Diseño de Tuberia Forzada

8/9/2019 Diseo de Tuberia Forzada

1/381

UNIVERSIDAD POLITCNICA DE MADRID

E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS

COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DE TUBERAS FORZADAS

Y BLINDAJES EN SALTOS HIDROELCTRICOS.

PROPUESTAS DE DISEO Y CLCULO

TESIS DOCTORAL

Jose Luis Garcia Valdeolivas

Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos

Madrid, 2013


2/381

DEPARTAMENTO DE MECNICA DE MEDIOS CONTINUOS y

TEORA DE ESTRUCTURAS

E.T.S. de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos

COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DE TUBERAS FORZADAS

Y BLINDAJES EN SALTOS HIDROELCTRICOS.

PROPUESTAS DE DISEO Y CLCULO

TESIS DOCTORAL

Jose Luis Garcia Valdeolivas

Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos

DIRECTOR:Juan Carlos Mosquera Feijo

Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos

Madrid, 2013


3/381

DEPARTAMENTO DE MECNICA DE MEDIOS CONTINUOS y

TEORA DE ESTRUCTURAS

E.T.S. de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos

Tribunal nombrado por el Magfco. y Excmo. Sr. Rector de la Universidad

Politcnica de Madrid, el da ____de__________________de _____.

Presidente: ____________________________________________

Vocal 1: ____________________________________________

Vocal 2: ____________________________________________

Vocal 3: ____________________________________________

Secretario: ____________________________________________

Realizado el acto de defensa y lectura de la Tesis el da ______ de

____________ de _____ en la E.T.S. de Ingenieros de Caminos, Canales y

Puertos de la Universidad Politcnica de Madrid.

Acuerdan otorgar la calificacin de,

___________________________________________

EL PRESIDENTE LOS VOCALES

EL SECRETARIO


4/381

COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DE TUBERAS FORZADAS Y BLINDAJES

EN SALTOS HIDROELCTRICOS. PROPUESTAS DE DISEO Y CLCULO


5/381



pg. i

RESUMEN

En los ltimos aos ha aumentado el inters en el desarrollo de proyectos en el mbito de

las centrales hidroelctricas y en concreto en las centrales reversibles. Estas centrales estn

diseadas para grandes caudales y saltos, lo cual conlleva tneles de gran dimetro y alta

presin y a menudo son esquemas subterrneos. Por ello, los estudios relativos a

revestimientos de tneles en presin y los referentes a los blindajes de acero han cobrado una

mayor relevancia.

En las dcadas de los 60 y 70 se realiz una importante labor de investigacin coincidiendo

con el desarrollo hidroelctrico en Europa y Norteamrica, que sin embargo ha quedado sin

continuidad hasta esta dcada, en la que se ha experimentado un impulso debido al desarrollo

de nuevos proyectos hidroelctricos de gran magnitud.

La adecuacin de los mtodos de clculo de blindajes supone una herramienta

imprescindible en el correcto desarrollo tcnico de los nuevos proyectos hidroelctricos, as

como para la evaluacin de la seguridad de los saltos hidroelctricos existentes en operacin.

En la presente Tesis se realiza un anlisis del comportamiento estructural de las galeras

en presin de saltos hidroelctricos, as como una discusin y revisin de los mtodos de

clculo existentes. En concreto se analizan los siguientes aspectos:

Descripcin y comparacin de las formulaciones existentes para el clculo de

blindajes tanto a presin exterior como interior.

Aplicacin del Mtodo de Elementos Finitos para la modelizacin y clculo

resistente y frente a inestabilidad de blindajes sometidos a presin exterior.

Anlisis de un caso real, en el que se ha producido un fallo estructural en un

blindaje sometido a presin exterior. Discusin sobre el comportamiento de

blindajes con rigidizadores. Estudio paramtrico de la capacidad resistente y de la

estabilidad de los blindajes con rigidizadores.

Estudio del comportamiento diferenciado entre un rigidizador y un conector.

Detalles constructivos y de durabilidad de las galeras en presin.

Desarrollo de una metodologa para el clculo de blindajes y tuberas forzadas a

fatiga derivada de las variaciones de presin de la conduccin.


6/381



pg. ii

Anlisis de un caso real de una tubera forzada sometida a procesos de variacin

de carga, evaluando su seguridad frente a la fatiga.

El clculo de blindajes en galeras forzadas presenta una serie de aspectos complejos, y

que no permiten la definicin del problema con exactitud, tales como las caractersticas del

macizo rocoso y su permeabilidad, la determinacin del nivel fretico, la holgura existente entre

el blindaje y el revestimiento del trasds y sus posibles defectos geomtricos.

Por estas incertidumbres, el clculo de blindajes supone una materia compleja y que debeser abordada desde la cautela y el anlisis de otros trabajos y/o anlisis realizados con

anterioridad. En cualquier caso, debe realizarse un anlisis de sensibilidad de los diversos

parmetros que intervienen en el clculo.

En esta tesis se han descrito las principales formulaciones de clculo de blindajes de

galeras forzadas sometidas a presin interior y exterior; se ha constatado que existe una gran

diversidad y que de su aplicacin no se llega a resultados concluyentes.

Las formulaciones clsicas utilizadas en el clculo de blindajes lisos y con rigidizadores

sometidos a presin exterior (Amstutz y Jacobsen) no resultan del todo adecuadas ni son de

aplicacin general. Adems, pueden arrojar resultados no conservadores o conducir a un

sobredimensionamiento del blindaje en otros casos.

En las formulaciones tradicionales de diseo se han tenido en cuenta como imperfecciones

la holgura del blindaje y la ovalidad del mismo. En la presente tesis, se han analizado

imperfecciones de tipo ondulatorio derivadas de los procesos de soldadura y la existencia de

espesores reducidos en zonas de corrosin.

En el caso prctico analizado sometido a presin exterior, se ha comprobado el

funcionamiento real del blindaje mediante los modelos realizados con elementos finitos. Se

desprende que los rigidizadores no han funcionado como tales, puesto que para blindajes lisos

se obtienen presiones ms bajas de pandeo y para el caso de funcionamiento correcto de los

rigidizadores se habra obtenido un coeficiente de seguridad suficiente. Por este motivo, se ha

analizado el posible funcionamiento de los rigidizadores, que en determinados casos pueden

actuar como conectores. En estos casos deben dimensionarse de forma adecuada las

soldaduras para soportar las tensiones entre chapa y conector.


7/381



pg. iii

Por otra parte, tradicionalmente no se han tenido en cuenta los efectos de fatiga que

pueden ocasionar los golpes de ariete y las pulsaciones de presin debidas a la regulacin

secundaria de la red. En esta tesis se ha establecido un procedimiento de comprobacin de

tuberas forzadas y blindajes sometidos a procesos de fatiga.

Adicionalmente, se ha estudiado el caso real de las tuberas forzadas de una central

reversible real (Bolarque II) en funcionamiento de regulacin secundaria. Se ha concluido,

como en otros casos analizados en la bibliografa, que las pulsaciones derivadas de laregulacin secundaria no son significativas como para tener en cuenta la fatiga del acero.

Por otra parte, las maniobras de arranque y parada (golpe de ariete) suponen una variacin

importante de la presin en la conduccin. Sin embargo, el moderado nmero de ciclos permite

asegurar la integridad de la tubera frente a fenmenos de fatiga.


8/381



pg. iv

ABSTRACT

Nowadays, there is a significant concern in the development of projects in the field of

hydroelectric power plants, particularly in the pump-storage projects. These plants are designed

for high flow rates and heads, which entails large-diameter tunnels and high pressure ratios),

and often as underground schemes. Therefore, this concern has reactivated studies about

penstocks and in particular those related to steel liners.

During the 1960s and 1970s due to hydropower-engineering development in Europe and

North America, a major research effort was done. However, the increasing development of new

large-scale hydropower projects has involved a renewed research effort during this decade.

The adequacy of steel liner calculation methods is a very important issue in the proper

technical development of new hydroelectric projects, and for the safety assessment of existing

hydroelectric power plants in operation.

In this work, an analysis of the structural behavior of pressure galleries in hydroelectricschemes was carried out. Also, a discussion and a review of existing calculation methods are

included. In particular, the following issues have been considered:

Description and comparison of existing formulations for calculating the liner response to

both external and internal pressure.

Analysis of an actual case study of a steel liner which failed due to external pressure.

Application of the Finite Element Method to liner modeling and analysis subjected to

external pressure.

A parametric study of the shielding with stiffeners and discussion about the behavior of

liner with stiffeners.

Constructive aspects and durability of pressure galleries.

Development of a methodology for estimating fatigue effects on penstocks and liners

sue to pressure changes.

Analysis of an actual case study of a penstock under varying load and assessment of

its safety against fatigue.


9/381



pg. v

The project of a hydropower penstock is a complex issue, due to the uncertainties in the

definition of the problem data, such as the characteristics of the rock mass and its permeability,

the determination of the water table, the existing gap between the steel liner and the concrete of

the backfill, the geometric imperfections...

Hence, the design and analysis of a steel liner must be addressed cautiously and take into

account a review of previous studies performed. Ever, a sensitivity analysis of the various

parameters involved in the calculation should be performed.

In this work, some of the most relevant formulations for liner design subjected to inside and

outside pressure have been studied. As a whole, there is a wide variety and its application does

not lead to conclusive results.

The classical formulations used in the steel liner calculation either with or without stiffeners

under external pressure (Amstutz and Jacobsen) are not entirely adequate Also, those can yield

both conservative and non-conservative results in large ranges of application.

Traditionally design approaches only considered initial gap and ovality as the most relevant

geometric imperfections. Thus, little attention was paid to those caused either by welding or by

thickness loss in corroded areas.

In the case study analyzed in this thesis, the actual working of the liner under external

pressure has been simulated by the Finite Element Method. Results show that the stiffeners

have not performed as such, since for unstiffened liner lower buckling pressures are obtained

and for proper performance of the stiffeners would give a sufficient safety factor. Hence, it must

be pointed out that stiffeners may perform either as such or as connectors. For the latter,welding must be designed to properly withstand stresses between the shell and the stiffener.

Likewise, the potential fatigue effects due to both water hammer and pressure pulsations

due to secondary regulation of the network have not been considered in many studies. It has

been included in this work a procedure for checking penstocks and liners under fatigue

processes.

Additionally, the penstock fatigue response of an actual pump storage project (Bolarque II,

Spain) subjected to secondary control operation has been assessed. As in other cases


10/381



pg. vi

discussed in the literature, pulsations derived from the secondary control are not significant to

account for fatigue of steel.

Moreover, the start and stop manoeuvres (water hammer) cause a significant change in

penstock pressure. However, the moderate number of cycles ensures the integrity of the

penstock against fatigue phenomena.


11/381



pg. vii

AGRADECIMIENTOS

En primer lugar quiero recordar a mi familia. A mis padres Basilio y Juana y a mi hermana

Montse, gracias a los cuales soy Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos; y a mi esposa

Marian y a mis hijos Jorge y Martina, por su comprensin y apoyo para la realizacin de los

cursos de Doctorado y la realizacin de la presente Tesis.

A Gas Natural Fenosa, y en particular a D. Alfredo Prez Prez por su tiempo enmostrarme la Central de Bolarque II y sus explicaciones sobre el funcionamiento real de una

central hidroelctrica y en particular de una central reversible. Tambin a D. Javier Velasco

Pascual de Zulueta por su inters y su predisposicin a la realizacin de este trabajo. Mencin

tambin para Jos Luis Guitart Carmona y Nuria Rodriguez Nieto por sus aportaciones y puntos

de vista sobre el clculo de tuberas y blindajes de acero.

Finalmente, deseo expresar mi agradecimiento al Dr. Juan Carlos Mosquera Feijo;

director de la Tesis, por su trabajo, sugerencias, comentarios y atencin durante todo el

desarrollo del periodo de investigacin y de redaccin de la Tesis. Tambin quiero agradecer a

los miembros del Tribunal de Prelectura: Dr. Avelino Samartn Quiroga, Dr. Antonio Martnez

Cutillas y Dr. Jaime Garca Palacios, sus comentarios y aportaciones, que han mejorado

notablemente la presentacin de los resultados.


12/381



pg. viii

NDICE GENERAL

NOMENCLATURA ............................................................................................................................. xxviii

1. MOTIVACIN DEL ESTUDIO ........................................................................................................ 1

2. ALCANCE DE LA TESIS Y OBJETIVOS ........................................................................................ 9

3. METODOLOGA .......................................................................................................................... 11

4. BLINDAJE DE GALERAS FORZADAS. TIPOS Y COMPONENTES ............................................ 14

5. TENSIN ADMISIBLE. EVOLUCIN DE LOS ACEROS UTILIZADOS EN LA INDUSTRIA

HIDROELCTRICA ................................................................................................................... 32

6. ASPECTOS RELATIVOS A LA FATIGA DE BLINDAJES Y TUBERAS FORZADAS EN

SALTOS HIDROELCTRICOS.................................................................................................. 35

7. APLICACIN DEL CLCULO FRENTE A FATIGA A UN CASO REAL ........................................ 54

8. COMPORTAMIENTO DEL BLINDAJE SOMETIDO A PRESIN INTERIOR. ............................... 96

9. CLCULO FRENTE A PRESIN INTERIOR. DISCUSIN DE LAS FORMULACIONES

EXISTENTES. ......................................................................................................................... 112

10. INESTABILIDAD DEL BLINDAJE BAJO PRESIN EXTERIOR ................................................. 116

11. TEORAS DE INESTABILIDAD PARA ESTUDIAR EL COMPORTAMIENTO DEL BLINDAJE .... 124

12. ADECUACIN DE LAS TEORAS A LOS MODOS DE INESTABILIDAD ................................... 143

13. MODELIZACIN DEL BLINDAJE MEDIANTE EL MTODO DE ELEMENTOS FINITOS ........... 157

14. ESTUDIO PARAMTRICO DE BLINDAJES CON RIGIDIZADORES ......................................... 195

15. INCLUSIN DE IMPERFECCIONES EN EL MODELO NUMRICO .......................................... 217

16. APLICACIN A UN CASO REAL DE FALLO POR INESTABILIDAD .......................................... 225


13/381



pg. ix

17. DISCUSIN SOBRE EL COMPORTAMIENTO DE LOS BLINDAJES CON RIGIDIZADORES.

DIAGNSTICO DEL FALLO DE LA GALERA FORZADA DEL CASO PRCTICO.................. 243

18. REFUERZO, REPARACIN Y MEJORA DE BLINDAJES EXISTENTES ................................... 247

19. CONCLUSIONES ...................................................................................................................... 252

20. APORTACIONES Y RECOMENDACIONES DE DISEO .......................................................... 256

21. LNEAS ABIERTAS DE INVESTIGACIN .................................................................................. 263

22. REFERENCIAS ......................................................................................................................... 265

23. ANEXO I. REGISTRO DE RESULTADOS OBTENIDOS EN EL ESTUDIO PARAMTRICO

MEDIANTE MODELO ELEMENTOS FINITOS......................................................................... 272

24. ANEXO II. INSPECCIN GALERA FORZADA CASO PRCTICO. FOTOGRAFAS. ................ 282

25. ANEXO III. EL MERCADO ELCTRICO ESPAOL ................................................................... 294

26. ANEXO IV. FORMULACIONES DE CLCULO DE BLINDAJES SOMETIDOS A PRESIN

EXTERIOR .............................................................................................................................. 310


14/381


15/381



pg. xi

6.1. FATIGA Y CORROSIN-FATIGA ................................................................................................ 35

6.2. CORROSIN BAJO TENSIN (SCC) Y FRAGILIZACIN POR HIDRGENO (HAC) ................. 38

6.3. FATIGA DE BLINDAJES Y DE TUBERAS FORZADAS DE ACERO ........................................... 40

6.4. CONCEPTOS BSICOS DE PREVENCIN DEL FALLO POR FATIGA ...................................... 45

6.4.1.MTODO DE CLASIFICACIN. CURVAS S-N (NIVEL 1 y 2) ...................................................... 47

6.4.2.APLICACIN DE LA MECNICA DE LA FRACTURA .................................................................. 48

7. APLICACIN DEL CLCULO FRENTE A FATIGA A UN CASO REAL ........................................ 54

7.1. CARACTERSTICAS DE LA CENTRAL REVERSIBLE DE BOLARQUE II.................................... 54

7.2. MODELO DE CLCULO DE PRESIONES ................................................................................... 60

7.3. ESCENARIOS DE CLCULO CONSIDERADOS ......................................................................... 71

7.4. PRESIONES DURANTE ARRANQUES Y PARADAS .................................................................. 72

7.5. PRESIONES DURANTE MODULACIN DE CARGA (REGULACIN SECUNDARIA) ................ 76

7.6. COMPROBACIN DE LA FATIGA ............................................................................................... 83

7.6.1.COMPROBACIN UTILIZANDO CURVAS S-N ........................................................................... 84

7.6.2.COMPROBACIN APLICANDO LA MECNICA DE LA FRACTURA ........................................... 857.7. CORROSIN BAJO TENSIN .................................................................................................... 94

8. COMPORTAMIENTO DEL BLINDAJE SOMETIDO A PRESIN INTERIOR. ............................... 96

8.1. CONFINAMIENTO VERTICAL ..................................................................................................... 96

8.2. TENSIONES IN SITU ................................................................................................................... 98

8.3. MEDIDA DE LAS TENSIONES IN SITU ..................................................................................... 102

8.4. CONFINAMIENTO LATERAL..................................................................................................... 105

8.5. REPARTO DE LA PRESIN INTERIOR ENTRE EL BLINDAJE Y EL TRASDS ...................... 109

9. CLCULO FRENTE A PRESIN INTERIOR. DISCUSIN DE LAS FORMULACIONES

EXISTENTES. ......................................................................................................................... 112

10. INESTABILIDAD DEL BLINDAJE BAJO PRESIN EXTERIOR ................................................. 116

10.1. CONSIDERACIONES SOBRE LA PRESIN EXTERIOR EN LOS BLINDAJES ......................... 116

10.2. REVESTIMIENTO DE ACERO SOMETIDO A CARGA HIDROSTTICA EXTERIOR ................. 118

10.3. BLINDAJES LISOS Y CON RIGIDIZADORES ............................................................................ 119

10.4. MECANISMOS DE INESTABILIDAD DE BLINDAJES (LISOS Y CON RIGIDIZADORES) .......... 122


16/381



pg. xii

11. TEORAS DE INESTABILIDAD PARA ESTUDIAR EL COMPORTAMIENTO DEL BLINDAJE .... 124

11.1. INESTABILIDAD. CILINDROS PERFECTOS. DEFECTOS INICIALES GEOMTRICOS EN EL

REVESTIMIENTO ................................................................................................................... 127

11.1.1. INESTABILIDAD ..................................................................................................................... 127

11.1.2. DEFECTOS INICIALES GEOMTRICOS EN TUBERAS Y BLINDAJES ................................ 131

11.2. INESTABILIDAD ELSTICA Y PLSTICA EN LA TEORA DE LBULO NICO ....................... 138

11.3. HIPTESIS DE DEFORMACIN PLANA .................................................................................. 141

12. ADECUACIN DE LAS TEORAS A LOS MODOS DE INESTABILIDAD ................................... 143

12.1. INESTABILIDAD GLOBAL ......................................................................................................... 143

12.2. INESTABILIDAD LOCAL ............................................................................................................ 146

12.3.ANLISIS DE BLINDAJES Y TUBERAS FRENTE A PRESIN EXTERIOR. DISCUSIN DE

LAS FORMULACIONES EXISTENTES ................................................................................... 148

13. MODELIZACIN DEL BLINDAJE MEDIANTE EL MTODO DE ELEMENTOS FINITOS ........... 157

13.1. MODELIZACIN APLICANDO MEF DE LA INESTABILIDAD DEL BLINDAJE ........................... 158

13.1.1. ESTABILIDAD BASADA EN EL ANLISIS LINEAL DE AUTOVALORES. ANLISIS DE

BIFURCACIN. ...................................................................................................................... 161

13.1.2. ANLISIS NO LINEAL DE LA INESTABILIDAD ...................................................................... 162

13.2. MODELIZACIN APLICANDO MEF DE REVESTIMIENTOS LISOS SUJETOS EN SUS

EXTREMOS CIRCUNFERENCIALMENTE.............................................................................. 164

13.2.1. CILINDRO SUJETO CIRCUNFERENCIALMENTE. LONGITUD ENTRE EXTREMOS

SUJETOS DE L= 30.000 mm .................................................................................................. 165

13.2.2. CILINDRO SUJETO CIRCUNFERENCIALMENTE. LONGITUD ENTRE EXTREMOS

SUJETOS DE L= 2.500 mm .................................................................................................... 16613.3. MODELIZACIN MEDIANTE EL MEF DE REVESTIMIENTOS CON RIGIDIZADORES ............. 171

13.4. MODELIZACIN MEDIANTE EL MEF AL CLCULO DE REVESTIMIENTOS LISOS CON EL

BLINDAJE COACCIONADO RADIALMENTE. ......................................................................... 175

13.4.1. MODELIZACIN EN 2D DE BLINDAJES LISOS ..................................................................... 175

13.5. MODELIZACIN COMPLETA EN 3D MEDIANTE EL MEF DE TRAMO DE TUBERA

FORZADA (SIN RIGIDIZADORES) COACCIONADA RADIALMENTE. .................................... 187

13.6. MODELIZACIN COMPLETA EN 3D MEDIANTE EL MEF DE TRAMO DE TUBERA

FORZADA (INCLUIDOS RIGIDIZADORES) COACCIONADA RADIALMENTE. ....................... 190


17/381



pg. xiii

14. ESTUDIO PARAMTRICO DE BLINDAJES CON RIGIDIZADORES ......................................... 195

14.1. RELACIN DIMETRO ESPESOR (D/t). ESBELTEZ. ............................................................... 201

14.2. LMITE ELSTICO DEL ACERO ................................................................................................ 202

14.3. SEPARACIN ENTRE RIGIDIZADORES (L/D).......................................................................... 204

14.4. RIGIDEZ DEL TRASDS DEL BLINDAJE (k) ............................................................................ 205

14.5. INFLUENCIA DE LA HOLGURA INICIAL (g/D). Imperfeccin geomtrica................................... 207

14.6. ESBELTEZ GENERALIZADA..................................................................................................... 209

14.7. COMPARACIN DEL FUNCIONAMIENTO ENTRE RIGIDIZADORES Y CONECTORES .......... 212

15. INCLUSIN DE IMPERFECCIONES EN EL MODELO NUMRICO .......................................... 217

15.1. PRDIDA DE ESPESOR POR CORROSIN ............................................................................ 218

15.2. DEFECTOS DERIVADOS DE LAS SOLDADURAS.................................................................... 219

16. APLICACIN A UN CASO REAL DE FALLO POR INESTABILIDAD .......................................... 225

16.1. CARACTERSTICAS BSICAS DEL SALTO HIDROELCTRICO ANALIZADO ......................... 225

16.2. ENTORNO GEOLGICO .......................................................................................................... 230

16.2.1. GEOLOGA DE LA ZONA DE LA CONDUCCIN FORZADA .................................................. 231

16.3. DESCRIPCIN DE LA ROTURA ............................................................................................... 231

16.4. DISEO ORIGINAL DEL BLINDAJE .......................................................................................... 235

16.5. CLCULOS ORIGINALES DE LAS GALERAS ......................................................................... 238

16.6. GEOMETRA ............................................................................................................................. 239

16.7. CARACTERSTICAS DE LOS MATERIALES ............................................................................. 240

16.8. CARGAS CONSIDERADAS ....................................................................................................... 241

16.9. RESULTADOS OBTENIDOS EN LOS MODELOS DE ELEMENTOS FINITOS .......................... 241

17. DISCUSIN SOBRE EL COMPORTAMIENTO DE LOS BLINDAJES CON RIGIDIZADORES.

DIAGNSTICO DEL FALLO DE LA GALERA FORZADA DEL CASO PRCTICO.................. 243

18. REFUERZO, REPARACIN Y MEJORA DE BLINDAJES EXISTENTES ................................... 247

18.1. REPARACIN DE LA CONDUCCIN FORZADA DEL PROYECTO CLEUSONS DIXENCE ..... 248

19. CONCLUSIONES ...................................................................................................................... 252


18/381



pg. xiv

20. APORTACIONES Y RECOMENDACIONES DE DISEO .......................................................... 256

20.1. DISEO CONCEPTUAL Y ANLISIS DE LOS MTODOS DE CLCULO EXISTENTES .......... 256

20.2. COMPROBACIN A FATIGA DE TUBERAS FORZADAS Y BLINDAJES ................................. 257

20.3. COMPORTAMIENTO DE BLINDAJES SOMETIDOS A PRESIN INTERIOR ............................ 257

20.4. COMPORTAMIENTO DE BLINDAJES SOMETIDOS A PRESIN EXTERIOR .......................... 258

20.5. ESTUDIO PARAMTRICO DEL COMPORTAMIENTO DE BLINDAJES RIGIDIZADOS

FRENTE AL FALLO POR INESTABILIDAD............................................................................. 259

20.6. CONSIDERACIN DE IMPERFECCIONES. COEFICIENTES DE SEGURIDAD ........................ 262

21. LNEAS ABIERTAS DE INVESTIGACIN .................................................................................. 263

22. REFERENCIAS ......................................................................................................................... 265

23. ANEXO I. REGISTRO DE RESULTADOS OBTENIDOS EN EL ESTUDIO PARAMTRICO

MEDIANTE MODELO ELEMENTOS FINITOS......................................................................... 272

23.1. NOMECLATURA UTILIZADA EN LOS CUADROS DE RESULTADOS ...................................... 272

23.2. RESULTADOS DEL ESTUDIO PARAMTRICO MEDIANTE UN MODELO DE ELEMENTOSFINITOS ................................................................................................................................. 274

24. ANEXO II. INSPECCIN GALERA FORZADA CASO PRCTICO. FOTOGRAFAS. ................ 282

24.1.ASPECTOS GENERALES DE LA CONDUCCIN ..................................................................... 282

24.2. FILTRACIONES. INSPECCIN VISUAL .................................................................................... 282

24.3.ASPECTOS ESTRUCTURALES ................................................................................................ 283

24.3.1. ASPECTO DEL BLINDAJE ................................................................................................ ..... 283

24.3.2. ASPECTO DE LAS SOLDADURAS ........................................................................................ 28324.3.3. ASPECTO DE LOS RIGIDIZADORES .................................................................................... 283

24.3.4. ASPECTO DEL EXTREMO INFERIOR DE LA ZONA AFECTADA .......................................... 283

24.3.5. ASPECTO DEL EXTREMO SUPERIOR DE LA ZONA AFECTADA......................................... 283

24.3.6. ASPECTO DEL HORMIGN .................................................................................................. 284

24.3.7. COMPUERTA DE TOMA ........................................................................................................ 284

24.4. COMPARACIN ENTRE EL ESTADO INICIAL Y EL ACTUAL .................................................. 284

25. ANEXO III. EL MERCADO ELCTRICO ESPAOL ................................................................... 294

25.1. CARACTERSTICAS GENERALES DEL SISTEMA ELCTRICO............................................... 294


19/381


20/381



pg. xvi

ndice de Figuras

Figura 1. Centrales Reversibles en proceso de tramitacin en USA (Enero 2009). .................... 2

Figura 2. Esquema de una central hidrulica reversible. ............................................................ 3

Figura 3. Vista de la instalacin de la central reversible de Bolarque II en Guadalajara. (Gas

Natural Fenosa). ....................................................................................................................... 4

Figura 4. Vista de la Central en Caverna de Montzic (Francia, 910 MW, 1983). ....................... 5

Figura 5. Perfil longitudinal de la central de Grand Maison (Francia). Se sealan las zonas en

las que se dispone blindaje (en rojo). ........................................................................................ 6

Figura 6. Evolucin histrica de la potencia de grupos hidrulicos (convencionales yreversibles). Catlogo VOITH. ................................................................................................... 7

Figura 7. Alcance y Objetivos de la presente Tesis. ................................................................. 10

Figura 8. Vista de la ejecucin de un blindaje (Espaa, 2.010). ............................................... 16

Figura 9. Modelo de clculo. Principales parmetros. .............................................................. 19

Figura 10. Ejecucin de un blindaje con rigidizadores. Kazajistn. 2011. D=4,0 m ................... 19

Figura 11. Golpe de Ariete segn USBR [56]........................................................................... 23

Figura 12. Clculo del golpe de ariete segn USBR [56]. ......................................................... 24

Figura 13. Acciones sobre el blindaje: Presin interior esttica y dinmica. Presin exterior [40].

............................................................................................................................................... 26

Figura 14. Proyecto Cleusons Dixence. Presin esttica, por golpe de ariete (+32%) y externa

[40]. ........................................................................................................................................ 27

Figura 15. Combinaciones de clculo segn diversa normativa [27]. ....................................... 30

Figura 16. Limitaciones en la tensin de clculo del acero [27]. ............................................... 30

Figura 17. Coeficientes de seguridad empleados en el clculo de blindajes [12]. ..................... 31

Figura 18. Limitaciones en la tensin de clculo del acero segn diversa normativa [27]. ........ 32

Figura 19. Evolucin de los aceros de alta resistencia [27]. ..................................................... 33

Figura 20. Curvas corrosin-fatiga [3]. ..................................................................................... 36


21/381



pg. xvii

Figura 21. Vista de fisura en la capa final de una soldadura. ................................................... 37

Figura 22. Corrosin bajo tensin en dos ambientes diferentes en la que se representa la

velocidad de apertura de fisura da/dt en funcin del logaritmo de la tenacidad [3]. ................... 38

Figura 23. Fragilizacin por hidrgeno. Velocidad de apertura de fisura en funcin del logaritmo

del factor de intensidad de tensiones [3]. ................................................................................. 39

Figura 24. Determinacin de la curva FAD de nivel 3 en el clculo a fatiga del API 579 [2]. ..... 46

Figura 25. Metodologa de clculo de Nivel 2 de la comprobacin a fatiga segn API 579 [3]. . 47

Figura 26. Curvas de Whler. S-N [38]. ................................................................................... 48

Figura 27. Ley de Paris [38]. ................................................................................................... 52

Figura 28.Recomendacin de ensayos no destructivos (NDT) [38]. ......................................... 53

Figura 29. Planta general del aprovechamiento de Bolarque II (Gas Natural Fenosa). ............. 54

Figura 30. Fotografa del Salto de Bolarque (Gas Natural Fenosa). ......................................... 55

Figura 31. Ficha tcnica de la CHR Bolarque II (Gas Natural Fenosa). .................................... 56

Figura 32. Tuberas de aspiracin de la CHR Bolarque II (Gas Natural Fenosa). ..................... 57

Figura 33. Tuberas forzadas de la CHR Bolarque II (Gas Natural Fenosa). ............................ 58

Figura 34. Perfil longitudinal esquemtico de la CHR Bolarque II. Archivo Gas Natural Fenosa.

............................................................................................................................................... 59

Figura 35. Seccin de la casa de mquinas de la CHR Bolarque II (Archivo Gas Natural

Fenosa). ................................................................................................................................. 59

Figura 36. Modos de funcionamiento de Bolarque II. ............................................................... 62

Figura 37. Modelo de clculo de presiones WHAMO implementado (Bolarque II). ................... 63

Figura 38. Chimenea de equilibrio de Bolarque II. Seccin. (Archivo Gas Natural Fenosa). ..... 64

Figura 39. Curva de turbina modelo del USBR para velocidad especfica entre 111 y 178 [55].

............................................................................................................................................... 65

Figura 40. Curva de turbina del modelo USBR aplicada a Bolarque II para caudal en funcin de

apertura del distribuidor (GATE) y del salto neto (Head). ......................................................... 66Figura 41. Curva de turbina del modelo USBR aplicada a Bolarque II para rendimientos en

funcin de apertura del distribuidor (GATE) y del salto neto (Head). ........................................ 66

Figura 42. Curva de turbina-bomba del modelo USBR [54]. ..................................................... 67

Figura 43. Estimacin de la inercia de la turbina-bomba USBR [54]. ........................................ 69

Figura 44. Estimacin de la inercia de la turbina-bomba segn el USBR [54]........................... 70

Figura 45. Curva de turbina-bomba considerada para Bolarque II (Caudales).......................... 70

Figura 46. Curva de turbina-bomba considerada para Bolarque II (Par). .................................. 71

Figura 47. Lnea de presiones de Bolarque II (proyecto original). ............................................. 72

Figura 48. Tiempos de apertura y cierre de distribuidor y vlvula. (Bolarque II). ....................... 73


22/381



pg. xviii

Figura 49. Parada de 3 Grupos en modo Turbina. TANK: Nivel de Chimenea, TG1 Posicin del

distribuidor, VA1 Posicin de la Vlvula, Node 250 salto aguas arriba y Node 520 salto aguas

abajo....................................................................................................................................... 74

Figura 50. Arranque de 3 Grupos en modo Turbina. TANK: Nivel de Chimenea, TG1 Posicin

del distribuidor, VA1 Posicin de la Vlvula, Node 250 salto aguas arriba y Node 520 salto

aguas abajo. ........................................................................................................................... 74

Figura 51. Arranque de 4 Grupos en modo Bomba. TANK: Nivel de la Chimenea, TG1 Posicin


aguas abajo. ........................................................................................................................... 75

Figura 52. Parada de 4 Grupos en modo Bomba. TANK: Nivel de la Chimenea, TG1 Posicin


aguas abajo. ........................................................................................................................... 75

Figura 53. Amplitud de la presin segn el semiperiodo de variacin de la carga T/2 (s). ........ 77

Figura 54. Amplitud de variacin de la potencia en funcin del semiperiodo de variacin de la

carga. ..................................................................................................................................... 78

Figura 55. Perfil de la tubera forzada de la central de Bolarque II (tramo inferior). (Archivo Gas

Natural Fenosa). ..................................................................................................................... 78

Figura 56. Seccin, espesores y calidad del acero de la tubera forzada de Bolarque II, tramo

inferior. (Archivo Gas Natural Fenosa). .................................................................................... 79

Figura 57. Amplitud de tensiones en el comienzo de la tubera forzadas segn el semiperiodo

de variacin de la carga. ......................................................................................................... 80

Figura 58. Nivel de la chimenea, presin mxima y potencia durante variacin de carga T=4,4s.

............................................................................................................................................... 80

Figura 59. Nivel de la chimenea, presin mxima y potencia durante variacin de carga T=20s.

............................................................................................................................................... 81

Figura 60. Nivel de la chimenea, presin mxima y potencia durante variacin de carga T=120s........................................................................................................................................ 81

Figura 61. Nivel de la chimenea, presin mxima y potencia durante variacin de carga

T=1254s. ................................................................................................................................ 82

Figura 62. Comparacin regulacin T=120s y T=1240s (Nivel chimenea, potencia y presin). . 82

Figura 63. Comparacin regulacin T=120s y T=1240s (Velocidad, potencia y apertura

distribuidor). ............................................................................................................................ 83

Figura 64. Tubera con una fisura longitudinal. (www.efatigue.com). ........................................ 86

Figura 65. Factor de intensidad de tensiones de una tubera con una fisura longitudinal.

D=3,15m y e=33mm. ............................................................................................................... 87


23/381



pg. xix

Figura 66. Datos para el anlisis de fatiga de fisura longitudinal en la tubera forzada para una

carrera de tensiones de 28 MPa (sobrepresin). ..................................................................... 88

Figura 67. Propagacin de la fisura longitudinal en la tubera forzada para una carrera de

tensiones de 28 MPa (sobrepresin). ...................................................................................... 88

Figura 68. Datos para el anlisis de fatiga de fisura longitudinal en la tubera forzada para una

carrera de tensiones de 64,19 MPa (sobrepresin). ................................................................ 89

Figura 69. Propagacin de la fisura longitudinal en la tubera forzada para una carrera de

tensiones de 64,19 MPa (sobrepresin). ................................................................................. 89

Figura 70. Esquema soldadura por ambas caras para determinacin del factor de intensidad detensiones. (www.efatigue.com)................................................................................................ 90

Figura 71. Datos para el anlisis de fatiga de fisura en la soldadura en la tubera forzada para

una carrera de tensiones de 28 MPa (sobrepresin)................................................................ 91

Figura 72. Factor de intensidad de tensiones de soldadura por ambas caras. (e=33mm). ........ 91

Figura 73. Propagacin de la fisura en la soldadura para una carrera de tensiones de 28 MPa

(sobrepresin). ........................................................................................................................ 92

Figura 74. Datos para el anlisis de fatiga de fisura en la soldadura en la tubera forzada para

una carrera de tensiones de 64,19 MPa (sobrepresin). .......................................................... 92

Figura 75. Propagacin de la fisura en la soldadura para una carrera de tensiones de 64,19

MPa (sobrepresin). ................................................................................................................ 93

Figura 76. Nmero de ciclos en funcin de la longitud de fisura inicial. Defecto en la soldadura.

Carrera de tensiones de 28 MPa. ............................................................................................ 94

Figura 77. Comprobacin de la corrosin bajo tensin en la tubera para diferentes longitudes

de fisura iniciales. ................................................................................................................... 95

Figura 78. Ejemplo de colocacin de blindaje basado en la relacin entre las tensiones

naturales del macizo (mnima tensin principal) y la presin de la conduccin (supuesto de un

20 a un 30% de sobrepresin por golpe de ariete). .................................................................. 97Figura 79. Criterio Noruego de confinamiento [52]. .................................................................. 98

Figura 80. Tensin vertical en funcin de la profundidad en un macizo rocoso [28]. ................. 99

Figura 81. Tensin horizontal en funcin de la vertical (k) en macizos rocosos con diferente

rigidez [28]. ........................................................................................................................... 100

Figura 82. World Stress Map. Arco Mediterrneo. ................................................................. 101

Figura 83. World Stress Map. Pennsula Ibrica. ................................................................... 102

Figura 84. Croquis del ensayo de hidrofracturacin [30]. ....................................................... 103

Figura 85. Resultados obtenidos en ensayo de hidrofracturacin. Tensiones horizontales

principales en funcin de la profundidad [30]. ........................................................................ 104


24/381



pg. xx

Figura 86. Comprobacin del criterio Noruego en casos reales [22]....................................... 105

Figura 87. Comparacin entre criterios de confinamiento (Vertical, Noruego y Snowy

Mountains) [22]. .................................................................................................................... 106

Figura 88. Evolucin del diseo de los tneles noruegos [45]. ............................................... 107

Figura 89. Evolucin de los tneles noruegos sin revestimiento [45]. ..................................... 108

Figura 90. Consideraciones de diseo de tneles noruegos sin revestimiento [45]. ............... 109

Figura 91. Hiptesis de compatibilidad utilizadas por diversos autores para el clculo de

blindajes sometidos a presin interior [27]. ............................................................................ 110

Figura 92. Clculo de blindajes sometidos a presin interior segn USArmy [52]. .................. 111

Figura 93. Reparto de la presin interior en el blindaje Rfis=4Rs. .......................................... 113

Figura 94. Reparto de la presin interior en el blindaje Rfis=1,5Rs. ....................................... 114

Figura 95. Diferentes configuraciones de rigidizadores empleados en blindajes. ................... 121

Figura 96. Esquema geomtrico de la colocacin de rigidizadores con una separacin L. Se

marca el ancho eficaz tradicionalmente tenido en cuenta en el clculo. ............................... 121

Figura 97. Mecanismos de pandeo de un cilindro con rigidizadores [14]. ............................... 122

Figura 98. Mecanismos de pandeo de un cilindro con rigidizadores. Tabla de clasificacin [14].

............................................................................................................................................. 123

Figura 99. Esquema de fabricacin de una tubera o blindaje [40]. ........................................ 127

Figura 100. Inestabilidad de un cilindro perfecto e imperfecto. ............................................... 128

Figura 101. Inestabilidad. Punto lmite y Punto de bifurcacin (ambos puntos crticos). ......... 130

Figura 102. Tipos de bifurcacin. (a) Simtrica estable, (b) Simtrica no estable, (c) No

simtrica. .............................................................................................................................. 131

Figura 103. Bifurcacin no simtrica. Efecto de las imperfecciones. ...................................... 132

Figura 104. Bifurcacin estable simtrica. Efecto de las imperfecciones. ............................... 132

Figura 105. Bifurcacin no estable simtrica. Efecto de las imperfecciones. .......................... 133

Figura 106. Continuidad en uniones soldadas. Imperfecciones [46]. ...................................... 136Figura 107. Tamao sugerido de las imperfecciones debidas a soldaduras [46]. ................... 137

Figura 108. Inestabilidad elstica y plstica segn El Sawy [21]. ........................................... 139

Figura 109. Pandeo segn frmula de Euler para tubo libre y segn Vaughan. Presin externa

de pandeo frente a esbeltez [9]. ............................................................................................ 144

Figura 110. Pandeo segn Jacobsen y segn simetra radial. Presin externa frente a esbeltez

[9]. ........................................................................................................................................ 145

Figura 111. Presin crtica segn diversas formulaciones respecto del parmetro D/t.

gap=3mm.............................................................................................................................. 151

Figura 112. Parmetro de comparacin K respecto de la Pcr Euler (gap=3mm). .................... 152


25/381



pg. xxi

Figura 113. Parmetro de comparacin K respecto de la Pcr Euler (gap=8mm). .................... 153

Figura 114. Estimacin frmulas de Pandeo (gap=8mm). ...................................................... 154

Figura 115. Estimacin frmulas de pandeo (gap=0,6mm). ................................................... 154

Figura 116. Pandeo de un cilindro sujeto circunferencialmente L= 30m, cs= 0,30337, n=5,

Pcr=0,212 MPa ..................................................................................................................... 165


Pcr=0,219 MPa ..................................................................................................................... 165


Pcr=0,264 MPa ..................................................................................................................... 166

Figura 119. Pandeo de un cilindro sujeto circunferencialmente L= 2,5 m, cs= 1,33427, n=9,

Pcr=0,933 MPa ..................................................................................................................... 166


Pcr=0,933 MPa. Vista 3D. ..................................................................................................... 167


Pcr=0,940 MPa ..................................................................................................................... 167


Pcr=0,940 MPa . Vista 3D. .................................................................................................... 168


Pcr=1,016 MPa ..................................................................................................................... 168


Pcr=1,016 MPa. Vista 3D. ..................................................................................................... 169

Figura 125. Comparacin entre mtodos de clculo sin considerar la coaccin radial con

resultados de MEF (elastic buckling). L=30000 mm e=14 mm. .............................................. 170

Figura 126. Comparacin entre mtodos de clculo sin considerar la coaccin radial con

resultados de MEF (elastic buckling). L=2500 mm e=14 mm. ................................................ 171

Figura 127. Pandeo de un cilindro con rigidizadores L= 2,5 m, cs= 0,4887, n=4, Pcr=0,342MPa. ..................................................................................................................................... 172

Figura 128. Pandeo de un cilindro con rigidizadores L= 2,5 m, cs= 0,4887, n=4, Pcr=0,342

MPa. Vista 3D. ...................................................................................................................... 172

Figura 129. Pandeo de un cilindro con rigidizadores L= 2,5 m, cs= 0,5705, n=5, Pcr=0,40 MPa.

............................................................................................................................................. 173

Figura 130. Pandeo de un cilindro con rigidizadores L= 2,5 m, cs= 0,5705, n=5, Pcr=0,40 MPa.

............................................................................................................................................. 173

Figura 131. Pandeo de un cilindro con rigidizadores L= 2,5 m, cs= 0,74119, n=6, Pcr=0,518

MPa. ..................................................................................................................................... 174


26/381


27/381



pg. xxiii

Figura 154. Influencia del lmite elstico en la presin crtica de blindajes con rigidizadores para

diversos D/t. .......................................................................................................................... 203

Figura 155. Influencia del lmite elstico en blindajes con rigidizadores. Comparacin entre

resultados del mtodo propuesto y los de Jacobsen. ............................................................. 204

Figura 156. Influencia de la separacin entre rigidizadores para diferentes relaciones D/t. .... 205

Figura 157. Influencia de la rigidez del conjunto hormign-roca en la presin crtica para

blindajes rigidizados con diferentes relaciones D/t. ................................................................ 206

Figura 158. Influencia de la rigidez del terreno en funcin de D/t ........................................... 207

Figura 159. Influencia de la holgura inicial en la presin crtica de blindajes con rigidizadorespara diversos valores de D/t. ................................................................................................. 208

Figura 160. Influencia de la holgura inicial en la presin crtica de blindajes con rigidizadores

para diversos valores de la holgura del trasds. .................................................................... 208

Figura 161. Esbeltez generalizada. Relacin con la presin crtica de pandeo. ...................... 210

Figura 162. Inestabilidad elstica con formacin de lbulos mltiples (izquierda) e inestabilidad

inelstica por plastificacin (derecha). ................................................................................... 211

Figura 163. Comportamiento de rigidizadores como conectores. ........................................... 213

Figura 164. Comparacin del comportamiento como rigidizadores y conectores. D/t= 160..... 214

Figura 165. Comparacin del comportamiento como rigidizadores y conectores. D/t= 200..... 214

Figura 166. Comparacin del comportamiento como rigidizadores y conectores D/t= 285,7. .. 215

Figura 167. Comparacin del comportamiento como rigidizadores y conectores D/t= 400...... 215

Figura 168. Comparacin del comportamiento como rigidizadores y conectores D/t= 400 con los

mtodos tradicionales (Jacobsen y Roark). ........................................................................... 216

Figura 169. Vista de una de las imperfecciones geomtricas derivadas de la soldadura

implementadas en el modelo de elementos finitos. ................................................................ 221

Figura 170. Geometra de la imperfeccin para diferentes valores de la semilongitud de onda

(wo= 11 mm). ........................................................................................................................ 222Figura 171. Factor de reduccin de la presin crtica para diferentes valores de la amplitud (wo)

............................................................................................................................................. 223

Figura 172. Factor de reduccin de la presin crtica para diferentes valores de la semilongitud

de onda y de la amplitud wo. .............................................................................................. 223

Figura 173. Seccin de la presa y de la casa de mquinas. ................................................... 227

Figura 174. Perfil longitudinal de la galera forzada. .............................................................. 227

Figura 175. Perfil longitudinal del salto hidroelctrico. ............................................................ 228

Figura 176. Detalle de la toma de la galera forzada. ............................................................. 229

Figura 177. Esquema de la zona afectada por la inestabilidad. .............................................. 233


28/381



pg. xxiv

Figura 178. Secciones tipo de la zona afectada por la inestabilidad. ...................................... 234

Figura 179. Seccin tipo de la galera forzada y perfil longitudinal (proyecto original)............. 237

Figura 180. Clculos originales del blindaje en el caso prctico. ............................................ 238

Figura 181. Caractersticas geomtricas de la seccin de rigidizadores. ................................ 239

Figura 182. Esquema del aprovechamiento Cleuson-Dixence [24]......................................... 249

Figura 183. Esquema del refuerzo realizado [24]. .................................................................. 250

Figura 184. Fallo por inestabilidad elstica con formacin de lbulos mltiples (izquierda) y fallo

por inestabilidad inelstica tras la plastificacin (derecha). .................................................... 261

Figura 185. Vista de la tubera forzada y del tramo daado desde aguas abajo ..................... 285

Figura 186. Vista del tramo daado desde aguas abajo......................................................... 285

Figura 187. Vista del desgarro en la zona del fallo aguas abajo ............................................. 286

Figura 188. Vista de un rigidizador que ha quedado embebido en el hormign. ..................... 286

Figura 189. Vista abolladura zona izquierda (visto desde aguas abajo) del tramo inferior. ..... 287

Figura 190. Vista del desgarro de la chapa en la zona de comienzo del tramo afectado (extremo

inferior). ................................................................................................................................ 287

Figura 191. Zona afectada. Rigidizador separado de la tubera. Rotura de la soldadura entre

tubera y rigidizador. Pueden verse los restos del cordn en el blindaje. Zona prxima al

extremo inferior. .................................................................................................................... 288

Figura 192. Vista zona afectada. Rigidizadores separados o no de la tubera metlica.

Embebidos en el hormign y/o perdidos. ............................................................................... 289

Figura 193. Vista zona afectada. Tramo superior. Se puede ver el desgarro en el extremo

superior................................................................................................................................. 290

Figura 194. Vista de detalle de desgarro en la parte superior de la zona afectada. ................ 291

Figura 195. Vista rotura por desgarro y deformacin en la parte inferior de la zona afecta (vista

desde arriba). Extremo superior de la zona afectada. ............................................................ 292

Figura 196. Evolucin prevista del mix energtico espaol 2009-2020. ............................... 294Figura 197. Evolucin prevista del mix energtico espaol entre 2009 y 2020. .................... 295

Figura 198. Precio horario del mercado diario 9/Enero/2011. (Fuente: REE). ........................ 299

Figura 199. Curva de demanda 16/Junio/2011. (Fuente: REE). ............................................. 301

Figura 200. Energa horaria y coste de produccin del proceso de solucin de restricciones

tcnicas, 15/Junio/2011. (Fuente: REE). ............................................................................... 301

Figura 201. Gestin de desvos, 15/Junio/20011. (Fuente: REE). .......................................... 303

Figura 202. Regulacin terciaria, 16/Junio/2011. (Fuente: REE). ........................................... 307

Figura 203. Formas de pandeo segn el valor de n [9]. ....................................................... 311

Figura 204. Modo de Pandeo n=4. (Obtenido en SAP2000nonlinear). ................................... 312


29/381



pg. xxv

Figura 205. Pandeo mediante lbulos mltiples (cilindro sujeto circularmente en sus

extremos)[9]. ......................................................................................................................... 313

Figura 206. Estimacin del nmero de lbulos. Winderburg and Trilling (1934) [52]. .............. 314

Figura 207. Pandeo Von Mises (cilindro sujeto circularmente en sus extremos) [52]. ............. 315

Figura 208. Pandeo segn Vaughan [52]............................................................................... 316

Figura 209. Pandeo segn lbulo nico. (Obtenido en SAP2000nonlinear)............................ 320

Figura 210. Pandeo segn lbulo nico. Caracterizacin geomtrica (Ver 26.3.3). ................ 321

Figura 211. Parmetros de la formulacin de Amstutz. .......................................................... 323

Figura 212. Coeficientes de Amstutz [52]. ............................................................................. 325

Figura 213. Presin crtica de pandeo. baco de Amstutz segn Toral [51]. .......................... 326

Figura 214. Pandeo segn Jacobsen. Tomado de [21]. ......................................................... 330

Figura 215. Pandeo de tuberas areas o de blindajes sin coaccin radial [12]. ..................... 335

Figura 216. Pandeo de blindajes con coaccin radial (CECT segn Amstutz) [12]. ................ 336

Figura 217. Formulacin de Glock. ........................................................................................ 337

Figura 218. Comparacin del mtodo de la ASTM F1216 con otras teoras, en especial con las

de Glock y Euler [5]. .............................................................................................................. 340

Figura 219. Propuesta de modificacin de la ASTM F1216. [5] .............................................. 341

Figura 220. Estudio paramtrico de El Sawy (1) [21]. ............................................................ 344







30/381



pg. xxvi

ndice de Tablas

Tabla 1. Principales centrales hidrulicas reversibles en construccin o proyecto en Espaa. ... 1

Tabla 2. Valores habituales de los principales parmetros geomtricos del blindaje. ............... 19

Tabla 3. Valores habituales de n de Manning para diversos materiales................................. 21Tabla 4. Mxima sobrepresin en funcin del tipo de turbina para cierre normal y de

emergencia [22]. ..................................................................................................................... 25

Tabla 5. Coeficientes de seguridad para el acero segn Gordon [26]....................................... 33

Tabla 6. Modos de Operacin reales o previstos de varias centrales hidrulicas reversibles. ... 42

Tabla 7. Solicitaciones de carrera de tensiones mxima y mnima en funcin del lmite elstico

del acero en tuberas y blindajes. ............................................................................................ 43

Tabla 8. Duracin de las maniobras de Bolarque II. ................................................................. 62

Tabla 9. Caractersticas de la tubera comprobada a fatiga...................................................... 84

Tabla 10. Presin interior de la tubera comprobada a fatiga. .................................................. 84

Tabla 11. Tensiones en la tubera comprobada a fatiga. .......................................................... 84

Tabla 12. Carreras de tensiones en la tubera forzada debidas a la sobrepresin y a la dinmica

por regulacin secundaria. ...................................................................................................... 84

Tabla 13. Clasificacin de los problemas de inestabilidad en tubera forzadas y en tuberas

areas o cilindros en general. Mtodos de clculo. ................................................................ 126

Tabla 14. Valores habituales de la holgura entre acero y el revestimiento de hormign. ........ 135

Tabla 15. Estimacin de los parmetros b y n para la expresin exponencial de la presin

crtica segn diversas formulaciones. .................................................................................... 155

Tabla 16. Comparacin de la presin crtica de inestabilidad elstica en cilindros obtenida por

diferentes mtodos (inestabilidad elstica). ........................................................................... 169

Tabla 17. Resultados obtenidos. Estabilidad elstica cilindro con rigidizadores sin coaccin. 175

Tabla 18. Lmites elsticos y de rotura de aceros considerados en este estudio paramtrico. 203

Tabla 19. Mdulo de elasticidad de diferentes tipos de Roca (Chaudry). ............................... 206

Tabla 20. Influencia del defecto de prdida localizada de espesor por corrosin. ................... 218

Tabla 21. Aplicacin del modelo de elementos finitos al caso prctico. Resultados. ............... 241

Tabla 21. Mtodo de clculo recomendado en funcin de la tipologa de la tubera o del blindaje

y del modo de fallo esperado. ............................................................................................... 258


31/381



pg. xxvii

Tabla 22. Espaciamientos (L/D) mximos en funcin de la esbeltez (D/t) por debajo de los

cuales es preferible el funcionamiento como conectores. ...................................................... 260

Tabla 23. Precio medio mensual del mercado diario en Espaa (/MWh). Ao 2010. (Fuente:

REE). .................................................................................................................................... 300

Tabla 24. Precio medio mensual de banda de regulacin secundaria (/MW), ao 2010.

(Fuente: REE). ...................................................................................................................... 306

Tabla 25. Precio mensual de Regulacin Secundaria a bajar (/MWh), 2010. (Fuente: REE).306

Tabla 26. Precio mensual de Regulacin Terciaria a subir (euros/MWh), 2010. (Fuente: REE).

............................................................................................................................................. 308

Tabla 27. Precio mensual de Regulacin Terciaria a bajar (euros/MWh), 2010. (Fuente: REE).

............................................................................................................................................. 308


32/381



pg. xxviii

NOMENCLATURA

a,b ngulo

c,m parmetros

cs Coeficiente de seguridad

d Gap, Holgura entre el blindaje y el revestimiento o la inyeccin

D Dimetro del blindaje

Dh Prdida de carga hidrulica

E Mdulo de Elasticidad (del acero cuando no se especifique)

E Mdulo de Elasticidad (Deformacin Plana)

Ec Mdulo de Elasticidad del hormign

Er Mdulo de Elasticidad de la roca del trasds

Es Mdulo de Elasticidad del acero

fsy Lmite elstico

fu Tensin de rotura

Fchrea de la chimenea

Fg rea de la tubera en presin

FS Factor de seguridad

g Constante de gravitacin universal

g Holgura o gap inicial

Autovalor

I Momento de Inercia

IE ndice de estabilidad

I3 Esbeltez generalizadaJ Momento polar de Inercia

k Coeficiente prdidas de carga

K Parmetro de comparacin con la presin crtica de Euler

Kc Factor de intensidad de tensiones

KisccUmbral de tenacidad en ambiente corrosivo

L Distancia entre rigidizadores

Lg Longitud de galera en presin

M Momento flector

N Esfuerzo Axil, Velocidad nominal de la turbina, Nmero de Ciclos en fatiga


33/381



pg. xxix

n nmero de Manning, nmero de lbulos de pandeo

Pcr Presin crtica de Pandeo

PcrEULER Presin crtica de Euler

Pglock Presin crtica de Pandeo de Glock

r Radio

R Radio

R, Ro Radio del blindaje (radio interior)

Rs Radio del blindaje (acero; lnea del eje)

Rfis Radio de roca fisuradaRst Relacin entre el radio y el espesor del blindaje

RfisRadio de la roca fisurada alrededor del blindaje

Rh Radio hidrulico

sh Presin horizontal en un macizo rocoso

sv Presin vertical en un macizo rocoso

S Potencia aparente

t Espesor del blindaje

Tmin Espesor mnimo del blindaje

Tm Tiempo de arranque de la mquina

Tos Tiempo de la chimenea

Tw Tiempo de arranque del agua

v Velocidad

WR2 Inercia generador

y Autovector

,ngulo

tensin amplitud de onda (imperfeccin geomtrica derivada de soldadura)

Coeficiente de Poisson

amplitud de imperfeccin geomtrica derivada de soldadura

h prdida de carga


34/381



pg. 1

1. MOTIVACIN DEL ESTUDIO

En los ltimos aos ha aumentado de manera relevante el inters en el desarrollo de

proyectos en el mbito de las centrales hidroelctricas reversibles (motivado en gran parte por

el aumento de la energa elica y la necesidad de introducir regulacin al sistema). Estas

centrales estn diseadas para grandes caudales y saltos (y por tanto con tneles de gran

dimetro y sometidos a altas presiones) por lo que se han reactivado los estudios relativos a

revestimientos de tneles en presin, en concreto los referentes a los blindajes de acero.

Se han realizado o estn en fase de ejecucin grandes centrales en Alemania, Austria y

Japn durante las ltimas dcadas. Actualmente en Espaa y Portugal se encuentran en fase

de proyecto y construccin varias centrales hidrulicas reversibles de gran potencia.

De acuerdo con las previsiones actuales, la aportacin de energa de bombeo pasar de

participar de un 1% del total de energa generada en Espaa a un 2% en el ao 2020.

As, la potencia en centrales de bombeo en Espaa pasar de los 2.546 MW actuales a

5.700 MW en 2020 (incremento de 3200 MW).

En la tabla siguiente se muestran las principales centrales reversibles en construccin o

proyecto en Espaa:

Central Potencia (MW)

La Muela II (Valencia) 720Santa Cristina (Orense) 692

Edrada (Orense) 770

Aguayo (Cantabria) 1000

Moralets (Huesca) 400

Salas-Conchas (Orense) 380

Belesar III (Lugo) 149,6

Tabla 1. Principales centrales hidrulicas reversibles en construccin o proyecto en Espaa.


35/381



pg. 2

Figura 1. Centrales Reversibles en proceso de tramitacin en USA (Enero 2009).

Adems, es necesario realizar una revisin de los mtodos de clculo para evaluar la

integridad estructural de galeras forzadas existentes que llevan en operacin ms de 50 aos

y que incluso han modificado sus condiciones de explotacin por variaciones en el caudal de

equipo o en el rgimen de funcionamiento (regulacin secundaria).

Habitualmente, se han utilizado mtodos conservadores para el clculo de este tipo de

blindajes de acero. stos en general, son de tipo analtico o experimental [9]. Sin embargo, la

envergadura cada vez mayor de los proyectos hidroelctricos obliga a un clculo ms ajustado

de los blindajes que permita una optimizacin econmica del proyecto manteniendo siempre un

adecuado nivel de seguridad.


36/381



pg. 3

Figura 2. Esquema de una central hidrulica reversible.

Es importante un diseo ajustado del blindaje de las galeras forzadas, debido a que el

coste del blindaje de acero puede ser decisivo en la rentabilidad econmica de los proyectos.

Se ha realizado una revisin de la literatura tcnica reciente sobre los criterios de diseo,

mtodos de clculo y otros aspectos relacionados con el blindaje de las galeras de presin de

los saltos hidroelctricos, sometidos tanto a presin interior (condicin habitual durante la

operacin de la central) como a presin exterior (en general consiste en la galera vacasometida a la presin del agua exterior).


37/381



pg. 4

Figura 3. Vista de la instalacin de la central reversible de Bolarque II en Guadalajara. (Gas

Natural Fenosa).

En dicha revisin se ha puesto de manifiesto que los estudios existentes se han centrado

en blindajes lisos (sin rigidizadores) y para unos parmetros que no coinciden exactamente con

los usuales en los saltos hidroelctricos (relacin entre dimetros y espesores, calidades del

acero) sino ms bien para otras aplicaciones civiles, navales y aeronuticas [4, 14, 15, 16,

17].

Desde los aos 80 (coincidiendo con el fin del periodo de construccin de grandes

aprovechamientos hidroelctricos en Europa y Norteamrica) no se haban vuelto a realizar


38/381



pg. 5

investigaciones relevantes centradas en este campo ni sobre la interaccin entre los blindajes

metlicos y el macizo rocoso hasta hace muy pocos aos[27].

Se ha desarrollado un inters cada vez mayor en la ejecucin de repotenciaciones de

grandes saltos existentes o en la creacin de nuevas centrales reversibles. stas en general

son subterrneas (debido a las sumergencia requerida por las mquinas) y ejecutadas en

macizos rocosos con tipologa de cavernas.

Figura 4. Vista de la Central en Caverna de Montzic (Francia, 910 MW, 1983).

La construccin de las galeras en presin y los blindajes que pueden requerir, suponen el

mayor coste de los proyectos hidroelctricos y su efecto en las desviaciones presupuestarias y

en el plazo de construccin pueden ser los de mayor repercusin. Como ejemplo se resalta la

gran longitud de tramos blindados en el proyecto reversible Grand Maison (ver figura en pgina

siguiente).


39/381



pg. 6

Figura 5. Perfil longitudinal de la central de Grand Maison (Francia). Se sealan las zonas en

las que se dispone blindaje (en rojo).

Por otra parte, las acciones han cambiado con la modificacin del mix energtico en los

ltimos aos en los que las energas renovables y no gestionables han aumentado de forma

muy importante. Debido a las cada vez mayores puntas de demanda de energa, las centraleshidroelctricas deben operar bajo condiciones ms exigentes, en condiciones de flexibilidad y

seguridad.

Las nuevas centrales operan cada vez a presiones mayores y lo que es ms importante,

con unos ciclos de carga de mayor frecuencia y de mayor amplitud (tanto de arranques y

paradas como de regulacin secundaria), con el consiguiente aumento de las solicitaciones

cclicas sobre tuberas forzadas y sobre el revestimiento de tneles y pozos. Por este motivo se

hace necesario revisar los mtodos de clculo de estas estructuras sometidas a fatiga.

La mayora de los tneles hidrulicos tienen un revestimiento permanente. A diferencia de

otros tneles ejecutados para otros usos, en los tneles hidrulicos se debe asegurar una

adecuada estanqueidad y unas prdidas de carga moderadas. Adems, a diferencia de los

dems tipos, los tneles hidrulicos estn sometidos en condiciones normales a presin

interior, lo cual condiciona su diseo estructural.


40/381



pg. 7

Las opciones ms habituales para este revestimiento son las siguientes:

Sin revestimiento (Noruega principalmente)[45].

Hormign en masa o armado.

Dovelas de hormign armado o con fibras (en el caso de empleo de

tuneladora y para baja presin interior/exterior).

Revestimiento de acero, relleno en el trasds con hormign (blindaje).

Esta tesis se centra en el diseo de revestimientos para altas presiones, esto es, de acero

con relleno de hormign en el trasds (blindaje).

Respecto de los revestimientos de acero, el comportamiento real de la combinacin del

sistema acero-hormign-roca no se comprende totalmente todava, especialmente en lo que

respecta a la influencia de los fenmenos de transitorios hidrulicos como el golpe de ariete o

como la regulacin frecuencia-potencia, que provoca continuas oscilaciones en la presin

interna, as como en el comportamiento estructural a corto y largo plazo del revestimiento.

Figura 6. Evolucin histrica de la potencia de grupos hidrulicos (convencionales y

reversibles). Catlogo VOITH.


41/381



pg. 8

Tradicionalmente, en el diseo de galeras blindadas, no se considera necesario tener en

cuenta la resistencia a fatiga del blindaje de acero (en general dctil). Sin embargo, los nuevos

proyectos hidroelctricos de gran salto y las centrales reversibles, exigen la utilizacin de

aceros de alta resistencia (especialmente utilizado en centrales en Japn [37]), en los cuales

debe realizarse un estudio pormenorizado de la posible aparicin de fenmenos de fatiga.

En estos esquemas hidroelctricos, las ondas de presin de pequeas amplitudes pero de

altas frecuencias (debidos a la regulacin en potencia) pueden determinar un elevado nmerode ciclos de tensin que deben evaluarse para determinar su importancia.

As, puede ser necesario, y es la prctica habitual, seleccionar diversos sistemas de

revestimiento para distintos tramos del mismo tnel. Por ejemplo, un revestimiento de acero

puede ser necesario para tramos de un tnel en presin con baja cobertura o roca de escasa

calidad, mientras que otros tramos pueden requerir un revestimiento de hormign o incluso no

requerirlo.


42/381



pg. 9

2. ALCANCE DE LA TESIS Y OBJETIVOS

Los objetivos generales suponen una aproximacin al comportamiento de los blindajes en

galeras forzadas de modo generalista y tambin de modo particular a las tuberas forzadas. En

concreto, esta investigacin se orienta a los siguientes aspectos:

Comportamiento de tuberas forzadas y blindajes lisos y con rigidizadores

frente a presin exterior.En especial, en el caso de blindajes con rigidizadores

no existen en la actualidad mtodos generales de aplicacin en su diseo. Por ello,

este trabajo plantea profundizar en su estudio para poder obtener reglas o

directrices que aplicar en el diseo de este tipo de estructuras.

Respuesta de tuberas forzadas y blindajes frente a cargas cclicas y su

comportamiento en fatiga, comprobando si tiene importancia en el diseo y si

debe considerarse en el clculo de los blindajes y tuberas forzadas (a da de hoy

no se tienen en cuenta). Este trabajo pretende discernir la importancia de la fatigaen el diseo de blindajes y tuberas forzadas y proponer una metodologa de

aplicacin en este mbito.

Comportamiento de blindajes con diferentes tipos de imperfecciones

geomtricas: ovalidad, holgura inicial entre el blindaje y el trasds (gap), defectos

de soldadura (ondulaciones) y corrosin. En este trabajo se modelizan dichas

imperfecciones y se evala su importancia en la presin crtica de diseo.

Caracterizacin general del sistema blindaje-gap-hormign-roca. En este

trabajo se realiza un estudio sobre la interaccin entre el blindaje y el trasds

sometido a presin interior.

Realizar a partir de los datos obtenidos una propuesta de criterios de diseo

y clculo de tuberas forzadas, de blindajes lisos y con rigidizadores.


43/381



pg. 10

Por otra parte, la presente tesis tiene un enfoque eminentemente prctico; se contrasta la

aplicacin de sus resultados a casos reales, para su posterior uso en las etapas de diseo y

construccin. Tambin tiene un enfoque generalista, que permita encuadrar el problema en

todos sus aspectos: estructural principalmente, hidrulico, geotcnico

Adems, esta tesis no pretende abarcar el clculo general de tuberas, que est muy

desarrollado y cuent

Diseño de Tuberia Forzada

Documents

Transcript of Diseño de Tuberia Forzada