se deberán usar los estándares de aceptabilidad para las soldaduras de sistemas de tubería que operen a 20% o más de la tensión mínima especificada de fluencia, según se establece en API 1104. Los procedimientos de soldadura y los soldadores que efectúen el trabajo bajo esta clasificación, deberán estar calificados bajo le Código de Calderos y Recipientes a Presión de ASME, Sección IX, o API 1104.

9 Planos y especificaciones técnicas.

Planos y especificaciones según asme B31.8

10 Seguridad. Durante el período de 28 años transcurrido desde que se promulgó la primera legislación de seguridad para gasoductos y el establecimiento de la oficina de seguridad de los gasoductos (dot/ OPS), ha habido determinados hechos básicos e informaciones relativas a la seguridad de los gasoductos que han ido evolucionando. Las estadísticas obtenidas a partir de las exigencias mínimas de información sobre incidentes en sistemas de gasoductos indican lo siguiente: el transporte de mercancías y productos por tubería en con mucho el medio de transporte más seguro que existe hoy día; más del 50% de los incidentes de fallos en las tuberías son debidos a actividades de excavación, seguidos a continuación por corrosión interior y exterior; el número total de incidentes comunicados cada año y sus causas se mantiene relativamente estable para todo tipo de conducciones; los requisitos de reglamentación promulgados hasta la fecha han contribuido a reducir al mínimo las potenciales consecuencias de seguridad en la explotación de una infraestructura de gasoductos que están creciendo constantemente.

11 Previsión de la demanda

La manera mas fácil de prever la demanda consiste en diseñar el gasoducto para que posea una resistencia 30 veces mayor a la de operación y así en el futuro poder aumentar flujo de gas sin que la línea de transporte sufra daños considerables, tomando en cuenta en el diseño de dichas líneas la ampliación y realizar la ingeniería necesaria para acoplar nuevos accesorios y plantas compresoras.

Otra forma de satisfacer la demanda comprende la construcción de nuevos “loops” (tramos de ductos paralelos a los ya existentes) en los gasoductos y la construcción de Plantas Compresoras instaladas a lo largo de los mismos, para así aumentar la capacidad de transporte del gas.

12 Pruebas.

Pruebas Hidráulicas (Bomba de Presión). Normalmente, se usa una bomba de desplazamiento positivo de tipo reciprocante, para presurizar el ducto durante la prueba. La capacidad del caudal de la bomba deberá ser adecuada para proveer una tasa de presurización razonable. La capacidad especificada de la bomba deberá ser mayor que la máxima presión de prueba anticipada.

Pruebas hidrostática (Presiones de Prueba, Tubería y Válvulas). La presión de diseño de los terminales de prueba y la tubería, y las capacidades especificadas de mangueras y válvulas en el múltiple de prueba (manifold), no deberán ser menores a la presión de prueba anticipada. Todo el equipo deberá ser inspeccionado antes de la pruebe para determinar que se halla en condiciones satisfactorias.

(a) Presurización. En las líneas siguientes se da una secuencia de presurización.

* Elevar la presión en la sección, hasta no más de un 80% de la presión de prueba anticipada y mantener la misma por un período de tiempo, para determinar que no existan fugas mayores.

* Durante este período de tiempo, monitorear la presión y revisar la sección de prueba, para detectar fugas. Reparar las fugas mayores a medida que se las encuentra.

* Después del período de retención, presurizar la línea a una tasa constante hasta la presión de prueba. Monitorear si hay desviaciones de una línea recta mediante el uso de una gráfica de presión – volumen, gráficas de registro o trazador automático (plotter). (4) Cuando se alcance la presión de prueba y se haya estabilizado la misma de las presiones de operación. Se podrá iniciar un período de retención. Durante este período le medio de prueba puede ser añadido, según sea requerido, par mantener la mínima presión de prueba

13 Formación de hidratos

Estos son compuestos sólidos que se forman como cristales tomando apariencia de nieve. Los hidratos se producen por la reacción entre el agua condensada del gas natural y los hidrocarburos más volátiles, que se encuentran en el gas natural. La composición de los hidratos es aproximadamente 90% de agua y 10% de hidrocarburos. La teoría indica que una molécula de Metano, por ejemplo puede utilizar en la formación de hidratos de hasta 28 moléculas de agua. Problemas producidos por la formación de hidratos: Uno de los problemas más graves de la formación de hidratos, es que causan congelamiento del gas natural produciendo taponamiento, reducción del espacio permisible para el transporte de gas. El proceso de la formación de hidratos, depende fundamentalmente de tres factores, que son composición del gas natural, la temperatura y la presión. Sustentado en estas premisas, es que se hace posible determinar

mediante el uso de gráficos y relaciones empíricas las

condiciones de presión y temperatura, bajo las cuales ocurre la formación de

hidratos. En términos generales se puede indicar que para evitar la formación de hidratos se requiere una presión elevada y una temperatura baja.

Conclusiones. Un gasoducto es una conducción que sirve para transportar gases combustibles a gran escala. Consiste en una conducción de tuberías de acero, por las que el gas circula a alta presión, desde el lugar de origen. Esta es una técnica de transporte de gas, que consiste en la construcción de un sistema de transmisión por medio de tuberías de diferentes diámetros, recomendado para recorrer largas distancias, de forma eficiente y con menor costo. Los gasoductos son más largos que otros ductos pues en muchos casos el gas es usado para la generación de electricidad en el propio país de origen del gas, o en países vecinos. Debido a su longitud, los oleoductos y gasoductos atraviesan bastas zonas, incluyendo áreas pobladas tanto urbanas y rurales, áreas protegidas, ecosistemas frágiles, etc. El impacto ambiental que producen los gasoductos, se enfoca más que todo en la fase de construcción de los mismos; causan diferentes impactos ambientales, según su tipo, La magnitud de los impactos dependerá del tipo y tamaño de la tubería; su significado dependerá del grado en que se afecten los recursos naturales y sociales. Se puede considerar que los gasoductos contribuyen a la calidad del medio ambiente porque facilitan la disponibilidad de combustibles más limpios

El transporte de gas natural por gasoducto incluye algún grado de riesgo para el público en caso de un accidente y el subsiguiente escape de gas. El riesgo más grave es el de un incendio o explosión después de una ruptura importante en el gasoducto. En la actualidad, la construcción de gasoductos es una gran obra de ingeniería, que provee muchos beneficios en los países, reduciendo el déficit del balance de oferta y demanda de derivados de petróleo; al igual que genera significativos impactos socio-económicos.