1.1
DIMENSIONAMIENTO DIMENSIONAMIENTO DE LÍNEAS Cuando se escoge un tamaño de línea, es necesario considerar tanto la caída de presión como la velocidad del flujo. Normalmente, la caída de presión no es un criterio gobernante en los sistemas de tubería de las facilidades de producción dado que normalmente la pérdida por fricción en estas líneas es muy pequeña en comparación con la presión total disponible en el proceso. La caída de presión se convierte en un criterio de importancia en líneas largas o aquellas que comunican equipos que operan a la misma o muy cercana presión; también es un criterio importante para sistemas de baja presión y sistemas atmosféricos. El diámetro de una línea también debe ser dimensionado para una velocidad mínima y una máxima permitida. El fluido debe mantenerse bajo determinada velocidad para prevenir problemas como erosión, ruido y golpes hidráulicos. A continuación se presentan una serie de criterios de dimensionamiento para líneas de proceso, los cuales deben interpretarse sólo como una guía debido a que la escogencia final de un diámetro de línea depende fuertemente de las condiciones particulares del fluido a transportar y de las características del proceso y del sitio.
1.1.1 Líneas de líquido de proceso Las siguientes tablas resumen los criterios de velocidad de flujo y caídas de presión máximas usadas para el dimensionamiento de líneas de líquido de proceso, aplicables a líquidos en general y agua.
Tabla 7. Criterios Generales para dimensionamiento de líneas de líquidos Descripción Succión de Bombas (4” y menores) Líquido en equilibrio Succión de Bombas (6” – 10” – 10” ) Líquido en Equilibrio Succión de Bombas (12” y mayores) Líquido en Equilibrio Descarga de bombas Líneas de proceso (interiores a la facilidad o planta - cortas) Líneas de proceso (exteriores a la facilidad o planta – planta – largas) largas)
Pmáx (psi) / 100 ft
Vmáx (ft/s)
0.5
3
0.5
5
0.5
6
3
15
3
15
1
15
Vale la pena resaltar que líneas críticas como la entrada de fluidos pasando por intercambiadores de calor deben ser dimensionadas para cumplir con la cabeza requerida para entrar a la primera bota de gas conservando la presión de entrada establecida por Cepcolsa, como complemento de los criterios de los presentados en la tabla de arriba.
Tabla 8. Criterios de Dimensionamiento de Líneas para Agua
Recomendación General (diámetro tubería)
Velocidad (ft/s)
1"
2 - 3,3
2"
3,5 - 5
4"
5-7
6"
7-9
8"
8,2 - 11
10"
9,8 - 12
12"
12 - 14
16"
12 - 15
20"
12 - 16
Máximo ∆P
(psi/100pies)
<4
1.1.2 Líneas de flujo por gravedad Aquí se incluyen las líneas de rebose de tanques, salida de botas de gas y drenajes. Generalmente se usa una pendiente como mínimo de 1:100. Las líneas de flujo por gravedad deben ser dimensionadas usando una máxima pérdida de presión por fricción de 0,5 psi/100 pies. Esto puede ser excedido para líquidos sub-enfriados con suficiente cabeza de presión disponible. Adicionalmente, para líneas que se consideren autoventeantes, es recomendable que sean dimensionadas para un número de Froude < 0.3. En la siguiente tabla se indican los flujos máximos recomendados para diferentes diámetros de líneas de drenaje, dependiendo de la inclinación y asumiendo un 75% de llenado.
Tabla 9. Flujo máximo en líneas de drenaje Diámetro (in) Capacidad máxima de flujo (gpm) 2 4 6 8 10 12 14 16
Pendiente 1:50 16 105 308 660 1192 1940 2926 4180
Pendiente 1:100 11 75 215 466 845 1373 2072 2957
1.1.3 Líneas de gas La siguiente tabla resume los criterios de velocidad de flujo y caídas de presión máximas usados para el dimensionamiento de líneas de gases y vapores de proceso:
Tabla 10. Criterios de Dimensionamiento de Líneas para Gases y Vapores Velocidad (ft/s)
Presión operación (psia)
P (psi/100 ft)
Recomendación general < 50 50-150 150-550 550-2150
0.05-0.15 0.2-0.3 0.3-0.5 0.50-1.20 0.2% de la presión de operación
VG
> 2150 Servicios Aire Gas combustible
0,1 1,0 –
Notas: La velocidad de los gases con contenido de dióxido de carbono y humedad no debe exceder 40 ft/s en donde sean usados inhibidores de corrosión. Para velocidades por encima de este límite el inhibidor pierde progresivamente su efectividad. VG, velocidad del gas y Ve, velocidad erosional. Ver sección Líneas gas-líquido Se recomienda evitar velocidades mayores de 60 ft/s para minimizar los problemas por ruido y esfuerzos en las tuberías; sin embargo, esta velocidad no debe ser considerada como un criterio absoluto.
Para el dimensionamiento de las líneas se debe tomar a criterio del diseñador de las premisas anteriores la que sea más crítica para el sistema. 1.1.4 Líneas gas-líquido Las altas velocidades en líneas que manejan dos fases pueden causar un desgaste acelerado por erosión. La velocidad para la cual la erosión se convierte en un factor importante puede ser calculada con los lineamientos de la API RP 14E. V e
C
Donde V e
Velocidad erosional, ft/s
m
Densidad de la mezcla, lb/ft
1/ 2
m
3
Para tuberías de acero al carbón, los valores sugeridos de C, se muestran en la siguiente tabla. Tabla 11. Valores sugeridos de la constante C de la ecuación de velocidad erosiva, para tubería de acero al carbón. SERVICIO CONTINUO
FLUIDO
NO CONTINUO
•
•
•
CORROSIVO
NO CORROSIVO
C
•
100
•
125 •
200
•
•
250
Un procedimiento de cálculo recomendado para el dimensionamiento de líneas para transporte de gas-líquido es: a. Calcular la velocidad erosional y determinar el tamaño mínimo de tubería requerido para evitar problemas por erosión. b. Verificar el patrón de flujo para asegurar que se evite el flujo en slugs; sin embargo, de no ser posible evadir la zona de flujo en slugs debido a la restricción por velocidad erosional, entonces este patrón de flujo debe ser aceptado con sus consecuentes peligros de pulsación / vibración en la línea. En este último caso se debe prestar especial consideración al diseño isométrico de la línea y su soportería. c. Calcular la caída de presión. Normalmente no es el factor controlante, pero en general es una buena práctica evitar caídas de presión mayores a 5 psi/100 ft. Como recomendación general se tiene que para líneas que manejan flujo en dos fases, la velocidad mínima debería estar alrededor de 10 ft/s para minimizar los baches de líquido en los equipos de separación. 1.1.5 Líneas de vapor de agua En las siguientes tablas se indican los criterios utilizados para líneas de vapor de agua según sus características y servicio Tabla 12. Criterios de velocidad para el dimensionamiento de líneas de vapor Condición del vapor Saturado 0 a 50 psig Sobrecalentado 0 a 10 psig 11 a 100 psig 101 a 900 psig
Velocidad (ft/s) D<=6
D = 8 a 12
D > = 14
30 a 115
50 a 125
60 a 145
50 a 140 40 a 115 30 a 85
90 a 190 75 a 165 60 a 150
110 a 250 95 a 225 85 a 165
Tabla 13. Criterios de caída de presión para el dimensionamiento de líneas de vapor
Presión de la línea de vapor
Caída de presión (psi/100 ft) Cabezales Derivaciones
< = 500 psig
0.5 a 1.5
1a2
> 500 psig
1a2
1.5 a 3
Caída de presión total (psi) < = 250 psig
5% o 5 psi (lo que sea menor)
251 a 750 psig
2% o 10 psi (lo que sea menor)
> 751 psig
1,5 % o 15 psi (lo que sea menor)
1.1.6 Líneas de retorno de condensados Las líneas de retorno de condensado usualmente presentan flujo en dos fases. A medida que el flujo progresa a lo largo de la tubería de retorno, la presión cae y el paso de condensado a la fase vapor ocurre continuamente. Por esta razón, un chequeo del flujo en dos fases para el dimensionamiento y cálculos hidráulicos es recomendado. Un método empírico ampliamente aceptado para el dimensionamiento de cabezales de recolección de condensado se basa en el nomograma de Sarco presentado en la siguiente Figura. Para el alcance de la Ingeniería Básica, su uso se considera adecuado y suficiente.
Figura 1. Nomograma de Sarco para dimensionamiento de líneas de retorno de condensados
El procedimiento recomendado es el siguiente: 1. Establecer la presión (psig) aguas arriba desde la cual el condensado es generado y enviado al sistema de recolección (pre sión del vapor). 2. Establecer el flujo de condensado (lb/h) 3. Establecer la presión del tambor de retorno (psig) 4. Calcular el factor de carga donde C es la carga de condensado en lb/h. El método está basado en una velocidad máxima de 500 ft/min (8.3 ft/s) para la mezcla. 5. Ingresar en la ordenada de la figura con el valor de la presión del vapor y moverse horizontalmente hasta cruzar el valor establecido de presión del tambor del retorno. Moverse verticalmente y leer el valor del factor de escalamiento. 6. Dividir el factor de carga calculado en el paso 4 entre el factor de escalamiento leído de la figura en el paso anterior para obtener un valor de velocidad en ft/min/100lb/h de condensado. 7. Entrar de nuevo a la figura con el valor de velocidad obtenido en el paso anterior y subir verticalmente hasta el valor de presión del vapor. Leer el
valor de tamaño de línea. Se debe escoger el tamaño nominal más alto cuando la intersección se da entre dos tamaños. 8. Para tamaños mayores de 3” se debe seguir los pasos 1 a 6 y leer de la figura el valor de velocidad correspondiente a la intersección de la línea de 3” con el valor de presión del vapor. 9. Dividir el valor de velocidad obtenido en el paso 6 entre el valor leído anteriormente en el paso 8. 10. Referirse a la tabla de multiplicadores en la parte superior de la figura, y escoger el tamaño de línea cuyo multiplicador es igual o menor al obtenido en el paso 9. 11. Se recomienda en cualquier caso que el momento (densidad x velocidad al cuadrado) calculado en la línea esté por debajo de 15000 Pa s. 12. El diámetro en tramos verticales ascendentes debería ser tal que el patrón de flujo sea anular. 13. Los tramos horizontales deben evitar el patrón de flujo slug, 14. El diseño de tubería del colector principal debe desarrollarse sin bolsillos.
1.1.7 Líneas de relevo/venteo/despresurización Como criterio general de diseño, la velocidad límite para estos sistemas corresponde a un número Mach máximo de 0.7 en los ramales de salida de PSV’s para la capacidad rateada de la válvula; y un número Mach máximo de 0.5 en los colectores principales para su condición de diseño. El término Mach se define como la relación entre la velocidad del fluido en el ducto y la velocidad de propagación de las ondas de sonido en el fluido. Las recomendaciones y criterios señalados en la norma API 520 partes I y II y en la API 521 son aplicables y serán tenidos en cuenta para la revisión del diseño de este sistema.