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Captulo 1

Elementos de Diseo de Lneas de Transporte

1.1 Introduccin

Este captulo presenta un visin global de los elementos que sistemticamente influyen en el diseo de lneas de transporte durante su construccin, operacin y mantenimiento.

La vida moderna del mundo actual con elevados ndices de consumo de energa hace que las lneas de transporte de hidrocarburos tengan un efecto directo en la vida diaria del ser humano. Este efecto es cada ves ms significativo en lugares donde el consumo de energa es muy elevado. Segn la Agencia Internacional de Energa, actualmente, el petrleo y el gas natural representan el 56% de la toda la energa primaria consumida en el mundo (10 029 Mtoe). Considerando que la mayor parte de estos productos se transportan por tuberas es posible entender la importancia de las lneas de transporte.

Para satisfacer la demanda mundial de petrleo, derivados de petrleo y gas natural en los distintos usos (generacin de energa elctrica, combustible en los automotores, combustible de aviacin, combustible de uso domestico, comercial e industrial, industria de refinacin y petroqumica, etc) se instalan redes de distribucin sofisticadas por tubera que permiten transportar desde los campos productores y refineras.

En la actualidad se tiene cientos de miles de kilmetros de lneas de transporte de hidrocarburos con dimetros variando entre 2 in y 60 in, con casi 500 000 millas en Estados Unidos y 100 000 millas en nuestro pas, considerando los oleoductos, poliductos y gasoductos.

Los sistemas de transporte por tubera son destacables por su eficiencia y bajo costo de transporte, como ilustra Kennedy (1993) mediante la Figura 1.1.

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Figura 1.1 Costos de Transporte de Petrleo

Otro aspecto importante de los sistemas de transporte por tubera es la tecnologa disponible, la misma que hace posible instalar lneas de transporte de gran longitud, en condiciones atmosfricas distintas, subterraneas y submarinas sin dao al medio ambiente y con alto grado de seguridad.

Las lneas de transporte por tubera son eficientes en energa, segn Kennedy un lnea troncal de crudo consume alrededor de 0,4% de la energa contenida en el crudo transportado por cada 1000 km. Los poliductos utilizan alrededor de 0,5% de la energa contenida de los productos transportados por cada 1000 km. Estos valores pueden compararse con estimativas de los trenes de carbn de 0,8%, del transporte de crudo por via frrea de 1%, para gas natural por tuberas de 2,5% y de 3,2% para transporte de crudo por cisterna.

Los estudios indican que las lneas de transporte de crudo consumen alrededor de 250 BTU/ton-milla; las lneas de recoleccin de crudo alrededor de 490 BTU/ton-milla; y las lneas de productos de petrleo consumen 300 BTU/ton-milla. La cantidad de energa utilizada depende del dimetro de la tubera y el caudal de flujo, entre otros factores. El consumo de energa en lneas de transporte de crudo oscilan entre 550 BTU/ton-milla para 6 pulgadas de dimetro y de 180 BTU/ton-milla para 40 pulgadas.

0 10

20

30 40 50 60 70 80

Cisterna

Ferrocarril

Barcaza

Tuberas

Tanques

c$/1000 Barril Milla

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La relacin entre el tamao de tubera y la economa es aparente por que la relacin entre el tamao y la capacidad puede ser ms importante. Un ducto de 36 de dimetro puede cargar 17 veces mas petrleo o gas que un ducto de 12 de dimetro, pero los costos de construccin y operacin no se incrementan en la misma proporcin.

1.2 Factores que Influyen en el Diseo de Lneas

Muchos factores influyen en el diseo de lneas de transporte de larga distancia, incluyendo la naturaleza del fluido y el volumen, la longitud de tubera, tipo de terreno a ser atravesado y las restricciones del medio ambiente. Para obtener ptimos resultados en los sistemas de transmisin por tubera, son necesarios estudios complejos de ingeniera y econmicos para decidir cual ser el dimetro de tubera, el tipo de material, requerimientos de potencia de compresin o bombeo y la ruta que seguir el trazado de la linea. Los factores ms importantes que influyen en el diseo de un sistema son:

- Propiedades de los fluidos - Condiciones de diseo - Capacidades de aprovisionamiento y demanda, y localizacin de ambos. - Cdigos y estndares - Ruta, topografa y acceso - Impacto medioambiental - Econmicos - Impacto hidrolgico - Impacto ssmico y volcnico - Material - Construccin - Operacin - Proteccin - Integridad a largo plazo

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1.2.1 Propiedades de los fluidos

Las propiedades de los fluidos a ser transportados tienen un impacto significativo en el diseo de sistemas de transporte por ductos. Estas propiedades son dadas por las condiciones de diseo del sistema o deben ser determinadas por el ingeniero de diseo. Las siguientes propiedades tendrn que ser calculadas para un gas a una determinada presin y temperatura:

- Volumen especfico - Factor de compresibilidad o desvo - Calor especfico - Coeficiente de Joule-Thompson - Exponente o coeficiente isoentrpico - Entalpia - Entropa - Viscosidad Para lquidos: - Viscosidad - Densidad - Calor especfico

1.2.2 Medio Ambiente

El medio ambiente afecta en ductos areos y enterrados. Para ductos enterrados la siguientes propiedades tendrn que ser determinados durante el diseo del sistema:

- Temperatura del suelo - Conductividad del suelo - Densidad del suelo - Calor especfico del suelo - Profundidad de entierro de ducto

En los ductos areos, en la mayora de los casos, solamente la temperatura y velocidad del aire externo tienen un impacto significativo en el diseo.

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En el caso de ductos areos y enterrados la estabilidad del suelo tiene influencia en el diseo del sistema de soporte del ducto.

Figura 1.2 Entierro de ductos que definen el efecto del medio ambiente en el ducto

1.2.3 Escenario de Aprovisionamiento, Demanda y Seleccin de Ruta

Los puntos de aprovisionamiento y despacho, as como la demanda, afectan el diseo de todo el sistema de transporte por que determinan la ruta y la localizacin de las instalaciones de impulsin, control y medicin. La previsin de la demanda determina un ptimo dimensionamiento de la tubera, tamao de equipos y definir tiempos en el proyecto. Luego de identificar los puntos de aprovisionamiento y de despacho se establece una ruta preliminar en base a las siguientes premisas:

- Identificacin de los puntos de aprovisionamiento y de despacho en mapas a escala. - Identificacin de los puntos de control sobre el mapa. - Esquematizar la ruta ms corta considerando reas de mayor preocupacin ( picos

elevados, tipo de terreno, lagos, etc) - Dibujar la ruta seleccionada sobre fotografas areas y anlisis de la ruta

seleccionada utilizando un esterescopio. - Refinar el trazado de la ruta para acomodarlo en mejor terreno, de ms fcil acceso,

etc.

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Esta ruta preliminar es a menudo examinada mediante un reconocimiento areo para asegurarse de los lugares por donde atravesar el trazado. La definicin del trazado de la ruta influenciar en el diseo y construccin por que afecta directamente en el tamao del tubo (longitud y dimetro), as como en el compresor o bomba y su localizacin. La Figura 1.3 ilustra el sistema de oleoductos que opera la empresa Tranredes S.A. en Bolivia. El estudio hidrulico, aspectos operacionales, y el requerimiento de estudios especiales en reas por donde pasa el trazado por terreno inestable, con alto grado de humedad y suelo corrosivo son generalmente establecidos en esta etapa.

Figura 1.3 Trazado del sistema de oleoductos operado por Transredes S.A. en Bolivia

1.2.4 Cdigos y Estndares

Las lineas de transporte por tubera y todas los equipos auxiliares para su operacin, construccin y mantenimiento exponen a los operadores y a la poblacin en general al riesgo inherente de transmisin de fluido a alta presin. Como resultado, los cdigos nacionales e internacionales y estndares han sido desarrollados para limitar el riesgo al mnimo posible. Estas normas son simplemente guas para diseo y construccin de

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sistemas de tuberas. Ellas no deben entenderse como substitutas a la buena prctica de ingeniera para diseos seguros.

Las organizaciones ms importantes que norman y establecen los cdigos ms importantes en el diseo de lneas de transporte por tubera son los siguientes:

Tabla 1.1. Lista de las Organizaciones ms Importantes que Norman el Diseo de Lneas

SIGLA ORGANIZACIN AGA American Gas Association ACI American Concrete Institute ANSI American National Standard Institute API American Petroleum Institute ASME American Petroleum Institute ASTM American Society of Testing Materials CSA Canadian Standard Association DEP Design Engineering Practice IEEE Institute of Electronic and Electrical Engineers IP Institute of Petroleum ISA Instrument Society of America ISO International Standards Organization MSS Manufacturers Standardization Society NACE National Association of Corrosion Engineers NAG Normas Argentinas de Gas NEMA National Electrical Manufacturing Association

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Las normas ms utilizadas se resumen en la tabla siguiente

Adicionalmente deben ser consideradas las reglamentaciones y regulaciones que establece un gobierno o estado definiendo requerimientos mnimos en el diseo de sistemas de transporte por ductos.

En Bolivia se debe tomar en cuenta:

NORMA TITULO Ley de Hidrocarburos Ley 3058 Reglamentacin de Transporte y Almacenamiento de Hidrocarburos

DS-24689 Reglamento de normas tcnicas y de seguridad para la actividad de exploracin y explotacin de hidrocarburos

DS-28291 Reglamento de diseo, construccin, operacin de redes de gas natural e instalaciones internas

ASME B31.4 SISTEMAS DE TRANSPORTE DE LIQUIDOS. ASME B31.8 SISTEMA DE TRANSPORTE DE GAS. ASME B31.1 TUBERIAS DE VAPOR Y SISTEMAS DE POTENCIA ASME B31.3 TUBERIAS DE REFINERIAS Y PLANTAS QUIMICAS ASME B31.5 TUBERIAS DE REFRIGERACION ASME B31.9 TUBERIAS DE SERVICIO DE EDIFICIOS ASMEB 31.11 TRANSPORTE DE BARROS ANSI CODIGO PARA GAS COMBUSTIBLE. API 5L CODIGO PARA TUBERIAS DE LINEA. ASTM CODIGO PARA TUBERIAS DE PLANTA y OTROS. AWS, NORMAS DE SOLDADURA NFPA NORMAS DE PROTECCION CONTRA FUEGO. AWS D1.1 ESTRUCTURAS METALICAS API 1104 SOLDADURA Y ENSAYOS API 650 y ASME IX TANQUES DE ALMACENAMIENTO ANSI 31.1, B31.3 y ASME IX TUBULACIONES ASME VIII Div. 1 y Div. 2 y ASME IX VASOS BAJO PRESION

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1.2.5 Consideraciones Medioambientales e Hidrolgicas

La evaluacin medioambiental de la ruta que seguir la lnea es un componente integral de su diseo y construccin. Inicialmente, los recursos en el rea inmediata del trazado son identificados y se hace un levantamiento de los posibles impactos ambientales.

La evaluacin del suelo y la vegetacin definir el uso del suelo cercano a la lnea de trazado y prever problemas con poblaciones aledaas u otras compaas. En esto es importante el tiempo de construccin de la lnea y la poca para tener planes de contingencia y mitigacin. Las tcnicas de construccin que pueden ser utilizadas en verano no siempre son las ms efectivas para invierno. Durante la construccin de la tubera, inspecciones medioambientales son ejecutadas para cumplir con el diseo medioambiental, procedimientos de proteccin y el marco regulatorio. Los problemas identificados durante el diseo y la fase de construccin del proyecto son revisados internamente y podran promover una investigacin medioambiental, los resultados de esto pueden modificar los futuros criterios de diseo.

En la seleccin del trazado que define el derecho de va (Righ of way, ROW) ms conveniente econmicamente y que cumple regulaciones medioambientales se toma en cuenta los siguientes aspectos:

1. Cumplimiento o Cumplimiento de la legislacin o Cumplimiento de las normas medioambientales o Coordinacin medioambiental, auditoria y entrenamiento o Recomendaciones de volcanlogos, geotcnicos y consultores de ssmica.

2. Normas de proteccin medioambiental 3. Normas para proteccin de erosin del suelo o Procesos de erosin y tipos o Evaluacin de riesgo de erosin o Proteccin de erosin 4. Normas para proteccin de la calidad del agua o Calidad del agua base

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o Seleccin de sitio o Anlisis del agua, ndices de calidad o Medidas de impacto y mitigacin

5. Normas para proteccin arqueolgica o Recursos histricos o Estudios arqueolgicos o Regulaciones

6. Recursos de proteccin medioambiental y mtodos o Preparacin del ROW e instalacin de la tubera o Ancho de ROW durante la construccin o Categorizacin o Movimiento de tierras o Cubierta temporal o Sedimentos o Canales o reas volcnicas o Mtodo de control de erosin fsica permanente o Revegetacin o Gaviones o Sistemas de drenaje o Control de erosin agronmica

Figura 1.4 Entierro de ducto en zona acuifera

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Los efectos hidrolgicos sobre una tubera se presenta mediante fuerzas de contorno debido a la migracin y profundidad en el agua que atraviesa la tubera. El diseo debe considerar el potencial de dao a la tubera evaluando la profundidad de la tubera, control del entorno, la instalacin de la tubera y la metodologa de construccin en reas con problemas hidrolgicos.

1.2.6 Econmico

El anlisis econmico del transporte de fluidos por tubera afecta casi todos los diseos y parmetros de construccin. Para cualquier proyecto, el objetivo del anlisis econmico es determinar cual de las alternativas de diseo y construccin ofrece las mejores ventajas econmicas. El anlisis econmico es realizado para determinar la ptima seleccin de la tubera (dimetro, espesor y material) y los requerimientos de compresores y/o bombas. El anlisis econmico tambin es necesario para definir las tarifas que deben ser cargadas a la transmisin del fluido para alcanzar un desempeo econmico de la inversin que representar el sistema de transporte.

La proyeccin econmica de un proyecto de transporte por tubera es usualmente establecido antes de cualquier proceso de optimizacin. Un criterio que es frecuentemente utilizado para la aceptacin o rechazo del proyecto es la tasa interna de retorno esperada de la inversin de capital. Una vez que la proyeccin es aprobada se escoge las dimensiones ptimas de la lnea y los requerimientos de compresin/bombeo. La proyeccin econmica debe ser realizada considerando toda la inversin necesaria y asociado con los costos de operacin del sistema de transporte propuesto. Los costos ms importantes para un proyecto deben ser cuidadosamente considerados, cubriendo todas las fases (planeamiento, proyecto, construccin, operacin y mantenimiento durante su vida til) A continuacin se mencionan algunos costos que se consideran en la evaluacin econmica:

1.2.6.1 Costos Directos

Los costos directos cubren los gastos directamente realizados para el diseo, construccin, y operacin del sistema, incluyendo lo siguiente:

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- Tubera - Compresores o bombas - Estaciones de medicin - Vlvulas y conexiones - Proteccin de la tubera (cubierta termocontraible y proteccin catdica) - Facilidades de limpieza y pigs - Facilidades de reduccin de presin - Unidades de generacin de potencia - Costos de construccin - Costos de ingeniera - Costos de inspeccin - Costos de ancillary facilities - Costos legales, de suelo y ROW - Sistemas de deteccin de fugas - Costos de logstica - Costos de operacin y mantenimiento (asociados a tasas impuestos locales,

combustible, energa, material y costos laborales) - Otros costos (llenado de tubera, capital de trabajo requerido para operar la tubera,

etc)

1.2.6.2 Costos indirectos

Los costos indirectos afectan el financiamiento del proyecto e incluyen costos asociados con la adquisicin de fondos necesarios para cubrir la compra del material y la construccin. Los costos indirectos tambin cubren el inters del dinero prestado para financiar el proyecto.

1.2.6.3 Anlisis econmico

El anlisis econmico del proyecto justifica el transporte del petrleo o gas por tubera frente a otras alternativas como el transporte terrestre o por lnea frrea. Cuando la viabilidad econmica de un proyecto de transporte por tubera es establecido, el anlisis es usualmente reevaluado utilizando la ptima configuracin tcnica y la

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informacin de costos ms refinados. Los siguientes costos adicionales necesitan ser considerados:

- Equidad de inversin como parte de toda la inversin - Intereses sobre el capital prestado - Duracin del capital prestado - Tasa de depreciacin de los equipos - Depreciacin para propsitos de impuestos - Tasa de variacin de costos de operacin y mantenimiento - Tasa requerida de retorno de la inversin (TIR) - Tasa de variacin de la tarifa - Tiempo de vida esperada de la tubera hasta el abandono

Despus de la evaluacin de todos los parmetros, el factor por el cual la viabilidad econmica del proyecto es medida es mediante la tasa interna de retorno. A mayor TIR el proyecto se hace ms atractivo desde el punto de vista de inversin.

El clculo del TIR est basado en el clculo de flujos de caja para cada ao calendario utilizando mtodos computacionales por ser un proceso iterativo.

1.2.7 Materiales de Construccin

Para sistemas de transporte de larga distancia, el costo ms significativo en trminos de capital de inversin es el costo de la tubera y la instalacin. La presin de resistencia del material, el grado, localizacin de la instalacin y la tcnica afectan el costo y diseo. El grado del material afecta el espesor y determina la seleccin de un lmite sobre la tcnica de instalacin y soldadura. Para una dada presin de diseo y dimetro de tubera, el espesor de pared disminuye a mayor grado del material. Sin embargo, aceros de mayor grado son usualmente acompaados por costos mayores y mas restricciones de instalacin y construccin, lo que se traduce en incremento de los costos. La localizacin de la tubera o del medio ambiente que les rodea determina el material permisible, condiciones de trabajo, equipos, incluyendo requerimientos de materiales de construccin. En Anexo 1 se presenta las especificaciones de tubera segn API5L.

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1.2.8 Operacin

Las condiciones bajo las cuales el ducto operar son establecidos en el diseo. Las condiciones de diseo deberan considerar la condicin ms exigente a la que la tubera podra operar y se debe proveer de equipos que prevengan fallas, incluyendo la ruptura de la lnea. Un ejemplo puede ser el cierre repentino de una vlvula en lneas de lquidos donde vlvulas son instaladas aguas arriba y abajo. Este fenmeno puede producir un aumento en la presin por encima de la presin de diseo, si no se tiene facilidades de mitigacin de este defecto la tubera podra presentar ruptura, resultando en consecuencias medioambientales y de mantenimiento.

1.2.9 Proteccin de la Tubera

Proteccin Externa

Ductos enterrados son sujetos a corrosin externa causado por la accin y composicin del suelo que lo rodea. Durante el estado de diseo son evaluados los tipos disponibles de capas epxicas termocontraibles y sistemas de proteccin catdica para proteger la tubera de corrosin externa. La capa de proteccin externa es usualmente un material plstico que se aplica a una determinada temperatura y su comportamiento termocontraible facilita su adherencia a la tubera. Esta capa acta como barrera a la corrosin y para resistir durante el transporte, manoseo y entierro del ducto. En algunos casos esta capa protectora es combinada con aislantes, concreto, etc.

Figura 1.5 Aplicacin de capa termocontraible

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Proteccin Interna Los fluidos contienen componentes corrosivos como el agua salada, el cido sulfdrico y el dixido de carbono que pueden provocar corrosin interna. Muchos de los problemas de corrosin interna son corregidos en la fase de diseo. Un diseo apropiado y seleccin de material apropiado para el fluido a ser transportado son importantes para prever corrosin interna. En un ducto que transporta gas cido puede presentarse los siguientes tipos de corrosin:

- Corrosin inducida de Hidrgeno - Crackeo inducido de Hidrgeno - Crackeo inducido por H2S - Corrosin por picadura - Corrosin general - Corrosin por erosin

1.2.10 Monitoreo de la Integridad del Ducto

Una vez que los ductos estn instalados en el lugar y sometidos a efectos del medio ambiente , daos externos, daos de la capa protectora, movimiento de suelos e inestabilidad, el trabajo de monitoreo de la integridad del ducto es el de prevenir problemas de integridad estructural del ducto identificando y estableciendo las actividades ms efectivas de inspeccin, monitoreo y reparacin. Esto considerando que tiene un efecto significativo en la seguridad del pblico, el medioambiente y las operaciones comerciales asociadas al funcionamiento normal del ducto. Existen varios mtodos y tcnicas disponibles para evaluar integridad de la tubera una vez de que este est en el lugar. Estos estn resumidos a seguir:

- Inspeccin visual - Inspeccin de la altura de entierro - Ensayos externos no destructivos (Non Destructive Tests, NDT) Radiografa Ensayo de partculas magnticas

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Inspeccin por lquidos penetrantes

Inspeccin por ultrasonido - Monitoreo de proteccin catdica - Inspeccin de dao en la capa protectora y desadherencia - Ensayo hidrosttico - Herramientas de inspeccin geomtrica en lnea - Herramientas de inspeccin ultrasnica en lnea

Figura 1.6 Verificacin de integridad del ducto por ultrasonido

La evaluacin de riesgo es una herramienta de gestin de integridad del ducto y su propsito es el de identificar y cuantificar el riesgo asociado con la tubera en operacin, de forma que acciones preventivas puedan ser tomadas oportunamente. Un vez de que el mtodo de evaluacin de integridad establece un requerimiento para reparar la tubera, hay varios mtodos que son comnmente utilizados en la industria para restaurar la integridad del ducto:

- Reparacin local de la capa protectora - Rehabilitacin de la capa protectora - Reparacin de conexiones - Reparacin mediante cortes de seccin