Estratificación térmica en tuberías criogénicas de GNL

La estratificación térmica en líneas criogénicas de GNL, también conocido como efecto banana, se produce cuando existe una diferencia térmica significativa entre la parte inferior y superior de una tubería. En el día a día de una terminal, la temperatura en las líneas es relativamente uniforme por lo que las tensiones térmicas asociadas no van a comprometer la integridad estructural de las tuberías. Sin embargo, es en las operaciones poco habituales como puede ser el enfriamiento inicial durante la puesta en marcha cuando existen gradientes térmicos cuyo efecto debe ser evaluado cuidadosamente. Muchos fenómenos de estratificación térmica causan daños inesperados, tanto en la propia tubería como en los soportes de la misma, pasando desapercibido su efecto hasta que estos daños son descubiertos.

Cuando el enfriamiento de la tubería no es uniforme, se producen canales de flujo a diferente temperatura; en la imagen se representa la distribución de temperatura para un tramo de tubería con un gradiente térmico de 70ºC aproximadamente entre la cara inferior y la superior. La temperatura no sólo varía circunferencialmente en la propia sección de la tubería sino también de forma longitudinal, simulando un procedimiento de puesta marcha en el que se detectaron enfriamientos bruscos de la línea.

Distribuccion temperatura en la tuberia
Figura 1 – Distribución temperatura en la tubería (ºC)

Este elevado gradiente térmico produce unas deformaciones que inducen la curvatura de la tubería, ya que la dilatación de la parte superior del tubo es considerablemente mayor a la de la inferior, generando en la línea unas tensiones que propiciarán la aparición de grietas y deformaciones plásticas permanentes que deberán ser evaluadas para anticiparse a los posibles fallos.

Deformacion en tuberia
Figura 2 – Deformación en tubería

Comparando el estado tensional de la línea analizando únicamente el efecto de cargas de origen mecánico con respecto al efecto de cargas mecánicas y térmicas debido al enfriamiento, se observa claramente la existencia de efectos significativos asociados al fenómeno de estratificación térmica, por lo que será necesario llevar a cabo un análisis más detallado para confirmar si este estado tensional compromete la integridad de la tubería analizada.

La definición de un procedimiento de enfriamiento correcto es fundamental a la hora de asegurar la integridad de la tubería durante la vida útil de la planta, ya que altos gradientes térmicos pueden generar fallos inesperados que pueden comprometer el funcionamiento de la planta. En el caso de detectar enfriamientos severos durante la puesta en marcha o cualquier otro fallo en el procedimiento de enfriamiento, se recomienda la realización de un estudio detallado de elementos finitos para evaluar el estado tensional real de la línea, así como la identificación de las regiones susceptibles de fallo siendo recomendable en estas zonas la realización de ensayos destructivos adicionales a los indicados por el código para detectar la existencia de posibles grietas y deformaciones permanentes.

 

Gracias a la amplia experiencia en análisis de Fitness for Service, CADE cuenta con el potencial y herramientas necesarias para evaluar el efecto de estos comportamientos en la integridad de equipos o líneas de tubería, tanto desde fase de diseño como en operación, identificando aquellas regiones susceptibles de agrietamientos y deformaciones permanentes, y analizando la vida remanente de estos equipos. De esta forma es posible prolongar de forma segura la vida útil de un equipo o línea que ha sufrido daño.

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