Diseño Estructural y Modelaje de Lineas de Transporte de Fluidos Geotermicos

7/24/2019 Diseo Estructural y Modelaje de Lineas de Transporte de Fluidos Geotermicos

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Programa Regional de Entrenamiento Geotrmico (PREG)Diplomado de especializacin en geotermia-2015

Universidad de El Salvador

Facultad de Ingeniera y Arquitectura

Unidad de Postgrados

TESIS:

DISEO ESTRUCTURALY MODELAJE DE LNEAS DE TRANSPORTE DE FLUIDOSGEOTERMICOS.

Tutor:

Ing. Jos Lus Henrquez.

Colaboradores:

Ing. lvaro Flamenco.Ing. Oscar Cideos.

Presentado por:Arq. Raquel de los ngeles Gonzlez Sotelo.


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PROGRAMA REGIONAL DE ENTRENAMIENTO GEOTERMICO

TESIS:Diseo estructural y modelaje de lneas de transportede fluidos geotrmicos.

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I. INDICE DE CONTENIDO

II. INDICE DE ILUSTRACIONES. ............................................................................... 3

III. INDICE DE TABLAS. .............................................................................................. 4

IV. INDICE DE PLANOS. .............................................................................................. 4

1. RESUMEN .................................................................................................................. 5

2. INTRODUCCION ........................................................................................................ 6

3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ......................................................................... 7

4. JUSTIFICACIN. ........................................................................................................ 7

5. OBJETIVOS. .............................................................................................................. 8

Objetivo General: ........................................................................................................... 8

Objetivo Especfico: ........................................................................................................ 8

6. MARCO TEORICO ..................................................................................................... 9

6.1 Conceptos y principios bsicos para el diseo de tuberas. ................................. 9

6.1.1 Conceptos de fluido y sus caractersticas. .................................................... 9

6.1.2 Patrones de flujo en tuberas de sistemas bifsico: ...................................... 9

6.2 Normativas aplicables para el diseo de tuberas: ............................................. 12

6.2 Consideraciones para el diseo de tuberas: .......................................................... 13

6.2.1 Criterios para el diseo de tuberas: ........................................................... 17

6.2.2. Diseo del Proceso: ........................................................................................ 186.2.3 Seleccin de Materiales: .................................................................................. 19

6.2.4 Disposicin preliminar: ................................................................................ 19

6.2.5 Flexibilidad en un sistema de acarreo: ........................................................... 20

6.2.7 Cargas de diseo para tuberas: ................................................................. 24

6.2.8 Efectos de la expansin y/o contraccin trmica: ............................................. 24

6.2.9 Condiciones de Presin y temperatura de Diseo: ..................................... 26

7. DESARROLLO (METODOLOGA UTILIZADA)......................................................... 33

7.1 Condiciones de trabajo segn Cdigo ASME B.31.1 .............................................. 337.2 Condiciones de Diseo: .......................................................................................... 33

7.2.1 Recopilacin de informacin de bases de diseo: ...................................... 33

7.2.2 Establecimiento de los parmetros de diseo. ............................................ 37

7.2.3 Determinacin del dimetro de tubera: ...................................................... 38

7.2.4 Calculo del patrn de flujo: ......................................................................... 39


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7.2.5 Seleccin de los materiales: ....................................................................... 40

7.2.6 Diseo preliminar de la ruta del sistema: .................................................... 43

7.2.7 Ubicacin Preliminar y seleccin del tipo de soportes: ................................ 437.2.8 Anlisis de esfuerzos de flexibilidad: .......................................................... 46

7.2.9 Esfuerzos lmites de diseo ........................................................................ 48

7.2.10 Metodologa de anlisis de flexibilidad segn el cdigo ASME B31.1 ......... 50

7.2.11 Anlisis de esfuerzos del sistema de acarreo: ............................................ 53

8. RESULTADOS. ........................................................................................................ 56

9. CONCLUSIONES. .................................................................................................... 64

10. RECOMENDACIONES. ........................................................................................ 65

11.

BIBLIOGRAFA. .................................................................................................... 66

12. ANEXOS. .............................................................................................................. 67

II. INDICE DE ILUSTRACIONES.

Ilustracin 1:Flujo tipo burbuja ...................................................................................... 10

Ilustracin 2:Flujo intermitente tipo pistn ..................................................................... 10

Ilustracin 3:Flujo estratificado suave. .......................................................................... 10

Ilustracin 4: Flujo estratificado ondulante ..................................................................... 11

Ilustracin 5:Flujo intermitente tipo Tapn. .................................................................... 11

Ilustracin 6: Flujo anular. .............................................................................................. 12

I lustrac in 7:Flujo disperso o tipo roco......................................................................... 12

Ilustracin 8:Sistema de acarreo en lnea recta, no permite dilatacin. ......................... 21

Ilustracin 9:Configuracin de sistema de acarreo en Z, permite dilatacin. ................. 22

Ilustracin 10:Efecto al cambiar el tipo de apoyo empotrado por un apoyo que permitems movimiento. .............................................................................................................. 22

Ilustracin 11:Efecto al colocar un apoyo adicional empotrado al sistema.. .................. 23

Ilustracin 12:lazo de expansin (expansin loops). ..................................................... 25

Ilustracin 13:tipos de loops. ......................................................................................... 26Ilustracin 14:Soporte flexible de carga constante. ....................................................... 30

Ilustracin 15:Soporte flexible de carga variable. .......................................................... 30

Ilustracin 16:Montaje tpico de soportes rgidos. ......................................................... 31

Ilustracin 17:Soporte con lmites o stop. ...................................................................... 32

Ilustracin 18:Configuracin inicial del programa AutoPipe V8. .................................... 51
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Ilustracin 19: Configuracin para un segmento de tubera. .......................................... 52

Ilustracin 20:Configuracin para soporte gua. ............................................................ 53

Ilustracin 21:Esfuerzo punto B26, relacin de esfuerzos =0.81. .................................. 59Ilustracin 22:Esfuerzos en arreglo de cabezal de pozo. .............................................. 60

III. INDICE DE TABLAS.

Tabla 1:Especio sugerido entre soportes. ASME B31. ................................................... 28

Tabla 2:Parmetros bsicos para diseo de sistema de acarreo.................................... 37

Tabla 3:Datos de entrada para el Programa EES. .......................................................... 38

Tabla 4:Datos de salida del programa EES. ................................................................... 39

Tabla 5: Descripcin de los componentes del sistema. ................................................... 54

Tabla 6:Caracterstica de lnea de 16". ........................................................................... 54

Tabla 7:Caracterstica de lnea de 12". ........................................................................... 55

Tabla 8:Vector sismo y casos utilizados en anlisis. ...................................................... 55

Tabla 9:Esfuerzos segn ASME B31.1 que se analizaran para el sistema. .................... 56

Tabla 10:Resultados de los esfuerzos mximos en el punto B26. .................................. 59

IV. INDICE DE PLANOS.

Planos 1: Diagrama de flujo de Proceso. ........................................................................ 35

Planos 2:Plataforma de pozos productores. ................................................................... 36

Planos 3:Diagrama de flujo de Proceso Propuesto. ....................................................... 41

Planos 4:Diagrama de Instrumentacin y control. .......................................................... 42

Planos 5:Diseo preliminar de ruta del sistema de acarreo. ........................................... 44

Planos 6:Perfiles Preliminares Sistema de Acarreo.: ..................................................... 45

Planos 7:Layout resultante del anlisis de esfuerzo. ...................................................... 57
http://d/2015/DIPLOMADO%20ESPECIALIZACI%C3%93N%20EN%20GEOTERMIA/TESIS/tesis%2029102015.docx%23_Toc433895266http://d/2015/DIPLOMADO%20ESPECIALIZACI%C3%93N%20EN%20GEOTERMIA/TESIS/tesis%2029102015.docx%23_Toc433895266http://d/2015/DIPLOMADO%20ESPECIALIZACI%C3%93N%20EN%20GEOTERMIA/TESIS/tesis%2029102015.docx%23_Toc433895266http://d/2015/DIPLOMADO%20ESPECIALIZACI%C3%93N%20EN%20GEOTERMIA/TESIS/tesis%2029102015.docx%23_Toc433895267http://d/2015/DIPLOMADO%20ESPECIALIZACI%C3%93N%20EN%20GEOTERMIA/TESIS/tesis%2029102015.docx%23_Toc433895267http://d/2015/DIPLOMADO%20ESPECIALIZACI%C3%93N%20EN%20GEOTERMIA/TESIS/tesis%2029102015.docx%23_Toc433895267http://d/2015/DIPLOMADO%20ESPECIALIZACI%C3%93N%20EN%20GEOTERMIA/TESIS/tesis%2029102015.docx%23_Toc433895268http://d/2015/DIPLOMADO%20ESPECIALIZACI%C3%93N%20EN%20GEOTERMIA/TESIS/tesis%2029102015.docx%23_Toc433895268http://d/2015/DIPLOMADO%20ESPECIALIZACI%C3%93N%20EN%20GEOTERMIA/TESIS/tesis%2029102015.docx%23_Toc433895268http://d/2015/DIPLOMADO%20ESPECIALIZACI%C3%93N%20EN%20GEOTERMIA/TESIS/tesis%2029102015.docx%23_Toc433895269http://d/2015/DIPLOMADO%20ESPECIALIZACI%C3%93N%20EN%20GEOTERMIA/TESIS/tesis%2029102015.docx%23_Toc433895269http://d/2015/DIPLOMADO%20ESPECIALIZACI%C3%93N%20EN%20GEOTERMIA/TESIS/tesis%2029102015.docx%23_Toc433895269http://d/2015/DIPLOMADO%20ESPECIALIZACI%C3%93N%20EN%20GEOTERMIA/TESIS/tesis%2029102015.docx%23_Toc433895269http://d/2015/DIPLOMADO%20ESPECIALIZACI%C3%93N%20EN%20GEOTERMIA/TESIS/tesis%2029102015.docx%23_Toc433895268http://d/2015/DIPLOMADO%20ESPECIALIZACI%C3%93N%20EN%20GEOTERMIA/TESIS/tesis%2029102015.docx%23_Toc433895267http://d/2015/DIPLOMADO%20ESPECIALIZACI%C3%93N%20EN%20GEOTERMIA/TESIS/tesis%2029102015.docx%23_Toc433895266


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1. RESUMEN

El diseo de una lnea de acarreo es un proceso sistemtico y ordenado, en el cul se hace

necesario el conocimiento (criterios y normas), aplicacin de tcnicas, procedimientos loscuales conducen a definir las especificaciones tcnicas de los materiales y parmetros paraobtener un diseo optimizado desde el punto de vista tcnico y econmico.

Los diferentes sistemas de tuberas que forman parte de un campo geotrmico son losmedios de transferencia de los fluidos geotrmicos desde las plataformas de los pozosproductores hasta la estacin de separacin, sistemas de acarreo de agua y vapor hastalas turbinas de vapor y a los pozos de inyeccin. Dichos sistemas forman un rol integral enel acondicionamiento de los fluidos para optimizar la eficiencia de conversin de energatrmica en mecnica, lograr alta disponibilidad de la planta y flexibilidad para responder acambios en el reservorio. Por lo tanto, los sistemas de tuberas son un componente clave

de gran importancia para cualquier desarrollo geotrmico, por esta razn en el diseo sedeben tomar en cuenta todos los factores para garantizar el xito del proyecto.

Una de las disciplinas del diseo de acarreo de fluidos es el anlisis de flexibilidad, serealiza en la etapa final de diseo y comprende anlisis de combinacin de esfuerzos,expansiones trmicas y deformaciones elsticas a las que se ver sometida el sistema deacarreo en condiciones de servicio. .Con base a lo anterior, en el presente trabajo sedesarrolla y propone una metodologa para el diseo y anlisis de flexibilidad en sistemasde tuberas de un campo geotrmico de lquido dominante, la cual apoya la toma dedecisiones con criterios basados en las normas existentes tales como la ANSI/ASME B31.1,implcita en el programa informtico AutoPipeV8, empleada para modelar el sistema de

tuberas propuestoComo resultado del modelo simulado, la relacin de esfuerzos del sistema de acarreo,tomando en consideracin los criterios del cdigo, da menor a 1, es decir el diseo cumplecon lo reglamentado por el cdigo.


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2. INTRODUCCION

Los sistemas de tuberas han sido utilizados desde la antigedad para el acarreo de agua

principalmente y en la actualidad por diversos sectores industriales para el transporte deslidos, lquidos y gases.

Las aplicaciones ms importantes de estos sistemas las encontramos en plantasgeneradoras de energa, las cuales utilizan los sistemas de tuberas para transportar vaporde agua, aire, gases de combustin, etc.; refineras industriales de hidrocarburos, las cualesutilizan los sistemas de tuberas para el transporte de petrleo y sus derivados; industriasqumicas, las cuales requieren transportar insumos qumicos de alta peligrosidad; lneas detransporte de gas, plantas de refrigeracin; transporte de slidos y lodos, esta aplicacintiene importancia en la industria minera con el transporte y tratamiento de relaves; entreotros.

Debido a la diversidad de sus aplicaciones, las caractersticas de estos sistemas son muyvariables y la seleccin del material de las tuberas es crucial para asegurar el correctotrabajo de los sistemas. Un completo diseo de sistemas de tuberas comprende clculoshidrulicos o termodinmicos, dimensionamiento de tuberas, determinacin de prdidas,clculo estructural de soportes, anlisis trmico, deformaciones, anlisis de estabilidad,entre otros.

En la industria de la geotermia para extraer el calor geotrmico en cantidades masivas ycon potencial para generacin de energa elctrica, el transporte de los fluidos es esencial,y este consiste en vapor, agua, gas, o una mezcla de ellos en varias proporciones o comolo define la ASTM E957-2003; Fluido geotrmico: agua en vapor o fase lquida o en una

mezcla de estas fases que existe dentro de, o hayan sido emitidos desde un reservoriogeotrmico, junto con un arrastre de sustancias disueltas.

Para valorar la viabilidad econmica del potencial energtico que contiene un reservoriogeotrmico es necesario analizar la informacin suministrada en los estudios geo-cientficos, ya que a partir de estos datos y con las pruebas de productividad que se realizanen los potenciales pozos productores se puede contar con suficiente datos para proceder alos clculos de acarreo de fluidos geotrmicos (fluido bifsico, vapor y salmuera). Laejecucin exitosa de cualquier diseo de tuberas en geotermia requiere una serie deprocesos bien estructurados, que se adaptan a los requisitos especficos del proyecto y alas necesidades del desarrollador geotrmico, siendo esta informacin (pruebas de

produccin) indirectamente fundamental para la simulacin de esfuerzos en tuberas bajolos criterios de la norma ASME B31.1-2007 Power Piping, adems del uso de programasde simulacin de los esfuerzos a los que estar sometida las lneas de transporte.

En este trabajo se presenta una metodologa de diseo para sistemas de acarreo, la cualtoma las consideraciones de diseos para lneas de acarreo de fluidos bifsico, vapor,salmuera, de manera tal que puedan adaptarse a diseos especficos, cumpliendo con lasnormativas existentes.


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3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Actualmente, existen pocos documentos que defina una metodologa a seguir para el

diseo de sistemas de acarreo para plantas geotrmicas, hay algunos documentos tcnicosque exponen las consideraciones de diseos; las normativas existentes expresan loscriterios a seguir para el diseo, pero no existe una metodologa que exponga los pasosnecesarios para el diseo de un sistema de acarreo de fluido, adems que la mayora de labibliografa existente est en idioma ingls.

Es por esto que se hace necesario contar con una metodologa, que d un soporte en eldiseo de sistemas de transporte de fluidos, que tenga en consideracin las normativas dediseo (ASME) y que tome en cuenta los parmetros de los cdigos de diseo yconstruccin.

Se pretende que este documento sirva de gua a profesionales que se quieran desarrollar

en el rea de diseo de tuberas, para un mejor entendimiento de los diferentescomponentes que se disea en un sistema de acarreo de fluidos.

4. JUSTIFICACIN.

El diseador de un sistema de acarreo de fluidos geotrmicos, se enfrenta a una serie dedesafos e incertidumbres al iniciar un proceso de diseo tales como: incertidumbre en laproduccin de los pozos, caractersticas de fluidos, permeabilidad de los pozos deinyeccin, requerimientos de operacin y mantenimiento de los equipos, incrustacin porslice, opciones de expansin futuras del campo, cambios inesperados en el reservorio,problemas geotcnicos y restricciones socio-ambientales

Estas variables crean una configuracin de diseo y retos nicos. El propsito de estetrabajo es proponer una metodologa de diseo de tuberas utilizando prcticasestandarizadas para abordar estos desafos especficos de los campos geotrmicos paraobtener diseos de manera ms eficiente y que sean efectivos.

Este trabajo presentar una metodologa tomando en cuenta las consideracionesnecesarias para el diseo de tuberas en campos geotrmicos, especficamente seejemplificar la metodologa propuesta con el diseo de una lnea de tubera de fluido

bifsico, la cual se supondr que se conectar a una lnea principal existente donde estninterconectados 2 pozos de esa misma plataforma.


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5. OBJETIVOS.

Objetivo General:

Combinar las habilidades y conocimientos en programas de dibujo industrial conprogramas de anlisis y simulacin de esfuerzos, en el desarrollo de unametodologa til que permita la optimizacin del diseo de sistemas para acarreo defluidos geotrmicos (fluido bifsico, vapor y salmuera).

Objetivo Especfico:

Emplear programas de clculos, dibujo y modelaje para el diseo integral de unsistema de acarreo.

Desarrollar una metodologa para el diseo estructural de una lnea de transportede fluidos bifsico en campo geotrmico de lquido dominante.

Exponer las normas, criterios y soluciones bsicas para el diseo de tuberas.


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6. MARCO TEORICO

En este captulo se definirn los conceptos tericos para dar a conocer la teora sobre la

metodologa que se desarrollara. Inicialmente se explicarn las etapas del diseo desistema de acarreo que comnmente se realizan. Asimismo, se encontrar la definicin delas cargas a las que est sometido un sistema de tuberas, los efectos de las dilatacioneso contracciones en la integridad del sistema y los criterios de diseo a tomar en cuenta.

6.1 Conceptos y principios bsicos para el diseo de tuberas.

6.1.1 Conc eptos de fluid o y su s caracterstic as1.

Un fluido es una sustancia o medio continuo que se deforma continuamente en el tiempoante la aplicacin de una fuerza o tensin tangencial sin importar la magnitud de sta(Diego A. Samaro, 2009) , Posee las siguientes caractersticas:

La posicin relativa de sus molculas puede cambiar continuamente. Todos los fluidos son comprensibles en cierto grado. Tienen viscosidad. Su viscosidad es independiente de la densidad.2

Los fluidos los podemos clasificar en:

Newtonianos No newtonianos

O bien en:

Liquido Gas

En este trabajo se hablar de fluidos geotrmicos que estos pueden ser:

una mezcla de dos fases (agua y vapor), vapor salmuera o agua de condensado.

6.1.2 Patro nes de flujo en tub eras de sis temas bifsi co3:

Las interacciones entre la fase lquida y gaseosa en el flujo bifsico estn influenciadas por

sus propiedades fsicas, caudales de flujo y por el tamao, rugosidad y orientacin de latubera ya que estos causan varios tipos de patrones de flujo.

1(Diego A. Samaro, 2009)2(Standard handbook for mechanical engineers., 2007)3Flujo de Fluidos. Carla Lopez. Curso facilidades de superficie. Facultad de Ingeniera-Universidadde Zulia.


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Los tipos de regmenes de flujo se definen a continuacin:

1. Flujo tipo burbuja:El lquido ocupa el volumen de la seccin transversal y el flujo

de vapor forma burbujas a lo largo del tope de la tubera. Las velocidades del vapory el lquido son aproximadamente iguales. Si las burbujas tienden a dispersarse atravs del lquido, esto se llama algunas veces flujo tipo espuma. En el flujoascendente las burbujas retienen su identidad en un rango ms amplio decondiciones. En el flujo descendente el comportamiento se desplaza en la direccinde flujo tipo pistn.

2. Flujo intermitente tipo pistn:Al aumentar el vapor, las burbujas se unen y seforman secciones alternadas de vapor y lquido a lo largo del tope de la tubera, conuna fase lquida continua remanente en el fondo. En una orientacin ascendente, elcomportamiento es desplazado en la direccin de flujo tipo burbuja y si el flujo esdescendente se favorece el flujo estratificado.

3. Flujo estratificado suave: Como el flujo de vapor contina incrementando, lostapones de vapor tienden a una fase continua. El vapor fluye a lo largo del tope dela tubera y el lquido circula por el fondo. La interface entre estas fases esrelativamente suave y la fraccin ocupada por cada fase permanece constante. Enflujo ascendente, el flujo estratificado es favorecido, siempre y cuando la inclinacinno sea demasiado pronunciada.

I lustr acin 1:Flujo tipo burbuja

Ilustr acin 2:Flujo intermitente tipo pistn (Flujo de fluidos.Facilidades de superficie)

Ilustr acin 3:Flujo estratificado suave. (Flujo de fluidos.Facilidades de superficie)


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4. Flujo estratificado ondulante:el vapor se mueve apreciablemente ms rpido queel lquido y la friccin resultante en la interface forma olas de lquido. La amplitud delas olas se incrementa con el aumento del flujo de vapor. El flujo ondulante puede

ocurrir hacia arriba, pero en un rango de condiciones ms restringido que en unatubera horizontal. Hacia abajo, las olas son ms moderadas para un determinadoflujo de vapor y en la transicin a flujo tipo tapn, si es que ocurre, tiene lugar acaudales ms altos que en la tubera horizontal.

5. Flujo intermitente tipo tapn:cuando el flujo de vapor alcanza cierto valor crtico,las crestas de las olas de lquido tocan el tope de la tubera y forman taponesespumosos. La velocidad de esos tapones es mayor que la velocidad promedio dellquido. En la estructura del tapn de vapor, el lquido es presionado de manera queel vapor ocupe la mayor parte del rea de flujo en ese punto. En flujo ascendente,el flujo tipo tapn comienza a caudales de vapor ms bajos que en las tuberashorizontales. En flujo descendente, se necesitan caudales de vapor ms altos queen tuberas horizontales para establecer el flujo tipo tapn y el comportamiento sedesplaza hacia el flujo anular. ya que el flujo tipo tapn puede producir pulsacionesy vibraciones en codos, vlvulas y otras restricciones de flujo, debe ser evitado en

lo posible.

6. Flujo anular:El lquido fluye como una pelcula anular de espesor variable a lo largode la pared, mientras que el vapor fluye como un ncleo a alta velocidad en el centro.

Hay una gran cantidad de deslizamientos entre las fases. Parte de lquido esextrado fuera de la pelcula por el vapor y llevado al centro como gotas arrastradas.La pelcula anular en la pared, es ms espesa en el fondo que en el tope de latubera y esta diferencia decrece al distanciarse de las condiciones de flujo de tipotapn. Aguas debajo de los codos, la mayor parte del lquido se mover hacia ellado de la pared externa.

I lustr acin 5:Flujo intermitente tipo Tapn. (Flujo de fluidos.Facilidades de superficie).

Ilustrac in 4: Flujo estratificado ondulante (Flujo de fluidos.Facilidades de superficie)


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El flujo anular, los efectos de cada de presin y momento sobrepasan los de la gravedad,por lo tanto la orientacin de la tubera y la direccin de flujo tienen menos influencia queen los regmenes anteriores. El flujo anular es un rgimen muy estable, por esta razn y

debido a que la transferencia de masa vapor-lquido es favorecida, este rgimen de flujo esventajoso en sistema de transporte de fluido bifsico..

7. Flujo tipo disperso o flujo tipo roco:Cuando la velocidad del vapor en flujo anular

se hace lo suficientemente alta, toda la pelcula de lquido se separa de la pared yes llevada por el vapor como gotas arrastradas. Este rgimen de flujo es casicompletamente independiente de la orientacin de la tubera o de la direccin delflujo.

.

Es de gran importancia el dimensionamiento correcto de la tubera para evitar el flujotipo tapn y que el patrn de flujo en la tubera ser flujo anular.

6.2 Normativas aplicables para el diseo de tuberas:

Las normas ms utilizadas en el diseo de tuberas son las elaboradas por las principalesasociaciones de ingeniera: ANSI/ASME.

ANSI: American Nacional Standars Institute es la entidad estadunidense encargada deregular las normas y estndares en amrica y de ella dependen las normas y cdigos de

ASME.

ASME: American Society of Mechanical Engineers, es la asociacin de ingenierosmecnicos que regulan los estndares y cdigos de ingeniera que apliquen para Amricaen cualquier rama del diseo mecnico, ya sea para fabricacin y/o construccin.

Las normas ANSI y las ASME actualmente son las mismas. En el campo del diseo detuberas las normas ANSI/ASME que interesan especialmente son:

ANSI B31.1 Para diseo de tuberas a presin empleadas en centrales trmicas einstalaciones de produccin de vapor y/o energa.

I lustracin 6: Flujo anular. (Flujo de fluidos.Facilidades de superficie)

Ilustr acin 7:Flujo disperso o tipo roco. (Flujo de fluidos.Facilidades de superficie)


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ANSI B31.3 Para diseo de tuberas a presin empleadas en plantas petroqumicas.

El cdigo ASME B31 especifica cinco condiciones de trabajo a tomar en cuenta antes de

disear un sistema de acarreo. La primera condicin es la presin del sistema, tanto interna como externa. La segunda condicin es la temperatura de trabajo, la temperatura de diseo

es la temperatura mxima de la tubera durante su ciclo de trabajo. La tercera condicin son las influencias ambientales, tanto las cadas de

temperatura significativas que influyan en la presin de trabajo del sistema(cadas de presin por debajo de la presin atmosfrica), como la expansin delfluido que incremente significativamente la presin interna del sistema.

La cuarta condicin son los efectos dinmicos (impacto, vientos, terremotos yvibraciones).

La ltima condicin son las cargas de expansin y contraccin trmica.Los criterios antes mencionados estn ampliamente desarrollados en el cdigo de diseo.

6.3 Consideraciones para el diseo de tuberas:

El diseo de un sistema de sistema de acarreo de fluidosconsta de dos etapas generales:(Decision- making on pipe stress analysis enabled by knowledge-based systems., Marz2007)

Etapa 1 en la cual se realiza:

La definicin de las caractersticas principales del sistema de acarreo de fluidosa

disear. El clculo hidrulico para el dimensionamiento de la tubera. El clculo trmico. El Anlisis de efectos transitorios.

La seleccin de las caractersticas de la tubera. La seleccin de equipos principales del sistema de acarreo de fluidos(bombas,

vlvulas, uniones, filtros, vlvulas de alivio, vlvulas, trampas de vapor, etc).

En esta primera etapa se define las caractersticas necesarias para asegurar lafuncionabilidad del sistema de tuberas. Al finalizar esta etapa, se obtiene lo siguiente:

Material de tuberas. Dimetro interior de tuberas del sistema. Espesor de tubera, esta propiedad est directamente relacionada con la presin

nominal de diseo de la tubera. Espesor de aislante necesario para asegurar la temperatura interior del fluido.


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Layout preliminar. Esto no es definitivo ya que los anlisis llevados a cabo en lasegunda etapa pueden variar este resultado preliminar.

Accesorios de recorrido del sistema (codos, tees, reducciones, yees, etc.). Estosaccesorios definen el recorrido de la tubera que est estrechamente vinculado conel layout del sistema.

Accesorios de suministro (vlvulas de todo tipo, filtros, trampas de vapor, entreotros). Estos accesorios aseguran que el fluido a transportar sea entregado demanera correcta y con las condiciones establecidas por el usuario en los puntosdefinidos por el mismo.

Accesorios auxiliares (trampas de alivio, vlvulas anticipadoras de onda, entreotros). Estos accesorios alivian las tensiones ocasionadas por los efectostransitorios como el golpe de ariete.

En la Etapa 2 se realiza el anlisis de flexibilidad del sistema:Esta etapa contempla un anlisis de las cargas internas y externas del sistemaconsiderando las condiciones estructurales necesarias para posicionar el sistema en ciertoespacio definido es decir el anlisis de flexibilidad del sistema. De forma global, losresultados, al finalizar esta etapa del diseo, son:

Layout definitivo del sistema de tuberas. Al finalizar esta etapa, no siempre, serealizan modificaciones al layout original.

Nmero de apoyos para que el sistema de tuberas no colapse por su propio peso. Distanciamiento entre apoyos para que el sistema de tuberas no colapse por

estabilidad.

Nmero de elementos auxiliares para aliviar y dar mayor flexibilidad al sistema detuberas y evitar que este colapse por los esfuerzos generados por deformacionesdurante operacin.

Nmero de apoyos adicionales y relocalizacin de apoyos existentes, de sernecesario el anlisis de cargas externas ocasionales.

La ejecucin exitosa de cualquier diseo de tuberas requiere una serie de pasos bienestructurados, que se adaptan a los requisitos especficos del proyecto y a las necesidadesdel diseador (Piping Design Considerations for Geothermal Steamfields.).

Estos procesos pueden variar entre los diferentes diseadores o empresas de diseo; sin

embargo, los pasos que se enumeran a continuacin son los ms comnmente utilizados:1. Recopilacin de informacin de bases de diseo (consultar a interesados sobre los

alcances del proyecto), informacin de los equipos a conectar, plano general delrea a disear.

2. Establecimiento de los parmetros de diseo. Estas incluyen presin, temperatura,velocidad del viento, informacin ssmica, tipo de fluido a transportar en el sistemade acarreo, gradientes trmicos etc.


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3. Determinacin del dimetro de tubera, el cual depende fundamentalmente de lascondiciones del proceso (velocidad, presin, temperatura del fluido, entre otrosparmetros).

4. Seleccin de los materiales de la tubera de acuerdo a las condiciones del fluido atransportar y del medio en que se instalar.

5. Seleccin de los tipos de accesorios para interconexin entre la tubera y desde estaa los equipos. Entre stos estn: clase de brida, vlvulas y dems accesorios.

6. Clculo del espesor mnimo de pared para las temperaturas y presiones de diseos,de manera que la tubera sea capaz de soportar los esfuerzos tangencialesproducidos por las condiciones del fluido.

7. Seleccin de la ruta ptima por donde se proyecta la instalacin de la lnea deacarreo de fluido, respetando las bases de diseo y criterios estandarizados.

8. Establecimiento de tipo y cantidad de soportes para el sistema de tuberas.

9. Anlisis de esfuerzos de flexibilidad, verificando que los esfuerzos producidos en latubera estn dentro de los valores admisibles.a. Si el sistema no posee flexibilidad y/o no es capaz de resistir las cargas a las

que se est sometiendo se tendrn que realizar ajustes como: reubicacinde soportes, modificacin del tipo de soporte en puntos especficos,utilizacin de soportes flexibles, modificacin del recorrido de la lnea,utilizacin de juntas de expansin, etc..

10. Elaboracin de planos detallados para construccin de obra civil y mecnica paramontaje de sistema de acarreo.

11. Elaboracin de listado de materiales para su construccin.12. Elaboracin de especificaciones tcnicas para montaje.


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DISEO DE SISTEMA DE ACARREO DE

FLUIDOS GEOTERMICOS.

NORMATIVAS DE DISEO Y

CODIGOS DE

CONSTRUCCIN LOCALES

CRITERIOS DE DISEO A

UTILIZARSE.

CONSIDERACIONES

AMBIENTALES Y

SOCIALES.

DISEO DE FLUJO

DE PROCESO

CALCULOS

HIDRAULICOS Y

TERMICOS.

DISEO DE

INSTRUMENTACIN

Y CONTROL.

DIMENSIONAMIENTO

DE TUBERA.

LISTADEMATERIALES

PROYECCION

PRELIMINAR DE

RUTA DEL SISTEMA

DE ACARREO.

ANALISIS DEESFUERZOS DE

FLEXIBILIDAD

RELACIN DE

ESFUERZOS MENOR A 1

RESULTADOSDE

ESFUERZOSYPESODE

SOPORTES.

DISEO

ESTRUCTURAL DE

SOPORTES Y

ZAPATAS

ANAL ISIS DE

NECESIDADES-

RECOPILACION DE INFO.

SELECCIN DE

MATERIALES

ESTABLECIMIENTODE TIPO Y CANTIDAD

DE SOPORTES

LISTADEMATERIALES

FINALES

PLANOSFINALESY

DETALLES

ESPECIFICACIONES

TECNICAS

DIAGRAMA DE PROCESO DE DISEO DE SISTEMA DE ACARREO

ANAL ISIS Y

SELECCIN DE

SOLUCIONES PARA

EL SISTEMA

NOSI


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6.3.1Cri ter io s par a el di seo de tu beras:

Los criterios bsicos con los que siempre se debe de disear son:

Seguridad: al disear se debe de tener en cuenta que al cumplir con los cdigos yestndares de la industria no solo se prev fallas en los equipos, prdidas deproduccin, tambin se est asegurando de que no haya daos a personas por elmal diseo o por la falla del sistema diseado.

Ergo noma: referida a la facilidad para la operacin de los elementos de lastuberas, hay que dejar espacios para facilitar el mantenimiento a equipos o pararemover tuberas en caso de ser necesario.

Economa: El diseo adems de los criterios tcnicos a considerar tiene que

realizarse de manera que resulte lo ms econmico posible.El diseo de un sistema de acarreo inicia con una necesidad, en el caso de los camposgeotrmicos una necesidad de llevar el fluido geotrmico desde la plataforma de separacinhasta la planta, o de la estacin de separacin a los pozos re inyectores.

Una vez se ha planteado la necesidad, es de suma importancia el involucramiento de losinteresados para el establecimiento de los criterios de diseo y consecuentemente en elxito del diseo de tuberas. El desarrollador geotrmico, personal de operacin,mantenimiento y el diseador mismo discuten los criterios de diseo que se aplicarndurante todo el proyecto, tales como la seleccin del dimetro de las tuberas,consideraciones para la disposicin o arreglo del sistema, metodologa de aislamiento,

cdigos y normas de diseo aplicables y consideraciones de diseo ssmico. (PipingDesign Considerations for Geothermal Steamfields.)

Esta seccin tambin incluye la recopilacin de informacin necesaria para el diseo como:

Planos topogrficos donde se indique los lmites y la situacin legal de los terrenospor donde pasar la tubera; de ser una tubera donde ya hay un sistema de acarreoinstalado se requerirn los planos de las tuberas y equipos instalados, esto paraanalizar donde se podr pasar la tubera y si hay soportes que se puedenaprovechar para la instalacin de la nueva lnea.

Resultados de las pruebas de produccin del pozo estos datos son de granimportancia ya que nos dan los valores de la cantidad de fluido bifsico que semanejar, as mismo de vapor y salmuera; adems nos da los valores de entrada(presin, temperatura, masa del fluido, etc.)para el clculo de los dimetros detubera.

Pruebas qumicas del fluido, es de suma importancia para la eleccin de losmateriales del sistema de acarreo, adems nos permite conocer la temperatura


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mnima a la que podemos manejar el fluido sin tener problemas de precipitacin deslice (en el caso de lneas de inyeccin).4

6.3.2. Diseo del Pro ces o:El diseo de proceso es la etapa inicial y primordial del diseo, muestra de la manera msbsica donde inicia el sistema de acarreo, a que equipos llega y donde finaliza a travs deun diagrama de procesos, tales diagramas muestran las relaciones existentes entre losdiversos componentes.

Diagrama de Flujo d e Proceso

El Diagrama de Flujo de Proceso es una representacin esquemtica del proceso, suscondiciones de operacin normal y su control bsico.

El diagrama incluye el balance de masa e informacin para el diseo y especificacin de

equipos, adems sirve de gua para desarrollar el Diagrama de Tubera e Instrumentaciny control.

Informacin a contener

Balance de masa:

Las caractersticas de las lneas de acarreo, se resumen en una tabla ubicada en la zonainferior del plano.

La tabla contiene parte de los datos de proceso generados por el diseador de procesos:

Nmero de la lnea

Descripcin de la lnea (fluido bifsico, vapor, salmuera) Flujo msico y/o flujo volumtrico

Temperatura de operacin

Presin de operacin

Densidad o gravedad especfica

Viscosidad absoluta

Estado fsico.

Los datos de la tabla pueden variar de acuerdo al tipo de proceso. Es criterio del diseador,

aadir o eliminar datos a fin de suministrar la informacin ms relevante para el procesoque se est diseando.

4(Sistema de acarreos, Modulo VII plantas geotermicas, Diplomado de especializacin en energageotermica., 2015)


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Equipos de l proceso:

Cada equipo debe tener los siguientes datos: cdigo de identificacin, nombre del equipo y

caractersticas de operacin normal.Lneas de p ro ces o

a. Cada lnea de proceso desde y hacia los equipos se identifica con un nmero dentro deun rombo para referirlo a los balances de masa y energa.

b. La identificacin de las corrientes de proceso en los DFP (diagrama de flujo de proceso)debe realizarse siguiendo los criterios siguientes:

Numerar las lneas principales y los ramales.

Numerar una sola de las corrientes paralelas o trenes idnticos.

Asignar los nmeros a las lneas de proceso en orden creciente de acuerdo alrecorrido del flujo principal a travs de la unidad de proceso.

Cambiar la numeracin de la lnea cuando hay cambios de condiciones: presin,temperatura o flujo, en la misma.

Identificar cada una de las lneas de proceso inmediatas a cada uno de los equipos;a manera de facilitar la especificacin de los mismos.

c. En el Diagrama de Flujo de Proceso no se debe mostrar el dimetro, numeracin ymaterial de las lneas.

6.3.3 Seleccin d e Materiales:

La seleccin de los materiales y accesorios para el sistema de acarreo se deber realizaren bases a las condiciones del fluido/gas a transportar (segn la temperatura de diseo delfluido) y a las propiedades qumicas del mismo.

Es importante la contratacin a tiempo de suministro de equipos y materiales,especialmente aquellos elementos del diseo del proceso que requieren tiempos desuministro relativamente largos (por ejemplo, recipientes a presin, vlvulas, tuberas yaccesorios de gran tamao).

Se debe tener cuidado en esto, ya que si el diseo del proceso no est debidamenteapoyado por informacin de campo o mediciones se puede generar errores en el suministroo costoso reproceso del diseo, no siempre la lista final de materiales va a coincidir con lapreliminar.

Hay que tomar en cuenta adems de las condiciones del fluido que transportar la tubera,las condiciones ambientales del lugar.

6.3.4 Disp osi cin prelimin ar:

Despus de que el dimetro y el material de la tubera han sido seleccionados y de que elespesor requerido de pared de los tubos y la clase de las bridas se han establecidos, el
http://www.monografias.com/trabajos901/debate-multicultural-etnia-clase-nacion/debate-multicultural-etnia-clase-nacion.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos901/debate-multicultural-etnia-clase-nacion/debate-multicultural-etnia-clase-nacion.shtml


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diseador tendr que elaborar una disposicin econmica de tuberas para el nuevosistema. Adems de disponer la ubicacin de la soportera y los tipos de soportes.

En la disposicin y arreglo de sistemas de tubera, debern tomarse en consideracin lossiguientes requerimientos:

Topografa a lo largo de la trayectoria del sistema de acarreo, esto para podervisualizar la mejor ruta evitando el movimiento de tierra excesiva.

Facilidad de operacin: este en un parmetro muy importante, se tiene que tener encuenta la facilidad para el equipo de operacin de hacer sus maniobras, de accedera las vlvulas y equipos.

Accesibilidad para mantenimiento: hay que dejar los espacios suficientes que

permitan desinstalar los equipos, vlvulas, tuberas en caso de mantenimiento a losmismos. Economa: la disposicin de la tubera se debe de hacer tomando siempre en cuenta

el factor econmico adems del tcnico. Requerimientos especiales de proceso. Ampliaciones futuras: en la disposicin de la tubera es importante tomar en cuenta

este parmetro, ya que los campos geotrmicos estn en constante cambios ya seapara el aumento de la produccin o para la limpieza de los pozos existentes omodificaciones en tuberas, se debe pensar en esto para que el diseo no interfierao no se convierta en un problema para las condiciones mencionadas.

Apariencia: Adems de los criterios tcnicos y econmicos la apariencia essignificativa para que la tubera no genere un impacto visual con el resto del medioen el que se ubica.

Maximizar el uso de soportes existentes: si ya hay un sistema hay que tratar deutilizar los soportes que ya existe, siempre y cuando cumplan con los requerimientosde cargas calculadas.

Separaciones para expansin trmica.

Adems de establecerse la disposicin y el arreglo general de las tuberas y las condicionesglobales de diseo, deben definirse los tipos de arreglos de soportes. El sistema de tuberadeber ser en lo posible, auto soportante y consistente con los requerimientos deflexibilidad.

6.3.5 Flexibil id ad en un sistema de acarreo:

La flexibilidad es una propiedad de un sistema de tuberas que se define por la capacidadde admitir deformaciones originadas por dilataciones o contracciones trmicas sin poner encompromiso la integridad del sistema. Esta propiedad se ve influenciada por los siguientesfactores:


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Cambios d e direccin:

Si el nmero de cambios de direccin es mayor, el sistema tiene mayor capacidad de

absorber las deformaciones. Esto se debe a que las deformaciones predominantes en unsistema de tuberas son en la direccin axial de los tubos. Cuando un sistema comprendeun tramo recto de tubera empotrado en sus extremos, como se muestra en la Ilustracin8, no existe dilatacin permitida. De lo contrario, cuando un sistema de tuberas contieneuno o ms cambios de direccin, como en la Ilustracin 9, la dilatacin permitida se definepor la sumatoria de las deformaciones de cada elemento del sistema. De esta forma,mientras el nmero de cambios de direccin sea mayor, el sistema tendr mayor capacidadde admitir deformaciones.

I lustr acin 8:Sistema de acarreo en lnea recta, no permite dilatacin.


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Tipos de soportes: estos tienen la funcin principal de dar estabilidad al sistema. Sinembargo, tambin aumentan restricciones geomtricas. En la ilustracin 10, se puedeobservar que al cambiar el tipo de soporte empotrado por uno con dos grados de libertadse le permite dilatacin y el tramo vertical ya no est sometido a flexin.

Por esta razn es importante el anlisis del tipo de soporte a seleccionar ya que con ellospodemos darle flexibilidad o restricciones al sistema.

I lustrac in 9:Configuracin de sistema de acarreo en Z, permite dilatacin.

I lustr acin 10: Efecto al cambiar el tipo de apoyo empotrado por un apoyo quepermite ms movimiento.


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Nmero de soportes, si bien el nmero de soportes se selecciona a partir de un anlisisde estabilidad, este factor tambin influye en la flexibilidad del sistema. En la siguienteilustracin, se observa el efecto que tiene colocar un soporte empotrado adicional al

sistema, lo afecta negativamente; reduce la dilatacin permisible y permite que un tramo detubera no admita deformacin axial

6.3.6Anlis is d e flexi bil id ad en si st emas de tu beras:

Para determinar los efectos de expansin y esfuerzos en un sistema de tuberas, esnecesario conocer:

cdigo aplicable al sistema; en este caso se utilizara el ASME B31.1.

Las condiciones de presin y temperatura de diseo.

Las especificaciones del material.

El dimetro de tubera y el espesor de pared de cada componente del sistema.

El esquema del sistema incluyendo dimensiones y movimientos trmicos encualquier punto.

Limitaciones de reacciones finales en los puntos, tales como las establecidas porlos fabricantes de equipos.

El anlisis de flexibilidad de tuberas consiste en determinar si una lnea posee la suficientecapacidad para absorber las cargas operativas que inciden sobre ella tales como el propiopeso de la tubera, la expansin trmica, las fuerzas producidas por la presin del fluido,vibraciones,terremotos y otras. Uno de los factores que pueden aumentar o disminuir laflexibilidad de una tubera es su configuracin geomtrica.

I lustrac in 11:Efecto al colocar un apoyo adicional empotrado al sistema.
http://www.monografias.com/trabajos/sismologia/sismologia.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos/sismologia/sismologia.shtml


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El problema bsico del anlisis de flexibilidad es determinar la magnitud de estos esfuerzosen la tubera y controlar que las reacciones en los puntos de interconexin con equiposestn dentro de valores aceptables.

Anlisis de Flexibilidad por Computadora

AutoPIPE es un programa informtico ingeniera asistida independiente (CAE) para clculode tensiones de tuberas, anlisis, diseo brida soporte de la tubera, y equipo de anlisisde la boquilla de carga en condiciones de carga estticas y dinmicas.

Adems de los 30 cdigos de tuberas, AutoPIPE incorpora ASME B 31.1, cdigo en el quese basa el diseo propuesto en est trabajo, esto proporciona un anlisis exhaustivo detodo el sistema. Calcula las tensiones de cdigo de tuberas, las cargas y las deformacionesen condiciones de carga dinmicas y estticas, analiza los sistemas de cualquiercomplejidad; con caractersticas especiales como anlisis de tuberas, fluidos, tuberas FRP

(Fiber Reinforced Plastic) /GRP(Glass Reinforced Plastic)e interaccin tubera / estructura.En este trabajo se utilizar la AutoPipe V8, para el anlisis de flexibilidad de la tubera adisear.

6.3.7 Car gas d e di seo para t uberas:

Un sistema de tuberas es una estructura irregular sometida a varios tipos de esfuerzos,algunos de estos desde la fase de construccin y montaje. Tambin ocurren esfuerzosdurante la operacin e inclusive en situaciones que no son normales, todo lo anterior debeser previsto en el diseo, a continuacin las cargas tpicas a considerarse:

1. Cargas por la presin de diseo: Es la carga debido a la presin ms severa, interna

o externa a la temperatura coincidente con esa condicin durante la operacinnormal.

2. Cargas por peso, estas pueden ser: peso muerto (Incluye el peso de la tubera, accesorios, aislamiento ect.). Cargas vivas (El fluido que transporta la tubera).

Efectos locales ( reacciones de soportes)3. Cargas dinmicas:

Cargas por efecto del viento.

Cargas ssmicas. Cargas por impactos u ondas de presin; tales como los efectos del golpe de

ariete, cadas buscas de presin o descargas de fluidos. Vibraciones excesivas inducidas por las pulsaciones de presin, por

variaciones en las caractersticas del fluido, por resonancia causada porexcitaciones en mquinas o del viento.

6.3.8 Efecto s de la exp ans in y/o c on trac cin trm ica:

Por la expansin o contraccin provocada por la dilatacin trmica de la tubera, seoriginaran cargas que producirn esfuerzos, estas cargas son:


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Cargas trmicas y de friccin: inducidas por la restriccin al movimiento de expansintrmica de la tubera.

Si las dilataciones o contracciones de los elementos de un sistema de tuberas sonrestringidas, se generan esfuerzos, por ello, los detalles constructivos del sistema a disearo analizar deben ser tomados en consideracin. (the piping guide, 1973)

El diseador debe buscar que las cargas trmicas sean uniformemente distribuidas a lolargo del sistema evaluado y esto se logra aliviando las cargas generadas por lasdeformaciones trmicas y/o modificando las restricciones del sistema, una forma de hacerloes utilizando lazos de expansin (expansion loops) y juntas de expansin (expansin joint).

Lazos de expansin (expansion loop s) (Vidaurre, 2014)Los lazos de expansin se utilizan mayormente cuando las deformaciones axiales son

grandes, esto sucede normalmente en plantas trmicas, plantas generadoras de energa osistemas con utilizacin de vapor, el esfuerzo generado por una deformacin axial nodepende de la longitud de la tubera, sino de la temperatura de trabajo del sistema y elmaterial de la tubera.

Los lazos de expansin utilizan el principio de deformacin transversal de la tubera, lalongitud del lazo est dado por: = + 2

Cuando el lazo de expansin fabricado es demasiado alto, se puede construir lazos deexpansin tridimensionales.

I lustrac in 12:lazo de expansin (expansin loops). (Vidaurre, 2014)


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Juntas de expansin (expansion joint)

Las juntas de expansin son accesorios, que de la misma forma que los lazos de expansin,absorben la dilatacin axial de la tubera. El principio de funcionamiento que utilizan estosaccesorios es absorber la energa de deformacin mediante elementos altamente elsticos,es decir, transforma la energa de deformacin en energa elstica.

Este accesorio es de alto costo; sin embargo, tiene mayor capacidad para absorberesfuerzos producidos por dilatacin elstica.

Cargas por gradiente trmico severo o diferencias en las caractersticas de expansin:ocasionado generalmente por la utilizacin de diferentes materiales en una misma lnea.

6.3.9 Cond ici on es de Pres in y temperatur a de Diseo:

Presin de diseo:La presin de diseo no ser menor que la presin a las condicionesms severas de presin y temperatura coincidentes, externa o internamente, que se espereen operacin normal.

La condicin ms severa de presin y temperatura coincidente, es aquella condicin queresulte en el mayor espesor requerido y en la clasificacin ("rating") ms alta de loscomponentes del sistema de tuberas.

Se debe excluir la prdida involuntaria de presin, externa o interna, que cause mximadiferencia de presin.

Temperatura de diseo:

Es la temperatura que representa la condicin ms severa de temperatura a la que estarsometida la tubera. Los requisitos para determinar la temperatura del metal de diseo paratuberas son como sigue:

Para componentes de tubera con aislamiento externo, la temperatura del metal para diseoser la mxima temperatura de diseo del fluido contenido.

I lustr acin 13:tipos de loops. (Kannappan, 2008)


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Para componentes de tubera sin aislamiento externo y sin revestimiento interno, con fluidosa temperaturas de 32F (0C) y mayores, la temperatura del metal para diseo ser lamxima temperatura de diseo del fluido reducida.

Espesor de Pared (cedula): El mnimo espesor de pared para cualquier tubo sometido apresin interna o externa est en funcin de:

a. El esfuerzo permisible para el material del tubo

b. Presin de diseo

c. Dimetro de diseo del tubo

d. Dimetro de la corrosin y/o erosin

Adems, el espesor de pared de un tubo sometido a presin externa es una funcin de la

longitud del tubo, pues sta influye en la resistencia al colapso del tubo. El mnimo espesorde pared de cualquier tubo debe incluir latolerancia apropiada de fabricacin.

6.3.10 Di seo de so po rt e de tuberas :

La seleccin y el diseo de soportes para tuberas es una parte importante en el diseo deun sistema de acarreo de fluido. Es necesario tomar en cuenta desde las primeras etapasdel proyecto: el efecto de cargas en soportes concentradas en estructuras, cargas sobreequipos conectados debido al peso de la tubera y tolerancias de los soportes respecto atuberas y estructuras.

La seleccin del tipo de soporte apropiado es determinada por la configuracin de la tuberay las condiciones de operacin.

La ubicacin apropiada de soportes involucra consideraciones de la propia tubera, de laestructura a la cual se transmite la carga y de las limitaciones de espacio.

Los puntos de fijacin ms prudentes en la tubera son: Sobre tubera propiamente y no sobre componentes tales como: vlvulas,

accesorios o juntas de expansin.

Sobre tramos rectos de tuberas en lugar de sobre codos de radios agudos, juntasangulares o conexiones de ramales prefabricados, puesto que en estos sitios seencuentra la tubera ya sometida a esfuerzos altamente localizados, a los cuales se

agregaran los efectos locales de la fijacin.

Sobre tramos de tuberas que no requieran remocin frecuente para limpieza omantenimiento.

Tan cerca como sea posible de concentraciones grandes de carga, tales como:tramos verticales, ramales de tubera, vlvulas pesadas, separadores, etc.
http://www.monografias.com/trabajos11/tole/tole.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos11/tole/tole.shtml


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La localizacin de los soportes depende del tamao de la tubera, configuracin de lamisma, localizacin de las vlvulas y accesorios y de la estructura disponible para el soportede tuberas.

En un tendido de tubera horizontal, en campo abierto, el espaciamiento de soportesdepende nicamente de la resistencia del tubo. Dentro de los lmites de una unidad deproceso, por otra parte, el espaciamiento de soportes est determinado mayormente por elespaciamiento de columnas convenientemente ubicadas.

El mximo espacio sugerido entre soportes, se basa sobre un esfuerzo detorsin y cortantecombinado de 1500 Psi (10.34 MPa), cuando la tubera est llena deagua y se permite unadeflexin entre soportes de 1/10" (2.54 mm). Estos no se aplican cuando existen pesosconcentrados tales como presencia de vlvulas y otros accesorios pesados o cuandoocurran cambios de direccin en el sistema de tuberas.

En caso que se presenten cargas concentradas, los soportes deberan estar puestos tancerca como sea posible a la carga, con la intencin de mantener el esfuerzo flexionante almnimo.

En la prctica, un soporte debera ser colocado inmediatamente despus de cualquiercambio de direccin en la tubera.

El cdigo ASME B31.1 establece dimensiones mximas sugeridas de acuerdo al dimetronominal de la tubera en la siguiente tabla se muestran estas:

Tabla 1:Espacio sugerido entre soportes. ASME B31.1.

Nominal

Pipe Size

(NPS)

Suggested Maximum Span

Water Servicesteam, gas or air

service

ft m ft m

1 7 2.1 9 2.7

2 10 3.0 13 4.0

3 12 3.7 15 4.6

4 14 4.3 17 5.2

6 17 5.2 21 6.4

8 19 5.8 24 7.312 23 7.0 30 9.1

16 27 8.2 35 10.7

20 30 9.1 39 11.9

24 32 9.8 42 12.8
http://www.monografias.com/trabajos55/investigacion-sobre-torsion/investigacion-sobre-torsion.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos14/problemadelagua/problemadelagua.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos14/problemadelagua/problemadelagua.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos55/investigacion-sobre-torsion/investigacion-sobre-torsion.shtml


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Segn el grado de restriccin que generan los soportes, se pueden clasificar en:

Soportes flexibles

Los soportes flexibles se colocan en las zonas de apoyo para aliviar las cargas debido alpeso de tuberas, aislantes, fluido y accesorios, este alivio se produce generando esfuerzosen sentido contrario a la deformacin.

Este tipo de solucin tiene dos principales funciones:1. Aliviar las deformaciones causadas por efectos trmicos, cargas externas o cargasocasionales (sismos, desastres naturales, etc.)

2. Brindar soporte a los sistemas de tuberas, es decir, puntos de apoyo.

Este tipo de soportes funciona gracias al principio de deformacin elstica (de formaparecida que las juntas de expansin) y est construido con resortes internos. Estos pueden

ser de carga constante o carga variable. Los soportes flexibles se subdividen en dos tipos: Soportes flexibles de carga constante:proveen una fuerza constante de apoyo,

aunque el mismo est al mximo rango de la expansin y contraccin vertical. Estoes logrado con el uso de un resorte helicoidal trabajando en conjunto con un codode palanca, de tal manera que la fuerza del resorte, multiplicada por la distancia delbrazo pivote se iguale siempre a la carga de la tubera multiplicada por la distanciaa la palanca pivote.

Debido a que su efecto de soporte es constante, stos son usados donde seexperimenten grandes desplazamientos de tubera como por ejemplo en los

cabezales de pozo donde, generalmente, los desplazamiento pudieran ser desde25 hasta los 125 mm; adicionalmente se usan donde se desea prevenir transferenciade cargas de peso a equipos conectados o a soportes adyacentes. Enconsecuencia, generalmente se usan para soportar sistemas de tuberas crticas.5

5M. Rentera Vidaurre Diseo de metodologa para el anlisis de flexibilidad en sistemas de tuberatesis para optar al ttulo. Pontificia Universidad Catlica del Per. Lima 2014.


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Soportes flexibles de carga variable: son usados para tuberas sujetas amovimientos verticales donde los soportes flexibles de carga constante no sonrequeridos. La caracterstica inherente de un soporte de carga variable es que lafuerza soportadora vara con la deflexin del resorte y con laescala del mismo, porlo tanto, la expansin vertical de la tubera causa una correspondiente traccin ocompresin en el resorte y causar un cambio en el efecto de sustentacin actualdel soporte.

Los soportes flexibles de carga variable son para uso general, sobre sistemas detuberas no crticas y donde el movimiento vertical es de pequea magnitud conrespecto a la criticidad del sistema. Se considera prctico limitar la variacin de lafuerza sustentadora a un 25% para sistemas crticos sobre tuberas horizontales.

I lustrac in 14:Soporte flexible de carga constante. (Vidaurre, 2014)

I lustr acin 15:Soporte flexible de carga variable. (Hyundai engineering Co.ltd)
http://www.monografias.com/trabajos6/dige/dige.shtml#evohttp://www.monografias.com/trabajos6/dige/dige.shtml#evo


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Soportes rgidos:

Los soportes rgidos son normalmente usados en puntos donde no ocurren movimientos

verticales de la tubera.Las consideraciones de diseo para un soporte rgido son: la temperatura de la tubera,para seleccionar el material de la abrazadera y la carga para seleccionar los componentesadecuados para el peso de la tubera implicada.

Para sistemas de tuberas de baja temperatura de operacin, donde la expansin verticalno es considerada, los componentes de ensamblaje del soporte son seleccionados ydiseados sobre el clculo bsico de resistencia de materiales o cargas aproximadas.

La instalacin indiscriminada de un soporte rgido sobre un sistema de tubera, podraalterar los esfuerzos y reacciones en la tubera de manera severa, cambiando el diseo delsistema a uno en el cual se exceden los lmites de un buen diseo. Es por ello que se debenrevisar los valores generados por la instalacin de estos soportes durante el clculo de losesfuerzos y reacciones, para que no sobrepasen los permisibles recomendados por loscdigos ANSI/ASME para el diseo de tuberas.

I lustr acin 16:Montaje tpico de soportes rgidos.


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Soportes restrictivos:

Son usados para restringir o limitar el movimiento debido a la expansin trmica, las

restricciones se clasifican en:Anclajes: se utiliza para fijar completamente la tubera en ciertos puntos.

Limite o Stop (deslizantes, guas y pivotes): garantizan la rotacin pero previenen elmovimiento de traslacin en al menos una direccin a lo largo del eje deseado, si elmovimiento es restringido en ambas direcciones a lo largo del eje se usa el termino doublestop.

6.3.11 Disp osic in final y lista de materiales:

Una vez realizado el anlisis y el diseo haya pasado la relacin de esfuerzos, se dispondrel arreglo final de la tubera en el que se incluirn todos los accesorios y especificaciones,para esto es necesario el layout del diseo estructural resultante, en base a este serealizaran los planos mecnicos a detalles.

Los clculos resultantes del anlisis de flexibilidad realizado a la tubera son entregados aldiseador estructural para el dimensionamiento de los soportes, bases y patines.

Foto: Soportes deslizante tipo stop.

I lustr acin 17:Soporte con lmites o stop.


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Los planos mecnicos y estructurales son base para la realizacin de las especificacionestcnicas, ests describen al detalle cmo debe realizarse la fabricacin y montaje de latubera.

6.3.12 Fabricac in e ins talacin:

Al tener los planos realizados con el mnimo detalle y las especificaciones tcnicas, se iniciala fabricacin e instalacin de la tubera, para esto el cdigo tiene consideraciones quetienen que ser tomadas en cuenta.6

7. DESARROLLO (METODOLOGA UTILIZADA).

Para la ejemplificacin de la metodologa que se utilizara en este trabajo se diseara unatubera para fluido bifsico (agua y vapor) a una lnea principal de fluido bifsico de 36 dedimetro, a esta lnea estn conectados 2 pozos en la misma plataforma.

7.1 Condiciones de trabajo segn Cdigo ASME B.31.1El cdigo ASME B31.1 especifica cinco condiciones de trabajo a tomar en cuenta antesde disear un sistema de acarreo.

1. La presin del sistema, tanto interna como externa.2. La temperatura de trabajo, la temperatura de diseo es la temperatura mxima de

la tubera durante su ciclo de trabajo.3. La tercera condicin son las influencias ambientales, tanto las cadas de

temperatura significativas que influyan en la presin de trabajo del sistema (cadasde presin por debajo de la presin atmosfrica), como la expansin del fluido que

incremente significativamente la presin interna del sistema.4. La cuarta condicin son los efectos dinmicos (impacto, vientos, terremotos yvibraciones).

5. La quinta y ltima condicin son las cargas de expansin y contraccin trmica.

7.2 Condiciones de Diseo:

Las condiciones de diseo son los datos base que sirven para realizar el diagrama de flujodel proceso, los clculos hidrulicos y trmicos, seleccin de materiales, trazado preliminar,anlisis de flexibilidad y el trazado final de la tubera.

Para la realizacin de este diseo se realizaron las actividades detalladas a continuacin:

7.2.1 Reco pil aci n de inf ormacin de bases de dis eo:

Se necesita conectar un pozo nuevo a una lnea principal de fluido bifsico existente, a lacual estn conectados 2 pozos ubicados en la misma plataforma.

6Para mayor informacin acerca de este acpite, consultar la norma ASME B31.1.


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No se cuentan an con datos de la prueba de produccin se trabajar con los supuestos dereservorio, una vez se realicen las pruebas de produccin se deber verificar los datos conlos que se dise el sistema.

El diagrama de flujo de proceso existente y plano actual de la plataforma se puedenobservar en el Plano 1: Diagrama de flujo de proceso existente y Plano 2:Plataforma depozos productores 1.


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En los planos anteriores podemos observar lo siguiente:

La lnea principal a la que estn conectados los pozos 1 y 2, tiene un dimetro de

36.

El pozo 1 se conecta a la tubera principal directamente a travs de un reductor, sutrayectoria es una L.

El pozo 2 Se conecta en ngulo de 45 por el costado de la tubera, el dimetro deesta lnea es de 24.

En el plano de la plataforma se puede observar que al norte de la plataforma hayuna restriccin debido a la topografa, ya que se encuentra un cauce de granmagnitud, esto hay que tomarlo en cuenta para el trazado preliminar de la tubera.

7.2.2 Est ablec im ient o de lo s parmetro s de dis eo.

Se debe conocer el tipo de fluido a transportar, el alcance del trabajo es diseo de sistemasde acarreo de fluidos geotrmico y se desarrollara una lnea de tubera bifsica es decir quetendremos circulando en la tubera agua geotrmica y vapor.

Los parmetros bsicos de diseo se muestran en la siguiente tabla.

Tabla 2:Parmetros bsicos para diseo de sistema de acarreo.

Parmetros tipo de fluido Presin Temperatura Flujo Msico

Unidades - Bar a C ton/hora

Valor bifsico 6.92 162 146

Velocidad de viento:

Se supondr una velocidad de viento promedio de 30 m / s, 10m por encima del suelo.

Para la estructura a disear no se consideraran cargas de viento ya que estar a 3 metrosdel nivel del suelo.

Diseo ssmico:

Los requisitos para el diseo ssmico fueron tomados del Reglamento Nacional deConstruccin de Nicaragua (RCN 2007). Debido a que nuestros pases de Centroamricaestn afectados constantemente por sismos y ocasionalmente por terremotos, para estediseo se usara un factor de 0.3 veces la fuerza de la gravedad o 0.3g.


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7.2.3 Determ in aci n del dimetr o de tu bera:

Para la determinacin del dimetro de la tubera se us el programa EES (Engineering

Equations Solver).En el programa se introdujeron como datos de entrada los que se presentan en la tabla 4:

Tabla 3:Datos de entrada para el Programa EES.

Parmetros tipo de fluido Presin TemperaturaFlujo

MsicoCalidad velocidad longitud

Unidades - Bar a C kg/s - m/s m

Valor bifsico 6.92 162 40.56 0.3 25 116

Se calcul el dimetro de la tubera y las cadas de presin, utilizando el patrn de clculodel programa EES (ver cdigo en anexos). que permite calcular el dimetro de la tubera deacuerdo al caudal que debe manejar cada tramo de tubera y procede simultneamente acalcular la cada de Presin utilizando principalmente la ecuacin de Colebroock paratubera de vapor, considerando la cada de presin en tubera de transporte de fluidobifsico como el 20% ms que en la tubera de transporte de vapor.

El dimensionamiento de la tubera se realiz en funcin de la velocidad del fluido, se utilizuna velocidad de diseo de 25 m/s.

Para esto se utiliz la ecuacin para calcular el caudal.

= v ADonde:

Q Caudal

v Velocidad

A rea

La ecucacin del Nmero de Reynolds

= Donde:

densidad del fluidovs Velocidad del fluido

Viscosidad del fluido


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Los datos obtenidos de los calculos realizados en el programa a continuacin

Tabla 4:Datos de salida del programa EES.

Parmetros Caudal Dimetro Densidadcada depresin

Unidades kg/s pulgada C Bar a

Valor 3.38 16 162 0.68

Con el dimensionamiento de la tubera obtenido en base a los clculos realizados en elprograma EES, se realiz el diagrama de flujo de proceso en el que se plasma graficamenteel objetivo del diseo, la coneccin del pozo 3 a la lnea principal del flujo bifasico. Ver plano3: Plano de Diagrama de flujo de Proceso Propuesto.

Ademas se realiz el diagrama de instrumentacin y control, ver Plano 4, en el cual se

disea el arbol del cabezal del pozo, en este se especifica el tipo de valvula, diametro yclase de la misma, ademas de los equipos para medicones de presin y temperatura. Verplano 4: Diagrama de instrumentacin y control.

En los planos 3 y 4 ademas de los diagramas de flujo de proceso y diagrama deinstrumentacin y control respectivamente se encuentran las tablas de balance de masa yenerga del sistema.

7.2.4 Clculo del patr n de flu jo:

Para la ubicacin del patrn de flujo de la tubera, se utiliz el programa Biphase FlowPressure Drop.

Il us tr ac i n 18: variables de entrada ara determinar el atrn de flu o del fluido.


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Para el clculo de los parmetros que se ingresaron en el programa para determinar elpatrn de flujo, los clculos se realizaron en el programa EES y se utiliz la formula porLockhart-Matinelli, correspondiente a una correccin de la cada de presin para flujo

bifsico.

I lustr acin 19:Grafica resultante del programa Biphase Flow Pressure Drop.

Como se muestra en la ilustracin 19, el clculo dio como resultado un flujo anular, es decirque el fluido tendr un comportamiento estable.

7.2.5 Seleccin de los materiales:

Una vez obtenido el dimetro de la tubera se elige segn el cdigo por el que se rige estetrabajo, el material para tuberas de vapor: A53 grado B sch STD.

Los accesorios a utilizarse en el cabezal del pozo se usaran vlvulas clase 600, las vlvulasde instrumentacin sern clase 300.

Con el diagrama de instrumentacin y control se puede realizar la lista preliminar demateriales, en las que se incluyan las vlvulas y equipos ya que son las que requieren de

tiempo para su adquisicin.Aunque pueda haber discrepancias entre las cantidades de materiales preliminares con lalista final, es mejor adquirir los equipos con tiempo, as mientras se va realizando los anlisisy diseos restantes, se avanza con el proceso de compra, que para algunos equipospueden llegar a ser de meses hasta que se encuentren en las bodegas donde se requiere.


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7.2.6 Diseo pr elim in ar de la ru ta del sist ema:

De acuerdo alplano 2: Plano de plataforma actual, se procede a la elaboracin de la ruta

preliminar para el sistema de tubera, para esto se tom en cuenta lo siguiente: Las restricciones topogrficas que se encuentran en la plataforma. Las dos lneas existentes. La ergonoma de los operadores y personal de mantenimiento.

Tomando estas consideraciones se selecciona la ruta preliminar propuesta en el Plano 5:Diseo preliminar de ruta de sistema de acarreo.

Se saldr hacia el norte con la tu

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Diseño Estructural y Modelaje de Lineas de Transporte de Fluidos Geotermicos