05-MP-MECANICA DE FLUIDOS E HIDRAULICA.pdf

Memorias del Mdulo para el Participante

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Mdulo Introduccin a la Mecnica de

Fluidos Aplicada a Transporte en Ductos

Desarrollador Jos Hernando Lara Martnez

Metodloga Constanza L. Villamizar Luna

Versin 1.0 Junio de 2011

Introduccin a la Mecnica de Fluidos Aplicada a Transporte en Ductos

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Universidad Industrial de Santander


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CONTENIDO

INTRODUCCIN 3 GENERALIDADES 4 DOCUMENTO BASE 22 PRESENTACIONES 79 PRUEBAS Y EJERCICIOS 163 GLOSARIO 185 BIBLIOGRAFA 189 ANEXOS 190

Introduccin Los procesos desarrollados en la industria del petrleo obedecen al aprovechamiento de los principios de la fsica para acometer la extraccin, el transporte, y el refino de los hidrocarburos que permitan obtener una conversin en productos de uso diario o su debida comercializacin en puertos de exportacin. En el caso particular de los procesos de transporte de hidrocarburos el rea de la fsica que se aprovecha es la mecnica de fluidos. Esta situacin ilustra la importancia y la necesidad que tiene la interiorizacin de los principios bsicos de la mecnica de fluidos para la comprensin del proceso de transporte de hidrocarburos. El hecho de conocer los fundamentos del proceso de transporte permite tomar decisiones en las reas operacionales que llevan a optimizarlo y permiten llegar al logro de la excelencia operacional manteniendo la seguridad del proceso. Teniendo en cuenta lo anterior, y debido a la importancia del tema, la Universidad Corporativa de Ecopetrol S.A., con el aval de la Vicepresidencia de Transporte, ofrece el curso de INTRODUCCIN A LA MECNICA DE FLUIDOS APLICADA A TRANSPORTE EN DUCTOS, dirigido especialmente al personal de las reas de operaciones y mantenimiento de la organizacin.


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Pblico Objetivo Operadores y supervisores de planta, tecnlogos y profesionales del Centro de Control, jefes de turno del Centro de Control y todos los funcionarios de los departamentos de mantenimiento en todas sus especialidades.

Competencias a Desarrollar Analizar eventos, fallas o condiciones de falla potencial proveniente de los

equipos y sistemas de acuerdo con el programa de transporte. Controlar las variables de la operacin de acuerdo con el esquema de

operacin definido y los parmetros del sistema. Operar los sistemas principales y auxiliares para el recibo, almacenamiento,

entrega y/o despacho de productos de acuerdo con los estndares de calidad y requerimientos de la operacin.

Efectuar el cuidado bsico de activos de acuerdo con procedimientos y mtodos establecidos por el negocio.

Ajustar la programacin del transporte de hidrocarburos con base en el nivel de cumplimiento del programa y criterios de eficiencia (NVIT06).

Operar remotamente los sistemas del transporte dentro de los mrgenes de seguridad establecidos, el plan volumtrico y esquema operacional (NVIT07).

Operar los sistemas principales y auxiliares para el recibo, almacenamiento, entrega y/o despacho de productos de acuerdo con los estndares de calidad y requerimientos de la operacin (NVIT08).

Controlar las variables de la operacin de acuerdo con el esquema de operacin definido y los parmetros del sistema (NVIT09).

Coordinar las operaciones de transporte de hidrocarburos de acuerdo con las polticas internas de la empresa (NVIT19).

Efectuar el cuidado bsico de activos de acuerdo con los procedimientos y mtodos establecidos por el negocio (NOP01).

Estructurar las actividades requeridas de mantenimiento e inspeccin, en su rea de influencia, de acuerdo con las normativas internas, estrategias de confiabilidad y mantenimiento, mejores prcticas y Acuerdo de Nivel de Servicio (ANS) establecidos (NMTTO01).

Diagnosticar la causa y condicin de un equipo despus de una falla, de acuerdo con los procedimientos y mtodos adecuados a cada situacin (NMTTO05).

Incrementar el desempeo de los equipos, en su rea de influencia, teniendo en cuenta los fundamentos bsicos de Confiabilidad Operacional (NCONF01).


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Establecer los criterios y procedimientos de operacin, seguridad y mantenimiento de los sistemas de informacin y telecomunicaciones de acuerdo con las normas y objetivos de la organizacin (NCONF02).

Diagnosticar el desempeo y capacidad de la Infraestructura, en su rea de influencia, de acuerdo con las metodologas de Confiabilidad Operacional (NCONF03).

Disear actividades de inspeccin y mantenimiento de la integridad de los elementos estticos, de acuerdo con la metodologa de inspeccin basada en riesgo (NCONF07).

Evaluar la integridad y riesgo de los elementos estticos, de acuerdo con los programas y procedimientos establecidos (NCONF08).

Caracterizar los procesos, portafolios de reposicin de equipos y proyectos de inversin, con base en principios de Anlisis Probabilstico de Riesgo (NCONF12).

Coordinar el cumplimiento de los planes de implantacin, gestin del cambio y mejora continua de la Confiabilidad Operacional, de acuerdo con las mejores prcticas internas e internacionales (NCONF14).

Gestionar Control de Cambio en la infraestructura tcnico funcional de acuerdo con la poltica de la empresa (NCONF16).

Asistir tcnicamente los procesos de operacin y mantenimiento de acuerdo con las mejores prcticas de la empresa (NCONF17).

Objetivo General

Aplicar los conceptos bsicos de mecnica de fluidos asociados a los

procesos de operacin y mantenimiento de ductos para transporte de hidrocarburos.

Objetivos Especficos

OBJETIVO ESPECFICO

CRITERIOS DE EVALUACIN

Identificar los sistemas de medicin, las unidades y su forma de conversin.

Diferencia los sistemas de medicin. Diferencia las unidades empleadas en el

sector de hidrocarburos. Realiza conversin de unidades. Identifica la consistencia dimensional.


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Identificar los conceptos bsicos de mecnica de fluidos.

Explica los conceptos bsicos de mecnica de fluidos.

Identifica aplicaciones de los conceptos bsicos de mecnica de fluidos.

Aplicar los conceptos bsicos de mecnica de fluidos en la operacin de sistemas de transporte de hidrocarburos por ductos.

Identifica y explica las variables hidrulicas involucradas en el proceso de transporte de hidrocarburos por ductos.

Identifica y controla las variables que mantienen un estado estable en la operacin del sistema.

Identifica el fenmeno fsico y lo relaciona con otras reas del conocimiento para tomar decisiones en las reas de operacin y mantenimiento de ductos.

Operar los equipos de bombeo mnimos necesarios en un sistema de transporte de hidrocarburos por ducto.

Describe las caractersticas principales de los equipos de bombeo utilizados en un sistema de transporte de hidrocarburos por ductos.

Opera adecuadamente los equipos de bombeo mnimos necesarios, en un sistema de transporte de hidrocarburos por ducto.

Identifica las vlvulas en un sistema de transporte de hidrocarburos por ducto.

Describe las caractersticas principales de las vlvulas utilizadas en un sistema de transporte de hidrocarburos por ductos.

Diferencia tipos de vlvulas. Relaciona los conceptos de vlvulas y

su operacin en un sistema de transporte de hidrocarburos por ducto.

Identificar los aspectos ms importantes a tener en cuenta en el diseo y en la operacin de un ducto.

Identifica los aspectos a tener en cuenta para el diseo de un ducto.

Describe los aspectos particulares del transporte de hidrocarburos por ducto a tener en cuenta en la operacin de un ducto.


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Hoja de Vida del Desarrollador Jos Hernando Lara Martnez Ingeniero mecnico - Universidad Nacional de Colombia. Maestra en ingeniera industrial Universidad de los Andes. Maestra en administracin de empresas Universidad Nacional de Colombia. Experiencia en la Empresa: 7 aos. Experiencia relacionada con el tema:

Investigacin y desarrollo en el sector metalmecnico en el rea para el procesamiento de plsticos.

Gestin de tecnologa para el control de ductos, operaciones y mantenimiento y transportes alternativos (carrotanques).

Actualmente se desempea en el rea de optimizacin de transporte en la especialidad de mecnica de fluidos.

E-mail: [email protected]


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Mapa del Mdulo

Unidad 1 Unidades de Medicin

Duracin del Mdulo: 2 horas

Modalidad: Presencial

Introduccin Para el adecuado entendimiento de la mecnica de fluidos es necesario iniciar el mdulo de aprendizaje con una resea acerca de las herramientas que se utilizan para la expresin cuantitativa de las variables involucradas en el estudio de la fsica y sus reas entre las cuales se encuentra la mecnica de fluidos. Se estudiarn los conceptos cuya comprensin y clculo se consideran bsicos para el estudio de esta rea.

Objetivo Identificar los sistemas de medicin, las unidades y su forma de conversin.

Contenidos Unidades de medicin. Sistemas de medicin.

Actividades de Aprendizaje Exposicin interactiva. Identificacin por parte de los participantes de las unidades empleadas en

la industria del petrleo. Ejercicios y enunciados propuestos por el instructor, desarrollados

individualmente por los estudiantes. Anlisis y discusin de los ejercicios de conversin de unidades y anlisis

dimensional.


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Instrumentos y Recursos Didcticos

Presentaciones en power point. Experiencias de los participantes relacionadas con el tema. Ejercicios. Prueba de Entrada.

Evaluacin

Valoracin de los resultados de la Prueba de Entrada con el objeto de direccionar las actividades de enseanza y aprendizaje.

Participacin activa en el desarrollo de los ejercicios. Intervencin efectiva en las exposiciones interactivas.

Agenda

ACTIVIDAD TIEMPO

Actividad 1 Presentacin de los Participantes e Introduccin al Mdulo 20 minutos

Actividad 2 Prueba de Entrada 30 minutos

Actividad 3 Sistemas de Unidades 10 minutos

Actividad 4 Unidades de Medida 20 minutos

Actividad 5 Conversin de Unidades 25 minutos

RECESO 15 minutos


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Unidad 2 Principios Bsicos

de Mecnica de Fluidos

Duracin del mdulo: 3 horas Modalidad: Presencial

Introduccin En el sentido estricto de la fsica todo el estudio de los fluidos en reposo y en movimiento se denomina mecnica de fluidos. Es comn encontrar en textos y presentaciones el uso del trmino hidrulica como reemplazo del de mecnica de fluidos, diferenciando la hidrosttica como el estudio del comportamiento de los fluidos en reposo y como hidrodinmica el estudio de los fluidos en movimiento. En este orden de ideas ha surgido el concepto de hidrulica de oleoductos y poliductos como la ciencia del transporte que estudia el movimiento de grandes cantidades de fluido en grandes distancias, con seguridad, eficiencia y economa.

Objetivo Identificar los conceptos bsicos de mecnica de fluidos.

Contenidos Principios bsicos de mecnica de fluidos. Conceptos de:

Presin. Trabajo. Energa. Ley de Pascal. Flujo de fluidos. Tipos de flujo. Cavitacin. Principio de Bernoulli.


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Actividades de Aprendizaje

Exposicin interactiva. Ejercicios y enunciados propuestos por el instructor, desarrollados

individualmente por los estudiantes. Anlisis y discusin de los ejercicios de conversin de unidades y anlisis

dimensional. Animaciones y videos de los fundamentos fsicos asociados a la mecnica

de fluidos.


Presentaciones en power point. Experiencias de los participantes relacionadas con el tema. Ejercicios. Animaciones y videos.

Evaluacin

Participacin activa en el desarrollo de los ejercicios. Intervencin efectiva en las exposiciones interactivas.

Agenda

ACTIVIDAD TIEMPO

Actividad 1 Conceptos Generales de Hidrulica y de la Red de Transporte 40 minutos

Actividad 2 Seguridad en el Transporte por Ductos 20 minutos

Actividad 3 Fenmenos Fsicos Asociados a la Mecnica de Fluidos 30 minutos

Actividad 4 Ejercicios Relacionados con los Principios Fsicos Asociados a la Mecnica de Fluidos 30 minutos

Actividad 5 Leyes Bsicas de la Mecnica de Fluidos 30 minutos ALMUERZO 60 minutos

Actividad 6 Ejercicios Relacionados con las Leyes Bsicas de la Mecnica de Fluidos 30 minutos


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Unidad 3 Propiedades Fsicas de los Fluidos



Introduccin La claridad conceptual de la presente Unidad permitir el entendimiento adecuado de los procesos asociados con fluidos, incluido el transporte de hidrocarburos por ductos a presin y los transportes alternativos.

Objetivo Aplicar los conceptos bsicos de mecnica de fluidos en la operacin de sistemas de transporte de hidrocarburos por ductos.

Contenidos Propiedades fsicas de los fluidos. Concepto de:

Viscosidad. ndice de viscosidad. Punto de fluidez. Punto de chispa. Punto de llama. Densidad. Presin de vapor. Gravedad especfica.


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Exposicin interactiva.


Presentaciones en power point.

Evaluacin

Intervencin efectiva en las exposiciones interactivas.

Agenda

ACTIVIDADES TIEMPO

Actividad 1

Exposicin de las Propiedades Fsicas de los Fluidos que Intervienen en los Anlisis Hidrulicos de los Sistemas de Transporte de Hidrocarburos Lquidos; Viscosidad, ndice de Viscosidad, Densidad, Presin de Vapor, Gravedad Especfica

60 minutos

RECESO 15 minutos

Actividad 2

Exposicin de las Propiedades Fsicas de los Fluidos que Intervienen en los Anlisis Hidrulicos de los Sistemas de Transporte de Hidrocarburos Lquidos: Punto de Fluidez, Punto de Chispa, Punto de Llama

60 minutos

Actividad 3 Verificacin de Comprensin de la Importancia y Relacin entre Propiedades Fsicas de los Productos

45 minutos


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Unidad 4 Equipos de Bombeo en un Ducto



Introduccin Se denomina equipo de bombeo al equipo bsico necesario para poder realizar el transporte de un producto a travs de un ducto. El principal componente de un equipo de bombeo es la bomba que suministra la energa necesaria para lograr el desplazamiento de un producto por el sistema. La seleccin de una bomba requiere conocer las necesidades energticas que el sistema demandar y los tipos de bombas y arreglos que permiten suministrarla.

Objetivo Operar los equipos de bombeo mnimos necesarios en un sistema de transporte de hidrocarburos por ducto.

Contenidos Equipos de bombeo en un ducto:

Principio de operacin de las bombas.

Caractersticas de las bombas: - Desplazamiento. - Diferencial. - Capacidad. - Velocidad de giro. - Eficiencia. - Velocidad especfica.


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Tipos de bombas:

- Rotodinmicas. - Desplazamiento positivo.

Esquemas operativos de bombas. Curvas de una bomba. Leyes de afinidad o semejanza.

Cruce curvas de bomba y sistema (tubo).


Exposicin interactiva. Relacin de la bomba y el tubo. Indagacin de inquietudes de los participantes una vez finalizado el tema

del mdulo. Socializacin de dudas, aportes, sugerencias e inquietudes. .


Presentaciones en power point. Experiencias de los participantes relacionadas con el tema.

Evaluacin

Intervencin efectiva en las exposiciones interactivas. Presentacin de ejemplos y situaciones por parte de los participantes.


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Agenda

ACTIVIDADES TIEMPO

Actividad 1

Explicacin de las Generalidades de la Unidad e Invitacin a los Asistentes a la Mayor Participacin mediante Narracin de Fenmenos Observados en Casa Planta/Sitio de Trabajo

10 minutos

Actividad 2 Explicacin del Funcionamiento, Tipos de Bombas y su Uso en la Industria 30 minutos

Actividad 3 Exposicin y Explicacin de las Curvas de una Bomba 20 minutos

Actividad 4 Explicacin Completa del uso de Bombas en Serie y Paralelo y sus Consecuencias en el Funcionamiento del Ducto y Equipos de Bombeo

30 minutos

RECESO 15 minutos

Actividad 5 Explicacin de la Relacin de la Bomba y el Tubo 30 minutos

Actividad 6 Ejercicio 20 minutos

Actividad 7 Indagar por las Inquietudes de los Participantes una vez Finalizado el Tema del Mdulo Socializar Dudas, Aportes, Sugerencias e Inquietudes

25 minutos


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Unidad 5 Vlvulas



Introduccin En un sistema de transporte por ductos es necesario el control de las variables en las que se manifiesta la energa suministrada por un sistema de bombeo que son presin y caudal. Estas variables deben ser controladas, bien sea para dar al sistema la posibilidad de realizar labores especficas propias de la operacin y mantenimiento del sistema o para permitir el manejo de condiciones especiales que se dan ante eventos transitorios que de no ser soportados pudiesen causar fallas en el sistema que llevaran a afectaciones a las personas y al medio ambiente. En el desarrollo de esta Unidad se mostrarn los tipos de vlvulas ms comunes de las aplicaciones de transporte por ductos en la industria del petrleo.

Objetivo Identificar las vlvulas en un sistema de transporte de hidrocarburos por ducto.

Contenidos

Tipos de vlvulas: - Alivio. - Secuencia. - Control. - Cheque. - Compuerta. - Globo. - Bola.

Principio de operacin de las vlvulas.

Forma y uso de vlvulas.


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Exposicin interactiva. Indagacin de inquietudes de los participantes una vez finalizado el tema

del mdulo. Socializacin de dudas, aportes, sugerencias e inquietudes.


Presentaciones en power point. Videos y animaciones. Identificacin y anlisis de casos crticos de uso de vlvulas en cada lugar

de trabajo.

Evaluacin

Intervencin efectiva en las exposiciones interactivas. Anlisis de los casos presentados.

Agenda ACTIVIDAD TIEMPO

Actividad 1 Vlvulas Tipo y Funcionamiento de las Diferentes Vlvulas Empleadas en el Sector de Hidrocarburos, su Uso y Aplicacin

65 minutos

ALMUERZO 60 minutos

Actividad 2 Continuacin: Exposicin del Tipo y Funcionamiento de las Diferentes Vlvulas Empleadas en el Sector de Hidrocarburos, su Uso y Aplicacin

25 minutos

Actividad 3

Indagar por las Inquietudes de los Participantes una vez Finalizado el Tema del Mdulo Socializar Dudas, Aportes, Sugerencias e Inquietudes

30 minutos


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Unidad 6

Factores de Operacin y Diseo de un Ducto



Introduccin Con la claridad de los conceptos bsicos de mecnica de fluidos se tienen las bases necesarias para comprender el proceso de diseo de un sistema de transporte por ductos. Durante el desarrollo de la presente Unidad se mostrarn los parmetros de operacin y diseo que se deben tener en cuenta en el rea de transporte de hidrocarburos por ductos. Durante el desarrollo de las anteriores unidades se hizo nfasis en la importancia que tiene el monitoreo de las variables de presin y flujo para evitar afectaciones a las personas y al medio ambiente. Se revisaron los conceptos de presin, caudal y se estudiaron con detenimiento fenmenos como cavitacin y golpe de ariete que se evitan con el debido monitoreo de las variables operacionales del proceso.

Objetivo Identificar los aspectos ms importantes a tener en cuenta en el diseo y en la operacin de un ducto.

Contenidos Factores de operacin y diseo de un ducto:

Propiedades de los fluidos. Golpe de ariete Friccin. Presin mxima de operacin. Perfil topogrfico.


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Exposicin interactiva. Indagacin inquietudes de los participantes. Preguntas a los participantes. Socializacin de dudas. Ampliacin de temticas de inters de los participantes. Prueba de Salida.


Presentaciones en power point. Experiencias de los participantes relacionadas con el tema. Preguntas. Prueba de Salida.

Evaluacin Intervencin efectiva en las exposiciones interactivas. Participacin activa para la resolucin de dudas y preguntas. Prueba de Salida.

Agenda

ACTIVIDAD TIEMPO

Actividad 1 Exposicin Interactiva Factores de Operacin y Diseo de un Ducto 60 minutos

RECESO 15 minutos

Actividad 2 Conversatorio Mecnica de Fluidos en el Transporte de Hidrocarburos Lquidos

25 minutos

Actividad 3 Ejercicios 30 minutos

Actividad 4 Prueba de Salida 40 minutos

Actividad 5 Clausura del Mdulo 10 minutos


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1. UNIDADES DE MEDICIN Se parte de la necesidad de diferenciar los conceptos de magnitud fsica y unidad: Por magnitud fsica se entiende el tipo de medicin que se utiliza para cuantificar una variable fsica mientras que por unidad se define el medio usado para la expresin de la magnitud fsica. En la naturaleza de los fluidos existen 4 magnitudes bsicas (Tabla 1).

Tabla 1 Magnitudes Bsicas para el Estudio de la Mecnica de Fluidos

MAGNITUD

BSICA VARIABLES FSICAS MEDIDAS

Masa [M] Masa de una persona. Masa de una tubera.

Longitud [L] Distancia entre estaciones. Dimetro de tuberas. Espesores de tuberas.

Tiempo [T] Tiempo de parada. Tiempo de empaquetamiento de lneas.

Temperatura [] Temperatura de aceite. Temperatura de agua. Temperatura de producto.

Jos Hernando Lara Martnez.

La combinacin de las magnitudes bsicas da origen a las magnitudes derivadas. Estas combinaciones permiten expresar todas las variables fsicas que se presentan en el estudio de la mecnica de fluidos. Por ejemplo: El volumen es una magnitud derivada de elevar a la tercera potencia la magnitud bsica de longitud [L3] y el caudal es la combinacin de volumen y tiempo que se puede expresar en funcin de las magnitudes bsicas [L3T-1]. Teniendo claros los conceptos de magnitud fsica y unidad se define el un sistema de unidades como el arreglo de unidades coherentes entre s que permiten medir las magnitudes fsicas de forma ordenada y estandarizada. Los sistemas de unidades de mayor difusin y uso en ingeniera son el Sistema Internacional de Unidades (SI) y el Sistema Anglosajn (BG1). La diferencia entre estos dos sistemas son las unidades utilizadas para la expresin de las magnitudes bsicas (Tabla 2).

1 BG = British Gravitational System. Tambin se conoce como el Sistema Ingls de Medidas.


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Tabla 2 Magnitudes Bsicas en los Sistemas de Unidades SI y BG

DIMENSIN PRIMARIA UNIDAD SI

UNIDAD BG

FACTOR DE CONVERSIN

Masa [M] kilogramo (kg) Slug 1 slug = 14.5939 kg Longitud [L] metro (m) pie (ft) 1 ft = 0.3048 m

Tiempo [T] segundo (s) segundo

(s) 1 s = 1 s

Temperatura [] Kelvin (K) Rankine

(R) 1 K = 1.8 R

Fuente: White, Fluid Mechanics. 5th edition, McGraw-Hill 2002 (traduccin con fines

educativos sin autorizacin del autor).

Tanto en el Sistema Internacional de Unidades como en el Sistema Anglosajn las magnitudes derivadas utilizadas para el estudio de la mecnica de fluidos se pueden expresar en trminos de las unidades bsicas. Las unidades derivadas son la combinacin de las unidades bsicas de un sistema de medidas. Las unidades derivadas sirven para medir magnitudes fsicas asociadas a diferentes fenmenos; por ejemplo fuerza, presin, corriente o velocidad. En la Tabla 3 se ilustran las unidades derivadas de mayor uso en el estudio de la mecnica de fluidos.

Tabla 3 Magnitudes Derivadas en los Sistemas de Unidades SI y BG

DIMENSIN

SECUNDARIA UNIDAD

SI UNIDAD

BG FACTOR DE

CONVERSIN rea [L2] m2 ft2 1 m2 = 10.764 ft2

Volumen [L3] m3 ft3 1 m3 = 35.315 ft3

Velocidad [LT-1] m/s ft/s 1 ft/s = 0.3048 m/s

Aceleracin [LT-2] m/s2 ft/s2 1 ft/s2 = 0.3048 m/s2

Presin o esfuerzo [ML-1T-2]

Pa = N/m2 lbf/ft2 1 lbf/ft2 = 47.88 Pa

Velocidad Angular [T-1] s-1 s-1 1 s-1 = 1 s-1

Energa, Calor, Trabajo [ML2T-2]

J = Nm ftlbf 1 ftlbf = 1.3558 J

Potencia [ML2T-3] W = J/s ftlbf/s 1 ftlbf/s = 1.3558 J/s

Densidad [ML-3] kg/m3 slug/ft3 1 ftlbf/s = 515.4 kg/m3

Viscosidad [ML-1T-1] kg/(ms) slug/(fts) 1 slug/(fts) = 47.88 kg/(ms)

Calor Especfico [L2T-2-1] m2/(s2K) ft2/(s2R) 1 m2/(s2K) = 5.980 ft2/(s2R)

Fuente: White, Fluid Mechanics. 5th edition, McGraw-Hill 2002 (traduccin con fines educativos sin autorizacin del autor).


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Para efectos del anlisis de situaciones donde est involucrado el manejo de unidades de medicin es indispensable el uso de unidades consistentes dentro de un solo sistema. En las aplicaciones se presenta la necesidad de manejar magnitudes expresadas en diferentes sistemas de unidades, situacin que obliga al uso de factores de conversin. En el caso particular de la mecnica de fluidos esta situacin se presenta con frecuencia y para ello se tienen parametrizados los factores de conversin de unidades de uso frecuente ilustrados en la Tabla 3. 1.1 Mltiplos y Submltiplos Las unidades bsicas pueden modificarse para expresar cantidades mayores o menores de la unidad que se mida, dependiendo del orden de magnitud que se maneje. En ocasiones es necesario medir unidades muy pequeas o muy grandes comparadas con la unidad de medida sin modificar. Para esto se tienen mltiplos o submltiplos de las unidades. Los modificadores estn contenidos en la Tabla 4. Las unidades en el sistema ingls tienen mltiplos y submltiplos con nombres propios. La Tabla 5 muestra estas derivaciones. El volumen se mide de manera diferente para productos lquidos y para productos secos en el sistema ingls que se usa en Estados Unidos y en el que se usa en el Reino Unido.

Tabla 4 Mltiplos y Submltiplos de Unidades de Medicin en el Sistema Internacional

Mltiplos Submltiplos

Prefijo Smbolo Valor Numrico Prefijo Smbolo Valor n

Numrico Tera- T 1012 deci- d 10

-1 Giga- G 109 centi- c 10

-2 Mega- M 106 mili- m 10

-3 Kilo- K 103 micro- 10

-6 Hecto- H 102 nano- n 10

-9 Deca- D 101 pico- p 10

-12



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Tabla 5

Mltiplos y Equivalencias en el Sistema Ingls de Medidas LONGITUD 1 pulgada (in) = 1000 miles = 1000 mils = 2.54 cm 1 pie (ft) = 12 in = 30.48 cm 1 yarda (yd) = 3 ft = 35 in = 91.44 cm 1 milla (mi) = 5280 ft = 63360 in = 1.609 km 1 legua = 3 mi = 4.828 km

SUPERFICIE 1 pulgada cuadrada (sq in o in2) = 6.4516 cm2

VOLUMEN LQUIDO 1 Minim = 61,611 l (microlitros) = 0,0616 ml 1 Dracma lquido (fldr) = 60 minims = 3,6966 ml 1Onza lquida (fl oz) = 8 fldr = 480 minims = 29,5735 ml 1 Gill = 4 floz = 32 fldr = 1.920 minims = 118,2941 ml 1 Pinta (pt) = 4 gills = 16 fl oz = 128 fldr = 7.680 minims = 473,1764 ml 1 Cuarto (qt) = 2 pt = 8 gills = 32 fl oz = 256 fldr = 15.360 minims = 946,3529 ml 1 Galn (gal) = 4 qt = 8 pt = 32 gills = 128 fl oz = 1.024 fldr = 61.440 minims = 3,7854 l 1 Barril = 42 gal = 168 qt = 336 pt = 1.344 gills = 5.376 floz = 43.008 fldr = 158,9872 l


El barril de petrleo es diferente a otros barriles de lquidos: Barril de petrleo = 42 gal. Barril de cerveza (Reino Unido) = 43 gal. Barril de cerveza (Estados Unidos) = 43 gal. Barril de fluido (no petrleo Estados Unidos) = 31.5 gal. Algunos ejemplos comunes de cundo se usan los mltiplos y submltiplos de unidades son:

Viscosidad: Una unidad de la viscosidad cinemtica es el stoke. Su abreviatura es St. Los hidrocarburos tienen viscosidades pequeas respecto al stoke, por lo que se usan denominaciones de centsimas de stoke. El uso comn de la centsima se mantiene aunque el valor sea mayor que la centsima, por lo que se tiene valores como los siguientes:


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4 cSt cuatro centistokes. 3200 cSt tres mil doscientos centistokes. 250 cSt doscientos cincuenta centistokes.

Longitud: 4 km cuatro kilmetros.

12 mm doce milmetros. 380 m trescientos ochenta metros. 25 m veinticinco micrmetros (micras).

Corriente Elctrica: 1 A = 1000 mA.

- Volumen: 1 barril = 42 gal.

1 barril = 158.98 l. in = 19.05 mm. 1/64 in = 0.3968 mm.

1.2 Conversin de Unidades y Anlisis Dimensional Dado que la industria fue evolucionando y adoptando lo mejor de cada pas donde se han dado desarrollos significativos en cada campo de la ingeniera, es comn que diferentes aspectos del trabajo presenten una gran variedad de unidades para diferentes magnitudes fsicas. Un punto importante en el uso de diferentes sistemas de medidas es que las dimensiones de las magnitudes tienen que ser equivalentes al hacer la conversin entre ellas. Por ejemplo: Si se desea expresar una medida en el sistema internacional que originalmente est expresada en el sistema ingls, el resultado en el sistema mtrico tambin tiene que tener unidades de longitud. Para poder expresar diferentes magnitudes con unidades equivalentes existen los factores de conversin. Estos factores son la traduccin de unidades de un sistema de medidas a otro y deben emplearse con rigurosidad para poder tener una consistencia dimensional (por ejemplo: Temperatura en sistema internacional y temperatura en sistema ingls). Algunos de los factores de conversin ms comunes son: LONGITUD 1 pie (ft) = 12 in = 30.48 cm 1 milla (mi) = 5280 ft = 63360 in = 1.609 km 1 legua = 3 mi = 4.828 km

VOLUMEN LQUIDO 1 in3 = 16,39 cm3 1 litro = 61,03 ft3 = 1000,028 cm3


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1 ft3 = 28,32 l = 7,481 gal (americano) 1 m3 = 1,308 yd3 = 1000 l 1 gal (americano) = 4 qt = 3,785 l = 231 in3 1 gal (britnico) = 277,42 in3 = 1,20094 gal (americano) 1Onza lquida (fl oz) 29,5735 ml 1 Cuarto (qt) = 32 fl oz = 946,3529 ml 1 Galn (gal) = 4 qt = 3,7854 l 1 Barril = 42 gal = 168 qt = 5.376 fl oz = 158,9872 l

CAUDAL gpm = 0.7 bph

FUERZA 1 Newton (N) = 0.1019 kilogramo fuerza (kgf) 1 Newton (N) = 7.2330 poundal 1 J/m =1 Newton (N) 1 Newton (N) = 100 000 dina (din)

VELOCIDAD ANGULAR revolucin por minuto (rpm) = 360/min revolucin por minuto (rpm) = 6/s revolucin por minuto (rpm) = 0.1047 rad/s

NGULO 1 radin (rad) = 57.2957

REA 1 pulgada cuadrada (sq in o in2) = 6.4516 cm2

MASA 1 kg = 2.2046 lb

DENSIDAD 1 lb/in3 = 27,38 g/cm3 1 g/cm3 = 0,03613 lb/pulg3 1 lb/pie3 = 16,0184 kg/m3 1 kg/m3 = 0,06243 lb/pie3


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PRESIN (P) 1 lb/in2 (psi) = 2,036 in de Hg (0C) = 2,311 pies de agua (70F) 1 atmsfera (atm) = 14,396 psi = 760 mm de Hg (0C) = 29,921 pulg de Hg (0C) 1 atmsfera (atm) = 1,033 kg f/cm2 = 1,01325x106 dinas/cm2 1 micra de Hg = 1x10-3 mm de Hg = 1,933x10-5 lbf/pulg2

EQUIVALENTES DE TEMPERATURA Grados Fahrenheit (F) = 1,8 grados centgrados (C) + 32 Grados Kelvin (K) = grados centgrados (C) + 273,16 Grados Rankine (R) = grados Fahrenheit (F) + 459,69 Grados Rankine (R) = 1,8 grados Kelvin (K)

POTENCIA (P) 1 kilovatio (Kw) = 102 kgf-m/s = 44253.7 lbf-pie/min 1 kilovatio (Kw) = 56,87 BTU/min = 1,341 HP 1 caballo de potencia (HP) = 550 lbf-pie/s = 76,04 kgf-m/s = 33013 lbf-pie/min 1 caballo de potencia (HP) = 42,4242 BTU/min = 2 545 BTU/hora. 1 vatio o watt = 44,25 lbf-pie/min = 14,33 cal/min = 1,341x10-3 HP

VISCOSIDAD Viscosidad Cinemtica 1 Stoke = 100 cSt = 1 cm2/s 1ft2/s = 929.03 St Viscosidad Dinmica o Absoluta 1Poise = 1 gr/(cms) = dinas/cm2=Ns/m2 1 Poise = 0.002088 lbfs/ft2

1.3 Anlisis Dimensional Cuando se quiere verificar que una operacin con unidades es dimensionalmente correcta es necesario descomponer cada una de las unidades de todas las variables fsicas involucradas y simplificar la expresin a un conjunto mnimo de unidades bsicas o primarias. Esto permite identificar si una expresin es dimensionalmente congruente y los factores de conversin necesarios para poder expresar correctamente una unidad en un sistema de medicin deseado.


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Para revisar las dimensiones de una magnitud fsica, se debe expresar cada unidad de medida en sus unidades primarias tal como se indica en la Tabla 2. El siguiente ejemplo ilustra el anlisis dimensional de una expresin. Ejemplo 1: Se tiene un tanque de diesel. El tanque tiene 40 metros de dimetro, 6 metros de altura, espesor de lmina de 1 pulgada y el nivel de producto est a 5 metros. Cules son las unidades de la presin en el fondo del tanque? (Densidad de diesel=870 kg/m3) Solucin (pistas): La presin es la relacin de fuerza sobre rea. La fuerza corresponde al peso del producto que est almacenado en el tanque y el rea es el rea del fondo del tanque. Ejemplo 2: Se desea bombear un combustleo producido en refinera. El reporte de calidad indica que la viscosidad es de 55 SSF @ 50C y la densidad en 10424 kg/m3. Cul es la viscosidad expresada en cSt? Solucin (pistas): La viscosidad se mide de dos maneras: Viscosidad cinemtica y viscosidad dinmica. La relacin entre viscosidades es la densidad:

=

La viscosidad expresada en cSt corresponde a una medida de viscosidad cinemtica. 2. PRINCIPIOS BSICOS DE MECNICA DE FLUIDOS La mecnica de fluidos es la rama de la fsica que estudia el comportamiento de los fluidos en reposo y en movimiento. Antes de profundizar sobre los conceptos bsicos de la mecnica de fluidos haremos un especial nfasis en aclarar la definicin de fluido. Un fluido es un medio continuo caracterizado por deformarse ante la aplicacin de esfuerzos cortantes, al sufrir estas deformaciones los fluidos carecen de forma definida y esta se ajusta a la que tenga el espacio dentro del cual se encuentran contenidos. Esta caracterstica se cumple tanto en las sustancias lquidas como en las gaseosas por lo que el concepto de fluido abarca medios lquidos y medios gaseosos.


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Si bien en el sentido estricto de la fsica todo el estudio de los fluidos en reposo y en movimiento se denomina mecnica de fluidos, es comn encontrar en textos y presentaciones el uso del trmino de hidrulica como reemplazo del de mecnica de fluidos, diferenciando la hidrosttica como el estudio del comportamiento de los fluidos en reposo y como hidrodinmica el estudio de los fluidos en movimiento. En este orden de ideas ha surgido el concepto de hidrulica de oleoductos y poliductos como la ciencia del transporte que estudia el movimiento de grandes cantidades de fluido en grandes distancias, con seguridad, eficiencia y economa. 2.1 Red de Transporte de Hidrocarburos en Colombia En Colombia el transporte de hidrocarburos se realiza mediante ductos y transportes alternativos. El transporte por ductos se divide en oleoductos y poliductos. El transporte por oleoductos tiene como finalidad llevar el petrleo crudo producido en los campos hacia las refinaras locales para su procesamiento o hacia puertos de exportacin con base en los acuerdos comerciales existentes; el transporte por poliductos tiene como finalidad la distribucin de los productos derivados de los procesos de refinacin hacia los centros de consumo y, en algunas ocasiones, hacia puertos de exportacin para su debida comercializacin. Existen casos especiales en los cuales se hace necesaria la importacin de petrleo crudo o productos derivados, por lo cual es factible encontrar sistema de transporte por ductos destinados para abastecer las refineras desde los puertos martimos. Desde el punto de vista de costos el transporte por ductos representa la alternativa ms favorable para el transporte de hidrocarburos. Si se tiene en cuenta que la construccin de un ducto de transporte implica una inversin en infraestructura que debe ser recuperada por los inversionistas, se presenta la situacin en la cual existen necesidades de transporte con volmenes que no aseguran el retorno sobre la inversin de construir un ducto. En estos casos particulares, bien sea como medida temporal durante el desarrollo de un campo o para sostener de forma prolongada un volumen pequeo de produccin, se recurre a los transportes alternativos que se caracterizan por su alto costo y alta flexibilidad de uso de los recursos. En Colombia los transportes alternativos utilizados son el terrestre por carrotanques y el fluvial por el ro Magdalena. En la Figura 1 se aprecia la red de transporte de hidrocarburo.


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Figura 1

Esquema Tpico de una Red de Transporte de Hidrocarburos

Fuente: Curso de Hidrulica Bsica, Ecopetrol S.A.

2.2 Seguridad en el Transporte por Ductos Los hidrocarburos son sustancias cuyas caractersticas fsicas y qumicas los hacen peligrosos para la integridad de las personas y el medio ambiente; por esta razn, su transporte representa una actividad denominada como peligrosa que exige el establecimiento de un conjunto de estndares que permitan el manejo adecuado de los riesgos asociados a la actividad para reducir al mximo los impactos negativos que sobre personas y medio ambiente se puedan ocasionar; estas normas estn definidas principalmente para el transporte por ductos. En Estados Unidos la construccin y operacin de oleoductos y poliductos es regulada por los estndares del gobierno a travs del Departamento de Transporte (DOT). Otros estndares incluidos como leyes son los elaborados por el ANSI (American National Standards Institute) y la NFPA (National Fire Prevention Association). En Colombia para el caso de los transportes alternativos existen reglamentaciones gubernamentales especficas, como es el caso del Ministerio de Transporte que, mediante el Decreto 1609 del 31 de julio de 2002, regula el transporte por carretera de sustancias peligrosas, incluido el transporte de hidrocarburos por carrotanques y de la NTC 1692 que regula todo el transporte de sustancias peligrosas en el pas por cualquier medio.


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2.3 Principios Fsicos Asociados a la Mecnica de Fluidos Antes de dar inicio al estudio detallado de la mecnica de fluidos, en el caso especfico del transporte por ductos, vamos a hacer nfasis en algunos de los fenmenos que ocurren en este proceso que nos permitirn ilustrar el comportamiento de los fluidos en dichas circunstancias. Presin La presin se define como la cantidad de fuerza que es ejercida sobre un rea determinada. Por lo anterior, la presin se mide y reporta en unidades de fuerza por unidades de rea. Matemticamente se expresa de la siguiente forma:

=

Donde: P = Presin ejercida sobre el cuerpo. F = Fuerza aplicada al cuerpo o sustancia. A = rea en donde se est aplicando la fuerza. La presin se mide en unidades de fuerza sobre rea (N/m2 o Pa en el sistema internacional de unidades y lbf/ft2 en el sistema anglosajn), es comn encontrar mediciones en la industria del petrleo en psi (lbf/in2). Presin Atmosfrica La presin que ejerce la columna de aire localizada sobre un cuerpo se denomina presin atmosfrica. La presin atmosfrica depende de la longitud de la columna de aire del sitio en el cual se realiza la medida por lo que decrece conforme aumenta la altura sobre el nivel del mar (altitud) y se puede estimar mediante la denominada ecuacin altimtrica.

= 0 Donde: = presin atmosfrica por calcular. =presin atmosfrica estndar. z= altura sobre el nivel del mar. =constante (8000 m). Por presin atmosfrica estndar se entiende la que se mide al nivel del mar (101.325 kPa o 14.7 psi).


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Presin Manomtrica La presin ejercida sobre un cuerpo se puede medir tomando como referencia el cero absoluto o la presin atmosfrica. La diferencia entre la presin absoluta y la presin atmosfrica de denomina presin manomtrica. Los instrumentos utilizados para medir la presin manomtrica reciben el nombre de manmetros; los manmetros diseados para medir presiones inferiores a la atmosfrica se llaman manmetros de vaco o vacumetros. Para diferenciar una lectura de presin manomtrica de una de presin absoluta se utiliza la letra g como sufijo de la unidad. As, la presin leda por un manmetro se lee con unidades como psig en el caso de las instalaciones del sector petrleo donde se usa el sistema anglosajn de unidades. Presin Absoluta = Presin Atmosfrica + Presin Manomtrica = + Pabs = Presin absoluta. Patm = Presin atmosfrica. Pg = Presin manomtrica. Trabajo y Energa Trabajo es el resultado de la aplicacin de la fuerza necesaria para lograr el desplazamiento de un cuerpo a lo largo de una distancia determinada. Como concepto es el resultado de vencer las fuerzas internas y externas que se oponen a que un cuerpo sea desplazado y de esta manera lograr su movilizacin. El trabajo se mide en unidades de Fuerza - distancia (N-m o Joule en el sistema internacional y lbf-ft en el sistema anglosajn).

= Donde: W = Trabajo. F = Fuerza aplicada al cuerpo en la direccin del desplazamiento. x = Distancia a la que se desplaza el cuerpo. Energa es la habilidad para hacer un trabajo y se mide de la misma manera que el trabajo. Para operar adecuadamente, un sistema hidrulico debe usar energa para ejecutar un trabajo y vencer la friccin del sistema. Hay 3 tipos de energa en un sistema hidrulico: Energa potencial, energa cintica y energa calrica. La relacin entre el trabajo desarrollado y el tiempo se denomina potencia.

=


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Donde: P = Potencia. W= Trabajo. t= Tiempo de aplicacin del trabajo. La unidad del sistema internacional de unidades para expresar la potencia es el watt (W) que equivale al suministro de un trabajo de un Joule durante un segundo y en el sistema anglosajn es la lbf-ft/s. En aplicaciones de ingeniera suele usarse con frecuencia el caballo de potencia como unidad de medida de la potencia que equivale a 746 W o 550 lbf-ft/s. Rgimen de Flujo Dependiendo de las trayectorias que sigan las partculas de los fluidos durante el transporte se presenta el rgimen de flujo. El fenmeno del rgimen de flujo obedece a un patrn caracterstico definido que se ilustra a continuacin. Flujo Laminar: Tambin llamado flujo rectilneo (streamlineflow), ocurre cuando el fluido se mueve en trayectorias de flujo rectas y paralelas y se caracteriza porque crea poca friccin entre el fluido y el ducto que lo contiene, el detalle del movimiento del fluido bajo condiciones de flujo se ilustra en la parte inferior de la Figura 2.

Figura 2 Ilustracin de Regmenes de Flujo

Fuente: White, Fluid Mechanics. 5th edition, McGraw-Hill. 2002.


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Flujo Turbulento: Ocurre cuando se crean corrientes cruzadas en el fluido y no se mueve en trayectorias suaves ni paralelas. Puede ser causado por cambios abruptos de seccin o direccin o en tubos de dimetro reducido para el flujo deseado. El flujo turbulento incrementa la friccin, consume ms energa y se genera para condiciones de transporte de mltiples productos dado que reduce las probabilidades de mezclas entre interfases.

Figura 3 Ilustracin del Flujo Turbulento

Fuente: White, Fluid Mechanics, 2002. Para establecer el rgimen de flujo se utiliza el nmero adimensional denominado nmero de Reynolds (Re), que se calcula con la siguiente expresin:

=

= 2214 Q Dint

Donde: Q: Rata de flujo expresada en bph. : Viscosidad cinemtica expresada en cSt. Dint: Dimetro interior del ducto en pulgadas.


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Dependiendo del valor del nmero de Reynolds se determina el tipo de rgimen como se muestra a continuacin.

Tabla 6 Determinacin de Regmenes de Flujo mediante Re

TIPO DE RGIMEN Valor de Re

Flujo Laminar Re < 2100 Rgimen de Transicin (zona de incertidumbre)

2100 < Re < 4000

Flujo Turbulento Re > 4000

Fuente: Construida a partir de la teora. Cavitacin Cavitacin es la formacin y colapso de burbujas o vacos en un lquido que pueden ser causados por flujo turbulento, o por ebullicin a presiones absolutas muy bajas (por debajo de la presin de vapor del fluido). En el transporte por ductos se produce cuando en la etapa de succin de una bomba se reduce la presin de entrada del fluido llevndolo a su presin de vapor creando burbujas, una vez el producto es presionado por la accin de la bomba las burbujas de vapor implotan generando altas presiones que impactan la bomba generando daos en los componentes internos y vibraciones mecnicas. En la Figura 4 se aprecia el detalle de este proceso que va desde la formacin de la burbuja (cuadros 1 y 4), su correspondiente implosin (cuadros 2 y 5), la implosin o colapso de estas burbujas genera grandes fuerzas que pueden erosionar la superficie del metal (cuadros 3 y 6 y Figura 5) y puede daar componentes del sistema como sellos. Figura 4 Figura 5 Proceso de Cavitacin Ejemplo de Efectos del Proceso de Cavitacin

Fuente: Streeter, Wylie, Mecnica de fluidos. Octava edicin, Editorial Mc Graw Hil. 1991.


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Los sntomas primarios de la cavitacin son ruido, vibracin y disminucin de la rata de flujo. Para la prevencin de este fenmeno se debe asegurar la existencia de la presin mnima de succin disponible (NPSHd) de la bomba, razn por la cual deben existir las protecciones necesarias para evitar que la bomba opere en esta condicin, suspendiendo la operacin cuando as suceda. Golpe de Ariete El fenmeno del golpe de ariete ocurre cuando se produce la suspensin instantnea del flujo en una lnea de conduccin. Para ilustrarlo utilizaremos el ejemplo mostrado en la Figura 6. Supongamos que en B est instalada una vlvula que si se cierra originar en B un aumento de presin que se transmitir desde B hacia A. La sobrepresin originada por el golpe de ariete es independiente de la presin esttica que en cada seccin de la tubera existiera antes de la perturbacin producida por el cierre de la vlvula produciendo los siguientes efectos:

1. Compresin del fluido por reduccin de volumen y aumento de presin. 2. Dilatacin de la tubera por aumento de presin, con posible falla por

deformacin plstica del material. 3. Concentracin de esfuerzos sobre los instrumentos dispuestos en la lnea

de conduccin.

Figura 6 Ilustracin del Fenmeno de Golpe de Ariete

Fuente: Fernandez, P. (2002). Mecnica de fluidos.

2.4 Leyes Bsicas de la Mecnica de Fluidos Para la adecuada comprensin de los fenmenos que ocurren en el transporte de hidrocarburos por ductos es necesario conocer las leyes bsicas que rigen la mecnica de fluidos. Los principios bsicos enunciados por estas leyes son la base para la adecuada comprensin y anlisis de cualquier aplicacin. Ley de Pascal La ley de Pascal es un principio bsico de la operacin de un oleoducto o poliducto, establece que un fluido confinado transmite la presin externamente aplicada en todas las direcciones sin cambiar en magnitud. Esta ley establece que


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la variacin de la presin en un fluido en reposo solamente se da en el plano vertical, es decir, dos partculas de fluido que se encuentren a la misma altura de referencia tendrn la misma magnitud de presin cuyo valor es proporcional a la densidad del fluido de acuerdo a la siguiente expresin. = = Donde: = Peso especfico del fluido. g= Constante de aceleracin de gravedad. h= Altura del punto sobre el cual se piensa medir la presin.

Figura 7 Representacin de la Ley de Pascal

Fuente: White, Fluid Mechanics. 5th Edition, McGraw-Hill. 2002.

El diseo bsico de un oleoducto incluye este principio en cada parte debido a que la presin es la fuerza operativa que mueve el producto a travs del tubo. Cada


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parte de un sistema debe ser diseada para resistir la mxima presin de operacin (MOP) que ser aplicada por las bombas. Ley de la Conservacin de la Energa Este principio derivado de la termodinmica establece que la cantidad total de energa en cualquier sistema aislado (sin interaccin con ningn otro sistema) permanece invariable con el tiempo, aunque dicha energa puede transformarse en otra forma de energa. Es decir, la energa ni se crea ni se destruye y nicamente se transforma, para la aplicacin especial de la mecnica de fluidos cuando se transportan lquidos incompresibles de densidad constante este principio se puede expresar mediante el teorema de Bernoulli

22 + + = Donde: v = Velocidad del fluido en la seccin considerada. g = Aceleracin gravitatoria. z = Altura en la direccin de la gravedad desde una cota de referencia. P = Presin a lo largo de la lnea de corriente. = Peso especfico del fluido. El teorema de Bernoulli establece que un fluido tiene tres componentes: Cabeza de Movimiento (v2/2g): Se genera como consecuencia del movimiento del fluido. Cabeza de Posicin (z): Es la energa debido a la altitud que un fluido posea. Cabeza Esttica (P/ ): Es la energa que un fluido contiene debido a la presin esttica que posee. El teorema de Bernoulli parte del supuesto del fluido ideal, sin viscosidad ni friccin. En las aplicaciones reales los fluidos no son ideales y la ecuacin de Bernoulli se ajusta de la siguiente forma (Figura 6). 1

22 + 1 + 1 = 222 + 2 + 2 + Donde hl representa las prdidas por friccin ocasionadas en movimiento del fluido del punto 1 al 2.


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Figura 8

Representacin Grfica del Teorema de Bernoulli

Fuente: Fernndez, Mecnica de fluidos. 2002.

En trminos prcticos este principio sirve para calcular cunta presin se requiere para mover un volumen de lquido establecido de un punto inicial a un punto final, en un tiempo determinado. Tambin es aplicado en el diseo y seleccin de vlvulas de control, vlvulas de alivio de presin, tanques de relevo, entre otras aplicaciones de la hidrulica de ductos. 3. PROPIEDADES FSICAS DE LOS FLUIDOS Para la adecuada comprensin de los fenmenos asociados al transporte de hidrocarburos por ductos es necesaria la revisin de las propiedades fsicas de los fluidos, las cuales permiten conocer y predecir el comportamiento de los mismos bajo las condiciones de los procesos de transporte. La claridad conceptual de la presente Unidad permitir el entendimiento adecuado de los procesos asociados con fluidos, incluido el transporte de hidrocarburos por ductos a presin y los transportes alternativos. Densidad La densidad de cualquier cuerpo en la naturaleza en cualquier estado (slido o fluido) es una magnitud escalar referida a la cantidad de masa contenida en un determinado volumen y se encuentra denominada con la letra griega (rho).

=

Donde: m= Masa del fluido. v= Volumen.


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La densidad se mide en unidades de masa sobre volumen dependiendo del sistema de unidades que se utilice (kg/m3 en el sistema internacional de unidades o lb/ft3 en el sistema anglosajn). Una medida alternativa de la densidad es la gravedad especfica que consiste en la medicin de la densidad del producto como un mltiplo de la densidad del agua. La gravedad especfica es un factor adimensional.

. =

En la industria del petrleo se utiliza como medida de densidad la gravedad API (desarrollada por Instituto Americano del Petrleo por sus siglas en ingls). La gravedad API es una medida adimensional de densidad que describe cun denso un hidrocarburo comparndolo con el agua y se determina mediante la siguiente expresin:

= 141.5. 131.5

Como regla general si los grados API son mayores a 10 es menos denso que el agua y, por lo tanto, flota sobre sta. Peso Especfico Es la relacin que existe entre el peso de un cuerpo en cualquier estado y su volumen, se encuentra denominado con la letra griega (gamma) y matemticamente se calcula de la siguiente forma:

=

= Donde m= Masa del fluido. v= Volumen. = Densidad del producto. g= Aceleracin de gravedad (9.81 m/s2 o 32.2 ft/ s2). La densidad se mide en unidades de fuerza sobre volumen dependiendo del sistema de unidades que se utilice (N/m3 en el sistema internacional de unidades o lbf/ft3 en el sistema anglosajn). El peso especfico tambin puede ser usado para estimar la gravedad especfica de un cuerpo.

. =


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Viscosidad La viscosidad es la medida de la friccin interna de un fluido, la cual es creada cuando una capa de fluido es forzada a moverse con respecto a otra capa del mismo fluido. Entre mayor friccin mayor es la fuerza requerida para producir este movimiento. En otras palabras, la viscosidad es una medida de la resistencia que ofrece un fluido ante la accin de un esfuerzo cortante (Figura 9).

Figura 9 Representacin del Fenmeno de Deformacin de un Fluido ante la Accin de un

Esfuerzo Cortante

Fuente: White, Fluid Mechanics. 5th edition, McGraw-Hill. 2002.

Los fluidos pueden clasificarse con base en su comportamiento ante la aplicacin de esfuerzos cortantes. Cuando un fluido ofrece la misma resistencia ante la aplicacin de esfuerzos cortantes se denomina fluido newtoniano y se caracteriza por tener un valor constante de viscosidad a temperatura constante, los fluidos en los cuales no se cumple esta caracterstica se denominan no newtonianos (Figura 10). Para efecto del anlisis de la mecnica de fluidos aplicada al transporte de hidrocarburos se asume que los productos transportados son fluidos newtonianos por tener propiedades fsicas muy cercanas a las caractersticas ideales. Algunos ejemplos de fluidos no newtonianos son la arcilla, la plastilina, la sangre, la gelatina y el cemento mezclado con agua.


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Figura 10

Clasificacin de los Fluidos con Base en la Viscosidad

Fuente: Proyecto laboratorio. Cuando en la industria del petrleo se habla de crudos livianos se refiere a crudos de baja viscosidad, mientras que cuando nos referimos a crudos pesados se hace nfasis en crudos de alta viscosidad. La viscosidad de un fluido vara con la temperatura, en el caso de los lquidos de forma inversamente proporcional y en el caso de los gases de forma directamente proporcional. La relacin existente entre la viscosidad y la temperatura del fluido lquido se denomina ndice de viscosidad o VI, por sus siglas en ingls (viscosity index). El ndice de viscosidad mide la velocidad y la forma como cambia la viscosidad con cambios en la temperatura, si un fluido tiene un VI bajo, la viscosidad del fluido cambia rpidamente con los cambios de temperatura, por el contrario, un VI alto representa un cambio menor de viscosidad con los cambios de temperatura. La viscosidad se puede expresar como viscosidad dinmica o absoluta y como viscosidad cinemtica que resulta del cociente entre la viscosidad dinmica y la densidad del producto.

=

Donde: = Viscosidad cinemtica. =Viscosidad dinmica. =Densidad del producto. La unidad de medida del sistema internacional SI para la viscosidad dinmica es el Pa-s y el m2/s para la viscosidad cinemtica; estas unidades son muy grandes


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para medir los valores reales de viscosidad de los fluidos y por esta razn se utilizan submltiplos como el centipoise para medir la viscosidad dinmica (1,000 cp = 1 Pa-s) y el centistoke para medir viscosidad cinemtica (1,000,000cSt = 1 m2/s). Adicionalmente en la industria del petrleo se utilizan medidas alternativas como el SSU (Sistema Saybolt Universal) o el SSF (Segundo Saybolt Furol). La viscosidad en SSU se utiliza para lquidos densos. Para medir la viscosidad en SSU se mide el tiempo que toman 60 ml de lquido en fluir a travs de un orificio fijo de dimetro interior 1/16. 200 SSU significa que dur 200 segundos para que 60 ml del lquido fluyeran a travs del orificio fijo de 1/16. Similarmente SSF se utilizan con crudos extremadamente densos y corresponde a la medida de tiempo que toma para que un volumen fijo (60 ml) fluya a travs de un orificio fijo (1/8). Las viscosidades en SSU y SSF se pueden convertir en cSt como se muestra a continuacin.

= 0.226 195

Para 32 SSU 100

= 0.220 135

Para SSU >100 Donde: SSU= Viscosidad cinemtica en Segundos Saybolt Universal. cSt= Viscosidad cinemtica en centistokes.

= 2.24 184

Para 25 < SSF 40

= 2.16 60

Para SSU > 40 Donde: SSF= Viscosidad cinemtica en Segundos Saybolt Furol. cSt= Viscosidad cinemtica en centistokes. Punto de Fluidez Tambin conocido como punto de escurrimiento (pour point) es la mnima temperatura a la cual un producto fluye libremente y es un parmetro que debe ser


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considerado en aplicaciones donde las temperaturas sean extremadamente bajas o se presenten cambios de temperatura por estaciones definidas. Un bajo punto de fluidez indica que el fluido fluye libremente a muy bajas temperaturas mientras que un alto punto de fluidez indica que el fluido para de fluir a temperaturas bajas. Un error conceptual frecuente es la confusin entre un producto con punto de fluidez alto y uno con una viscosidad alta. Los productos no pueden transportarse por ductos por debajo de su punto de fluidez ya que a temperaturas inferiores se encuentran en un estado semislido y requieren ciertas condiciones para romper su estado plstico. Los problemas involucrados en el bombeo de productos por punto de fluidez pueden ser encontrados en lugares en donde la temperatura es baja como las cimas de las montaas por donde pasa el trayecto de un ducto o en pases en donde las estaciones son totalmente definidas. Las tcnicas y mtodos ms utilizados para reducir el punto de fluidez de productos pesados son las mezclas y el calentamiento, aplicados individualmente o en forma combinada. Punto de Inflamacin El punto de inflamacin (flash point) de un fluido es la temperatura a la cual su fase vapor presente puede generar llama al entrar en contacto con el aire sin que sea lo suficientemente alta para que se genere la combustin permanente. Punto de Ignicin Tambin conocido como punto de llama (fire point) corresponde a la temperatura ms alta que puede resistir un fluido antes de que los vapores del mismo entren en combustin y se quemen de forma permanente. Es un aspecto bsico en las consideraciones de seguridad en el transporte de hidrocarburos y en su almacenamiento y debe ser considerado en el caso de diseo y operacin de cualquier sistema en donde estn presentes el petrleo crudo y sus derivados.

Figura 11 Temperaturas Crticas de un Fluido


Punto de auto ignicin: sin presencia de llama se quema solo

Punto de llama fire point: se produce llama que se sostiene

Punto de chispa flash point: se produce llama que se extingue

Punto de fluidez: para de fluir

Tem

pera

tura


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Resistencia a la Oxidacin La totalidad de los productos que se transportan por los ductos en nuestro medio son compuestos constituidos por una mezcla de hidrgeno y carbono conocida como hidrocarburo. Cuando los hidrocarburos se exponen al aire y al calor toman el oxgeno del aire en un proceso denominado oxidacin. La resistencia a la oxidacin es una de las cualidades ms importantes de un producto debido a que todos tienden a oxidarse con el tiempo en un proceso que rompe la estructura qumica del producto y eventualmente destruye las cualidades lubricantes del mismo. El proceso de oxidacin, por lo general, es lento, pero si el producto salpica excesivamente o si se expone a temperaturas muy altas se acelera. Resistencia a la Emulsin Cuando dos o ms fluidos tienen diferencias grandes de densidad no se mezclan fcilmente entre s; sin embargo, si se dan las condiciones adecuadas, puede llegar a darse una mezcla pequea denominada emulsin. Una emulsin se define como la dispersin en forma de pequeas gotas de un lquido en otro no miscible con l. Debido a que el agua y el aceite no son fcilmente miscibles, cuando se unen se forma una emulsin en donde el agua se descompone en pequeas gotas y es transportada dentro del aceite. No es deseable tener una emulsin en el transporte de un hidrocarburo, debido a que disminuye la capacidad de lubricacin del mismo y atrapa partculas de polvo y contaminantes extraos que pueden daar y causar desgaste excesivo de la tubera, los rodamientos y dems componentes del sistema de transporte (Vargas, 2010). 4. EQUIPOS DE BOMBEO EN UN DUCTO Se denomina equipo de bombeo al equipo bsico necesario para poder realizar el transporte de un producto a travs de un ducto. El principal componente de un equipo de bombeo es la bomba que suministra la energa necesaria para lograr el desplazamiento de un producto por el sistema. La seleccin de una bomba requiere conocer las necesidades energticas que el sistema demandar y los tipos de bombas y arreglos que permiten suministrarla. 4.1 Clasificacin de Bombas Las bombas se pueden clasificar en dos grupos que son: Bombas centrfugas y bombas de desplazamiento positivo, dependiendo del principio fsico bajo el cual suministran energa al fluido. Las bombas centrfugas son mquinas hidrulicas que transforman trabajo mecnico en hidrulico mediante el cambio de la velocidad de las partculas de fluido. Una bomba centrfuga se compone de una tubera de aspiracin, una tubera de salida y uno o varios impulsores o rodetes formados por una serie de labes de diversas formas que giran dentro de una carcasa circular (Fernandez, 2002).


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Figura 12

Partes de una Bomba Centrfuga

Fuente: Fernndez, Mecnica de fluidos. 2002. Los labes del rodete someten a las partculas de fluido a un movimiento de rotacin de forma que abandonan el rodete hacia la voluta a gran velocidad aumentando su presin en el impulsor segn la distancia al eje. En la voluta se transforma parte de la energa dinmica adquirida en el rodete en energa de presin necesaria para transportar el fluido. El funcionamiento de las bombas de desplazamiento positivo consiste en el paso peridico de determinadas porciones de fluido desde la cavidad de aspiracin hacia la de descarga de la bomba aumentando la presin del mismo como resultado la reduccin del volumen que lo contiene, mediante la accin de un dispositivo que las desplaza que puede ser un pistn, un juego de engranajes, uno o varios tornillos, etc. El paso del fluido por la bomba volumtrica, a diferencia del paso por los labes de una bomba centrfuga, es irregular (Fernandez, 2002). La cavidad de aspiracin tiene que estar, siempre, hermticamente aislada de la de descarga o impulsin; a veces se puede admitir la existencia de pequeas filtraciones de lquido a travs de las holguras, deslizamiento, aunque en proporciones muy pequeas frente al suministro de la bomba. En general, todas las bombas de desplazamiento positivo son autoaspirantes, propiedad que se puede perder cuando la hermeticidad o el nmero de revoluciones de trabajo son insuficientes (Fernandez, 2002).


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Las bombas de desplazamiento positivo se pueden clasificar de acuerdo al tipo de actuador utilizado para suministrar el trabajo mecnico como se muestra a continuacin. Reciprocantes: Se caracterizan porque el fluido es desalojado de las cmaras de trabajo por el movimiento alternativo de un actuador mediante un mecanismo que por lo general es de biela manivela, aunque tambin se pueden utilizar otros mecanismos como levas o excntricas. En esta categora se encuentran las bombas de pistn y las bombas de diafragma.

Figura 13 Ejemplos de Bombas de Desplazamiento Positivo Reciprocante de Pistn

Fuente: Fernndez, Mecnica de fluidos. 2002. Rotativas: En las bombas rotativas, el lquido se traslada en las cmaras de trabajo, debido al movimiento giratorio, de los elementos mviles respecto a la parte fija o estator. En esta categora se encuentran las bombas de tornillo, de lbulos, de engranajes y de paletas.

Figura 14 Ejemplos de Bombas de Desplazamiento Positivo Rotativas

Fuente: Fernndez, Mecnica de fluidos. 2002.


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Figura 15 Ejemplo de una Bomba de Tornillo

Fuente: Fernndez, Mecnica de Fluidos. 2002. Cuando se selecciona una bomba se deben tener en cuenta algunos factores de diseo (Vargas, 2010). 4.2 Diferencial de Presin Se denomina diferencial de una bomba, o presin diferencial de una bomba, a la diferencia de presin existente entre la presin en el lado de succin de la bomba y el lado de descarga de la misma. En un proceso de bombeo siempre se debe suministrar el volumen suficiente de producto al lado de la succin de la bomba para igualar el volumen que la bomba intenta descargar. Si la presin en la lnea no es lo suficientemente alta para suministrar una cantidad apropiada de succin a la bomba se presenta cavitacin y esto causa daos a la bomba. En un sistema de transporte de hidrocarburos por ducto se deben calcular las presiones de succin y descarga necesarias para suministrar la rata de flujo que permita cumplir la programacin de transporte. Los valores encontrados se ajustan en el sistema de control del oleoducto para que las bombas se ajusten a las necesidades operacionales de cada producto. De ah en adelante se debe efectuar un monitoreo permanente de los valores establecidos y, si se presentan cambios en la operacin, se deben realizar los ajustes necesarios.


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Normalmente, las bombas principales estn provistas de un sistema que apaga el equipo cuando se presenta un cambio en la presin que supera los lmites establecidos por alguna condicin operacional atpica. Estos interruptores protegen al equipo por variacin en la diferencial de presin que puede haber sido causada por baja presin de succin, falta de presin, falta de flujo o alta presin de descarga. En caso de que una unidad de bombeo se haya detenido por cualquier razn es recomendable investigar las causas que llevaron al paro del sistema antes de reiniciar la operacin. 4.3 Capacidad de Bombeo La capacidad de bombeo es la cantidad de fluido que puede desplazar una bomba en un tiempo determinado. La capacidad de bombeo se mide y reporta en unidades de volumen por unidad de tiempo. La capacidad de bombeo est determinada por el desplazamiento de la bomba, el nmero de revoluciones que realiza por unidad de tiempo y el valor de la resistencia al flujo que presenta el producto. 4.4 Presin en la Bomba La finalidad de una bomba es suministrar energa a un fluido incrementando su presin para lograr su desplazamiento. La presin de una bomba es la cantidad mxima presin que puede manejar sin ver afectada la integridad de sus componentes. La presin en la bomba determina la cantidad de producto que puede mover, es decir, transportar a travs del ducto. 4.5 Velocidad del Motor de la Bomba La velocidad con que se mueve el motor que le suministra energa la velocidad de rotacin de la bomba. La velocidad del motor se mide en revoluciones por unidad de tiempo, normalmente en revoluciones por minuto (rpm). La velocidad del motor es un factor que determina la el caudal suministrado por la bomba. 4.6 Eficiencia La eficiencia de una bomba es la relacin entre la energa demandada por la bomba y la que se debe suministrar para su funcionamiento. El valor de la eficiencia de la bomba es suministrado por el fabricante en la curva de operacin y vara con el caudal de operacin logrando su valor mximo en el denominado punto de mejor eficiencia (BEP). La eficiencia de una bomba se ve afectada por factores como fugas internas de producto o mal estado de las partes mecnicas internas. Toda alteracin de las condiciones originales de diseo o de la condicin mecnica genera cambios en las curvas de eficiencia del equipo.


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4.7 Fluido Bombeado Dependiendo de las propiedades fsicas de los productos a transportar, se selecciona el tipo de bomba que mejor se ajuste a las necesidades operacionales. Por otra parte, debe tenerse en cuenta que algunos ductos manejan ms de un producto y que existirn productos especiales que requieren bombas especiales para su manejo sin afectar la integridad del sistema. 4.8 Confiabilidad y Tamao El concepto de confiabilidad de una bomba se relaciona con su desempeo bajo condiciones normales de operacin y mantenimiento del sistema. Operar con bombas confiables significa tener bajos costos y pocos tiempos perdidos debido a que requiere poco mantenimiento correctivo y bajo nmero de reparaciones. 4.9 Temperatura La temperatura en una bomba es inversamente proporcional a la velocidad del motor de la misma. Lo anterior por cuanto la velocidad del ventilador de enfriamiento est en funcin de la velocidad del motor, por lo que una operacin a bajas velocidades disminuye la capacidad de refrigeracin del equipo. 4.10 Curvas Caractersticas de Bombas La curva caracterstica de una bomba centrfuga es una grfica que relaciona el caudal con la altura manomtrica entregada por la misma. sta es entregada por el fabricante y se construye de forma experimental con base en pruebas de laboratorio normalmente hechas con agua en condiciones estndares. El punto de operacin de la bomba se halla cruzando la curva caracterstica de la bomba con la curva de demanda del sistema.

Figura 16 Ejemplo de una Curva Caracterstica de una Bomba Centrfuga

Fuente: Fabricante Sulzer Bingham.


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En el caso de la bomba centrfuga se debe prestar especial atencin al punto de mejor operacin de la misma que determina el rango en el cual debe ser operada sin afectar la integridad del equipo. Los estudios experimentales han demostrado que este rango se encuentra comprendido entre el 70 y el 120% del caudal para el cual la bomba ofrece su mayor eficiencia (BEP). La operacin de una bomba por fuera de este rango trae consecuencias catastrficas para la integridad de los equipos y la seguridad de los procesos.

Figura 17 Relacin entre Modos de Falla y Flujos de Operacin en Bombas Centrfugas

Fuente: McKinney, R. (s.f.). Conserve Your Energy - The Benefits of Pump System Optimization.

Las bombas de desplazamiento tienen menores variaciones en la relacin caudal-cabeza de presin por lo que las curvas de las bombas de desplazamiento positivo se asemejan ms a una lnea recta diferente a la forma que tienen las curvas de las bombas centrfugas.


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Figura 18 Comparacin de Curvas de Bombas de Desplazamiento Positivo y Centrfugas

Fuente: Fernndez, Mecnica de fluidos. 2002. Figura 19 Ejemplo de una Curva Caracterstica de una Bomba de Desplazamiento Positivo

Fuente: Fabricante Bornemann.


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Como se mencion anteriormente, las curvas caractersticas de las bombas se deben cruzar con la curva del sistema. La curva del sistema se construye determinando las necesidades de presin del mismo para obtener un caudal determinado ante las restricciones dadas por la viscosidad del producto, las prdidas por friccin y las prdidas por accesorios. En la Figura 19 se ilustra este procedimiento.

Figura 20 Determinacin del Punto de Operacin de una Bomba

Fuente: White, Fluid Mechanics. 5th edition, McGraw-Hill. 2002. 4.11 Arreglos de Bombas Para lograr satisfacer las demandas de energa de sistemas especficos se hace necesario recurrir a los arreglos de bombas cuando una sola bomba no tiene la capacidad de hacerlo o por criterios de diseo y tamaos de construccin. Los arreglos de bombas se realizan en serie o en paralelo dependiendo de la variable que se desee mejorar con el arreglo. Cuando se hace un arreglo de bombas en serie lo que se est buscando es lograr la presin de descarga que el sistema demanda para acometer el caudal objetivo. Cuando la primera no es factible de obtener con una unidad por su diseo mecnico, un arreglo de bombas en serie se puede expresar como un aumento de presin conservando el mismo caudal que entregara una sola unidad (Figura 21). El arreglo en paralelo se aplica cuando la necesidad principal es la de aumentar caudal y no se presentan mayores exigencias de suministro de presin para lograrlo. En el arreglo en paralelo la presin entregada no supera la que entrega una sola bomba operando de forma individual (Figura 22).


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Figura 21 Figura 22 Arreglo de dos Bombas en Serie Arreglo de dos Bombas en Paralelo

Fuente: White, Fluid Mechanics. 5th

edition, McGraw-Hill. 2002. Fuente: White, Fluid Mechanics. 5th edition, McGraw-Hill.

2002. Dependiendo de las necesidades particulares de cada sistema se selecciona el tipo de arreglo que se requiere sea serie, paralelo o combinaciones de ambos. En la Unidad 6 se analizarn con ms detenimiento los criterios de diseo de un ducto. 5. VLVULAS En un sistema de transporte por ductos es necesario el control de las variables, en las que se manifiesta la energa suministrada por un sistema de bombeo, que son presin y caudal. Estas variables deben ser controladas bien sea para dar al sistema la posibilidad de realizar labores especficas propias de la operacin y mantenimiento del sistema o para permitir el manejo de condiciones especiales que se dan ante eventos transitorios, que de no ser soportados pudiesen causar fallas en el sistema que llevaran a afectaciones a las personas y al medio ambiente. En el desarrollo de esta Unidad se mostrarn los tipos de vlvulas ms comunes de las aplicaciones de transporte por ductos en la industria del petrleo. 5.1 Vlvulas de Alivio de Presin Estas vlvulas estn diseadas para proteger un sistema hidrulico de excesiva presin o sobrepresin. Su funcionamiento se basa en la calibracin de la vlvula para que, una vez sea alcanzado un valor establecido (denominado set), la vlvula se abra automticamente para aliviar el exceso de presin y para que, una vez se alivie, se cierre automticamente. Las vlvulas de alivio se clasifican de acuerdo al principio fsico utilizado para la deteccin del exceso de presin y posterior accionamiento. Este principio puede ser mecnico mediante resorte (vlvulas resortadas) o electro-neumtico (vlvulas


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pilotadas).Dependiendo del tipo de vlvula que se seleccione cambia el procedimiento y el criterio de calibracin.

Figura 23 Figura 24 Ejemplo de Vlvula Resortada Ejemplo de Vlvula Pilotada

Fuente: American Petroleum Institute.

Fuente: American Petroleum Institute. 5.2 Vlvulas de Secuencia Este tipo de vlvulas se utilizan para el control de presin y su funcionamiento se basa en la desviacin de una fraccin de fluido hacia una lnea que normalmente se encuentra aislada de la lnea de flujo principal. Una vlvula de secuencia conectada a 2 lneas dirige el flujo solamente a la lnea primaria cuando la vlvula est cerrada. Cuando la presin en la lnea primaria alcanza un punto dado, la vlvula abre permitiendo el flujo a ambas lneas, la primaria y la secundaria, para que, cuando la presin en la lnea primaria regrese a los valores normales de operacin, cierre y dirija nuevamente el flujo solamente hacia la lnea primaria.


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Figura 25

Esquema de Operacin de una Vlvula de Secuencia

Fuente: Conceptos Bsicos de Neumtica e Hidrulica. Las vlvulas de secuencia determinan el orden en el cual el fluido fluye a diferentes partes del sistema y por este motivo tienen aplicacin en sistemas hidrulicos y neumticos donde sea necesario controlar secuencias de movimiento. Este principio permite que este tipo de vlvulas sean utilizadas como un medio de automatizacin. Un ejemplo del uso de una vlvula de secuencia como medio de optimizacin se da en un sistema de impulsin del tren de aterrizaje de aviones donde la salida del tren de aterrizaje se debe iniciar nica y exclusivamente despus la finalizacin exitosa de la apertura de las compuertas.


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Figura 26

Esquema del Uso de Vlvulas de Secuencia como Medio de Automatizacin

Fuente: Conceptos Bsicos de Neumtica e Hidrulica. 5.3 Vlvulas de Contrabalance Funcionan como vlvulas de control direccional de flujo. Se utilizan para asegurar que el fluido nicamente sea transportado en una direccin establecida impidiendo el flujo en la direccin contraria. Cuando se incrementa la carga, la vlvula de contrabalance mantiene la presin en el sistema hidrulico para prevenir que la carga caiga. La vlvula de contrabalance tiene un resorte que ajusta la presin que puede resistir.


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Figura 27

Ejemplo de una Vlvula de Contrabalance

1. TORNILLO DE AJUSTE. 2. DRENAJE INTERNO. 3. RESORTE. 4. CARRETE. 5. ENTRADA DE PRESIN O SALIDA

DE FLUIDO LIBRE REVERSO. 6. PASAJE PILOTO. 7. VLVULA DE RETENCIN. 8. SALIDA DE DESCARGA O SALIDA

DE FLUIDO LIBRE REVERSO- 9. PISTN.

Fuente: Conceptos Bsicos de Neumtica e Hidrulica. En la Figura 27 se muestra un ejemplo de una vlvula de contrabalance cuyo funcionamiento se describe a continuacin. El elemento de vlvula es un carrete equilibrado (4). El carrete consiste en dos pistones fijados permanentemente en cualquier extremo de un eje. Las superficies internas de los pistones son iguales; por lo tanto, la presin acta igualmente en ambas reas, sin importar la posicin de la vlvula y no tiene ningn efecto sobre el movimiento de la vlvula -de ah, el nombre de balanceado-. El rea del eje entre los dos pistones proporciona el rea para que el lquido fluya cuando la vlvula est abierta. Un pequeo pistn (9) se adjunta a la parte inferior de la vlvula de carrete. Cuando la vlvula est en la posicin cerrada, el pistn superior de la vlvula de carrete bloquea el puerto de descarga (8). Con la vlvula en esta posicin, el lquido que fluye desde la unidad de impulsin ingresa en el puerto de entrada (5). El lquido no puede atravesar la vlvula porque se bloquea el puerto 8 de descarga. Sin embargo, el lquido atravesar el paso piloto (6) hacia el pequeo pistn piloto. A medida que la presin aumenta, sta acta sobre el pistn piloto hasta que supera la presin de reglaje del resorte (3). Esto fuerza el carrete de la vlvula (4) para arriba y permite que el lquido fluya alrededor del eje del carrete de la vlvula y se descargue afuera hacia el puerto (8). La figura muestra la vlvula en esta posicin. Durante el flujo inverso, el lquido entra en el puerto (8). El resorte (3) fuerza el carrete (4) de la vlvula a la posicin cerrada. La presin del lquido supera la tensin de resorte de la vlvula de retencin (7). La vlvula de


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retencin se abre y permite el libre flujo alrededor del eje del carrete de vlvula y hacia fuera a travs del puerto (5). La presin operativa de la vlvula puede ser ajustada girando el tornillo de ajuste (1), que aumenta o disminuye la tensin del resorte. Este ajuste depende del peso que la vlvula debe soportar. Es normal que una pequea cantidad de lquido se pierda alrededor del pistn superior de la vlvula de carrete y dentro del rea alrededor del resorte. Una acumulacin causara una presin adicional en la parte superior de la vlvula de carrete. Esto requerira presin adicional para abrir la vlvula. El drenaje (2) proporciona un paso para que este lquido fluya hacia el puerto (8). 5.4 Vlvulas de Control Las vlvulas de control son utilizadas comnmente en oleoductos y poliductos para regular flujo y presin. Tambin se pueden utilizar para aliviar presin en algunas aplicaciones y pueden ser de sello hermtico o no. El tamao de la vlvula y el patrn de flujo a travs de estas vlvulas se pueden ajustar progresivamente por estrangulamiento, lo cual puede incrementar su tendencia a daos por cavitacin, vibracin y erosin. Estas vlvulas se utilizan principalmente en estaciones de bombeo, pero tambin en otros puntos de la lnea. Dependiendo de las necesidades de estrangulamiento los fabricantes de vlvulas de control han diseado curvas de estrangulamiento que permiten ajustar los sistemas de control de las estaciones a las necesidades de restriccin de flujo de los sistemas. En este sentido, se tienen estandarizados tres tipos de estrangulamiento. Estrangulamiento Lineal: El flujo se estrangula proporcionalmente al avance del vstago. Estrangulamiento de Apertura Rpida: El flujo se estrangula rpidamente en el inicio del avance del vstago de la vlvula y de forma lenta cuando este se aproxima al final del recorrido. Estrangulamiento Igual Porcentaje: El flujo se estrangula de forma lenta en el inicio del avance del vstago de la vlvula y de forma rpida cuando se aproxima al final del recorrido.


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Figura 28 Patrones de Estrangulamiento de Vlvulas de Control

Fuente: Fabricante Fisher.

Figura 29 Componentes Tpicos de una Vlvula de Control

Fuente: Fabricante Fisher.


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El tipo de patrn de estrangulamiento que debe usarse se obtiene como resultado de las necesidades de control de flujo que provee el diseo de la estacin o del oleoducto. 5.5 Vlvulas de Bloqueo Se conocen especficamente como vlvulas de bloqueo a las que operan en la lnea principal con el objeto de cerrar completamente el flujo, en un momento determinado, a travs de dicha tubera. El efecto de bloqueo del flujo que realizan se hace con el objeto de superar una situacin durante una emergencia, para aislar el sistema durante un mantenimiento programado. Las vlvulas de bloqueo se clasifican de acuerdo al tipo de actuador que realiza la accin de suspensin de flujo. Vlvulas de Bola Utilizan una bola para bloquear el paso de fluido. A medida que la manija de la vlvula se da vuelta para abrir la vlvula, la bola gira a un punto donde el agujero a travs de la bola est alineado de forma parcial o total con la entrada y la salida del cuerpo de vlvula permitiendo el flujo. Cuando se gira la bola de manera que el agujero sea perpendicular a las aberturas de flujo del cuerpo de vlvula el flujo se bloquea. La mayora de las vlvulas de bola son del tipo de accin rpida y requieren un giro de 90 para abrir o cerrar totalmente. Sin embargo, muchas son accionadas por engranajes planetarios. Este tipo de engranaje permite el uso de una fuerza relativamente pequea en el volante y de parte del operario para hacer funcionar una vlvula bastante grande. Pese a la reduccin en la fuerza necesaria, la transmisin por engranajes aumenta el tiempo operativo de accionamiento de la vlvula. Algunas vlvulas de bola tambin contienen una retencin basculante situada dentro de la bola para darles una caracterstica de la vlvula retencin.


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Figura 30 Figura 31 Vlvula de Bola Vlvula de Bola con Retencin Basculante

Fuente: Conceptos Bsicos de Neumtica e Hidrulica.

Fuente: Conceptos Bsicos de Neumtica

e Hidrulica. Adems de las vlvulas de bola, vistas en las figuras adjuntas al tema, existen vlvulas de bola de tres vas, que se utilizan para suministrar el lquido de una sola fuente a un componente u otro en un sistema de dos componentes.

Figura 32 Vlvula de Bola de Tres Vas

Fuente: Conceptos Bsicos de Neumtica e Hidrulica.


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Vlvulas de Compuerta Las vlvulas de compuerta deben su nombre a la forma del actuador que realiza el bloqueo del flujo. Se caracterizan por ofrecer pequeas cadas de presin y no son recomendables para aplicaciones en las que se requiere de estrangulamientos parciales de flujo.

Figura 33 Esquema Tpico de una Vlvula de Compuerta

Fuente: Conceptos Bsic

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