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MARZO 2015
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN
PRESENTA:
LIC. EDITH GABRIELA RODRÍGUEZ ROJAS
DIRECTORES DE TESIS:
DR.JAIME REYNALDO SANTOS REYES
DR. DIEGO ALFREDO PADILLA PÉREZ
TESIS
TESIS
QUE PARA OBTENER E L GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS EN
INGE NIERÍA DE SISTEMAS
“Análisis del Desgaste de un Ducto
ASTM A -53B SCH 40”
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas Página I
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas Página II
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN
CARTA CESIÓN DE DERECHOS
En la Ciudad de México D.F. el día 28 del mes de febrero del años 2015, la que
suscribe Edith Gabriela Rodríguez Rojas alumna de Posgrado de Maestría en
Ciencias en Ingeniería de Sistemas con número de registro A130792, adscrito
a la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la E.S.I.M.E. Unidad
Zacatenco, manifiesta que es autor intelectual del presente trabajo de Tesis
bajo la dirección del Dr. Jaime Reynaldo Santos Reyes y el Dr. Diego Alfredo
Padilla Pérez y ceden los derechos del trabajo intitulado “Análisis del Desgaste
de un Ducto ASTM A-53B SCH 40”, al Instituto Politécnico Nacional para su
difusión, con fines académicos y de investigación.
Los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual,
gráficas o datos del trabajo sin el permiso expreso del autor y/o director del
trabajo. Este puede ser obtenido escribiendo a la siguiente dirección
edsmile9@hotmail.com. Si el permiso se otorga, el usuario deberá dar el
agradecimiento correspondiente y citar la fuente del mismo.
Lic.Edith Gabriela Rodríguez Rojas Nombre y Firma
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas Página III
AGRADECIMIENTOS
A mi mama Edith
Por haberme apoyado en todo momento, por sus consejos, sus valores, por la motivación constante que me ha permitido ser una persona de bien, pero más que nada, por su amor.
Gracias
A mi esposo Miguel
Por siempre estar a mi lado en las buenas y en las malas; por su comprensión, paciencia y amor.
Gracias
A mi hija Valeria
Tu afecto y tu
cariño son los
detonantes de mi
felicidad, de mi esfuerzo
y de buscar lo mejor
para ti .Aun a tu corta
edad, me has enseñado
muchas cosas de esta
vida.
Gracias.
A mis maestros que
en este andar por la vida,
influyeron con sus lecciones
y experiencias en formarme
como una persona de bien y
preparada para los retos
que pone la vida, en especial
a mis asesores al Dr. Jaime
y al Dr. Diego a ellos les
dedico cada una de estas
páginas de mi tesis.
Gracias.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas Página IV
A mi papa Jorge
Por los ejemplos de perseverancia y constancia que lo caracterizan y que me ha infundado siempre, por el valor mostrado para salir adelante y por su amor.
Gracias
A mis hermanos Jorge,
Toño y Fabián
Por su amor y enseñanza a salir adelante. Gracias por su paciencia, por preocuparse por su hermana mayor, gracias por compartir sus vidas, pero sobre todo, gracias por estar en otro momento tan importante en mi vida.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas Página V
ANÁLISIS DEL DESGASTE DE UN DUCTO ASTM A-53B
SCH 40
RESUMEN
El sistema de transporte por ductos en nuestro país, consta de más de 55
000 km de tuberías dependientes de las cuatro subsidiarias sin contar los más de 14
mil kilómetros de líneas de descarga de pozos en operación que conforman Pemex,
los fluidos transportados son: crudo, gasolinas, diesel, gas licuado, gas natural y
productos petroquímicos, principalmente. En la actualidad los ductos son uno de los
principales sistemas de transporte de hidrocarburos.
Sin embargo, en la revisión de la literatura se encontró que ocurren
fallas en el sistema de ductos y que tiene consecuencias muy negativas en términos
de vidas humanas, lesiones, económicas e impactos negativos al medio ambiente. Por
lo consiguiente es de gran importancia estudiar estos sistemas técnicos y así tener un
mejor entendimiento de los mecanismos que conllevan a las fallas de los mismos.
Este proyecto de tesis abordó el estudio de un modelado del desgaste
de un ducto ASTM A-53B SCH 40 ampliamente usado en la industria del petróleo.
Para ello se emplearon los datos obtenidos mediante un sistema de diablos
instrumentado. Como resultado de la investigación, se diseñó una interfaz gráfica que
permite, por ejemplo, al usuario u operador de interactuar de manera gráfica, sencilla y
así poder estimar el desgaste de un ducto. Los resultados del análisis muestran, por
ejemplo, que el bloque 1B, al parecer es el más crítico con una 'proyección' de vida útil
de 19 años y posiblemente requiere un reemplazo o mantenimiento.
En general, el modelo tiene el potencial de poder hacer una 'proyección'
a futuro del desgaste de cualquier ducto; sin embargo, tiene limitaciones. Esto es, el
modelo puede emplearse para hacer una proyección futura del desgaste de ductos
siempre y cuando se tengan los datos, por ejemplo, de corridas de 'diablos'. De lo
contrario el modelo no se puede usar.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas Página VI
WEAR ANALYSIS OF THE ASTM A-53B SCH 40 PIPELINE
ABSTRACT
The pipeline transportation system in our country, consists of more
than 55,000 km of pipelines dependent of four subsidiaries excluding more than
14,000 kilometers of lines discharge of operating wells that constitutes Pemex; the
transported fluid are mainly: crude, petrol, diesel, LPG, natural gas and
petrochemicals. Currently the pipelines are major hydrocarbon transportation
systems.
However, in the literature review it was found that failures occur in the
pipeline systems and has very negative consequences in terms of life loss, injury,
economic and negative impacts to the environment. It is therefore very important to
study these technical systems and thus have a better understanding of the
mechanisms leading to failures.
This thesis research project addressed the modeling of a pipeline
wear ASTM A-53B SCH 40 widely used in the petroleum industry. For this purpose
the data obtained through a system of instrumented inspection system was used. As
a result of the investigation, a graphical interface that allows, for example, the user
or operator graphical interface and simple manner; moreover, the tool my help to
estimate the wear of a pipeline. The results show, for example, that the block 1B,
apparently is the most critical; i.e., a 'projection' of useful life of 19 years was found
and possibly requiring a replacement or maintenance.
Overall, the model has the potential to make a 'projection' to wear of a
pipeline; however, has limitations. That is, the model can be used to make a future
projection of pipeline's wear as long as the data are available, for example, data from
an instrumented inspection system'. Otherwise the model cannot and should not be
used.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas Página VII
INDICE
RESUMEN ................................................................................................................................... V
ABSTRACT ................................................................................................................................ VI
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ X
OBJETIVOS ............................................................................................................................... XI
OBJETIVO GENERAL .............................................................................................................. XI
OBJETIVOS ESPECIFICOS ................................................................................................... XI
INDICE DE FIGURAS Y TABLAS.......................................................................................... XII
GLOSARIO ................................................................................................................................ XV
NOMENCLATURA ................................................................................................................ XVIII
CAPÍTULO 1 ............................................................................................................................... 1
ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN ................................................................................... 1
1.1 Importancia de la Industria Petrolera en el Contexto Internacional y Nacional . 1
1.1.1 Contexto Internacional ....................................................................................... 1
1.1.2 Contexto Nacional .............................................................................................. 3
1.1.3 Cadena de Valor de la Industria del Petróleo ................................................ 6
1.2 Accidentes en Ductos que Transportan Hidrocarburos en el Contexto
Internacional y Nacional ........................................................................................................ 8
1.2.1 Contexto Internacional ....................................................................................... 8
1.2.2 Contexto Nacional .............................................................................................. 9
1.3 Riesgo de Integridad de Ductos de Transporte de Hidrocarburos ................... 12
1.3.1 Integridad de Ductos ........................................................................................ 12
1.3.2 Inspección de Ductos ............................................................................................. 13
1.4 Justificación del Proyecto de Tesis ........................................................................ 15
1.5 Resumen del Capítulo ............................................................................................. 16
CAPÍTULO 2 ............................................................................................................................. 17
CONTEXTO ESPACIAL Y TEMPORAL, MARCO METODOLÓGICO Y TEÓRICO ..... 17
2.1 Contexto Espacial y Temporal ..................................................................................... 17
2.1.1 Contexto Espacial ................................................................................................... 17
2.1.2 Contexto Temporal ................................................................................................. 18
2.2 Marco Metodológico ...................................................................................................... 19
2.2.1 Primera Fase: Formulación del Problema .......................................................... 20
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas Página VIII
2.2.2. Segunda Fase: Formulación del Modelo ........................................................... 21
2.2.3 Tercera Fase: Obtención de una Solución y Prueba del Modelo ................... 21
2.2.4 Cuarta Fase: Establecer Controles e Implantación de la Solución ................ 22
2.3 Marco Teórico ........................................................................................................... 22
2.3.1 Teoría General de Sistemas ................................................................................. 24
2.3.2 Mecánica de Fluidos .............................................................................................. 25
2.3.3 Ductos en la Industria Petrolera .................................................................... 33
2.4 Resumen del Capítulo ............................................................................................. 43
CAPITULO 3 ............................................................................................................................. 44
DESCRIPCIÓN DEL CASO DE ESTUDIO .......................................................................... 44
3.1.1 Sistema de Ductos Submarinos y Terrestres ................................................... 44
3.1.2 Pemex Gas y Petroquímica Básica .................................................................... 46
3.1.3 Pemex Refinación ................................................................................................. 47
3.1.4 Pemex Exploración y Producción (PEP) ........................................................... 48
3.1.5 Ductos que Transportan Diesel ........................................................................... 48
3.2 Ducto ASTM A-53B SCH 40 que Transporta Diesel ........................................... 49
3.2.1 Algunas Características de los Ductos que Transportan Diesel ..................... 50
3.2.2 Mapa de Localización del Ducto ......................................................................... 51
3.3 Resumen del Capítulo ............................................................................................. 51
CAPITULO 4 ............................................................................................................................. 52
RESULTADOS DEL ANÁLISIS .............................................................................................. 52
4.1 Primera Fase: Formulación del Problema ................................................................. 52
4.1.1. Funcionamiento de Ductos ................................................................................. 52
4.1.2 Daños en Ductos .............................................................................................. 53
4.1.3 Mantenimiento de Ductos ................................................................................ 54
4.1.4 Formulación del Problema .............................................................................. 57
4.2 Segunda Fase: Construcción del Modelo ............................................................. 57
4.2.2 Presión Interna de Diseño ............................................................................... 58
4.2.3 El Factor de Capacidad Permisible (Fcp) ..................................................... 60
4.2.4 Espesor Mínimo Requerido ............................................................................ 61
4.2.5 Espesor de Tolerancia por Fabricación ........................................................ 62
4.2.6 Ecuación General de la Energía .................................................................... 63
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas Página IX
4.2.7 Ecuación de Reynolds ..................................................................................... 64
4.2.8 Ecuación del Factor de Fricción ..................................................................... 65
4.2.9 Ecuación de la Velocidad del Fluido .............................................................. 66
4.2.10 Ecuación de la Pérdida de Energía por Fricción en la Tubería. .................. 67
4.2.10 Ecuación del Sistema de Flujo ....................................................................... 68
4.3 Tercera Fase: Obtención de una Solución y Prueba del Modelo. .................... 70
4.3.2 Recolección de los Datos ................................................................................ 70
4.3.3 Análisis de los Datos ........................................................................................ 72
4.3.4 Diseño del Modelo para el Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-
53B SCH 40 para medir el Desgaste. ........................................................................... 73
4.4 Cuarta Fase: Establecer Controles e Implantación de la Solución. ................. 81
4.5 Resumen del Capitulo ................................................................................................... 83
CAPITULO 5 ............................................................................................................................. 84
DISCUSIÓN, CONCLUSIONES Y FUTUROS TRABAJOS .............................................. 84
5.1 Discusión del Modelo Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH
40 84
5.2 Conclusiones ............................................................................................................. 91
5.2.1 Conclusiones en relación a los Objeticos Planteados ...................................... 91
5.2.1 Conclusiones en Relación al Modelo .................................................................. 91
5.2.1 Conclusiones en Relación al Enfoque Empleado en el Análisis ..................... 92
5.3 Consideraciones y Limitaciones .................................................................................. 92
5.3.1 Consideraciones ..................................................................................................... 92
5.3.2 Limitaciones ............................................................................................................. 93
5.4 Futuros Trabajos ............................................................................................................ 94
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................................... 95
ANEXOS .................................................................................................................................. 101
ANEXO A: ACCIDENTES OCURRIDOS EN MÉXICO Y OTROS PAÍSES .................. 101
Fuente: Elaboración Propia .................................................................................................. 103
Fuente: Elaboración Propia .................................................................................................. 105
ANEXO B: EQUIPOS INSTRUMENTADOS ('DIABLOS')................................................ 106
ANEXO C: DATOS DE CORRIDAS DEL EQUIPO INSTRUMENTADO ('DIABLO') EN
EL DUCTO BAJO ESTUDIO DE LOS AÑOS 1994 Y 2004 ............................................ 114
ANEXO D: INFORMACIÓN TÉCNICA ADICIONAL ......................................................... 118
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas Página X
INTRODUCCIÓN
La evolución del transporte comenzó con la necesidad básica del
hombre de trasladar sus productos y hacer puentes de intercambio económico con
otras regiones por la preocupación del hombre de innovar en forma y diseño al
producto transportado. Es así como surge el sistema de transporte por ductos. Los
ductos que atiende inicialmente a la necesidad de trasladar hidrocarburos y otros
materiales potencialmente peligrosos, como una manera segura y confiable como
gases, líquidos, sólidos o multifásico.
En el año 1943 la demanda de combustibles aumentó por las
actividades económicas del país, se comenzó a construir ductos con la finalidad de
cubrir la necesidad de transporte y distribución de hidrocarburos. La industria petrolera
cuenta con una red de ductos distribuida en todo el país. El transporte por ductos de
hidrocarburos y materiales peligrosos ofrece seguridad en el traslado y manipulación
de estas sustancias por que representa una posible respuesta a preocupaciones
actuales para mejorar la eficiencia energética. Estos están diseñados ampliamente
para permitir el acceso a todos, a un costo razonable y de conformidad con el medio
ambiente.
Sin embargo, en la revisión de la literatura se encontró que ocurren
fallas en el sistema de ductos y que tienen consecuencias muy negativas en términos
de vidas humanas, lesiones, económicas e impactos negativos al medio ambiente. Por
lo consiguiente es de gran importancia estudiar estos sistemas técnicos y así tener un
mejor entendimiento de los mecanismos que conllevan a las fallas de los mismos.
Este proyecto de tesis se enfoca al estudio de un modelado del
desgaste de un ducto ASTM A-53B SCH 40 ampliamente usado en la industria del
petróleo. Para ello se emplearon los datos obtenidos mediante un sistema de diablos
instrumentado. El presente reporte presenta el desarrollo del proyecto de tesis.
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Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas Página XI
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Llevar a cabo un modelado del desgaste de un ducto ASTM A-53B SCH
40 usado en la industria del petróleo para tener una mejor comprensión de los
mecanismos que conllevan a las fallas de los mismos.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Llevar a cabo una revisión de la literatura concerniente a los accidentes
de ductos en ambos contextos internacional y nacional.
Llevar a cabo una revisión de la literatura en relación a la normatividad
existente acerca de los ductos usados en la industria petrolera.
Recopilar ý analizar los datos obtenidos de la corrida del sistema de
diablos instrumentado.
Obtener una mejor comprensión del desgaste del tipo de ducto
seleccionado para así proponer posibles soluciones en cuanto al mantenimiento de los
mismos.
Documentar los resultados del proyecto de tesis.
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Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas Página XII
INDICE DE FIGURAS Y TABLAS
FIGURAS
Figura 1. 1 Países con mayor producción de petróleo en 2012 ............................... 2
Figura 1. 2 Principales países consumidores de petróleo en 2012 ......................... 3
Figura 1. 3 Producción En Las Regiones Noreste Y Suroeste En 2012 ................. 4
Figura 1. 4 Producción En Las Regiones Norte Y Sur En 2012 ............................... 5
Figura 1. 5 Cadena De Valor De La Industria Del Petróleo Y Sus Derivados. ......... 6
Figura 1. 6 Algunas Consecuencias De Accidentes En Ductos. ............................. 8
Figura 1. 7 Transporte Y Distribución De Crudo Y Derivados En Centros De
Refinación Y De Almacenamiento. .......................................................................... 10
Figura 1. 8 Algunas Estadísticas de Accidentes Ocurridos en las Diferentes
Etapas de la Cadena de Valor de la Industria Petrolera ......................................... 11
Figura 1. 9 Oleoducto de 30 Pulgadas Nuevo Teapa–Venta de Carpio ................ 12
Figura 1. 10 Equipo Instrumentado para la Inspección de Ductos....................... 14
Figura 2. 1 Focalización del Contexto Espacial ……………………………………..18
Figura 2. 2 Representación de cada Etapa de la Metodología de Churchman y
Ackoff ........................................................................................................................ 19
Figura 2. 3 Representación Gráfica de un Problema y de un Modelo ................... 20
Figura 2. 4 Representación Gráfica de la Solución y Prueba del Modelo y
Controles de la Solución .......................................................................................... 21
Figura 2. 5 Marco Teórico......................................................................................... 23
Figura 2. 6 La Presión Actúa de Forma Uniforme en Todas Direcciones ............. 26
Figura 2. 7 Gradiente de Velocidad en un Fluido en Movimiento .......................... 28
Figura 2. 8 Parte de un Sistema de Distribución de Fluido y Elementos de Fluido
Utilizados en la Ecuación de Bernoulli .................................................................... 29
Figura 2. 9 Sistema de Flujo de Fluido que Ilustra la Ecuación General de Energía
................................................................................................................................... 32
Figura 2. 10 Ejemplo de un Ducto. ........................................................................... 34
Figura 2. 11 Ejemplo De Un Equipo Instrumentado Tipo Magnético. ................... 36
Figura 2. 12 Técnica del Flujo Magnético en la Detección de Anomalías en
Ductos. ...................................................................................................................... 36
Figura 2. 13 Equipo del Tipo Ultrasonido ................................................................ 37
Figura 2. 14 Técnica de Eco Ultrasónico. ................................................................ 38
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas Página XIII
Figura 2. 15 Metodología para la Evaluación Directa de Integridad de Ductos. .. 40
Figura 3. 1 Sistema de Transporte por Ductos ……………………………………..44
Figura 3. 2 Ductos Marinos y su Localización ........................................................ 45
Figura 3. 3 Instalaciones Petroleras ....................................................................... 46
Figura 3. 4 Ductos de Transporte en PGPB ............................................................ 47
Figura 3. 5 Ductos de transporte en PR .................................................................. 47
Figura 3. 6 Ductos de transporte en PEP ................................................................ 48
Figura 3. 7 Ductos de Transporte de Diferentes Productos Derivados del Petróleo
................................................................................................................................... 49
Figura 3. 8 Localización del Ducto .......................................................................... 51
Figura 4. 1 Ductos de transporte y líneas de recolección …………………….53
Figura 4. 2 Elementos de un Ducto ......................................................................... 55
Figura 4. 3 Velocidad del Fluido .............................................................................. 66
Figura 4. 4 División de los Datos en Segmentos del año 1994 y 2004 .................. 72
Figura 4. 5 Elementos para la Construcción del Modelo ....................................... 74
Figura 4. 6 Parámetros en el Análisis Del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B
SCH 40 ....................................................................................................................... 75
Figura 4. 7 Variables de Flujo en el Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-
53B SCH 40 ............................................................................................................... 77
Figura 4. 8 Variables de Stock en el Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-
53B SCH 40 ............................................................................................................... 78
Figura 4. 9 Sistema Dinámico del Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-
53B SCH 40 ............................................................................................................... 79
Figura 4. 10 Porcentaje de Operación al 26% del Análisis del Desgaste de un
Ducto ASTM A-53B SCH 40 ...................................................................................... 80
Figura 4. 11 Elementos para Establecer los Controles en el Software AnyLogic
R6 Professional ......................................................................................................... 82
Figura 4. 12 Interfaz Gráfica de Usuario del Modelo de Análisis del Desgaste de
un Ducto ASTM A-53B SCH 40................................................................................. 83
Figura 5. 1 Resultados de la Ingeniería del Ducto con el Software AnyLogic R6
Professional ………………………………………………………………………….……86
Figura 5. 2 Contraste del Desgaste de la Corrida del Ducto en el año 1994 en el
Software. ................................................................................................................... 87
Figura 5. 3 Contraste del Desgaste de la Corrida del Ducto en el año 1994 en el
Software. ................................................................................................................... 88
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas Página XIV
Figura 5. 4 Porcentaje de Operación al 26% del Análisis del Desgaste de un
Ducto ASTM A-53B SCH 40 ...................................................................................... 89
Figura 5. 5 Diferentes Porcentaje de Operación del Ducto .................................... 89
TABLAS
Tabla 4. 1 Daños en Ductos ..................................................................................... 54
Tabla 4. 2 Características del Ducto ........................................................................ 58
Tabla 4. 3 Factor de diseño por temperatura (fTEMP) ............................................... 60
Tabla 4. 4 Factor de junta longitudinal (fJL) ............................................................. 60
Tabla 4. 5 Porcentaje de Tolerancia por Fabricación en el Espesor de Pared. .... 62
Tabla 4. 6 Pérdida de Espesor del año 1994 y 2004 ............................................... 71
Tabla 5. 1 Conclusiones De Los Objetivos ............................................................. 91
Tabla 5. 2 Limitaciones De La Investigación .......................................................... 93
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas Página XV
GLOSARIO
Abolladura: Depresión en la superficie de la tubería.
ASTM American Society for Testing and Materials (Sociedad Americana de Pruebas y
Materiales).
Bases de Diseño: Es toda la información requerida para el desarrollo adecuado del
proyecto.
Carbono (Carbón): Un elemento sólido que existe de muchas formas incluyendo
diamantes, grafito, coque y carbón vegetal. Las combinaciones de carbono con
hidrógeno son conocidas como hidrocarburos y pueden consistir de moléculas muy
grandes (tales como polipropilenos) o muy cortas (como metano).
Corrosión: Degradación o deterioro de un material por efecto del electrolito o medio
en que se encuentra, los metálicos como el acero sufren una reacción electroquímica
debido a la interacción con el medio..
Defecto: Discontinuidad de magnitud suficiente para ser rechazada por las normas o
especificaciones.
Diablo: Dispositivo con libertad de movimiento que es insertado en el ducto para
realizar funciones de limpieza y/o inspección del mismo.
Diablo de limpieza: Herramienta para limpieza interior del ducto.
Diablo geómetra: Equipo que se utiliza para verificar la existencia de abolladuras,
dobleces, cambios de espesor y geometría interna del ducto.
Diablo instrumentado: Equipo de inspección utilizado para registrar daños, defectos
y espesores en la pared del ducto.
Ducto: Sistema de tubería con diferentes componentes tales como: válvulas, bridas,
accesorios, espárragos, dispositivos de seguridad o alivio, entre otros, por medio del
cual se transportan los hidrocarburos (Líquidos o Gases).
Ducto enterrado: Es aquel ducto terrestre que está alojado bajo la superficie del
suelo.
Ducto de recolección: Es el ducto que colecta aceite y/o gas y agua de los pozos
productores para su envío a una batería o estación de separación.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas Página XVI
Ducto de transporte: Es la tubería que conduce hidrocarburos en una fase o
multifases, entre estaciones y/o plantas para su proceso, traslado en el que no se
presenta ningún proceso físico o químico de los fluidos. Se consideran ductos de
transporte los que se encuentran dentro de estaciones de: bombeo, compresión y
almacenamiento.
Ducto no restringido: Ducto o tramo de tubería que no tiene restricción axial y por
tanto permite las deformaciones axiales.
Ducto restringido: Ducto o tramo de tubería que debido a sus condiciones en los
extremos tiene restricción o limitación para permitir deformaciones axiales.
Ducto sumergido: Es aquel ducto terrestre que debido a su trayectoria puede
encontrarse sobre el lecho de un cuerpo de agua (pantano, río, laguna, lago, etc. entre
otros) o enterrado en él.
Espesor nominal de pared: Es el espesor de pared de la tubería que es especificada
por las normas de fabricación.
Grieta: Discontinuidad del material interior o exterior que no ha llegado a traspasar el
espesor de pared de la tubería.
Mantenimiento correctivo: Acción u operación que consiste en reparar los daños o
fallas en los ductos para evitar riesgos en su integridad o para restablecer la operación
del mismo.
Mantenimiento preventivo: Actividades llevadas a cabo a intervalos predeterminados
o de acuerdo a criterios prescritos o como una recomendación emanada del resultado
de una actividad predictiva, para reducir la probabilidad de falla o la degradación del
funcionamiento por debajo de los límites aceptables de operación, seguridad y diseño
de un ducto, componente o accesorio.
Petróleo: Nombre genérico para hidrocarburos, incluyendo petróleo crudo, gas natural
y líquidos del gas natural. El nombre se deriva del Latín, oleum, presente en forma
natural en rocas, petra.
Picadura: Corrosión localizada confinada a un punto o un área pequeña, la cual tiene
forma de cavidad y que en corto plazo puede traspasar el espesor del material
afectado.
Presión interna de diseño (Pi): Es la presión interna a la que se diseña el ducto y es
igual a 1,1 veces la presión de operación máxima.
Presión Interna: Es la presión generada en las paredes internas de la tubería por
efecto del fluido transportado.
Ranura: Abertura delgada y poco profunda producida por algún objeto filoso.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas Página XVII
Reparación definitiva: Es el reemplazo de la sección del ducto que está fuera de
norma.
Sistema: Un conjunto de objetos y relaciones entre esos objetos y sus propiedades.
Sinergia: Incremento de potencia causado por la combinación de dos o más factores,
cuya resultante es mayor a la esperada de la suma de tales potencias. Es decir, la
resultante de la suma de cada uno de los esfuerzos es más que cada uno de ellos en
particular.
Soporte: Elemento que soporta tanto cargas estáticas como dinámicas provenientes
de la tubería y equipos a los cuales se encuentra asociado.
Temperatura de diseño: Es la temperatura esperada en el ducto, bajo condiciones de
operación máxima extraordinaria y que puede ser igual o mayor a la temperatura de
operación.
Temperatura de operación: Es la temperatura máxima del ducto en condiciones
normales de operación.
Trampa de diablos: Dispositivo utilizado para fines de envío o recibo de diablos de
inspección o limpieza interna del ducto.
Tubería: Componente tubular que se utiliza para construir un sistema de ductos, tal
componente puede ser fabricado de diferentes materiales.
Viscosidad: Pegajoso, esto es: la resistencia de un líquido al movimiento o flujo;
normalmente se abate al elevar la temperatura.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A‐53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas Página XVIII
NOMENCLATURA
A Área de la sección transversal de acero de la tubería, en mm2 (pulg2).
API American Petroleum Institute
D Diámetro exterior nominal de la tubería, en mm (pulg).
f Factor de fricción, adimensional
fCP Factor de capacidad permisible por presión interna de diseño.
fTEMP Factor de diseño por temperatura.
fDIS Factor de diseño por presión interna.
g Gravedad 9.81
m metros.
mm milímetros.
Presión en la sección 1, en
Presión en la sección 2, en
Pi Presión interna de diseño, en kPa (lb/pulg2).
PEMEX Petróleos Mexicanos.
Q Caudal, en
SMYS Specified Minimum Yield Strength (Esfuerzo de Cedencia Mínimo
Especificado), en kPa (lb/pulg2).
t Espesor de pared de diseño por presión interna, en mm (pulgadas)
tc Espesor de pared adicional por corrosión, en mm (pulgadas).
tr Espesor mínimo requerido por presión interna, en mm (pulgadas).
° Grados.
∈ Rugosidad, en mm.
Viscosidad del Diesel, en 0.003
Densidad del Diesel, en 860
Factores de corrección de energía cinética en tuberías circulares en la
sección 1, con flujo turbulento, adimensional.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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Factores de corrección de energía cinética en tuberías circulares en la
sección 2, con flujo turbulento, adimensional.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 1
CAPÍTULO 1
ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN
El Capítulo presenta la problemática existente en cuanto a los riesgos
asociados con la integridad de ductos de transporte de hidrocarburos. La importancia
de la industria del petróleo en el contexto internacional y nacional se presenta en la
sección1.1. La sección 1.2, por otro lado, presenta algunas estadísticas de accidentes
que han ocurrido en nuestro país así como en otros países. Algunos aspectos de la
integridad de ductos se discuten en la sección 1.3. En la sección 1.4 se presenta la
justificación del proyecto de tesis. Finalmente, el resumen del Capítulo se presenta en
la sección 1.5.
1.1 Importancia de la Industria Petrolera en el Contexto
Internacional y Nacional
1.1.1 Contexto Internacional
En 2012, las reservas probadas mundiales de petróleo se ubicaron en
1,669 miles de millones de barriles de petróleo (mmbp), presentando un crecimiento
de 0.9% respecto a 2011. De dicho volumen, 72.6% correspondió a los países de la
Organización de Países Exportadores de Petróleo (OPEP) y 19.8% a los países no
miembros de esta organización. Por otro lado, la región de Medio Oriente concentró
48.4% de las reservas mundiales. Respecto a las reservas probadas por país,
Venezuela se ubicó en el primer lugar, con 17.8% del total. Arabia Saudita concentró
15.9% de las reservas mundiales en 2012. México se ubicó en el décimo octavo lugar,
con 0.7% del total mundial. (SENER, 2013)
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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En 2012, la producción mundial de petróleo crudo fue de 86,152 miles
de barriles diarios (mbd), 2.3% mayor respecto a 2011. Las regiones de mayor
producción fueron Medio Oriente con 32.5% de dicho total, 20.3% de Europa y Eurasia
y 17.5% de Norteamérica. La Figura 1.1 muestra los 15 países con la mayor
producción de petróleo; se observa que los tres primeros lugares los ocupan Arabia
Saudita, la Federación Rusa, y los Estados Unidos con el 13.4%, 12.4% y 10.3%,
respectivamente. México ocupa el décimo lugar con el 3.4%. (SENER, 2013)
Al cierre de 2012, el comercio internacional de petróleo crudo ascendió
a 55,204 mbd, 1.4% mayor respecto a 2011. El Medio Oriente ha sido la región que ha
liderado este rubro y para el año 2012 mantuvo esta posición con el 35.7% de las
exportaciones mundiales. El volumen importado a nivel mundial alcanzó 55,314 mbd al
cierre de 2012, 1.3% de incremento en comparación con el 2011.Los principales
países exportadores de crudo fueron Arabia Saudita, Rusia e Iraq. Los principales
destinos de dichas exportaciones fueron Estados Unidos, China, India y Japón.
Respecto México, el 43% de la producción de petróleo en México se dirige al mercado
de exportación. (SENER, 2013)
Figura 1. 1 Países con Mayor Producción de Petróleo en 2012 Fuente: (SENER, 2013)
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El consumo de petróleo crudo promedió 89,774 mbd en 2012, 1.0%
mayor a 2011. Las regiones con mayor demanda fueron Asia Pacífico y Norteamérica,
con participaciones de 33.2% y 25.7%, respectivamente. La Figura 1.2 muestra los
principales países consumidores de petróleo. De la figura se observa que Estados
Unidos consumió 20.7% del total mundial, seguido de China (11.4%) y Japón (5.3%).
México registró un consumo equivalente a 2.3%. (SENER, 2013)
Figura 1. 2 Principales Países Consumidores de Petróleo en 2012 Fuente: (SENER, 2013)
1.1.2 Contexto Nacional
En general, el país está dividido en cuatro regiones productoras de
petróleo: a) región marina Noreste; b) región marina Suroeste; c) región Norte; y d)
región Sur. A continuación se describen muy brevemente cada una de ellas.
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Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 4
a. Región Marina Noreste. b. Región Marina Suroeste.
Figura 1. 3 Producción En Las Regiones Noreste Y Suroeste En 2012 Fuente: (SENER, 2013)
En la Figura 1.3 la región Marina Noreste se caracteriza por la
producción de petróleo pesado en los Activos Cantarell y Ku-Maloob-Zaap. Esta región
es la única que presentó una disminución considerable entre los años 2002 y 2012 (-
5.0% promedio anual), provocado principalmente por la declinación en la producción
del Activo de Cantarell, misma que fue parcialmente compensada con las aportaciones
del Activo Ku-Maloob-Zaap. A partir de 2004, año en que se logró la mayor producción
de petróleo en México, se ha presentado una continua declinación de la misma a una
tasa media de crecimiento anual de -5.0% durante la última década. En 2012 la
aportación de Cantarell fue de 34.7% mientras Ku-Maloob-Zaap de 65.3%. (SENER,
2013)
La región Marina Suroeste está conformada por los Activos de
Producción Abkatún-Pool-Chuc y el Litoral de Tabasco. Su producción al cierre de
2012 se ubicó en 585.5 mbd, presentando así una variación de 4.4% con respecto al
año anterior. En lo que se refiere a su aportación nacional, contribuyó con 23.0% de la
producción total. El activo con mayor contribución es el Litoral de Tabasco, siendo de
54.5% y el restante por medio de Abkatún-Pool-Chuc con 45.5% del total regional.
Este último activo presentó un descenso de su producción en comparación al año
2011. En el Activo Litoral de Tabasco es el que ha mantenido la mayor producción en
la región, ya que ha presentado un crecimiento de su producción durante la última
década; a una tasa de 19.5% en el periodo 2002 a 2012, o equivalente a 273.8 mbd
mayor con respecto a niveles de 2002. (SENER, 2013)
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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c. Región Norte. d. Región Sur.
Figura 1. 4 Producción En Las Regiones Norte Y Sur En 2012 Fuente: (SENER, 2013)
En la Figura 1.4 la región Norte se ha caracterizado por ser la de menor
contribución nacional en la producción de petróleo (5.7% del total nacional), ya que
cuenta en su mayoría con campos maduros, por lo que requiere de importantes
inversiones para los proyectos de recuperación mejorada. La región está conformada
principalmente por los Activos Poza Rica-Altamira, Aceite Terciario del Golfo (ATG),
Veracruz y Burgos. Al cierre de 2012 esta región produjo 145.1 mbd, lo que representó
un incremento sustancial de 24.8% con respecto al año 2011. (SENER, 2013)
La región Sur está constituida por los Activos Cinco Presidentes,
Bellota-Jujo, Macuspana-Muspac y Samaria-Luna. Al cierre de 2012 alcanzó una
producción de 508.2 mbd, presentando así una variación negativa de 4.2% con
respecto a 2011. En esta zona, destacaron las producciones de Samaria-Luna y
Bellota-Jujo con una contribución de 40.4% y 25.6% del total regional,
respectivamente. Por lo que se refiere a su aportación nacional, contribuyó con 19.9%
de la producción total. El activo Cinco Presidentes es el único que ha presentado un
aumento gradual de producción de petróleo en la última década, mostrando una tasa
media de crecimiento anual de 10.3%, pasando de 34.3 mbd en 2002 a 96.0 mbd
(máximo histórico) en 2012. (SENER, 2013)
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1.1.3 Cadena de Valor de la Industria del Petróleo
La Figura 1.5 muestra la cadena de valor de la industria del petróleo y
sus derivados. En general, la estructura de la industria petrolera está conformada por
diferentes actividades, comenzando con aquellas relacionadas con la exploración.
Esta fase comprende la realización de estudios geológicos, estudios
gravimétricos, aplicación de sísmica de reflexión, perforación de pozos de exploración,
entre otras, que permiten delimitar, evaluar la factibilidad y rentabilidad de los
proyectos de explotación de hidrocarburos. (SENER, 2013)
Figura 1. 5 Cadena De Valor De La Industria Del Petróleo Y Sus Derivados.
Fuente: (SENER, 2013)
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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De forma muy resumida, una vez que un yacimiento se encuentra en
etapa de producción, el petróleo que se obtiene es pre-tratado en el sitio de extracción,
para remover la sal y derivados de azufre, en caso de ser necesario, y es transportado
hacia las refinerías para su procesamiento, o a los puertos de embarque para su
exportación. Para esta actividad es necesario contar con medios de transporte vía
terrestre, marítima y por oleoductos. Hasta este punto, corresponde a PEMEX
Exploración y Producción (PEP) la realización de estas actividades. La regulación,
supervisión y evaluación de las actividades de exploración y explotación de
hidrocarburos están a cargo de la Comisión Nacional de Hidrocarburos (CNH).
(SENER, 2013)
Una vez que el petróleo se encuentra en las refinerías, en donde PR
tiene el derecho de propiedad, inicia su proceso para la obtención de petrolíferos y
petroquímicos. Cabe señalar que esta etapa es intensiva en capital por los costos de
infraestructura, ya sean derivadas de las reconfiguraciones o de nueva capacidad de
refinación, los costos de producción, los insumos y aditivos. (SENER, 2013)
Los productos obtenidos son transportados mediante poliductos, auto
tanques, buque tanques y carro tanques (en el caso de los líquidos, que son la
mayoría) a las terminales de almacenamiento y reparto (TAR); es aquí en donde se
realizan las ventas (comercialización) de primera mano y se ceden los derechos de
propiedad una vez realizada la venta, posteriormente se distribuyen los productos
terminados por ruedas a las estaciones de servicio (franquicias) para su consumo final.
(SENER, 2013)
En la Figura 1.5 todas las actividades que se encuentran entre el
proceso de crudo y las ventas de primera mano, son actividades exclusivas de PEMEX
Refinación (PR). La distribución y comercialización de petrolíferos se lleva a cabo en
conjunto con el sector privado. Es mediante la Subdirección Comercial de PR, la cual
tiene la función de administrar y controlar la comercialización de la producción del
Sistema Nacional de Refinación (SNR), que se otorgan los contratos a inversionistas
para la instalación de franquicias. (SENER, 2013)
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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1.2 Accidentes en Ductos que Transportan Hidrocarburos en el Contexto Internacional y
Nacional
En esta sección se presentan algunas estadísticas de accidentes en
ductos que han ocurrido en el contexto internacional y nacional. La idea es la de
ilustrar que estos eventos ocurren y en muchas ocasiones con consecuencias muy
graves.
1.2.1 Contexto Internacional
En el proceso de la revisión de la literatura se han encontrado una gran
cantidad de reportes, así como resultados de investigación, asociados con diferentes
aspectos de la falla ductos. Por ejemplo: Bartenev, et al., (1996); Hou, et al., (2014);
Papadakis, et al., (1999); Moloudi, et al., (2014); Papadakis, (1999); Hopkins, (2014); Zhao,
et al., (2013); Duncan & Wang, (2014); Zheng, et al., (2012); Otegui, et al., (2001); Sastri,
(2014); entre otros.
Figura 1. 6 Algunas Consecuencias De Accidentes En Ductos. Fuente: (Bolt, 2006)
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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En la Figura 1.6 se muestran los resultados y las consecuencias en una
región de EU. Donde reporta los accidentes relacionados con ductos de transporte de
hidrocarburos. En general, se observa en primer lugar que las consecuencias son de
las siguientes categorías: muertes, lesionados, intoxicación, y evacuados. Por ejemplo,
los años más críticos en términos de pérdidas de vidas humanas han sido los años
1999 y 2005 con 132 y 107, respectivamente. (Bolt, 2006)
Es evidente que cuando ocurre una explosión y se presentan fugas de
las sustancias químicas en los ductos, la población en la cercanía de dichas
instalaciones sufren intoxicaciones y algunos casos lesiones; por ejemplo, en la figura
se muestra, en general, que hay una tendencia a la baja en los años considerados en
el análisis; sin embargo, en los años 1995, 1996, 1999 y 2000, se registraron entre 800
y 1400 personas intoxicadas. Finalmente, cuando ocurren accidentes en ductos que se
encuentran instalados en áreas habitadas como se describe en la siguiente sección,
normalmente provocan evacuaciones masivas de la población. Por ejemplo, los
resultados mostrados en la Figura 1.6, muestran que en los años 2004 y 2005 se
evacuaron cerca 23,000 y 24,000 personas, respectivamente.
El Anexo A presenta más ejemplos de accidentes en ductos que han
ocurrido en otros países.
1.2.2 Contexto Nacional
Como se mencionó en la sección 1.1.3, PEP cuenta con una red de
oleoductos y oleo-gasoductos para transportar el petróleo desde el yacimiento hasta
los centros de almacenamiento para su distribución a terminales de exportación,
plantas de refinación y comercialización final. (SENER, 2013)
En la Figura 1.7 muestra que cuenta con poliductos, buque tanques,
carro tanques y tren para transportar el petróleo y sus derivados desde los centros de
producción hacia las terminales de exportación, almacenamiento y distribución. Al
cierre de 2012, PEP totalizó con 4,992 kilómetros de oleoductos y una capacidad
nominal de almacenamiento de 24,237 miles de barriles (mb) de petróleo en distintas
terminales (Dos Bocas, Pajaritos, los buque tanques cautivos Yùum K’ak’ Náab y
Ta’Kun Tah), así como Domo Salino de Tuzandépetl , tanques y baterías en campos
en los distintos activos. (SENER, 2013)
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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Figura 1. 7 Transporte y Distribución de Crudo y Derivados en Centros de Refinación y de Almacenamiento.
Fuente: (SENER, 2013)
Durante 2012, el sistema de ductos de PEMEX reflejó un incremento en
el volumen total transportado de 846.6 mmton/km respecto a 2011, esto como
resultado del mayor movimiento de petróleo de 755 mmton/km y de petrolíferos el cual
fue de 90.7 mmton/km. Es así, como en el 2012 se transportaron un total de 74,238.5
mmton/km de petróleo y productos petrolíferos, de los cuales 58.6% se distribuyeron
por ducto, 31.6% por vía marítima. 6.4% por auto tanque y el restante 3.4% por carro
tanque. Comparado con el año anterior, se registró un incremento del 0.8% en el
volumen del total transportado, explicado principalmente por el incremento de 1.0% en
el transporte de petróleo y de 0.2% en el transporte de petrolíferos. (SENER, 2013)
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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Figura 1. 8 Algunas Estadísticas de Accidentes Ocurridos en las Diferentes Etapas de la Cadena de Valor de la Industria Petrolera
Fuente: ( Pavia Pineda, 2012)
En la Figura 1.8 se muestra algunos ejemplos de accidentes 'mayores'
que han ocurrido en la cadena de valor en la sección 1.1.3 de Pemex. De la figura se
observa que 150 accidentes mayores han ocurrido en la etapa de "Transporte"
(principalmente en ductos) de hidrocarburos, con un total de 85, de los cuales 28
corresponden a la categoría de accidentes 'mayores'. La etapa de la cadena de valor
de la industria correspondiente a "Refinería" se encontró que ocurrieron un total de 9
accidentes mayores de un total de 22 ocurridos en esta etapa. Posteriormente, le
siguen las etapas correspondientes a "Complejo petroquímico" y "Exploración y
producción", de la cadena de valor, con 4 y 3, accidentes 'mayores', respectivamente.
Finalmente, cabe destacar, que en la etapa de "Petroquímica básica" solamente
ocurrieron 2 accidentes de los cuales uno correspondió a la categoría de “accidente
mayor”. ( Pavia Pineda, 2012)
La Figura 1.9 es un ejemplo de accidentes mayores. Es el caso de la
fuga de crudo del oleoducto de 30 pulgada. Nuevo Teapa-Venta de Carpio, en San
Martín Texmelucan, en diciembre 2010 .De acuerdo con las cifras oficiales (cabe
destacar que las cifras oficiales casi nunca son confiables), hubo un total de 30
muertos y cerca de 60 personas lesionadas; Pemex estimó el costo por daños de
aproximadamente 300 millones de pesos. Además, el accidente ocasionó daños
considerables al medio ambiente. (PEMEX, 2011) (Gonzales, 2010)
Exploración yextracción
Transporte Refinería Petroquímicabasica
Complejopetroquímico
27
85
22
1
15 3
28
9
1 4
Total de accidentesencontrados
Accidentes mayores
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Figura 1. 9 Oleoducto de 30 Pulgadas Nuevo Teapa–Venta de Carpio Fuente: (PEMEX, 2011)
El Anexo A presenta más ejemplos de accidentes en ductos que han
ocurrido en nuestro país.
1.3 Riesgo de Integridad de Ductos de Transporte de
Hidrocarburos
1.3.1 Integridad de Ductos
En la sección 1.1.3 se mencionó la importancia del transporte de
hidrocarburos mediante ductos. Por otro lado, de acuerdo con la misión y funciones
generales de la subdirección de distribución de Pemex Refinación es:
"Transportar y distribuir de manera eficiente y segura petróleo crudo y productos
petrolíferos requeridos para satisfacer las necesidades del mercado..." (PEMEX
Refinación, 2013)
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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De manera similar, dentro de las funciones generales del Subdirección,
se menciona lo siguiente:
"Efectuar el transporte de crudo y petrolíferos a través de la operación y
mantenimiento de oleoductos, combustoleoductos y poliductos; buques tanque..."
(PEMEX Refinación, 2013)
De lo anterior se puede destacar la relevancia de la operación y
mantenimiento para el buen funcionamiento de los ductos, así como la atención a
emergencias y prevención de daños como en el ejemplo la sección 1.2. En particular,
la revisión de la integridad de los ductos tanto para identificar las causas potenciales
que amenazan su integridad, así como para proveer bases técnicas para lograr una
operación segura de vida útil de los mismos.
En la literatura se reportan investigaciones que se han hecho, por
ejemplo, el efecto de la corrosión al desgaste de los ductos (Hopkins, 2014; Zhao, et al.,
2013; Duncan & Wang, 2014; Wang & Duncan, 2014; Zheng, et al., 2012; Otegui, et al.,
2001; Sastri, 2014; Jiang & Chen, 2012; Netto, et al., 2007; entre otros.), así como
simulación (Martynov, et al., 2014; Wilkening & Baraldi, 2007; Molag & Dam, 2011;
Mahgerefteh, et al., 2006) y aspectos de gestión y mantenimiento de los mismos (M.M.J.
Knoope, et al., 2014; Singh, 2014; Yongshu, et al., 2013; Mohsin, et al., 2014; Ma, et al.,
2013; Huang & Li, 2012; Papadakis, 2000; Race, 2010; DeWolf, 2003). Lo anterior con la
finalidad de prevenir la recurrencia de los accidentes.
1.3.2 Inspección de Ductos
Las secciones anteriores han mostrado de alguna manera que los
ductos de transporte de hidrocarburos son de alto riesgo si no se mantiene su
integridad, por ejemplo, mediante un adecuado programa de mantenimiento. Este
puede ser preventivo o correctivo, pero ambos tienden a preservar la integridad de los
ductos y por lo tanto la seguridad de las instalaciones y de la población como el
ejemplo de la sección 1.2.2.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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Figura 1. 10 Equipo Instrumentado para la Inspección de Ductos
Fuente: (GLND, 2013)
El mantenimiento correctivo ocurre cuando un elemento ya se venció o
se deterioró y por lo tanto hay que cambiarlo o reforzarlo y el preventivo es una
revisión periódica para conocer el estado que guarda la estructura y hacer los cambios
convenientes. Ambos requieren previamente de procedimientos de inspección.
Mediante la inspección se busca conocer el estado actual estructural, es decir la
integridad del ducto.
En la Figura 1.10 se muestra la inspección puede realizarse de muchas
maneras: desde una simple inspección visual con registros sistematizados, o mediante
equipo de muy alta tecnología, tal como es el caso de lo se conoce como 'diablos
instrumentados'.
De acuerdo con el procedimiento de (PEMEX Gas y Petroquímica Básica,
2007), un diablo o equipo instrumentado,
"Es un dispositivo mecánico electrónico que recolecta y almacena datos en todo el
perímetro interno/externo y trayectoria total del ducto, realiza inspección no destructiva
en la pared del ducto para diagnosticar su estado físico, mediante la detección de
anomalías."
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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En el Capítulo 2 se presentan más detalles sobre sistemas de
inspección de ductos de transporte de hidrocarburos.
1.4 Justificación del Proyecto de Tesis
La sección 1.1 ha mostrado que con el incremento en la demanda de
hidrocarburos, la sociedad se enfrenta a cuantiosos niveles de importaciones,
saturación de los sistemas de transporte por ductos y transporte marítimo, así como de
la capacidad de almacenamiento y distribución en las zonas de mayor demanda. Para
cumplir con el suministro de productos, ha sido necesario utilizar medios de transporte
de mayor costo por ejemplo, el 5.7% de los combustibles son transportados por auto-
tanques en comparación con el 3.4% en el 2000, con el consecuente deterioro de los
resultados financieros. Existe la tendencia de que siga creciendo la inversión en este
tipo de transporte, de no incrementarse la infraestructura en medios más baratos,
como son los ductos. (SENER, 2013)
En el proceso de la revisión de la literatura también se encontró que
ocurren fallas en el sistema de ductos y que tiene consecuencias muy negativas en
términos de vidas humanas/lesiones/económicas/impactos negativos al medio
ambiente como en la sección 1.2. Una gran cantidad de reportes de investigación han
sido reportados en la literatura; todas ellas con diferentes enfoques y con el propósito
de tener un mejor entendimiento de estos infraestructuras y así poder prevenir
accidentes. (Batzias, et al., 2011; Wang, et al., 2014; Papadakis, 1999; Chapetti, et al.,
2001; Xu & Cheng, 2014; Mohammed, et al., 2014; Hai, et al., 2011; Hu, et al., 2014; Liang,
et al., 2013; Huang, et al., 2012; Race, 2010; De Wolf, 2003)
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 16
Es de gran importancia estudiar estos sistemas técnicos para tener un
mejor entendimiento de los mecanismos que conllevan a las fallas de los mismos. Así
poder establecer mecanismos de prevención para evitar su ocurrencia. Este proyecto
de tesis se enfoca al estudio de un modelado del comportamiento de del sistema en
base a datos que se han obtenido mediante un sistema de diablos instrumentado
como en la sección 1.3.2; así como también el efecto que se tiene en un ducto de
diferentes variables, tales como el desgaste, tipo de fluido, etc. Los detalles se
presentan en los siguientes Capítulos de esta tesis.
1.5 Resumen del Capítulo
En el mundo actual, el petróleo es un recurso natural no renovable de
amplio uso industrial. Por tanto su importancia económica no resulta solo de su
utilización para generar energía. Existen grandes adelantos científicos y tecnológicos,
el tema de energía y en especial el del petróleo es de gran importancia para el
desarrollo. La industria del petróleo es la fuente de energía más importante en la
sociedad moderna.
En el país la extracción de petróleo debe realizarse buscando cubrir las
necesidades de la economía nacional, considerando escenarios de crecimiento
sostenido. Los hidrocarburos pertenecen a la nación, por ello y por la necesidad de
garantizar el suministro a largo plazo.
La conclusión más relevante del Capítulo es que existe la necesidad de
estudiar el sistema de ductos desde diferentes enfoques para así poder tener un
mejor entendimiento de los posibles mecanismos de falla de los mismos.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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CAPÍTULO 2
CONTEXTO ESPACIAL Y TEMPORAL, MARCO METODOLÓGICO Y TEÓRICO
En el Capítulo 1 se presentó la problemática asociada con accidentes
en ductos así como el contexto de la industria petrolera en el contexto nacional e
internacional. El objetivo de este Capítulo es el de presentar algunos conceptos
teóricos y metodológicos relevantes al proyecto de tesis. El Capítulo está organizado
como sigue: la sección 2.1 presenta un contexto 'espacial' y 'temporal' del caso de
estudio. El marco metodológico se describe en la sección 2.2. Algunas
consideraciones teóricas sobre la integridad de ductos en la industria del petróleo se
discuten en la sección 2.3. Finalmente, las conclusiones más relevantes del Capítulo
se presentan en la sección 2.4.
2.1 Contexto Espacial y Temporal
2.1.1 Contexto Espacial
Para llevar a cabo el análisis de este trabajo de tesis, la ubicación del
sistema donde se transportan los hidrocarburos se observará de lo general a lo
particular para identificar el marco contextual. Para desarrollarlo se requiere localizar
geográficamente donde se ubica el sistema. En la Figura 2.1 el sistema se encuentra
ubicado en el tercer planeta del sistema solar de la Tierra, en el Continente Americano
en México, en la industria del petróleo en los ductos de hidrocarburos.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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Figura 2. 1 Focalización del Contexto Espacial
Fuente: (Gloogle, 2015)
2.1.2 Contexto Temporal
La expropiación petrolera en México fue anunciada el 18 de marzo de
1938. Consistió en la expropiación legal de maquinaria, instalaciones, edificios,
refinerías, estaciones de distribución, embarcaciones, oleoductos y todos los bienes
muebles e inmuebles, de la industria petrolera.
En los inicios de la industria petrolera el crudo y sus productos se
almacenaron, transportaron y distribuyeron en barriles o bidones, causando grandes
gastos de mano de obra y pérdidas considerables de producto. Con ello, se vio a la
necesidad de crear un sistema eficiente de transporte que disminuyera gastos, tiempo
y pérdidas.
Por supuesto, los ductos es el método más barato, seguro y eficiente.
En el año 1943 la demanda de combustibles aumento por las actividades económicas
del país, se comenzó a construir ductos con la finalidad de cubrir la necesidad de
transporte y distribución de hidrocarburos en el país.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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2.2 Marco Metodológico
Este trabajo de tesis está sujeto a temas teóricos de un sistema duro,
debido a que se identifican procesos cibernéticos en donde interactúan hombres y
maquinas, tiene un enfoque en la manifestación concreta de la realidad, derivaciones
lógico-matemático. En este proyecto de tesis se empleó la metodología de Churchman
y Ackoff para el análisis del caso de estudio. En la Figura 2.2 muestra el análisis del
caso de estudio que consta de las siguientes fases: Fase1: Formulación del problema,
Fase 2: Formulación del Modelo, Fase 3: Obtención de una Solución y Prueba del
Modelo y Fase 4: Establecer Controles e Implantación de la Solución. (Prawda, 2004)
Figura 2. 2 Representación de cada Etapa de la Metodología de Churchman y Ackoff Fuente: (Prawda, 2004)
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 20
Es importante mencionar que la metodología mostrada en la Figura 2.2
consiste en una secuencia lógica y necesaria de las cuatro fases. Esto es, el
investigador tiene necesariamente que iniciar con la Fase 1, después seguir su
actividad con la Fase 2, y así sucesivamente hasta culminar con la Fase 4.
Efectivamente después de cada fase puede existir la necesidad de volver a reanalizar
la misma fase o la anterior (retroalimentación), este proceso está representado por la
'flecha' de doble sentido indicada en la figura. A continuación se describe brevemente
cada una de las fases de la metodología.
2.2.1 Primera Fase: Formulación del Problema
Según Churchman y Ackoff, para formular el problema se debe
establecer una diferencia entre lo que es la situación y lo que debe ser la situación
deseada. Además debe de existir cuando menos una forma de eliminar o disminuir esa
diferencia. En la Figura 2.3(a) se observa de manera gráfica la generación de un
problema, sujeto a las entradas, salidas y perturbaciones del entorno.
a. Representación gráfica de un problema. b. Representación gráfica de un modelo.
Figura 2. 3 Representación Gráfica de un Problema y de un Modelo Fuente: Elaboración Propia
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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2.2.2. Segunda Fase: Formulación del Modelo
De acuerdo con los proponentes de la metodología, un modelo siempre
debe ser menos complejo que el problema real, es una representación abstracta de la
realidad con consideraciones y simplificaciones que hacen más manejable el problema
y permiten evaluar eficientemente las alternativas de solución. En la Figura 2.3 (b) se
muestra de manera gráfica la formulación de un modelo para representar una realidad.
2.2.3 Tercera Fase: Obtención de una Solución y Prueba del Modelo
En general, la obtención de la solución consiste en encontrar los valores
de los parámetros del sistema, dentro de un marco de referencias. De la prueba del
modelo puede obtenerse un mejor conocimiento de la validez de éste, variando los
valores de los parámetros de entrada y comprobando que los resultados del mismo se
comporten de una manera factible; la Figura 2.4(a) se tiene de manera gráfica la
solución y prueba del modelo.
a. Representación de una solución. b. Representación de controles de la solución.
Figura 2. 4 Representación Gráfica de la Solución y Prueba del Modelo y Controles de la Solución
Fuente: Elaboración Propia
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2.2.4 Cuarta Fase: Establecer Controles e Implantación de la Solución
El establecer controles de la solución consiste en determinar los rangos
de variación de los parámetros dentro de los cuales no cambia la solución del
problema. En la Figura 2.4 (b) se tiene una representación gráfica la generación de
los controles de la solución. Para llevar a cabo la implantación de la solución se debe
traducir la solución encontrada a instrucciones y operaciones comprensibles para los
individuos que intervienen en la operación y administración del sistema.
La investigación de esta tesis aborda un sistema duro, por tal motivo se
usó la Metodología de Churchman y Ackoff, que reconocen la necesidad de definir
explicita, sistemática y sistémicamente el método de la Investigación de Operaciones.
En el Capítulo 4 se presentan los resultados del análisis siguiendo cada
una de las fases aquí expuestas.
2.3 Marco Teórico
En el Capítulo 1 se mencionó la importancia de los ductos de transporte
de hidrocarburos en el sentido de mantener los más altos índices de confiabilidad de
los mismos. También se argumentó que uno de los aspectos importantes para
mantener la integridad de los mismos es contar con un adecuado sistema de
mantenimiento a los mismos; estos pueden ser del tipo preventivo y correctivo. El
mantenimiento correctivo ocurre cuando un elemento ya se venció o se deterioró y por
lo tanto hay que cambiarlo o reforzarlo y el preventivo es una revisión periódica para
conocer el estado que guarda la estructura y hacer los cambios convenientes.
(Gutierrez Pérez, 2010)
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 23
Ambos sistemas de mantenimiento requieren previamente de
procedimientos de inspección. Mediante la inspección se busca conocer el estado
actual estructural, es decir la integridad del ducto. La inspección puede realizarse de
muchas maneras: desde una simple inspección visual con registros sistematizados, o
mediante equipo de ultrasonido, hasta el uso de aparatos de muy alta tecnología
(diablos instrumentados). (PEMEX, NRF-060-PEMEX-2012)
En las subsecuentes secciones se presenta en forma muy resumida dos
tipos de inspección: a) inspección mediante el empleo de Diablos instrumentados y b)
inspección directa.
El Marco Teórico en este capítulo permite hacer una representación de
todos los elementos que interactúan generando una definición sistémica la cual es
sinergia por medio de los procesos cibernéticos. En la Figura 2.5 se muestra el
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40.
Figura 2. 5 Marco Teórico Fuente: Elaboración Propia
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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2.3.1 Teoría General de Sistemas
Un sistema es una reunión o conjunto de elementos relacionados, estos
elementos pueden ser conceptos, objetos y sujetos. La Ingeniería de Sistemas
comprende la aplicación de las ciencias exactas para desarrollar sistemas y
transformar un problema en una descripción de un modelo del sistema con el uso de
definición, síntesis, análisis, diseño, prueba y evaluación. Los parámetros integran la
relación de todos los elementos del sistema para obtener una solución al problema
del sistema.
La Teoría General de Sistemas no busca solucionar problemas o
intentar soluciones prácticas, pero sí producir teorías y formulaciones conceptuales
que puedan crear condiciones de aplicación en la realidad empírica.
El enfoque de sistemas consiste en resolver todos los problemas del
sistema desde los subsistemas, la sobrevivencia del sistema global hasta el sistema
de mayor complejidad. Se puede visualizar como una metodología (diseño, científico,
ingeniería de sistemas, investigación de operaciones, etc.)
2.3.1.1 Sistemas 'Duros' vs. Sistemas 'Suaves'
Se puede argumentar que la investigación moderna en el área de
sistemas se divide en dos campos: Teoría matemática de sistemas “duros”. (Jensen,
1998; Bayraktar, et al. 1979); b) Sistemas de actividad humana “suaves”. (Checkland,
1995; Checkland & Scholes, 1990; Flood, 2001)
Sistemas 'suaves' (Situación no estructurada). En este tipo de
problemas no se tienen objetivos claramente definidos y se tiene la presencia del
componente humano, donde los participantes o interesados intervienen con distintos
puntos de vista sobre el problema. En la mayoría de los casos las opiniones pueden
ser diferentes o no se tiene una idea clara sobre cuál es el problema. Este tipo de
situación se presenta generalmente en niveles de gestión o administración, o en la
etapa previa a la definición de un proyecto. (Checkland & Scholes, 1990; Flood, 2001)
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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Sistemas 'duros' (Situación estructurada o problemas
estructurados). En este tipo de sistemas, se habla generalmente de problemas
técnicos bien definidos, en donde todos los interesados u observadores coinciden en
la definición del problema. Por ejemplo, si se tiene claro que el objetivo, un proyecto,
es construir un puente y al respecto todos los interesados, hechos los estudios
previos, están de acuerdo sobre ello, estaríamos frente a un problema estructurado.
(Checkland & Scholes, 1990; Flood, 2001) Este es el caso del este proyecto de tesis y la
adopción de la metodología descrita en la sección 2.2 es ideal para el análisis del
desgaste de ductos que transportan diesel.
2.3.2 Mecánica de Fluidos
La mecánica de los fluidos se refiere al estudio del comportamiento de
los fluidos, ya sea en reposo o en movimiento. Los fluidos pueden ser líquidos (agua,
aceite, o gasolina) o gases (aire, oxigeno, nitrógeno o helio). El comportamiento de los
fluidos afecta nuestra vida cotidiana de muchas maneras; por ejemplo, cuando
cárganos el combustible en nuestros automóviles, la gasolina se carga a través de un
sistema de distribución compuesto de bombas, válvulas, mangueras y/o tubos. La
fuente de la gasolina puede ser un tanque de almacenamiento o un camión cisterna.
El flujo de la gasolina desde su fuente hasta la descarga en el
automóvil está controlado por los principios de la mecánica de fluidos.
A continuación se presentan algunos conceptos básicos relevantes en
este trabajo de tesis. Todos los conceptos aquí expuestos están basados en la
siguiente referencia: Mott (2006)
2.3.2.1 Líquidos, Gases, Fuerza, Masa y Presión
En el estudio de la mecánica de fluidos es importante la diferencia entre
gases y líquidos: los líquidos son sólo ligeramente compresibles. Los gases son
fácilmente compresibles. La compresibilidad se refiere al cambio en el volumen de una
sustancia cuando hay un cambio en la presión que experimenta.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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Masa (m) es una medida de la cantidad de fluido y está dada en (Kg).
Peso (w) es la cantidad que pesa un cuerpo, es decir, la fuerza con la que el cuerpo
es atraído hacia la Tierra por la acción de gravedad, g, por la ley de gravitación de
Newton. Es decir,
(2. 1)
Donde g = 9.81 m/s2. Así que la unidad del Peso está dada en N
(Newton).
La presión (p) se define como la cantidad de fuerza ejercida sobre un
área unitaria de una sustancia. Esta dada por:
(2. 2)
Donde
p = Presión; F = Fuerza (N); A = Área (m2); Pascal (Pa) = N/m2
En la Figura 2.6 la presión actúa uniformemente en todas direcciones
sobre un pequeño volumen de fluido. Además, en un fluido confinado entre fronteras
sólidas, la presión actúa perpendicularmente a la frontera, como en la Figura 2.8 es el
caso de un ducto.
Figura 2. 6 La Presión Actúa de Forma Uniforme en Todas Direcciones
Fuente: (Mott, 2006)
Superficie del fluido
p p
Ducto
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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2.3.2.2 Densidad y Peso Específico
La Densidad (ρ) se define como la cantidad de masa por unidad de
volumen de una sustancia. Por lo consiguiente, está dada por:
(2. 3)
En donde V es el volumen de la sustancia cuya masa es m. Las
unidades de la densidad son kilogramos por metro cúbico.
El Peso Específico (γ) es la cantidad de peso de peso por unidad de
volumen de una sustancia y está dado por:
(2. 4)
Donde V es el volumen de la sustancia que tiene el peso w. Las
unidades del peso específico son Newtons por metro cúbico (N/m3).
2.3.2.3 Viscosidad
La facilidad con que un líquido se derrama es una indicación de su
viscosidad. Por ejemplo, el aceite frío tiene una alta viscosidad y se derrama muy
lentamente, mientras que el agua tiene una viscosidad relativamente baja y se
derrama con bastante facilidad. Viscosidad puede ser definida como la propiedad de
un fluido que ofrece resistencia al movimiento relativo de sus moléculas.
Cuando un fluido se mueve, se desarrolla en él una tensión de corte,
cuya magnitud depende de la viscosidad del fluido. La tensión de corte (τ), puede
definirse como la fuerza requerida para deslizar una capa de área unitaria de una
sustancia sobre otra capa de la misma sustancia. En un fluido como el agua, el aceite,
el alcohol, o cualquier otro líquido, encontramos que la magnitud de la tensión de corte
es directamente proporcional al cambio de velocidad entre diferentes posiciones de
fluido.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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Figura 2. 7 Gradiente de Velocidad en un Fluido en Movimiento
Fuente: (Mott, 2006)
Una condición fundamental que se presenta cuando un fluido está en
contacto con una superficie frontera, es que el fluido tiene la misma velocidad que la
frontera. En la Figura 2.7, el fluido que está en contacto con la superficie inferior tiene
velocidad cero y el que está en contacto con la superficie superior tiene velocidad v.
Si la distancia entre las dos superficies es pequeña, entonces la rapidez de cambio de
velocidad con respecto a la posición y es lineal; esto es, varía como línea recta. El
gradiente de velocidad es una medida del cambio de velocidad y se define como Δv /
Δy. El hecho de que la tensión de corte del fluido es directamente proporcional al
gradiente de velocidad puede establecerse matemáticamente como:
(2. 5)
Donde la constante de proporcionalidad μ se conoce como viscosidad
dinámica del fluido.
Una diferencia importante que se debe entender es la de los fluidos
newtonianos y los fluidos no newtonianos. Cualquier fluido que se comporte de
acuerdo con la Ecuación (2.5) se conoce como newtoniano. Los fluidos más
comunes, como agua, aceite, gasolina, alcohol, queroseno, benceno y glicerina, están
clasificados como fluidos newtonianos.
𝑣
𝑦
𝑦
Superficie en movimiento
Superficie estacionaria
Fluido Fluido
𝑣
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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2.3.2.4 Flujo de Fluidos, Conservación de la Energía y la Ecuación de Bernoulli
El caudal (Q) es el volumen de flujo de fluido que pasa por una sección
por unidad de tiempo. Se calcula con la ecuación:
(2. 6)
Donde A es el área de la sección y v es la velocidad de flujo. Por lo consiguiente, las
unidades de Q se pueden derivar como sigue: ⁄
.
El método para calcular la velocidad de flujo de un fluido en un sistema
de conducto cerrado (tubería, ductos), dependen del principio de continuidad.
Considerando la Figura 2.8, un fluido fluye de la sección 1 a la sección 2 con una
rapidez constante. Es decir, la cantidad de fluido que pasa por cualquier sección en un
cierto tiempo dado es constante. Si no se agrega fluido, se almacena o se retira de la
sección 1 y la sección 2, entonces la masa del fluido que pasa por la sección 2 en un
tiempo dado, debe ser la misma que la que fluye por la sección 1, en el mismo tiempo.
Lo anterior se puede expresar en términos de la rapidez de flujo de masa (M) como:
Donde , por lo tanto se tiene que:
(2. 7)
Figura 2. 8 Parte de un Sistema de Distribución de Fluido y Elementos de Fluido
Utilizados en la Ecuación de Bernoulli Fuente: (Mott, 2006)
p1
p2
v2
v1
Nivel de referencia
Flujo
1
2
z1
z2
1
2
𝑝1, 𝑧1, 𝑣1
𝑝1, 𝑧1, 𝑣1
Elemento
de fluido
Elemento
de fluido
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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La ecuación anterior se le conoce como ecuación de continuidad. Es válida para
todos los fluidos, ya sean gases o líquidos. Sin embargo, si el fluido se encuentra en el
tubo de la Figura 2.8 es un líquido que puede ser considerado incompresible,
entonces los términos ρ1 y ρ2 de la ecuación 2.6 son iguales; la ecuación finalmente
queda como:
(2. 8)
Así que: Q1 = Q2
En el análisis de un problema de línea de conductos, como el que se
ilustra en la Figura 2.8, toma en cuenta toda la energía del sistema. Si se considera un
elemento de fluido, como el que se muestra en la Figura que puede estar dentro de un
conducto de un sistema de flujo. Puede estar localizado a una cierta elevación z, tener
una cierta velocidad v y una presión p. El elemento de fluido tendrá las siguientes
formas de energía.
Energía potencial. Debido a su elevación, la energía potencial del
elemento con respecto de algún nivel de referencia está dada por:
(2. 9)
Donde w= peso del elemento.
Energía Cinética. Debido a su velocidad, la energía cinética del
elemento es:
⁄ (2. 10)
Energía de Flujo. En ocasiones conocida como energía de presión o
trabajo de flujo, ésta representa la cantidad de trabajo necesario para mover el
elemento de fluido a través de una cierta sección en contra de la presión p. La energía
de flujo (FR) se calcula como:
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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⁄ (2. 11)
La cantidad total de energía de estas tres formas que posee el elemento
de fluido será la suma, representada con E:
1
Considerando el elemento de fluido de la Figura 2.11, que se mueve de
la sección 1 a la sección 2. Los valores de p, z y v son diferentes en las dos secciones.
En la sección 1, la energía total es:
1 1
1
1
En la sección 2, la energía total es:
Si no se agrega energía al fluido o se pierde entre las secciones 1 y 2,
entonces el principio de conservación de la energía requiere que:
1
1
1
El peso (w) del elemento es común a todos los términos y se le puede
cancelar. la ecuación se convierte en:
(2. 12)
A ésta se le conoce como Ecuación de Bernoulli.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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2.3.2.5 Pérdidas de Energía y la Ecuación General de la Energía
A continuación se presentan las Pérdidas deEnergía de un sistema en
términos de energía por unidad de peso o de fluido que fluyen en un sistema. Como
símbolo se usa la letra h, específicamente se usan las siguientes pérdidas de energía
en un sistema: hA = Energía añadida o agregada al fluido mediante un dispositivo
mecánico como puede ser una bomba; hR = Energía removida o retirada del fluido
mediante un dispositivo mecánico como puede ser un motor; y hL = Pérdidas de
energía por parte del sistema, debidas a fricción en la tubería, o pérdidas menores
debidas a la presencia de válvulas, codos y conectores.
La Ecuación General de Energía, en general, es una expansión de la
ecuación de Bernoulli, que hace posible resolver problemas en los que se presentan
pérdidas y adiciones de energía. La interpretación lógica de la ecuación de energía se
puede observar en la Figura 2.9, que representa un sistema de flujo.
Figura 2. 9 Sistema de Flujo de Fluido que Ilustra la Ecuación General de Energía Fuente: (Mott, 2006)
Motor
𝐸1 𝑝1
𝛾 𝑧1
𝑣1
𝑔
𝐸 𝑝
𝛾 𝑧
𝑣
𝑔
1
2
Bomba
Válvula de
compuerta
Tubería
Dirección de
Flujo hA
hR
hL
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Los términos E1 y E2 denotan la energía que posee el fluido por unidad
de peso en las secciones 1 y 2, respectivamente, para tal sistema, la expresión del
principio de conservación de energía es:
(2. 13)
La energía que posee el fluido por unidad de peso es:
(2. 14)
La ecuación queda entonces:
(2. 15)
La ecuación anterior se conoce como la Ecuación de Energía. Al igual
que con la ecuación de Bernoulli, cada término de la Ecuación (2.15) representa una
cantidad de energía por unidad de peso de fluido que fluye en el sistema.
2.3.3 Ductos en la Industria Petrolera
Un ducto de acuerdo con los Procedimiento de la industria petrolera, se
define como un: (PEMEX Gas y Petroquímica Básica, 2007)
"Sistema de tubería con diferentes componentes tales como: válvulas,
bridas, accesorios, espárragos, dispositivos de seguridad o alivio, entre otros, por
medio del cual se transportan los hidrocarburos (Líquidos o Gases)."
La Figura 2.10 muestra un ejemplo de los componentes de un ducto en
el contexto de la industria del petróleo.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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Figura 2. 10 Ejemplo de un Ducto. Fuente: (Procedimiento-Pemex, 2007).
2.3.3.1 Tipos de Ductos
De acuerdo con la Normatividad de PEMEX, existen los siguientes tipos de ductos:
Ducto Enterrado: Es aquel ducto terrestre que está alojado bajo la
superficie del suelo.
Ducto de Recolección: Es el ducto que colecta aceite y/o gas y agua
de los pozos productores para su envío a una batería o estación de separación.
Ducto de Transporte: Es la tubería que conduce hidrocarburos en una
fase o multifases, entre estaciones y/o plantas para su proceso, traslado en el que no
se presenta ningún proceso físico o químico de los fluidos. Se consideran ductos de
transporte los que se encuentran dentro de estaciones de: bombeo, compresión y
almacenamiento.
Ducto no Restringido: Ducto o tramo de tubería que no tiene
restricción axial y por tanto permite las deformaciones axiales.
Ducto Restringido: Ducto o tramo de tubería que debido a sus
condiciones en los extremos tiene restricción o limitación para permitir deformaciones
axiales.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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Ducto Sumergido: Es aquel ducto terrestre que debido a su trayectoria
puede encontrarse sobre el lecho de un cuerpo de agua (pantano, río, laguna, lago,
etc. entre otros) o enterrado en él.
2.3.3.2 Inspección Mediante el Empleo de Equipo Instrumentado
Un equipo instrumentado, es considerado como un dispositivo mecánico
electrónico que permite la colecta de datos en todo el perímetro interno/externo y en la
trayectoria total del ducto, inspecciona con procedimientos no destructivos la pared de
la tubería para determinar el estado físico del mismo. (PEMEX, NRF-060-PEMEX-2012)
En la industria petrolera, la inspección con 'equipo instrumentado, se
considera que son los dispositivos que indican con precisión el estado físico de la
tubería en toda su longitud, tanto en lo interior, como en lo exterior, sin necesidad de
excavar. Existen dos tipos de equipos que se usan hoy en día: a) tipo flujo magnético y
b) tipo ultrasonido. (GLND, 2013) (PEMEX, 2012)
A continuación se describen muy brevemente cada uno de ellos:
2.3.3.2.1 Tipo Flujo Magnético
Este tipo de equipo se emplea, en general, para detectar daños por
corrosión interior y exterior, defectos de fabricación y disminución de espesores del
ducto. La Figura 2.11 muestra un ejemplo de este tipo de equipo usado en la industria
petrolera.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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Figura 2. 11 Ejemplo De Un Equipo Instrumentado Tipo Magnético.
Fuente: (GLND, 2013)
En la Figura 2.11 la técnica de flujo magnético, es un tipo de tecnología
de inspección en línea en el que un campo magnético es inducido en la pared del
ducto entre dos polos de un magneto. Las indicaciones afectan la distribución del flujo
magnético en la pared. La dispersión de la fuga de flujo magnético es usada para
detectar y caracterizar las indicaciones. (PEMEX, 2012)
a. Sin anomalía en el ducto. b. Con anomalía en el ducto.
Figura 2. 12 Técnica del Flujo Magnético en la Detección de Anomalías en Ductos. Fuente: (GLND, 2013)
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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2.3.3.2.2 Tipo Ultrasonido
Este tipo de equipo se emplea para detectar y dimensionar fallas muy
específicas de cierto tipo de fenómenos químico-metalúrgicos, la información que
proporciona es muy precisa. (GLND, 2013). La Figura 2.13 muestra un ejemplo de este
equipo.
Figura 2. 13 Equipo del Tipo Ultrasonido
Fuente: (GLND, 2013)
En la Figura 2.14 la técnica de eco ultrasónico, es un tipo de tecnología
cuyo principio es la emisión de pulsos u ondas de baja intensidad y alta frecuencia.
Estos pulsos se generan mediante accesorios electromecánicos (tales como cristales
piezoeléctricos). (PEMEX, 2012)
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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Figura 2. 14 Técnica de Eco Ultrasónico. Fuente: (GLND, 2013)
La Tabla 2.1 muestra algunos ejemplos de ventajas y desventajas de
estos dos tipos de equipos instrumentados empleados en la industria del petróleo.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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Tabla 2. 1 Comparación entre Equipo de Flujo Magnético y Ultrasonido.
Característica Flujo Magnético
(MFL)
Ultrasónicas
Aplicación
Líneas de gas y
líquido
La medición no se ve
afectada por el flujo
que esté presente en
la línea.
Ductos con fluidos en fase
líquida
Los gasoductos requieren el
uso de un bache de líquidos.
Detección de defectos
internos y externos.
Diferencia entre defectos
internos y externos. Detección
de corrosión generalizada.
Sí
Sí
Profundidad mínima necesaria
para detectar corrosión
generalizada en el cuerpo del
ducto
0.15t con una
Precisión de 0.1t y
un intervalo de
confianza del 80%
0.04 Pulgadas con una
Precisión de 0.02 pulgadas y
un intervalo de confianza del
95%
Profundidad Mínima
Necesaria para Detectar
Picaduras en el Cuerpo del
Tubo
0.20t con una
Precisión de 0.1t y
un intervalo de
confianza del 80%
0.04 Pulgadas con una
Precisión de 0.02 pulgadas y
un intervalo de confianza del
95%
Profundidad Mínima
Necesaria para Detectar
Picaduras en las Soldaduras
0.30t con una
Precisión de 0.15t y
un intervalo de
confianza del 80%
0.04 Pulgadas con una
Precisión de 0.02 pulgadas y
un intervalo de confianza del
95%
Detección de Abolladuras y
Soldaduras Circunferenciales
Sí
Sí
Fuente: (GLND, 2013)
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2.3.3.3 Inspección con la Metodología EDCE y EDCI
Para los ductos de transporte, inyección, regulación y medición que no
se pueden inspeccionar con diablo instrumentado (ver sección anterior) y dada la
dificultad de inspeccionarlos por sus características físicas y condiciones operativas
particulares, Pemex Gas y Petroquímica Básica (PGBP), por ejemplo, ha adoptado
una metodología conocida como 'Evaluación Directa' (ED) para determinar la
integridad mecánica de ductos. (PEMEX Gas y Petroquímica Básica, 2007).
La Evaluación Directa de Integridad, es un proceso estructurado que
identifica las localidades donde el ducto estará sujeto a excavaciones, mediante una
selección con base en inspecciones indirectas del ducto. Dichas inspecciones tienen
como finalidad evaluar la calidad y / o condición del revestimiento, el posible desarrollo
de defectos y los niveles de protección catódica (donde esto aplique), todo esto con el
fin de obtener los datos que se utilizarán en la evaluación de integridad inmediata
(resistencia remanente) y la integridad futura (intervalo de re-evaluación) del ducto.
(PEMEX Gas y Petroquímica Básica, 2007)
La Figura 2.15 muestra una metodología estructurada para la
Evaluación Directa de Integridad.
Figura 2. 15 Metodología para la Evaluación Directa de Integridad de Ductos. Fuente: (PEMEX Gas Y Petroquímica Básica, 2007)
A continuación se describen las etapas de la Figura 2.15 muy brevemente de cada
una de ellas:
1. Pre-
Evaluación
Identificación de
los métodos
2. Evaluación
Indirecta
Bajo costo/Amplia
cobertura
3. Evaluación
Directa
Mayor
costo/Cobertura
deseada
4. Análisis
Integridad
inmediata/futura
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2.3.3.3.1 Etapa 1: Pre-Evaluación
Debido a la variación de las características físicas asociada con ductos
largos y enterrados; tales como tipo de suelo, protección catódica y / o cruce de vías,
se requiere de una planificación detallada de la Pre-Evaluación para cada ducto y
segmento individual. Por ejemplo, en esta fase incluye la recopilación, el análisis y la
evaluación de datos, incluyendo, más no limitado a los conceptos listados en un
diseño de ducto. (PEMEX Gas y Petroquímica Básica, 2007)
2.3.3.3.2 Etapa 2: Evaluación Indirecta
Los levantamientos indirectos para EDCE (Evaluación Directa de
Corrosión Externa) son ejecutados de acuerdo a los Planes establecidos en la
industria utilizando las herramientas adecuadas y especializadas. Los datos
provenientes de los levantamientos indirectos en esta etapa son integrados y
analizados utilizando criterios comprobados como indicadores relevantes, en conjunto
con una priorización de la severidad para identificar los sitios para la Evaluación
Directa. (PEMEX Gas y Petroquímica Básica, 2007)
2.3.3.3.3 Etapa 3: Evaluación Directa
Esta fase de la Evaluación Directa aplica tanto al proceso de EDCE,
como al proceso de EDCI (Evaluación Directa de Corrosión Interna) y requiere de
excavaciones en localidades (por ejemplo, identificadas en la Etapa 2 - Evaluaciones
Indirectas) que permitan acceso directo a los ductos para la aplicación de Pruebas No-
Destructivas para detectar y medir la corrosión, pérdida de metal, abolladuras o
agrietamiento y para documentar la condición del revestimiento y del suelo. Para
ductos no enterrados en los cuales se haga una evaluación Directa Completa para
EDCI y EDCE, no se utilizará la Etapa 2 de Evaluaciones Indirectas. (PEMEX Gas y
Petroquímica Básica, 2007)
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 42
2.3.3.3.4 Etapa 4: Análisis
En esta etapa generalmente se produce un reporte con los resultados
de las actividades de las Etapas 2 y 3 de EDCE y de EDCI para cada sección de cada
línea. Además, se deberá ejecutar una Post-Evaluación de los resultados de EDCE y
EDCI y con un especial énfasis en los siguientes aspectos (PEMEX Gas y Petroquímica
Básica, 2007)
Integridad Inmediata. Las anomalías que se detecten como resultado
de la Etapa 3, tales como pérdida de metal, abolladuras, y agrietamientos deberán ser
evaluadas para determinar si tienen impacto alguno sobre la 'Presión Operativa
Máxima', utilizando el método más apropiado para evaluar los defectos. Ejemplos de
métodos aceptables son ASME B31G y la evaluación detallada mediante técnicas
equivalentes a RSTRENG. (PEMEX Gas y Petroquímica Básica, 2007)
Integridad Futura. El crecimiento de anomalías debidas a mecanismos
que dependen del tiempo o el modo de operación, tales como corrosión, fatiga, etc.,
deberá ser caracterizado para establecer los intervalos de re-inspección. En esta
etapa deberá documentarse la velocidad de corrosión utilizada, la cual deberá
establecerse mediante una metodología adecuada. Adicionalmente, se deberá
identificar la tecnología de re-inspección más apropiada, reconociendo los riesgos de
los ductos, los cuales serán validados como resultado de la post-evaluación. En caso
de ductos enterrados, el análisis deberá tomar en cuenta los datos de una técnica de
inspección indirecta que evalúe la condición del revestimiento y la condición de la
protección catódica, según aplique. (PEMEX Gas y Petroquímica Básica, 2007)
2.3.3.4 Investigación Reportada en la Literatura sobre Ductos
En el proceso de la revisión de la literatura se ha encontrado una gran
cantidad de reportes de investigación asociados, de alguna manera, con la integridad
estructural de estas infraestructuras en la industria del petróleo.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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En general, se encontró investigación sobre: accidentes (Bartenev, et al.,
1996; Hou, et al., 2014; Papadakis, et al., 1999; Moloudi, et al., 2014; Bartenev, et al., 1996;
Papadakis, 1999); análisis de riesgos y sistemas de gestión de riesgos (Knoope, et al.,
2014; Singh, 2014; Ma, et al., 2013; Mohsin, et al., 2014; Huang & Li, 2012; Papadakis,
2000; Race, 2010; DeWolf, 2003); diseño y trabajos experimentales (Batzias, et al., 2011;
Wang, et al., 2014; Papadakis, 1999; Song, 2014; Chapetti, et al., 2001; Xu & Cheng, 2014);
falla o corrosión (Hopkins, 2014; Zhao, et al., 2013; Duncan & Wang, 2014; Zheng, et al.,
2012; Otegui, et al., 2001; Sastri, 2014; Jiang & Chen, 2012; Netto, et al., 2007);
simulación y modelos de predicción (El-Abbasy, et al., 2014; Hai, et al., 2011; Hu, et al.,
2014; Liang, et al., 2013); y modelado sobre diferentes aspectos de los ductos
(Martynov, et al., 2014; Wilkening & Baraldi, 2007; Molag & Dam, 2011; Mahgerefteh, et
al., 2006).
2.4 Resumen del Capítulo
El Capítulo ha presentado el marco teórico y metodológico, los cuales
se consideran como el soporte para el desarrollo de este trabajo de tesis. La
conclusión más relevante del capítulo es que los ductos de transporte de
hidrocarburos son vulnerables a fallas y es de vital importancia mantener un alto grado
de confiabilidad de los mismos. Otra conclusión importante es que en el proceso de la
revisión de la literatura se encontró que existe una gran cantidad de investigación
sobre fallas de ductos. Finalmente, los dos tipos de inspección que se realizan en
ductos son los asociados con: equipos instrumentados y la evaluación directa de
integridad de ductos.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 44
CAPITULO 3
DESCRIPCIÓN DEL CASO DE ESTUDIO
3.1.1 Sistema de Ductos Submarinos y Terrestres
En el capítulo anterior se definió lo que es un ducto y sus
características, así como sus accesorios.
Figura 3. 1 Sistema de Transporte por Ductos Fuente: Elaboración Propia
La Figura 3.1 muestra el sistema de transporte de ductos de Pemex. En
general, el sistema de ductos instalados en nuestro país se divide en el sistema de
ductos submarinos y el sistema de ductos terrestres.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 45
Los ductos submarinos son de material de acero y normalmente
transportan hidrocarburos líquidos y gaseosos y/o productos relacionados, agua y gas
nitrógeno. Así mismo, el ducto submarino comprende la tubería de trampa a trampa
entre dos plataformas, tubería de trampa a interconexión submarina, tubería de
interconexión a interconexión, tubería de trampa a la línea de costa, y tubería de
plataforma a arreglo submarino. En la Figura 3.2 también muestra la localización de
los ductos marinos. En la actualidad hay instalados cerca de 2 mil Kilómetros en el
mar.
Figura 3. 2 Ductos Marinos y su Localización Fuente: (Pemex, 2013)
La Figura 3.1 también muestra el sistema de ductos terrestres; los ductos terrestres se
clasifican en los siguientes (Pemex, 2013):
Oleoductos (aceite crudo)
Gasoductos (productos en dos fases aceite/gas)
Oleogasoductos (productos en dos fases aceite/gas)
Poliductos (productos refinados del petróleo)
Combustoleoductos (productos residuales del refino del petróleo)
LPG (gas licuado del petróleo)
Quimioductos (productos petroquímicos)
Acueductos (agua)
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 46
El sistema de transporte por ductos en el país, consta de más de 55,000
km de tuberías dependientes de las cuatro subsidiarias que conforman Pemex: los
fluidos transportados son: crudo, gasolinas, diesel, gas licuado, gas natural y
productos petroquímicos (Gutiérrez Pérez, 2010); ver un ejemplo mostrado en la Figura
3.3 así como la Figura 1.7 del Capítulo 1). Los diámetros de las tuberías varían desde
3 pulgadas (7.6 cm) hasta 48 pulgadas (122 cm) de diámetro, y comparten en gran
medida los corredores de los derechos de vía (DDV´s), donde se realizan las tareas y
actividades de operación, mantenimiento e inspección principalmente. (Anuario
Estadistico de Pemex, 2005,2013).
Figura 3. 3 Instalaciones Petroleras Fuente: (Anuario Estadistico, 2013)
3.1.2 Pemex Gas y Petroquímica Básica
De un total de 58,881 Km. de ductos distribuidos en el país; 16,035
Km. (27.2% del total) corresponden a la subsidiaria PEMEX Gas y Petroquímica
Básica (PGPB), incluyendo los ductos privados. La Figura 3.4 muestra la distribución
del tipo de ducto así como su longitud en Km. (Hernández Mejía, 2013)
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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Figura 3. 4 Ductos de Transporte en PGPB Fuente: (Gutierrez Pérez, 2010)
3.1.3 Pemex Refinación
De un total de 58,881 Km. de ductos distribuidos en el país, el 24%
(14,182 Km.) corresponden a la subsidiaria PEMEX Refinación (PR). En la Figura 3.5
se muestran las longitudes de los ductos y los poliductos.
Figura 3. 5 Ductos de transporte en PR Fuente: (Gutierrez Pérez, 2010)
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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3.1.4 Pemex Exploración y Producción (PEP)
De acuerdo con los reportes de Pemex, de un total de 58,881 km de
ductos distribuidos en nuestro país, el mayor porcentaje corresponde a PEP con el
48.8% (28,771 km), incluyendo los ductos privados. En la Figura 3.6 la distribución de
los mismos se indica.
Figura 3. 6 Ductos de transporte en PEP Fuente: (Gutierrez Pérez, 2010)
3.1.5 Ductos que Transportan Diesel
En las secciones anteriores se mencionó el total de ductos instalados en
todo el país, incluyendo las tres subsidiaras de Pemex, así como ductos privados.
Muchos de los ductos comparten en gran medida los corredores de los derechos de
vía (DDV´s), donde se realizan las tareas y actividades de operación, mantenimiento
e inspección, entre otros.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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Figura 3. 7 Ductos de Transporte de Diferentes Productos Derivados del Petróleo Fuente: (PEP, 2012)
De acuerdo a un reporte sobre los derechos de vía compartidos (PEP,
2012), reporta que existen instalados un total de 19,947 Km. de ductos entre las
subsidiarias PEMEX Gas y Petroquímica Básica y Pemex Refinación que transportan
diferentes productos derivados del petróleo. La Figura 3.7 muestra un ejemplo de las
longitudes de los diferentes ductos así como el tipo de productos derivados del
petróleo que transportan.
De acuerdo con la figura, los ductos que transporta Diesel constituyen el
3.6% (718 Km) del total de 19,947 Km.
3.2 Ducto ASTM A-53B SCH 40 que Transporta Diesel El diesel producido en las refinerías de Pemex, cumple con estándares
de calidad nacional e internacional y con lo exigido por los motores del parque
vehicular de las compañías automotrices que operan en nuestro país y el de los
vehículos de procedencia y fabricación extranjera. El mercado nacional demanda
actualmente cerca de 250 mbpd de diesel.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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Desde 1986, el diesel que se vende en México ha venido reduciendo
gradualmente los niveles de azufre, hasta llegar a un contenido máximo de 0.5 por
ciento para el diesel desulfurado y para pasar a 0.05 por ciento en el Pemex Diesel,
éste último con un contenido de aromáticos del 30 por ciento y con un índice de cetano
desde 52 hasta 55, superando las especificaciones de este combustible producido en
otros países. El diesel mexicano, Pemex Diesel, lo sitúan como uno de los mejores del
mundo.
3.2.1 Algunas Características de los Ductos que Transportan Diesel
A continuación se describen algunas características de los materiales y
accesorios de este tipo de ductos. La Tabla 4.2 del capítulo 4 presenta las
características técnicas del ductos bajo estudio.
Tubería. El material de las tuberías es acero al carbono y su fabricación
debe cumplir con la norma APIEspecificación5L. Para la adquisición de tuberías
nuevas deberá especificarse: API 5L nivel PSL2, Grado B, respetándose el proceso de
soldadura SAW o ERW y costura longitudinal indicado en la norma de referencia
citada.
Accesorios. Las bridas, conexiones soldables, espárragos, tuercas,
empaques y demás accesorios utilizados en los oleoductos de Operaciones Talara,
satisfacen los requisitos de composición química, capacidad mecánica, fabricación,
componentes y calidad, indicados en las especificaciones correspondientes.
Bridas. Para diámetros de 24”Ø y menores; las bridas serán de acero al
carbono, ASTM A-181 o ASTM A-105 / ANSI B16.5 clase 150, W.N.R.F. (para soldar,
con cara realzada).
Codos. Codos de 90º y 45° Radio largo, extremos biselados para
soldar. Norma de fabricación: ASTM A-234 / ANSI B 16-9.
Válvulas. Bola y Compuerta,API 6D, API 600. Cuerpo A-216 Gr. WCB
bridas en extremos ANSI B 16.5 de 24” o menores y ANSI/ASME B 16.47 Serie A
MSS-SP-44 para diámetros mayores. (PETROPERU, 2011).
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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3.2.2 Mapa de Localización del Ducto
En México, la industria petrolera abastece de hidrocarburos a todo el
país. Este producto se transporta y se distribuye a través de ductos, los cuales operan
sin interrupción las 24 horas del día, los 365 días del año. Por los sistemas de
transporte es posible tener acceso de forma segura y económica en todo el país.
En la Figura 3.8 se muestra el tramo del ducto para el análisis.
Figura 3. 8 Localización del Ducto Fuente: (Casco, 2002)
3.3 Resumen del Capítulo
El Capítulo ha presentado algunas estadísticas básicas sobre los tipos
de ductos, así como sus longitudes. En particular, las estadísticas de los ductos que
transportan Diesel, nuestro caso de estudio.
El Capítulo 4 presenta los resultados del análisis para el caso de
estudio.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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CAPITULO 4
RESULTADOS DEL ANÁLISIS
En el Capítulo 2 se describió la metodología de análisis adoptada para
nuestro caso de estudio descrito en el Capítulo 3. El objetivo de este capítulo es
presentar los resultados del análisis. Los resultados de cada una de las cuatro fases
de la metodología de Churchman y Ackoff se presentan en las secciones 4.1 - 4.4
respectivamente. La sección 4.5, presenta el resumen del Capítulo.
4.1 Primera Fase: Formulación del Problema
4.1.1. Funcionamiento de Ductos
En los capítulos anteriores se ha presentado algunas consideraciones
técnicas sobre ductos. Un ducto es una tubería para el transporte de crudo o gas
natural entre dos puntos, ya sea tierra adentro o tierra afuera. Un sistema de tubería
se compone de: válvulas, bridas, accesorios, espárragos, dispositivos de seguridad o
alivio, entre otros, por medio del cual se transportan los hidrocarburos (Líquidos o
Gases). Los ductos se encuentran distribuidos a lo largo de todo el país. En la Figuras
1.7 y 3.3 hay ejemplos y también en los capítulos 1 y 3 respectivamente.
Las líneas de ductos están involucradas en la recolección, distribución
de los diferentes centros de procesamiento y comercialización de hidrocarburos, por
esta razón juegan un papel importante en la cadena de valor (Producción, 2007). Los
sistemas de transporte de hidrocarburos constituyen una parte fundamental en la
exploración y producción, gas y petroquímica básica y refinación, los cuales se refieren
a la distribución de los diferentes productos para su comercialización.
En la Figura 4.1 se muestra el ciclo de vida de la industria del petróleo y
gas o cadena de valor. También se puede observar todas las etapas que se llevan a
cabo desde la explotación de los pozos de producción de crudo y gas hasta que el
producto final llega a los consumidores.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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Figura 4. 1 Ductos de Transporte y Líneas de Recolección Fuente: (Pavia Pineda, 2012)
El transporte de hidrocarburos interviene desde las zonas de extracción
del petróleo y el gas, que deben ser transportados hasta las refinerías y plantas de
tratamiento de gas a través de redes de oleoductos, gasoductos y buques petroleros.
Puede dividirse en dos etapas generales; la primera trata del transporte del crudo
desde los yacimientos a la refinería, y la segunda, desde la refinería a los centros de
distribución.
La distribución y comercialización de los productos derivados del
petróleo se hace a través de poliductos, camiones cisterna, tanques petroleros y/o
barcazas, hasta los distribuidores o grandes consumidores, como las centrales
generadoras de energía eléctrica e industrias.
4.1.2 Daños en Ductos
Mediante diferentes pruebas e inspección visual, se pretende
determinar la existencia de anomalías, en los ductos las cuales son cualquier daño
mecánico, defecto o condiciones externas que puedan poner o no en riesgo la
integridad del ducto. En la Tabla 4.1 se muestran los daños que se presentan en un
ducto.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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Tabla 4. 1 Daños en Ductos
Fuente: Elaboración Propia
El tipo de daño mediante inspección y análisis de integridad, se
establece el tipo de mantenimiento que requiere o la sustitución del tramo afectado,
para lo cual se aplican normas que establecen los parámetros que se deben
considerar en la toma de decisiones. (PEMEX S. T., 2009).
4.1.3 Mantenimiento de Ductos
El mantenimiento resulta en muchas ocasiones complejo, dicha razón
la industria petrolera ha generado contratos con algunas compañías especializadas.
Es importante mencionar que la nueva Reforma energética contempla que el
transporte de los hidrocarburos en general, pase a manos de compañías privadas,
buscando mejorar las condiciones mecánicas de la infraestructura.
A continuación se muestra en la Figura 4.2 como se genera la
inspección en el ducto.
CONCEPTO DESCRIPCIÓN
ABOLLADURAS Depresiones en la superficie del tubo.
DESGASTE El desgaste es ocasionado por el exceso de uso, bajo condiciones de fricción, o producto del agotamiento de las propiedades del metal.
CORROSIÓN Un proceso electroquímico por medio del cual los metales refinados tienden a formar compuestos (óxidos, hidróxidos, etc.) termodinámicamente estables debido a la interacción con el medio.
CORROSIÓN GENERALIZADA
Está en toda la superficie de la instalación.
CORROSIÓN LOCALIZADA
En la superficie con la formación de películas no uniformes.
DAÑO MECÁNICO Es aquel producido por un agente externo, ya sea por impacto, ralladura o presión y puede estar dentro o fuera de la norma.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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Figura 4. 2 Elementos de un Ducto Fuente: (Casco, 2002)
En la Figura 4.2 se muestran las partes de un ducto. A continuación se
describirán por zonas de inspección:
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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Zona A del ducto, se refiere al inicio del ducto donde se localiza el recipiente a
presión donde el receptor de condensados o diablo instrumentado,
generalmente es de 2 a 3 veces el diámetro del ducto, incluyendo sus desvíos
y accesorios, esta zona se verifica el estado de las paredes de recipiente a
presión (cubeta).
Zona B describe a la sección del ducto que llega a la cubeta y tiene un
desarrollo prolongado para absorber los desplazamientos por dilatación y para
facilidad de conexión con la cubeta, se inspeccionan todas sus secciones
(carretes) o tramos de tubería.
Zona C y D, representa a la sección recta del ducto en la parte aérea, en estas
zonas continua con el mismo procedimiento de detectar el espesor mínimo en
cada tramo del ducto y en caso de tener corrosión externa medir el espesor
menor en la sección dañada.
Zona E corresponde a la parte recta sumergida y está comprendida desde el
primer carrete sumergido y hasta la conexión con la curva de expansión de la
línea.
Zona F es la última sección en que se divide el ducto ascendente y parte del
conector con la parte recta ascendente del ducto y al inicio del tramo recto de
la línea de conducción. En esta área principalmente se aplica medición de
espesores en daños provocados por golpes o tallones de cables de anclas o
por caída de objetos producto de trabajo de superficie (Casco, 2002).
Además de la necesidad de garantizar la integridad de las líneas de
transporte, es indispensable incrementar la seguridad y la protección ambiental en la
operación de los sistemas de transporte de hidrocarburos líquidos, esto se logra con
el conocimiento y aplicación de estándares internacionales y las mejores prácticas de
la industria.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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4.1.4 Formulación del Problema
Basado en la primera fase de la metodología de Churchman y Ackoff
que se refiere a la formulación del problema, mencionado en el capítulo 2. Los ductos
que conducen hidrocarburos en el traslado entre refinerías, terminales de
almacenamiento y distribución sufren daños y deterioros. El sistema de transporte por
ductos se encuentra expuesto a diversos factores como el desgaste interno y externo
entre otros, el material del ducto cambia sus propiedades, funciones y tiempo de vida.
Con ello podemos formular el problema que lleva por nombre “Análisis del Desgaste
de un Ducto ASTM A-53B SCH 40”.
4.2 Segunda Fase: Construcción del Modelo
En esta fase explica cómo se construye el modelo en la búsqueda de
una solución del problema considerando todo como sistema. La operación de un ducto
se considera desde que entra el flujo a la tubería y hasta que llega al lugar de destino.
En la Tabla 4.2 contiene las variables que se van a considerar para el “Análisis del
Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40”. (Algunas consideraciones técnicas de
este tipo de ductos se presentan en el capítulo 3 y Anexo-D).
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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Tabla 4. 2 Características del Ducto
ELEMENTOS DEL ANÁLISIS
CONCEPTO ESPECIFICACIÓN
Diámetro 6 pulgadas ( mm)
Material de la Tubería ASTM A-53B SCH 40
Tipo de Acero Acero al carbono
Rugosidad 0.045mm (Presión Óptima de Operación)
Producto Diesel
Longitud 11980m
Fuerza de Gravedad 9.81
(Gravedad, 2015)
Viscosidad 40ºC 0.003
(Diesel/Gas Oil)
Densidad (15ºC) 860 *
+ (Hoja de Seguridad Diesel
Combustibles)
Caudal 700 gpm
Tipo de Construcción Soldada
Espesor 0.365 pulgadas ( ) SMYS 24100 kPa (Petroleum)
Temperatura 177ºC a 350ºC Fuente: Elaboración Propia
En la normatividad de Pemex en relación al diseño, construcción,
inspección, entre otros, de los ductos (PEMEX S. T., 2009), se debe evitar condiciones
que puedan causar esfuerzos mayores a los permisibles y fallas en el sistema, se
consideran los criterios indicados en esta norma para proteger al ducto cuando se
encuentre expuesto a actividades que puedan originarle daños. Con base en los
valores de la Tabla 4.2 se va a calcular las condiciones permisibles para el ducto. A
continuación se muestran dichos cálculos.
4.2.2 Presión Interna de Diseño
La presión interna de diseño para los sistemas de tuberías de acero o el
espesor de pared nominal para una presión de diseño dada, será determinado por la
siguiente expresión basada en la fórmula de Barlow (PEMEX S. T., 2009).
En la Ecuación 4.1, Barlow en su fórmula considera lo siguiente:
(Determining Remaining Strength of Corroded Pipelines, 2012)
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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Dónde:
= Presiones = Capacidad de Presión = Espesor Nominal de Pared = El espesor nominal de pared
(4. 1)
Sin embargo, considera la Ecuación 4.2 de la normatividad de Pemex
en relación al diseño, construcción, inspección, entre otros, de los ductos (PEMEX S. T.,
2009).
( )
(4. 2)
Dónde:
= Diámetro exterior nominal de la tubería
= Espesor de pared de acero de la tubería
= Esfuerzo de Cedencia Mínimo Especificado (Specified Minimum Yield
Strength) CITATION Ame04 \l 3082 (Institute, 2004)
= Factor de capacidad permisible por presión interna de diseño.
Desarrollo de la ecuación:
(1 )( 1 )( 1 )
1 ,
Análisis Dimensional:
( )
,
Con el análisis dimensional se contrasta la unidad presión interna de
diseño, da como resultado en kPa.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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4.2.3 El Factor de Capacidad Permisible (Fcp)
Es el factor de capacidad permisible por presión interna de diseño en
un ducto. (PEMEX S. T., 2009). El factor de diseño por temperatura (fTEMP) que
representa la condición más severa de presión y temperatura coincidentes del metal.
En la Tabla 4.3 con la temperatura del metal se obtiene el Factor de Diseño (fTEMP) que
le corresponde. En la Tabla 4.4 el Factor de junta longitudinal (fJL) se determina por el
tipo de tubería y la soldadura. PEMEX S.T. (2009), emplea la siguiente ecuación para
determinar fcp.
fcp= fDIS fTEMP fJL (4. 3)
Tabla 4. 3 Factor de diseño por temperatura (fTEMP)
Temperatura Factor de
Diseño(fTEMP) ºC ºF
121 o menos 250 o menos 1,000
149 300 0.967
177 350 0.933
204 400 0.900
232 450 0.867
Fuente: (PEMEX S. T., 2009)
Tabla 4. 4 Factor de junta longitudinal (fJL)
Tipo de Tubería Factor de junta longitudinal(fJL)
Soldadura longitudinal por arco sumergido(SAWL)
1.0
Soldadura por resistencia eléctrica (ERW)
1.0
Soldadura helicoidal por arco sumergido (SAWH)
1.0
Fuente: (PEMEX S. T., 2009)
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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En relación a la ecuación 4.3, dónde:
fDIS = Factor de diseño por clase de localización que depende del tipo de fluido
transportado.
fTEMP = Factor de diseño por temperatura. En la Tabla 4.3, se encuentran los valores
de la temperatura del metal, para el análisis ver Tabla 4.2.
fJL = Factor de junta longitudinal. En la Tabla 4.4, se tiene la tabla para el tipo de
tubería. El tipo de soldadura se determina conforme a la normatividad de PEMEX
(Subsidiarios, 2008), donde se pueden utilizar electrodos diferentes al tipo bajo
hidrógeno para los pasos de raíz en aceros del grupo I [SMYS 275 MPa] o menores
para cualquier espesor.
Substituyendo los valores encontrados en las Tablas 4.3 y 4.4 en la
ecuación 4.3 se obtiene que:
fcp=(0.72)(0.933)(1.0)= 0.67176
4.2.4 Espesor Mínimo Requerido
La tubería de acero al carbono debe tener un espesor mínimo de pared
requerido para soportar los esfuerzos producidos por presión interna. Este espesor se
determina mediante la siguiente expresión (PEMEX S. T., 2009):
tr = t + tc (4. 4)
Dónde:
tr = Espesor mínimo requerido por presión interna
t = Espesor de diseño por presión interna
tc = Espesor de pared adicional por corrosión . De no contar con dicha
información se debe utilizar un espesor adicional de 0.159mm por cada año de vida útil
considerada en el diseño.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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Desarrollo de la ecuación:
tr = 9.271 + 0.159= 9.43
Análisis Dimensional
tr = mm + mm
tr= 9.43 mm
Con el análisis dimensional se comprueba la unidad del espesor mínimo requerido, da
como resultado en mm.
4.2.5 Espesor de Tolerancia por Fabricación
En la Tabla 4.5 se observa los valores de porcentaje de tolerancia. El
tipo de ducto que se analiza es de grado B como se muestra a continuación:
Tabla 4. 5 Porcentaje de Tolerancia por Fabricación en el Espesor de Pared.
Diámetro exterior mm(pulgadas) y tipo
de tubería
PORCENTAJE DE TOLERANCIA (%)
GRADO B O MENOR GRADO X42 O MAYOR
73.0(2.875) y menores con y sin costura
12.5 12.5
Mayores que 73.0 (2.875) pero menores
que 508.0(20) con y sin costura
12.5 12.5
508.0(20) y mayores con costura
12.5 12.5
508.0(20) y mayores sin costura
12.5 12.5
Fuente: (PEMEX S. T., 2009)
En la Tabla 4.5 para obtener el espesor de tolerancia por fabricación, el
valor del espesor mínimo requerido se sumar y restar el porcentaje.
Desarrollo:
ETF = (9.43) (12.5%) = ± 1.17875
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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Para el análisis del ducto se requiere el rango máximo de tolerancia,
por lo tanto, se sumara el porcentaje.
ETF= 9.43 + 1.17875 = 10.60875 mm
Para el modelo se considerara la pérdida de energía por fricción. A
continuación se describe la ecuación general de la energía. La teoría asociada con la
mecánica de fluidos se discutió brevemente en el Capítulo 2.
4.2.6 Ecuación General de la Energía
La fricción interna del fluido en el ducto representa el valor de una
cantidad de energía por unidad de peso de fluido que circula por el sistema, como se
puede observar en la ecuación general de la energía, tales pérdidas traen como
resultado la disminución de presión entre dos puntos del sistema de flujo (Mott, 2006).
(4. 5)
Dónde:
= Presión en la sección 1 y 2 respectivamente.
= Peso específico del fluido.
= Velocidad en las secciones 1 y 2 respectivamente.
= Factores de corrección de energía cinética en tuberías circulares, con fluido
laminar con perfil parabólico de velocidad y en flujo turbulento, el perfil es casi
uniforme .
= Energía añadida o agregada al fluido mediante un dispositivo mecánico, como
puede ser una bomba.
= Energía removida o retirada del flujo mediante un dispositivo mecánico.
=Perdida de energía la cual se compone en general de las pérdidas por fricción.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 64
= Pérdida de energía debido a la fricción en los ductos.
= Pérdida local de energía debida a la presencia de válvulas y conectores.
= Altura del desplazamiento de la sección 1 con la sección 2.
4.2.7 Ecuación de Reynolds
El número de Reynolds es la relación de la fuerza de inercia sobre un
elemento de fluido a la fuerza viscosa. El comportamiento de un fluido, en particular en
lo que se refiere a las pérdidas de energía depende del tipo de flujo sea: laminar o
turbulento. Se puede determinar el tipo de flujo en el sistema de la tubería, si el
número de Reynolds es menor que 2000, el flujo será laminar y cuando sea mayor que
4000, el flujo será turbulento.
Para calcular el número de Reynolds se utiliza la ecuación (Mott, 2006):
(4. 6)
Dónde:
Q= Caudal*
+
= Densidad *
+
= Viscosidad *
+
D= Diámetro
Desarrollo de la ecuación:
( )( )
( )( ) ,
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 65
Análisis Dimensional:
[
] [ ]
( ) [ ]
,
Con el análisis dimensional se contrata las unidades del número de
Reynolds, da como resultado un valor adimensional.
4.2.8 Ecuación del Factor de Fricción
En la Ecuación 4.7 el factor de fricción considera es un parámetro que
considera las pérdidas de energía mecánica en el transporte de fluidos a través de la
tubería. A continuación se calcula el factor de fricción (Mott, 2006):
[ (
( )( )
)]
(4. 7)
Dónde: f=Factor de fricción
=Rugosidad D=Diámetro NR=Número de Reynold
Desarrollo de la ecuación:
f 0.25
*log(1
(3.7)(0.152400.000045
)
5.74
105,618.78116)0.9
)+
2 0.01931631346
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 66
4.2.9 Ecuación de la Velocidad del
Fluido
La ecuación de la velocidad del fluido indica cuanta cantidad de flujo se
desplaza en la tubería en una unidad de tiempo.
Figura 4. 3 Velocidad del Fluido Fuente: Elaboración Propia
Para calcular la velocidad de fluido sobre la tubería se utiliza (Mott,
2006); ver el Capítulo 2:
(4. 8)
Dónde:
V=Velocidad *
+
Q=Caudal *
+
A=Área de la tubería D= Diámetro
Desarrollo de la ecuación:
Análisis Dimensional:
[
]
= *
+
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 67
Con el análisis dimensional se obtiene como resultado *
+
4.2.10 Ecuación de la Pérdida de Energía por Fricción en la Tubería.
Se puede obtener la pérdida de energía por fricción en la tubería y la
longitud de la tubería utilizando la ecuación 4.9 (Mott, 2006):
( ) (
) (
) (4. 9)
Dónde:
Pérdida de energía debido a la fricción de la tubería .
= Factor de fricción.
L=Longitud de la tubería
D= Diámetro de la tubería
*
+
Gravedad
Desarrollo de la ecuación:
( ) (
)(
( ))
Análisis Dimensional:
(
)(
)
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 68
El sistema no cuenta con el diagrama de tubería e instrumentación
(DTI) por lo tanto, se realiza un análisis de las pérdidas de energía con la siguiente
ecuación (Mott, 2006):
(4. 10)
Dónde:
= Pérdida de energía debido a la fricción en los ductos.
= Pérdida local de energía debida a la presencia de válvulas y conectores.
Desarrollo de la ecuación:
4.2.10 Ecuación del Sistema de Flujo
Para calcular la presión necesaria que posee el fluido por unidad de peso que circula
por el sistema, con la ecuación 4.5 considerando:
a) Velocidad igual en todas las secciones V1= V2
b) Factores de corrección de energía cinética en tuberías circulares, 1= =1
c) Energía añadida al flujo hA= 0
d) Energía removida o retirada del flujo hR =0
e) Perdida de energía hL = 458.0755486
f) Altura en la cual se transporta el flujo Z1= Z2
g) Peso específico del fluido *
+
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 69
La presión (P1) necesaria del sistema queda expresada de la siguiente forma:
( ) *
+
( )
( ) Dónde:
= ,
= 8.33 kN
458.0755486 m Aplicación de la Ecuación:
1 , 8.33(458.0755486) =26,355.06945
Análisis Dimensional:
( )=
,
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 70
4.3 Tercera Fase: Obtención de una Solución y Prueba del Modelo.
Para calcular la perdida de espesor en un ducto de acero al carbono
que transporta hidrocarburos en la industria del petróleo, se analizarán los resultados
de la inspección mediante el empleo de equipo instrumentado ('Diablos') del año 1994
y 2004.
4.3.2 Recolección de los Datos
En la Tabla 4.6 se muestra el comportamiento de los primeros bloques
de datos de la inspección del año 1994 y 2004. En la inspección del año 1994 se
obtuvieron 12790 datos y en el 2004 2149 se obtuvieron datos. Esto indica que
comparando los datos del año 1994 y 2004, por cada 600 datos del año 1994 tenemos
100 datos del 2004. Ver las corridas en la tabla de Anexos C.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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Tabla 4. 6 Pérdida de Espesor del año 1994 y 2004
Fuente: Elaboración Propia
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 72
4.3.3 Análisis de los Datos
En la Figura 4.5 se muestra el análisis de los datos. Los datos se
dividieron o segmentaron en 22 bloques de los años 1994 y 2004. Estos datos tienen
características semejantes cada uno de ellos y se colocan en el nivel correspondiente
respecto a su rango. Se tienen tres intervalos, donde se colocan los datos
dependiendo de su valor de desgaste. Se usó un código de colores para clasificar el
grado de desgaste. Por ejemplo, el color verde representa bajo desgaste en el
material. El amarillo un punto intermedio entre un desgaste mínimo y máximo
(registrados en los datos obtenidos de las corridas). El rojo representa un desgaste
máximo. El rango para cada segmento se determina conforme a la norma de
PEMEX,(PEMEX S. T., 2009) donde los limites para las ramuras de los ductos es de
profundida mayor del 10% de espesor nominal; en el punto 2.3.2 se determino el
espesor minimo requerido y calculando el 10% del espesor minimo requerdio se
obtiene que es 1.06 para cada segmento.
En la Figura 4.4 se observan los 22 bloques. Cada bloque contiene el
promedio de cada rango del desgaste.
Figura 4. 4 División de los Datos en Segmentos del año 1994 y 2004 Fuente: Elaboración Propia
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 73
Continuación de la Figura 4. 4 División de los Datos en Segmentos del año 1994 y 2004 Fuente: Elaboración Propia
4.3.4 Diseño del Modelo para el
Análisis del Desgaste de un
Ducto ASTM A-53B SCH 40 para
medir el Desgaste.
Los ductos operan a una presión determinada por la industria petrolera,
la presión de operación es del 26% (PEMEX, 2007). Por lo tanto, el trabajo de
investigación Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40, está sujeto al
porcentaje de presión que operan los ductos.
Con base en la normatividad de PEMEX un ducto estará operando
siempre y cuando la pérdida de espesor sea menor al 10% del espesor nominal
(PEMEX S. T., 2009). Considerando que la vida útil de un ducto se estima de 20 años;
sin embargo, ésta depende principalmente del mantenimiento preventivo, actualmente
la industria petrolera en México operan con ductos que tienen más de 35 años (Avila,
2005).
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 74
Para diseñar el modelo se utilizó el software AnyLogic R6 Professional;
la Figura 4.5 muestra cómo se construyó el modelo para el Análisis del Desgaste de
un Ducto ASTM A-53B SCH 40. La simulación se realizó en una computadora que
cuenta con las siguientes características:
Procesador de Pentium(R)Dual-Core CPU T4200,
Velocidad del Procesador 2.00 GHz, Memoria (RAM) 3.00 GB y un
Sistema Operativo 64 bits.
Figura 4. 5 Elementos para la Construcción del Modelo Fuente: Elaboración Propia
En la Figura 4.5 se tienen los elementos que se necesitan para
construir el modelo del desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40: A continuación se
describen cada uno de los elementos.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 75
Parameter: Se llama “Parámetro” es normalmente una constante. El
parámetro se cambiará sólo cuando se necesita ajustar su comportamiento del modelo
y estará relacionado con las variables.
Flow Aux Variable: Es la “Variable de Flujo” donde se estructura la
operación a desarrollar. La variable de Flujo tendrá relación con los “Parámetro” y
cuando esta combinación se lleve a cabo se representará con una flecha con por
ejemplo:
Velocidad= ((Q*0.00378)/60)/((PI*Math.pow(D*0.0254,2))/4)
Stock Variable: Este elemento “Almacena el Resultado” y en dinámica
de sistemas almacena y representa el proceso de acción del modelo.
4.3.4.1 Diseño de los parámetros, para el Análisis del Desgaste de
un Ducto ASTM A-53B SCH 40.
A continuación se mostrará cómo se estructuraron los parámetros y las variables:
Figura 4. 6 Parámetros en el Análisis Del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Fuente: Elaboración Propia
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 76
Parámetros: En la Figura 4.6 se observa la pantalla del Software AnyLogic, para
obtener los parámetros en la parte derecha de la pantalla se encuentran varios
desplegados entre ellos está 'System Dynamics' donde se encuentran los parámetros
y se desplaza el icono 'parameter'. En los recuadros de color rojo señala los
parámetros utilizados en el análisis del desgaste del ducto bajo estudio; para ingresar
su valor en la en la parte de debajo de la pantalla se encuentra la opción 'Propieties'
donde se introduce el valor del parámetro en 'Default Value'.
Variables de Flujo:
En la Figura 4.7 observamos que en la pantalla del Software
AnyLogic, para obtener las Variables de Flujo, en la parte derecha de la
pantalla se encuentran varios desplegados entre ellos está la opción 'System
Dynamics' donde se encuentran las Variables de Flujo y se desplaza el icono
'Flow Aux Variable'. En el recuadro de color verde señala las variables de flujo,
utilizadas en nuestro caso de estudio; por ejemplo, para ingresar el valor (de la
variable) en la en la parte de debajo de pantalla se encuentra la opción
'Propieties' donde se escribe la fórmula y el nombre en la opción 'name'. La
unión de las fechas es en automático cuando en la fórmula se nombra el
parámetro deseado.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 77
Figura 4. 7 Variables de Flujo en el Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH
40
Fuente: Elaboración Propia
Variables de Stock:
En la Figura 4.8 se tiene la pantalla del Software AnyLogic, para
obtener las Variables de Stock. En la parte derecha de la pantalla se encuentran
varios desplegados entre ellos está 'System Dynamics' donde se encuentran las
'Variables de Stock' y se desplaza el icono 'Stock Variable'. En el recuadro de color
amarillo señala las variables de stock, utilizadas en nuestro análisis; por otro lado,
para ingresar su valor en la en la parte de abajo de la pantalla se encuentra
'Propieties' donde se escribe en la parte de 'name' el nombre y la operación que se
desea realizar. La unión de las fechas es en automático entre las variables de flujo
y variables de stock al ingresar la operación.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 78
Figura 4. 8 Variables de Stock en el Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Fuente: Elaboración Propia
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 79
4.3.4.2 Modelo de Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
A continuación se muestra en la Figura 4.9 el resultado obtenido del
Modelo Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40, midiendo el
desgaste del año 1994 al 2004.
Figura 4. 9 Sistema Dinámico del Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Fuente: Elaboración Propia
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 80
4.3.4.3 Porcentaje de Operación para el Análisis Del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Figura 4. 10 Porcentaje de Operación al 26% del Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Fuente: Elaboración Propia
En la Figura 4.10 se muestra el futuro desgaste obtenido del Modelo
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40, a un 26% de operación.
De acuerdo con los datos obtenidos de las corridas del equipo
instrumentado de inspección de ductos ('Diablos/Diablitos') y considerados en el
análisis, se observa en la Figura 4.10 que los resultados obtenidos varían en un rango
de 19 a 42 años. Esto es con los datos divididos en un total de 22 bloques, las
'proyecciones' futuras de tiempo de vida de los bloques de ductos es muy variada
para la longitud considerada en el análisis.
Por ejemplo, si consideramos el bloque 1, de la Figura 4.10, se observa
una 'proyección' de tiempo de vida de 28 años (y 5 meses). Por otro lado, para el caso
del bloque 21, se observa una 'proyección' de 42 años (y 4 meses).
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 81
La obvia pregunta que surge de los resultados mostrados en la Figura
4.11 es la siguiente: ¿por qué tanta variación? ¿Las características de la sección del
ducto inspeccionada por el 'Diablito' no es uniforme? Se puede argumentar que los
bloques considerados en el análisis muestran diferentes características del ducto
considerado en el análisis. Una explicación de dicha variación de los resultados de la
Figura 4.10 puede ser que varias secciones del ducto han sido efectivamente
renovados y otros todavía siguen operando desde hace varios años cuando fueron
instalados. Por ejemplos, los bloques 18-21, tienen una 'proyección' de vida de 42
años (posiblemente éstas secciones de ductos han sido renovados recientemente);
por otro lado, el bloque 1B, al parecer es el más crítico con un 'proyección' de vida útil
de 19 años.
Dado lo anterior, la sección del ducto que transporta Diesel más crítico
es la que corresponde al bloque 1B y dado que los datos obtenidos fueron del 1994 y
2004, requiere un reemplazo.
En la sección de discusión del capítulo 5 se presentan más detalles de
otras corridas que se realizaron así como algunas limitaciones de la investigación.
4.4 Cuarta Fase: Establecer Controles e Implantación
de la Solución.
Para establecer los controles en el Modelo de Análisis del Desgaste de
un Ducto ASTM A-53b SCH 40, se ha diseñado una interfaz gráfica de Usuario, para
calcular la pérdida de energía y el desgaste del ducto.
La interfaz gráfica de usuario se realizara en el software AnyLogic R6
Professional.
En la Figura 4.11 se muestra como está distribuida y como está
constituido cada elemento de la interfaz gráfica de usuario, para calcular la pérdida de
energía y el desgaste del modelo:
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 82
Figura 4. 11 Elementos para Establecer los Controles en el Software AnyLogic R6 Professional
Fuente: Elaboración Propia
A continuación se describe la función de los elementos de la interfaz
gráfica de usuario mostrada en la Figura 4.11.
En la parte de Presentation elegimos el icono:
Text Se llama “Texto”, posee la función de presentación para poner
etiquetas con algunos comentarios o descripciones para el modelo.
En la parte de Controls se elige el icono:
Slider Es el “Modificador de Valores” se utilizan comúnmente para la
modificación de los valores de las variables numéricas y parámetros en el modelo de
tiempo de ejecución, en el modelo para modificar los valores en el modelo.
En la siguiente Figura 4.12 se muestra la pantalla final y la interfaz
gráfica de usuario para calcular los valores de los parámetros en el modelo.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 83
Figura 4. 12 Interfaz Gráfica de Usuario del Modelo de Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Fuente: Elaboración Propia
4.5 Resumen del Capitulo
En el Capítulo se aplicó la metodología de Churchman y Ackoff para el
modelo de Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40, haciendo los
cálculos asociados con el comportamiento del diesel desde la perspectiva de la
mecánica de fluidos de forma 'manual' y en el software AnyLogic. Los resultados
'manuales' coincidieron con los arrojados con el software empleado en el análisis; esto
permitió crear un modelo en el software para cualquier característica del fluido a
analizar (es decir se pueden variar variables de velocidad, viscosidad, caudal, etc.).
Finalmente se obtuvo un modelo para determinar el desgaste del ducto particular
considerado en este estudio y los tramos que se deben de cambiar.
La discusión y limitaciones del proyecto se presentan en el Capítulo 5.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 84
CAPITULO 5
DISCUSIÓN, CONCLUSIONES Y FUTUROS TRABAJOS
El Capítulo presenta una discusión así como las conclusiones más
relevantes del proyecto de tesis. El Capítulo está organizado como sigue: la sección
5.1 presenta una discusión de los principales resultados de la investigación. La
sección 5.2 presenta las conclusiones más relevantes. La sección 5.3 presenta
algunas consideraciones y limitaciones del estudio. Las perspectivas del futuro trabajo
se presentan en la sección 5.4.
5.1 Discusión del Modelo Análisis del Desgaste de
un Ducto ASTM A-53B SCH 40
La industria petrolera representa a la actividad socio-económica más
compleja que realiza la humanidad, pues intervienen de manera directa actividades
que van desde la planeación de la exploración hasta la comercialización de productos
derivados.
El sistema de transporte por ductos en nuestro país, consta de más de 58
000 km de tuberías dependientes de las cuatro subsidiarias sin contar los más de 14
mil kilómetros de líneas de descarga de pozos en operación que conforman Pemex,
los fluidos transportados son: crudo, gasolinas, diesel, gas licuado, gas natural y
productos petroquímicos, principalmente. En la actualidad los ductos son uno de los
principales sistemas de transporte de hidrocarburos. En el país hay instalados un poco
más de 50 mil kilómetros en tierra y cerca de 2 mil en el mar. Los diámetros del 67%
de las tuberías varían desde 3 pulgadas hasta 48 pulgadas de diámetro, para
transportar líquidos y gases. Los ductos comparten en gran medida los corredores de
los derechos de vía (DDV´s), donde se realizan las tareas y actividades de
operación, mantenimiento e inspección principalmente.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 85
La sección 1.1 ha mostrado que con el incremento en la demanda de
hidrocarburos, la sociedad se enfrenta a cuantiosos niveles de importaciones,
saturación de los sistemas de transporte por ductos y transporte marítimo, así como de
la capacidad de almacenamiento y distribución en las zonas de mayor demanda. Para
cumplir con el suministro de productos, ha sido necesario utilizar medios de transporte
de mayor costo por ejemplo, el 5.7% de los combustibles son transportados por auto-
tanques en comparación con el 3.4% en el 2000, con el consecuente deterioro de los
resultados financieros. Existe la tendencia de que siga creciendo la inversión en este
tipo de transporte, de no incrementarse la infraestructura en medios más baratos,
como son los ductos (SENER, 2013).
En el proceso de la revisión de la literatura también se encontró que
ocurren fallas en el sistema de ductos y que tiene consecuencias muy negativas en
términos de vidas humanas/lesiones/económicas/impactos negativos al medio
ambiente como en la sección 1.2 del Capítulo 1.
Es de gran importancia estudiar estos sistemas técnicos para tener un
mejor entendimiento de los mecanismos que conllevan a las fallas de los mismos.
Este proyecto de tesis se enfoca al estudio de un modelado del comportamiento de del
sistema en base a datos que se han obtenido mediante un sistema de diablos
instrumentado (ver Capítulos 2 y 4); así como también el efecto que se tiene en un
ducto de diferentes variables, tales como la corrosión, tipo de fluido, etc.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 86
Figura 5. 1 Resultados de la Ingeniería del Ducto con el Software AnyLogic R6 Professional
Fuente: Elaboración Propia
Este trabajo de tesis propone un modelo para determinar el desgaste de
un ducto que transporta diesel. El modelo está basado en un interfaz gráfico con el
empleo del software 'AnyLogic R6 Professional'. Para la generación de dicho interfaz
fue necesario llevar a cabo un análisis a detalle y de forma 'manual' del
comportamiento del ducto que transporta diesel desde una perspectiva de la teoría de
la mecánica de fluidos. Posteriormente, se modeló mediante el empleo del software
antes mencionado. Los resultados arrojados de forma 'manual' y los obtenidos
mediante el software coincidieron. La Tabla 5.1 muestra la evidencia de dichos
resultados.
Mediante los datos de inspección de la industria petrolera del año 1994 al 2004
se analizaron y se emplearon para la construcción del modelo. Las Figuras 5.2 y 5.3
muestran que las corridas del desgaste proporcionadas por la Industria Petrolera de
los años 1994 y 2004 son iguales que las obtenidas en el software AnyLogic R6
Professional.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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Figura 5. 2 Contraste del Desgaste de la Corrida del Ducto en el año 1994 en el Software.
Fuente: Elaboración Propia
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 88
Figura 5. 3 Contraste del Desgaste de la Corrida del Ducto en el año 1994 en el Software. Fuente: Elaboración Propia
En la interfaz gráfica de usuario realizada en el software AnyLogic R6
Professional, se podrán calcular todas las pérdidas de energía y del desgaste del
ducto sin recurrir a la Ecuación 4.5 (Capítulo 4) y a la normatividad de PEMEX en
relación al diseño (PEMEX S. T., 2009).
En la Figura 5.4 (se reproduce la Figura del Capítulo 4 ) se muestran
los resultados obtenidos de una 'proyección' del futuro desgaste obtenido a un 26% de
operación del ducto. En el capítulo 4 se discutió que para este porcentaje de operación
la sección más crítica del ducto fue la asociada con el bloque 1B (19 años) y que
posiblemente requiera de una atención ya sea un cambio de ducto o mantenimiento.
Sin embargo, durante el análisis surgió la siguiente pregunta: ¿qué pasa
si el ducto opera a un porcentaje mayor al 26%? Para contestar a la pregunta se
llevaron a cabo corridas para los siguientes porcentajes: 50%, 75% y 90%. Los
resultados se resumen en la Figura 5.5.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 89
Figura 5. 4 Porcentaje de Operación al 26% del Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Fuente: Elaboración Propia
Figura 5. 5 Diferentes Porcentaje de Operación del Ducto
Fuente: Elaboración Propia
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 90
Continuación de la Figura 5. 5 Diferentes Porcentaje de Operación del ducto
Fuente: Elaboración Propia
De los resultados mostrados en la Figura 5.5 muestran lo esperado. Es
decir, al aumentar el porcentaje de la capacidad de operación del ducto disminuye su
periodo de vida. Por ejemplo, la sección del ducto asociado con el bloque más crítico
(bloque 1B) se obtuvo 10 años, 6 años y 5 años para los porcentajes 50%, 75% y
90%, respectivamente. El mismo efecto ocurrió con el caso del bloque menos crítico
(por ejemplo el bloque 20), es decir se obtuvo lo siguiente: 22 años (50%), 14 años
(75%), y 12 años (90%).
En general, el modelo tiene el potencial de poder hacer una 'proyección'
a futuro del desgaste de cualquier ducto; sin embargo, tiene limitaciones. Las
secciones posteriores presentan algunas consideraciones y limitaciones del modelo.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 91
5.2 Conclusiones
5.2.1 Conclusiones en relación a los Objeticos Planteados
A continuación en la Tabla 5.1 se muestran las conclusiones de la
investigación y desarrollo del trabajo de tesis en relación con los objetivos planeados
al inicio del proyecto.
Tabla 5. 1 Conclusiones De Los Objetivos
Fuente: Elaboración Propia
5.2.1 Conclusiones en Relación al Modelo
En este trabajo se demostró conforme a las normatividades de PEMEX
y especificaciones para ductos la importancia de su cumplimiento. También el análisis
de las pérdidas de energía para el modelo de Análisis del Desgaste de un Ducto
ASTM A-53B SCH 40 en la industria del petróleo. Con ello se realizó una interfaz
gráfica del usuario para interactuar de manera gráfica y sencilla con el usuario de
operación y así poder calcular todas las pérdidas de energía que se tienen en el
presente modelo.
El modelo propuesto tiene el potencial se ser usado para cualquier
sistema de transporte de ductos de cualquier derivado del petróleo. Sin embargo, tiene
limitaciones; ver la siguiente sección.
OBJETIVOS REALIZADOS :
Revisión Bibliográfica de los ductos, sistemas de mantenimiento e instrumentación.
Investigación del estado del arte para resolver la problemática.
Diagnóstico y análisis de la metodología.
Desarrollo y construcción del modelo para el Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Construcción de una interfaz gráfica de usuario para calcular la pérdida de energía en el modelo.
Documentar los resultados de la investigación.
Desarrollo del Análisis e Interpretación de los datos Reales de las corridas del desgaste del ducto contrastando los resultados obtenidos en el Software en la Simulación del Modelo.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 92
5.2.1 Conclusiones en Relación al Enfoque Empleado en el Análisis
En la sección 2.3.2.1 del Capítulo 2 se argumentó que dadas las
características de la 'problemática' que se abordó en este trabajo de tesis, el enfoque
sería de lo que se conoce como un sistema 'duro'; es decir, el problema del desgaste
del ducto bajo estudio está bien definido. La teoría de la mecánica de los fluidos
permitió estudiar éste fenómeno. Finalmente, no hubo problemas relacionados con la
claridad de los objetivos y no se presentaron conflictos sobre los diferentes puntos de
vista de las participantes del proyecto (característica de un sistema 'suave').
Sin embargo, se puede argumentar que para una solución real, por
ejemplo, de la problemática de la integridad de los ductos que transportan derivados
del petróleo tienen necesariamente que ser considerados los enfoques 'suave' y duro'
de la problemática. En este sentido, los resultados aquí presentados desde la
perspectiva de sistemas 'duros' no es suficiente para lograr una solución real.
5.3 Consideraciones y Limitaciones
5.3.1 Consideraciones
a) Para la construcción del modelo de la desgaste del ducto, se revisó la literatura
para conocer la parte teórica de las pérdidas de energía que se generan en el
ducto de transporte de diesel y la normatividad de PEMEX en relación al diseño
de ductos de Pemex (PEMEX S. T., 2009).
b) Se calcularon las pérdidas de energía con los datos de la Tabla 4.2 (ver capítulo
4), sin tomar en cuenta el Diagrama de Tuberías e Instrumentación (DTI) ya que
no contamos con la información.
c) Se emplearon datos obtenidos mediante la inspección llevada a cabo por
'Diablos' del año 1994 al 2004 para la construcción del modelo.
d) En el análisis no se consideraron otras pérdidas de energía por accesorios; por
ejemplo, válvulas, bombas, codos, etc. Ver Capítulo 2.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 93
5.3.2 Limitaciones
En la Tabla 5.2 se describirán las limitaciones de la Investigación en el
diseño de este trabajo de tesis que obstaculizaron la ejecución de la investigación en
los procedimientos utilizados para la recolección, procesamiento y análisis de los datos
para el modelo de Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40 en la
industria del petróleo .
Tabla 5. 2 Limitaciones De La Investigación
LIMITACIONES EJEMPLO
FALTA DE INFORMACIÓN Información sobre el DTI, para realizar el estudio completo de la pérdida de energía del modelo.
Sin embargo los resultados fueron óptimos por contar la información pertinente para el estudio del ducto.
CORRIDAS CON EL INSTRUMENTO DE INSPECCIÓN
El análisis del futuro desgaste se logró obtener con datos históricos del comportamiento del ducto.
Sin embargo solo se puede saber el comportamiento del ducto con datos históricos.
CALIDAD DE LOS DATOS El análisis se basó en los datos proporcionados por Pemex y no hubo manera de corroborar la calidad de los datos.
Fuente: Elaboración Propia
Finalmente, es muy importante destacar la limitación del modelo. El modelo puede
emplearse para hacer una proyección futura del desgaste de ductos siempre y cuando
se tengan los datos, por ejemplo, de corridas de 'diablos'. De lo contario el modelo no
se puede usar.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 94
5.4 Futuros Trabajos
En este trabajo de tesis se generan los siguientes futuros trabajos:
En el cálculo de la perdida de energía, considerar del DTI para complementar
el modelo de pérdida de energía en accesorios (codos, válvulas, tubería tipo T,
etc.)
Afinar el modelo con los datos del año 2014 para contrastar los años de vida
del ducto.
Aplicar la estructura del modelo para focalizar el tiempo de vida para diferentes
tipos de ductos o fluidos.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
Lic. Edith Gabriela Rodríguez Rojas 95
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Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
101
ANEXOS
ANEXO A: ACCIDENTES OCURRIDOS EN MÉXICO Y
OTROS PAÍSES
A1. Accidentes Ocurridos en la Industria del Petróleo a
Nivel Internacional
En el mundo actual, con grandes adelantos científicos y tecnológicos, el
tema de energía y en especial el del petróleo es de gran importancia para el
desarrollo; indudablemente la industria del petróleo es la fuente de energía más
importante en la sociedad moderna.
El crudo suministra aproximadamente un 55% de la demanda mundial
de energía y es también la principal fuente de energía primaria virtualmente en todos
los países; el gas natural suministra un 17% de la demanda de energía pero
contrariamente al petróleo, su uso está concentrado en relativamente pocos países.
(Enrique, 1987).
Ya que el petróleo es un producto esencial para muchas industrias, y es
de vital importancia para el mantenimiento de la misma civilización industrializada, por
lo que se considera una industria crítica en la mayoría de las naciones. El petróleo
alimenta un porcentaje muy alto del consumo de energía del mundo, entre el 32% de
Europa y Asia hasta el 53% de Oriente Medio. En otras regiones geográficas el peso
energético del petróleo es el siguiente: Sudamérica y América Central (44%), África
(41%) y Norteamérica (40%).
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
102
La exploración, extracción, transporte, refinación del petróleo y gas es
una de las actividades que causa gran impacto en el medio ambiente, sin embargo, en
muchas ocasiones es la parte que más se descuida en esta cadena, es por ello que se
debe hacer una investigación exhaustiva de la contaminación ambiental y fenómenos
tales como el calentamiento global, cambio climático y los cambios en los ciclos
biogeoquímicos asociados a estos procesos industriales.
Además se han reportado gran cantidad de derrames, fugas de gas,
crudo en cada una de las etapas del proceso en la industria petrolera alrededor del
mundo y en particular en México. Este tipo de eventos suceden con mucha frecuencia
aunque se distinguen por su magnitud y gravedad de consecuencias ambientales.
En la historia mundial han quedado registrados grandes catástrofes
relacionadas con los derrames, fugas de crudo y gas desde los años de 1878 que se
comenzó a transportarse el crudo hasta el año 2014; ver Tabla A1.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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Tabla A1. Accidentes Ocurridos En La Industria Del Petróleo A Nivel Internacional
AÑO LUGAR CONSECUENCIAS
1960 Brasil El buque Sinclair Petrolore derramó petróleo. (Miguel,2010)
1967 Francia El naufragio del petróleo liberiano Torrey Canyon causó marea negra por el derrame de petróleo.
1972 Sudáfrica La colisión de dos petroleros liberianos El Taxanita y el Oswego Guardian, provocó el derrame de crudo.
1975 Estrecho de Malaca
El petrolero japonés Showa Maru naufragó con petróleo.
1976 Francia El buque Olimpyc Braveary con una carga de petróleo se partió en dos frente a la costa norte de Quessant.
1976 Galicia Se derramó crudo al incendiarse el superpetrolero español Urquiola.
1978 Francia El petróleo de bandera liberiana Amoco Cádiz naufragó y derramó crudo contaminando playas.
1983 Sudáfrica El naufragio del petróleo español Castillo de Bellver frente al cabo de Buena Esperanza derramó crudo y provoco una mancha.
1989 Alaska El buque estadounidense Exxan Valdez vertió al agua causando una marea negra.
1990 Reino Unido Desastre de la plataforma marina Piper Alpha.
1991 Irak Causada por una marea negra al arrojar a las aguas del Golfo Pérsico crudo de los pozos de Kuwaitíes.
1992 Costa Gallegas El buque griego Mar Egeo encalló y provocó marea negra.
1993 Sumatra El superpetrolero danés Maersk Navigator provocó marea negra afectando los depósitos de coral y vida marina los más ricos del mundo.
1994 Rusia La ruptura de un oleoducto en la república autónoma de Komi, derramó petróleo.
1996 Gales Sea Empress embarrancó y derramó crudo.
1998 Mar del Norte Explosiones destruyeron completamente la plataforma marina de crudo y gas Piper Alpha. (Cullen,1990)
2003 Pakistán El buque The MV Tasman Spirit se parte en dos y vierte crudo que transportaba.
2007 Corea del Sur Se vertió al mar crudo y causaron una marea negra.
2009 Ecuador Se vierte petróleo en Santa Rosa a 100 kilómetros de Quito, al romperse un oleoducto a causa de un fenómeno natural.
2010 Golfo de México La plataforma Deepwater Horizon de British Petroleum provocó explosión, incendio y hundimiento a causa del crudo derramado; una gran mancha contaminó humedales en el Delta del Misisipi.
2011 Alaska La compañía petrolera British Petroleum ha anunciado la fuga de uno de sus oleoductos, donde aceite, una mezcla de metanol, agua y aceite fueron vertidos.(Octavio, 2011)
2012 Londres Petróleo derramado por el gasoducto de 40 años de edad.
2013 Argentina Con cuatro derrames en sólo once días y, en dos casos, el hidrocarburo llegó hasta el río Colorado (cuenca compartida por cinco provincias).
2014 Argentina El crudo ya llegó a pequeñas quebradas de la zona, y las autoridades temen una nueva emergencia ambiental.
Fuente: Elaboración Propia
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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A2. Accidentes Ocurridos en la Industria del Petróleo
en México.
En nuestro país la industria de petróleo lleva por nombre Petróleos
Mexicanos (PEMEX), y su función es la explotación de los recursos energéticos
principalmente petróleo y gas natural en territorio mexicano desde 1983. El 20 de julio
del mismo año, empezó a operar para ser la única compañía que pudiera explotar y
administrar los yacimientos de petróleo encontrados en el territorio mexicano. PEMEX
ocupó algunas de las instalaciones de las compañías expropiadas. En la Tabla A2 se
muestran algunos accidentes ocurridos en la Industria Petrolera en México.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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Tabla A2. Accidentes Ocurridos En La Industria Del Petróleo En México.
AÑO CONSECUENCIAS
19-11-1984 En las instalaciones de San Juan Ixhuatepec, estado de México hubo una explosión por una fuga de gas que provocó una explosión en cadena de varios de estos depósitos que generó una bola de fuego de centenares de metros en una zona muy habitada.
22-04-1992 En Guadalajara, capital del estado de Jalisco, una fuga de gasolina de un ducto de Pemex se vertió al subsuelo y al sistema de drenaje, lo que causó una explosión.
18-11-1998 El choque de dos helicópteros que transportaban personal de Pemex a las plataformas petroleras en las costas del estado de Campeche, en el Golfo de México.
21-12-2001 Una fuga de gasolina origina varias explosiones en la torre fraccionadora “Miguel Hidalgo“, en Tula.
04-01-2002 Una explosión por una fuga de gas en la refinería “Miguel Hidalgo”.
05-06-2003 Explosión de dos ductos, uno de gas natural y otro de gasolina, en el lugar conocido, como La Balastrera, cerca de Ciudad Mendoza.
15-11-2003 Explosión en el interior del Complejo Petroquímico Pajaritos, asentado en el municipio de Coatzacoalcos, en la zona sur de Veracruz.
18-.11-2003 Explosión en el calentador BA701DE LA PLANTA HIDRODESULFULADORA de destilados intermedios número 1 de la refinería Miguel Hidalgo, ubicada en Tula.
22-12-2004 Una explosión y posterior incendio en un pozo y estación de bombeo Mazumiapa, registrada en el municipio de Santiago.
31-12-2004 Se registra un derrame de crudo en Cunduacán,Tabasco, en el oleoducto que transporta aceite crudo del área de trampas de la central de almacenamiento y bombeo de la terminal marítima de Dos Bocas.
26-01-2005 Hay un derrame en el oleoducto de 30 pulgadas Nuevo Teapa-Poza Rica a la altura de Hueyapan de Ocampo, Veracruz.
15-04-2005 Explosión del amoniaducto de la empresa privada Reparaciones Navales y Petroquímica de Coatzacoalcos (Renapsa).
17-10-2006 Explosión seguida de un incendio en el buque tanque “Quetzalcóatl” de la Terminal Marítima de Pajaritos.
05-07-2007 Un total de cinco explosiones, cuatro de ellas seguidas de incendios, se suscitan en ductos de gas de Pemex de tres municipios de Guanajuato.
23-10-2007 Hubo un saldo de una fuga descontrolada de aceite y gas en el pozo Kab 101, golpeado por la plataforma petrolera Usumacinta,Campeche.
26-10-2007 En Veracruz, el derrame de hidrocarburos que se suscrita en el municipio de Jesús Carranza, en un ducto de 30 pulgadas de diámetro.
15-11-2008 Una explosión de un ducto transportador de metanol en la comunidad Platano y Cacao, en la zona limítrofe entre los municipios de Centro y de Cunduacán.
17-06-2009 Se registra un estallido en la comunidad de Francisco J.Mújica, municipio de Cunduacán, a unos 20 kilómetros de Villahermosa, en el tramo Trampas-Samaria II-Nudo Cárdenas.
10-02-2010 Explosión causada por la fuga en el compresor 3800 de recirculación de hidrógeno de la planta hidrodesulfuradora de gasóleos de la refinería de Cadereyta.
19-12-2011 Una fuga de combustible, explosión y un incendio en un oleoducto en la población de San Martín Texmelucan, en el estado de Puebla.
18-09-2012 Se registró una explosión y un incendio en la en una planta de gas de Pemex Exploración y Producción (PEP) ubicada a 19 kilómetros de Reynosa, en el nororiental estado de Tamaulipas.
31-01-2013 Cuando una supuesta acumulación de gas que provocó la explosión en el piso subterráneo del edificio B2 del corporativo administrativo de la Ciudad de México. (Francisco,2013)
16-08-2014 Un derrame de crudo en el río San Juan de Nuevo León, provocado por una toma clandestina en el oleoducto Madero-Cadereyta de Petróleos Mexicanos (Pemex).
Fuente: Elaboración Propia
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ANEXO B: EQUIPOS INSTRUMENTADOS ('DIABLOS')
Este equipo instrumentado y de limpieza que se utiliza comúnmente en
las estructuras que transportan hidrocarburos, para el análisis de integridad, limpieza o
simplemente mantenimiento y es necesario definirlos.
B1. Tipos de Equipos instrumentados 'Diablos'
“Los vehículos inteligentes de inspección interna son llamados
comúnmente como diablos y existen diferentes tipos, de los cuales se definirán los
más importantes. Existen 2 tipos principales de diablos: Los diablos de limpieza y los
diablos instrumentados de los cuales mencionados anteriormente tienen subdivisiones
en otros más específicos pero cada uno con una función diferente, así como sus
ventajas y limitaciones, las cuales mencionaremos a continuación.
B1.1 'Diablos' de Limpieza
“La función de la corrida de limpieza es la de mejorar y mantener limpia
la superficie interna de los tubos, removiendo y eliminando los contaminantes y
depósitos. Hay una gran variedad de tipos de Diablos en el mercado, con diferentes
capacidades de limpieza, los hay de navajas, copas, cepillos, superficie abrasiva,
semi-rígido, esferas, espuma, poliuretano, etc.
El Ingeniero Especialista en corrosión seleccionará el más adecuado
considerando:
La capacidad del “diablo” para remover los contaminantes.
Costo.
La posibilidad de que pase los segmentos del ducto y accesorios que pudiesen
tener reducciones.
Compatibilidad con el fluido.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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Para elegir el diablo que se debe utilizar para la limpieza en un ducto,
se debe tomar en cuenta lo siguiente:
Material de la tubería.
Diámetro nominal de la tubería.
Diámetro máximo y mínimo de la tubería.
El fluido que maneja la tubería, ya sea crudo, gas, etc.
La presión normal y máxima del fluido disponible para propulsar al diablo.
Tipo de curvas del ducto tomando en cuenta el diámetro interior, el radio
mínimo y el ángulo máximo.
En las válvulas de compuerta por donde debe pasar el diablo, se toman en
cuenta tipo, serie y diámetro mínimo interior.
La máxima distancia que va a recorrer.
B1.2 'Diablos' Instrumentados
Un importante recurso empleado en el mantenimiento a ductos (de
reciente desarrollo), son los diablos instrumentados. Los principios de operación son
por ultrasonido y por modificación del campo magnético, cada uno tiene sus ventajas y
limitaciones. El registro obtenido de la corrida de diablos nos proporcionará
información que permitirá realizar actividades de mantenimiento preventivo con la
oportunidad debida. En la sección 2.3.3.2 del Capítulo 2 se presentó a detalles los
tipos de equipos instrumentados usados en ductos.
B1.3 Acondicionamiento del Ducto
Además del acondicionamiento de las trampas de “diablos” ver
siguiente sección), previamente a la inspección con el equipo instrumentado, el
usuario optará por realizar, según el caso, todos o algunos de los siguientes pasos:
Corrida de “diablos” de limpieza.
Corrida de “diablos” de limpieza magnético.
Corrida de “diablos” con placas calibradoras.
Corrida de “diablos” geómetra.
Corrida de “diablo” simulador “dummy”)
Corrida de “diablo” instrumentado.
Análisis del Desgaste de un Ducto ASTM A-53B SCH 40
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A continuación se presentan algunos ejemplos de éstos:
B.1.3.1 Diablo de Limpieza
Es un dispositivo para limpieza, eliminar aire y para verificar
dimensiones interiores del tubo. Ver Figura B1.
Figura B1 Diablo de limpieza Fuente: GL Noble Denton.
B.1.3.2 Diablo Geómetra
Dispositivo que se utiliza para verificar la existencia de abolladuras,
dobleces y ovalamientos en el ducto. Ver la Figura B2.
Figura B2 Diablo Geómetra Fuente: GL Noble Denton.
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B.1.3.3 Diablo Simulador o Dummy
Equipo de peso y longitud equivalente a la del diablo instrumentado. Su
propósito es verificar que el diablo instrumentado pase a lo largo de todo el ducto. Ver
por ejemplo la Figura B3.
Figura B3 Diablo Simulador Fuente: GL Noble Denton.
La dependencia que tenga a su cargo el mantenimiento de ductos
deberá establecer y cumplir programas para vigilar periódicamente las condiciones de
la tubería, de la superficie del terreno, las áreas adyacentes a los derechos de vía, así
como el estado de la señalización preventiva, informativa y restrictiva y de los sistemas
de protección catódica, para dictar de inmediato los trabajos procedentes y conservar
su buen estado. (García, 2010).
Es importante mencionar que para llevar a cabo una corrida de diablo
para la inspección de un ducto, es necesario seguir una secuencia de pasos y normas
antes de la inspección al ducto, primero se debe de introducir el diablo polypig para
verificar el diámetro del ducto, después se introducen los diablos de limpieza, ya sean
de discos o escobillas, una vez limpio el ducto se le introduzca el diablo instrumentado,
el cual determinará el estado físico en el que se encuentra el ducto.
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B2. Trampas de Equipos Instrumentados ('Diablo')
Es el arreglo de tuberías, conexiones y accesorios de un ducto que se
requieren para el lanzamiento y/o recibo de dispositivos, diablos de limpieza
(émbolos), calibración u otros servicios.
Las trampas diablo, son importantes para poder introducir el equipo
instrumentado al sistema de tuberías que se inspeccionarán. Por ello, es necesario
definirlas.
Es el arreglo de tuberías, conexiones y accesorios de un ducto que se
requieren para el lanzamiento y/o recibo de dispositivos, diablos de limpieza
(émbolos), calibración u otros servicios.
Las trampas de diablos están consideradas como obras especiales,
debido a que hay una interrupción en la secuencia de la misma obra a lo largo de una
línea (lingada) requiriéndose cuadrillas, equipos y sistemas de trabajo diferentes a los
que se usan en una línea común. (García, 2010).
En la instalación de las trampas diablos y todos sus componentes es
necesario tomar medidas adecuadas para evitar accidentes poniendo señalamientos y
vigilancia cercana al lugar, recordando que el desfogue de un gas es altamente
peligroso y no debe de ser una práctica de operación normal, por lo tanto debe
hacerse con mucha precaución y debe estar lejos de algún lugar de ignición, así pues
como los trabajadores deberán tener una capacitación previa al trabajo a realizar y
portar su equipo de seguridad.
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B2.1 Tipos de Trampas de Diablos
Existen 2 tipos de trampas diablo: la trampa de envío de diablos y la
trampa de recibo de diablos. En este capítulo se menciona la función de cada una de
ellas, que como su nombre lo indica, tienen por objeto el enviar por un lado de una
cierta tubería el diablo (de inspección o limpieza o cualquiera), así como recibirlo al
otro extremo de la tubería en la trampa de recibo de diablo. A continuación solo
mencionaremos las partes más importantes que llevan las trampas de envío y recibo
de diablos, mencionando que también se toman en cuenta las estructuras y soportes
que las sostienen.
B.2.1.1 Trampa de Envío para Diablos
Sirven para enviar el diablo dándole impulso para que se desplace hacia adelante.
“Los accesorios principales de la trampa de envío son:
1) Válvula de flujo
2) Válvula de desfogue (quemador o a un cárcamo)
3) Válvulas de pateo (interconectada entre el barrilete y el flujo
4) Cubeta o barrilete
5) Válvula de barrilete
6) Charnela o tapa de barrilete
7) Tomas para indicadores de presión (manómetros)
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Figura B4 Trampa de envío de diablos Fuente: (PEMEX, 2012)
B.2.1.1 Trampa de Recibo para Diablos
Su función es la de recibir el diablo y consta casi de los mismos elementos que la
trampa de envío. Y los principales accesorios de la trampa de recibo son muy similares
pero a continuación mencionamos los más importantes:
Figura B5 Trampa de recibo de diablos Fuente: (PEMEX, 2012)
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1) Válvula de flujo
2) Válvula de barrilete
3) Válvula de desfogue
4) Charnela o tapa del barrilete
5) Tomas para indicadores de presión (manómetros)
6) Válvula y línea de By-pass
7) Línea adicional con la que cuentan algunas trampas para derivar los condensados".
Debemos mencionar que la trampa de envío y la trampa de recibo de diablos pueden
ser utilizadas de la manera correcta en que lleva la dirección del flujo o viceversa, es
decir que se puede utilizar una trampa de envío en una de recibo de diablos o de
forma inversa.
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ANEXO C: DATOS DE CORRIDAS DEL EQUIPO INSTRUMENTADO ('DIABLO') EN EL DUCTO BAJO
ESTUDIO DE LOS AÑOS 1994 Y 2004
Este Anexo C presenta solamente los datos más relevantes obtenidos mediante las
corridas del equipo instrumentado en la sección del ducto bajo estudio. Sin embargo,
es importante mencionar que la cantidad de datos obtenidos para los años 1994 y
2004 es considerable y que sería impráctico incluirlos en este reporte. La Tabla C1
muestra los datos del Bloque 1 (ver Figura 4.5 del Capítulo 4) de los años 1994 y la
Tabla C2 los correspondientes al año 2004.
Tabla C1 Datos del Año 1994 en el Bloque 1.
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Tabla C1 Continuación.
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Tabla C1 Continuación.
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Tabla C2 Datos del Año 2004 en el Bloque 1.
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ANEXO D: INFORMACIÓN TÉCNICA ADICIONAL
Este Anexo presenta información técnica adicional que sirvió para el análisis y los
resultados se presentaron en el Capítulo 4. Las Tabla D1 y D2 presenta datos técnicos
asociados, entre otras cosas, con las características de los materiales del ducto bajo
investigación.
Tabla D1 Especificaciones técnicas del ducto
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Tabla D2 Características del ducto de acuerdo a la norma ANSI
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