Criterios de Diseño del Gasoducto

Criterios de Diseño del Gasoducto General El gasoducto será diseñado conforme a la Norma Oficial Mexicana NOM-007-SECRE-1999 y de acuerdo con la versión más reciente de ASME B31.8, norma industrial norteamericana para “Sistemas de Ductos para Transporte y Distribución de Gas.” Para fines de diseño final, 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. Una 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 diablos 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 diablos en ubicaciones estratégicas dentro del sistema de Transporte.

Planteamientos Iniciales de Diseño El sistema de transporte se diseño de acuerdo a los parámetros y a su dualidad, es decir, el sistema de transporte se diseño para dos escenarios: (i) para un flujo máximo de 33.98 MMm 3/día (1.2 BCF) y una presión Máxima de Diseño de 9,997.40 kPa (1,450.00 Psig) y (ii) para un flujo máximo de 33.98 MMm 3/día (1.20 BCF) y una presión Máxima de Operación de 8,480.55 kPa (1,230 Psig). Para los ductos que se bifurcan (i) Progreso y (ii) Argüelles, después de la Estación denomina “Campo Brasil”, fueron diseñados para conducir flujo en ambos sentidos. Es decir, son bi-direccionales. Para los primeros años, el gas natural (la molécula), se suministrará mediante una Terminal de Regasificación de gas natural licuado, la cual se ubicará mar adentro de las costas mexicanas y en estos momentos se está definiendo la ingeniería de detalle de dicha Terminal. Asimismo, se espera contar con un sistema de Almacenamiento Subterráneo de gas natural para una capacidad máxima de almacenamiento de 1,415 MMm3 (50 BCF). Dicho sistema se ubicará en las cercanías del sitio denominado “Campo Brasil”, en el municipio de Río Bravo, en el estado de Tamaulipas. Presión de Diseño El gasoducto será diseñado para una presión máxima de diseño de 9,997.40 kPa (1,450.00 Psig). Requerimientos Mínimos de Presión de Operación Con un flujo de 33.98 MMm 3/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). Temperaturas de Diseño Máxima y Mínima. Las temperaturas del gas en la estación de recepción del contrato serán de entre 10oC y 38oC. Factor F de Diseño Para cumplir con ASME B31.8 cada sección del gasoducto será categorizada por ubicación, clase y tipo de construcción de gasoducto. La ubicación exacta, clase y tipo de construcción de gasoducto para cada sección específica se determinarán durante la fase de diseño detallado del proyecto. La base para evaluar la clasificación de ubicación está relacionada con el número de edificios dentro de un corredor de 400 m de ancho, medido desde la línea central del derecho de vía del gasoducto. Se seleccionó la ruta para evitar cercanía a aldeas o poblaciones. Las clasificaciones locales también están sujetas a modificación en función del tipo de construcción de ducto o instalación, por ejemplo, estaciones o los cruces (de camino o carreteras). El Factor de Diseño se determino a partir de las tabulaciones que se encuentran en la 841.114 de ASME B31.8. (Ver la Cláusula 842.2 para los factores de diseño para cruces con ríos y cuerpos de agua en general). De igual forma, conforme al inciso 7.11 de la Norma Oficial Mexicana NOM-007-SECRE-1999 “Transporte de Gas Natural”. La metodología del cálculo de espesores para el ducto fue de acuerdo con los lineamientos marcados en la NOM–007-SECRE-1999 “Transporte de gas Natural” y el Código ASME B31.8 “Gas Transmission and Distribution Piping Systems”. Para la determinación del factor de diseño se consideró al ducto en su recorrido total dentro de una localización Clase 1. Siendo los factores de diseño como se menciona a continuación:

Ducto en Clase de Localización tipo 1

F.D. = 0.72

Cruces con Caminos

F.D. = 0.60

Cruces con Autopistas

F.D. = 0.60

Ensambles Fabricados (Válvulas de

F.D. = 0.50

Seccionamiento, Trampas de Diablos, etc.) Estaciones de compresión

F.D. = 0.50

Tubería en Área de compresores

F.D. = 0.40

La especificación del material del tubo corresponde a API 5L Gr. X70. Diámetro del Ducto El dimensionamiento del ducto será determinado por un análisis hidráulico a fondo del sistema, como se muestra en este Anexo AA “Diseño Hidráulico”. Los parámetros principales por ser tomados en consideración serán: presión de operación máxima del sistema (presión de entrega y/o disponibilidad de compresión), composición del gas, temperaturas de líquido y ambiente, demandas hidráulicas máximas (por ejemplo, consumo de gas combustible en el compresor y otras demandas de gas), gas de empaque (si se requiere, en función de la disponibilidad del sistema), longitud del gasoducto, rugosidad de la pared interna del ducto, diferencias de elevaciones, presiones de entrega mínimas sobre el sistema (bien sea gas combustible para los compresores o por otros requerimientos de entrega del cliente) y espesor de pared de ducto. Espesor de Pared de Ducto El espesor nominal de pared del ducto para las secciones de ducto será determinado de acuerdo con los requerimientos de ASME B31.8, Cláusula 841.1. Por lo tanto, el espesor nominal de pared para una presión determinada en unidades SI será determinado según la fórmula siguiente:

P

2 St FET D

t

P D 2 S  F  E T

Cálculo del Espesor de Pared para 914.40 mm de Diámetro (36 pulgadas). Para ducto submarino. (Clase de Localización 2) En donde: T

Espesor de pared Nominal de la Tubería para línea regular clase 2 [0.621 pulgadas Calculado] Comercial Seleccionados 0.625 pulgadas para línea regular.

P

Presión de diseño en kPa [1,450 lb/pulg2 Párrafo 841.111 ASME B31.8-1995 Edición]

D

Diámetro exterior de la tubería cm. [36 pulgadas calculado mediante Stoner Sinergee]

F

Factor de diseño basado en la densidad de población [0.60 para Clase 2 Table 841.114A]

S

Resistencia mínima a la cedencia en kPa [70,000 lb/pulg2 Párrafo 817.13(h) y 841.112]

T

Factor de corrección por temperatura [T = 1 Table 841.116A]

E

Factor de junta longitudinal [E = 1 Table 841.115A Párrafo 817.13(d)]

Cálculo del Espesor de Pared para 914.40 mm de Diámetro (36 pulgadas). Para ducto en tierra. (Clase de Localización 1) En donde: T

Espesor de pared Nominal de la Tubería para línea regular clase 1 y línea para cruces especiales clase 2 [0.517 pulgadas y 0.621 Calculado] Comercial Seleccionados 0.562 pulgadas para línea regular y 0.625 pulgadas para cruces.

P


D


F

Factor de diseño basado en la densidad de población [0.72 para Clase 1y 0.60 para Clase 2 Table 841.114A]

S


T


E

Factor de junta longitudinal [E = 1 Table 841.115A Párrafo 817.13(d)]

Cálculo del Espesor de Pared para 762 mm de Diámetro (30 pulgadas). Para ducto en tierra Clase de Localización 1. En donde: T

Espesor de pared Nominal de la Tubería para línea regular clase 1 y línea para cruces especiales clase 2 [0.357 pulgadas y 0.428 Calculado] Comercial Seleccionados 0.375 pulgadas para línea regular y 0.438 pulgadas para cruces.

P


D


F

Factor de diseño basado en la densidad de población [0.72 para Clase 1 y 0.60 para Clase 2 Table 841.114A]

S


T


E

Factor de junta longitudinal [E = 1 Table 841.115A Párrafo 817.13 (d)]

Resumen En la siguiente tabla, se muestra los principales parámetros utilizados para determinar el dimensionamiento del sistema de transporte de 914.40 mm (36 pulgadas). Unidades en SI. D = Diámetro Nominal (mm) P = Presión de diseño (kPa) F = Factor de Diseño t = Espesor de pared (mm) S = Resistencia a la Cedencia (kPa) T = Corrección Temperatura

914.40 9,997.40 0.72

0.60

14.27

15.87 482,632.99 1.00

E = Junta Longitudinal

1.00

En la siguiente tabla, se muestra los principales parámetros utilizados para determinar el dimensionamiento del sistema de transporte de 762.00 mm (30 pulgadas). Unidades en SI. D = Diámetro Nominal (mm) P = Presión de diseño (kPa) F = Factor de Diseño t = Espesor de pared (mm) S = Resistencia a la Cedencia (kPa)

762.00 8,273.71 0.72

0.60

9.52

11.12 482,632.99

T = Corrección Temperatura

1.00

E = Junta Longitudinal

1.00

Parámetros utilizados para el modelo hidráulico: Unidades

Métricas (S.I.)

Gasoducto Submarino:

64.30 Km., 914.40 mm diámetro, espesor 15.87 mm

Gasoducto en Tierra


Gasoducto en Tierra


Especificación:

API 5L - X70

Ecuación de Flujo Utilizada:

Fundamental

Eficiencia:

92.00%

Valor Calorífico del Gas

35.42 MJ/m3

Factor de Rugosidad en la Pared

15.24 Micrómetros

Temperatura del Gas en la Toma de Entrada de la Estación de Recepción

38oC (máximo)

Presión del Gas en la Toma de Entrada de la Estación de Recepción.

8,273.71

Coeficiente de Transferencia de Calor

2.27 W/m2°C

Temperatura del Suelo

23oC

Presión de Diseño

9,997.40 kPa

Pérdida de Presión por la estación de medición y la estación de filtros

145 kPa

Elevación SNM

30-95 MSNM

Gravedad Específica del Gas

0.60

Se utilizó la fórmula de la AGA con el coeficiente de fricción Colebrook White en el cálculo de la caída o pérdida de presión. La fórmula de la AGA se muestra a continuación, en su expresión general:

TB Q  Eff  K  Pb



2 .5

D

PU2  PD2 f  Z avg  Sg  Tavg  L

Donde: Q

=

Flujo volumétrico

TB

=

Temperatura base

PB

=

Presión base

PU

=

Presión corriente arriba

PD

=

Presión corriente abajo

f

=

Coeficiente de fricción Colebrook White

Zavg

=

Compresibilidad media

Sg

=

Peso específico

Tavg

=

Temperatura media

L

=

Longitud de la línea

D

=

Diámetro interior

Eff

=

Eficiencia de la línea

K

=

Constante de conversión de las unidades

Resultados: Simulación en Estado Estable de la Capacidad Total del Sistema de Transporte, Tomando en Cuenta la Presión de Diseño FROM

TO

NODE

NODE

D

ARGUE

c_brasil

FLOW

VEL.

DROP

DROP/L

LOSS

MMCFD

FT/S

PSI

PSI/MILE

PSI2/MI

LINEPACK MMSCF

-477

16

-51.88

2.09

3988

46.795

A

-1144

21.3

-186

3.66

8756.3

183.156

A

Mesquite

-1144

18

-135.92

3.4

8750.1

164.505

ARGUE

EST_19

-477

15

-23.58

2

3967

23.224

c_brasil

EST_19

667

20.4

138.03

3.64

7582.8

81.793

c_brasil

Progreso

477

13

29.06

1.73

3894

38.343

Progreso

final

477

13.2

17.57

1.77

3906.2

22.1

EST_19

E-19

190

5.8

0.01

0.33

662.7

0.035

NODE

PRESSURE

A

FLOW (MMCFD)

1314.24

0

ARGUE

966.81

0

D

914.93

-477

E-19

990.38

-190

EST_19

990.39

0

Mesquite

1450

1144

Progreso

1099.28

0

c_brasil

1128.34

0

final

1081.71

-477

Simulación en Estado Estable de la Capacidad Total del Sistema de Transporte, Tomando en Cuenta la Presión de Operación (1,230 Psig) FROM

TO

FLOW

VEL.

DROP

DROP/L

LOSS

LINEPACK

NODE

NODE

MMCFD

FT/S

PSI

PSI/MILE

PSI2/MI

MMSCF

D

ARGUE

-477

32.5

-98.08

3.95

4237.9

c_brasil

24.816

A

-1144

30.4

-245.34

4.83

9086.3

137.409

A

Mesquite

-1144

22.8

-163.4

4.09

9004.6

133.216

ARGUE

EST_19

-477

26.6

-40.84

3.46

4195.4

13.415

c_brasil

EST_19

667

34.6

209.15

5.51

7957.8

53.375

c_brasil

Progreso

477

19.1

42.04

2.5

4069

26.508

Progreso

final

477

19.8

26.03

2.62

4089.3

14.921

EST_19

E-19

190

9.9

0.01

0.56

699.3

0.02

NODE A

PRESSURE 1066.76

FLOW (MMCFD) 0

ARGUE

571.61

0

D

473.53

-477

E-19

612.44

-190

EST_19

612.45

0

Mesquite

1230

1144

Progreso

779.48

0

c_brasil

821.52

0

final

753.45

-477

Diámetro del Ducto El dimensionamiento del ducto se determinó por un análisis hidráulico del sistema Total. Los parámetros principales tomados en consideración fueron: presión de operación máxima del sistema (presión de entrega), composición del gas, temperaturas de líquido y ambiente, demandas hidráulicas máximas, gas de empaque (si se requiere, en función de la disponibilidad del sistema), longitud del gasoducto, rugosidad de la pared interna del ducto, diferencias de elevaciones, presiones de entrega mínimas sobre el sistema (requerimientos de entrega del cliente) y espesor de pared de ducto. Diseño Estructural El diseño estructural inicial del gasoducto está basado ASME B31.8 y la fórmula de esfuerzo tangencial, incluyendo los factores de diseño que representan la ubicación y tipo de instalación o construcción de ducto. Sin embargo, el diseño estructural final tanto del gasoducto como de las instalaciones relacionadas incluirá una verificación de los niveles de esfuerzo bajo escenarios y/o condiciones de carga especiales a lo largo de la ruta del gasoducto, por ejemplo, expansión térmica y flexibilidad, cruces del ducto (caminos, ferrocarriles, ríos, canales y pantanos), estaciones y los efectos de cargas funcionales y ambientales especiales que se prevean durante la vida operativa del sistema de gasoducto. Las condiciones ambientales especiales que se deberán tomar en cuenta para este proyecto incluirán eventos sísmicos. Expansión Térmica y Flexibilidad De ser aplicable, como una función de las temperaturas ambiente y de servicio, la fuerza estructural del gasoducto debida a expansión/contracción térmica y flexibilidad del ducto será confirmada según las Cláusulas 832 y 833 de ASME B31.8. Carga Ambiental Especial Las condiciones especiales de carga que se han identificado, y donde puedan surgir niveles extraordinarios de carga para el gasoducto, están limitados a eventos sísmicos. Con el fin de estimar los efectos sísmicos a lo largo de la ruta propuesta del gasoducto, se recopilará información histórica en cuanto a su ubicación, intensidad y frecuencia. Con el fin de comprender la interacción suelo-estructura, es de primordial importancia cuantificar los efectos de los fenómenos sísmicos. El ducto será subterráneo a lo largo de toda la ruta, excepto en los puntos de recepción y entrega, en las válvulas de Seccionamiento y en las trampas de envío recepción de diablos. La cubierta mínima permisible del ducto será 1.0 m, según ASME B31.8. Al diseñar el gasoducto, se tomará en cuenta la carga inducida por el suelo debida a licuación del suelo o falla de la pendiente del suelo debida á movimientos sísmicos. Donde sea aplicable, los análisis sísmicos tomarán por base los criterios del “Reglamento de Construcción del Distrito Federal” y del “Manual de Diseño Sísmico” publicado por la CFE en 1993. Cruces del Gasoducto El comportamiento estructural típico de los ductos enterrados debido a cargas en cruces de caminos y ferrocarriles está contemplado en la fórmula de esfuerzo tangencial y los factores de diseño en la Cláusula 841 de ASME B31.8. Estos incluirán cruces de río por el ducto desarrollados por métodos de perforación direccional horizontal. Donde sea aplicable, se incorporarán en la verificación de diseño las condiciones de carga por fuerzas ambientales especiales, según la Cláusula 833 de ASME B31.8. Para estabilidad de diseño estructural y lateral, los cruces de pantanos y ríos donde el ducto esté en contacto con el agua se diseñarán según ASME B31.8, Capítulo VIII, “Transporte de Gas Fuera de Tierra Firme. En la siguiente tabla, se presentan los cruces a lo largo del trayecto del sistema de transporte:

Tabla de Cruces para el trayecto de Campo Brasil-Progreso Item

Tipo de Cruce

Autoridad

1

Río Bravo

Comisión Internacional de Límites y Aguas (CILA)

2

Canal Culebrón

Comisión Nacional del Agua (CNA)

3

Autopista Río Bravo-Matamoros

Centro SCT Tamaulipas

4

Dren de Aguas Negras


5

Brecha 30

Municipio Río Bravo, Tamps

6

Vía F Monterrey-Matamoros

Depto. de Transportación Ferroviaria (SCT)

7

Carr. Playa Gral. Lauro Villar Tijuana 2

Centro SCT de Tamaulipas

8

Canal Palito Blanco

Comisión Nacional Del Agua (CNA)

9

Brecha 22

Módulo III-3, Dto. de Riego 025

10

Brecha 21


11

Canal y Brecha 20


12

Brecha 124


13

Canal y Brecha 18


14

Canal y Brecha 17


15

Canal y Brecha 16


16

Brecha 128


17

Canal y Brecha 14


Item

Tipo de Cruce

Autoridad

1

Brecha 128


2

Dren


3

Dren


4

Brecha 124


5

Dren


6

Dren


7

Brecha 120


8

Dren


9

Brecha 116


10

Dren


11

Brecha 114


12

Dren Los Ángeles


13

Dren


14

Brecha 110


15

Dren


16

Dren


17

Dren y Brecha 106


18

Canal


19

Canal Guillermo Rode


20

Carretera Federal 97


21

Brecha Jacalitos

Dirección de Obras Públicas, Mpio. Reynosa

22

Brecha Pascualito


23

Brecha del Becerro


24

Carretera Federal 40


25

Brecha


26

Brecha del Berrendo


27

Canal Rode


28

Canal Principal

Asociación de Usuarios El Barrote Módulo II-3

29

Canal Secundario

Asociación de Usuarios La Retama Módulo II-4

Canal Secundario

Asociación de Usuarios La Retama Módulo II-4

30

Tabla de Cruces para el trayecto de Estación Playa-Campo Brasil Item

Tipo de Cruce

Autoridad

1

Cruce Carr. A Puerto Mezquital

Dirección de Obras Públicas, Mpio. Matamoros

2

Cruce Carr. Matamoros-San Fernando


3

Cruce Arroyo El Diablo


4

Cruce De Canal Las Blancas


5

Cruce Carr. Sendero Nacional


6

Cruce Carr. Empalme-Valle Hermoso


7

Cruce Canal Anzalduas (P.Blanco)


8

Cruce Canal San José


9

Tramo Campo Brasil-Puerto El Mezquital


Especificaciones de Material y Equipo

El material para este proyecto cumplirá con las siguientes especificaciones: Secciones de ducto: API 5L, con los siguientes requerimientos: 

El fabricante deberá tener acreditación según ISO 9002.



El proceso de manufactura de ducto deberá ser ERW y/o SAW soldado bien sea longitudinalmente o en espiral.



El acero deberá ser de grado X-70.



El ducto será laminado bajo control y podrá ser enfriado aceleradamente.



Composición: Carbono

0.18% máx.

Vanadio

0.10% máx.

Azufre

0.015% máx.

Suma de Nb, V, Ti, Cu, Mo y Cr

0.5% máx.

C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu + ni)/15

0.39% máx.



La resistencia elástica medida arriba del mínimo especificado no deberá sobrepasar 150 MPa.



Propiedades de impacto especificadas: Las especificadas, probadas por la prueba DWTT a temperaturas apropiadas.



Los valores de prueba de dureza (HAZ) no deberán pasar de 260 HV10.



Se examinará la lámina para ducto en cuanto a laminaciones, de acuerdo con SEL 072.



Las soldaduras longitudinales de ducto será probadas ultrasónica mente a todo lo largo del gasoducto.



Ductería de Estación

API 5L o ASTM A53



Válvulas de Línea Principal

API 6D



Bridas y Herrajes

ASME B16.5 y B16.9

Protección Anticorrosiva Recubrimiento Externo La protección anticorrosiva se efectuará 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 serán protegidos usando FBE aplicado en el campo o mangas contraídas por calor de polietileno. Cualquier daño o imperfección en el recubrimiento será

detectado y reparado en campo antes de la instalación, empleando material compatible con el sistema de recubrimiento original. Se 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 instalará 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. Protección Catódica El recubrimiento protector externo será suplementado por un sistema de protección catódica diseñado de acuerdo con la Norma NACE RP-0169-92. Las características principales del sistema incluirán: 

Protección catódica interna que consistirá de ánodos sacrificables instalados durante la construcción del gasoducto en áreas con cierta resistividad de suelo inferior y en cruces con otros ductos.



Instalación de estaciones de cable de prueba a intervalos de aproximadamente 1.5 Km. y en cruces con otros ductos.



Un sistema de corriente aplicada impulsado por rectificadores situados según se requiera.



Aislamiento de ducto de línea para aislar el gasoducto principal del sistema de ductos de TGPL y de las instalaciones de plantas generadoras conectadas con las estaciones de medición.



El diseño detallado también estudiará los efectos de líneas de transmisión de alto voltaje en paralelo, y se implantará un programa mitigador tal como los delineados en las normas NACE RP 0177-83 y CAN/CSA C22.3 No. 6-M91.

Criterios de Diseño del Gasoducto

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