Redes Tuberias Calculo Est

7/26/2019 Redes Tuberias Calculo Est

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como equivalentes en magnitudes de transporte. No obstante, estas dos instalaciones de transportede fluidos presentan matices relativamente diferenciadores:

a) El abastecimiento de agua transporta a distancia media un gran caudal, a una presin de

trabajo media o baja. En cambio, el oleoducto transporta a gran distancia un caudalrelativamente menor, a presin elevada en la mayora de los casos, lo que obliga a utilizarmateriales de alta resistencia y calidad.

b) Se diferencian grandemente en el precio del producto transportado, que en los derivados delpetrleo alcanza valores del orden de 1000 veces el del agua.

c) La mayor peligrosidadde los fluidos transportados por oleoducto y gasoducto, lo que obliga acuidar mucho el aspecto seguridaden el proyecto, construccin y explotacin.

d) El carcter contaminantede los hidrocarburos, lo que, junto a su mayor precio, determina unamayor atencin a las posibles fugas por la tubera, en el caso de los oleoductos y gasoductos

que en los acueductos. Esto no deja de ser una paradoja y una imprudente poltica hidrulica enun pas como Espaa, donde en ciertas regiones el agua escasea de manera acusada: deberanvigilarse las fugas en los acueductos con la misma atencin que en las otras tuberas.

Por todo lo antedicho, los oleoductos y gasoductos se caracterizan por ser tuberas enterradas,operando a presiones medias o altas, constituyendo conducciones de tecnologa avanzada que hanincorporado las ltimas innovaciones en materiales (siderurga, plsticos, etc.), proteccin frente a lacorrosin, construccin especializada y en cadena, telecomunicaciones, regulacin y control,avanzada automatizacin (explotacin con poca mano de obra); todo lo cual hace que, finalmentesean muy competitivos frente a los medios clsicos de transporte. Dichas innovaciones se vanincorporando a las tuberas de agua, resultando aqu un fecundo trabajo de enriquecimiento mutuo

de los dos campos especializados, el del transporte de agua y el de los hidrocarburos. Esto puedetener una gran aplicacin en la actualidad, en caso de llevarse a cabo los trasvases previstos en elPlan Hidrolgico Nacional. En principio, puede resultar ms conveniente hacer tales trasvases alarga distancia mediante grandes tuberas a presin mejor que con la tcnica de canal, que planteauna cierta problemtica de prdidas por evaporacin y juntas, de trazados muy largos y sinuosos, ascomo un gran impacto ambiental, por cortar el territorio mediante su trazado superficial y por laintrusin visual que producen.

En los sectores del agua, del petrleo, del gas, etc. estn incluidas actividades de transporte defluidos, energticos o no. Las tuberas constituyen infraestructuras idneas para realizar dichotransporte, junto a (o en lugar de) otros modos de transporte(ffcc., carretera, martimo). Por ellola Ingeniera Civil, plenamente asentada en el sector del agua, tiene tambin un campo de accin

apropiado en los sectores del petrleoy del gas, as como para cualquier otro fluido que se tratede transportar.

Las conducciones de fluidos por tubera se pueden encontrar en dos situaciones. Una de ellaspresenta las caractersticas de una actividad de transporte de un producto determinado (por ejemplo,el petrleo y sus derivados), con posible desagregacin del resto de las actividades de la gestinintegral de dicho producto y, adems, con existencia de alternativas de otros modos de transporteposibles (camin-cisterna, vagn-cisterna, buque-tanque). La otra constituye una actividad integradacon las dems de aprovisionamiento, produccin, tratamiento, distribucin, etc., que, con un ciertoestatuto de servicio de suministro de un determinado producto (por ejemplo, agua, gas), cuyagestin es realizada por empresas pblicas, privadas o mixtas. En este segundo caso, adems, no

suele haber alternativa moderna y vlida de transporte frente a la tubera [por ejemplo, fuentes


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pblicas y aguadores, sistemas superados por el suministro canalizado de agua; botellas de G.L.P.(Gases Licuados de Petrleo) en regresin frente al suministro de gas canalizado].

El transporte por gasoducto tiene la particularidad de que el gas natural, incluso comprimido a

presin elevada, ocupa un volumen mayor que el lquido de igual poder calorfico. As que, para unaconduccin de dimetro medio en condiciones anlogas, la energa transportada por oleoducto escuatro veces mayor que en gasoducto, por trmino medio. Por otra parte, el transporte de gas resultams costoso que el de los productos petrolferos, por que las unidades de compresin son ms carasque las de bombeo y por que el factor de utilizacin del gasoducto, en general, es menor que el deloleoducto, pues la fluctuacin estacional de la demanda de gas es ms acusada que la de losproductos petrolferos.

En resumen, las tuberas, consideradas solamente como vehculo, constituyen uno de los cincomedios de transporte: tren, camin, tubera, barco y avin. Y consideradas como un conjunto deva y vehculo a la vez, las tuberas constituyen uno de los seis modos de transporte: transporte porferrocarril, por carretera, por tubera, fluvial, martimo y areo.

Adems, las tuberas de transporte de fluidos constituyen infraestructuras que deben ser tenidas encuenta en la Planificacin y Ordenacin Urbanstica y del Territorio, pues no en vano se puededecir que un ndice del grado de desarrollo econmico y de civilizacin de un pas viene dado por laimportancia, extensin y calidad de sus redes de canalizacin de fluidos de todo tipo (agua, petrleo,gas, productos industriales, desechos, etc.).

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BREVE RESEA HISTRICA

El transporte de mercancas fluidas est basado en la propiedad intrnseca de los fluidos de

adaptarse a la forma de los recipientesque los contienen. Histricamente, a lo largo de milenios, losfluidos se transportaron de manera discontnua, almacenados en vasijaso recipientes cada vez demayor volumen y perfeccin. El estudio de las vasijas (materiales, formas, etc.) constituye uninteresante campo de la Historia de la Tecnologa y Cultura de la Humanidad (Cermica, etc.). Hoydia, todavia se transportan fluidos de manera discontnua (transporte discreto) mediante vagones ycamiones cisternas, buques tanques, etc. En estos casos se transporta el recipiente, lo queconstituye en realidad un transporte de slidos.

El transporte de fluidos en lnea continua se produce mediante estructuras lineales del tipo decanales o de tuberas. El canalprocede en su concepcin del ro, que debi de servir de modelo alhombre para realizar las primeras derivaciones mediante canales o acequias excavadas en el propioterreno. Ms tarde se revistieron de materiales diversos las paredes del canal trreo, llegndose msadelante a la seccin de canal autorresistente frente a la accin del agua en el transporte, frente alas acciones estructurales e intentando conseguir la mxima estanqueidad. El funcionamientohidrulico del canal en lmina libre, con la superficie superior del fluido en contacto con el aireatmosfrico, condiciona fuertemente la pendiente de la solera del canal (siempre hacia abajo y convalores muy pequeos), lo que determina un trazado muy rgido para el canal. El paso intermedioentre ste y la tubera se da cuando se cubre el canal por su parte superior, aunque se sigamanteniendo la lmina libre en el transporte. Finalmente, se llega a la tubera en sentido estrictocuando se realiza el transporte del fluido ocupando con ste toda la seccin de aquella (conduccinen presino forzada), consiguindose una gran flexibilidad en lo referente a las alineaciones deltrazado (ms rectilneas que en el canal, acortando grandemente la longitud final del transporte) ylas pendientes (que pueden ser, en este caso, positivas o negativas, y admitiendo gran variabilidad

en sus valores).


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La tubera es un medio ideal para el transporte continuo de fluidos. Se puede concebir como unrecipiente alargado que une los puntos inicial y final del transporte y que, an permaneciendo fijo,transporta el fluido en su interior aprovechando la propiedad fsica de quel de fluir cuando tiene

aplicado un gradiente de presiones en la direccin adecuada. De aqu se deduce una utilidadadicional: la tubera, en cuanto tenga una longitud apreciable, constituye adems unalmacenamiento en lnea.

Los diversos modos de transporte han conocido desarrollos consecutivos en el tiempo. Primero fuela navegacin fluvial y martima: los rios y lagos fueron utilizados como rutas de transporte desdetiempo inmemorial. En el siglo XIII, en Flandes y Francia, se aplicaron ingenios que permitieronaumentar la longitud navegable de los rios. En el siglo XVIII, las redes fluviales fueroncompletadas por los canales. El apogeo de la navegacin fluvial se alcanz desde mediados delsiglo XVIII hasta mediados del XIX, cuando el ferrocarril le arrebat la primaca del transporteterrestre. An as, ciertas mercancas, como el carbn y el petrleo, se han seguido transportando enbarcazas hasta la actualidad. Espaa presenta, desgraciadamente, condiciones inadecuadas para el

transporte fluvial: precipitaciones insuficientes, mal repartidas en el tiempo y en el espacio, altaevaporacin y pendientes elevadas. En el siglo XX, la aparicin del automvil acab con laprimaca del ferrocarril y di nueva vida a las carreteras, un tanto abandonadas en el siglo anterior.Las mercancas fluidas se pueden transportar por ferrocarril y carretera, mediante los mediosespecializados: vagn-cisternay camin-cisterna.

La tecnologa moderna del transporte por tubera comienza su andadura a mediados del sigloXIX, en USA, como alternativa al transporte fluvial, afianzndose enseguida como un modo detransporte especializado en la energa (petrleo y despus gas natural). Pero el origen de las tuberasa presin se remonta a mucho tiempo atrs. El antecedente claro del actual transporte por tuberaest en las tradas de agua con tramos de tubera a presin, que, segn nos muestran hallazgos

arqueolgicos, construy de manera brillante la ingeniera romana. Fernandez Casado cita en suobra "Ingeniera hidrulica romana" el caso ms antiguo que se conoce (180 a.C.) de conduccinde agua por tubera a presin, para el abastecimiento de la ciudad de Prgamo (Asia Menor).Consiste en una doble tubera de plomo de 0,20 m de dimetro y 3 km de longitud, que en el puntoms bajo soportaba una presin de 20 atm. Durante los siglos transcurridos desde entonces, elgradual incremento de la demanda de agua por razones de urbanizacin, industrializacin y mejorade las condiciones sanitarias ha creado unas redes de transporte de agua por tubera a presincada vez ms importantes y extendidas a todos los lugares del mundo, tanto para abastecimiento deagua, como para riegos o aprovechamientos energticos, as como ltimamente tambin para redesde saneamiento.

Desde el primer oleoducto americano, terminado en 1865, transcurri mucho tiempo hasta sudesarrollo fuera de los USA, y dicho desarrollo vino condicionado por dos hechos fundamentales: eldescubrimiento de grandes campos petrolferos en Oriente Medio, Argelia y Libia, y el simultneodesarrollo econmico de Europa Occidental. Se construyeron oleoductos para llevar el crudo a lospuertos del Mediterrneo, como por ejemplo, el TAPLINE (Trans Arabian Pipe Line), de 1700 km,construdo en 1952, y al que siguieron otros de parecida importancia.

El primer oleoducto europeo fue la lnea de fuelleo calentado Glasgow-Grangemouth, construdaen 1918para alimentar los depsitos de la Armada. Otro oleoducto militarfu el establecido por laOTAN en 1950 para llevar productos petrolferos a sus bases de Francia y Alemania. El primeroleoducto civil fue el TRAPIL, que comenz a funcionar en 1953 (casi un siglo ms tarde que enUSA), y tras del cual se hicieron muchas realizaciones importantes, como el oleoducto de crudo

desde Rusia a Europa Oriental, de 5500 km de longitud, 0,76 m de dimetro y una capacidad de


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transporte de 30 millones de toneladas al ao.

En Espaa, la tecnologa de los oleoductos hizo su entrada no hace mucho tiempo: el oleoductoRota-Zaragoza, que empez siendo exclusivamente militar, se termin en 1957, y el oleoducto

Mlaga-Puertollano, primer oleoducto civil, data de 1965.

Los gasoductos con tecnologa moderna, es decir, a alta presin, tuvieron su origen tambin enUSA, en 1872, teniendo desde entonces un gran desarrollo, impulsado por el descubrimiento enaquel pas de grandes yacimientos de gas natural, que hubo que transportar a grandes distancias,hasta las zonas de mayor desarrollo urbano e industrial.

En Europa, los primeros yacimientos de gas natural utilizados fueron los de Rumana y de Italia(1937), comenzados a explotar a partir de 1945. Los yacimientos de Lacq (Francia, 1951) yGroningen (Holanda, 1962), dieron lugar a redes importantes de gas, llegando ambas a la regin dePars. En Italia, los yacimientos del Po se unieron con toda la zona industrial del norte del pas. En1942, con el descubrimiento del yacimiento de Saratow, en Rusia, comenz el gran desarrollo de los

gasoductos en este pas. En 1966 se descubrieron los yacimientos del Mar del Norte, que hanprovocado la implantacin de una tupida red de gasoductos submarinos en quel mar.

En Espaalos gasoductos de transporte de gas natural no comenzaron hasta finales de la dcada delos sesenta: el suministro de gas natural a la zona de Barcelona se inici en 1969. Hasta 1985 elcrecimiento de la red de gasoductos fu escaso, pero a partir de esta fecha arranca un ritmo msintenso en la implantacin del gas natural en Espaa, que contina en la actualidad, presentando unfuturo prometedor para los prximos aos. En el tardo y lento desarrollo de las redes de oleoductosy gasoducto espaoles han infludo decisivamente dos razones: la carencia de grandes yacimientosde petrleo y gas natural, y el bajo desarrollo econmico, que no ha despegado hasta hace pocosaos. Las redes espaolas de oleoductos y gasoductos se exponen en las Figuras 4.1 y 4.2,

respectivamente.

En poca reciente se ha ampliado el campo del transporte por tubera a otros fluidos noenergticos, de tipo industrial, como etileno, amonaco, nitrgeno, etc. Tambin en poca recientese ha aplicado la tubera para transportar slidos pulverizados (carbn, minerales, etc.). En Espaa,podemos citar, entre otros, unos pocos ejemplos de estas aplicaciones: el etilenoducto Tarragona-Martorell (85 km de longitud, 153 mm de dimetro), los amonoductos de Avils y Mlaga, yconducciones de cierta longitud para transportar lodos rojos en la factora de almina de San Ciprin(Lugo).

4.3

REDES Y CADENAS DE TRANSPORTE

Los elementos de un sistema de transportes son:- los vehculos,- las infraestructurasy- las tcnicas de explotacin;

En el Transporte por Tubera no existen propiamente los vehculos. Las infraestructuras de lossistemas de transporte constituyen un conjunto de redes, cada una de las cuales corresponde a unode los medios utilizados (fluvial, ferrocarril, carretera, tubera, barco, avin, ...). Dichas redes vienencaracterizadas por su densidady su calidad, que dependen del grado de desarrollo econmico y delas tecnologas utilizadas. Las redes ms tupidas se encuentran en aquellas regiones donde los flujos

de mercancas son ms intensos.


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Las redes de transporte constan de las lneas colectoras, de transporte y de distribucin. Losproductos acumulados mediante las lneas colectoras se conducen mediante las lneas de transportey, finalmente, las redes de distribucin alimentan directamente a cada usuario, segn sus

necesidades reales, dentro de unos lmites prefijados. Las redes de distribucin de agua y de gas sonde tuberas; las de hidrocarburos lquidos pueden ser de tuberas o por otro medio (carretera,ferrocarril).

La tubera entra en competenciay cooperacin con los otros modos de transporte, con una ciertadiferencia entre oleoductos y gasoductos. Los primeros hacen la competencia al transporte fluvial,por carretera (camiones cisterna), por ferrocarril (vagones cisterna), e incluso, a veces, altransporte martimo de cabotaje (buques tanque), producindose transferencias de trfico demercancas de estos modos a la tubera. Pero, tambin, el oleoducto no suele llevar el producto hastael punto final, cooperando con otros modos de transporte, a los que trasvasa el fluido en lasterminales correspondientes. En este ltimo caso, los puertos de mar ejercen un papel fundamentalcomo terminales martimas de oleoductos (as como de GNL, por ejemplo). Igualmente se

establecen terminales terrestres para el trasvase masivo entre la tubera y la distribucin porferrocarril o carretera.

Actualmente en Espaa se mantiene la tendencia, iniciada hace aos, de sustitucin del ferrocarrilpor el oleoducto en el trfico interior de productos petrolferos, a causa del menor coste deltransporte por oleoducto y de la disminucin del consumo de fuelleos (Vase la Figura 4.3).

Una cadena de transportese establece a travs de una sucesin de tramos de una o varias redes detransporte, que sirven para efectuar el transporte global de un producto entre los puntos deproduccin y consumo. Se pueden distinguir, entre otras, las siguientes cadenas de transporte dehidrocarburos:

- Transporte de petrleo.En Espaa se hace fundamentalmente por barco, desde los pases exportadores, hasta nuestrascostas, siendo conducido por tubera hasta las refineras. En general, estas tuberas son de cortalongitud, dada la general ubicacin costeras de nuestras refineras, con la nica excepcin de larefinera de Puertollano, alimentada por el oleoducto Mlaga-Puertollano (recientemntesustituido por el oleoducto Cartagena-Puertollano).

- Transporte de derivados de petrleo (gasolinas, gasleos, keroseno,...).Las lneas colectoras y de transporte estn constitudas por oleoductos, siendo la distribucinrealizadas de forma mltiple, pero con predominio de la carretera.

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Transporte de gas natural.A nivel mundial, se hace por gasoducto en un 70 % y el resto mediante cadenas con licuacin(GNL). En el caso de Espaa, dejando aparte la produccin nacional, tenemos dos cadenas del tiposegundo, procedentes de Argelia y Libia, con gran predominio en cantidad de la primera. En amboscasos, hay primeramente un transporte por gasoductos, despus de las correspondientes lneascolectoras de pozos, hasta las plantas de licuacin, todo ello situado en el territorio del pasexportador. El siguiente tramo de la cadena es por medio de barcos metaneros, que transportan elGNL hasta nuestra costa, donde se trasvasa mediante tuberas a los grandes depsitos de GNL.Posteriormente, las estaciones de regasificacin inyectan el gas natural en los gasoductos detransporte. La redes de distribucin estn constitudas por tuberas. Esta situacin ha cambiado hacepoco tiempo, pues actualmente se recibe tambin el gas natural sin licuar a travs de los gasoductos

que cruzan nuestras fronteras: el Lacq-Serrablo, en el norte pirenico, ya construdo hace ms


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tiempo, y el gasoducto del Magrehb, a travs del estrecho de Gibraltar, de ms recienteconstruccin.

Por su parte, los gasoductos terrestres no tienen, en general, alternativa de transporte vlida (los

gasoductos submarinos s tienen alternativa en el transporte martimo de gas licuado en buquesmetaneros) y, adems, hacen el transporte en todo su recorrido, pues de los grandes troncos detransporte se derivan los ramales y redes de distribucin, que llevan el gas hasta los puntos deconsumo. El transporte por gasoducto se encuentra en Espaa en acentuada expansin, a causa de lasustitucin por gas natural de otros combustibles industriales y domsticos en ciertas zonas urbanase industriales, y que progresivamente se va extendiendo a todo el territorio nacional. Eldesplazamiento por el gas natural de otros hidrocarburos (butano, propano, fuelleo, gasleo)acarrea la disminucin del trfico de estas mercancas en los otros modos de transporte terrestre(carretera y ferrocarril).

4.4

TRANSPORTE DE ENERGIA

El transporte de energa se puede considerar un subsistema de los transportes, con dos apartadosprincipales:

- Electricidad:Las redes de transporte de electricidad a grandes distancias fu una aportacin europea, pues en1883 se construy entre Vizille y Grenoble (15 km) la primera lnea. Desde entonces el desarrollode estas redes ha sido espectacular. A diferencia de los fluidos energticos, que se transportan portubera, el "fluido elctrico" no admite su almacenamiento en cantidades masivas.

- Fludos energticos:

A nivel mundial, el transporte por tubera constituye esencialmente un transporte de energa, pueslas conducciones dedicadas a crudos y productos refinados de petrleo, gas natural y carbn son lainmensa mayora frente a las dedicadas a materias no energticas, como etileno, amonaco,minerales, anhdrido carbnico, nitrgeno, oxgeno, etc. Parece probable el mantenimiento en elinmediato futuro de esta situacin de predominio de las mercancas energticas, pues aunque es deprever un aumento significativo de las conducciones de materias no energticas (sobre todo seespera un gran desarrollo de tuberas para slidos, bien en partculas, bien en cpsulas), semantendrn los oleoductos, se seguirn potenciando los gasoductos y tambin es esperable elincremento de los carboductos.

En un plazo algo ms largo es esperable un incremento espectacular de los gasoductos, que podrntransportar adems del gas natural, gases sintticos o de biomasa, as como hidrgeno, queobtenido por disociacin del agua mediante energa solar, algunos autores estiman que constituir elcombustible principal del futuro.

4.5

TENDENCIAS ACTUALES EN EL TRANSPORTE POR TUBERA

Hay una contraposicin muy clara entre la organizacin del transporte por tubera en Espaa, eincluso en los dems pases de Europa, con respecto a la de los EEUU de Amrica. En stosltimos se dan tres grupos de empresas completamente independientes, en general, en el procesoindustrial de los hidrocarburos (petrleo y gas). Un primer grupo de empresas se dedica a laobtencin del producto(yacimiento, importacin, etc.). Un segundo grupo se dedica al transporte,

fundamentalmente por tubera, de dicho producto. El tercer grupo hace la distribucin,


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especialmente en el campo del gas. Por el contrario, en Europa, incluida Espaa, se da, casi engeneral, una integracin vertical entre el transportista y el productor.

Esta contraposicin indicada produce tendencias distintas de comportamiento. Mientras que las

empresas de transporte por tubera en EEUU no tienen el ms mnimo inconveniente en llevarcualquier producto, cualquiera sea su propietario (poltica de common carrier), en Europa lostransportistas se manifiestan ms interesados en llevar su gas o su petrleo, y no el de lacompetencia, como es lgico. La tendencia en Europa, y en Espaa, es la de liberalizacin de lossectores energticos: realizada en Espaa en la dcada de los 90 dicha liberalizacin en el sectordel petrleo y en proceso actualmente la del gas, se podr realizar el libre acceso de terceros a lared de gasoductos y oleoductos, mediante el pago de un canon, cumpliendo ciertas condiciones.

La tubera junta en s misma la va y el vehculo, las dos partes claramente diferenciadas en losotros modos de transporte (carretera, ffcc, martimo, fluvial, areo). Lo que, en principio, parececonstituir una simplificacin ventajosa, puede resultar un inconveniente para la utilizacin de unadeterminada tubera por distintos usuarios. Hasta ahora, cada infraestructura de tubera se suele

hacer para transportar un determinado fluido, para un determinado propietario y, en principio, sinaccesos de terceros.

En la actualidad apunta un proceso interesante en el transporte por tubera: su utilizacin porterceros, como infraestructura de transporte que son, mediante el pago de un canon o tarifa detransporte; todo ello inscrito en el proceso unificador de mercados, dentro del marco de la UninEuropea, sobre todo en lo referente a fluidos energticos. Por ejemplo, las redes de gasoductosprocuran autnticos mercados de gas natural. La U.E. considera la Red de GasoductosTranseuropea (con doble nexo africano: a travs de Espaa y de Italia) fundamental para elMercado Interior de la Energa. Las redes elctricastienen la ventaja de transportar un fluido (lacorriente elctrica) muy homogneo, lo que facilita la entrada en la red de energa elctrica de

diversos productores. La variabilidad de composicin del gas natural (mezcla de diversoshidrocarburos) complica en cierta manera la utilizacin por terceros de las redes de gasoductos,pero se puede afirmar que dicha utilizacin es viable y, de hecho, en la actualidad por losgasoductos espaoles circula tanto gas africano como noruego. En los gasoductos habr que tomardeterminadas disposiciones tcnicas y se considerar, entre otras cosas, la intercambiabilidad entre

gases.

Actualmente, ya se transportan diversos lquidos de manera consecutiva por oleoducto, pues lasconducciones para productos refinados del petrleo transportan por la misma tubera toda la gamade productos de su refino (gaslinas, gasleos, keroseno, etc.), con la nica excepcin de lasfracciones de hidrocarburos pesados (fuelleo).

En este proceso de hacer accesible la tubera a diversas mercancas de diversos propietarios sepodra pasar del mero transporte del fluido suministrado por la empresa propietaria de la tubera alestablecimiento de empresas transportistas de mercancas por tubera (sean o no propietarias de latubera).

En este contexto de transporte de diversos fluidos por la misma tubera, se puede establecer lasiguiente definicin:

TRANSPORTE COMPARTIDO POR TUBERA: Conduccin de diversas mercancas fluidas,o slidas en medio fluido, de manera consecutivao simultnea, por una determinada tubera.

A tenor de la anterior definicin, y teniendo en cuenta las investigaciones realizadas y en curso


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para la utilizacin de la tubera como un medio de transporte de slidos, ya sea en formapulverizada, impulsados por agua u otro lquido (T.H.S.) o por aire u otro gas (T.N.S.), ya sea en elinterior de cpsulas estancas, impulsadas por agua u otro lquido (T.H.C.) o por are u otro gas(T.N.C.).

Sintentizando las ideas expuestas, se puede establecer la siguiente clasificacinde dicho transportecompartido por tubera:

TABLA 4.2

CLASIFICACIN DEL TRANSPORTE COMPARTIDO POR TUBERA

DENOMINACINDEL TRANSPORTE

COMPARTIDONMERO DE

FASES

CLASE DEMATERIA

TRANSPORTADA

DENOMINACINDE LA

INFRAESTRUCTURADE TUBERA

AcueductoLquidos

OleoductoCONSECUTIVO Una fase

Gases Gasoducto

Lquidos / Gases

T.H.S..Slidos pulverizados

T.N.S.

T.H.C.

SIMLTANEO Dos fases

Cpsulas

T.N.C.

T.H.S.= TRANSPORTE HIDRULICO DE SLIDOST.N.S.= TRANSPORTE NEUMUTICO DE SLIDOS

T.H.C.= TRANSPORTE HIDRULICO DE CPSULAST.N.C.= TRANSPORTE NEUMTICO DE CPSULAS


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4.6

DESARROLLO DEL PROYECTO DE LAS TUBERAS

Anteriormente, se han ido tratando diversas partes del proyectode una tubera: en el Tema 1, losclculos hidrulicos (o de Mecnica de Fluidos), en los que se determinan las velocidades, las

presiones de trabajo y, por ende, el dimensionamiento de la tubera (su dimetro interior); en elTema 2, lo referente a la eleccin del materialpara la tubera, la corrosin de dichos materiales, suproteccin frente a ella (revestimientos y proteccin catdica); en el Tema 3, la metodologa para ladeterminacin del trazadoptimo de las tuberas. A continuacin, en este tema, se va a tratar de losclculos estructurales, es decir, de la consideracin de la tubera como una estructura, para loque har falta acudir a ciertas disciplinas tcnico-cientficas, como son la Resistencia de Materialesy la Elasticidad, cuya utilizacin es necesaria para realizar los clculos tensionales y ladeterminacin del espesor de los tubos. De esta consideracin estructural se desprendern mtodosde trabajo para la determinacin del espesordel material de la tubera, as como para el estudio desu estabilidad, base de un adecuado diseo de sus apoyoso anclajes.

En la consideracin estructural de la tubera se siguen, de manera semejante a cualquier estructura,

las siguientes fases:

1 Fase: Determinacin de las accionesque recaen sobre la tubera.

2 Fase: Dichas acciones producen determinadas solicitacionessobre la tubera [ esfuerzos axiles (traccin, compresin) y momentos flectores (ovalizantes, longitudinales)].

3 Fase: Las solicitaciones son causa de tensiones( , ) y deformaciones( ) en el material de latubera, que dependen de las caractersticas mecnicas de dicho material y del espesorque se disponga. El dimensionamiento del espesor, o de los refuerzos necesarios, esfuncin de los coeficientes de seguridad que se prescriban y, por tanto, de los valores

admisiblesde las tensiones y deformaciones que se puedan producir.

4.6.1

Acciones sobre la tubera

Las acciones sobre la tubera dependen mucho del medioen el que se inserta aquella:

- Tubera area: Tipologa y forma de los soportespuntuales de apoyo.

- Tubera enterradaen zanja: Clase de la cama de asiento(arena o material seleccionado, cuna rgida de hormign, etc.).

- Tubera submarina: Acciones procedentes del medio hidrodinmicoque rodea a la tubera, que producen diversas consecuencias en la tubera en funcin de su diseo: apoyada sobre el fondo marino, con o sin anclajes; enterrada en zanja, etc.

La clasificacinde las acciones se puede hacer en base a dos criterios: uno, en funcin de la etapaen la que acta sobre la infraestructura (construccin o explotacin) y de su procedencia, que seexpone en la Tabla 4.3, y dos, en funcin de la geometra y forma de actuar sobre la tubera (Tabla4.4):


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TABLA 4.3

CLASIFICACIN DE LAS ACCIONES SEGN LA ETAPAY LA PROCEDENCIA

PROCEDENCIAETAPADel interiorde la tubera Del exteriorde la tubera

Presindel fluido de la pruebahidrulica de estanquidad yresistencia

CONSTRUCCIN Peso del fluido de la pruebahidrulica

Procedimientos constructivos:Momentos flectores por lacurvatura de los mtodos detendido de la tubera, enconducciones terrestres ysubmarinas (en estas ltimasadquiere gran importancia)

Presin de trabajo (esttica,

dinmica, transitorios)

Presin externa: nivel fretico,

subpresin, presin hidrostticaen tuberas submarinas, vaciorelativo en las depresiones detransitorios

Pesodel fluido transportado Cargas del terreno: verticales(relleno de zanja), sobrecargas(trfico), reaccin de apoyo,reacciones laterales

Peso de la tubera Movimientos del terreno:corrimientos, sismos

EXPLOTACIN

Cambios de velocidad delfluido (anclajes en accesorios)

Acciones indirectas (trmicas)

TABLA 4.4

CLASIFICACIN SEGN LA GEOMETRA DE LA ACCIN

GEOMETRA DE LA ACCIN TIPO DE ACCIN

Presin internaCon simetracentral

Resultante nulade lasfuerzas (siempre queno hay cambio dedireccin, seccin, etc.)

Presin externa

Peso del fluidoGravitacional Peso de la tuberaResultante vertical

Relleno y sobrecargasHorizontal Reacciones lateralesHorizontal y vertical

TerrenoCorrimientos, sismos

Transversal al eje dela tubera

CURVATURA, momentos flectores (puesta en obra, etc.)En la direccin del ejede la tubera

TRACCIONES o COMPRESIONES LONGITUDINALES(Trmicas o de otro tipo)


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4.6.2

Acciones durante la construccin

Con respecto a la etapa de construccin, es interesante destacar la interdependencia de los tipos deunin y los procedimientos constructivos; por ejemplo, las uniones mecnicas (no soldadas)

obligan al montaje de la tubera dentro de la zanja, mientras que las uniones soldadas permiten laformacin de largos tramosde tubera fuera de la zanja y su posterior puesta en zanja, lo quefacilita y aumenta el avance de los trabajos. Igualmente, los mtodos de tendido de tuberassubmarinasse ven facilitados cuando se sueldan los tubos entre s.

En las conducciones terrestres se utiliza con frecuencia el sistema constructivo de unir porsoldadura los tubos de acero alineados fuera de la zanja, para despus ser bajados a sta,realizndose ambos procesos de manera contnua, con un cierto desfase. Durante el proceso detendido de la tubera, sta queda sometida temporalmente a unas ciertas curvaturas: curvas en Sentre las posiciones de reposo en el fondo y en el exterior de la zanja y de la tubera sostenida por lamquina tiendetubos en la operacin de bajada de la tubera a la zanja. Dichas curvas producenflexiones temporales, que conviene limitar a ciertos valores admisibles. Se establecen unos radios

de curvatura mnimospara que las tensiones resultantes sean mucho menores que el lmite elsticodel material y as garantizar la no produccin de deformaciones permanentes.

En el caso de las conducciones submarinas, durante el tendido de la tubera se producen accionesmuy importantes sobre la tubera, pudiendo llegar a ser stas las determinantes para el clculoestructural del espesor del tubo, en lugar de las de explotacin, como ocurre en el caso de lasconducciones terrestres.

4.6.3

Presiones radiales

4.6.3.1

Presin interior

La presin del fluido que acta sobre la pared interior de la tubera es la accin principalen el casode conducciones terrestresde dimetro medioo pequeo, que operen a presiones elevadas. Porel contrario, para dimetros grandesadquieren gran importancia, tambin, las acciones externas.

Cabe diferenciar las siguientes presiones:

a) Presin de servicio (o de operacin) (Ps).- Es la presin que indicara un tubo piezomtricoaplicado en cualquier seccin de la tubera en rgimen hidrulico estacionario. Es, por tanto, lapresin que acta en condiciones normales de operacin.

b)

Presin esttica(P e).- Es la presin que acta sobre la tubera cuando no hay movimiento delfluido que la llena. Esta presin es menor que la de servicio en las impulsioneso elevaciones,pero es mayor en las conducciones por gravedad, siendo la diferencia las prdidas de carga.

c) Presin mxima de trabajo (P t).- Es la presin mxima que puede llegar a alcanzarse duranteel funcionamiento de la tubera, incluidos los regmenes transitorios(golpe de ariete). Hay quetener en cuenta tambin las depresiones(vaco relativo).

d) Presin de prueba (P b).- La prueba hidrulica en zanja tiene como finalidad comprobar laresistencia de la tubera y su estanquidad, una vez acabado su montaje. Habr que considerarlaen el clculo del espesor cuando la prueba se haga a una presin mayor que las anteriores.


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13

e) Presin de rotura (P r).- Es la que produce una traccin circunferencial igual a la tensin derotura del material que constituye la tubera.

f) Presin de proyecto (tambin llamada de diseo) (Pp).- Es la que se toma para el clculo

estructural del espesor de la tubera. Suele ser igual a la presin mxima de trabajo, a no ser quela superen la presin esttica o la de prueba.

4.6.3.2

Presin exterior radial

Procede de la presin hidrosttica sobre la pared exterior de la tubera producida por las aguas quecontenga el terreno que rodea a las tuberas enterradas, cuando el nivel freticosupera el nivel decolocacin de la tubera. Tambin, es equivalente a una presin exterior radial el caso de una vaciorelativo dentro de la tubera, producido por las depresionesen los regmenes transitorios, pudiendollegar al vaco absoluto, en tal caso el valor de la presin exterior equivale a 1 at (=1,013 bar). Esteltimo caso se puede presentar tanto en tuberas instaladas en situacin area sobre apoyos, como en

tuberas enterradas.

4.6.3.3

Estudio elemental elstico de tuberas sometidas a presiones radiales

Se supone una tubera larga(es decir, de longitud suficiente para que pueda considerarse un estadode deformacin plana), de radios ri(radio interior) y re (radio exterior), sometida a dos presiones.una interior (-Pi) y otra exterior (-Pe). Para este caso de elasticidad bidimensional(o plana) y que,adems, presenta simetra alrededor del eje de la tubera, se demuestra que la solucin analticaviene definida por la siguiente funcin, expresada en coordenadas polares (r, ):

= A log r + C r2

[4-1]

de la que se deducen los valores de las tensiones, por las siguientes expresiones:

tensinnormal circunferencial: c = 2/r

2 = - A/r 2+ 2 C [4-2]

tensinnormal radial: r = (1/r)( /r) + (1/r2)(

2/

2) = A/r2+ 2 C [4-3]

tensin tangencial: = 0 (por ser la deformacin plana)(en el plano de la seccintransversal al eje de la tubera)

Para determinar las constantes A y C basta utilizar las condiciones de contorno, consistentes en que,en las superficies interior y exterior de la tubera, respectivamente, se deben de cumplir:

ri = - P i = A/r i2+ 2 C

re = - P e = A/r e2+ 2 C

Este sistema de dos ecuaciones, resuelto en A y en C, da como soluciones:

A = - ri2

r e2

(P i- P e)/(re2

- r i2

) 2C = (Pir i2

- P er e2

)/(re2

- r i2

) [4-4]


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14

Sustituyendo las expresiones [4-4] en las ecuaciones [4-2] y [4-3], se obtienen las expresiones de lastensiones normales en el sentido circunferencial:

ci= [P i(r e2

+ r i2

) 2 Per e2

] / [re2

- r i2

] [4-5]

ce= [- P e(r e2+ r i

2) 2 Pir i2] / [re

2- r i2] [4-6]

y en el radial:ri= - Pi [4-7]

re= - Pe [4-8]

Si se consideran: 2 r i= D i(dimetro interior de la tubera)

2 re= D e(dimetro exterior de la tubera)

y se mide la presin interior del fluido (- P) respecto a la atmosfrica, considerando sta igual a - Pe ,por suponer que es la nica que acta externamente, se tiene:

Pi- (- P e) = - Pi+ P e= - PPe= 0Pi= P

Las expresiones [4-5] y [4-6] se convierten en las siguientes:

ci= P [(De / Di)2

+ 1] / [(De / Di)2

1] [4-9]

ce= 2 P / [(De / Di)2 1] [4-10]

que son las llamadas ecuaciones de Lam.

Como (De / Di)2 + 1 > 2 resulta que siempre es ci > ce

Se comprueba que la solucin corresponde a deformacin plana, siendo constante la tensinlongitudinal( l):

l = ( c+ r)

siendo, el mdulo de Poisson., porque de las expresiones [4-2] y [4-3] se puede deducir que

c+ r = 4 C

y, por tanto, la tubera, en las diversas secciones normales al eje, cumple tambin las condicionessupuestas en deformacin plana:

= 0

l (deformacin longitudinal) = constante


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15

Conjugando las expresiones anteriores se obtiene el valor de la tensin longitudinal:

l= 2 (P i r i2- P er e

2)/(re2- r i

2) [4-11]

Haciendo el mismo supuesto anterior que la nica presin exterior actuante es la atmosfrica y quese hace la medicin de la presin interior respecto a ella, la expresin anterior toma la siguienteforma, en la que se han sustituido los radios por los dimetros respectivos:

l= 2 P / [(De/ Di)2 1] [4-12]

4.6.3.4

Depresiones y vaco dentro de la tubera

Dentro del estudio hidrulico que hay que hacer en toda tubera, aparte de considerar elfuncionamiento en rgimen permanente, as como las condiciones estticas, se tienen que

considerar los fenmenos transitorios producidos por variadas causas, tanto derivadas de laexplotacin normal del sistema hidrulico (cierre y apertura de vlvulas, arranque y paradavoluntaria de bombas o turbinas, etc.), como de casos de emergencia (parada brusca de bombas porfallo elctrico, disparo de centrales hidroelctricas, rotura de la tubera, etc.)

De los referidos clculos hidrulicos se extraen los valores de presiones mximas y mnimasque se pueden dar en cada punto de la tubera, lo que nos cuantifica la accin de la presininterior para el clculo estructural de la tubera y su correspondiente dimensionamiento deespesores.

Con respecto a las presiones mnimas, en caso de transitorio, hay que destacar que reviste gran

importancia su estudio detallado, debiendo observarse si se producen depresiones. (presionesinteriores menores que la presin atmosfrica). No obstante, aunque tericamente no seproduzcan depresiones, la experiencia demuestra (y el anlisis hidrulico confirma) que, en casode roturade la tubera en un punto determinado, puede haber un largo tramo de tubera situadoaguas arriba del punto de rotura que entre en depresin, dependiendo de la forma del perfillongitudinal y de que la rotura se haya producido en un punto suficientemente bajo de cota, yque dicha depresin puede, en ciertos casos, alcanzar el vaco absoluto.

En el caso de depresin, se tiene que Pi


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Poisson) son de compresin, al contrario de cuando predomina la presin interior sobre la exterior,que son de traccin.

Al tratarse de tensiones de compresin, aparece el fenmeno de pandeo, lo que hace que pueda

colapsar por aplastamiento la tubera para cierto valor de la presin exterior, antes de alcanzarsevalores altos de la tensin de compresin, que queda muy por debajo de la admisible.

Clculo de la depresin mxima admisible dentro de la tubera:

- Presin exterior de colapso (Pc):

La expresin que da la presin exterior de colapso por aplastamiento (Pc) es la siguiente:

Pc= 8 R a(n2 1) [4-15]

Suponiendo que la tubera sigue, en su deformacin, aproximadamente la forma eliptica, sepuede hacer n = 2, de donde resulta:

Pc= 24 R a [4-16]

En las expresiones anteriores, Ra es la llamada rgidez anular, que obedece a la siguienteexpresin: R a= [E / 12(1 -

2)](e/De)3 [4-17]

Por lo que, combinando las dos ltimas expresiones, se obtiene la siguiente:

Pc = 2 E (e/D e)3

/ (1 - 2

) [4-18]

siendo: Pc(MPa) = presin exterior uniforme de colapsoE (MPa) = mdulo de elasticidad del acero

- Presin exterior admisible (Padm):Padm = P c/ C M [4-19]

siendo: Padm (MPa) = presin exterior uniforme admisibleCM= coeficiente de mayoracin de la presin exterior admisible

- Depresin interior admisible (DPadm):DPadm = (1 atm - 10

6P adm) / 1000 fluido =

= (1,01325 x 10 5 - 10 6P adm) / 1000 fluido [4-20]

siendo: DPadm (m.c.a.) = depresin mxima admisible dentro de la tubera fluido(kN/m

3) = peso especfico del fluido

- Espesor necesario (ev) para resistir el vaco absoluto:


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Se suele considerar, como primer tanteo, un cierto valor aproximado prctico (emprico) delespesor necesario para resistir el vacototal:

e 0,008 D [4-21]

Por otra parte, el clculo terico del espesor necesario (ev) para resistir el vaco total(equivalente a una presin exterior uniforme igual a la presin atmosfrica, P a= 1 atm = 0,1013MPa), se puede realizar sustituyendo, en las expresiones anteriores, Paen lugar de P c, de dondese obtiene la siguiente expresin:

ev= D (1 - 2) (CMP a/ 2 E)

0,33 [4-22]

siendo:Pa = 0,1013 MPaE = mdulo de elasticidad del material de la tubera = coeficiente de Poisson del material de la tuberaCM = (1,6 2)

Es interesante destacar que este espesor (ev) es independiente de la resistencia mecnica (ensuma, del valor de su lmite elstico) del material de la tubera, dependiendo realmente de ladeformabilidad de dicho material (E y ), pues depende exclusivamente de la rigidez anular(Ra), aparte de la forma geomtrica que adopta la seccin transversal de la tubera al deformarse.

4.6.3.5

Clculo aproximado de las tensiones en tuberas de poco espesor

La presin interior dilata la tubera, produciendo tracciones puras en toda su seccin. El cilindro

hueco de seccin circular es el slido que requiere menor espesor para resistir la presin interior, esdecir, el que requiere menos material. Para cilindros de pared delgada se hace la hiptesis,suficientemente aproximada, de reparto uniforme de las tensiones circunferenciales en todo elespesor del tubo (Figura 4.4):

Proyectando sobre el eje vertical:

2 c e = 2 090 0

Dm P cos d = 2 090(P D m/2) cos d = 2 [(P D m/2) sen ]0

90 = P D m

de donde se deduce la ecuacin: c= (P / 2) (D m / e) [4-23]

siendo: c= tensin circunferencialP = presin interiorDm = dimetro medio = (D i+ D e)/2 = Di + e = D e- eDi = dimetro interiorDe = dimetro exteriore = espesor

En realidad, la utilizacin de la frmula [4-23] comporta un cierto error, que va del lado de lainseguridad, pues es ms exacta la frmula de Lam, apropiada para tubos de gran espesor(Figura 4.5):


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18

(D e/Di )2 + 1

c mx= P ------------------- [4-24] (D e/Di)

2 - 1

Sin embargo, para los valores usuales de De/Dien las tuberas, se obtiene un error que puede sercompensado, en la generalidad de los casos, por el hecho de tomar el dimetro exterior (De) por elinterior (Dm) en la frmula [4-23], resultando la siguiente ecuacin:

c= (P / 2) (D e / e) [4-25]

Si el cilindro hueco que constituye la tubera est abierto por sus extremos o est libre de deformarse(acortarse) en la direccin longitudinal, la citada tensin circunferencial es la nica tensinimportante que se produce. Si, por el contrario, el cilindro est cerrado o constreido en sumovimiento, se produce tambin una tensin longitudinal( l), en la direccin del eje del cilindro.

En los supuestos de tubo perfectamente librepara alargarse siguiendo la tensin longitudinal y dereparto uniforme de la tensin en el espesor (Figura 4.6), se obtiene la siguiente expresin:

l D m e = P (D i)2/ 4

de donde se deduce (poniendo Deen lugar de D my D i ): l = (P / 4) (D e / e) [4-26]o lo que es lo mismo: l = 0,5 c [4-27]

Si la tubera no est en modo alguno libre, es decir, que no puede en absoluto dilatarse ni pandear,

tenemos la siguiente ecuacin: l = c [4-28]

siendo el coeficiente de Poissondel material del tubo (por ejemplo, = 0,3 para el acero). En laprctica, la tensin longitudinal estar comprendida entre estos dos valores extremos, dependiendomucho, en el caso de las tuberas enterradas, del valor que tome el rozamiento entre tubera y terrenoque la rodea.

En un cilindro delgado y cerrado hay tambin una tensin radial ( r), que actaperpendicularmente a la pared interior del cilindro y vale lo mismo que la presin interna:

r = P [4-29]

La tensin radial es muy pequea comparativamente con la tensin circunferencial (por ejemplo, delorden de 1/20 para un tubo de 0,2 m de dimetro y 5 mm de espesor).

En el caso ms general, habra que considerar adecuadamente las diversas tensiones combinadas,cada una en su direccin, que componen el estado de tensiones en la tubera, cuando sta quedasometida a la accin de la presin interior.


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19

4.6.3.6

Clculo aproximado del espesor en tubera de acero

Podemos dar otra forma a la expresin [4-25], despejando P y poniendo en lugar de c un ciertovalor de la tensin circunferencial (a):

P = 2 e a/ D e [4-30]

que indica la mxima presin (P) que se puede permitir en una cierta tubera, con dimetro (De) yespesor (e) determinados, para no sobrepasar una cierta tensin circunferencial, tensin admisible(a). El espesor utilizado en la frmula anterior debe ser el nominal minorado en la tolerancia defabricacin negativa.

Se suele considerar: a = eE F T [4-31]

siendo: e= lmite elstico del materialE = factor de eficienciade la soldadura

F = coeficiente de seguridadT = factor de temperatura(slo utilizable en gasoductos)

El factor de eficiencia de la soldadura (E) es un coeficiente que tiene en cuenta la posible menorresistencia del material de la soldadura efectuada en la fabricacin de tubos de acero pordeterminados mtodos.

TABLA 4.5

FACTOR DE EFICIENCIA DE LA SOLDADURA

SISTEMAS DE FABRICACION DE LOS TUBOSDE ACERO E

Sin soldadura 1

Con soldadura, por resistencia elctrica por arco sumergido helicoidal API

1

Con soldadura, por arco no sumergido helicoidal ASTM forjada por solapa

0,8

Con soldadura, forjada a tope 0,6

Cuando la temperatura del transporte es muy diferente a la ambiente, se utiliza el factor detemperatura (T), que suele tomar los valores siguientes para los gasoductos, segn la Norma ANSIB 31.8:


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20

TABLA 4.6

FACTOR DE TEMPERATURA EN GASODUCTOS

Temperatura (C) T

121 1

149 0,967

177 0,933

204 0,900

232 0,867

El coeficiente de seguridad(F) depende del fluido que se transporta, de las condiciones del trazadoy de la densidad de poblacin de la zona que atraviesa la conduccin. Los valores del coeficiente deseguridad son fijados por las normas o reglamentos correspondientes.

Con respecto a las tuberas de agua, el Pliego de Prescripciones Tcnicas Generales paratuberas de abastecimientos de agua prescribe lo siguiente respecto al coeficiente de seguridad autilizar en el caso de tuberas de material homogneo, excepto plsticos:

Pr 2 P n Pn 2 P t

Y por lo tanto: Pr

4 P t

siendo:Pt = presin mxima de trabajoPn = presin normalizada o de timbrePr = presin de rotura

Para tuberas de hormign armado o pretensado, con o sin camisa de chapa, el mismo Pliegoprescribe que se deber verificar siempre:

Pf 2,8 P t

siendo: Pf = presin de fisuracin

No existe actualmente un reglamento espaol especfico para oleoductos. La norma americana paraoleoductos, la ANSI B 31.4., establece un nico coeficiente de seguridad, F = 0,72,independientemente de la zona que atraviese el trazado de la tubera.

Para gasoductosexiste la norma espaola " Reglamento de Redes y Acometidas de combustiblesgaseosos", inspirada en la correspondiente norma americana, la ANSI B 31.8, y que establece lossiguientes coeficientes de seguridad en funcin del tipo de construccin, que depende a su vez de lazona que atraviesa el gasoducto y que viene definido en las normas UNE 60.302, 60.305 y 60.309.


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21

TABLA 4.7

VALOR DEL COEFICIENTE DE SEGURIDAD

TIPO DE CONSTRUCCION F

A 0,72

B 0,60

C 0,50

D 0,40

El espesor adoptado en una tubera de transporte debe ser el que garantice la mxima seguridaden

el funcionamiento del sistema, compatible con el coste econmico resultante de los materialesempleados y de la construccin.

Combinando las ecuaciones [4-30] y [4-31] se obtiene la siguiente:

P = 2 e eE F T / D e [4-32]

de la que se puede despejar e :

e = P De / 2 eE F T [4-33]

que nos da el espesor necesario de la tubera de dimetro exterior De, cuando la presin de proyectoes P y el lmite elstico del material es e , adoptando los coeficientes E, F y T.

A este espesor se le debe de incrementar la tolerancia en menos de fabricacin. Tiempo atrs, erausual tambin aadir el sobrespesor de corrosin, pero en la actualidad no es necesario, dada lagran eficacia de los sistemas de proteccin frente a la corrosin, tanto pasiva como activa. S se debeconsiderar un sobrespesor de abrasinen las conducciones de slidos pulverizados en suspensin.

Independientemente del espesor resultante del clculo, se suelen fijar unos valores de espesoresmnimosde las tuberas, por razones de exigencias de fabricacin, transporte, manipulacin en obra,soldadura, etc., por ejemplo, para evitar abolladuras y ovalizaciones. Para gasoductos se utilizan losvalores de espesores mnimos de la siguiente tabla:


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TABLA 4.8

ESPESORES MINIMOS DE TUBERIAS DE ACERO PARA GASODUCTOSSegn Norma UNE 60.309

Dimetro Nominal, DN (mm) Espesor mnimo

200 (*)

200 3,6

250 4,0

300 4,0

350 4,5

400 4,5450 5,0

500 5,6

600 5,6

(*) Para dimetros inferiores a 200 mm se tomar el menor espesor comercial que sobrepase elespesor terico calculado.

Para amoldarse a la variacin de la presin a lo largo de la tubera se puede ir variando el espesor

por tramos (tubera telescpica) o ir variando el tipo de acero, con su diferente resistenciamecnica. En ocasiones, se utiliza un nico espesor para toda la conduccin, sobre todo si se piensaestablecer el transporte de forma reversible, pudiendo ir el fluido en los dos sentidos de una formaalternativa.

4.6.3.7

Clculo del espesor en tubera de polietileno

Se utiliza una ecuacin semejante a la [4-25] para el caso de los tubos de acero:

= P D e / 2 e [4-34]

Los espesores resultantes quedan reflejados en la norma UNE 53.333, que hace una clasificacinde las conducciones en dos series, atendiendo al valor del cociente / P,

siendo: = la tensin de diseo, que coincide con la tensin circunferencial en los tubos de

polietileno P = la presin nominal de la tubera D e= el dimetro exterior e = el espesor


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23

Hay dos series: 1 serie /P = 8,3 con P = 6 bar 2 serie /P = 5,0 con P = 10 bar

La eleccin entre las dos series estar en funcin de las condiciones de trabajo:

- Para tuberas que estn en contacto con hidrocarburos lquidos durante los 50 aos en que seestima su vida de servicio, se adopta la serie /P = 5,0.

- Para tuberas cuyo contacto con hidrocarburos lquidos slo abarque 1/5 de la vida de servicio, esadmisible la utilizacin de la serie /P = 8,3.

4.6.4

Cargas gravitacionales

El peso propio de la tubera y del fluido transportado son cargas ovalizantes, que tienden a aplastar

el tubo y que producen una flexin longitudinal en el caso de tuberas areas apoyadas sobreapoyos de determinado tipo espaciados una cierta longitud. El peso del fluido es despreciable en losgasoductos, pero hay que contar con el agua que llena la tubera durante la prueba hidrulica.

Las tuberas enterradastienen apoyo contnuoen el fondo de la zanja. Dicho apoyo contnuo sematerializa en una capa de asiento de material seleccionado de aportacin, aunque a veces puedeapoyarse la tubera directamente sobre el terreno natural, en caso de cumplir ste unas condicionesmnimas de calidad. No obstante, nunca se debe asentar la tubera sobre un terreno rocoso donde sepueda producir el apoyo discontnuo y puntual de la tubera, lo que originara previsiblementeabolladuras y ovalizaciones en ella.

En el caso de tuberas areassobre apoyos puntuales, el peso de la tubera y del fluido contenidoen su interior producen una flexin longitudinal entre apoyos, que da un conjunto de esfuerzos demomentos flectores y esfuerzos cortantes:

a)

Momentos flectores

Peso del fluido: pf= (D e 2e)2 f/ 4 [4-35]

Peso de la tubera: pt= (D e e) e t [4-36]

siendo: f y t (kN/m3) = pesos especficos del fluido y del material de la

tubera, respectivamente.

Peso total: p = pf+ p t (tubera llena) [4-37]

p = pt (tubera vaca) [4-38]

Suponiendo que la tubera est empotrada en sus extremos y que los apoyos intermedios sonequidistantes, se puede considerar que la tubera funciona como una viga multiapoyada, en laque cada tramo entre apoyos acta como una viga biempotrada en sus dos extremos y sometida

a una carga uniformemente repartida (p, en kN/m), por lo que el momento flector, M ( kNm),


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24

toma los siguientes valores:

En los extremos: M = p L2/ 12 [4-39]

En el centro del vano: M = p L

2

/ 24 [4-40]

siendo: L(m) = distancia entre apoyos

El mayor valor del momento se da en el apoyo y es con el que se deben de hacer los clculos.

La tensin longitudinal mxima debida al momento flector se da en las dos fibras extremas dela seccin transversal de la tubera (traccinen la parte superior de la tubera y compresinenla parte inferior, pero con el mismo valor absoluto en los dos casos) y se obtiene mediante lasiguiente expresin:

l = M De/ 2 I [4-41]

siendo: I = momento de inercia (m4) = D e3e / 8 [4-42]

La flecha mayor (en el centro del vano entre apoyos) responde a la siguiente expresin:

f = p L4/ 384 E I [4-43]

Se suele considerar el siguiente valor prctico de la flecha admisible: L / 360 [4-44]

Siendo, L la separacin entre apoyos.

b)

Esfuerzos cortantes

El esfuerzo cortante en cada apoyo se obtiene mediante la siguiente expresin:

Q (kN) = p L / 2 [4-45]

La tensin tangencial en la seccin de la tubera producida por el esfuerzo cortante se obtiene dela siguiente manera:

t = Q / (D e e) e [4-46]

4.6.5

Acciones exteriores

Entre todas las acciones exteriores destacan las cargas verticales totales, relleno de tierras mscargas concentradas, as como sus empujes, que se pueden reducir a una altura de relleno

equivalente.


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EL "Pliego de Prescripciones Tcnicas Generales para Tuberas de Abastecimiento de Agua"no considera ms accin sobre la tubera que la presin interior e indica que se realize eldimensionamiento del espesor en base a una mayoracin de la presin interior de trabajo,

pretendiendo as que esta mayoracin cubra la accin de las cargas exteriores. Esta apreciacin,aceptable en el caso de dimetros pequeos, no tiene ningn sentido en el caso de tuberas de grandimetro, ya que las acciones exteriores no tienen por que ser proporcionales a la accin de lapresin interior. Antes bien, la utilizacin cada vez ms frecuente de grandes dimetros da lugar aque, en ocasiones, las acciones ovalizantes tengan incluso mayor influencia que la presin interior.

El estudio de los efectos de las acciones exteriores sobre la tubera fue desarrollado primeramentepor Marstony completado posteriormente por Spangler, teniendo en cuenta lo siguiente:

- tipo de instalacinde la tubera (en zanja o en terrapln);- el rozamientoen las paredes laterales del terreno para el caso de la zanja;- la compresibilidaddel relleno;

-

los asientosen el terreno;- la deformabilidadde la propia tubera (tubera rgidao flexible). Esta ltima caracterstica es

muy importante para el comportamiento de la tubera en su resistencia frente a las accionesexteriores. En las tuberas rgidas (fundicin, hormign, fibrocemento, acero en grandesespesores) no se tienen en cuenta las reacciones laterales del terreno, lo que aumenta las cargasresultantes del clculo. Por el contrario, en las tuberas flexibles (acero en pequeosespesores -, plsticos) su gran deformabilidad puede dar lugar a grandes empujes lateralespasivos, llegndose incluso a invertir el sentido de las fuerzas de rozamiento en el prismavertical del terreno.

Marstony Talbotdestacaron el hecho de que cuando una tubera es colocada en una zanja estrecha

y se rellena sta, el material de relleno tiende a asentar. A este asiento se oponen las fuerzas derozamiento que se originan en las paredes laterales de la zanja y estas fuerzas colaboran a resistir elpeso de las tierras reduciendo el peso que debe resistir la tubera. Marston desarroll teoras ymtodos de clculo en los casos de instalacin mas frecuentes, que fueron completados por losconceptos e investigaciones de Spangler, hoy aceptados generalmente.

Se parte de los siguientes supuestos:

a) Las tierras sobre la tubera se comportan como corresponde a un terreno compacto.

b) La carga de tierras que debe soportar la tubera es la que corresponde al peso de las tierrassituadas por encima de su plano superior menos los esfuerzos de rozamiento que proporcionan

las paredes laterales de la zanja.

c) La cohesin del terreno no se tiene en cuenta, porque debe pasar un lapso considerable detiempo para que la cohesin sea efectiva. Despreciar la cohesin supone trabajar del lado de laseguridad.

d) Para tuberas rgidas se desprecia el empuje lateral, con lo cual se incrementarn los esfuerzos aresistir por la tubera.

Finalmente, se llega a ecuaciones del tipo de la siguiente:

qt= C z B d H [4-47]


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26

siendo: qt , carga vertical sobre la tubera, en t/m B dy H, las indicadas en la Figura 4.7, en m

, peso especfico del relleno, en t/m3

Cz , coeficiente de carga, de Marston.

Este ltimo coeficiente viene dado por la siguiente frmula:

1 1 - e 2 k H / Bd

C z = ------ ( ----------------------) [4-48] H/B d 2 k

siendo: k = relacin entre empuje lateral y la presin vertical, su valor es k = tg2( /4 - /2); = ngulo de rozamiento interno del suelo; = tg , coeficiente de rozamiento entre el material de relleno y las paredes laterales de la zanja.

TABLA 4.9

CARACTERSTICAS DEL RELLENO

TIPO DE RELLENO k (t/m3)

Arcilla plstica 0,110 2,10

Arcilla ordinaria 0,130 1,92

Arena arcillosa 0,150 1,92

Arenas y gravas 0,165 1,76Material granular sin cohesin

0,190 1,90

En la actualidad, se realizan investigaciones sobre el comportamiento de tuberas enterradas,teniendo en cuenta la interaccin suelo/tubo a base de utilizar modelos de elementos finitos. Pero,mientras tanto los resultados de tales investigaciones no sean definitivamente aceptados, las teorasy frmulas indicadas anteriormente siguen siendo utilizadas con generalidad.

Las acciones que se consideran sobre el plano horizontal que contiene a la generatriz superior deltubo son las debidas a las cargas del relleno de tierras, posibles sobrecargas uniformes y lassobrecargas mviles producidas por el trfico de vehculos. El conjunto de tales acciones produce enlas tuberas un efecto de ovalizacin que tiende a deformarlas, originando tensiones ( traccionesycompresiones), que se combinan con las producidas por las otras acciones, como, por ejemplo, lastracciones de la presin interior.

- Carga vertical del terreno sobre la tubera enterrada

Cuando se trata de una tubera constituida por un material (plsticos PE, CPV, PRFV, etc. - ;acero en espesores delgados) que da un comportamiento ms o menos flexible frente a las

cargas exteriores ovalizantes, adems de la comprobacin tensional se debe de hacer la


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comprobacin de la deformacin mxima (acortamiento del dimetro vertical y consiguienteaumento del horizontal), cuyo valor relativo no debe superar un cierto valor (por ejemplo, el 5%) y que obedece a la siguiente frmula (de Spangler):

De / De= 0,1 q / (8 R a + 0,061 E r) [4-49]

siendo: De / De= deformacin relativa del dimetro de la tuberaq (carta vertical sobre la tubera, en kN/m de tubera) = qt + q oqt (carga vertical del relleno, en kN/m de tubera) = Cz H bqo(sobrecarga sobre el relleno de tierras, en kN/m) = ver Tabla 4.10

Cz(coeficiente de Marston) = expresado en la [4-48]b = anchura del prisma de relleno que carga sobre la tubera

Ra (rigidez anular de la tubera) = E (e/D e)3/ 12 (1 -

2)

Er = mdulo de elasticidad del relleno (funcin de la naturaleza de ste y de su grado de compactacin)

En el supuesto de que la tubera enterrada (cualquiera sea su instalacin: en zanja completa , enterrapln, en zanja terraplenada) funcione como flexible, soporta un prisma de relleno de anchoigual a su dimetro exterior, es decir:

b = De

Tabla 4.10

SOBRECARGA SOBRE EL RELLENO DE TIERRAS(Para el eje de 70 kN, equivalente a un tractor)

Altura de tierrassobre clave del tubo

(m)

PRESIN VERTICAL(kN/m2)

(*)

Sobrecarga vertical (qo)(kN/m)

(Para D = 1,7 m)1,0 14,9 8,81,5 7,4 4,42,0 5,0 2,92,5 3,6 2,13,0 2,7 1,64,0 1,8 1,05,0 1,2 0,76,0 0,9 0,5

(*) Datos sacados del Anejo 4. Clculo Mecnico de la Instruccin del Instituto Eduardo Torroja.


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Ahora bien, la deformacin de la tubera bajo la carga del relleno produce unos momentosflectores, que se obtienen mediante la siguiente expresin:

M = 4 m (De) E I / De2 [4-50]

Siendo, muna constante que depende de la rigidez de la tubera.

La tensin mxima producida por este momento flector se da en las fibras extremas del espesorde la tubera (en una, compresin, y en la otra, traccin) y se obtiene utilizando la siguienteecuacin:

= M e / 2 I = 2 m E e ( De/ D e) / De [4-51]

4.6.6

Acciones indirectas

Las acciones indirectas son de origen variado y pueden presentar valores importantes en ciertoscasos, como por ejemplo, las acciones trmicas, que se producen cuando se dan fuertes cambios detemperatura o cuando las diferencias entre las temperaturas del fluido y la del ambiente exterior sonapreciables.

Las acciones enumeradas anteriormente deben ser resistidas tanto por los tubos como por las juntasen las que se unen entre s. En concreto, las uniones o empalmes de tubos deben mantener laestanquidad, resistir las tensiones resultantes de las acciones a las que se encuentran sometidas y,en ciertos casos especiales de tuberas areas, facilitar el montaje y desmontaje.

Las tuberas (como las de acero o de polietileno) con los tubos una vez soldados, presentan engeneral buena flexibilidad, lo que permite una buena adaptacin al terreno, y no son necesarias,salvo en casos excepcionales, juntas especiales. Estas se utilizan para permitir movimientosespeciales de la tubera: expansin, contraccin, etc.

- Accin trmica

Suponiendo que se impiden los movimientos de la tubera, tanto en sentido axil como en eltransversal (lo que representa que estn totalmente constreidas la dilatacin y la contraccinde la tubera en su sentido longitudinal, debido a los cambios de temperatura), por su fijacin delos extremos, de los vrtices de cambio de direccin, en planta y en alzado (mediante loscorrespondientes macizos de anclaje), y en los apoyos intermedios, se produce a lo largo de latubera una tensin longitudinal del siguiente valor:

= E [4-52]

siendo: = tensin longitudinal de compresin (o traccin) = coeficiente de dilatacin del material de la tubera = salto de temperatura entre la de cierre del montaje de la tubera y la temperatura mxima (o mnima) alcanzada por la tubera


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Ejemplo:

Para el acero se tiene el siguiente valor de coeficiente de dilatacin: = 10-5oK-1

Suponiendo los siguientes valores de las temperaturas:

Temperatura de cierre del montaje = 15 oCTemperatura mxima = 35 oCTemperatura mnima = -5 oC

el salto trmico sera igual a: = 20 oK

As que el valor de la tensin longitudinalproducida por la accin trmica resultara ser:

= (10-5 oK-1) (20 oK) (200.000 MPa) = 40 MPa compresin (o traccin)

4.6.7

Comportamiento estructural de las uniones entre los tubos

Los esfuerzos longitudinales son inevitables en las tuberas enterradas, incluso cuando las juntas sonmecnicas con anillo de goma. Dichos esfuerzos longitudinales son acumulativos y provienen dediversas acciones, como por ejemplo:

- la presin interna, debido a los cambios de longitud por efecto Poisson, dado el efecto decoaccin del rozamiento con el terreno;

-

los cambios de temperatura (acciones trmicas),

- los derivados de los momentos flectores, que se producen a partir de los puntos altos o duros enel lecho de asiento (Figura 4.8).

Es evidente, que los esfuerzos longitudinales referidos, que pueden ser muy bien soportados porcualquier seccin del tubo (si est bien dimensionado su espesor conveniente del material elegido),pueden producir desplazamientos en las juntas, lo que puede provocar la prdida de la estanquidad,y en los casos ms graves, incluso la ruina de la unin.

Otras veces, los esfuerzos transversales (sea en direccin vertical o radial) pueden producir daos(grietas, descascarillado) en juntas como la de la Figura 4.9, del tipo de espiga y campana. Lo quepuede inducir a un reforzamiento de la seccin como el indicado esquemticamente en la Figura4.10.

No obstante, los perjudiciales efectos indicados anteriormente se pueden acrecentar con el tiempotranscurrido desde la instalacin de la tubera sobre su asiento en el fondo de la zanja, como se haobservado en las experiencias realizadas en casos reales de instalacin de tuberas.


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FIGURAS(Tema 4)

Redes Tuberias Calculo Est

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