Reducción de Costes inducida por la utilización de tuberías de PE de pared estructurada en emisarios

submarinos de gran diámetro. Ventajas de la tubería de pared estructural de PE

Ulf A. Berg

Christian Vestman

Pablo Ramón Pablo Ramón Rodríguez

Delegado KWH Pipe Península Ibérica

Project Services

pablo.ramon@kwhpipe.comón

Introducción

Tras años de experiencia y evolución en los distintos tipos proyectos que involucran emisarios o inmisarios submarinos, parece claro que el polietileno de alta densidad (PEAD) se impone como principal protagonista en lo que a materiales se refiere. Su flexibilidad, y otras propiedades inherentes al polietileno, le dotan de grandes ventajas frente a otros productos. También, cada vez con más frecuencia, nos encontramos que las exigencias en cuanto a los diámetros son mayores. Lo que antes era un gran diámetro, hoy es un diámetro estándar. No es difícil encontrarse con emisarios para centrales de ciclo combinado de 2400 mm. de diámetro, desaladoras con tuberías de 3000mm. etc.

KWH Pipe en su afán por el desarrollo y la investigación de nuevas soluciones innovadoras, ha estado siempre pendiente de estas demandas. Fruto de ello, es la tubería de pared estructural Weholite® .

Hasta el momento, no ha sido posible proporcionar una solución a un emisario de diámetros grandes (>2000 OD.) con un tubo de polietileno de pared sólida (sería extremadamente caro debido al espesor necesario, y se necesitarían instalaciones de refrigeración especiales que garantizasen un buen acabado del tubo). Con el fin de cubrir este segmento de “diámetros grandes”, nace la tubería de pared estructural.

¿Qué es un tubo de pared estructural WEHOLITE®?

- Perfil hueco de configuración rectangular, soldadura espiral (continua), a la longitud deseada.

- Rango de tamaños, diámetro nominal DN/ID: DN/ID 400 → DN/ID 3500 mm.

- Material: Polietileno, HD-PE 100

Foto 1. Sección de Weholite

Figura 1. Tubo Weholite y sección del perfil

Los valores H, H1, L y L1 son función del diámetro interior, ID = ND y el valor de la rigidez circunferencial del tubo, SN. Hay 3 clases SN Standard:

1. SN 2 kN/m2, para aplicaciones especiales (instalaciones simples en tierra e instalaciones con cargas de tráfico moderadas).

2. SN 4 kN/m2, para todo tipo de aplicaciones, tuberías enterradas a profundidad, cargas de tráfico e instalaciones marinas.

3. SN 8 kN/m2, para muy específicas aplicaciones, instalaciones en tierra muy profundas, cargas de

tráfico pesado e instalaciones marinas.

Fotos 2 y 3. Fabricación de Weholite

Una tubería de pared estructural de PE como Weholite® se comporta más o menos idénticamente a una tubería de PE de pared sólida (maciza). La única diferencia se encuentra en la pared:

El tubo Weholite® tiene un perfil hueco rectangular, soldado en forma espiral.

La resistencia mecánica de Weholite® se puede calcular fácilmente para presión externa, presión interna negativa, para flexión y tensión, y para sobrepresión interna neta.

Atendiendo a la instalación, fondeo, operativa futura y seguridad general frente a las fuerzas medioambientales, Weholite® es similar al tubo de PE de pared sólida para aplicaciones marinas. De todas formas, habrá que calcular siempre los parámetros de fondeo, basados en las circunstancias específicas del proyecto, igual que para las tuberías de pared sólida, tales como profundidad de instalación, diámetro de la tubería, porcentaje de contrapeso, acciones de las olas etc.

De acuerdo con los estándares de calidad internos de KWH Pipe, Weholite® se fabrica siempre a partir de materia prima virgen, certificada como PE 100, la misma que se usa para tubos a presión, no se permiten materiales re-granulados. Llevamos a cabo un estricto control de calidad de todas las materias primas que usamos, examinando los parámetros de producción durante la fabricación y los productos elaborados en nuestros laboratorios, que se encuentran ubicados en todas y cada una de las fábricas de KWH Pipe.

Weholite® cumple además con los criterios de bajo coeficiente de rozamiento, según Manning n = 0.01 y Colebrook-White k = 0.03 mm., se fabrica de acuerdo con la EN 13476-1, para polietileno virgen, grado PE 100 y cumple la exigencia de rigidez circunferencial según la ISO 9969.

Ventajas y reducción de costes con WEHOLITE®

Partiendo de su propia configuración, al requerir menos material para su fabricación que un tubo de pared sólida, la primera ventaja es evidente: el coste por metro producido es menor, ya que se usa menos materia prima. Bastaría con pensar en un tubo de ID 3500: el SDR necesario en pared sólida lo haría totalmente inviable, y además, tendría serias dificultades para soportar su propio peso sin ovalizarse. Pero, además, debido a su fabricación y su estructura nos proporciona otras ventajas que van a repercutir directamente en la reducción de costes.

Sin límite de longitud

Por su proceso de fabricación, el perfil cuadrangular que sale de la extrusora, puede soldarse en espiral sin límite de longitud. El único límite, lo pondrán las regulaciones de transporte que rijan en cada país.

Así, es posible tener tramos de 18 metros o mayores, lo cual minimiza los costes de manipulación, por ejemplo de maquinaria auxiliar para descarga.

Además, esto implica unas ventajas adicionales:

- Al ser tramos más largos, no son necesarias soldaduras cada 6 m, es decir, se reduce drásticamente el número de soldaduras a realizar, con lo cual, la repercusión del coste de soldaduras por metro lineal es mucho menor.

- Debido a la reducción del número de soldaduras, el tiempo de elaboración disminuye y por tanto disminuye el tiempo de utilización del terreno de la obra.

Por otra parte, no es necesario recurrir a otros materiales para las piezas especiales: codos, tés, bocas de hombre, etc. de cualquier ángulo, diámetro, pueden ser fabricados con Weholite®.

Fotos 5 y 6: Piezas especiales con Weholite®

Más ligero

Su ligereza hace que baste una simple excavadora para manejar, por ejemplo, tramos de 14 m de ID 2400.

Foto 7. Tramo de 14 m de Weholite® ID 2400

Esto, nos permite prescindir de grúas y reducir los costes de manipulación en obra. Las excavadoras son más ágiles y no necesitan tanto tiempo para posicionarse como una grúa.

Soldadura en obra

La soldadura se lleva a cabo por medio de una soldadora interna WLI-3500 (ver Foto 8).

Fotos 8 y 9. WLI-3500 y platabanda

El procedimiento es termofusión con aportación de material. Está diseñada para unir dos secciones de tubo Weholite® por medio de una extrusora de polietileno.

Entre ambos cantos de las dos secciones de tubo, se deja un hueco de 3 - 5 cm (según diámetros), se coloca una platabanda de metal alrededor de la junta de ambos tubos (ver Foto 9), por el exterior. Durante el proceso de soldadura, los cantos de los tubos se calientan con aire y PE fundido de aportación (el mismo material con el que se ha fabricado el tubo). Esto proporciona una soldadura fuerte, (full penetration) de la misma resistencia que la tubería en sí misma.

Los trabajos de soldadura son llevados a cabo por personal certificado, especialmente entrenados con el equipo y con gran experiencia profesional. Durante las operaciones de soldadura, se controlan todos los parámetros significantes, y quedan registrados.

Además en todo momento, el operario tiene control visual de toda la soldadura y su evolución.

Fotos 10 y 11. Control visual en todo momento

Por otra parte, al no haber ningún otro agente en la soldadura (metales, resistencias, etc) salvo polietileno, se genera una soldadura maciza y homogénea. Esto es de vital importancia, ya que no se generan puntos débiles ni zonas de concentración de tensiones, ni son un punto crítico durante el fondeo. El tramo o sección soldado tiene la misma rigidez tanto en sentido radial como axial, o lo que es lo mismo, la tubería conserva sus mismas características homogéneas a lo largo de toda su longitud (no hay campanas, enchufes, etc.).

Foto 12. Soldadura macizada y homogénea

Relleno del perfil

Entre las diversas características de Weholite®, la más importante, es la de poder rellenar su pared con materiales de distintos pesos específicos para su lastrado, consiguiendo así hasta el 20% en peso. Este método, patentado por KWH Pipe, consiste en inyectar una mezcla en el perfil, con diversos aditivos. El bombeo se realiza con las bombas habituales de hormigón (ver Fotos 13 y 14).

Figura 2. Relleno del perfil

Fotos 13 y 14. Bombeo para relleno del perfill

Ventajas de rellenar el perfil:

- Se puede elegir entre distintos materiales (mortero, calizas), dependiendo del peso específico que queramos conseguir.

- Se consiguen lastrados de hasta el 20%

- El material de relleno es mucho más barato que el hormigón

- El bombeo es muy rápido

- La tubería conserva la flexibilidad (ver Foto 15), puesto que el relleno no endurece nunca (Foto 16). A la mezcla que se bombea en el interior del perfil, se le añaden aditivos retardantes de fraguado, con el fin de que esta mezcla no endurezca nunca (< 1Mpa), y así poder seguir conservando una de las ventajas fundamentales del polietileno: la flexibilidad.

Foto 15. El tubo conserva la flexibilidad incluso relleno de mortero

Foto 16. Incluso tras varios meses, la resistencia del mortero será inferior a 1 Mpa.

Eliminación de los collares de hormigón para el fondeo

Consecuencia directa del relleno del perfil, y la que mayores ventajas económicas genera es la eliminación de los collares de hormigón para fondeo.

Cuando se instalan tuberías bajo el agua, debe tomarse en consideración la flotabilidad del tubo, debido a

la menor densidad del Polietileno respecto al agua (~5 %). Para resolver esto, se recurría siempre a los

collares de hormigón, que colocados cada pocos metros, lastraban el tubo pero generaban multitud de

inconvenientes.

Con Weholite®, estos collares desaparecen totalmente, ya que esta función de lastrado, la hace el

material que se bombea en el perfil.

Foto 17. Eliminación de los collares de hormigón

Esta nueva forma de acometer la ejecución de los emisarios y tomas submarinas, tiene claros puntos a su favor frente al uso de collares:

Mayor maniobrabilidad

Al no tener collares, la tubería se maneja más fácilmente, pues no “estorban” a la hora de manipularla, y a su vez no se corre riesgo de dañarla por deslizamiento de éstos durante el fondeo, o en la propia instalación. (Para un tubo de 3000 mm de diámetro interior la altura de los collares puede sobrepasar los 4 metros).

Foto 18. Mayor Maniobrabilidad

Eliminación del coste de los collares y su acopio

Desaparece el coste de los collares y de su ejecución (hormigón, ferralla, maquinaria auxiliar,

manipulación…), y el espacio que estaría destinado a acopiar los collares puede ser utilizado para otras

labores.

Eliminación de esfuerzos cortantes

Al colocar los “muertos” de hormigón, se están introduciendo cargas concentradas cada 6 m al tubo, que

se traducen en esfuerzos cortantes.

Figura 3. Cargas concentradas. Esfuerzos cortantes

El relleno del perfil de la pared de Weholite® es homogéneo y reparte las cargas sin concentrarlas, logrando una distribución homogénea a lo largo de la tubería.

Figura 4. Distribución homogénea de cargas de lastrado en Weholite®

Al contrario que con los contrapesos externos, Weholite® después de ser fondeado, descansará apoyado en toda su longitud en el lecho de la zanja submarina, y absorberá posibles asientos del fondo o fondos irregulares. En un tubo con contrapesos, si el fondo de la zanja no es uniforme, o si se producen asientos en los collares, existe el riesgo de dañar el tubo por exceso de flecha (positiva o negativa) en el vano entre los dos apoyos.

Menor número de globos de flotación

Dependiendo de los resultados de cálculo, con Weholite®, los globos de flotación necesarios para el fondeo son menos y más espaciados. Por ello, costes derivados de su instalación (submarinistas, barcos…) quedan reducidos al mínimo.

Fotos 19 y 20. Globos de flotación cada 30 – 40 m en vez de cada 6m.

Mejora de la rigidez circunferencial

La rigidez circunferencial mejora sustancialmente con el relleno del perfil. Así, un tubo de rigidez circunferencial estándar de 4 KN/m2 (SN 4), verá incrementada ésta en un 5% si el relleno es a base de una mezcla de calizas, y puede aumentar hasta un 27% si se rellena con mortero (ver Tabla 1).

MUESTRA Weholite®

SN (ISO)

[kN/ m2

] INCREMENTO

PERFIL VACÍO 4,2 0%

RELLENO CALIZA 4,4* 5%

RELLENO MORTERO 5,8* 27 %

(*) Estos valores no son usados para el cálculo, con lo que el factor de seguridad aumenta.

Con este incremento de la rigidez circunferencial disminuye la deformación y aumenta el factor de seguridad ya que mejora su resistencia a la abolladura. También mejora el momento de inercia axial.

Menor volumen de dragado y de cobertura

La ausencia de contrapesos externos influye directamente en la reducción del volumen de dragado. Un ejemplo práctico: para un emisario submarino de ID 3000, con una longitud de 3000 m el volumen de dragado será 11.000 m3 menor con Weholite®. Esto representa una clara y enorme reducción de costes en partidas tan importantes como el dragado.

Por otra parte, y de capital importancia, el volumen de cobertura también disminuye. Además, debido al incremento de rigidez circunferencial, el mismo material procedente del dragado es apto para cubrir el emisario, no se necesita recurrir a caros materiales seleccionados. Esto implica que también desaparecen elementos como el geotextil (necesario para confinar el material seleccionado) así como su instalación, minimizando el trabajo de submarinistas (ver Figuras 5 y 6).

Figura 5. No se necesitan materiales seleccionados ni geotextil con Weholite®

Figura 6. Utilización del material procedente de dragado para la cobertura

Mejora de la vida de servicio

El Polietileno, como otros materiales plásticos, es una materia “viva”. Con el paso del tiempo, va perdiendo propiedades, y valores como su Módulo de Elasticidad (E) y su Rigidez Circunferencial van disminuyendo.

Si comparamos otros tubos de polietileno con Weholite®, podemos ver una vez más que el hecho de poder rellenar el perfil nos aporta una ventaja sustancial en lo que a la vida de servicio se refiere. Un tubo de Weholite® relleno con mortero, presentará una rigidez circunferencial a corto plazo de 5,4 KN/m2. (ver Tabla 2). Su módulo de elasticidad, propio del polietileno en sí, será de 800 MPa. A largo plazo (30 años), estos valores se verán reducidos respectivamente hasta 2,8 KN/m2, y 350 MPa, mientras que en otros tubos, este valor baja hasta 0,8 KN/m2. Es decir, incluso a largo plazo, la rigidez circunferencial de Weholite® es mayor que la de otros tubos de polietileno a corto plazo.

Weholite®

KWH PIPE Otros tubos de

PE

CORTO PLAZO Módulo E 800 MPa 800 MPa

Rigidez

Circunferencial 5,4 KN/m2 1,8 KN/m2

LARGO PLAZO Módulo E 350 MPa 350MPa

Rigidez Circunferencial 2,8 KN/m2 0,8 KN/m2

Tabla 2

La empresa adjudicataria de la explotación de la instalación (Central Ciclo Combinado, Desaladora, Depuradora, etc.) tendrá un motivo menos de preocupación con el paso del tiempo, ya que el mantenimiento del emisario, o cambio de tuberías por motivos de envejecimiento del material, no será un problema, debido a la mejora de rigidez que proporciona el relleno del perfil, y como consecuencia, el aumento de la vida útil.

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