CAPITULO 2

TEORIA DE LA PRUEBA HIDROSTÁTICA

2.1 ANTECEDENTES

Antes de ser establecidas las Pruebas Hidrostáticas, las tuberías presentaban numerosos fallos en el servicio de transporte de hidrocarburo, debido a defectos de fabricación originales en la tubería1.

Para finales de 1960 el Comité ASA B31.8 (precursor de ASME B31.8) había requisito de que, antes del servicio, cada tubería gas debe ser probado hidrostáticamente a 1,25 veces su Máxima Presión de Operación (MOP)2.

2.2 PRUEBA HIDROSTATICA

Es un ensayo no destructivo que realizan, una vez soldada la tubería y antes de ser puesta en marcha el sistema, con el objetivo de verificar la integridad del ducto tanto en sus juntas longitudinales (las realizadas en fábrica) como circunferenciales (las realizadas en campo) y demostrar así la hermeticidad del ducto3.

2.2.1 PERFIL DE PRUEBA HIDROSTÁTICA

Presenta la información mínima requerida en el proceso4:

a) La longitud de la sección donde se realiza la prueba.b) Datos de elevaciones correspondientes a la sección de prueba,

incluyendo los puntos de elevación alta, baja y progresiva correspondiente.

c) Especificaciones del ducto (Diámetro y tipo de material utilizado).d) Indicadores de presiones de prueba correspondiente a las

elevaciones de la sección de prueba.

2.2.2 PLAN DE PRUEBA HIDROSTÁTICA

Tiene como objetivo el proceso previo a la ejecución de la prueba hidrostática5.

Presenta la información siguiente:

Perfil hidráulico indicando las presiones y respectivas elevaciones. Plan de limpieza, llenado y vaciado de agua según manejo

ambiental. Cálculos de volúmenes de agua a utilizar. Cálculos de presión de prueba (máximo y mínima). Criterios de aceptación para cada una de las actividades

involucradas.

2.3 DESARROLLO

La realización de la Prueba Hidrostática, consta de varias fases para ser concluida satisfactoriamente.

2.3.1 ESPESOR DE PARED

Previo a la determinación de las presiones de prueba hidrostática se determina el espesor de pared de la cañería mediante6:

t= P∗D2∗S∗F∗E∗T

Donde:

P = Máxima Presión de Operación, (psig).

t = Espesor Nominal de pared, (plg).

S = Tensión de fluencia mínima especificada, (psig).

D = Diámetro de la cañería, (plg).

E = Factor de junta longitudinal (igual a 1).

F = Factor de diseño.

T = Factor de temperatura (igual a 1).

Ecuación 2.1

2.3.2 PRESIONES DE PRUEBAS

Previo a la ejecución de la prueba hidrostática, se deben determinar los rangos de presiones a la que se va a realizar la prueba.

2.3.2.1 PRESIÓN DE DISEÑO DE LA TUBERIA

Se determina de tal manera que no se exceda el 95% de la Tensión de Fluencia de la tubería, de acuerdo a lo establecido en el Código ASME B31.86.

Se calcula mediante7:

PDISEÑO=2∗S∗tD

∗0,95

Donde:

PDISEÑO = Presión de Diseño (psi).

S = Tensión de Fluencia Mínima Especificada, (psi).

t = Espesor Nominal de pared de la tubería, (plg).

D = Diámetro Nominal Exterior de la tubería, (plg).

2.3.2.2 PRESIÓN MÍNIMA DE PRUEBA

Son calculadas en base a los lineamientos estipulados por la Norma ASME B31.8, y los reglamentos de la Superintendencia de Hidrocarburos (SIRESE)8.

Se calcula mediante9:

PMÍNIMA=1,25∗MOP

Donde:

PMÍNIMA = Presión Mínima de Prueba, (psi).

MOP = Máxima Presión de Operación, (psi).

Ecuación 2.1

Ecuación 2.1

2.3.2.3 PRESIÓN MÁXIMA DE PRUEBA

Es establecida en función de la diferencia de altura entre la cota de mayor elevación y el de menor elevación, para cada sección de prueba10.

Se calcula mediante11:

PMÁXIMA=PMÍNIMA+∆ H∗GpH 2O

Donde:

PMÁXIMA = Presión Máxima de Prueba, (psi).

PMÍNIMA = Presión Mínima de Prueba, (psi).

∆ H = Diferencia de altura entre la cota de mayor y menor elevación, (m).

GpH 2O = Gradiente de Presión del agua dulce, (1,422 [psi/m]).

2.3.3 SECCIÓN DE PRUEBA

Las pruebas podrán realizarse en el sistema completo o en secciones. La longitud de la sección de prueba está determinada por la capacidad de los equipos de pruebas. Un equipo con capacidad inferíos de presurización o llenado podría no ser capaz de completar la prueba dentro de los límites de tiempo admisibles. Si es así, se utilizaran equipos de pruebas de mayor capacidad o se seleccionara una sección de prueba más corta. Antes de aplicar presión de prueba, se permitirá transcurrir un tiempo para que el líquido de prueba y la sección de prueba igualen sus temperaturas12

Para cada sección la diferencia de presión máxima se determina mediante13:

∆P = PMÁ XIMA−PM Í NIMA

Donde:

∆P =Diferencia de Presión Máxima, (psi).

PMÁXIMA = Presión Máxima de Prueba, (psi).

PMÍNIMA= Presión Mínima de Prueba, (psi).

Ecuación 2.2

Ecuación 2.3

La diferencia de elevación máxima para rango de presión se determina mediante14:

∆ h= ∆P

1,42(psim

)

Donde:

∆ h = Diferencia de elevación máxima, (m).

∆ P = Diferencia de Presión Máxima, (psi).

2.3.4 CABEZALES DE PRUEBA

Se instalarán cabezales de prueba en los extremos de cada sección. Los cabezales de pruebas deberán ser probadas hidrostáticamente a una presión de 1,5 el MOP, por un periodo de 4 horas15.

En el sector de lanzamiento se tendrá, dentro de una caseta, la mesa de instrumentación que servirá para montar mediante válvulas aguja, un manómetro, el registrador de presión, una balanza de peso muerto y, si fuese necesario, otros instrumentos para comparar con los demás. Asimismo se dispondrá de un termómetro que permita leer la temperatura ambiente16.

2.3.5 LIMPIEZA Y CALIBRACIÓN DE LA CAÑERÍA

Antes de la prueba, se debe limpiar adecuadamente el interior de la tubería con varios pasajes de los Pipeline Inspection Gauge (PIG)* y la Platina Calibradora, a fin de eliminar barro, sedimentos, escorias, óxidos, y cualquier otro elemento que pueda perjudicar el normal funcionamiento del gasoducto17.

En el proceso se observan los siguientes aspectos18:

a) Tipos de PIG utilizados.

b) Grado de limpieza de la tubería. Se realiza el paso del PIG de limpieza cuantas veces sea necesario.

c) Condición de limpieza satisfactoria. La capa de suciedad absorbida por el PIG es menor a 10 milímetros de profundidad. Para la confirmación se realiza un corte a la esponja19.

Ecuación 2.4

*PIG: se refiere a una variedad de dispositivos lanzados a través de gasoductos para detectar fugas de cañerías, verificar la calidad de la soldadura y hacer limpieza de cañería.

d) PIG con la platina calibradora conformado, por discos de poliuretano y se lanza con intervalos de 1000 metros de distancia en relación al PIG de limpieza20.

e) Instalación de un manómetro en el cabezal de pruebas en el lugar de lanzamiento de la platina calibrada.

f) Instalación del cabezal de recepción de platina en el extremo de la línea.

g) Sustitución de las secciones de la línea que presenten abolladuras sobre el espesor del cordón de soldadura y/o aplastamiento de la platina calibradora21.

El cálculo del diámetro de la platina calibradora se realiza con22:

D p=DE−2e (1+K )−0,025DE−0,250[ plg ]

Donde:

D p = Diámetro de la platina, (plg).

DE =Diámetro Externo de la Tubería, (plg).

e = Espesor Nominal de la Pared de la Tubería, (plg).

Se presenta el valor de K:

TOLERANCIA PARA EL ESPESOR DE PARED – K (plg)

DIAMETRO NOMINAL DEL

TUBO (plg)

PROCESO DE FABRICACION

GRADO DEL ACERO (API 5L)

B X42 a X70

3,5 CC y SC 0,18 0,154,5 a 18 CC y SC 0,15 0,15

>20 CC 0,18 0,2

>20 SC 0,15 0,18NOTA: CC = Con Costura SC = Sin Costura

Fuente: Elaboración Propia Tabla 2.1Datos: Procedimiento Prueba Hidrostatica23

Para la aceptación satisfactoria de la sección de prueba, la platina calibradora no debe presentar daño que 7% del diámetro exterior de la cañería, presentar fisuras, dobladuras y/o depresiones. Al no existir daños fuera de lo establecido, el paso de la platina calibradora se da por aprobado24.

Ecuación 2.5

2.3.6 AGUA DE PRUEBA

La planificación de un programa de Prueba Hidrostática, también consiste en la selección apropiada de la fuente de agua de prueba. La fuente de agua ideal se considera25:

Agua de alta calidad. Disponibilidad en grandes volúmenes. Localidad cerca del punto de llenado. Accesibilidad con la mínima perturbación. Dentro de la cuenca de drenaje como el punto de descarga. Medio económico.

La utilización de la más alta calidad de agua disponible para la Pruebas Hidrostática significa reducir el riesgo de corrosión en la cañería y optimizar las operaciones de descargas de agua26.

El agua utilizada para el llenado deberá estar exenta de suciedades y de impurezas. El valor del pH estará comprendido entre 6.5 y 8. El total de las sales disueltas no deberá sobrepasar los 500 mg/litros27.

2.3.6.1 CRITERIO AMBIENTALES

Para las Pruebas Hidrostáticas, se debe28:

a) Obtener la aprobación de la ACC en el EIA, para la utilización del agua.

b) Realizar las pruebas hidrostática de manera que se preserve la seguridad pública, informando a la población que podría se eventualmente afectada en las aéreas donde se realizaran estas actividades.

c) Asegurarse de que las tuberías colocadas en los cruces de ríos o en aéreas ambientales sensitivas con carácter precio a su instalación, no presenten defectos para evitar operaciones de reaparición posteriores.’

d) Limitar la extracción de agua a una cantidad que no sobrepase el 10 % del volumen de cuerpos de agua estático, tal como lagos o lagunas, ni el 10 % del flujo de cuerpo de agua dinámico tales como ríos o arroyos.

e) Proteger los recursos piscícolas, donde los hubiere, utilizando rejillas en la toma de agua para evitar la entrada de agua potable.

f) Ubicar los lugares de extracción de agua a una distancia mínima de dos kilómetros aguas arriaba de las tomas de agua potable.

g) Descargar el agua usada en las pruebas, aguas debajo de las tomas de agua potable, en la misma cuenca de la que fue extraída, sin causar erosión en las orillas o aéreas circundantes.

h) Analizar el agua de las pruebas hidrostáticas antes de la descarga, para asegurar que no contenga contaminantes tales como: inhibidores de corrosión, biácidas, glicol u otros químicos. Si esto ocurriera, el agua deberá ser previamente tratada de la descarga o reinyección.

2.3.7 LLENADO DE CAÑERIA

Para el llenado de la cañería se procederá de la siguiente manera29:

a) Realizar ensayos de laboratorios en el agua a utilizarse en la prueba, garantizando que no contenga elementos que puedan ocasionar corrosión de cañería.

b) Utilizar una bomba de llenado para bombear el agua desde un estanque o tanque donde ya se haya procesado la sedimentación y desde el lado opuesto al punto de llenado de estanque o tanque.

c) utilizar un filtro de malla milimétrica envolviendo el seccionador de la bomba evitando el ingreso de cualquier tipo de material orgánico.

d) Realizar el llenado por agua a un flujo continuo y uniforme evitando que se formen bolsones de aire dentro de la cañería, utilizando el PIG de llenado.

e) Garantizar el llenado, asegurando que las válvulas de los cabezales de prueba estén abiertas durante la operación de llenado, dejando los aires residuales y luego cerrarlos.

f) Comparar la cantidad de agua de llenado prevista con la medición del caudalímetro, para verificación del llenado antes de comenzar la presurización.

Se determina los volúmenes de agua necesarias para el llenado de cada sección30 mediante:

V H 2O=L∗π4

∗Di2

Donde:

V H 2O= Volumen de agua requerido, (m3).

L = Longitud de la tubería, (m).

Di = Diámetro interno del ducto, (m).

Ecuación 2.6

Se determina los volúmenes de agua requerida para la presurización de cada sección31 mediante:

V P=V H 2O∗F℘∗F pp∗F pwt

Donde:

V P = Volumen total de la sección a la Presión Mínima de Prueba, (m3).

V H 2O = Volumen de agua requerida para llenar la sección a 0 psig, (m3).

F℘ = Factor de corrección por compresibilidad del agua debido a la elevación de la presión.

F pp = Factor de corrección del volumen debido al aumento de presión por volumen.

F pwt = Factor de corrección debido al cambio de volumen de agua en la

tubería por el cambio de temperatura del agua en el interior de la tubería.

2.3.7.1 DETERMINACION DE FACTORES DE CORRECION

Estos son:

a) Factor de corrección por compresibilidad del agua debido a elevación de la presión32:

F℘=1

1−(4,5∗10−5 )∗( P14,73 )

Donde:

P = Presión Mínima de Prueba (psig).

b) Factor de corrección del volumen por aumento de presión por volumen33:

F pp=1+[(Dt )∗( 0,91∗P30∗106 )+3,6∗10−6∗(T−60 )]Donde:

P = Presión Mínima de Prueba, (psig).

D = Diámetro Nominal, (plg).

T = Temperatura de la cañería, (°F).

t = Espesor promedio de la cañería, (plg).

Ecuación 2.7

Ecuación 2.8

Ecuación 2.9

c) Factor de corrección debido al cambio de volumen de agua en la cañería por el cambio de temperatura del agua en el interior de la caneria34:

F pwt=F pt

Fwt

Donde:

c.1) Factor Fwt

El factor de corrección por cambio términos, en el volumen especifico del agua a 60 °F, respecto al volumen del agua a la temperatura de prueba.

Se calcula mediante la ecuacion35:

Fwt=−4∗10−8∗(T−32 [° F ]1,8 [° F ] )

3

+8∗10−6∗(T−32 [° F ]1,8 [° F ] )

2

−6∗10−5∗(T−32 [° F ]1,8 [° F ] )

1

+0,99991

Donde:

T =Temperatura, (°F).

c.2) Factor F pt

El factor de corrección por cambios de volumen en la cañería, debido a la expansión termina de la caneria36:

F pt=1+[ (T−60 [° F ] )∗18,2∗10−6 ]

Donde:

T = Temperatura, (°F).

Ecuación 2.9

Ecuación 2.10

Ecuación 2.11

2.3.7.2 CALCULO DE LA VARIACION DE PRESION POR LA VARIACION DE TEMPERATURA

Para toda Prueba Hidrostática se debe considerar la influencia de las variaciones de temperatura sobre las presiones en los periodos de estanqueidad de la prueba, prueba de fuga y posteriormente prueba mecánica. Esta verificación se lo consigue mediante37:

DP=B−(2∗A)

D∗(1−v2)E∗t

+C

Donde:

DP = Cambio de presión en PSI por cada grado centígrado de variación.

B = Coeficiente de expansión térmica del agua.

D = Diámetro interno de la cañería, (plg).

E = Modulo de elasticidad del acero, (E = 30*106).

v = Relación de Poisson, (0.30 para el acero).

C = Factor de compresibilidad del agua, (plg3/plg3/psi).

A = Coeficiente de expansión del acero a 15 °C, (1,116*10-5 1/°C).

t = Espesor de pared de la cañería, (plg).

T = Temperatura Promedio, (°C).

T=(T i+T f )2

Donde:

T i = Temperatura de Inicio de prueba, (°C).

T f = Temperatura al final de la Prueba, (°C).

Ecuación 2.12

Ecuación 2.13

a) Coeficiente de expansión térmica del agua, se determina mediante38:

B=−64,268+(17,0105∗T )−(0,20369∗T 2)+(0,0016048∗T 3)

106

FACTOR DE COMPRESIBILIDAD DEL AGUA 1350 A 2925 psi

TEMPERATURA (°F)

FACTOR DE COMPRESIBILIDAD

(plg3/plg3/psi)

0 3,35*10-6

10 3,13*10-6

20 3,01*10-6

Fuente: Elaboración Propia Tabla 2.2 Datos: Plan de Prueba Hidrostatica39

La variación de presión total será dada por40:

dP=DP∗(T f−T i)

Donde:

dP = Variación de presión total, (psi por cada °C de variación).

2.3.8 REGISTROS DE PRESION Y TEMPERATURA

Los registradores de presión y temperatura deberán ser instalados en el cabezal lanzador de la sección a probar. El sistema para registrar la presión será instalado a 30 metros aproximadamente del cabezal de prueba. El registrador de presión podrá estar dentro de la caseta. Se colocaran un manómetro adicional en ambos cabezales de prueba41.

Los registradores de temperatura serán ubicados en los siguientes puntos42:

Registrador de temperatura del agua, termo pozo no más de 3 metros del cabezal.

Termómetro para medio ambiente, 50 metros a la redonda del cabezal, a la intemperie.

Ecuación 2.14

Ecuación 2.15

2.3.9 PRUEBA DE RESISTENCIA

Una vez que se haya comprobado que la tubería está llena de agua y que no se tienen bolsones de aire en la sección, se dará inicio a la prueba de resistencia presurizando la sección hasta obtener un 50% de las presiones de prueba calculadas para los puntos de inicio y final de cada sección. La presurización será realizada de una manera controlada de modo que no exceda una variación mayor a 1.000 psi por minuto43.

A lograr la presión de 50% de la presión de prueba, la presurización se detendrá para estabilizar el sistema esperando un tiempo aproximado de 2 horas o hasta que se considere que la presión esta estabilizada44.

Una vez concluido el tiempo de estabilización, se re-iniciara la presurización de una manera controlada garantizando que los incrementos no sean mayor a 500 psi por minuto y estos sean leídos y registrados, se incrementara entonces la presión de prueba al 75%, donde se esperara nuevamente el periodo de estabilización de 2 horas, para luego re-iniciar la presurización hasta alcanzar la presión de prueba45.

Una vez alcanzado el 100% del valor pre-calculado para el cabezal lanzador, se esperará un tiempo de aproximadamente 2 horas o hasta que se considere que la presión se estabilizó para luego dar inicio a la prueba de resistencia46.

La prueba de resistencia podrá oscilar entre la “presión mínima de prueba” y la “presión máxima de prueba”. Por debajo de la presión mínima de prueba, la prueba de resistencia mecánica no será válida. Para mantener en este rango se podrá purgar o inyectar agua con el objetivo de no salirse de las presiones establecidas como limites47.

Las pruebas que se realicen con zanja tapada, el periodo de la prueba de resistencia o mecánica tendrá un tiempo de duración de 4 horas y durante este periodo se deberá registra las presiones de la tubería utilizando registradores de presión y temperatura48.

Las pruebas que se realicen con zanja abierta (aérea), la prueba de resistencia tendrá un tiempo de duración de 4 horas, las mismas 4 horas de prueba serán consideradas como prueba de hermeticidad49.

2.3.10 PRUEBA DE HERMETICIDAD O FUGAS

Una vez concluida la etapa de resistencia mecánica, se bajara la presión a un 75% del valor máximo y luego volver a subir hasta el valor anterior, es decir, el 100% de la presión de prueba. Se dará inicio de este modo a la etapa de Prueba de fuga o hermeticidad, para ellos se mantendrá esta presión durante 24 horas. En esta etapa se continuara con el seguimiento y registro de las presiones y temperaturas a intervalos definidos. En esta etapa no se permitirá inyectar ni purgar agua50.

DIAGRAMA DE PRESIONES PARA TUBERIA ENTERRADA

Fuente: Elaboración Propia Grafico 2.1 Datos: Plan de Prueba Hidrostatica51

DIAGRAMA DE PRESIONES DE TUBERIA AEREA

Fuente: Elaboración Propia Grafico 2.2 Datos: Plan de Prueba Hidrostatica52

2.3.11 CRITERIOS DE ACEPTACION

Según los resultados obtenidos, primeramente en periodo de prueba mecánica y posteriormente para el periodo de prueba de fugas, se debe

verificar, que la presión inicial de prueba (Pi ) menos la variación de

presiones total de la prueba (dP ) , debe ser menor o igual a la Presión final

de la prueba (Pf ). Para el caso de que la temperatura inicial (T i )de prueba

hubiera sido menor que la Temperatura final (Tf ) de prueba53.

(Pi−dP )≤Pf para T i<T f

Para los casos en que la Temperatura inicial (T i ) de la prueba, hubiera

sido mayor que la Temperatura final (Tf ) de prueba, las presiones inicial

de la prueba (Pi ), menos la variación de presión total de la prueba (dP ), deber ser mayor o igual que la presión final de prueba (Pf )54.

(Pi−dP )≥Pf para T i>T f

Ecuación 2.16

Ecuación 2.17

2.3.12 DESPRESURIZACION Y VACIADO DE LA SECCION

Una vez aceptada la Prueba Hidrostática se procederá a vaciar el tramo, como la tubería probada hidráulicamente es nueva, el agua utilizada no sufrirá contaminación por hidrocarburo, por tal motivo, esta podrá se drenada a campo abierto, teniendo cuidado de regular el caudal de descarga y/o colocar difusores para de esta manera evitar la posible erosión del suelo sin generar deterioros o anegamientos en campo, caminos, propiedades55.

Previo al vaciado del agua en los cuerpos receptores, se deberá realizar un ensayo de laboratorio para demostrar que el agua cumple con todos los parámetros establecidos por la Ley 133356.

2.3.13 SECADO DE LA LINEA

Una vez evacuada por gravedad toda el agua posible, se iniciara el secado de la línea. El secado de la línea se lo realizara utilizando chanchos (PIG) de esponja, combinados con chanchos tipo Polly Pig*, de manera que al menos uno de estos últimos corran detrás del tren. Los chanchos serán impulsados con aire comprimido. Se efectuara el pasaje de tantos trenes chanchos como resulte necesario hasta evidenciar que la línea esta seca57.

La sección de prueba será considerada satisfactoriamente seca cuando ni agua en estado liquido en forma de “spray” o niebla sea expelida delante del chancho58.

2.4 EQUIPOS A UTILIZARSE EN LA PRUEBA HIDROSTATICA

Los equipos a utilizarse para la Prueba Hidrostatica59 son:

Cabezales de pruebas certificados. Chanchos de llenado. Chanchos con bajo índice de rozamiento. Bomba de llenado. Bomba de alta presión. Maquina de soldadura. Compresor. Camión Grúa. Válvula de alivio. Registro de Presión (0 - 3.000 psi). Registro de Temperatura (0 – 2.000°F).

*Polly Pig: dispositivo utilizado para diversas aplicaciones de limpieza y secado de gran acumulación de eliminación de fluidos en cañería. Hecho de espuma flexible de célula abierta

Balanza de Peso muerto (0 – 3.000 psi / 5 psi). Manómetro de Presión (0 – 3.000 psi /20-50 psi). Medidor de Flujo de Agua (0 – 250 gpm). Termómetro ambiental (0 a 120°F).

Previo a realizar la prueba, se debe revisar el estado de funcionamiento de los instrumentos mediante la comparación de resultados de los manómetros y registradores de presión utilizando la balanza de peso muerto como instrumento patrón y presentar certificados de calibración vigentes60.