Universidad de Oriente Núcleo de Monagas Escuela de Ingeniería de Petróleo Cursos Especiales de Grado Control y Transporte del Gas Natural
Etapas para el diseño y construcción de un gasoducto
Profesor: Ing. Rubén Vega
Realizado por: Endelberth Vera C.I.: 18.174.515
Maturín, Noviembre de 2010
Introducción Siendo Venezuela uno de los países con una de las mayores reservas de gas probadas se convierte en foco central para el desarrollo de proyectos ambiciosos de manejo y transporte de gas natural. Por lo general el gas natural se transporta a grandes distancias a través de los gasoductos, que indica que este gas está conformado fundamentalmente por metano, el cual ha sido comprimido en las plantas compresoras, hasta convertirlo en Gas Natural Comprimido (GNC). Los usos y utilidad de este gas transportado son diversos, ya que se puede utilizar para la gasificación de las ciudades, ser utilizado como combustible, tanto doméstico, como industrial, también puede ser utilizado como gas natural vehicular, incluso puede ser utilizado como materia prima para los procesos petroquímicos. La instalación de gasoductos requiere gran cantidad de estudios previos, en los cuales se tiene en cuenta todo lo que puede acortar o beneficiar el proceso de transporte. Por caso, la construcción de un gasoducto que puede tener que cruzar montañas, ríos o desiertos, constituye una gran tarea de ingeniería, que por lo general es realizada conjuntamente por varias empresas que contribuyen a la enorme inversión de capital necesaria.
Etapas para el diseño de un gasoducto: 1. Definición de objetivos: los objetivos se formulan dependiendo de las
necesidades que se quieran cubrir y de la disponibilidad técnica-económica para cubrir esas necesidades, las necesidades son por ejemplo, la distancia a la cual se quiere transportar el gas, los caudales de gas a transporta y la disponibilidad “técnica-económica” esta limitada por las poblaciones, parques nacionales, características topográficas del terreno por el cual ira el gasoducto y la rentabilidad del proyecto. 2. Caracterización del gas a trasportar: de acuerdo a la composición
cromatográfica que tenga el gas, habrá que disponer de de diversos componentes para adecuar el gas para su posterior traslado por gasoducto. Para adecuar el gas a ser transportado hay que tener en cuenta los factores que intervienen en el transporte del gas, como lo son: • Presión: Este parámetro hace posible la distribución del gas y su recolección
por las tuberías, también se ha demostrado que a ciertas condiciones la presión puede afectar la viscosidad del flujo de manera tal, que la viscosidad ponga resistencia al movimiento del fluido en las tuberías. Esto, ocurre, ya que al aumentar la presión las moléculas del fluido estarán más unidas, y por ende el gas opone mayor resistencia a transmitirse a través de las tuberías. Se recomienda controlar muy bien la presión para minimizar los problemas en las instalaciones como en los estallidos, los cuales ocurren cuando el espesor de la tubería no soporta la presión suministrada. Lo que indica , que se deben conocer los límites de la presión máxima de trabajo, ya que el espesor de las tuberías a usar, además de la clase de aceros, forma de manufacturación de las tuberías, máxima temperatura de operación y el medio ambiente que rodea al sistema de transporte son funciones de la máxima presión de operación.
• Temperatura. La temperatura es de gran importancia, puesto que se sabe
que afecta directamente la viscosidad del gas. Los fluidos gaseosos, tienen un comportamiento distinto ante la temperatura, que los fluidos líquidos., tal como, cuando aumenta la temperatura, la viscosidad del gas, también aumenta Es, por ello que se debe de mantener una temperatura adecuada, de tal forma que el gas pueda fluir libremente a través de las tuberías. El valor de la temperatura no debe de ser muy alto, porque mayor será la resistencia del gas a fluir. Tampoco la temperatura puede ser muy baja, ya que puede estar por debajo de la temperatura de rocío y se formen hidratos. La baja temperatura, puede también ser la causante de hacer reaccionar la película que rodea la tubería y producir corrosión. La verdad es que no se debe sobrepasar el valor de temperatura a la cual fue diseñado el gasoducto, desde luego que hay que tener cuidado con el manejo de este parámetro, sobre todo cuando se trabaja con gas, en vista que cuando se trabaja con gas, un incremento o disminución de la temperatura, pueden cuasar problemas con la energía cinética, y por ende con todos los movimientos moleculares, que puede afectar el proceso de transporte de gas natural. • Contenido de Hidrocarburos. Si el gas producido y que se quiere transportar
viene acompañado con petróleo, debe de ser separado del petróleo. El gas separado tiene que ser tratado y además comprimido a la presión requerida, para poder ser transportado a través de tuberías. El transporte, debe de ser tal que no se formen partículas o cuerpos que puedan causar taponamiento en las tuberías. • Deposición de Asfáltenos: Los asfáltenos son hidrocarburos constituyentes
del petróleo, de elevado peso molecular entre 1000 y 5000 unidades de masa atómica (UMA), su estructura es amorfa, y tienen propiedades coloidales, por lo que están cargados en forma electrostática. El proceso de deposición de asfaltenos ocurre cuando se transporta el fluido por las tuberías gas asociado con petróleo, aunque pareciera difícil porque antes de transportar el gas, este
es sometido por procesos de separación y depuración que lo hacen considerar relativamente limpio, pero este evento se ha presenciado, posiblemente por deficiencia de los equipos de separación y quizás por la formación de espumas en el separador, ya que todos los crudos al ser desgasificados forman espumas, lo cual conlleva a arrastres en las corrientes de gas; ocasionando disminución en la capacidad del sistema, aumento en la frecuencia de limpieza en los gasoductos, atascamientos de las herramientas de limpieza, entre otros. • Formación de Hidratos. Estos son compuestos sólidos que se forman como
cristales tomando apariencia de nieve. Los hidratos se producen por la reacción entre el agua condensada del gas natural y los hidrocarburos más volátiles, que se encuentran en el gas natural. La composición de los hidratos es aproximadamente 90% de agua y 10% de hidrocarburos. La gravedad específica de estos componentes es bastante parecida a la del agua, ya que su valor es de 0,98. La teoría indica que una molécula de Metano puede utilizar en la formación de hidratos hasta 28 moléculas de agua. Los hidratos representan un grave problema operacional para los gasoductos, y también para las redes y tuberías que transportan gas, ya que después que se han formado no existen métodos, que permitan eliminarlos, ni tampoco existen compuestos químicos que los eliminen, luego para evitar graves problemas operacionales en las plantas de gas, se debe de evitar la formación de hidratos, y para ello se debe de deshidratar el gas natural, ya que una vez que se hayan formados la única opción viable es realizar una parada de planta, de tal forma de poder eliminar la presencia de hidratos. En la figura 6 se presenta un ejemplo de formación de hidratos. • Compresibilidad del Gas. Este proceso tiene su importancia, cuando las
distancias a las que será transportado el gas, sean muy largas. Cuando esto ocurre, se presenta la alternativa de comprimir el gas a presiones suficientemente elevadas, de tal forma que el gas llegue a los distintos puntos de entrega en la ruta del gasoducto. El proceso de compresión se realiza por
etapas, por lo general se utilizan tres (3) etapas. Esto es así para cumplir con los requerimientos de presión necesarios para el transporte del gas natural por tuberías, con una alta eficiencia. • Calidad del Gas Natural La GPSA define la calidad del gas natural, para ser
transportado a través de redes y tuberías de gas. El gas tiene que tener, menos de cuatro partes por millón de Sulfuro de Hidrógeno, sobre la base del volumen
( < 4 ppm ,VH 2 S ) .
Esto en el Sistema Británico de Unidades
4lbmoldeH 2 S . La norma indica también que el gas corresponde a una 6 1x10 lbmoldemez cla tiene que tener menos de tres por ciento molar de Dióxido de Carbono (3%), y cumplir con la norma de tener entre seis y siete libras de agua por cada millón
de pies cúbicos normales de gas 6a7
lbdeagua . MMPCN
3. Caracterización topográfica. En esta actividad, se deberá tener un
conocimiento pleno de la sensibilidad del área al trazar el derecho de tendido de tubería y determinar la forma de salvar las pendientes pronunciadas sin perder la calidad del suelo, que permita la revegetación de la zona, evitando futuras erosiones. También se debe eludir las zonas de inestabilidad geológica o con afloramiento rocosos importantes, entre otros. Es necesario el levantamiento topográfico del terreno por el cual se desea hacer el gasoducto, solo de esta manera se puede saber de forma precisa cual será la longitud del gasoducto y cuales serán los retos a asumir en cuanto a montañas y canales fluviales. Sin este estudio es mas que imposible presupuestar el costo de la elaboración de un gasoducto o determinar las limitantes sociales y técnicas del mismo. 4. Determinación de “La clase de localidad”. La clase de localidad es un
área geográfica a lo largo de un gasoducto clasificado de acuerdo al número y
proximidad de los edificios construidos para la ocupación humana y otras características que se consideran cuando se prescribe los factores de diseño para la construcción, presiones de operación, y métodos de probar las línea de ductos y las tuberías principales ubicadas en la zona y aplicando ciertos requerimientos de operación y mantenimiento. Clase de Localización 1. Corresponde con la tubería que en su área unitaria se tienen 10 o menos construcciones destinadas a ocupación humana. Clase de Localización 2. Corresponde a aquella tubería que en su área unitaria se tienen más de 10 pero menos de 46 construcciones destinadas a ocupación humana. Los gasoductos que cumplan con las Clases 1 o 2, pero que dentro de su área unitaria se encuentren al menos un sitio de reunión o concentración pública de más de 20 personas, tales como iglesias, escuelas, salas de espectáculos, cuarteles, hospitales o áreas de recreación, se deben considerar dentro de los requerimientos de la Clase de Localización 3. Clase de Localización 3. Es la tubería que cumple con una de las siguientes condiciones: a) Cuando en su área unitaria se tenga más de 46 construcciones destinadas a ocupación humana. b) Cuando exista una o más construcciones a menos de 90 metros del eje de la tubería y se encuentre(n) ocupada(s) por 20 o más personas por lo menos 5 días a la semana durante 10 semanas al año. c) Cuando exista un área al aire libre bien definida a menos de 100 metros del eje del gasoducto y ésta sea ocupada por 20 o más personas durante su uso normal, tal como un campo deportivo, un parque de juegos, un teatro al aire libre u otro lugar público de reunión. d) Cuando se tenga la existencia de áreas destinadas a fraccionamientos o casas comerciales, en donde se pretende instalar una tubería a menos de 100 metros, aún cuando al momento de su construcción, solamente existan edificaciones en la décima parte de los lotes adyacentes al trazo.
e) Cuando el gasoducto se localice en sitios donde a 100 metros o menos haya un tránsito intenso u otras instalaciones subterráneas (gasoductos de agua, eléctricos, drenajes, entre otros.), en el entendido de que se considera tránsito intenso un camino o carretera pavimentada con un flujo de 200 o más vehículos en una hora pico de aforo. Clase de Localización 4. Corresponde a la tubería que en su área unitaria se encuentran edificios de 4 o más niveles contados desde el nivel de suelo, donde el tráfico sea pesado o denso; o bien, donde existan numerosas instalaciones subterráneas. Cuando exista un grupo de casas o edificaciones cercanas a la frontera que divide dos Clases, las áreas unitarias se deben ajustar considerando el nivel de seguridad más crítico (Clases) extendiéndose 200 metros desde el último edificio del grupo más próximo a la siguiente área unitaria de menor nivel de seguridad, siguiendo el eje de la tubería, y que cumpla con los requerimientos del correspondiente nivel de seguridad. Para gasoductos cuya longitud sea menor que 1600 metros (1 milla), la clasificación será asignada de acuerdo a la que corresponda a un gasoducto de 1600 metros (1 milla) de longitud que atraviesa la misma área. 5. Diseño de la tubería. Esta es la etapa critica de un proyecto de creación de
un gasoducto, pues se debe velar que el gasoducto sea adecuados para la seguridad pública bajo todas las condiciones que se encuentran en la industria del gas sin descuidar la funcionalidad y rentabilidad del proyecto. Para el diseño de una tubería se considera: • La presión de diseño para cada una de las clases de localizaron. • Cálculos para el control de Fractura y Detención. • Cálculos para control de Fractura Frágil • Cálculos para la detención de Fracturas Dúctiles • Cálculos para la elaboración de detenedores Mecánicos de Grietas
• Determinación de requerimientos adicionales para el espesor nominal de
pared para: los factores de diseño “F” y las Clase de Localidades, Conjuntas Fabricadas, Líneas de Ductos o Líneas Principales sobre Puentes, Protección de Ductos y Líneas Principales de los Peligros. • Determinación de requerimientos de Cobertura, Holgura y Encamisado para
Ductos de Acero y Líneas Principales Enterradas: • Considerar holgura entre ductos o líneas principales y otras estructuras
subterráneas • Requerimientos de Encamisado Bajo Ferrovías, Carreteras, Caminos o Calles.
Etapas de la Fase de Construcción de y Gasoducto. a.- Despeje: El proceso de despeje de la servidumbre de tendido de tubería depende del tipo de suelo, de la topografía, del uso del terreno, tipo de vegetación, máquinas a utilizar, etc. Esta tarea es la primera agresión real al medio y una de las que causa mayor perturbación de la superficie. La tarea comprende, entre otros pasos los siguientes: 1.-Remoción de la capa vegetal, lo que puede producir problemas de erosión de la superficie, especialmente en pendientes pronunciadas. En aquellos casos en que no sea necesario el retiro de la capa vegetal se deberá trabajar sobre ella ya que mejora la futura revegetación. 2.-Cambios topográficos que pueden variar los escurrimientos superficiales del terreno. 3.-Talado de árboles. Este es un aspecto importante al atravesar una zona boscosa, ya que se deberá tener un respeto especial por los ejemplares de gran tamaño o aquellos cuya especie se encuentre en peligro de extinción. Este recurso deberá manejarse con criterio conservacionista y comercial a la vez, por lo que se
deberá efectuar cortes en largos normalizados y obtener un aprovechamiento económico de los mismos, así como disponer correctamente los despuntes, que pueden ser aprovechados como colchón sobre pendientes con falta de vegetación. La aplicación de técnicas inadecuadas, puede generar daños mayores a los necesarios y no permitir el aprovechamiento económico de la madera, de la zona afectada. b.- Transporte y tendido de tubería: Las mayorías de las veces la tuberías es transportada en camiones de alto tonelaje. El acopio de la tubería se realiza en las empresas proveedoras, para posteriormente ser trasladada a las fuentes de trabajo utilizando las diferentes vías de acceso disponible al área del proyecto. Una vez llegada a la zona serán descargadas las tuberías por medio de grúas, la descarga se efectuará tubo a tubo sobre soportes de madera para así evitar cualquier daño al tubo, de esta manera los tubos serán acomodados linealmente paralelos a la zanja con el fin de facilitar su instalación. c.- Doblado, alineación y soldadura: La tubería será colocada siguiendo el perfil de terreno aproximadamente; para ello se requerirá el doblado previo a la instalación, el doblado se realiza en frió, teniendo cuidado que el tubo no se deformen o se formen arrugas en el doblez, debiendo conservar las dimensiones de sección después de ser doblado, evitando cortes o sobrantes de tubería innecesarios. En cuanto a la alineación se realizará en frío, fijando la tubería temporalmente con grapas internas o externas. Seguidamente se procederá a soldar los tubos, iniciando con algunos puntos de fijación, luego un pase de fondeo y uno caliente, para seguir con los pases de relleno y de presentación. Terminando cada unión se procederá a la revisión de la calidad, por simple inspección y con pruebas de soldaduras, por tanto se realizará control radiográfico hasta el 100% de las uniones soldadas, y en caso necesario reemplazar o reparar las uniones que se encuentren defectuosas, dicho procedimiento se efectuará a lo estipulado en el código ASME y el estándar API – 1104.
d.- Apertura de la Zanja: Esta labor se realiza una vez se defina el sector del derecho de vía sobre el cual quedará localizada la tubería, para tal efecto se demarcará el eje de la tubería con cal, con el fin de que los operadores de la retroexcavadoras tengan un trazado guía, es importante resaltar que la zanja donde se alojará la tubería, debe tener el ancho y profundidad de acuerdo con su diámetro. e.- Bajado y Tapado de la Tubería: Antes de iniciar el bajado y tapado de la tubería dentro de la zanja, se efectuará una limpieza de la misma, retirando los objetos extraños, fragmentos de suelo o roca, etc. Durante las maniobras de bajado, se evitará someter la tubería a golpes o fricciones contra las paredes de la zanja, los cuales pueden dañar el recubrimiento, por esto, es conveniente proteger la tubería con láminas contrachapada, cartones corrugados. f.- Prueba Hidrostática y de tensión. Esta prueba se realizará como procedimiento de control de la calidad de la tubería, lo cual garantizará que no se presenten pérdidas por soldaduras deficientes en la tubería. Esta actividad consistirá en llenar el tubo con agua que debe estar neutra y libre de partículas y someterlo a alta presión para identificar fugas o pérdidas de presión dicha prueba se realiza cumpliendo con el procedimiento correspondiente; fluido y presión específica durante 24 horas. Se debe probar la resistencia de los ductos y líneas principales para operar a tensiones de aro de 30% o Más de la mínima tensión de fluencia especificada de la tubería. También es necesario probar la resistencia de ductos y líneas principales que operen a menos del 30% de la mínima tensión de fluencia especificada de la tubería, aunque en exceso de 100 psi.
Se debe revisar e implementar pruebas de fugas para ductos o líneas principales que operen a 100 psi o Más. g.- Reconformación del Terreno: Una vez tapada la zanja, se procederá a ejecutar las medidas conducentes a la recuperación de las áreas de trabajo, con el fin de dejarlas en las mismas condiciones en que se encontraban antes de iniciar las labores constructivas, es decir, buscar, en lo posible, que el uso del suelo en las áreas intervenidas sea igual al que tenía antes de la instalación del gasoducto. h.- Limpieza y secado: La tarea de limpieza, normalmente es la etapa final del proceso de construcción. En este paso, se deben retirar todos los elementos sobrantes en la servidumbre de tendido de tubos (escombros, deshechos metálicos, estructuras auxiliares y otros). También es responsabilidad en el momento de la limpieza la revegetación de la zona afectada, prestando mayor atención en pendientes y terrenos fácilmente erosionables. Se debe además reconstituir en lo posible la topografía y paisaje de la zona de trabajo a fin de no variar el escurrimiento natural del terreno (reponer relleno de zanja en caso de asentamiento excesivo o retirar el material sobrante que produce un efecto de corona). Otro punto en el que se debe prestar mayor atención, es en el retiro de los restos de combustibles, lubricantes, insecticida y todo tipo de producto químicos en la zona. i.- Prueba funcional de equipo y sistemas: Como una parte de la puestas en marcha de las instalaciones se debe hacer una prueba final, todo monitor del gasoducto y de la estación de compresión así como todos los equipos de control y sistemas, deberán hallarse plenamente probados, especialmente incluyendo los sistemas de seguridad tales como los seguros de traba de las trampas de chanchos, sistemas de monitoreo de presión y de flujo, y sistemas de paro de emergencia de gasoducto. Debe también considerarse en hacer una prueba final de las válvulas del gasoducto antes de que se introduzca el gas, para