1. Introducción
La finalidad de una prueba de
presión de un ducto es determinar la integridad mecánica de sus juntas soldadas
y accesorios que lo componen, antes de que sea sometido a sus condiciones de
operación. En función del código de diseño se determinará la presión de prueba y
su memoria de cálculo deberá estar descrita en el Plan de Prueba de Presión, el
cual deberá estar aprobado por el propietario/operador de la instalación.
En lo posible, el medio de prueba
utilizado debe ser agua en lugar de aire (gas). Debido a que el agua es
prácticamente incompresible y la acumulación de energía es relativamente baja
si comparado con el aire, ello disminuye el riesgo durante la prueba sin ser
meritorio de prescindir de las medidas de seguridad respectivas.
2. Longitud de la Sección de Prueba
La prueba de presión es aplicada por
segmentos de un ducto. Los criterios de segmentación son establecidos por la
filosofía del propietario/operador y/o constructor. Esta segmentación está
condicionada a factores técnico-económicos y de seguridad, tanto para la
instalación como para terceros. Los factores, sin ser limitativos, son:
- Planos de ducto (material, diámetro y espesor de pared)
- Perfil de elevaciones
- Clase de ubicación (class location)
- Puntos de captación y disposición de agua
- Ubicación del área de la zona de prueba
- Capacidad de los equipos, tales como bomba de presurización, tanques o piscinas de almacenamiento temporal de agua.
3. Tipos de Prueba de Presión
De
acuerdo al API RP 1110[1]
existen tres tipos de pruebas de presión, lo cual se resume en la tabla 1. La
aplicación de las pruebas puede ser de forma individual o por la combinación de
las mismas según las exigencias del código de diseño, exigencia legal y/o
especificación técnica de la compañía.
Tabla
1. Pruebas de presión según API RP 1110.
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Tipo de prueba
|
Finalidad
|
Presión de prueba a
|
Duración
|
|
Prueba Pico
(spike test)
|
Verificar la integridad
estructural
|
> 1.25xOP
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5 – 60 minutos
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Prueba de esfuerzo
(strength test)
|
Determinar la presión de operación
máxima
|
> 1.25xOP b
|
≥ 4 horas c
|
|
Prueba de fuga
(leak test)
|
Evidenciar que no existen fugas.
|
< 1.25xOP
|
≥ 2 horas
|
|
Notas:
a. La presión de prueba es igual a un factor
multiplicado por la máxima presión de operación (OP), la cual puede ser igual
a la presión de diseño.
b. De acuerdo al ASME B31.8 el rango va entre 1.25 a
1.5 de acuerdo a la clase de ubicación.
c. De acuerdo al ASME B31.8 841.3.2. (d), el tiempo
mínimo es de 2 horas, sin embargo, el ASME B31.4 437.4.1. (a), el tiempo
mínimo es de 4 horas.
|
|||
4. Determinación de la Presión de Prueba
En la
figura 1 se muestra el perfil de una línea de flujo (flowline) en material API
5L X70, OD 24” y WT 0.688”, diseñado conforme al ASME B31.8 para una Clase I
Div. 2. Para el segmento S3 se observa que en el PK 9+000 la elevación es igual
a 492 m, el PK 14+500 la elevación es igual a 160 m y el PK 16+500 la elevación
es igual a 244 m, en donde el área de la zona de prueba se encuentra en el PK
16+500.
Figura 1. Perfil de elevaciones de una línea de flujo API 5L X70 OD 24”
WT 0.688”.
La
presión de prueba se determina por la multiplicación de la presión de diseño o
presión de máxima de operación y un factor determinado según el código de
diseño. El punto más alto (P1) será igual a la presión de prueba
y el punto más bajo (P2) se determinará por la presión
ejercida por la columna de agua determinada por la diferencia de cotas (H1 - H2), más la presión en el punto más
alto. De forma similar se determina la presión en el punto de la zona de prueba
donde se ubica la bomba de presurización.
Donde:
r – densidad del
agua (1000 kg/m3)
g –
gravedad (9,81 m/s2)
La
presión de prueba en cada uno de los puntos se deberá comparar con la presión
máxima de prueba la cual es igual a una presión de diseño con un factor de
diseño igual a 1. Tomando como referencia la fórmula de Barlow, tenemos:
Donde:
P – presión
de diseño (psi, MPa)
S –
esfuerzo a la fluencia mínimo especificado (psi, MPa)
t –
espesor de pared (pulgadas, mm)
F – Factor
de diseño
D –
Diámetro externo (pulgadas, mm)
De
acuerdo a McAllister[2],
los operadores especifican que el rango de la presión de prueba puede estar
entre 0.90 a 0.95 del SMYS (esfuerzo de fluencia mínimo especificado) de la
tubería.
En la
figura 2, se muestra los resultados del cálculo para las condiciones dadas para
el Segmento S3 indicado en la figura 1. Se observa que todas las presiones se
encuentran por debajo del 90% del SMYS del material de la tubería.
Figura 2. Resumen de memoria de cálculo para el segmento S3.
5. DETERMINACIÓN DEL VOLUMEN DE AGUA
REQUERIDO
De acuerdo a McAllister el volumen requerido para
llenar un segmento de ducto especifico se define por:
Donde:
V – galones requeridos para llenar a
0 psig
d
– diámetro interno
de la tubería, en pulgadas
L
– longitud de la
sección del ducto, en pies.
Donde:
Vtp
– galones
contenidos en la sección de prueba a la presión de prueba P y temperatura T
(°F)
Fwp – factor de corrección por
compresibilidad del agua debido al incremento de presión desde 0 a la presión
de prueba P.
Fpp – factor de corrección por el cambio de
volumen en el segmento de ducto debido al incremento de presión desde 0 a la
presión de prueba P, psig.
Fpwt – factor de corrección por el cambio en el volumen de
agua y volumen de la tubería debido al cambio en la temperatura de la tubería y
agua desde 60 °F a la temperatura de la tubería y agua, T (°F)
P – Presión de prueba (psig)
D – Diámetro externo, pulgadas
t – espesor de pared de la tubería,
pulgadas
T – Temperatura de la tubería, °F
Fpt – factor de corrección por el cambio de
volumen de tubería debido a la expansión térmica de la tubería desde la
temperatura base de 60 °F.
Fwt – factor de corrección por el cambio
térmico en un especifico volumen de agua desde 60 °F hasta la temperatura del
agua de prueba. Ver tabla.
Tomando
los datos anteriores y las ecuaciones antes indicadas, en la figura 3 se
resumen el calculo para determina el volumen mínimo necesario de agua para la
prueba de presión.
Figura 3. Resumen de cálculo del volumen mínimo requerido para una
determinación presión de prueba y temperatura, con un segmento de ducto igual a
7800 m de longitud.
Nota: Se debe tener en consideración que el
rango de temperatura esta supeditado a una máxima y mínima temperatura, en los
casos en que la temperatura sea inferior a lo 35°F se deberá tener en
consideración de uso de anticongelante y requisitos de precalentamiento del segmento
de ducto y/o agua o aguardar una estación climatológica conveniente.
6. Conclusión
- La segmentación de un ducto de prueba se determina con base a criterios técnico-económicos y de seguridad. Siendo la información principal el perfil de elevaciones y planos del ducto (material, diámetro y espesor de pared de la tubería).
- La presión de prueba es establecida por el código de diseño y el tipo o tipos de pruebas a realizar son determinadas por el propietario/operador del ducto o por una exigencia legal local.
[1] API RP 1110 Recommended Practice
for the Pressure Testing of Steel Pipelines for the Transportation of Gas,
Petroleum Gas, Hazardous Liquids, Highly Volatile Liquids, or Carbon Dioxide. 6th
Edition, August 2018.
[2] McAllister, E.W., Pipeline Rules of
Thumb Handbook. Gulf Professional Publishing. 5th Edition, 2002.
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