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Prueba Hidráulica de tuberías submarinas 1. Introducción
La prueba hidráulica de resistencia y hermeticidad de cañerías submarinas se ve influenciada por factores que la diferencian de su símil realizada en tramos terrestres y que pueden realizarse en: Espesores de caños y características del acero, en general mayores y más resistentes respectivamente (debido a las tensiones que sufren durante su instalación) que en las cañerías terrestres, requieren ensayos a muy altas presiones para alcanzar porcentajes a tensión circunferencial cercanos al 90% de la fluencia como es práctica común especificar. Variaciones notables de la presión externa por cierto efecto de las mareas que en nuestro litoral marítimo sur llegan a alcanzar amplitudes de casi 12m. Variaciones de la temperatura del agua de mar que inciden directamente sobre el conducto en caso de estar simplemente apoyado en el fondo. Por efecto de las corrientes marinas aumenta la convección amen de la inmensa capacidad calorífica del medio circundante, lo que produce variaciones de la temperatura en toda la instalación que acompañan los cambios del ambiente marino. Costo de una reparación por lo que el diseño de la instalación debe tener una gran confiabilidad sobre los resultados de este ensayo de recepción final. 2. Esquema de calculo
Se desarrollara una formulación que basándose en coeficientes empíricos y mediciones “in situ” brinda una clara idea de cómo interpretar las variaciones de presión que la balanza testigo de peso muerto acusa en una prueba de esta naturaleza. Se considera a la cañería en principio llena de agua a una temperatura base T 0 y a una presión barométrica final P 0 (final del periodo de llenado sin presencia de burbujas de aire). Se inyecta luego agua, bajo presión y luego de cesar el bombeo de un periodo de estabilización
Se calcula entonces para P 1 y T1 el volumen de agua de ( medido a y )
requerido para elevar la presión
Luego de un cierto lapso se mide nuevamente la presión y la temperatura que llamamos y , se calcula el nuevo que llamamos a partir de las condiciones bases. Teóricamente si no hubo pérdidas debe ser en la práctica siempre hay alguna, debido a inexactitudes en la medición pero también puede esto indicar la existencia de una perdida. Además de calcular la perdida teórica , puede calcularse la variación de presión teórica esperada debido a un cambio de temperatura observado y comparar 1
esta con la diferencia medida en la balanza. Debe además tenerse en consideración los cambios de la presión debidos exclusivamente a las variaciones de altura de marea. 3. Formulas Básicas
La cantidad de agua que es necesario inyectar dentro de una tubería para elevar la presión depende fundamentalmente de: -
La expansión de la pared del caño. La compresibilidad del agua La variación de la densidad del agua con la temperatura. Eq. 2.3.1 Dadas T,
y P hallar
Dadas T,
y
Eq. 3.8 hallar P
En las cuales: - T0 = Temperatura base (°C) - P0 = Presión base (bar) 3 = Peso específico del agua a la temperatura T 0 (kg/m ) - V0= Volumen de agua, medido a T 0 y P0 necesario para llenar el caño cuando la pared 3 del caño y el agua interior están a T 0 y P0 (m ) - T = Temperatura de la pared del caño y del agua cuando la línea fue presurizada (luego de la estabilización) (°C) - P = Presión interna de la cañería menos la presión externa (bar) 3 = Peso específico del agua a temperatura T y presión P 0 (kg/m ) = Volumen de agua requerido a inyectar dentro de la cañería para elevar la 3 presión de P 0 a P y elevar la temperatura de T 0 a T (medido a a y ) (m ) = Coeficiente de expansión volumétrica del caño debido al aumento de temperatura. (1/°C) = Disminución del volumen de agua debido al aumento unitario de la presión a temperatura constante T0 valido para el rango P 0 – P (1/bar) = Expansión de la cañería debido a la deformación plástica por unidad de incremento de la presión (1/bar) 4. Estudio de los factores y coeficientes 4.1 Expansión de la pared del caño
2
-
-
En la cual: t = espesor real de la cañería (m) Di = diámetro interno real del caño (m) E = módulo de electricidad del material del caño (bar) = Variación de la presión interna. = coeficiente que depende de la posibilidad de desplazamiento longitudinal de la cañería. =1.00 coeficiente para la cañería considerada sin posibilidad de desplazarse longitudinalmente (dilatación lineal restringida completamente por la fricción del terreno). = 1.25 para cañería considerada con plena libertad de desplazamiento longitudinal. = 1.125 para cañería sin posibilidad de desplazamiento en el 50% de su longitud.
4.2 Compresibilidad del agua
De tablas del “Hand Book of Tables for Applied Engineering Science” Bolz y Tuve. Rango de Presión 1atm 250atm 1000atm Kp (1/bar) 0.0046 0.004 0.0035 4.3 Variación de la densidad del agua con la temperatura
Es común realizar las pruebas hidráulicas de caños submarinos con agua de mar con adición de inhibidores de corrosión, (luego de realizada la prueba y desagotada la cañería se pasan burbujas de agua dulce que eliminan inhibidores y depósitos de sal). La densidad del agua de mar es función de 3 variables: salinidad, temperatura y presión. Los mares del mundo contienen aguas con proporciones de sal variables entre 34 a 36 °/..partes por mil de peso). Desafortunadamente la dependencia de la densidad con la salinidad “s” y la temperatura “T” es complicada, empíricamente. Fisher, Williams y Dial (1970) encontraron la relación:
1
-
Ecuación válida para -2º < 100 ºC ; 0 < p < 1000 bars y 0 < S < 50
-
En la cual:
-
K1: coeficiente función de la temperatura (cm /
-
K2 : coeficiente función de la temperatura (bar/
-
K3 : coeficiente función de la temperatura (bars * cm /g) K4 : coeficiente función de la temperatura (bar) 3 : coeficiente función de la temperatura (cm /g) 1 P : presión absoluta (bars)
-
S : salinidad (
-
3
) ) 3
) 3
: Peso específico (g/cm ) 3
Estos cinco coeficientes k 1, k 2, k 3, k 4 y V ºC por ecuaciones polifónicas.
están relacionados con la temperatura en
Tabla 3.2 coeficientes para Eq. 3.18 para varias temperaturas. Coeficientes y Unidades T (ºC)
5. Variaciones de la presión interna por efecto de las mareas
La corrección a efectuar sobre las presiones internas registradas por efecto de la variación de la altura de mareas está dado por la siguiente formula:
Donde: : variación de la altura de mareas (bars) Se supone que la temperatura se mantiene constante entre ambos niveles de marea 6. Ejemplo de calculo 6.1 Datos
-
3
V0 = 9.600 m P0 = 1.0133 bar T0 = 6ºC 3 0 = 1025.302 kg/m = 32 4
-
-6
-1
kt = 36*10 ºC -5 -1 kp = 4.12*10 bar E = 2140950 bar Di = 0.5768 m t = 0.0164 m
Considerando a la cañería sin posibilidad de dilatación longitudinal en la mitad de su longitud:
6.2 La línea es presurizada, luego del periodo de estabilización P 1 = 202 bar y T 1 = 8ºC. El peso específico correspondiente para que el agua a 8ºC de acuerdo a 4.3 es 3 1=1025.054 kg/m La cantidad de agua a inyectar para elevar la presión es dada por la ecuación 3.1.
El debería coincidir con la lectura de un caudalimetro que medirá el caudal inyectado a partir de iniciarse la presuración hasta alcanzar la presión de prueba. La medida real puede servir para revisar el valor del coeficiente k que determina el valor del coeficiente de elasticidad c. 6.3 Luego de un cierto lapso se toman las siguientes mediciones:
-
P2= 203 bar T2= 9ºC 3 Densidad del agua =1024.897kg/cm
Esto significa que hubo una perdida teórica de (medidos a 6ºC y 1.0133 bar) 6.4 Si no se observan perdidas, podría quererse conocer q ue presión debería haber para un incremento de temperatura de 1ºC (de 8ºC a 9 ºC) ec.3.2
5
Se utilizo porque se considera a la línea sin perdidas. La lectura real es de 203 bar, indica una pérdida de presión “inexplicable” de 0.823 bar. 6.5 Resumen 3
-
114.462 m es la cantidad teórica de agua requerida para elevar la presión de condición base (6ºC y 1.0133 bar) y mantener las condiciones (T 1 = 8ºC y P1= 202 bar). Esta cantidad se mide a T 0 y P0.
-
0.556 m es una pérdida de agua “inexplicable” correspondiente a la segunda lectura (T2 = 9ºC y P 2= 206.5 bar)
-
0.823 bar pérdida de presión por causa desconocida correspondiente a la segunda lectura (esta podría llegar a explicarse con la vari ación de la marea).
3
6.6 Acción de las mareas
Si consideramos una variación del nivel de mareas que corresponda a 0.7 bar (-7m) (en bajante)
Siendo Siendo
: presión interior de la cañería presión exterior ambiente
Si la primera lectura se tomó en marea alta y la segunda en marea baja, la lectura teórica de 203.823 bar sería realmente de 203.823 – 0.217=203.606 bar y la perdida de presión sin causa conocida será de 0.606 bar en lugar de 0.823bar.
