Table of Contents
Las instalaciones de gas natural licuado (GNL) representan algunos de los entornos más complejos y exigentes del sector energético, que requieren una atención meticulosa al diseño de tuberías, cálculos de ingeniería y estricta adherencia a las normas de la industria. Este estudio exhaustivo examina los aspectos críticos del diseño de tuberías para instalaciones de GNL, explorando los cálculos esenciales, selecciones de materiales, requisitos de cumplimiento regulatorio y consideraciones de seguridad que aseguran que estos sistemas funcionan de manera eficiente y bajo condiciones criogénicas extremas.
Comprender el GNL y sus desafíos únicos
El gas natural está licuado al bajar la temperatura del hidrocarburo a aproximadamente -260°F, lo que hace posible el transporte a presión atmosférica en forma de GNL. Esta temperatura extrema crea desafíos únicos para el diseño del sistema de tuberías que difieren significativamente de las aplicaciones de tuberías de procesos convencionales.
La licuefacción del gas natural se realiza en instalaciones llamadas trenes de GNL que tienen una compleja red de tuberías que se ejecutan entre diferentes secciones dentro del tren. Estos sistemas de tuberías deben mantener la integridad estructural mientras se manejan fluidos criogénicos, acomodar una significativa expansión térmica y contracción, y evitar cualquier liberación de hidrocarburos durante la operación normal de la planta.
Las temperaturas criogénicas se definen como -150°C (-238°F), y los líquidos criogénicos son los que tienen puntos de ebullición a presión atmosférica por encima de este límite de temperatura. Los líquidos criogénicos comunes incluyen argón (-186°F), helio (-452°F), hidrógeno (-423°F), nitrógeno (-321°F), oxígeno (-297°F), y materiales de baja temperatura de conductos) y de pitano (-256°F).
Cálculos críticos en diseño de tuberías de GNL
El diseño de sistemas de tuberías para instalaciones de GNL implica varios cálculos críticos de ingeniería que forman la base de operaciones seguras y eficientes. Estos cálculos deben tener en cuenta las propiedades únicas de los fluidos criogénicos y las condiciones de funcionamiento extremas.
Análisis de la caída de presión
Los cálculos de caída de presión son fundamentales para garantizar unas tasas de flujo y rendimiento adecuados en las redes de tuberías de GNL. Los cálculos hidráulicos requieren una caída de presión bajo 0,86 MPa a 740 m3/h para las aplicaciones típicas de GNL. Estos cálculos deben considerar propiedades de fluido a temperaturas criogénicas, rugosidad de tuberías, accesorios, válvulas y otros componentes que contribuyen a la resistencia global del sistema.
Los principios del flujo de fluidos no son simples debido a la interdependencia de la caída de presión y la fricción, y esta directriz de diseño cubre los elementos básicos en el campo de la selección de materiales de flujo de tuberías y el dimensionamiento de líneas. Los ingenieros deben utilizar software especializado y correlaciones empíricas para predecir con precisión las pérdidas de presión en todo el sistema, asegurando que las bombas y los compresores sean debidamente dimensionados y que se cumplan en todas las condiciones de operación.
Determinación de la espesor de la pared
El cálculo del espesor de pared requerido para el tubería de GNL es crítico para asegurar que el sistema pueda soportar las presiones internas de forma segura mientras mantiene la integridad estructural a temperaturas criogénicas. El espesor de la pared de tubería debe exceder de 7.08 mm en función de las evaluaciones internas de presión para las condiciones de servicio de GNL típicas.
Los requisitos de diseño y los criterios de aceptación de los sistemas de tuberías de GNL se basan en códigos reconocidos como ASME B31.3 y ASME BPVC, destacando las especificaciones necesarias para garantizar la seguridad, eficiencia y cumplimiento en términos de manejo de presión, estándares de materiales y análisis de flexibilidad, con enfoque en cálculos de diseño relativos al espesor de pared, caída de presión y preocupaciones de flexibilidad.
Cálculos de expansión térmica y de contracciones
La expansión térmica representa una de las consideraciones de diseño más críticas para los sistemas de tuberías de GNL debido a las diferencias de temperatura extrema entre las condiciones ambientales y las temperaturas de funcionamiento. El diseño del sistema de tuberías debe considerar la expansión térmica porque los cambios de temperatura hacen que los materiales de tubería se expandan y contraigan, y si este cambio de tamaño no se contabiliza en el diseño, el sistema puede dañarse por condiciones de trabajo normales, lo que puede conducir a fugas e incluso falla.
Si una cañería se limita a ambos extremos, ya que calienta la expansión lineal causará estrés compresivo sobre el material, y cuando esta fuerza indebida exceda el estrés permitido sobre el material, resultará en daño a la tubería y potencialmente soportes, accesorios y válvulas. El cálculo de la expansión térmica debe considerar el coeficiente de expansión térmica para el material de tubería, la longitud de las tuberías corre y las condiciones de funcionamiento entre instalación y operación.
Los vasos y las tuberías llenas de fluidos requieren alivio de presión para protegerse de la pérdida de contención causada por la expansión térmica fluida, que ocurre cuando el fluido se calienta como resultado de la localización de vapor, radiación solar, fuego externo, etc. Esto es particularmente importante en los sistemas de GNL donde las secciones bloqueadas de tubería pueden experimentar un aumento de presión rápido si se calienta.
Análisis de flexibilidad y cálculos de estrés
Los principales objetivos del análisis del estrés de tuberías son garantizar la capacidad estructural contra la presión, diversas cargas en el ciclo de vida, diferentes escenarios operativos y cargas en las estructuras de soporte. Para el apilado de GNL, este análisis se vuelve particularmente complejo debido a los cambios de temperatura extrema y las tensiones térmicas resultantes.
El estrés evaluado se compara con el estrés permitido definido por la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME). Los ingenieros utilizan normalmente software especializado como CAESAR II para realizar un análisis integral de estrés que representa cargas sostenidas (presión y peso), cargas de desplazamiento (expansión térmica), y cargas ocasionales (viento, sísmico, descarga de válvulas de alivio).
Comprender la distinción entre cargas sostenidas y desplazamientos (termales) es fundamental para analizar la flexibilidad, y cuando un sistema de tuberías se calienta primero, las tensiones térmicas pueden superar la fuerza de rendimiento de materiales en puntos localizados (arcos, conexiones de rama), causando deformación plástica que crea tensiones residuales. Este fenómeno, conocido como desgarro, debe ser entendido y contabilizado adecuadamente en el proceso de diseño.
Calculaciones de Span de apoyo
Los soportes deben prevenir el acecho, permitiendo una deflexión máxima de 12 mm. El espaciado adecuado es esencial para prevenir la deflexión excesiva de tuberías, minimizar las concentraciones de estrés y asegurar que el sistema de tuberías mantenga su alineación durante su vida operacional. Los cálculos de soporte deben considerar el peso de la tubería, aislamiento, contenido de fluidos y cualquier carga adicional como acumulación de hielo o acceso a mantenimiento.
Normas de la industria y Cumplimiento Regulatorio
El cumplimiento de normas reconocidas internacionalmente no es opcional en el diseño de tuberías de GNL, es un requisito fundamental que garantiza la seguridad, fiabilidad y cumplimiento legal.
ASME B31.3 Código de tubería de procesos
ASME B31.3 contiene requisitos para el arado que se encuentran típicamente en refinerías de petróleo; química, farmacéutica, hidrógeno, textil, papel y pulpa, generación de energía, semiconductor y plantas criogénicas; y plantas de procesamiento y terminales relacionados. Este código sirve como el estándar de diseño principal para el atraque de procesos de GNL en la mayoría de las jurisdicciones.
Los sistemas de tuberías deben cumplir con ASME B31.3 y soportar las presiones de diseño de manera efectiva. El código proporciona requisitos completos que cubren materiales, diseño, fabricación, montaje, erección, examen, inspección y pruebas de sistemas de tuberías. La aplicación cuidadosa de estos códigos B31 ayudará a los usuarios a cumplir con las regulaciones aplicables dentro de sus jurisdicciones, al tiempo que se obtienen los beneficios operativos, costos y seguridad que se obtienen de las muchas prácticas más detalladas de la industria.
El código más común para el diseño y construcción del sistema de tuberías es ASME B31.3, y desde su introducción en 1935, ha guiado a América del Norte y la mayoría del mundo en la fabricación y uso seguro de tuberías de procesos en empresas de ingeniería, fabricantes de equipos, energía, aeroespacial y muchas otras industrias, y ASME B31.3 se utiliza diariamente, a menudo referencia, y bien entendido.
ASME B31.12 Hidrogen Piping and Pipelines
Para ciertas aplicaciones de GNL, en particular las que implican hidrógeno o requieren medidas de seguridad mejoradas, ASME B31.12 puede ser aplicable. B31.12 comparte similitudes con el más conocido código ASME B31.3, con una breve visión general de las similitudes y diferencias entre ASME B31.3 y B31.12, centrándose en su aplicación en el servicio criogénico.
ASME B31.3 no tiene requisito establecido para un sistema de calidad establecido dentro del código, mientras que en cambio, ASME B31.12 requiere un sistema de calidad y detalla los requisitos dentro del código, y para cumplir con los requisitos en esta sección, es una práctica óptima para cada organización tener un programa de gestión de calidad ISO 9001 certificado en su lugar.
Normas de API para aplicaciones de GNL
El American Petroleum Institute (API) publica varios estándares relevantes para instalaciones de GNL, incluyendo API 620 para grandes depósitos de almacenamiento de baja presión soldados y API 625 para sistemas de tanques para almacenamiento de gas licuado refrigerado. Estos estándares complementan los códigos ASME proporcionando requisitos específicos para el almacenamiento y el manejo de equipos asociados con sistemas de tuberías de GNL.
El Instituto Hidráulico y la API publican normas para cargas de boquillas de bomba permitidas, y los fabricantes de otros equipos tendrán límites en las cargas de conectores. Estas normas ayudan a asegurar que los sistemas de tuberías estén diseñados para ser compatibles con el equipo conectado y no impongan cargas excesivas que podrían conducir a fallas de equipo.
Normas internacionales y regionales
Más allá de las normas norteamericanas, las instalaciones de GNL pueden tener que cumplir con estándares internacionales como EN 13480 para tuberías industriales metálicas en aplicaciones europeas. El tubería puede ser compatible con los códigos de diseño EN13480 y ASME B31.3, permitiendo flexibilidad en el cumplimiento de los requisitos regulatorios regionales manteniendo estándares de seguridad coherentes.
Selección de materiales para el servicio criogénico
La selección de materiales representa una de las decisiones más críticas en el diseño de tuberías de GNL. Las temperaturas extremas bajas del servicio de GNL eliminan muchos materiales utilizados comúnmente en aplicaciones de tuberías convencionales debido al riesgo de fractura de hervidor.
Aceros inoxidables autósticos
Los materiales más comunes utilizados en tuberías de presión criogénica son el acero inoxidable austenitico (304/304L y 316/316L) y el aluminio. Los aceros inoxidables austríticos mantienen su ductilidad y dureza a temperaturas criogénicas, haciéndolos ideales para el servicio de GNL.
S304/L o S316/L se pueden utilizar hasta –425°F sin pruebas de impacto siempre que el material esté en la condición de solución anillada. Esto hace que estos materiales sean particularmente atractivos para aplicaciones de GNL donde la temperatura de operación es típicamente alrededor de -260°F. La tabla 323.2.2 tiene restricciones incluyendo el contenido de carbono menos de 0.1% y el material debe ser anulado, y ninguna de estas restricciones son problemas
Aleaciones de aluminio
Las aleaciones de aluminio ofrecen excelentes propiedades criogénicas y se utilizan comúnmente en el servicio de GNL, especialmente para ciertas aplicaciones en las que el peso es una consideración. En el caso de aluminio la temperatura mínima permitida para uso sin pruebas de dureza es –452 °F, y por lo tanto, para los materiales de aluminio enumerados en la tabla A-1 usados a temperaturas criogénicas no se requieren pruebas de dureza para temperaturas a o más de –452 °F.
Esta excepcional capacidad de baja temperatura hace que el aluminio sea una opción atractiva para el apilado de GNL, aunque los diseñadores deben considerar cuidadosamente otros factores como la compatibilidad con el equipo conectado, las características de expansión térmica y los requisitos de resistencia mecánica.
Aceros de níquel
Para GNL, la temperatura criogénica puede ser -165°C, por lo que se pueden utilizar materiales como A304L, 316, 321 y 347 y también 9% de acero níquel o 7%. El 9 por ciento de acero níquel ha sido ampliamente utilizado en tanques de almacenamiento de GNL y tubería debido a su excelente dureza a temperaturas criogénicas y coste favorable comparado con el acero inoxidable para aplicaciones de gran diámetro.
Requisitos para la trazabilidad de materiales
ASME B31.3 no tiene ningún requisito explícito para la trazabilidad de materiales, mientras que ASME B31.12 requiere la trazabilidad del Informe de Pruebas de Materiales (MTR) al componente individual. Para aplicaciones críticas de GNL, la implementación de trazabilidad de materiales incluso cuando no es explícitamente requerida por código representa una mejor práctica que mejora la garantía de calidad y facilita el mantenimiento y las modificaciones futuras.
Sistemas de aislamiento térmico
El aislamiento térmico eficaz es esencial para los sistemas de tuberías de GNL para minimizar el aumento de calor, prevenir la formación de hielo en superficies externas, mantener las temperaturas de proceso y proteger al personal de las quemaduras criogénicas.
Pipa aislada de vacío
El tubo de presión de criolina aislado de vacío se ha desarrollado para el transporte de LIN, LOX, LAR, GNL, LHe, LH2 y LNG. El tubería aislada de vacío (VIP) proporciona un rendimiento térmico superior eliminando la transferencia de calor convectivo y conductivo a través del espacio anular entre la tubería de proceso interior y la chaqueta exterior.
Esto ofrece una solución óptima para el aislamiento de materiales criogénicos y su transporte, garantizando la calidad gracias a la verificación de acuerdo con el código ASME B31 y otros, como directivas 2014/68/EU y TR CU 032/2013. Los sistemas VIP son particularmente ventajosos para largas tuberías, líneas de proceso críticos y aplicaciones donde la minimización de la fuga de calor es esencial para la eficiencia del proceso.
Sistemas de aislamiento convencional
Para aplicaciones en las que el aislante no esté justificado económicamente, los sistemas de aislamiento convencionales que utilizan materiales como espuma de poliuretano, perlita o vidrio celular pueden proporcionar un rendimiento térmico adecuado. Estos sistemas deben diseñarse con barreras de vapor adecuadas para prevenir la entrada de humedad y la formación de hielo dentro del aislamiento, lo que degradaría el rendimiento térmico y podría dañar el sistema de tuberías.
El procedimiento de modelado de tuberías incluye la asignación de la presión y el espesor y densidad de la capa de aislamiento, ya que estos parámetros afectan el peso general del sistema de tuberías y deben ser considerados en el diseño de soporte y análisis de estrés.
Diseño conjunto y flexible de expansión
La expansión térmica y la contracción adaptadas es uno de los aspectos más desafiantes del diseño de tuberías de GNL debido a las diferencias de temperatura extrema implicadas. Los diseñadores tienen varias opciones para proporcionar la flexibilidad necesaria.
Ámbitos de expansión
El U-loop es la configuración más común para tuberías y tuberías de proceso, proporciona la máxima flexibilidad por unidad de longitud de tubería desarrollada, y el bucle se extiende perpendicular a la tubería de funcionamiento, absorbiendo el crecimiento térmico axial mediante la curvatura de las piernas offset.
El bucle de expansión se encuentra generalmente en el lado de la línea más caliente, el bucle de expansión, por regla general, debe estar situado en el centro de la distancia entre dos anclas, y la altura del bucle de expansión es normalmente el doble de ancho. Estas directrices de diseño ayudan a asegurar que los bucles de expansión funcionen eficazmente al minimizar los requisitos del espacio y los costos materiales.
Juntas de expansión mecánica
En los casos en que no se puede lograr la flexibilidad natural, las articulaciones de expansión de tuberías son necesarias, y las articulaciones de expansión pueden emplear los fuelles, la manguera y el trenzado, las articulaciones de bolas, los acoplamientos flexibles o los mecanismos deslizantes, y todas tienen sus propiedades únicas que son apropiadas para un sistema dado.
En el Apéndice B31.3 X se incluyen reglas para las juntas de expansión, proporcionando orientación sobre selección, instalación y mantenimiento de estos componentes críticos. Para el servicio de GNL, las juntas de expansión deben ser cuidadosamente seleccionadas para garantizar la compatibilidad con las temperaturas criogénicas y deben diseñarse para acomodar los movimientos esperados sin límites de estrés excesivamente permitidos.
Flexibilidad natural mediante el enrutamiento
La mejor configuración de tubería es la menos costosa a largo plazo, que requiere consideración del costo de instalación, efecto de pérdida de presión en la producción, preocupación del nivel de estrés, insuficiencia de fatiga, efectos de soporte y anclaje, estabilidad, fácil mantenimiento, capacidad de expansión paralela y otros. Siempre que sea posible, los diseñadores deben utilizar cambios de dirección en la ruta de tubería para proporcionar flexibilidad natural, reduciendo o eliminando la necesidad de bucles de expansión dedicados o juntas de expansión mecánica.
Sistemas de protección de seguridad y presión
Los sistemas de alivio de seguridad son fundamentales para proteger el atraco de GNL de condiciones de sobrepresión que podrían resultar de la expansión térmica del líquido atrapado, los trastornos del proceso, la exposición externa al fuego o los fallos del equipo.
Alivio de la válvula de tamaño y selección
Las válvulas de alivio para el servicio de GNL deben ser dimensionadas para manejar el máximo escenario de alivio creíble manteniendo la presión de retroceso dentro de límites aceptables. El cálculo de tamaño debe considerar las propiedades del GNL en condiciones de alivio, incluyendo densidad, viscosidad y presión de vapor.
Las válvulas de alivio deben construirse de materiales adecuados para el servicio criogénico y deben diseñarse para operar de forma fiable a las temperaturas extremadamente bajas encontradas en aplicaciones de GNL. La descarga de la válvula debe ser enrutada a una ubicación segura, por lo general un sistema de fulguración o pila de ventilación, donde el gas liberado puede ser disperso o combustible con seguridad.
Requisitos para el socorro térmico
Además de establecer los requisitos de alivio térmico necesarios, también es útil establecer la presión máxima que se puede alcanzar durante la calefacción limitada para sistemas de llenado de líquidos no inventados o parcialmente ventilados, y para obtener mejores estimaciones de la presión máxima alcanzada, se debe considerar la elasticidad del pipa/vela.
Las secciones bloqueadas de tubería de GNL son particularmente vulnerables a la sobrepresión de la expansión térmica. Incluso pequeñas cantidades de entrada de calor pueden causar un aumento de presión significativo en un sistema de carga líquida. Cada sección de tuberías que pueden ser aisladas por válvulas debe ser protegida por un dispositivo de alivio de tamaño adecuado o debe ser diseñada para soportar la presión máxima que podría desarrollarse.
Requisitos de soldadura y fabricación
La soldadura de tuberías de GNL requiere procedimientos especializados, soldadores calificados y control de calidad riguroso para asegurar las uniones de filtración-tight que mantienen su integridad a temperaturas criogénicas.
Procedimientos de soldadura y clasificaciones
Ambos códigos se refieren al código de soldadura ASME Sec. IX y utilizan los mismos procedimientos para el servicio de fluidos. Las especificaciones de procedimiento de soldadura (WPS) deben ser desarrolladas y calificadas específicamente para los materiales y grosores utilizados en el servicio de GNL, con especial atención a mantener la entrada de calor adecuada, la temperatura de interpaso y los requisitos de tratamiento térmico post-aliento.
Tanto B31.3 como B31.12 requieren pruebas de dureza/importación de flepia en muestras de soldadura de materiales P8 (Ejemplo: S304/L y 316/L), y resulta en una expansión lateral mínima mayor a 0.015 pulgadas (0.38 mm).Esta prueba asegura que las soldaduras mantengan una resistencia adecuada a temperaturas de funcionamiento criogénicos.
Examen no destructivo
Tanto B31.3 como B31.12 requieren un examen no destructivo (NDE) de soldaduras de borde de presión terminadas. El alcance y los criterios de aceptación de la ECM pueden variar dependiendo de los requisitos de código específicos y la crítica del servicio. Los métodos NDE comunes para tuberías de GNL incluyen pruebas radiográficas, pruebas ultrasónicas, pruebas de penetrante líquido y pruebas de partículas magnéticas para materiales férticos.
Aunque ASME B31.12 y ASME B31.3 comparten condiciones comunes, siguen presentando diferencias en sus requisitos, en particular en los sistemas de calidad, se han ilustrado el alcance de los criterios de ECM requeridos y de aceptación para la ECM realizada, y algunas de las diferencias que son pertinentes para los productos.
Pruebas de presión y Comisión
Los procedimientos de prueba y puesta en marcha son esenciales para verificar la integridad de los sistemas de tuberías de GNL antes de que sean puestos en servicio.
Pruebas hidrostáticas y neumáticas
La prueba de presión es un método utilizado para realizar pruebas de fuerza y fuga de un gasoducto involucrado en el transporte de hidrocarburos, y este artículo se centra en la importancia de la prueba de presión neumática del sistema de tuberías que transporta hidrocarburos (Gas natural en particular) como un método más limpio y seguro que garantiza que el sistema se construye con fuerza.
Las articulaciones con tronzado y las articulaciones de tubo ya no necesitan ser probadas de acuerdo con la prueba de fuga ASME B31.3, y las pruebas de fuga de vacío se incluyeron como una alternativa al método de presión interna. Estas actualizaciones del código proporcionan flexibilidad adicional en los métodos de prueba manteniendo al mismo tiempo las normas de seguridad.
Enfriamiento y Operación Inicial
La refrigeración inicial de los sistemas de tuberías de GNL debe ser controlada cuidadosamente para prevenir el choque térmico y las tensiones térmicas excesivas. Los procedimientos de refrigeración gradual permiten que el sistema de tuberías contrate uniformemente y permiten que los soportes y las articulaciones de expansión funcionen según lo previsto.
Durante el funcionamiento inicial, el monitoreo cuidadoso del rendimiento del sistema, incluyendo caídas de presión, temperaturas, niveles de vibración y cargas de apoyo, ayuda a identificar cualquier problema que requiera corrección antes de que comience la operación a gran escala.
Prevención de la corrosión y compatibilidad de materiales
Aunque las temperaturas criogénicas generalmente reducen las tasas de corrosión, los sistemas de tuberías de GNL todavía requieren una atención cuidadosa de la compatibilidad material y la prevención de la corrosión para garantizar la fiabilidad a largo plazo.
Protección de la corrosión externa
Las superficies externas de tuberías de GNL, especialmente en áreas donde el aislamiento se daña o la humedad puede acumularse, pueden estar sujetas a corrosión. Los sistemas de recubrimiento adecuados, barreras de humedad y inspección regular ayudan a prevenir la corrosión externa. El tubería de acero inoxidable generalmente proporciona una excelente resistencia a la corrosión, pero componentes de acero al carbono como soportes y elementos estructurales requieren revestimientos protectores adecuados.
Compatibilidad interna
El GNL generalmente no es corrosivo a materiales debidamente seleccionados, pero las impurezas en la corriente de gas natural, como el sulfuro de hidrógeno, el dióxido de carbono o el agua, pueden causar corrosión u otros mecanismos de degradación. Procesos de tratamiento de gas aguas arriba de la licuefacción eliminan la mayoría de los contaminantes, pero los materiales de tubería deben ser seleccionados con consideración para la exposición potencial a impurezas de trazas.
Prevención de la fractura de tensión
Los aceros inoxidables autóctonos pueden ser susceptibles a la corrosión de estrés en ciertos ambientes, especialmente en presencia de cloruros. Mientras que las temperaturas criogénicas generalmente inhiben la corrosión de estrés, las zonas donde el pipa funciona a temperaturas intermedias o donde es posible la contaminación externa requieren una selección y diseño cuidadosos para prevenir este mecanismo de falla.
Sistemas de apoyo y Consideraciones estructurales
El diseño adecuado de soporte es esencial para mantener la alineación de tuberías, controlar las tensiones y garantizar un funcionamiento seguro durante toda la vida de la instalación de GNL.
Tipos de soporte y selección
Los sistemas de tuberías de GNL utilizan varios tipos de soporte, incluyendo soportes rígidos, cuelga de resorte, soportes de esfuerzo constante y soportes deslizantes. La selección depende de los requisitos específicos de cada ubicación, considerando factores como el movimiento térmico, la magnitud de carga y la necesidad de controlar la elevación o alineación de tuberías.
Los soportes para tubería criogénica deben diseñarse para minimizar la transferencia de calor de la estructura de soporte a la tubería fría, utilizando normalmente materiales aislantes o zapatos de soporte extendidos que permiten que el punto de soporte permanezca a temperatura compatible con el material de la estructura de soporte.
Ancla y diseño de guía
Los efectos de la expansión térmica pueden ser alojados por un cuidado arreglo de anclas y la elección adecuada de las juntas de expansión. Los anclas deben estar diseñados para resistir las fuerzas impuestas por la expansión térmica mientras que los guías permiten el movimiento controlado en direcciones específicas. La ubicación y el diseño de anclas y guías influyen significativamente en la distribución del estrés en todo el sistema de tuberías.
Consideraciones sismicas
Las instalaciones de GNL en regiones sensicamente activas requieren sistemas de tuberías diseñados para soportar cargas de terremotos. El análisis sismológico considera la respuesta dinámica del sistema de tuberías a movimiento terrestre, asegurando que las tensiones permanezcan dentro de límites aceptables y que los componentes críticos mantengan su integridad durante y después de un evento sísmico.
Consideraciones operacionales y mantenimiento
La fiabilidad a largo plazo de los sistemas de tuberías de GNL depende de las prácticas operacionales y las actividades de mantenimiento regulares.
Programas de inspección y vigilancia
Los programas de inspección regular ayudan a identificar posibles problemas antes de que resulten en fracasos. Las actividades de inspección pueden incluir el examen visual de superficies externas y aislamiento, mediciones de espesor ultrasónico para detectar la corrosión o erosión, monitoreo de vibraciones para identificar problemas de vibración inducidos por el flujo, e imágenes térmicas para detectar degradación de aislamiento o fuentes de calor inesperadas.
Mejores prácticas de mantenimiento
Las actividades de mantenimiento para sistemas de tuberías de GNL deben planificarse y ejecutarse cuidadosamente para mantener la integridad del sistema. Esto incluye la inspección y prueba regular de válvulas de alivio, el mantenimiento de sistemas de aislamiento, la verificación de funcionalidad de soporte y las pruebas periódicas de fuga de juntas y conexiones críticas. Cualquier modificación o reparación debe realizarse de acuerdo con los códigos y estándares aplicables, con la revisión y documentación de ingeniería adecuada.
Registro de Registro y Documentación
La documentación completa de cálculos de diseño, certificaciones de materiales, registros de soldadura, resultados de pruebas y actividades de mantenimiento proporciona información esencial para el funcionamiento continuo y futuras modificaciones. Esta documentación apoya el cumplimiento regulatorio, facilita la solución de problemas y permite la toma de decisiones informada en relación con las actualizaciones del sistema o la extensión de vida.
Consideraciones de diseño avanzado
Las modernas instalaciones de GNL incorporan características y tecnologías avanzadas de diseño para mejorar la seguridad, eficiencia y fiabilidad.
Análisis de dinámicas fluidos computacionales
El análisis de dinámicas de fluidos computacionales (CFD) puede proporcionar información detallada sobre patrones de flujo, distribuciones de presión y comportamiento térmico en configuraciones de tuberías complejas. Este análisis ayuda a optimizar los diseños de tuberías, identificar áreas de problemas potenciales como vibración o erosión inducida por el flujo, y verificar que las hipótesis de diseño son válidas.
Análisis de Elemento Finite
CAESAR-II, a commercial software is used for finite element analysis of piping systems. Advanced finite element analysis enables detailed evaluation of stress distributions, support loads, and equipment nozzle loads under various operating conditions. This analysis capability allows designers to optimize piping configurations and support arrangements while ensuring compliance with code requirements.
Inspección basada en el riesgo y gestión de la integridad
Los programas de inspección basada en el riesgo priorizan las actividades de inspección y mantenimiento basadas en la probabilidad y consecuencia del fracaso. Para los sistemas de tuberías de GNL, RBI ayuda a concentrar recursos en los componentes más críticos manteniendo la integridad general del sistema. Los programas de gestión de integridad integran datos de inspección, historia operacional y análisis de ingeniería para tomar decisiones informadas sobre el funcionamiento continuo, reparación o sustitución de componentes de tuberías.
Estudio de caso: Aplicación práctica de los principios de diseño
Para ilustrar la aplicación de estos principios de diseño, considere una línea de transferencia de GNL típica que conecta un tanque de almacenamiento a una unidad de vaporización. Esta línea funciona aproximadamente a -260°F y debe manejar las tasas de flujo hasta 1000 m3/h a presiones de hasta 10 bar.
Selección de materiales
Para esta aplicación, seleccionó acero inoxidable 316L en base a sus excelentes propiedades criogénicas, resistencia a la corrosión y disponibilidad.El material cumple con los requisitos ASME B31.3 para el servicio criogénico sin pruebas de impacto, siempre y cuando esté en la solución amasada con contenido de carbono inferior al 0,10%.
Sueldo de tamaño y presión
Los cálculos hidráulicos determinaron que una tubería de 12 pulgadas de diámetro nominal proporciona una capacidad de flujo adecuada mientras mantiene la presión baja por debajo del límite especificado. El cálculo del espesor de la pared, basado en la presión de diseño, el estrés permitido y la asignación de corrosión, dio lugar a un espesor mínimo requerido de 8,2 mm, lo que llevó a la selección de la tubería de la Lista 20S con un espesor nominal de 8,38 mm.
Análisis de flexibilidad
El análisis de estrés mediante el software CAESAR II evaluó el sistema de tuberías bajo diversos casos de carga, incluyendo cargas sostenidas (presión y peso), expansión térmica de temperatura ambiente a temperatura operativa y cargas ocasionales (viento y sísmico).El análisis identificó ubicaciones que requieren lazos de expansión para mantener tensiones dentro de límites permitidos por código y ubicaciones de soporte determinadas y tipos para controlar el movimiento de tuberías al minimizar las cargas de soporte.
Diseño de aislamiento
El sistema VIP consiste en una tubería de acero inoxidable 316L interior, un anaducto vacío con aislamiento multicapa y una chaqueta de acero al carbono exterior con revestimiento protector. Este diseño proporciona un rendimiento térmico superior con requisitos mínimos de mantenimiento.
Tendencias futuras y tecnologías emergentes
La industria del GNL sigue evolucionando, con nuevas tecnologías y enfoques que mejoran el diseño y funcionamiento de sistemas de tuberías.
Materiales avanzados
Continúa la investigación de nuevos materiales para el servicio criogénico, con desarrollos en aceros inoxidables de alta resistencia, aleaciones de aluminio avanzadas y materiales compuestos que ofrecen mejoras potenciales en el rendimiento, reducción de peso o costo. Estos materiales deben demostrar fiabilidad a largo plazo y cumplir con requisitos de código estrictos antes de la adopción generalizada.
Tecnología Digital Twin
La tecnología digital Twin crea réplicas virtuales de sistemas de tuberías físicas, integrando datos operativos en tiempo real con modelos de ingeniería. Esta tecnología permite el mantenimiento predictivo, la optimización de las condiciones de funcionamiento y la evaluación rápida de las modificaciones propuestas. A medida que avanzan las capacidades de tecnología de sensores y análisis de datos, los gemelos digitales desempeñarán un papel cada vez más importante en la gestión de instalaciones de GNL.
Modular Construction Approaches
Técnicas de construcción modulares, donde los sistemas de tuberías se fabrican y prueban en entornos de tiendas controlados antes del transporte al sitio, ofrecen posibles mejoras en la calidad, el horario y el costo. Estos enfoques requieren una planificación y coordinación cuidadosas, pero pueden reducir significativamente el tiempo de construcción de terreno y mejorar la ejecución general del proyecto.
Lista de control de diseño clave para sistemas de tuberías de GNL
Para garantizar el examen amplio de todos los aspectos críticos, los diseñadores deben verificar los siguientes elementos:
- Selección de materiales apropiada para el servicio criogénico con cumplimiento documentado a ASME B31.3 u otros códigos aplicables
- Cálculos de espesor de pared que representan la presión de diseño, la temperatura, la asignación de corrosión y tolerancias de fabricación
- Análisis amplio de estrés incluyendo cargas sostenidas, de desplazamiento y ocasionales con resultados dentro de límites permitidos por código
- Alojamiento de expansión térmica mediante bucles de expansión, articulaciones de expansión mecánica o flexibilidad natural en la tubería de enrutamiento
- Diseño de sistema de soporte con espaciamiento, tipos y aislamiento térmico adecuado para controlar el movimiento de tuberías y tensiones
- Diseño de sistema de aislamiento que proporciona un rendimiento térmico adecuado mientras protege contra la entrada de humedad y daño externo
- Protección de alivio de presión para todas las secciones que pueden ser aisladas, con dispositivos de alivio tamaño para escenarios creíbles, incluyendo la expansión térmica
- Procedimientos de soldadura calificados para materiales y condiciones de servicio con los requisitos adecuados de ECM
- Procedimientos de prueba de presión compatibles con los requisitos de código y apropiados para la aplicación específica
- Verificación de compatibilidad de materiales para todos los componentes en contacto con GNL o entorno externo
- Medidas de prevención de la corrosión, incluyendo revestimientos protectores, protección catódica cuando sea aplicable, y selección de materiales
- Consideraciones de diseño sismic para instalaciones en regiones activas sismicamente
- Documentación de todos los cálculos de diseño, certificaciones de materiales y resultados de prueba para referencias futuras
- Verificación de la observancia de todos los códigos y normas locales, nacionales e internacionales aplicables
- Elaboración de procedimientos operacionales y de mantenimiento para apoyar la integridad del sistema a largo plazo
Conclusión
La concepción de sistemas de tuberías para instalaciones de GNL requiere una comprensión integral de las propiedades de fluido criogénico, aplicación rigurosa de cálculos de ingeniería, estricta adherencia a los estándares de la industria, y una cuidadosa atención a la calidad de selección y fabricación de materiales. Las condiciones de funcionamiento extremas del servicio de GNL exigen excelencia en cada aspecto del diseño, desde el concepto inicial a través de ingeniería detallada, fabricación, pruebas y puesta en marcha.
Los diseñadores deben adherirse a códigos para evitar fallos costosos y garantizar la seguridad. El éxito en el diseño de tuberías de GNL proviene de análisis exhaustivos, enfoques de diseño conservadores cuando sea apropiado, prácticas de fabricación y construcción de calidad, y programas de pruebas e inspección integrales. La inversión en diseño e ingeniería adecuados paga dividendos a través de una operación segura y fiable durante la vida útil de la instalación.
A medida que la demanda mundial de GNL sigue creciendo, impulsada por su papel como combustible quema más limpio y su importancia en la seguridad energética, la importancia del diseño robusto de tuberías se vuelve cada vez más crítica. Ingenieros y diseñadores que trabajan en este campo deben mantenerse al día con códigos y estándares cambiantes, tecnologías emergentes y mejores prácticas industriales para ofrecer instalaciones que cumplan los más altos estándares de seguridad, fiabilidad y eficiencia.
Para más información sobre los estándares de diseño de proceso, visite el sitio web de ASME Codes and Standards. Los recursos adicionales sobre ingeniería criogénica pueden encontrarse a través del Sociedad Criogénica de América. Instituto Americano de Petróleo proporciona estándares integrales para instalaciones y equipos de GNL.
Siguiendo los principios y prácticas esbozados en este estudio de caso, los ingenieros pueden diseñar sistemas de tuberías de GNL que sirvan de forma segura y eficiente a su propósito deseado al cumplir con todos los requisitos regulatorios y estándares de la industria. La complejidad de estos sistemas exige experiencia, atención al detalle y compromiso inquebrantable con la calidad-características que definen la excelencia en el diseño de instalaciones de GNL.