Prueba Hidráulica de Tuberías Submarinas

7/23/2019 Prueba Hidráulica de Tuberías Submarinas

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Prueba Hidráulica de tuberías submarinas

1. Introducción

La prueba hidráulica de resistencia y hermeticidad de cañerías submarinas se veinfluenciada por factores que la diferencian de su símil realizada en tramos terrestres y

que pueden realizarse en:

Espesores de caños y características del acero, en general mayores y más

resistentes respectivamente (debido a las tensiones que sufren durante su

instalación) que en las cañerías terrestres, requieren ensayos a muy altas

presiones para alcanzar porcentajes a tensión circunferencial cercanos al 90%

de la fluencia como es práctica común especificar.

Variaciones notables de la presión externa por cierto efecto de las mareas que

en nuestro litoral marítimo sur llegan a alcanzar amplitudes de casi 12m.

Variaciones de la temperatura del agua de mar que inciden directamente sobre

el conducto en caso de estar simplemente apoyado en el fondo. Por efecto de

las corrientes marinas aumenta la convección amen de la inmensa capacidad

calorífica del medio circundante, lo que produce variaciones de la temperatura

en toda la instalación que acompañan los cambios del ambiente marino.

Costo de una reparación por lo que el diseño de la instalación debe tener una

gran confiabilidad sobre los resultados de este ensayo de recepción final.

2.

Esquema de calculo

Se desarrollara una formulación que basándose en coeficientes empíricos y mediciones

“in situ” brinda una clara idea de cómo interpretar las variaciones de presión que la

balanza testigo de peso muerto acusa en una prueba de esta naturaleza.

Se considera a la cañería en principio llena de agua a una temperatura base T0 y a una

presión barométrica final P0 (final del periodo de llenado sin presencia de burbujas de

aire).

Se inyecta luego agua, bajo presión y luego de cesar el bombeo de un periodo de

estabilización

Se calcula entonces para P1 y T1 el volumen de agua requerido para elevar la presión

de ( medido a y )

Luego de un cierto lapso se mide nuevamente la presión y la temperatura que llamamos

y , se calcula el nuevo que llamamos a partir de las condiciones bases.

Teóricamente si no hubo pérdidas debe ser en la práctica siempre hay

alguna, debido a inexactitudes en la medición pero también puede esto indicar la

existencia de una perdida.

Además de calcular la perdida teórica , puede calcularse la variación depresión teórica esperada debido a un cambio de temperatura observado y comparar



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esta con la diferencia medida en la balanza. Debe además tenerse en consideración los

cambios de la presión debidos exclusivamente a las variaciones de altura de marea.

3. Formulas Básicas

La cantidad de agua que es necesario inyectar dentro de una tubería para elevar lapresión depende fundamentalmente de:

-

La expansión de la pared del caño.

- La compresibilidad del agua

- La variación de la densidad del agua con la temperatura.

Eq. 2.3.1

Dadas T, y P hallar

Eq. 3.8

Dadas T, y hallar P

En las cuales:

-

T0 = Temperatura base (°C)

-

P0 = Presión base (bar)

-

= Peso específico del agua a la temperatura T0 (kg/m3)

- V0= Volumen de agua, medido a T0 y P0 necesario para llenar el caño cuando la pared

del caño y el agua interior están a T0 y P0 (m3)

- T = Temperatura de la pared del caño y del agua cuando la línea fue presurizada

(luego de la estabilización) (°C)

-

P = Presión interna de la cañería menos la presión externa (bar)

-

= Peso específico del agua a temperatura T y presión P0 (kg/m3)

-

= Volumen de agua requerido a inyectar dentro de la cañería para elevar la

presión de P0 a P y elevar la temperatura de T0 a T (medido a a y ) (m3)

- = Coeficiente de expansión volumétrica del caño debido al aumento de

temperatura. (1/°C)

-

= Disminución del volumen de agua debido al aumento unitario de la presión a

temperatura constante T0 valido para el rango P0 – P (1/bar)

- = Expansión de la cañería debido a la deformación plástica por unidad de

incremento de la presión (1/bar)

4. Estudio de los factores y coeficientes

4.1 Expansión de la pared del caño



3

En la cual:

-

t = espesor real de la cañería (m)

- Di = diámetro interno real del caño (m)

- E = módulo de electricidad del material del caño (bar)

- = Variación de la presión interna.

-

= coeficiente que depende de la posibilidad de desplazamiento longitudinal de lacañería.

-

=1.00 coeficiente para la cañería considerada sin posibilidad de desplazarse

longitudinalmente (dilatación lineal restringida completamente por la fricción

del terreno).

- = 1.25 para cañería considerada con plena libertad de desplazamiento

longitudinal.

- = 1.125 para cañería sin posibilidad de desplazamiento en el 50% de su longitud.

4.2 Compresibilidad del agua

De tablas del “Hand Book of Tables for Applied Engineering Science” Bolz y Tuve.

Rango de Presión 1atm 250atm 1000atm

Kp (1/bar) 0.0046 0.004 0.0035

4.3 Variación de la densidad del agua con la temperatura

Es común realizar las pruebas hidráulicas de caños submarinos con agua de mar con

adición de inhibidores de corrosión, (luego de realizada la prueba y desagotada la

cañería se pasan burbujas de agua dulce que eliminan inhibidores y depósitos de

sal).

La densidad del agua de mar es función de 3 variables: salinidad, temperatura y

presión.

Los mares del mundo contienen aguas con proporciones de sal variables entre 34 a

36 °/..partes por mil de peso). Desafortunadamente la dependencia de la densidad

con la salinidad “s” y la temperatura “T” es complicada, empíricamente. Fisher,

Williams y Dial (1970) encontraron la relación:

-

Ecuación válida para -2º < 100 ºC ; 0 < p1 < 1000 bars y 0 < S < 50

- En la cual:

-

K1: coeficiente función de la temperatura (cm3/ )

-

K2 : coeficiente función de la temperatura (bar/ )

- K3 : coeficiente función de la temperatura (bars * cm3/g)

- K4 : coeficiente función de la temperatura (bar)

- : coeficiente función de la temperatura (cm3/g)

- P1: presión absoluta (bars)

-

S : salinidad ( )-

: Peso específico (g/cm3)



4

Estos cinco coeficientes k1, k2, k3, k4 y V están relacionados con la temperatura en

ºC por ecuaciones polifónicas.

Tabla 3.2 coeficientes para Eq. 3.18 para varias temperaturas.

Coeficientes y Unidades

T (ºC) K1 (cm3/ ) K2(bars/ ) K3(bars * cm

3/g) K4 (bar) (cm

3/g)

0

2

4

6

8

10

12

14

1618

20

22

24

26

28

30

32

34

36

3840

2.6790*10-4

2.7192*10-4

2.7588*10-4

2.7930*10-4

2.8368*10-4

2.8750*10-4

2.9128*10-4

2.9560*10-4

2.9668*10-4 3.0232*10

-4

3.0590*10-4

3.0944*10-4

3.1292*10-4

3.1636*10-4

3.1976*10-4

3.2310*10-4

3.2640*10-4

3.2964*10-4

3.3284*10-4

3.3600*10-4

3.3910*10-4

10.87400

19.79123

10.70846

10.62570

10.54293

40.46016

10.37739

10.29462

10.2118610.12909

10.04632

9.96355

9.88078

9.79802

9.71525

9.63248

9.54971

9.46694

9.38418

9.301419.21864

1788.316

1829.563

1867.701

1901.373

1932.222

1959.885

1984.500

2006.198

2025.1112040.365

2055.086

2066.396

2075.413

2082.253

2087.030

2089.855

2090.836

2090.076

2087.679

2083.7432078.365

5918.499

6030.156

6133.124

6227.712

6314.225

6392.958

6464.205

6528.253

6585.3806635.864

6979.793

6717.971

6750.117

6776.663

6797.857

6813.939

6825.146

6831.707

6833.847

6831.7856825.734

0.6980547

0.6967108

0.6956357

0.6948023

0.6941902

0.6937790

0.6935516

0.6934924

0.69358780.6938257

0.6941953

0.6946869

0.6952918

0.6960021

0.6968106

0.6977110

0.6986973

0.6997638

0.7009056

0.70211790.7033962

5. Variaciones de la presión interna por efecto de las mareas

La corrección a efectuar sobre las presiones internas registradas por efecto de la

variación de la altura de mareas está dado por la siguiente formula:

Donde:

-

: variación de la altura de mareas (bars)

Se supone que la temperatura se mantiene constante entre ambos niveles de marea

6. Ejemplo de calculo

6.1 Datos

- V0 = 9.600 m3

- P0 = 1.0133 bar

-

T0 = 6ºC

-

0 = 1025.302 kg/m3

- = 32



5

-

kt = 36*10-6

ºC-1

-

kp = 4.12*10-5

bar-1

- E = 2140950 bar

- Di = 0.5768 m

- t = 0.0164 m

Considerando a la cañería sin posibilidad de dilatación longitudinal en la mitad de su

longitud:

6.2

La línea es presurizada, luego del periodo de estabilización P1 = 202 bar y T1 = 8ºC.

El peso específico correspondiente para que el agua a 8ºC de acuerdo a 4.3 es

1=1025.054 kg/m3

La cantidad de agua a inyectar para elevar la presión es dada por la ecuación 3.1.

El debería coincidir con la lectura de un caudalimetro que medirá el caudal

inyectado a partir de iniciarse la presuración hasta alcanzar la presión de prueba. Lamedida real puede servir para revisar el valor del coeficiente k que determina el

valor del coeficiente de elasticidad c.

6.3 Luego de un cierto lapso se toman las siguientes mediciones:

- P2= 203 bar

- T2= 9ºC

- Densidad del agua =1024.897kg/cm3

Esto significa que hubo una perdida teórica de

(medidos a 6ºC y 1.0133 bar)

6.4 Si no se observan perdidas, podría quererse conocer que presión debería haber

para un incremento de temperatura de 1ºC (de 8ºC a 9 ºC) ec.3.2



6

Se utilizo porque se considera a la línea sin perdidas. La lectura real

es de 203 bar, indica una pérdida de presión “inexplicable” de 0.823 bar.

6.5 Resumen

- 114.462 m3 es la cantidad teórica de agua requerida para elevar la presión de

condición base (6ºC y 1.0133 bar) y mantener las condiciones (T1 = 8ºC y P1= 202

bar). Esta cantidad se mide a T0 y P0.

- 0.556 m3 es una pérdida de agua “inexplicable” correspondiente a la segunda

lectura (T2 = 9ºC y P2= 206.5 bar)

- 0.823 bar pérdida de presión por causa desconocida correspondiente a la segunda

lectura (esta podría llegar a explicarse con la variación de la marea).

6.6 Acción de las mareas

Si consideramos una variación del nivel de mareas que corresponda a 0.7 bar (-7m)

(en bajante)

Siendo : presión interior de la cañería

Siendo presión exterior ambiente

Si la primera lectura se tomó en marea alta y la segunda en marea baja, la lectura

teórica de 203.823 bar sería realmente de 203.823 – 0.217=203.606 bar y la perdida

de presión sin causa conocida será de 0.606 bar en lugar de 0.823bar.

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