DISEÑO DE TUBERÍAS
DISEÑO DE TUBERÍAS (Parte 1)
Los fundamentos para diseño de tuberías describen como la fricción causada por un fluido en movimiento dentro de una tubería afecta los requerimientos de energía de un conducto. El procedimiento para calcular la fricción y la distancia entre estaciones implica los siguientes pasos para el flujo de un producto en una sección específica de una tubería:
- Calcular el Número de Reynolds
- Determinar el tipo de flujo (laminar, crítico o turbulento)
- Calcular la pérdida de energía debido a la fricción para un tipo particular de flujo
- Calcular la pérdida de presión entre el comienzo y el final de la sección y
- Calcular la energía que debe ser adicionada al líquido mediante una estación de bombeo para mantener la presión en la tubería por encima de los límites mínimos.
En este post mostraré como los anteriores pasos se llevan a cabo de tal manera que puede ser determinado el número apropiado de bombas y/o estaciones de bombeo y la distancia entre estaciones. Se presenta una discusión acerca de los criterios utilizados para determinar la distancia entre estaciones. La mayoría de conductos son diseñados utilizando hojas electrónicas o programas de computador que hacen la mayoría de los cálculos. Con la ayuda de diferentes softwares estos cálculos pueden ser repetidos muy rápidamente para generar un gran número de soluciones alternativas que pueden hacer más eficiente el diseño del sistema de tuberías.
En esta ocasión mostraré de forma visual las características de los fluidos, como viscosidad, densidad, etc. Que son fundamentales para las ideas que están siendo discutidas.
PROPIEDADES QUE AFECTAN EL DISEÑO DE TUBERÍAS
El diseño de conductos involucra un número de pasos progresivos utilizando cálculos hidráulicos para determinar el tamaño óptimo y las características de operación en un sistema de tuberías. Para diseñar apropiadamente un conducto, es necesario entender las condiciones
que afectan el fluido en la tubería.
Los siguientes parámetros deben ser considerados al diseñar tuberías, oleoductos o gasoductos:
- características de la tubería
- propiedades físicas del fluido y
- la relación entre la tubería y el fluido.
CARACTERISTICAS DE LA TUBERÍA
Las características físicas de la tubería afectan la forma como un fluido se comportará en un conducto. Específicamente, hay tres parámetros que se deben considerar en el diseño:
- diámetro interno de la tubería (D)
- longitud de la tubería (L) y
- rugosidad relativa de la superficie interna de la pared de la tubería (e)
El diámetro interno, la rugosidad de la pared y la longitud de la tubería afectan la forma como un fluido se comportará en un conducto.
DIÁMETRO INTERNO DE LA TUBERÍA
En un oleoducto, la pérdida de presión debida a la fricción está relacionada con el diámetro interno de la tubería.
Cuando el diámetro interno de la tubería disminuye, la pérdida de presión debido a la fricción se incrementa drásticamente siempre y cuando el diámetro más pequeño al igual que el más grande estén manejando el mismo flujo. Esta es una importante consideración, no solo en el diseño sino también en el entendimiento de las características de operación de cualquier Conducto.
Cuando el diámetro interno de la tubería disminuye, la pérdida de
presión debido a la fricción se incrementa drásticamente.
LONGITUD DE LA TUBERÍA
La longitud de un segmento de un conducto afecta la caída total de presión a lo largo de ese segmento. Entre mayor sea la longitud de un segmento en una tubería, mayor será la caída total de presión a través de ese segmento, como se muestra en la Figura. En consecuencia, la pérdida de presión por fricción para una tasa de flujo dada varia directamente con la distancia entre dos estaciones.
RUGOSIDAD INTERNA DE LA TUBERÍA
El factor de fricción es determinado experimentalmente mediante la correlación del Número de Reynolds y la rugosidad relativa de la tubería con la fricción del fluido dentro de la tubería. A medida que la rugosidad de la pared interna de la tubería se incrementa, el factor de fricción aumenta, para condiciones de flujo turbulento. Usualmente, los factores de fricción son seleccionados de gráficas llamadas Diagramas de Moody, los cuales relacionan el factor de fricción, f, con los dos parámetros adimensionales, el Número de Reynolds, Re, y la rugosidad relativa de la pared interna de la tubería, e/D. Los factores de fricción usualmente son seleccionados de una gráfica similar a la mostrada en la Figura. Una explicación de cómo un valor específico es seleccionado de dicha gráfica será explicado más adelante en otro post, ya que hablaremos más a detalle de lo que incluye el diagrama de Moody.
Los factores de fricción de una tubería son determinados utilizando un Diagrama de Moody, para un Número de Reynolds específico y una rugosidad relativa.
La rugosidad relativa de la pared interna de la tubería es la relación de la rugosidad absoluta, e, y el diámetro interno, D, de la tubería.
La rugosidad relativa es la relación del tamaño de las protuberancias (imperfecciones) en la tubería y el diámetro interno de la misma.
Más específicamente, la rugosidad relativa esta definida como la relación de la rugosidad absoluta de la pared de la tubería (una medida de la altura promedio de las “protuberancias (imperfecciones)” en la superficie de la pared de la tubería) y el diámetro interno de la tubería:
Rugosidad Relativa = Є/D donde,
Є= Rugosidad absoluta de la superficie de la pared de la tubería (in)
D = Diámetro interno de la tubería (in)
PROPIEDADES FÍSICAS DEL FLUIDO.
Junto con las características de la tubería, las propiedades físicas del fluido transportado a través de la tubería afectan el diseño del conducto. Hay seis propiedades del líquido que deben ser reconocidas:
- viscosidad
- densidad o gravedad específica
- presión de vapor
- punto de fluidez
- compresibilidad y
- temperatura
VISCOSIDAD
La viscosidad se define como la tendencia de un líquido de resistirse a fluir. Este factor es importante cuando se diseña oleoductos, específicamente al calcular el tamaño de la línea y los requerimientos de potencia del bombeo. La viscosidad del líquido es el factor más importante en el cálculo de pérdida de presión por fricción (se discutirá más adelante en esta sección).
La Viscosidad Afecta el Flujo, la viscosidad de un líquido es un importante parámetro a considerar al diseñar tuberías, específicamente en los cálculos del tamaño de la línea y los requerimientos de potencia del bombeo.
DENSIDAD O GRAVEDAD ESPECIFICA
La densidad ( ) es la masa de una sustancia con respecto a su volumen. Una bomba tiene que trabajar más duro (ej., consume más energía) para producir la potencia necesaria para transportar un líquido más denso que uno que de menor densidad. Bombear un líquido de alta
densidad requiere una bomba con mayor presión de descarga que bombear un líquido de baja densidad. La gravedad específica es la relación de la densidad de un fluido y la densidad del agua y se incrementa en la misma forma que la densidad.
PRESIÓN DE VAPOR
La presión de vapor es la presión por encima de la cual el líquido ya no se evapora, a una temperatura dada. La presión de vapor es un criterio especialmente importante cuando se manejan líquidos que contienen componentes volátiles. Un ejemplo de un líquido con alta
volatilidad es el gas líquido natural (los componentes volátiles son aquellos que se evaporan rápidamente). La mínima presión en un conducto debe ser lo suficientemente alta para mantener los crudos livianos en su estado líquido.
Una Presión de Vapor Alta Incrementa el Valor Mínimo permitido en la Presión de la Tubería
PUNTO DE FLUIDEZ
El punto de fluidez se define como la temperatura más baja a la cual un líquido se verterá o fluirá cuando se haya enfriado. Aunque hay crudos que pueden ser bombeados a temperaturas por debajo de sus puntos de fluidez, se requiere más energía para hacer eso (ver Figura). Así, el punto de fluidez es un parámetro importante para considerar no sólo en el diseño sino también en la operación de un líquido en el conducto.
Temperaturas Más Bajas Incrementan la potencia necesaria para fluir
COMPRESIBILIDAD
La compresibilidad es el grado en el que cambia el volumen del fluido con un cambio de presión. La bomba incrementa la presión en el conducto haciendo que el volumen del líquido disminuya o se comprima. La cantidad de compresión está directamente relacionada con la presión y la composición molecular del líquido. Cuando la presión disminuye a medida que el líquido corre hacia abajo en la tubería y se aleja de la bomba, el líquido vuelve a expandirse a su
volumen original. Un líquido más compresible como el GLP no responde a los cambios de presión tan rápido como uno menos compresible como el crudo. La Figura ilustra como un líquido más compresible como el GLP desacelera la tasa en la cual un incremento de presión va hacia abajo en el conducto.
GLP Reduce su Volumen mientras la Presión se Incrementa
TEMPERATURA
Los efectos de la temperatura afectan la capacidad del conducto tanto directa como indirectamente y puede alterar el estado de los líquidos. Los cambios en la temperatura
influyen en la viscosidad y en la densidad de los líquidos en el conducto. Estos cambios afectan el desempeño de la línea como también el costo de operación. Por ejemplo, cuando se diseña un conducto para un crudo pesado, es necesario conocer exactamente las temperaturas de flujo para calcular la capacidad de la tubería.
Mientras la Temperatura Aumenta, la Viscosidad Disminuye
El petróleo fluye más fácilmente a temperaturas más altas y tiene una menor caída de presión por fricción.
RELACIÓN ENTRE LA TUBERÍA Y EL FLUIDO.
Las características de la tubería y del fluido en movimiento a través de ella son interdependientes. El diámetro de la tubería, la viscosidad del líquido y la velocidad de flujo se combinan para afectar el flujo. El tipo de flujo es determinado mediante el Número de Reynolds, utilizando la fórmula:
donde,
Re = número de Reynolds
D = diámetro interno de la tubería (ft)
V = velocidad de flujo (ft/sec)
v= viscosidad (ft2/sec)
NUMERO DE REYNOLDS
La interdependencia entre el diámetro de la tubería, la viscosidad del líquido y la velocidad del flujo está definida por una relación matemática llamada el número de Reynolds, (Re).
Este número adimensional es un parámetro fundamental el cual juega un papel vital y frecuente en las ecuaciones de la hidráulica, de transferencia de calor y en las del diseño de oleoductos. El número de Reynolds se usa para describir el tipo de fluido que muestra un líquido particular fluyendo a través de una tubería de una dimensión específica.
Nótese la relación entre las variables descritas pictóricamente abajo. En la Figura, el Número de Reynolds varia con el diámetro, la velocidad y la viscosidad.
El diámetro está representado por D, la velocidad de flujo por v, y la viscosidad por la letra griega v, “nu”.
El Número de Reynolds Varía con el Diámetro, la Velocidad y la Viscosidad. Se incrementa a medida que el diámetro y la velocidad se incrementan, y disminuye cuando la viscosidad aumenta.
La ecuación mostrada en la Figura superior es valida únicamente si el diámetro esta en pies (metros), la velocidad esta en pies (metros) por segundo y la viscosidad está en pies cuadrados (metros) por segundo.
En conductos, estas unidades no son usadas comúnmente. Las ecuaciones usadas para el número de Reynolds son:
donde,
Re = número de Reynolds
Q = tasa de flujo (Bbl/h) (m3/h)
D = diámetro interno de la tubería (in)
v= viscosidad (cs)
En la siguiente sección de este post, describiré como determinar el factor de fricción y la pérdida de presión en términos bien sea de pies o de metros para conocer los conceptos fundamentales para cálculo de tuberías, ya sea de oleoductos o gasoductos.