Diseño de Oleoductos

ESCUELA MILITAR DE INGENIERÍA “MCAL. ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” BOLIVIA

TRABAJO FINAL DEL SEMESTRE

DISEÑO DE OLEODUCTOS

CARLA YAHAIRA MÉNDEZ CÁRDENAS

SANTA CRUZ - 2016


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INTRODUCCION El transporte comienza en el pozo, donde es producido y debe ser llevado a través de tuberías hasta puntos de separación de gas y agua y posteriormente hasta baterías y playas de tanques, donde es tratado para dejarlo en condiciones de venta. Posteriormente es almacenado para luego ser transportado hasta las destilerías o plantas de proceso. Un oleoducto, básicamente, se utiliza para el transporte de productos petrolíferos desde una primera estación de bombeo situada en la cabeza de instalación, y que esta normalmente unida a los tanques de una refinería, hasta los distintos puntos terminales, donde se recoge el productos en pozos terminales. Una red de oleoductos es un conjunto de oleoductos simples o topologías interconectadas entre si, cuya misión es el transporte de productos desde unos puntos de abastecimientos hasta unos terminales donde se encuentran depósitos para su almacenamiento. OBJETIVOS    

Reconocer las tres características físicas de las tuberías que afectan el diseño de oleoductos. Identificar la definición del factor de fricción, f. Reconocer como las seis propiedades físicas de un líquido afecta el diseño de oleoductos. Identificar las variables utilizadas para calcular el Número de Reynolds, Re.

ESTRUCTURA DE UN OLEODUCTO El oleoducto se divide básicamente en estaciones de bombeo y terminales. Las uniones entre los diferentes puntos de la instalación se realizan por medio de tuberías.

PARAMETROS CLAVES PARA EL DISEÑO DE OLEODUCTOS El diseño de oleoductos involucra un número de pasos progresivos utilizando cálculos hidráulicos para determinar el tamaño óptimo y las características de operación en un 1


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sistema de oleoductos. Para diseñar apropiadamente un oleoducto, es necesario entender las condiciones que afectan el fluido en el oleoducto. Los siguientes parámetros deben ser considerados al diseñar oleoductos o gasoductos:   

características de la tubería propiedades físicas del fluido y la relación entre la tubería y el fluido.

SEGÚN LA SUSTANCIA QUE TRANSPORTAN SE CLASIFICAN EN:

LAS LÍNEAS DE CONDUCCIÓN DE PETRÓLEO SE PUEDEN CLASIFICAR EN:

• Líneas de pozos • Líneas colectoras • Oleoductos secundarios • Oleoductos principales

DISEÑO DE OLEDUCTOS El diseño de cañerías en instalaciones de producción incluye la selección del diámetro y del espesor de la pared capaz de soportar la presión necesaria para vencer las pérdidas de carga entre los puntos de partida y llegada, como así también el tipo de material adecuado para el tipo de fluido que transporta.

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CARACTERÍSTICAS DE LA TUBERÍA Las características físicas de la tubería afectan la forma como un fluido se comportará en una oleoducto. Específicamente, hay tres parámetros que se deben considerar en el diseño: • Diámetro interno de la tubería (D) • Longitud de la tubería (L) • Rugosidad relativa de la superficie interna de la pared de la tubería (e) Estos tres parámetros son representados en la Figura

Características de la Tubería 3


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El diámetro interno, la rugosidad de la pared y la longitud de la tubería afectan la forma como un fluido se comportará en un oleoducto. DIÁMETRO INTERNO DE LA TUBERIA En un oleoducto, la pérdida de presión debida a la fricción está relacionada con el diámetro interno de la tubería (ver Figura 3). Cuando el diámetro interno de la tubería disminuye, la pérdida de presión debido a la fricción se incrementa drásticamente siempre y cuando el diámetro más pequeño al igual que el más grande estén manejando el mismo flujo. Esta es una importante consideración, no solo en el diseño sino también en el entendimiento de las características de operación de cualquier oleoducto.

Incremento en la Pérdida de Presión cuando el Diámetro de la Tubería Disminuye Cuando el diámetro interno de la tubería disminuye, la pérdida de presión debido a la fricción se incrementa drásticamente. LONGITUD DE LA TUBERÍA La longitud de un segmento de un oleoducto afecta la caída total de presión a lo largo de ese segmento. Entre mayor sea la longitud de un segmento en un oleoducto, mayor será la caída total de presión a través de ese segmento, como se muestra en la Figura 4. En consecuencia, la pérdida de presión por fricción para una tasa de flujo dada varia directamente con la distancia entre dos estaciones.

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REOLOGÍA: la viscosidad de un fluido se define como la propiedad de un fluido de resistir la deformación. siguiendo el análisis que realizó newton, consideramos al fluido colocado entre dos placas. Cuando aplicamos una fuerza f en la placa superior, esta adquiere una velocidad v, originando un esfuerzo de corte en la sustancia (f/a), donde a es el área de la placa. El fluido en contacto con la placa fija tiene la misma velocidad que la placa fija, o sea, velocidad nula y se observa que la velocidad varía linealmente desde la placa fija hasta la placa móvil. MÉTODOS REOLÓGICOS Para poder determinar el reograma de un fluido no newtoniano, utilizamos un viscosímetro de velocidad variable. Se han propuesto varias ecuaciones para resolver la relación esf de corte/vel de corte: LEY DE POTENCIA (OSWALD):

τ = k × pe^n

Donde k es el factor de consistencia y n el índice de comportamiento. El valor de n puede tomar valores menores a 1 si es pseudoplástico; igual a 1 si es newtoniano y mayor si es dilatante. LEY DE POTENCIA MODIFICADA: Toma en consideración la tensión de cedencia, para el caso de los fluidos de bingham: τ = τo + k × pe n

N° DE REYNOLD Y REGÍMENES DE FLUJO Es un parámetro adimensional que relaciona las fuerzas viscosas con las de inercia. Para fluidos newtonianos se expresa así:

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La interdependencia entre el diámetro de la tubería, la viscosidad del líquido y la velocidad del flujo esta definida por una relación matemática llamada el número de Reynolds, (Re). Este número adimensional es un parámetro fundamental el cual juega un papel vital y frecuente en las ecuaciones de la hidráulica, de transferencia de calor y en las del diseño de oleoductos. El número de Reynolds se usa para describir el tipo de fluido que muestra un líquido particular fluyendo a través de una tubería de una dimensión específica. Nótese la relación entre las variables descritas pictóricamente abajo. En la Figura 13, el Número de Reynolds varia con el diámetro, la velocidad y la viscosidad. El diámetro esta representado por D, la velocidad de flujo por v, y la viscosidad por la letra griega ν, “nu”.

El Número de Reynolds se incrementa a medida que el diámetro y la velocidad se incrementan, y disminuye cuando la viscosidad aumenta. La ecuación mostrada en la Figura 13 es válida únicamente si el diámetro esta en pies (metros), la velocidad está en pies (metros) por segundo y la viscosidad está en pies cuadrados (metros) por segundo. En oleoductos, estas unidades no son usadas comúnmente. Las ecuaciones usadas para el número de Reynolds son:

DETERMINACION DE LA CAÍDA DE PRESIÓN EN OLEODUCTOS El primer paso, para determinar la pérdida de cabeza debido a la fricción, es calcular el número de Reynolds. La sección 1 de este módulo demostró como la velocidad de flujo, la viscosidad del líquidoy el diámetro de la tubería son empleados para determinar el número de Reynolds. Esta sección describe los dos siguientes pasos para calcular la

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pérdida de cabeza. Un diagrama de Moody se emplea para determinar un factor de fricción y posteriormente con la ecuación de Darcy se calcula la pérdida de cabeza PARA FLUIDOS NO NEWTONIANO SE DEBE USAR EL N° DE REYNOLDS GENERALIZADO, EL CUAL TOMA LOS VALORES DE n Y k DEL MODELO DE OSWALD:

REGÍMENES DE FLUJO: • FLUJO LAMINAR: frente de velocidad parabólico. el re es menor a 2000. • FLUJO TURBULENTO: mezcla completa de fluido y un perfil más uniforme y homogéneo, esto se debe a un movimiento aleatorio de las moléculas. el re es mayor a 4000. • TRANSICIÓN: re entre 2000 y 4000.

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CÁLCULO DE PÉRDIDAS DE CARGA • PÉRDIDAS PRIMARIAS: son debidas al contacto del fluido con la tubería, al rozamiento de capas de fluido o de las partículas de fluido entre si. • PÉRDIDAS DE CARGA SECUNDARIAS: son las pérdidas de forma, tienen lugar en las transiciones, accesorios. ECUACIÓN GENERAL DE PÉRDIDAS DE CARGA (ECUACIÓN DE DARCY-WEISBACK) • HP: PÉRDIDA DE CARGA PRIMARIA • f: COEFICIENTE DE FRICCIÓN • L: LONG DE LA TUBERÍA • D: DIÁMETRO DE LA TUBERÍA • Pe: PESO ESPECÍFICO • V: VELOCIDAD MEDIA DEL FLUIDO

FACTOR DE FRICCIÓN DE MOODY El diagrama resuelve todos los problemas de carga primaria en tuberías de cualquier diámetro, cualquier material y cualquier caudal. • es adimensional y depende de la vel v; el diámetro d; de la densidad; la viscosidad y de la rugosidad. de manera general el factor f depende del n° de reynolds y de la rugosidad relativa k/d.

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La rugosidad relativa es la relación del tamaño de las protuberancias (imperfecciones) en la tubería y el diámetro interno de la misma. Más específicamente, la rugosidad relativa esta definida como la relación de la rugosidad absoluta de la pared de la tubería (una medida de la altura promedio de las “protuberancias (imperfecciones)” en la superficie de la pared de la tubería) y el diámetro interno de la tubería: Rugosidad Relativa = ε/D donde, ε = Rugosidad absoluta de la superficie de la pared de la tubería (in) D = Diámetro interno de la tubería (in)

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CÁLCULO DEL FACTOR DE FRICCION De manera de recordatorio vale la pena mencionar que el diseño de una cañería se realiza de manera iterativa, esto es que a partir de datos (que pueden ser el caudal que va a circular por la cañería y la pérdida de carga admisible) se reduce la ecuación de manera que el diámetro es función directa de una constante por el factor de moody. Es en ese punto arbitrariamente (y de acuerdo a la experiencia) donde se supone un f y se averigua un diámetro. Con este diámetro se recalcula el f y se calcula un error. Cuando el error es admisible (dependiendo del criterio), se consigue la solución. PROPIEDADES FÍSICAS DEL FLUIDO Junto con las características de la tubería, las propiedades físicas del fluido transportado a través de la tubería afectan el diseño del oleoducto. Hay seis propiedades del líquido que deben ser reconocidas: • Viscosidad • Densidad o gravedad específica • Presión de vapor • Punto de fluidez • Compresibilidad • Temperatura VISCOSIDAD La viscosidad se define como la tendencia de un líquido de resistirse a fluir. Este factor es importante cuando se diseña oleoductos, específicamente al calcular el tamaño de la línea y los requerimientos de potencia del bombeo. La viscosidad del líquido es el factor más importante en el cálculo de pérdida de presión por fricción (se discutirá más adelante en esta sección). La viscosidad de un líquido es un importante parámetro a considerar al diseñar oleoductos, específicamente en los cálculos del tamaño de la línea y los requerimientos de potencia del bombeo.

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DENSIDAD O GRAVEDAD ESPECIFICA La densidad ( ) es la masa de una sustancia con respecto a su volumen. Una bomba tiene que trabajar más duro (ej., consume más energía) para producir la cabeza necesaria para transportar un líquido más denso que uno que de menor densidad. Bombear un líquido de alta densidad requiere una bomba con mayor presión de descarga que bombear un líquido de baja densidad. La gravedad específica es la relación de la densidad de un fluido y la densidad del agua y se incrementa en la misma forma que la densidad. PRESIÓN DE VAPOR La presión de vapor es la presión por encima de la cual el líquido ya no se evapora, a una temperatura dada. La presión de vapor es un criterio especialmente importante cuando se manejan líquidos que contienen componentes volátiles. Un ejemplo de un líquido con alta volatilidad es el gas líquido natural (los componentes volátiles son aquellos que se evaporan rápidamente) (ver Figura 9). La mínima presión en un oleoducto debe ser lo suficientemente alta para mantener los crudos livianos en su estado líquido. La presión mínima en el oleoducto debe ser lo suficientemente alto para mantener los crudos livianos en su estado líquido. PUNTO DE FLUIDEZ El punto de fluidez se define como la temperatura más baja a la cual un líquido se verterá o fluirá cuando se haya enfriado. Aunque hay crudos que pueden ser bombeados a temperaturas por debajo de sus puntos de fluidez, se requiere más energía para hacer eso (ver Figura 10). Así, el punto de fluidez es un parámetro importante para considerar no sólo en el diseño sino también en la operación de un líquido en el oleoducto.

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COMPRESIBILIDAD La compresibilidad es el grado en el que cambia el volumen del fluido con un cambio de presión. La bomba incrementa la presión en el oleoducto haciendo que el volumen del líquido disminuya o se comprima. La cantidad de compresión está directamente relacionada con la presión y la composición molecular del líquido. Cuando la presión disminuye a medida que el líquido corre hacia abajo en la tubería y se aleja de la bomba, el líquido vuelve a expandirse a su volumen original. Un líquido más compresible como el GLP no responde a los cambios de presión tan rápido como uno menos compresible como el crudo. La Figura 11 ilustra como un líquido más compresible como el GLP desacelera la tasa en la cual un incremento de presión va hacia abajo en el oleoducto. TEMPERATURA Los efectos de la temperatura en los líquidos son tratados en la Fase 1 INTRODUCCION AL COMPORTAMIENTOS DE LOS LIQUIDOS. La temperatura afecta la capacidad del oleoducto tanto directa como indirectamente y puede alterar el estado de los líquidos. Los cambios en la temperatura influyen en la viscosidad y en la densidad de los líquidos en el oleoducto (ver Figura 12). Estos cambios afectan el desempeño de la línea como también el costo de operación. Por ejemplo, cuando se diseña un oleoducto para un crudo pesado, es necesario conocer exactamente las temperaturas de flujo para calcular la capacidad del oleoducto.

FLUJO MONOFÁSICO DE PETRÓLEOS NO NEWTONIANOS EN ESTADO ESTACIONARIO En este caso no solo se debe contemplar en el cálculo la relación viscosidad temperatura, sino también le relación viscosidad aparente vs velocidad de corte. El factor de fricción convencional ya no es aplicable. En un comportamiento pseudoplástico, y conociendo los parámetros n y k, se puede utilizar el n° de reynolds generalizado introducido por metzner-reid:

El comportamiento pseudoplástico es el más común en petróleos pesados y emulsiones. PÉRDIDAS DE CARGA SECUNDARIAS 12


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Son originadas por accesorios, válvulas, expansiones y contracciones de la cañería.

PUEDEN TRATARSE DE TRES MANERAS: • usar un coeficiente de resistencia • usar un coeficiente de flujo • usar las longitudes equivalentes

COEFICIENTE DE RESISTENCIA LA ECUACIÓN DE DARCY-WEISBACH PUEDE SER ESCRITA COMO:

A pesar de que kr depende de n° re y la rugosidad relativa, también depende de la geometría de los codos y cuplas, pero esto es usualmente despreciado. En la tabla siguiente se muestran algunos accesorios de cañerías:

COEFICIENTE DE FLUJO El coeficiente flujo se mide experimentalmente para cada válvula o accesorio y es igual al flujo de agua en gpm a 60°f para una caída de presión de 1 psi. Se puede demostrar de la ecuación de darcy-weisbach que el coeficiente cv medido de esta manera es:

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La caída de presión para cualquier válvula o accesorio conociendo cv es:

LONGITUD EQUIVALENTE Se tratan a los accesorios como longitudes equivalentes de cañería. La definición de esta para una válvula o accesorio es la longitud de cañería del mismo diámetro y sección que genera la misma pérdida de carga. La longitud equivalente puede ser calculada de kr o cv de la siguiente manera:

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FLUJO DE GASES La ecuación de darcy-weisbach supone densidad constante entre los puntos de entrada y salida de la cañería. Esto no es correcto para gases debido a que depende de la presión y la temperatura. A medida que el gas fluye por la cañería, este se expande debido a la caída de presión y por lo tanto su densidad tiende a reducirse. Además, si no se calienta el sistema, el gas tenderá a enfriarse y por lo tanto su densidad aumentará. Sin embargo, existe suficiente 15


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superficie de tubería entre el gas y el medio que lo rodea para calentar el gas, y por lo tanto, mantenerlo a temperatura constante. En este caso se tiene una expansión adiabática. Cuando la temp del gas sea diferente a la del medio, la suposición de flujo isotérmico no es válida. Lo que se hace es dividir la tubería en secciones donde la temp tenga cambios pequeños. DIÁMETRO MÁS ECONÓMICO El diámetro más económico será aquel que reduzca al mínimo la suma de los costos de tubería y mantenimiento en un periodo de un año. Si se aumenta el diámetro de la cañería, la pérdida de carga disminuye, pero es más cara la inversión en materiales. Si se reduce el diámetro, se reduce el costo en materiales, pero la pérdida de carga es mayor, con lo cual aumenta el costo operativo.

Si derivamos e igualamos a cero se obtiene el diámetro más económico.

Como primera aproximación se utiliza la ecuación de continuidad y se supone un caudal y una velocidad.

SELECCIÓN DEL CAÑO Teniendo las pérdidas de carga y diámetro seleccionados, elegimos el tipo de caño calculando el espesor.

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• P: PÉRDIDA DE CARGA TOTAL • S: LÍMITE ELÁSTICO DEL ACERO • t: ESPESOR DE LA PARED DEL CAÑO • F: FACTOR DE DISEÑO • E: EFICIENCIA DE LA COSTURA • T: FACTOR DE TEMPERATURA

Con el espesor podemos seleccionar el tipo de caño a través del schedule, lo que dá las características del caño (físicas y químicas) • cuando no se requiere tanta precisión, se puede utilizar una selección gráfica con la p interna, la t de trabajo y el diámetro del caño. PÉRDIDAS DE CALOR EN CAÑERÍAS SE DISTINGUEN LOS SIGUIENTES CASOS: • Cañerías expuestas al aire revestidas • Cañerías expuestas al aire sin revestimiento • Cañerías soterradas revestidas • Cañerías soterradas sin revestimiento

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CAÑERÍAS EXPUESTAS AL AIRE REVESTIDAS La pérdida de calor en cañerías con revestimiento térmico expuesta a la acción del viento se calcula con: *Q: CANTIDAD DE CALOR PERDIDA kcal/mol • De: DIÁM. EXTERIOR DE LA AISLACIÓN cm • Di: DIÁM. INT DEL CAÑO DESNUDO cm • Ti: TEMP DEL FLUIDO C° • Te: TEMP EXTERIOR C° • B: COEF DE CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DEL MATERIAL AISLANTE kcal/mh°C A tm (LOS VALORES SE OBTIENEN DE GRÁFICOS)

CAÑERÍAS EXPUESTAS AL AIRE REVESTIDAS Para cañerías sin revestimiento expuestas a la acción del viento se tiene:

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En este caso a es la suma del coeficiente de transmisión de calor por convección y el coeficiente de transmisión de calor por radiación cuyos valores se pueden obtener en una tabla en función de la temperatura de la superficie y del aire. CÁLCULO DE LA CAIDA DE TEMPERATURA

*t: PÉRDIDA DE TEMP °C • Q: PÉRDIDA DE CALOR A LA TEMP DE ENTRADA kcal/hm • L: LONGITUD DE CAÑERÍA m • P: CAUDAL MÁSICO DE FLUIDO kg/h • c: CALOR ESPECÍFICO DEL FLUIDO A te kcal/kg°C

CAÑERÍAS SOTERRADAS REVESTIDAS En este caso existen tablas que dan valores teóricos para revestimientos de cañerías, a estos se les agrega un desperdicio (10%) para 100m.

El revestimiento consiste en sunchar las cañerías a revestir con alambre, colocando la que lleva vapor por debajo. También lleva un revestimiento de papel alumnio y colchonetas de lana de vidrio (aislante térmico) atadas con alambre. A continuación se coloca se coloca fieltro saturado para aislar de la humedad y por último tejido de gallinero para darle 19


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resistencia mecánica. Sobre todo esto se coloca asfalto caliente para que caundo se enfríe quede homogeneo. CAÑERÍAS SOTERRADAS SIN REVESTIMIENTO LA TEMPERATURA FINAL ES:

*tf: TEMPERATURA FINAL • ti: TEMPERATURA INICIAL • ts: TEMPERATURA DEL SUELO • n= 100*L*fw • L: LONGITUD DE LA CAÑERÍA

*Q: CAUDAL VOLUMÉTRICO cm3/seg • pe:PESO ESPECÍFICO gr/cm3 • c: CALOR ESPECÍFICO DEL FLUIDO • h: PROFUNDIDAD DE SOTERRAMIENTO DEL CAÑO cm • r: RADIO EXT DE LA CAÑERÍA cm • B: COEF DE COND DEL HIERRO

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BIBLIOGRAFÍA  FUNDAMENTOS DEL DISEÑO DE OLEODUCTOS, 1995 IPL TECHNOLOGY & CONSULTING SERVICES INC.  https://produccionuncuyo.files.wordpress.com/2011/09/tema-4-transportede-fluidos.pdf  https://www.dspace.espol.edu.ec/bitstream/123456789/19177/1/Resumen% 20CICYT-%20Mejia%20Balseca.pdf

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