Reforma de la toma de agua de mar de la desaladora de Carboneras, Almería

Susana López Velasco

Directora de obra, acuaMed

 

La planta. Toma existente La planta desaladora de Carboneras se encuentra situada en la zona industrial del término municipal de Carboneras, junto a la Central térmica de Endesa, y frente a las instalaciones portuarias de Carboneras. Las infraestructuras ejecutadas tienen una capacidad de producción de 42 hm3/año y entraron en servicio en julio de 2005.

La toma de agua de mar de la desaladora, se construyó dentro de las instalaciones del puerto, en la zona próxima a tierra, a -17 m de profundidad. Consta de dos tuberías de diámetro 2000 mm de PRFV con capacidad para la producción actual de la planta y su potencial duplicación.

La longitud total del inmisario era de 350 m, de los cuales 150 m son submarinos. Fue necesario el uso de explosivos, para retirar el material de excavación, y alcanzar la cota -17 para cimentar la torre de toma, que también es doble. La toma de agua se realiza a la cota -15 m, y se calculó para que el agua circule a una velocidad de 0,5m/sg.

El vertido de salmuera de la planta se realiza a través del emisario de vertido de la central térmica.

 Vista general de las obras del inmisario

 Ejecución tramo terrestre

 Voladuras de roca para alcanzar la cota -17 m

  

Ejecución del tramo submarino.

  

Torres de toma completamente terminadas

Porqué. Necesidad de la reforma La Autoridad Portuaria de Almería tenía prevista la ampliación del puerto de Carboneras con un nuevo muelle. Este nuevo muelle de ribera afectaba a las torres de toma tanto en su fase de construcción como en su fase de explotación. Aunque la toma no quedaba anulada por las obras previstas, el aumento de la actividad que se iba a producir en el puerto, afectaba directamente a la calidad del agua de mar captada para la planta, pudiendo provocar incluso la paralización de la producción.

Por otra parte, los responsables de la explotación de la planta, venían constatando desde que comenzó la operación de la misma, que la temperatura del agua en la captación, sufría importantes variaciones entre los meses de verano y de invierno (de 14 a 28 º C). Esta acusada oscilación térmica, además de afectar a

la eficiencia energética del proceso de ósmosis, dificultaba la consecución de los límites de calidad exigidos al agua producida en cuanto al boro (<1ppm para abastecimiento) y conductividad a altas temperaturas.

Para la ubicación de la nueva toma, se debería tener por tanto en cuenta también este problema. Era necesario determinar a qué profundidad la masa de agua no se veía influenciada por la termoclina, disminuyendo las temperaturas máximas en valores medios mensuales inferiores a 20 ºC. Se hicieron análisis a lo largo de un año, y se determinó que era adecuado ubicar la toma a una profundidad de 38 m.

Por último, se tomó la decisión de ampliar la toma, sólo para uno de los dos ramales existentes. Una sola conducción de diámetro 2.000 mm, era suficiente para la capacidad de producción actual de la planta, y además esto nos permitía mantener el uso de la toma actual, si se consideraba necesario.

Se redactó por tanto un proyecto para prolongar la toma existente, aproximadamente 1 km de longitud, fuera de la bocana del puerto para no interferir con el tráfico marítimo, y a una profundidad de 38 m.

Alternativas para el material de la conducción Durante la fase de redacción del proyecto se realizó un estudio comparativo de materiales, para ejecutar la ampliación de la toma. Se plantearon los siguientes materiales:

- Polietileno de Alta Densidad ( PEAD) - Poliéster Reforzado con Fibra de Vidrio (PRFV). - Acero S/API 5L-B ANSI B-36.10 con 10 cm de revestimiento exterior de hormigón armado de

alta densidad

Para determinar que material era más adecuado, se analizaron dos aspectos:

- Proceso constructivo, haciendo especial hincapié en el tipo de juntas en las uniones, y en el procedimiento de tendido de los tubos.

- Ventajas e inconvenientes de cada uno de los materiales.

Es importante reseñar, que el hecho de que el inmisario debía construirse dentro de un puerto industrial que no podía ver interrumpida su actividad, así como el condicionante de la profundidad a la que debía colocarse la torre de toma, condicionaban enormemente la elección del material de la tubería y de los procesos constructivos para la ejecución del dragado y el posterior fondeo y protección del inmisario. Hasta el momento la actual toma de Carboneras es el inmisario de mayor diámetro (2.000 mm) fondeado a mayor profundidad (-38 m) en España.

Se explican a continuación los procesos constructivos que plantearon los distintos fabricantes de tuberías para la ejecución de la obra.

Tubería de PEAD

Proceso constructivo 

- Formación de la tubería en tierra: Se consideran tubos de 12 metros de longitud. La flotación y el fondeo de estas tuberías se realiza por tramos. La unión de los tubos para la formación de dichos tramos se efectúa en tierra, por lo que es preciso disponer de una plataforma en tierra suficientemente grande para realizar los trabajos de soldadura de los tubos. El sistema de unión de tubos es mediante soldadura a tope.

En paralelo, hay que fabricar los lastres de hormigón, que permiten el fondeo, y dan estabilidad al tubo en el fondo marino. Los lastres se fabrican divididos en 2 mitades que se unen abrazando la tubería mediante tornillos. Pueden tener forma circular, con patas, con un lado plano, etc. Los lastres se colocan previamente al fondeo del tubo.

- Transporte: Los tramos de tubería pueden alcanzar longitudes de 100-200 m. Es necesaria la formación de una rampa para irlos metiendo en el agua, donde quedan flotando para su transporte.

 

Esquema de formación y botadura de los tramos de tubería de PEAD

El tramo a flote se transporta mediante remolcadores. Uno de los remolcadores grúa hace de timón por popa. El otro remolcador se utiliza como elemento auxiliar para corregir irregularidades que se vayan produciendo durante el remolque y definir la zona donde se va a situar para iniciar el fondeo.

Cada uno de los tramos de PEAD está cerrado por una brida ciega metálica atornillada y con una junta de estanqueidad en cada extremo del tramo. Estas bridas ciegas están provistas de válvulas de inundación y de salida de aire.

- Fondeo: Se sitúa el tramo a fondear en la zona elegida, amarrándolo a dos muertos situados en la zona. Con ambos muertos y el remolcador se inicia el fondeo con la apertura controlada de la válvula de agua del extremo a conectar (popa) mientras se abre la válvula de aire del otro extremo (proa). Se va liberando este extremo y con ello la tubería se va fondeando formando una línea en S.

Con el extremo de popa próximo a la conexión se liberan las bridas a conectar y se aproximan ambos extremos. Se procede a la unión de ambos con tornillos, haciendo un apriete inicial con herramientas hidráulicas.

Una vez conectados ambos extremos, se procede al hundimiento de la proa del tramo. Para ello se libera la grúa flotante por popa, una vez depositada una longitud por popa suficiente para sujetarla. Después se amarra por proa la grúa flotante, abriendo la válvula de agua con la cual se va a corregir el hundimiento controlado por los equipos de tramo total. Una vez unidos todos los tramos, se procede a la protección de la tubería.

  Ventajas/Inconvenientes 

- Presenta como principales ventajas: - Poco sensible a la humedad, de la cual absorbe menos de un 0.005%. - Elevada resistencia a la corrosión tanto a ácidos como a bases. - Rango de temperatura de trabajo es de –40ºC a 80ºC. - Material no tóxico. - Conducciones ligeras y fáciles de manejar. - Flexibilidad: tolera mejor el movimiento que cualquier otro material para tubería submarina. - Resistencia al impacto. - Posibilidad de soldadura: puede ser ensamblada fácilmente en la playa por fusión de los

extremos. - Las juntas fusionadas correctamente son más fuertes que la tubería misma, lo que evita

futuras fugas en la unión debido a sedimentación o movimiento. - Si es necesario, la tubería puede ser reflotada inyectándose aire comprimido. - Resistencia a la abrasión. - Más económica en grandes diámetros que otras alternativas como pudieran ser tuberías de

poliéster, polipropileno, o PVC.

 

  Esquema de fondeo de un tramo de tubería de PEAD 

Tubería de PRFV

Proceso constructivo 

Se considera que la longitud de los tubos es, al igual que en el caso de PEAD, de 12 metros.

- Formación de la tubería en tierra: En tierra se construyen tramos de 120 m (es decir, 10 tubos) mediante uniones rígidas laminadas. Estas uniones se realizan encarando dos extremos de tubería y cubriéndolos conjuntamente con capas sucesivas de diferentes tipos de fibra de vidrio, saturadas con resina. La composición y espesor del estratificado se determina en función de la presión de servicio. La calidad de la resina viene impuesta por la naturaleza del fluido circulante y del entorno.

- Transporte y fondeo: Una vez realizada la unión de los tubos se atan flotadores y se lanza el tramo de 120 metros hasta el mar. La conducción es transportada por dos remolcadores: el

delantero empujando y el trasero actuando de retenida. Cuando la totalidad está ya en el mar, se colocan unas boyas equiespaciadas a lo largo del tubo. El fondeo se lleva a cabo controlando la longitud de la cadena de las boyas y el llenado-vaciado de los flotadores, como muestra la figura:

 

Instalación submarina con remolque

Con la guía de buzos, se fondea hasta su posición definitiva en la zanja. Una vez situada, se une al tramo que ya está instalado mediante bridas. Estas bridas se colocan con buzos.

Por último, se ejecuta la protección de la tubería en su tramo marítimo. Esta protección es similar a la de PEAD.

Ventajas / Inconvenientes 

- Ligereza (un 30% menor que el peso del acero) - La unión entre tubos se puede realizar mediante sistemas rígidos (bridas, químicas o

laminadas, Campana-Espiga con anillo de retención, o por valonas) o flexibles (Campana-Espiga, o mecánica).

- Los tubos de PRFV permiten adaptarse a las condiciones de presión y esfuerzos de cada tramo, aprovechando mejor el material pero a costa de una menor “industrialización” de la puesta en obra, disponiéndose tubos de diferentes características.

- Desde el punto de vista de la corrosión, las tuberías de PRFV resisten aguas agresivas. - Los tubos de PRFV son inalterables, no requiriendo de sistemas específicos de protección

como es el caso del acero. - La estanqueidad de las uniones será siempre menor que en las soldaduras del acero y de

PEAD. - La rigidez hace que los ángulos de desviación entre tubos sean menores que el que permiten

los tubos de PEAD que unido a la longitud habitual (12 metros) hacen necesaria una ejecución y puesta en obra más precisa y laboriosa.

- Las características mecánicas del PRFV son buenas, aunque no alcanzan las propias del acero o fundición, tomando mayor importancia el material del relleno y los espesores.

Tubería de acero

Proceso constructivo 

- Construcción en tierra: Al igual que en los casos anteriores, los tubos considerados son de 12 m de longitud. Los tubos de acero vienen ya de fábrica con el recubrimiento de hormigón de alta densidad salvo en los extremos para permitir así la unión entre tubos.

Se dispone un parque de montaje en la playa, en el que los tubos de 12 metros se unen para formar tramos de unos 60 metros de longitud. Esta longitud viene determinada por las dimensiones disponibles para el parque.

Los tubos de 12 metros se sueldan en sus extremos, que como se ha dicho no tienen el recubrimiento de hormigón. El tramo de 60 metros ya formado se desplazará hacia la rampa de lanzamiento mediante unos carretones provistos de sistemas hidráulicos de elevación y traslación interconectados que circulan por las guías previamente construidas. Hay que tomar las medidas necesarias para que durante el desplazamiento hacia el mar, no haya “quiebros” en el terreno que puedan provocar daños en la tubería (dar pendiente adecuada a la explanada, colocar tablestacado, etc.

 

Parque de montaje de tuberías

- Lanzamiento de la tubería: Una vez lanzado un tramo de 60 metros, se une en la rampa al siguiente mediante soldadura y se vuelve a tirar. Así sucesivamente hasta lanzar todos los tramos de 60 metros. La tubería se arrastra por el fondo marino tirada de una pontona. Cada tramo formado en tierra se une al ya lanzado mediante las correspondientes operaciones de ensamblaje de la tubería, realizándose la soldadura de los cilindros de acero y todas las operaciones de aplicación del hormigón, hasta dar lugar a una nueva unión sin juntas.

Ventajas / Inconvenientes 

- El tubo de acero es mucho más pesado que los tubos de material plástico. Esta diferencia se hace aún mayor con el empleo del recubrimiento de hormigón. Y esto dificulta el trabajo de transporte y fondeo de los tubos, teniendo en cuenta la distancia y la profundidad que hay que alcanzar.

- Presenta problemas de corrosión, por lo se debe incorporar un sistema de protección contra este fenómeno, que debe ser adecuadamente mantenido durante la explotación.

- Tiene unas propiedades mecánicas muy buenas, destacando su resistencia a tracción. - La instalación de tuberías de acero requieren de una buena ejecución de la zanja y sobre

todo de su relleno, que debe cuidarse tanto en su compactación como granulometría. - Un inconveniente del empleo de conducciones de acero es la necesidad de mano de obra

muy especializada para la ejecución de las soldaduras entre tubos, al tratarse del sistema más habitual para estas conducciones. Este tipo de junta no permite, una vez soldada, giros relativos, de ahí la importancia del relleno, para evitar esfuerzos en la tubería en caso de asientos.

Conclusiones

Para decidir que material era más adecuado, se realizó un resumen cuantitativo en el que se valoraron los siguientes aspectos:

- Características mecánicas: - Calidad de las juntas: siendo mejor valoradas las de tipo soldadas. - Puesta en obra: se refiere a la facilidad de los trabajos de ejecución y la precisión requerida

de los mismos. - Equipos de obra necesarios: hace referencia a la disponibilidad de medios necesarios

(equipos, maquinaria, personal especializado…) - Corrosión: valora la resistencia a los ataques químicos provocados por la agresividad del

ambiente marino. - Mantenimiento: tiene en cuenta la frecuencia, facilidad e intensidad de las inspecciones

necesarias a lo largo de la vida útil de la obra.

- Plazo de ejecución: valora positivamente la opción que requiera menos tiempo de ejecución.

 PEAD PRFV Acero

Características mecánicas 6 7 9 Calidad de las juntas 8 6 8 Facilidad de puesta en obra 9 5 6 Equipos de obra necesarios 7 5 6 Corrosión 9 9 7 Mantenimiento 8 8 6 Plazo 9 6 7 Total 56 46 49

 Se concluyó que la solución de PEAD resultaba más ventajosa que las otras dos, seguida de la de acero. La solución en PRFV resultó ser la menos adecuada, a pesar del hecho de que la toma existente se había ejecutado en este material.

Ejecución de la obra. Procesos constructivos La toma existente se ubica a una profundidad de 17 metros próxima a tierra en la zona suroeste de la dársena del Puerto Endesa de Carboneras. Consta de dos conducciones de PRFV de diámetro 2000 y de 2 torres de toma. El objeto de la obra ha sido prolongar un kilómetro mar adentro una de las conducciones, con la construcción de un nuevo inmisario, para ubicarla a una profundidad de 38 metros en el exterior de la bocana del puerto, desplazada al sur de la misma para dejar libre el canal de acceso al puerto y evitar problemas relacionados con el tráfico portuario. La otra conducción de PRFV con su torre de toma, se mantiene en servicio para su utilización en situaciones de emergencia.

La obra consta de tres unidades claramente diferenciadas:

Arqueta de reparto

Se ha modificado la arqueta de reparto existente en tierra, frente a las instalaciones de la planta desaladora, ampliándola para permitir el acceso a la misma, y dotándola de un sistema de compuertas que permita la entrada de agua desde la toma antigua o desde la toma nueva. La arqueta se ha ejecutado en hormigón armado, y las escaleras y demás elementos de acceso a la misma se han ejecutado en PRFV.

 

Definición geométrica de la nueva arqueta de reparto.

      Excavación nueva arqueta sobre arqueta existente

    Ejecución arqueta. Conexión conducción existente

    Colocación de compuertas para permitir la entrada de agua por una u otra toma

    Relleno excavación Colocación de las losas

La ejecución de la nueva arqueta, no presentó ningún problema, salvo los propios de trabajar por debajo del nivel freático.

Conducción de toma

Se ha ejecutado, tal y como estaba proyectada, en tubería de PEAD de diámetro 2.000 mm. El contratista ofertó como mejora la utilización de tubería continua en lugar de tubería por tramos soldados. Se fabricaron 2 tramos de tubería de PEAD de 500 m de longitud cada uno. La posibilidad de colocar los tramos en la zanja con un cierto grado de curvatura en planta evitó la colocación de codos.

Lastres

Se realizó el cálculo del lastrado de la conducción, mediante el análisis del equilibrio de fuerzas desestabilizadoras originadas por la dinámica marina y el peso sumergido de la propia conducción. Se diseñaron dos tipos de lastres, los de fondeo, circulares, y los de protección, que apoyaban sobre el fondo marino, cubriendo la tubería completamente.

 Lastres de fondeo o de primera fase

 Lastres de protección o de segunda fase

    Ejecución de lastres de primera fase

    

    Ejecución de lastres de segunda fase

La conexión con la tubería de toma existente se ha hecho mediante una pieza especial de unión de PRFV.

                  

Dragado

Los trabajos de dragado se vieron seriamente afectados por las condiciones meteorológicas, y por la dificultad de dragar hasta profundidades de hasta 25 m. El calado mínimo del puerto de Carboneras era de 20 m de profundidad, por lo que nuestra tubería debía ubicarse siempre por debajo de esta profundidad, y con resguardo suficiente para garantizar la seguridad del tubo.

Las obras, que se habían programado con un plazo de ejecución de 8 meses, se prolongaron durante 18 meses. El producto procedente del dragado, no podía acopiarse dentro del puerto, ni se nos permitió verterlo en zonas próximas, para no afectar a los fondos marinos ni variar la batimetría de la zona. Fue

preciso construir una balsa junto a las instalaciones del puerto, donde se bombeaba el dragado. Estas arenas han sido posteriormente reutilizadas para la regeneración de playas en la provincia de Almería.

   Bomba toyo dragando en la zona de menos calado y balsa de decantación

    Dragado de la zanja para colocación de la tubería

Siguiendo las directrices marcadas por la Autoridad Portuaria de Almería, toda la conducción se ha protegido, para evitar que pueda ser dañada por acciones externas como caídas de elementos de los buques que operan en el puerto (p.e. anclas).

El tramo más próximo a tierra se ha protegido con hormigón en masa. Para facilitar el hormigonado submarino así como el fondeo del primer tramo de tubería se fabricaron unos cajones de hormigón armado para los primeros 80 m que se colocaron sobre el terreno excavado y en el interior de los cuales se ubicó el tubo.

Del PK 80 al PK 674 aproximadamente el tubo se ha enterrado en una zanja y se ha protegido con escollera.

Del PK 674 hasta la linterna de toma, el tubo se apoya sobre el fondo marino, y se ha protegido con lastres de hormigón armado.

El inmisario submarino está dotado, de acuerdo a las mejoras ofertadas por el contratista, con dos bocas de hombre para permitir el acceso en caso necesario para tareas de mantenimiento, ubicadas en los P.K. 0+200 y 0+700.

También según las mejoras ofertadas por el contratista, se ha instalado un tubo de polietileno PN16 de 25 mm de diámetro en el interior de la conducción principal, que permite inyectar hipoclorito hasta el extremo ubicado en la linterna de toma desde la planta desaladora.

Proceso de fondeo de la tubería y posterior protección.

     Colocación de lastres de fondeo, y retirada de tapas de trasporte

      

Trasporte del tubo hasta su posición de fondeo y fondeo con ayuda de flotadores,

Colocación de lastres de protección en el tramo de conducción apoyada sobre el fondo marino 

 

Relleno de la zanja con arena procedente del dragado y protección superior con escollera

Linterna de toma

Está formada por solera y muros de hormigón armado. En la parte superior están las rejillas de captación, y la tapa, hechas de PRFV. Se ha situado sobre el fondo marino a la cota batimétrica -38 m.

El diseño de la linterna de toma se revisó aumentando la superficie de su base para reducir las cargas de cimentación sobre el lecho marino y con ello el riesgo de asiento de la estructura.

Además se recalculó toda la estructura de la linterna y, siguiendo indicaciones de las autoridades de navegación marítima, se eliminó la boya de balizamiento de la toma.

 

    

Linterna de toma. Ejecución en Puerto. Trasporte a su posición con ayuda de flotadores