Emisarios submarinos. Tuberías estructuradas de PEAD de gran diámetro soldadas por Electro-Fusión.

César Lorido

Ingeniero Técnico Industrial

Director Comercial – PPA&KRAH

ppakrah@ppakrah.com

Introducción. Desde la fundación de PPA&KRAH, a principios del 2.005, la tubería KRAH en España ha observado un desarrollo muy importante para la aplicación específica de emisarios submarinos, no solo en cuanto al número de obras ejecutadas sino en la evolución técnica de la oferta y en el alcance de suministro que PPA&KRAH puede llevar a cabo en los proyectos de emisarios submarinos.

Cada proyecto de emisario submarino debe ser tratado independientemente puesto que existen variables específicas de localización, diseño y ejecución de la obra que repercuten directamente en la elección de las tuberías óptimas para afrontar el proyecto concreto con garantías. Dichas variables son, entre otras, la profundidad de hundimiento, altura de ola representativa, peso de lastrado, cargas de aplastamiento, metodología de hundimiento o presión de servicio en régimen permanente.

PPA&KRAH cuenta con el asesoramiento técnico de Increa, S.L., cuyo máximo responsable es el señor Eloy Pita Olalla, que aporta una gran experiencia en el cálculo y diseño de emisarios submarinos de gran diámetro en numerosos proyectos nacionales e internacionales.

La fiabilidad técnica de los proyectos ejecutados con la tubería KRAH queda garantizada puesto que con cada nuevo proyecto son generados sendos cálculos e informes de validación de las tuberías propuestas, teniendo siempre en cuenta las características específicas de cada obra concreta.

Adicionalmente, los cálculos por elementos finitos llevados a cabo para distintas tipologías de tuberías estructuradas permitieron conocer más en profundidad el comportamiento frente a estados últimos de colapso de distintos perfiles y configuraciones de paredes sólidas y secciones aligeradas.

PPA&KRAH es capaz no solo de suministrar las tuberías adecuadas para un proyecto en concreto sino que permite afrontar todos los trabajos inherentes a la realización de un emisario submarino, desde la definición técnica de las tuberías y accesorios, pasando por la soldadura de tuberías e instalación de lastres de hundimiento, hasta el fondeo de las tuberías en su ubicación definitiva.

La solución de tuberías KRAH permite considerar una serie de ventajas técnicas importantes como son las siguientes:

- Ausencia de corrosión y ahorro de la protección catódica del emisario puesto que desaparecen por completo los elementos metálicos en la ejecución del emisario.

- Ahorro de la tornillería tradicional de amarre de lastres de hundimiento.

- Posibilidad de generar tuberías de color amarillo interior, que facilita la inspección de las tuberías.

- Posibilidad de proyectar tuberías en PEAD hasta de 4 m de diámetro interior.

Proceso de fabricación de la tubería KRAH.

Proceso de extrusión:

El polietileno de alta densidad (PEAD) funde en elextrusor principal (1) y en el coextrusor de polietilenoamarillo (2). Normalmente, el PE que llega al extrusorprincipal es de color negro para dotar a la tubería de laresistencia UV requerida mientras que el PE que funde elcoextrusor (2) es de color amarillo con objeto de facilitarla inspección de la tubería.

El flujo de material del extrusor principal se divide en dossentidos, un sentido por cada doble cabezal. La relaciónentre ambos cabezales es regulada por el computadorcentral.

En el primer cabezal (3), el material negro proveniente delextrusor principal se unirá con el material amarilloproveniente del coextrusor y el resultado será una bandasólida de dos colores que conformará el interior liso deltubo.

En el segundo cabezal (4) el caudal de PE recubre a unatubería corrugada de pequeño diámetro de Polipropilenoque deberá conformar la sección helicoidal aligerada de latubería. La razón por la cual se utiliza un molde perdido dePolipropileno es debido a que el punto de Fusión del PP essuperior al del PE por lo que el PE fundido puede recubrirel tubo corrugado de PP sin riesgo de colapso.

Estas dos bandas ya conformadas se unirán en el moldedurante su movimiento de rotación para finalmenteconformar la tubería.

La unidad de extrusión se mueve con una velocidadespecificada (V1) a lo largo de la herramienta rotacional deproducción (V2).

1 – Extrusor principal.

2 – Co-Extrusor PE amarillo.

3 – Cabezal sección sólida.

4 – Cabezal sección aligerada (corruga).

V1 – Movimiento de traslación del extrusor.

V2 – Movimiento de rotación del molde.

Las posibilidades de combinaciones entre paredes sólidas ysecciones aligeradas son ilimitadas, obteniéndose en cadacaso las tuberías precisas para cada proyecto en particular.

Cálculos de la tubería de PEAD durante su fondeo

Construcción por flotación y fondeo

El cálculo de los esfuerzos puede realizarse como si se tratara de una doble catenaria, cuando el calado es grande y la rigidez, pequeña. En caso contrario, es necesario calcular con precisión la deformada que adquiere el tubo en cada fase del fondeo.

Para emplear este método es necesario que el tubo sea de gran flexibilidad, como es nuestro caso (PEAD estructurado).

Descripción cualitativa de los esfuerzos en las distintas fases

Se expondrán los momentos flectores que se generan en el tubo durante su hundimiento, teniendo sólo en cuenta el peso de la tubería, los empujes hidrostáticos y la reacción vertical en el fondeo. El cortante podrá obtenerse por derivación de la ley de momentos flectores.

Proceso de fondeo

El proceso de “Fondeo por inundación progresiva” pasa por las fases que se muestran en el plano, las cuales dan lugar a unos momentos flectores que pueden tomar valores excesivos generados por las cargas verticales de flotación y del peso propio del tubo.

Las fases son las siguientes:

Fases de fondeo de la tubería (Cortesía de Increa, S.L.).

Fase 1) Tubo flotando en la superficie: el tubo está vacío y permanece recto, sin ningún esfuerzo, sobre la superficie marina, salvo los debidos a los empujes horizontales.

Fase 2) Se introduce agua en el interior del tubo, por lo que su extremo comienza a hundirse. El tubo se comporta como una ménsula en la que su extremo está cargado hacia abajo y el resto cargado hacia arriba. El instante desfavorable sucede justo antes de tocar el fondo.

Fase 3) Cuando la cantidad de agua en el interior del tubo es suficiente, el extremo del mismo toca el fondo, inclinándose a medida que la longitud inundada aumenta. Gracias a la reacción vertical, los momentos flectores se reducen, respecto del instante anterior al contacto.

Fase 4) Llega un momento en que el tubo apoya longitudinalmente sobre el fondo. Según va incrementándose la longitud inundada, aumenta la longitud apoyada en el fondo, con lo que la “S” que se forma entre éste y la superficie del mar va desplazándose. La forma de esta “S” y la altura hasta la que llega el agua del tubo se mantienen constantes, sufriendo solamente un desplazamiento horizontal. Lo mismo sucede con las cargas y la ley de momentos flectores.

Es este momento el instante en el que se procede a unir el tramo nuevo al existente en el fondo.

Fase 5) Tubo por debajo de la superficie del mar: según va ingresando agua en el tubo, la longitud vista en la superficie disminuye hasta que el tubo abandona la misma. Dado que hay una parte todavía llena de aire, el tubo presenta una longitud por encima del fondo marino. Si el tubo fuese muy rígido, el extremo podría incluso asomar por encima de la superficie.

El tubo se comporta como una ménsula con su parte extrema cargada hacia arriba y la parte cercana al fondo cargada hacia abajo.

Fase 6) Tubo sobre el fondo: cuando no queda aire dentro del tubo, éste descansa completamente apoyado sobre el fondo, con lo que no aparecen esfuerzos, salvo los debidos a posibles curvaturas del fondo.

Esquema de los momentos flectores en la tubería para las diferentes fases (Cortesía de Increa S.L.).

En la imagen previa se ve la forma que toman los momentos flectores en la tubería a lo largo de su instalación. La fase más desfavorable desde el punto de vista de los momentos, y por consiguiente de las tensiones, es la que forma la S (fase 4), que deberá ser analizada con precisión.

La abolladura

El fenómeno de la posible abolladura sucede cuando la presión exterior al tubo es mayor que la interior. Debido a los fenómenos de segundo orden, la resistencia del tubo a la presión exterior es mucho menor que la resistencia a la interior. Por ello, debemos controlar en todo momento la presión existente en el interior del tubo.

La gran flexibilidad de los tubos de PEAD, que favorece la ejecución del fondeo, tiene sin embargo un efecto negativo sobre la abolladura. Además, dado que el módulo de elasticidad del PEAD se reduce con el paso del tiempo, cualquier parada durante el proceso de fondeo agrava la situación del tubo.

Se debe suponer que, a la vez que se produce la sobrepresión exterior, también actúan unos esfuerzos longitudinales concomitantes (Momento Flector y Axil).

Cálculo por Elementos Finitos.

Conjuntamente con la realización de los cálculos tradicionales expuestos arriba, fueron también llevados a cabo diversos estudios por Elementos Finitos, realizados por la UNIVERSIDAD POLITÉCNICA de Madrid y tutelados por el ingeniero Eloy Pita Olalla.

El objetivo fundamental de dichos cálculos fue el de modelizar al detalle y comprobar el comportamiento estructural de diferentes tipologías de tuberías estructuradas.

Malla de Elementos finitos – Aspecto general exterior.

Malla de Elementos finitos del refuerzo helicoidal.

El modelo resultante poseía aproximadamente 15.000 nodos,11.000 elementos y un total de 100.000 grados de libertad.

El material empleado para la simulación fue polietileno (PEAD) de módulo de elasticidad E = 800 N/mm2 y coeficiente de Poisson = 0.38 con tensión de plastificación f = 14, 5 N/mm2. El criterio de plastificación escogido fue el de von Mises. Se realizó un estudio de la respuesta completa del tubo, incluyendo efectos no lineales: geométricos (efectos de segundo orden) y constitutivos (comportamiento elasto-plástico del PEAD), hasta alcanzar el fallo estructural.

Tensiones de von Mises en el conjunto.

Zonas plastificadas en el interior del tubo.

Zonas plastificadas en el exterior del tubo.

La unión Electro-Soldada, patente de KRAH, A.G., fue también modelizada y probada, tanto por el método de elementos finitos como mediante ensayo de “pelado” llevado a cabo en laboratorio homologado Becetel en Bélgica, demostrando que al ser sometida la unión a esfuerzos máximos de colapso, la probeta ensayada rompe siempre a nivel de tubería y nunca en la región de la unión soldada, que demuestra ser más resistente que la propia tubería.

Ejemplo de Instalación.Emisarios de PEAD de gran diámetro.

Los tubos de 6 m de longitud son transportados desde la fábrica de Vitoria hasta el lugar de fabricación de tramos de hundimiento, donde previamente debe construirse una o dos rampas de lanzamiento para la realización de los trabajos en tierra.

Una vez soldada la unión y previamente a la colocación del lastre cada 6 m, se procede al ensayo de estanqueidad de cada una de las uniones Electro-Soldadas.

Los lastres son calculados y diseñados en una sola pieza para proceder a su colocación y fijación a la tubería mediante colada de hormigón de segunda fase, lo cual imposibilita el deslizamiento del lastre durante la operación de fondeo y evita la utilización de la tornillería tradicional de amarre de lastres. De esta forma desaparece la necesidad de protección catódica para el emisario.

El lanzamiento al mar de las tuberías previamente soldadas se realiza cada mañana, una vez el hormigón de segunda fase de anclaje de los lastres prefabricados posee la suficiente consistencia para que soporte el lanzamiento sobre el mar.

Cada vez que se finaliza un tramo de tubería, se transporta dicho tramo a la zona de acopio, donde esperará ser transportado y hundido en su ubicación definitiva.

Una vez situado el tramo en la zona de hundimiento se procede a la colocación de globos de fondeo, que evitan la aplicación de tiro a los tramos del emisario durante su hundimiento, aumentan en gran medida la garantía de resistencia estructural de las tuberías y facilitan en gran medida el embridado en el fondo del mar de distintos tramos debido a que el radio de curvatura que se origina durante el fondeo es, gracias a la utilización de dichos globos, mucho mayor que sin su colaboración.

Con los globos colocados y el tramo posicionado y alineado se procede a la apertura de las válvulas de entrada de agua por un extremo del tramo y de salida de aire por el extremo contrario de forma que se provoca la “S” característica de fondeo de tuberías de PEAD.

La tubería se fondea hasta una cota aproximada de –4 m de profundidad y queda suspendida a dicha profundidad, llena de agua y soportada por los globos de hundimiento.

En esta posición se pueden recuperar la bridas ciegas provisionales de hundimiento.

Finalmente se deshinchan los globos siguiendo un orden previamente calculado para fondear el tramo hasta su profundidad definitiva de hundimiento con total garantía de éxito.

Los tramos se aproximaban entre si aprovechando también el efecto beneficioso de los globos de hundimiento y se procede al embridado del tramo por medios neumáticos.

Una vez conseguida la conexión entre los dos tramos se procede a vaciado controlado del resto de globos de hundimiento.

La colocación de lastres en U de segunda fase puede finalmente imposibilitar el movimiento del emisario y evitar al mismo tiempo la realización de una zanja marina por lo que la afección a la flora marina existente en la zona resulta mínima.

Ventajas técnicas.

Entre las ventajas técnicas que PPA&KRAH puede aportar a los proyectos de emisarios submarinos cabe destacar las siguientes:

1 – Posibilidad de fabricación del interior de la tubería en PEAD de color amarillo, lo cual facilita la inspección de las tuberías en servicio.

2 – Fijación del lastre de hormigón sin la necesidad de la tornillería tradicional mediante la introducción de hormigón de segunda fase de anclaje del lastre con la tubería.

3 – Realización de bridas locas y cabezas difusoras en PRFV.

4 – Suministro de tornillería para la realización del embridado de tramos en material epoxy, con la misma resistencia mecánica que los tornillos de acero a los que sustituye.

5 – Rapidez y flexibilidad en la ejecución de los tramos de hundimiento, gracias a la soldadura por Electro-Fusión de las tuberías y a la colocación del lastre de hundimiento en tierra una vez la unión ha sido realizada y probada.

6 – Posibilidad de fabricación de tuberías de gran diámetro de rigidez circunferencial superior a SDR21 para satisfacer solicitaciones de succión permanente y aplastamiento importante, como ocurre en muchos casos de llegada a cántaras de captación en plantas desaladoras.

7 – Soldadura por Electro-Fusión de los injertos contra la pared del emisario, lo cual aporta una mayor fiabilidad durante el fondeo del tramo difusor y de los tramos con bocas de hombre asociadas.

8 – Posibilidad de realización de cualquier pieza especial en PEAD hasta de 4 metros de diámetro como torres de toma o piezas de interconexión de distintas tuberías.