Hidraulica Nivel 1

HIDRÁULICA - NIVEL 1 TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCIÓN Propósitos del Módulo ____________________________________________

1

SECCIÓN 1 - DEFINICIONES Introducción ____________________________________________________ 3 Hidráulica de Oleoductos __________________________________________ 4 Presión__________________________________________________________ 4 Presión y Líquidos ________________________________________________ 6 Cabeza Estática __________________________________________________ 8 Repaso 1 ________________________________________________________ 13 SECCIÓN 2 - PRESION DE CABEZA ESTATICA EN EL OLEODUCTO Introducción ____________________________________________________ 15 Energía Gravitacional ______________________________________________ 16 Repaso 2 ________________________________________________________ 22 RESUMEN ______________________________________________________ 23 GLOSARIO ____________________________________________________ 24 RESPUESTAS ____________________________________________________ 26

ATENCION El personal de operaciones usa tecnología para alcanzar metas específicas. Un objetivo clave del programa de entrenamiento es promover la comprensión de la tecnología que el personal operativo, usa en su trabajo diario. Este programa de entrenamiento refuerza la relacion trabajo-habilidades mediante el suministro de información adecuada de tal manera que los empleados de oleoductos la puedan aplicar in mediatamente. La información contenida en los módulos es teórica. El fundamento de la información básica facilita el entendimiento de la tecnología y sus aplicaciones en el contexto de un sistema de oleoducto. Todos los esfuerzos se han encaminado para que reflejen los principios científicos puros en el programa de entrenamiento. Sin embargo en algunos casos la teoría riñe con la realidad de la operación diaria. La utilidad para los operadores de oleoductos es nuestra prioridad mas importante durante el desarrollo de los temas en el Programa de Entrenamiento para el Funcionamiento de Oleoductos.

HIDRAULICA - NIVEL 1 Comportamiento de los Fluidos

© 1995 IPL Technology & Consulting Services Inc. Reproducción Prohibida (March 28, 1995) IPL TECHNOLOGY & CONSULTING SERVICES INC. 7th Floor IPL Tower 10201 Jasper Avenue Edmonton, Alberta Canada T5J 3N7 Telephone +1-403-420-8489 Fax +1-403-420-8411 Reference: 1.6 SP Hyd.Level 1 November, 1997

HABILIDADES DE ESTUDIO Para que el aprendizaje de los módulos sea más efectivo, se sugiere tener en cuenta las siguientes recomendaciones. 1. Trate de que cada periodo de estudio sea corto pero productivo (de 10 a 45 minutos). Si usted ha establecido que estudiará durante los cinco dias de la semana un total de dos horas por día, separe los tiempos de estudio con periodos de descanso de dos a cinco minutos entre cada sesion. Recuerde que generalmente una semana de auto estudio reemplaza 10 de horas de asistencia a clases. Por ejemplo si usted tiene un periodo de tres semanas de autoestudio, deberá contabilizar treinta horas de estudio si quiere mantener el ritmo de la mayoría de los programas de aprendizaje. 2. Cuando usted esté estudiando establezca conexiones entre capítulos y tareas. Entre más relaciones logre hacer le será más fácil recordar la información. 3. Hay cuestionarios de autoevaluación al final de cada sección del módulo. Habitualmente el responder a estos cuestionarios incrementará su habilidad para recordar la información. 4. Cuando esté leyendo una sección o un módulo, primero de un vistazo rápido a toda el material antes de comenzar la lectura detallada. Lea la introducción, conclusiones y preguntas al final de cada sección. A continuación como una tarea separada estudie los encabezados, gráficos, figuras y títulos. Despues de esta excelente técnica de revision previa, usted estará familiarizado con la forma como está organizado el contenido. Después de la lectura rápida continue con la lectura detallada. Su lectura detallada, refuerza lo que ya usted ha estudiado y además le clarifica el tema. Mientras usted este realizando esta lectura deténgase al final de cada sub-sección y pregúntese “¿Que es lo que he acabado de leer?” 5. Otra técnica de estudio útil es escribir sus propias preguntas basadas en sus notas de estudio y/o en los titulos y subtitulos de los módulos.

6. Cuando esté tomando notas en el salón de clases considere la siguiente técnica. Si usa un cuaderno de de argollas escriba solo en las página de la derecha. Reserve las página de la izquierda para sus propias observaciones, ideas o áreas en las que necesit e aclaraciones. Importante: escriba las preguntas que su instructor hace, es posible que usted las encuentre en el custrionario final. 7. Revise. Revise. Revise, El revisar el material aumentará enormemente su capacidad de recordar. 8. El uso de tarjetas para notas, le ayudará a identificar rápidamente áreas en las cuales usted necesita repasar antes de un exámen. Comience por ordenar a conciencia las tarjetas después de cada sesión de lectura. Cuando aparezca una nueva palabra, escríbala en una cara de la tarjeta y en el reverso escriba la definición. Esto es aplicable para todos los módulos. Por ejemplo, simbolos químicos/que representan; estación terminal/definción; una sigla (acronismo)/que significa. Una vez haya compilado sus tarjetas y se este preaparando para una prueba, ordénelas con el lado que contiene las palabras hacia arriba; pase una tras otra para verificar si usted sabe que hay en el reverso. Se ha preguntado usted por qué gastar tiempo innecesario en significados o conceptos? Porque las tarjetas que no pudo identificar, le indican las áreas en las cuales necesita reforzar su estudio. 9. Adicionalmente estos módulos tienen identificados métodos de enseñanza específica para ayudar a la comprensión del tema y su revisión. Los términos (palabras, definiciones), que aparecen en negrilla están en el glosario. Para relacionar la información de los términos y su significado, los números de las páginas aparecen en las definiciones del glosario con el objeto de identificar donde apareció el término por primera vez en el téxto. Las definiciones que en el glosario no tienen ningún número de página es importante de igual manera entenderlas, pero están completamente explicadas en otro módulo.

HIDRAULICA - NIVEL 1

Este módulo integra la información de todos los módulos anteriores en la fase básica del comportamiento de los fluidos y aplica esta información al campo de la hidráulica en oleoductos. La hidráulica de oleoductos es una herramienta invaluable que permite a los operadores monitorear y controlar los oleoductos y responder en la forma más apropiada a los cambios de condiciones. El conocimiento de la hidráulica de oleoductos habilita a los operadores para anticipar el comportamiento del oleoducto y las condiciones irregulares y a responder a estas antes de alcanzar el punto de alarma. Específicamente, la hidráulica de los oleoductos demuestra como los cambios de variables de densidad, viscosidad y variación de flujo, combinada con las condiciones establecidas de longitud de el oleoducto, rugosidad interna de la misma y cambios en la elevación para determinar el total de fluido transportado para cualquier tiempo dado.

INTRODUCCIÓN

Este módulo comienza por proveer definiciones y conceptos de términos relativos a la hidráulica y sus fórmulas básicas. La segunda sección de este módulo presenta términología adicional relativa a principios hidráulicos de oleoductos con fluído en reposo, incluyendo el gradiente total de cabeza estática y cabeza de elevación. Esta sección de este módulo proporciona también ejemplos prácticos de la aplicación de fórmulas útiles en cálculos hidráulicos. Los lectores notarán que este módulo trata de los principios hidráulicos cuando estos se aplican al oleoducto estático (cuando no está fluyendo). La información hidráulica pertinente al oleoducto fluyendo, se encuentra en la fase Avanzada del Comportamiento de los Fluidos.

Este módulo proporciona información en los siguientes aspectos: • explica como la presión actúa sobre los líquidos. • define y calcula cabeza estática, presión de cabeza estática y gradiente total de cabeza estática. • muestra como sacar conclusiones correctas del estado del líquido en el oleoducto, basándose en los cálculos.

Todos los módulos de la fase básica del comportamiento de fluidos.

PROPOSITOS DEL MÓDULO

PREREQUISITOS

1

HIDRAULICA - NIVEL 1

SECCIÓN 1

DEFINICIONES

La hidráulica investiga el comportamiento de los fluidos. Para entender la hidráulica, los operadores necesitan familiarizarse con la términología relacionada con la misma, como también con los principios teóricos de la presión y el comportamiento de los fluidos. La siguiente sección de este módulo define y discute temas relativos a la hidráulica. Adicionalmente, también provee fórmulas básicas importantes para los cálculos hidráulicos.

Después de ésta sección, usted debe estar en capacidad de cumplir los siguientes objetivos:

INTRODUCCIÓN

OBJETIVOS

• Identificar el término hidráulica de oleoductos. • Reconocer las tres variables importantes para hidráulica de oleoductos. • Identificar el término hidráulica estática. • Identificar el término presión. • Identificar el término presión atmosférica. • Identificar el término presión manométrica. • Identificar el término cabeza estática. • Identificar el término presión de cabeza estática.

3

PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO OPERACIONES DE DUCTOS PIPELINE OPERATIONSPARA TRAINING PROGRAM

HIDRÁULICA DE OLEODUCTOS

Hidráulica es el conjunto de leyes que gobiernan el comportamiento de los líquidos en estado de movimiento y en reposo. La hidráulica de los oleoductos se refiere al conjunto de leyes que gobiernan el movimiento de los líquidos y la aplicación práctica de éstas leyes en un sistema de oleoducto. Más específicamente, la hidráulica de oleoductos se refiere a como las variables de las propiedades de los líquidos se combinan con los características constantes de un oleoducto para determinar la cantidad de flujo en cualquier tiempo dado. Las variables en la cantidad de flujo incluyen: • densidad • viscosidad, y • variación de fluído. Las características constantes de la de oleoducto incluyen: • • • •

longitud diámetro interno rugosidad de la pared interna, y cambios en la elevación.

Los términos de la hidráulica estática se refieren a las propiedades de los líquidos cuando éstos están en reposo; es así, como la presión y los cambios en la elevación afectan los fluidos en el oleoducto.

PRESIÓN

En esta sección, comenzamos por definir presión, y por aprender como se calcula. Luego examinamos como la presión en un tanque cambia de acuerdo con la altura del fluído. Finalmente, se discute como la presión afecta y es afectada por un líquido en reposo en un tramo del oleoducto. El término presión es definido como la fuerza ejercida en una unidad de área. La unidad estándar para la medición de la presión es la libra de fuerza (lbƒ) por pulgada cuadrada (in)2 o simplemente psi. Para calcular la presión en Psi, se usa la fórmula : P = F/A siendo: P = Presión F = Fuerza A = Area

4

HYDRAULICS - LEVEL 1

Hay diferentes formas para obtener las medidas de presión: • presión atmosférica. • presión absoluta. • presión manométrica.

El término presión atmosférica se refiere a la presión ejercida por la atmósfera y algunas veces se le llama presión barométrica. La presión PRESIÓN ATMOSFÉRICA atmosférica es expresada como PATM y varía de acuerdo con la altitud. A mayor altura que se encuentre una persona está sometida a menor presión atmosférica, porque hay menos cantidad de atmósfera pesando sobre el. La medida estándar de la presión atmosférica es a nivel del mar y a 60ºF. Al nivel del mar y a 60ºF (15ºC) el valor de la presión es una atmósfera (atm). En las aplicaciones de oleoducto, la unidad atmosférica generalmente no es usada. En vez de ésta, es usada la unidad estándar, psi. Luego en nuestros cálculos: 1 atm = 14.7 psi En este módulo los cálculos se hacen usando psi.

El término presión absoluta (PA) se refiere a la cantidad total de la PRESIÓN presión ejercida sobre un objeto y se expresa como psiA. La presión MANOMETRICA Y absoluta incluye la presión atmosférica así como cualquier presión que ABSOLUTA se añada. Por ejemplo, si 1.5 psi es ejercida sobre un objeto, la presión absoluta ejercida será de 1.5 psi más la presión atmosférica, 14.7 psi. La presión absoluta (PA) entonces será: 1.5 psi + 14.7 psi = 16.2 psiA. El término presión manométrica (PG) se refiere a la presión medida sobre la presión atmosférica y es expresada como psiG. La presión manométrica es usada para expresar la presión ejercida sobre un objeto una vez la presión atmosférica ha sido tenida en cuenta.

5

PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

Para calcular la presión manométrica (PG): PG = PA – Patm Por ejemplo, si la presión absoluta es 36 psiA: PG = 36 psiA - 14.7 psi = 21.3 psiG PG En el oleoducto, la practica normal es medir la presión manométrica solamente.

PRESIÓN Y LÍQUIDOS

La presión actúa de forma específica sobre los líquidos. Las siguientes reglas explican los principios bajo los que se calcula la presión en una sección del oleoducto. (Ver modulo: HIDRAULICA NIVEL 1 - LIBRO DE TRABAJO para cálculos actuales): • En un volumen pequeño de líquido la presión actúa uniformemente. La presión aplicada se esparce sobre toda la superficie del líquido. Cuando la presión es calculada más adelante en éste módulo, es expresada como fuerza por unidad de área. P P

P

P

Figura 1 P

P

La presión actúa uniformemente en todas las direcciones en un pequeño volumen de líquido.

P P

Figura 2 La Presión se Distribuye Igualmente sobre una Superficie la presión se distribuye igualmente sobre una unidad de área de una superficie. Ningún área individual en la superficie tiene mayor presión que otras áreas, la presión es, medida como fuerza por pulgada cuadrada y no por fuerza acumulada o total. Una fuerza F1 de 162 lbf es aplicada en la cara de trabajo (A) de el pistón. Puesto que el área de la cara de trabajo (A) del pistón es 9 pulgadas cuadradas, una presión de 162 lbf/9in2 o 18 libras, es ejercida en cada pulgada cuadrada de la superficie de trabajo.

Fuerza 1 in

1 in

18 psi

18 psi

18 psi

18 psi

18 psi

18 psi

18 psi

18 psi

A A Frente

6

18 psi

Superficie Superior

HIDRAULICA - NIVEL 1

• En un líquido confinado por barreras sólidas la presión actúa perpendicular a las barreras. Esto significa que si la presión de un líquido contra el fondo del tanque es 14.5 psi, y una válvula es abierta en el fondo del tanque, el líquido fluirá a través de la válvula a 14.5 psi. Esto va a ser importante más tarde en este módulo cuando se discuta la diferencia entre presión de cabeza estática en un oleoducto y presión gravitacional.

Piscina

Secciòn transversal de la Tuberia

Represa

Figura 3 La Presión Actúa Perpendicular a las Barreras del Recipiente

• En un sistema cerrado, un cambio de presión producido en un punto del sistema será transmitido a través de todo el sistema. Una persona que pesa 180 lbf, se para en un pistón con una sección transversal de 1.55 pulgadas cuadradas, y genera una presión de 180 lbf /1.55 in2 = 116lbf /in2 = 116 psi. Esta presión de 116 psi es transferida a un pistón más grande con un área de sección transversal de 15.5 pulgadas cuadradas para levantar un vehículo que pesa 1800 lbf. Pistón pequeño

Pistón Grande

PP =

FP 180 lbf = = 116 lbf /in2 = 116 psi AP 15.5 in2

PV =

FV 1800 lbf = = 116 lbf /in2 = 116 psi AV 15.5 in2

7

PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

PP PV

P

Figura 4 Cambio de Presión en un Sistema Cerrado En un sistema cerrado, el cambio de presión producido en un punto del sistema será transmitido uniformemente a través de todo el sistema: Pp = P = Pv.

CABEZA ESTÁTICA

El término cabeza estática se refiere a la altura de una columna líquida sobre un punto de referencia dado. Por ejemplo, si un vaso es llenado con agua, hasta que el agua alcanza una altura de 2.5 pulgadas, respecto al fondo del vaso, la cabeza estática del agua en el vaso es de 2.5 pulgadas respecto al fondo del mismo. Igualmente si un tanque de crudo es llenado hasta que el mismo alcanza una altura de 40 pies sobre el fondo del tanque, la cabeza estática del crudo respecto al fondo del 40 ft (12.2 m) tanque es de 40 ft. Linea de Referencia

Figura 5 Cabeza Estática La cabeza estática es la elevación o altura, de una columna de líquido sobre un punto de referencia.

8

HIDRAULICA - NIVEL 1

El término presión de cabeza estática se refiere al total de presión PRESIÓN DE CABEZA ejercida sobre una unidad de área por una columna de líquido. En estos ESTÁTICA módulos, el término presión de cabeza estática es usado para evitar confusión con cabeza estática como fue definida previamente. La presión de cabeza estática varia de acuerdo con: • la cabeza estática del líquido. • la gravedad específica del líquido. Cuando la presión es medida, estamos midiendo una fuerza con respecto a una unidad de área y no simplemente el total de la fuerza ejercida. Porque debido a como se considera la unidad de área, el volumen del líquido no afecta la presión de cabeza estática. Por ejemplo, hay dos tanques: un tanque tiene un diámetro pequeño y el otro tiene un diámetro grande. Si los dos tanques son llenados con el mismo líquido a la misma altura, o cabeza estática entonces la presión de cabeza estática de cada tanque es la misma. El tanque B tiene menos líquido que el tanque A, pero el tanque B también tiene una unidad de área más pequeña para el líquido que presiona en su interior. Por lo tanto, aunque el tanque A tiene una mayor fuerza total, la presión ejercida por el líquido en cada pulgada cuadrada es la misma en ambos tanques.

Figura 6 Igual presión de cabeza estática

Linea de Referencia

65.6 ft

65.6 ft 200 psi

200 psi

Los dos tanques tienen la misma cabeza estática y por esta razón la misma presión de cabeza estática, a pesar de que el tanque A contiene más líquido y consecuentemente mayor fuerza total.

La presión de cabeza estática de un líquido también depende de la gravedad específica del fluido. Existe una relación directa entre la gravedad específica y la presión de cabeza estática. esto es que si la cabeza estática de dos líquidos es la misma, entonces: • un líquido con una gravedad específica alta tiene una presión de cabeza estática alta, y • un líquido con una gravedad específica baja tiene una presión de cabeza estática baja.

9

PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

Para calcular la presión de cabeza estática de un líquido use la formula

CALCULO DE PRESIÓN DE CABEZA ESTÁTICA EN PSI Dadas:

P = GW × GE × H P = altura de presión estática (psi) GW = gradiente de presión estática para agua pura = 0.4333 psi/ft (remítase a la pagina 12 para una explicación y del origen de esta constante). GE = gravedad específica del líquido (–) H = cabeza estática del líquido (ft)

Por ahora use la formula como fue dada en el Libro de TRABAJO DE HIDRAULICA - NIVEL 1, usted puede aprender como deducir esta y otras fórmulas para calcular la presión de cabeza estática. Suponga que un tanque de 66 ft es llenado hasta el tope con gasolina, la cabeza estática de la gasolina con respecto al fondo del tanque, es 66 ft. La gasolina tiene una gravedad específica de alrededor de 0.750. Usando la formula, calcule la presión estática de la gasolina en el tanque. P = GW × GE × H P = 0.4333 psi/ft × 0.750 × 66 ft P = 21 psi

65.6 ft Linea de Referencia

32.8 ft

Tonque A

Tonque B

16.4 ft

Tonque C

Figura 7 Calculo de la presión de cabeza estática con Diferentes Cabezas Estáticas

En la figura 7 hay tres tanques, A, B y C, cada uno lleno hasta diferentes niveles con el mismo tipo de hidrocarburo. La gravedad específica es 0.920.

10

HIDRAULICA - NIVEL 1

Usando la formula P = GW x GE X H, calcule la presión de cabeza estática en cada uno de los tanques: Tanque A: PA PA PA Tanque B: PB PB PB Tanque C: PC PC PC

= GW × GE × H = 0.4333 psi/ft × 0.920 × 65.6 ft = 26.2 psi = GW × GE × H = 0.4333 psi/ft × 0.920 × 32.8 ft = 13.1 psi = GW × GE × H = 0.4333 psi/ft × 0.920 × 16.4 ft = 6.5 psi

La figura 8 ilustra tres tanques más, cada uno contiene un líquido difirente, con densidades diferentes y la altura produce la misma presión, 200 psi.

200 psi

Tanque A GE Alta

200 psi

Tanque B GE Baja

200 psi

Tanque C GE Media

Figura 8 Cálculo de presión de cabeza estática con Gravedades Específicas Variables

Para obtener 200 psi se necesita menor altura del líquido en el tanque A porque tiene una gravedad específica mayor. Reciprocamente se requiere una mayor altura del líquido en el tanque B para producir 200 psi que cualquiera de los líquidos en el tanque A o en el tanque C, porque el líquido en el tanque B tiene la gravedad específica más baja. Note que decimos que a una mayor altura, con preferencia a una cantidad mayor, porque es la altura de la columna y no el volumen, el que produce la presión en cada unidad de superfice cuadrada.

11

PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

Usamos agua pura como el punto de referencia estándar con una

GRADIENTE DE PRESIÓN densidad de 62.4 lbm / ft3 a 60°F (15°C). La fuerza de un pié cúbico de ESTÁTICA PARA AGUA agua actúa sobre un área de un pie cuadrado (1 ft2) en la base del cubo. PURA Así, para un cubo de agua cuya altura es de 1 pie: P = F/A donde: F = densidad de agua pura x volumen del cubo × (gc/g) =

62.4 lbm ft3

x 1 ft3 × 32.2 ft/seg2 x

1 lbf 32.2 lbm/seg2

= 62.4 lbf A = área de la base del cubo = 1 ft2 P=

62.4 lbf 1 ft2

x

1 ft2 144 in2

Como esta presión es el resultado del peso de la columna de agua de un pie de altura podemos decir que el gradiente de presión estática para el agua (Gw) es: GW = 0.4333 psi/1 pie de columna de agua o simplemente GW = 0.4333 psi/ft Puesto que el peso específico (sW) de cualquier líquido (la fuerza ejercida por un pie cúbico) es igual a la gravedad específica del líquido multiplicada por el peso específico del agua, entonces : sW = sW del agua × GE = 0.4333 psi/ft × GE Si reemplazamos 0.4333 psi/ft con Gw, entonces la formula usada para calcular la presión estática basada en la gravedad específica del petróleo líquido viene siendo: P = GW × GE × H Las dimensiones son :

[ ]

[ psi ] = psi × [-] × [ ft ] ft

12

HIDRAULICA - NIVEL 1

1. La afirmación “el conjunto de leyes que gobierna el movimiento de los líquidos y su aplicación práctica en los sistemas de oleoducto” se refiere a ____________. a) mecánica b) termodinámica c) hidráulica de oleoductos d) hidrostática

REPASO 1

2. Las variables claves que afectan el movimiento de los líquidos son densidad, viscosidad y ________________. a) gravedad específica b) caudal c) temperatura d) longitud del tubo 3. El término hidráulica estática se refiere a las propiedades de los líquido cuando estos están ________________. a) en reposo b) en movimiento c) acelerados d) en evaporación 4. El término presión es definido como la _______________. a) cantidad de cabeza dividida por la fuerza que ejerce b) gravedad específica, multiplicada por la aceleración debida a la gravedad c) cantidad total de fuerzas multiplicada por el volumen d) fuerza ejercida sobre unidad de área 5. Si una presión de 2.1 psiG es ejercida sobre un objeto, la presión absoluta sobre el objeto en psiA es __________________. a) 2.0 b) 6.1 c) 12.6 d) 16.8

13

PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

6. En la siguiente figura la cabeza estática es ____________. a) 10 ft b) 16 ft c) 23 ft 16 ft 23 ft d) 0.920 GE = 0.920 10 ft

7. En la figura superior la presión de cabeza estática es __________. a) 6.4 psi b) 7.1 psi c) 9.1 psi d) 19.6 psi 8. Si la gravedad específica de A es menor que la gravedad específica de B, y A y B tienen la misma cabeza estática entonces la presión de cabeza estática ejercida por A es ________________ B. a) más baja que b) más alta que c) la misma que d) dependiente de

Las respuestas están al final del módulo.

14

HIDRAULICA - NIVEL 1

SECCIÓN 2

PRESION DE CABEZA ESTATICA EN EL OLEODUCTO En el oleoducto, la presión es potencial o cabeza de energía que puede ser convertida en velocidad de flujo. Esta presión es creada a través de los cambios en la altura o por las unidades de bombeo que son equivalentes a cambios positivos en la altura. Cuando una válvula es abierta, la energía potencial (presión) se convierte en velocidad de flujo, que es energía cinética. Del mismo modo que la velocidad aumenta la energía cinética, la presión estática (energía potencial) decrece. Esta sección considera la presión estática solamente; que es, la presión cuando la línea está cerrada.

Después de ésta sección usted debe ser capaz de:

INTRODUCCIÓN

OBJETIVOS

• Identificar el término energía gravitacional. • Identificar el término gradiente de cabeza estática total. • Reconocer la relación entre presión de cabeza estática y energía gravitacional. • Reconocer la relación entre elevación y presión. • Analizar un perfil de elevación e identificar las áreas de alta y baja presión, donde existen separación de columna y donde se ha excedido el MPO.

15

PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

ENERGÍA GRAVITACIONAL

El término energía gravitacional se refiere a la energía potencial causada por cambios en la altura. Recuerde que la energía potencial es convertida en flujo o velocidad cuando se abre una válvula. A mayor altura, mayor tiempo de aceleración, debido a la gravedad, aumentándose la velocidad conque el líquido fluye pendiente abajo. Antes de que la válvula sea abierta o sea en condición estática, la energía es potencial

El término gradiente de cabeza estática total se refiere a la suma de la

GRADIENTE DE CABEZA cabeza estática y la altura sobre cualquier punto dado del oleoducto. El ESTÁTICA TOTAL gradiente total de cabeza estática es una constante para cada bache de líquido (GE) cuando el flujo es cero. Esto es: Dado: H = presión de cabeza estática EL = elevación (energía gravitacional) Entonces, H + EL = gradiente de cabeza estática total y para cada GE cuando flujo = 0 gradiente de cabeza estática total = constante

En hidráulica de oleoductos, la presión es expresada en términos de

PERFIL DE ELEVACION cabeza o elevación (pies) para tener en cuenta la presión gravitacional EN UN OLEODUCTO producida por los cambios en la elevación que se combina con la presión generada por la bomba para producir presión total de la línea o presión piezométrica (cabeza estática más presión de elevación) sobre cualquier punto dado. En resumen, la cabeza (pies) tiene en cuenta el efecto de los cambios en la altura. De esta manera el gradiente hidráulico puede mostrarse en relación con el perfil. El perfil de elevación del oleoducto es la elevación del oleoducto sobre el nivel del mar visualmente muestra los puntos críticos a lo largo de la línea, donde la presión más baja y la más alta ocurren cuando la línea está cerrada. La figura 11 representa el perfil de elevación de la sección de un oleoducto entre los puntos A y B. Verticalmente, EL representa la altura de cualquier punto a lo largo del oleoducto con respecto a la línea de referencia donde se asume que la altura es cero o el nivel del mar. Ya que la suma de la cabeza y la elevación es una constante cuando el flujo es = 0, una línea horizontal puede ser dibujada paralela a la línea de referencia. Esta línea de referencia dibujada se llama el gradiente de

16

HIDRAULICA - NIVEL 1

cabeza estática total. El gradiente de cabeza estática total permite el cálculo de la presión o de la cabeza en cualquier punto a lo largo del oleoducto. Por ejemplo, sobre el punto A la cabeza de presión es HA y sobre el punto B la altura es HB

P

P

H

H

Unidad de Bombeo

Figura 9 Generación de Presión de Cabeza Las unidades de bombeo producen cabeza de presión. al salir un líquido de la unidad de bombeo, queda bajo una cabeza de presión de la misma manera que un líquido saliendo del fondo del tanque. Simplemente la cabeza es una presión producida por el peso de una columna de líquido.

H2 EL 2

H1

EL 1

Figura 10 La Cabeza Estática Depende de la Altura Porque la columna de líquido sobre EL1 es mayor que la columna sobre EL2, la presión de cabeza estática sobre EL1 es mayor, por la menor elevación y el mayor peso del líquido. Relacione la variación de elevación de un fluido dentro de un tanque. A menor elevación mayor presión de cabeza estática.

17

PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

Linea de Presi n Total O Gradiente de Presi n de Cabeza

HC HB

HA

Elevaci n tuberia, EL (ft)

C

B A EL A

EL B

EL C

0

Longitud de Tuberia (mi)

Figura 11 Perfil de elevación Mostrando la Línea de Cabeza Total

Los puntos de menor elevación tienen mayores presiones, mientras los puntos más elevados tienen presiones más bajas. Recuerde, para cualquier punto en el oleoducto con líquido en reposo, H + EL = constante. A mayor elevación en el oleoducto, menor es la cabeza. La comprensión de la hidráulica de oleoductos puede ser uno de los recursos más útiles que usted puede poseer durante una potencial emergencia. Por ejemplo, fallas en la comunicación, o fallas en el transmisor de presión pueden ocasionar que las presiones aguas arriba o aguas abajo de una estación, no sean disponibles. Sin embargo, como el siguiente ejemplo lo demuestra, mediante la comprensión de la hidráulica de oleoductos se pueden obtener valores de presión por medio de ecuaciones: Gradiente total de cabeza estática = H + EL = una constante (cuando el fluido = 0) y P = Gw x GE x H Usted puede calcular datos que pueden ser críticos en la determinación de las consecuencias en una situación de emergencia. En lo más alto de una montaña la línea de presión puede ser reducida por debajo de la presión de vapor de un líquido, mientras que en una menor altura la Máxima Presión de Operación(MPO) puede ser excedida. La figura 12 muestra el perfil entre dos estaciones durante un cierre de oleoducto con una falla de comunicación (COMMOUT) en la estación aguas abajo. En la línea hay combustible diesel con una gravedad específica de 0.830.

18

HIDRAULICA - NIVEL 1

Gradiente de Cabeza de Presi n Estotica

Altura (m)

1791

1200

290 psi

1000 800 600

Distancia

Estaci n A

Estaci n B

Figura 12 Perfil de elevación de un Oleoducto en Reposo Considerando Fallas de Comunicación en la Estación B

La presión en la estación A es 290 psi. Con esta información y usando el gradiente estático del líquido y el perfil del oleoducto, puede determinar la presión máxima y mínima en esta sección del oleoducto, así como la presión en la estación B o cualquier otro punto entre estas. Para encontrar la altura relativa del gradiente estático sobre la estación A debemos primero convertir 290 psi a pies o cabeza. Use la fórmula: PA = GW × GE × HA por lo tanto HA =

PA GW × GE

Conociendo la presión, la gravedad específica, y el gradiente de presión estática para el agua pura, la altura de el gradiente estático sobre la estación A se determina: PA HA = GW × GE =

290 [psi] 0.4333 [psi/ft] x 0.830

= 806 ft and HA + ELA= constant 806 + 1000 = 1806 ft

19

PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

Se necesita una columna de 806 ft con una gravedad específica de 0.830 para producir una presión de 290 psi en la estación A. El gradiente de cabeza estática total de la línea puede ser ahora dibujado. Luego, determine el cambio en la elevación entre los puntos alto y bajo en relación con la estación A punto de elevación alto = = punto de elevación bajo = =

1000 ft - 1200 ft -200 ft (más alto que A) 1000 ft - 700 ft 300 ft (más bajo que A)

Recuerde, a mayor cabeza, mayor presión, eso es, la presión es mayor en la base de la montaña. Reciprocamente a mayor elevación, menor presión. Esto es, la presión es más baja en el tope de la montaña. Basados en la altura del gradiente, ahora se pueden calcular presiones máximas y mínimas. La cabeza en el punto alto es: HHP = HA+ ∆ELHP HHP = 806 - 200 HHP = 606 ft La cabeza en el punto bajo: HLP = HA+ ∆ELLP HLP = 806 + 300 HLP = 1106 ft Como el gradiente de presión define la presión en cualquier punto dado a lo largo de la línea. Para determinar la presión en el oleoducto puede ser usado el gradiente de cabeza total. Reste el gradiente de cabeza estática total de la elevación para establecer la cabeza en el punto. Convierta esta cabeza a presión usando la fórmula: P = GW × GE × H: PHP = 0.4333 psi/ft × 0.830 × 606 ft PHP = 218 psi PLP = 0.4333 psi/ft × 0.830 × 1106 ft PLP = 398 psi

20

HIDRAULICA - NIVEL 1

Mediante el establecimiento de el gradiente de presión de cabeza total para una sección de la línea con una bache, la presión en cualquier punto a lo largo de el oleoducto puede ser determinada mediante la diferencia entre el gradiente de cabeza total y la elevación en ese punto. Por ejemplo, para encontrar la cabeza en el punto alto, tome el gradiente de cabeza total, 1806 ft, y reste la elevación al punto alto usando la fórmula de conversión: P = GW × GE × H P = 0.4333 psi/ft × 0.830 × 606 ft P = 218 psi De modo semejante, este método puede ser usado para determinar la cabeza y la presión en un punto bajo. Nuevamente tome el gradiente de cabeza total, 1806 ft, y réstele la elevación de el punto inferior, 700 ft, resultando 1106 ft. Usted puede calcular ahora la presión en el punto inferior mediante el uso de la siguiente fórmula de conversión: P = GW × GE × H P = 0.4333 psi/ft × 0.830 × 1106 ft P = 398 psi Note que la cabeza y la presión son idénticas a los primeros cálculos. Usando este método mas corto, usted puede rapidamente encontrar la presión en cualquier punto de el oleoducto, dado el gradiente de cabeza total.

21

PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

REPASO 2

1. El término energía gravitacional se refiere a la ___________. a) energía potencial causada por un cambio de altura b) punto de presión más bajo en el oleoducto c) velócidad del líquido cuando la válvula está abierta d) suma de la presión de cabeza estática y el gradiente de cabeza estática 2. Para un líquido único cuando el flujo = 0, el gradiente de cabeza estática total ____________al mismo tiempo que nos movemos a través el oleoducto a) invariablemente se incrementa b) invariablemente disminuye c) permanece constante d) fluctúa 3. Hay un punto 12.5 millas al oriente de la estación A donde la altura es de 2395 pies. En la estación B la altura es alrededor de 2100 pies. Bajo condiciones estáticas, si la presión de la estación B es 1000 psi, y la gravedad específica del diesel es 0.735, entonces la presión de la cabeza estática en el punto 12.5 millas al oriente de la estación A es _____________. a) 668 psi b) 762 psi c) 906 psi d) 1046 psi

Las respuestas están al final del módulo.

22

HIDRAULICA - NIVEL 1

SECCIÓN 1 - DEFINICIONES • Densidad, viscosidad y caudal son las tres variables que más afectan el producto de un oleoducto •

La presión de cabeza estática sobre cualquier punto de referencia en un recipiente, no depende del tamaño ni de la forma del mismo. Esta depende de la densidad del líquido y de su altura sobre un punto de referencia.

•

La cabeza estática se refiere a la altura del líquido sobre un punto de referencia.

•

La fórmula para calcular presión de cabeza estática es P = 0.4333 x GE x H

RESUMEN

SECCIÓN 2 - CABEZA ESTÁTICA DE PRESIÓN EN EL OLEODUCTO • La energía gravitacional se refiere a la energía potencial que es causada por cambios en la altura. A mayor altura, mayor velocidad con que el líquido fluye pendiente abajo. •

El gradiente de cabeza estática total es la suma de la cabeza estática y de la altura en cualquier punto dado de el oleoducto.

•

Los puntos menos elevados tienen la mayor altura de cabeza estática mientras que los puntos más elevados tienen la altura de cabeza estática más baja.

23

PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

GLOSARIO

cabeza estática la altura de una columna de líquido que genera presión estática sobre un punto de referencia. (p.8) energía gravitacional energía potencial, causada por cambios en la altura. (p.16) gradiente de cabeza estática la suma de la cabeza estática y la elevación en cualquier punto dado de el oleoducto. (p.16) gradiente estático Indica por medio de su altura sobre la tuberia la presión en cualquier punto de la misma hidráulica el conjunto de leyes que gobiernan el comportamiento de los líquidos en estado de reposo y de movimiento. (p.4) hidráulica estática las propiedades de los líquidos en reposo. (p.4) hidráulica de tubería el conjunto de leyes que gobiernan el movimiento de los líquidos y su aplicación práctica en los sistemas de tubería. (p.4) perfil de elevación del oleoducto elevación de el oleoducto sobre el nivel del mar. (p.16) potencial o energía de cabeza en el oleoducto, la presión es energía que puede ser convertida en velocidad o flujo. Esta presión se crea a través de los cambios producidos en la elevación o por las unidades de bombeo que son equivalentes a cambios positivos en la elevación. (p.15) presión (P) la cantidad de fuerza (F) ejercida en una unidad de área (A) o superficie. (p.4) presión absoluta la cantidad de presión ejercida sobre un objeto; la suma de la presión manométrica y la presión atmosférica. (p.5) presión atmosférica también llamada presión barométrica, es igual a 14,7 psi sobre el nivel del mar y 60 °F (15 °C). (p.5)

24

HIDRAULICA - NIVEL 1

presión de cabeza estática cantidad de presión ejercida por una columna de líquido sobre una unidad de área. (p.9) presión de línea total presión gravitacional más presión de bombeo presión estática presión cuando la línea está cerrada presión manométrica presión medida sobre la presión atmosférica, expresada como psig. (p.5) velocidad rapidez en una dirección dada.

25

PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

RESPUESTAS

REPASO 1

REPASO 2

1. c

1. a

2. b

2. c

3. a

3. c

4. d 5. d 6. b 7. a 8. a

26