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UNIVERIDAD NACIONAL AUTONÓMA DE MÉXICO FACULTAD DE INGENIERÍA ESTUDIO NUMÉRICO DE LA CORRIDA DE DIABLOS PARA EL MANTENIMIENTO DE LA PRODUCCIÓN EN OLEODUCTOS T E S I S QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE I N G E N I E R O P E T R O L E R O P R E S E N T A ELVIS EDWARD FRAGOSO RIVERA DIRECTOR DE TESIS: DR. EDGAR RANGEL GERMÁN MÉXICO, D. F. 2007 UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor. Agradecimientos Gracias a Dios por todo. A quienes desde el inicio de mi vida me llevaron por un buen camino, y aunque es una forma mínima de agradecer por todo su esfuerzo y dedicación, y solo quiero que sepan que todos mis logros son sus logros. Gracias a mis padres Ángel y Beatriz y a mis hermanas Karen Y Belem por el apoyo que me brindaron durante todos mis estudios y aun en los momentos difíciles ellos supieron como motivarme para seguir adelante. A los que me apoyaron y confiaron en mí para lograr este objetivo, gracias a todos mis familiares, amigos. A una persona que es muy especial para mí pues esta me escucho, me aconsejo y también me apoyo moralmente muchas veces. La confianza que ella me trasmitió me ayudo muchísimo. Ella estuvo conmigo desde que inicie este trabajo. Gracias Nathaly A la Universidad Nacional Autónoma de México y en especial a la Facultad de Ingeniería por la oportunidad, de estudiar la carrera de ingeniero petrolero. A todos y cada uno de los profesores que me impartieron su cátedra, en gran parte es por ellos que adquirí los conocimientos sobre la carrera de ingeniero petrolero. A mi director de tesis, el Doctor Edgar René Rangel Germán, quien mostró mucho interés, por su tiempo y dedicación en la asesoría del presente trabajo y en especial por los consejos. A la empresa Scandpower por las facilidades prestadas para conseguir el Software OLGA que fue el simulador que se utilizo en gran parte del desarrollo de esta tesis. Al ingeniero Octavio Reyes, pues gracias a el se pudo conseguir el simulador Olga. A los ingenieros que tomaron parte del jurado, para realizar mi examen profesional, por su tiempo en la revisión de este trabajo. ELVIS EDWARD FRAGOSO RIVERA ÍNDICE i ESTUDIO NUMÉRICO DE LA CORRIDA DE DIABLOS PARA EL MANTENIMIENTO DE LA PRODUCCIÓN EN OLEODUCTOS 1 INTRODUCCIÓN 1 2 MARCO TEÓRICO 5 2.1 Historia de la corrida de diablos 5 2.2 Definición de diablo 6 2.3 Corrida de diablos 8 2.3.1 Metodología de la corrida de diablos 11 2.3.2 Frecuencia de la corrida de diablos 14 2.3.3 Resultados que se obtienen con la corrida de diablos 15 2.3.4 Problemas que se pueden presentar durante la corrida de diablos y cómo solucionarlos 17 2.3.4.a Ubicación del diablo 19 2.4 Tipos de diablos 21 2.4.1 Diablos convencionales 22 2.4.2 Diablos de gel 37 2.4.3 El diablo como herramienta de inspección 39 2.5 Selección de diablo 41 2.6 Tren de diablos 42 2.7 Tipos de herramientas de inspección en la corrida de diablos 44 2.7.1 Herramientas de inspección en línea 44 2.7.2 Inspección en el sitio 45 2.7.3 Herramienta de inspección MFL 46 2.7.4 Herramientas de inspección Ut 47 2.8 Parámetros que se utilizan durante la operación 48 ÍNDICE ii 2.8.1 Tiempo de la corrida de diablos 48 2.8.2 Velocidad de la corrida de diablos 49 2.8.3 Velocidad del escariador (diablo) 49 2.8.4 Control de la velocidad de llegada del diablo 50 2.8.5 Efecto de la presión del separador 50 2.8.6 Efecto de fugas alrededor del diablo 51 2.8.7 Efecto del líquido frente del diablo 51 2.9 Modelo de la corrida de diablos 51 2.10 Metodología de la simulación 53 2.10.1 Corrida de diablos en tuberías para la simulación 55 2.10.2 Equipo de proceso 56 2.10.3 Simulación del diablo 56 2.10.4 Simulación de los tipos de diablos 56 2.10.5 Fuerza de fricción actuando en el diablo 57 2.10.6 Fugas 58 3 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 59 3.1 Escenarios 60 3.2 Perfil de la tubería 61 3.3 Composición de los fluidos 63 3.4 Transferencia de calor 65 3.5 Condiciones “Estables” de Operación - Caso Base 66 4 RESULTADOS 68 4.1 Análisis del Caso Base 68 4.2 Estudio paramétrico 81 4.2.1 Variación de la presión a la entrada del sistema 82 4.2.2 Variación de la fracción de volumen de gas 88 4.2.3 Variación de la temperatura del sistema 95 4.2.4 Variación de la rugosidad de la tubería 101 ÍNDICE iii 4.2.5 Variación del diámetro de las tuberías, del diablo y masa del diablo 108 4.2.6 Variación del tipo de diablo en la simulación 115 4.2.7 Corrida de diablos sin acumulación de parafina 119 5 DISCUSIÓN 124 6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 128 6.1 Conclusiones 128 6.2 Recomendaciones 130 APÉNDICE 131 LISTA DE TABLAS 136 LISTA DE FIGURAS 138 BIBLIOGRAFÍA 142 1 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN En el presente trabajo se enfatiza la importancia que tiene la limpieza en tuberías de transporte y manejo de hidrocarburos: la corrida de diablos. En los sistemas de tuberías de transporte de hidrocarburos es frecuente que se forman obstrucciones al flujo, debido a las mismas características del fluido, como por ejemplo: en tuberías de gas húmedo es normal encontrar líquidos que obstruyen el flujo, parafinas en sistemas de tuberías de aceite, o incrustaciones si una tubería de gas o de petróleo transporta agua. Estas obstrucciones pueden originar grandes problemas tales como la disminución de la producción, necesidad de mayor presión de bombeo, grandes acumulaciones de impurezas y corrosión en las tuberías por la presencia de agua. La corrida de diablos es un proceso importante de limpieza de tuberías en la industria petrolera debido a los beneficios que se obtienen después de realizar dicha operación, puesto que la producción se incrementa, los productos son más limpios y se requiere una menor presión de bombeo. Se deben identificar los indicadores que se presentan en un sistema de tuberías para saber si es necesaria una corrida de diablos; es crucial conocer el proceso de la operación para prevenir los problemas que pueden presentarse. Estos estudios se realizan con ayuda de simuladores de flujo. CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN 2 Las causas más comunes para realizar una operación de limpieza en sistemas de transporte de hidrocarburos, una corrida de diablos son: antes de empezar la operación en una línea nueva de producción, cuando es evidente que existe gran acumulación de parafinas, cuando en una línea de operación declina la producción, cuando baja la eficiencia del sistema, cuando se necesita mayor energía para el bombeo de los fluidos, cuando se tiene gran porcentaje de impurezas, cuando existe presencia de corrosión por la acumulación de aguaen las tuberías. Así, esta tesis tiene como objetivos principales: • Resaltar la importancia de la corrida de diablos como operación de limpieza en la industria petrolera, mencionando las diferentes razones para realizarlas. • Señalar los problemas que se presentan durante la operación de la corrida de diablo y el planteamiento para resolverlos. • Analizar un sistema de transporte de hidrocarburos con el problema de acumulación de parafina en donde se requiere una corrida de diablos, con el objetivo de estudiar los efectos que, el cambio en los principales parámetros operativos, de diseño y de fluidos, tienen sobre el comportamiento de los parámetros y condiciones de flujo del mismo, realizando estudios de simulación numérica usando un simulador de flujo en tuberías comercial. • Discutir la importancia de la realización de estudios numéricos para entender y predecir los efectos de la corrida de diablos en los sistemas de transporte de hidrocarburos. CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN 3 En el capítulo 2 se exponen el marco teórico y los antecedentes en los que se basó el desarrollo del presente trabajo. Se define la corrida de diablos, su historia, así como la metodología para su ejecución, la frecuencia con la que debe realizarse, los resultados que se obtienen al realizar la operación, los problemas que pueden presentarse durante la corrida de diablos y como se pueden resolver. En la sección 2.3 y 2.4 se define el dispositivo de limpieza “diablo“, se mencionan los diferentes tipos de diablos que existen en el mercado, divididos por función y por forma, mencionando las tareas que cumple cada uno de ellos cuando se utilizan en una corrida de diablos, así como la selección del diablo. En la sección 2.5 y 2.6 se mencionan lo puntos más importantes sobre el tren de diablos y las herramientas de inspección que se utilizan durante la corrida de diablos. Las técnicas más comunes como son la MFL (Magnetic Flux Leakage), la Ut (Ultrasonic) y la inspección en el sitio. En la sección 2.7 se mencionan los parámetros que se utilizan durante la operación de corrida de diablos. Estos son muy importantes para predecir el comportamiento de la operación y saber si son los adecuados para las condiciones del sistema. En las secciones 2.8 y 2.9 se describe el modelo de la corrida de diablos y la metodología de simulación, todos los aspectos de la corrida de diablos utilizados en las simulaciones, respectivamente. En el capítulo 3 se presenta la formulación del problema. Se definen los elementos para especificar el problema de forma completa, estos elementos son: escenarios de simulación, perfil de la tubería, composición de los fluidos, transferencia de calor y condiciones “estables” de operación para el caso base definido en el estudio. CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN 4 El simulador comercial utilizado para el estudio numérico en el presente trabajo es el simulador OLGATM, el cual es un modelo unidimensional para régimen permanente y transitorio en el que se específica y da solución a un sistema de ecuaciones que representan la conservación de materia, momento y energía. En el capítulo 4 se presentan los resultados de los estudios numéricos realizados con el simulador OLGA, incluyendo un estudio paramétrico involucrando las variables que tienen mayor influencia sobre la corrida de diablos. En los capítulos 5 y 6 se presenta las discusiones, y las conclusiones y recomendaciones, respectivamente, sobre el tema de corrida de diablos planteado en esta tesis. CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 2.1 Historia de la Corrida de Diablos La corrida de diablos en tuberías fue desarrollada en los años 50`s en los Estados Unidos para limpiar las tuberías de aceite crudo, ha sido utilizada en la limpieza de tuberías en la industria del aceite y del gas por más de 50 años. Sin embargo, la corrida de diablos se está utilizando extensamente en el mundo hoy en día para limpiar tuberías en todas las industrias incluyendo las centrales eléctricas, la explotación minera, las refinerías, las plantas químicas y en las industrias petroquímicas. Con el paso de los años, la corrida de diablos se ha convertido en un método bastante sofisticado en la limpieza de tuberías. El método de corrida de diablos fue desarrollado para eliminar depósitos que pueden obstruir o retardar el flujo a través de una tubería. Actualmente se usan durante todas las fases en la vida de un sistema de tuberías (www.piggingassnppsa.com, 2005). El nombre del instrumento de limpieza viene de la industria de petróleo, donde discos de metal conectados por una barra eran propulsados a través de oleoductos para quitar acumulaciones de parafinas de las paredes internas de tuberías. La acción del metal en el metal hace un ruido como un chillido de cerdo (pig). (hps-pigging, 2005). 2.2 Definición de Diablo En la literatura existen muchas definiciones del instrumento de limpieza de tuberías llamado diablo, a continuación se citan algunas de éstas. 5 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO Los diablos de tubería son dispositivos que se insertan y viajan por el interior a lo largo de la longitud de una tubería de producción. Un diablo es un dispositivo mecánico para limpieza interior o inspección de una tubería. (User's Manual V4.0, OLGA 2000). Un diablo es el objeto, que empuja fluidos a través de la tubería. El diablo es fabricado de materiales como el silicio de alta calidad, que son muy resistentes y a la vez flexibles. Los diablos están disponibles en varias formas y se hacen de varios materiales. (Brief Overview of Gulf of Mexico OCS Oil and Gas Pipelines, 2005). Un diablo puede soportar temperaturas de hasta 200 [ºC] sin expansión o degradación significativa, permitiéndole limpiar aun con vapor si es requerido (hps-pigging, 2005). Un diablo puede ser un disco o un dispositivo esférico o cilíndrico hecho de un material flexible como neopreno1. El movimiento del diablo a través de la tubería es logrado aplicando presión de gas o un líquido como aceite o agua en la parte de atrás o al frente del diablo. Usualmente un diablo es un sólido o semisólido. Existen diferentes tipos de diablos, y con rangos desde esferas usadas para barrer los líquidos condensados en líneas de flujo de gas, hasta diablos altamente instrumentados para la inspección de líneas de flujo. Los diablos además son usados para separar diversos fluidos cuando una sola línea de flujo es usada para transportar diferentes fluidos. 1.”Neopreno”: Es el elastómero de uso especial más difundido en todo el mundo, pues sus excelentes propiedades y características garantizan óptimos resultado, sintético resistente al calor y a productos químicos como aceites y petróleo. Se emplea en tuberías de conducción de petróleo y como aislante en cables y maquinaria. Un diablo actúa como un pistón móvil libre dentro de la tubería, sellando contra la pared interior, con un número de elementos de sello. Los diablos pueden realizar varias tareas incluyendo la limpieza de escombros de la línea, el 6 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO retiro del producto residuales internos, y calibración del diámetro interno de la tubería. Estas herramientas se emplean para la limpieza de tuberías, la separación de fluidos de diferentes densidades conducidas a través de poliductos, el llenado y vaciado de líneas en calibración y pruebas hidrostáticas. Figura2.1. Diablo (inlineservices, 2006) También conocidos como diablos, los escariadores o raspatubos se fabrican en formas diversas, se utilizan para desprender las escamas de óxido, arena, basura, parafina o cualquier otro material indeseable que penetre dentro de la tubería. Algunas veces también se emplean esferas de poliuretano2 para desplazar aceite o agua de las líneas. Éstos pueden usarse en tuberías de cualquier diámetro, ya que su tamaño se puede ajustar inflándolas a través de una válvula (Transporte de Hidrocarburos por Ductos, CIPM). 2.”. Poliuretano”: resinas que van desde las formas duras y aptas para recubrimientos resistentes a los disolventes, sintéticos resistentes a la abrasión y espumas flexibles. Los diablos han probado ser eficaces para la limpieza de líneas en refinerías, instalaciones de plantas químicas, de centrales eléctricas, en la industria de aceite y el gas, explotación minera, industrias de nuevas construcciones y otros tipos. Algunas líneas que se benefician de la corrida de diablos son: 7 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO • Poliductos • Gasoductos • Oleoductos • Líneas de agua • Líneas del vapor 2.3 Corrida de diablos La corrida de diablos es un término que describe un método mecánico de cambiar de sitio un líquido en una tubería o para limpiar parafina3, asfaltenos4, incrustaciones cristalinas, corrosión5, y otros depósitos acumulados en el interior de la tubería y para determinar la integridad interna de la tubería. En las incrustaciones minerales que se producen en los campos petroleros, el agua juega un papel crítico, dado que el problema se presenta sólo cuando existe producción de agua. La formación de incrustaciones puede ser causada por un cambio de temperatura o de presión, la liberación de gas, modificación del pH o el contacto con agua incompatible. 3. “Parafina”: sustancia cerosa asociada con algunos hidrocarburos líquidos. Las propiedades físicas de la parafina son dependientes de la composición del aceite crudo, de la temperatura y presión. A presión atmosférica, la parafina es típicamente un semi-sólido en temperaturas aproximadamente de 100 oF y solidifica aproximadamente a los 50 oF. Los depósitos de parafina se forman dentro de tuberías que transportan hidrocarburos líquidos y, si alguna acción terapéutica, como la corrida de diablos, no se realiza, la parafina depositada bloqueará completamente todo el flujo a través de la línea en el futuro. 4.- Asfaltenos, Mezcla de hidrocarburos, sustancia negra, muy viscosa, pegajosa, sólida o semisólida según la temperatura ambiente. 5.”Corrosión”: Reacción electroquímica en la pared de la tubería con un ambiente que causa una pérdida de metal (Specifications and requirements for intelligent pig inspection of pipelines Version 2.1, 6 November 98). Desgaste total o parcial que disuelve o ablanda cualquier sustancia por reacción química o electroquímica con el medio ambiente. El término corrosión se aplica a la acción gradual de agentes naturales, como el aire o el agua salada sobre los metales. Existen aguas de producción que, a pesar de encontrarse sobre saturadas y ser proclives a las incrustaciones minerales, no presentan problema alguno. 8 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO Las incrustaciones pueden presentarse como una capa dura adherida a las paredes interiores de las tuberías. Con frecuencia tienen varios centímetros de espesor y presenta cristales de 1 cm. o más. El efecto primario de la formación de incrustaciones en las tuberías es la reducción de la producción al aumentar la rugosidad de la superficie de la tubería y reducir el área de flujo. Figura 2.2. Incrustaciones cristalinas Las técnicas utilizadas para eliminar las incrustaciones deben cumplir ciertas condiciones: ser rápidas, no dañar las tuberías ni el ambiente de la formación, y prevenir precipitaciones en el futuro; la corrida de diablos puede realizar esta tarea. El método de corrida de diablos involucra el movimiento a través de la tubería a ser limpiada de un dispositivo, cilíndrico o esférico de un diámetro exterior igual al diámetro interior de la tubería que se mueve a través de la tubería con el propósito de limpiar, dimensionar o inspeccionar. (Girardind, 2005). El propósito de la operación de la corrida de diablos es para que un sistema de tuberías se mantenga eficientemente estable. La eficiencia de la tubería depende de dos aspectos: primero, la operación continua; y segundo, la reducción de costos de operación. 9 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO Figura 2.3. Escombros removidos por el diablo (Piggingassnppsa, 2005) Cada tubería varía en configuración: diámetro, longitud, contenido de fluido, geometría, presiones y temperaturas de operación, materiales, espesor de la pared y ubicación geográfica. Estos factores son clave para elegir qué tipo de diablo se debe utilizar para realizar las diferentes tareas, como para quitar cualquier residuo, como herramientas, varillas de soldaduras llamados escombros o animales muertos entrampados en la línea. Cuando la tubería está en servicio, es necesaria una corrida de diablos para mantener la eficiencia de la línea y ayudar en el control de corrosión. La corrida de diablos también remueve fragmentos de soldadura. Cuando se tiene una reducción drástica del flujo. Es necesaria para remover los líquidos en sistemas de gas húmedo, remover la acumulación de agua, levantamiento y control de parafina en tuberías de aceite crudo. 2.3.1 Metodología de la corrida de diablos Los mecanismos de la corrida de diablos son relativamente simples. El método que se debe utilizar para realizar una corrida de diablos involucra varios 10 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO pasos dependiendo lo que se quiera obtener de ella. Cada uno de éstos utiliza diferentes herramientas, como es el caso de una corrida de inspección que busca un análisis de las condiciones de la tubería y para esto utilizan las herramientas de inspección más comunes, la MFL (Magnetic Flux Leakage, por sus siglas en inglés) y la Ut (Ultrasonic, por sus siglas en inglés). Un diablo se inserta a través de un lanzador. Éste es simplemente un barril, especialmente diseñado, de gran tamaño con un reductor que se acopla a la línea existente. El lanzador del diablo tiene un diámetro más grande que la tubería para permitir inserciones del diablo a mano, y una compuerta o pestaña que después es cerrada. Esto permite la fácil introducción del diablo. El diámetro exterior de un diablo es de igual tamaño que el diámetro interior de las tuberías para mantener un buen sello. En la figura 2.4 se muestra la forma típica del lanzamiento y en la figura 2.5 el diagrama del lanzamiento. Figura 2.4. Método convencional de lanzamiento (Westernfilterco, 2005) 11 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO Figura 2.5. Diagrama del lanzamiento (Westernfilterco, 2005) Una vez en el lanzador, un medio propulsor ayuda a introducir el diablo. Éste puede ser aire o líquido, normalmente se utiliza el fluido de la tubería. El diablo entra estrechamente dentro de la tubería. La presión aplicada causa que el diablo avance a través de la tubería. En su viaje a través de la tubería, el diablo raspa el interior de ésta y barre cualquier contaminante o líquido acumulado. El producto diseñado para desplazarel diablo (PDP, Product Displacement Pig) ofrece la capacidad de desplazar productos en líneas con curvas de pocos grados y cruces estándares de tuberías llenas. La longitud del sello permite pasar los cruces de las tuberías sin perder el sello. Si la tubería que se intenta limpiar tiene conexión con otras tuberías, se deben cerrar las válvulas de éstas, para definir la trayectoria del diablo y no tener problemas de que el diablo o el fluido se desvié. El diablo viaja a través de la tubería, y ésta puede presentar inclinaciones y curvas de 90° como curvas S y curvas U de 180 grados (ver figura 2.6). Esto se puede alcanzar con presiones relativamente bajas (hps-pigging, 2005). 12 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO a) b) Figura 2.6. a) Curva tipo U y b) Curva tipo S En el extremo de recepción, se utiliza el mismo diseño del barril de gran tamaño, permitiendo un retiro fácil del diablo de la línea. El contenedor del diablo es similar al lanzador del diablo; localizado al extremo opuesto de la tubería, permite el flujo de fluidos o gases a través de él y empuja a los diablos al extremo del contenedor (Pipeline Removal Preparations Survey, 2005). En la figuras 2.7 y 2.8 se muestra la configuración típica de la receptora del diablo y el diagrama de la receptora del diablo, respectivamente. Figura 2.7. Método convencional de recepción (Westernfilterco, 2005) 13 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO Figura 2.8. Diagrama de recepción (Westernfilterco, 2005) El lanzador y el receptor son trampas para introducir en la tubería y recibir los diablos después de haber realizado una operación exitosa. El diseño de estas trampas de diablos depende del tipo de diablo que va a hacer la operación y de las condiciones de la tubería. Estos recipientes consisten en un encierro, abertura para el acceso rápido, un barril de gran tamaño, un reductor para la conexión a la tubería. El diseño del suministro en la estación debe incluir equipos de manejo para diablos. En la trampa de diablos existe derrame de líquidos y debe considerarse en el diseño y la construcción (Girarding, 2005). 2.3.2 Frecuencia de la corrida de diablos La frecuencia de la corrida de diablos, y el número de ellos, depende de las condiciones de operación de la tubería; esto es, de las condiciones de operación de cada sección, pues se necesita un tratamiento diferente como resultado de las diferentes acumulaciones en ésta. El costo de cada operación comparado con la variación de la eficiencia de flujo de la tubería permitirá establecer el número óptimo de corridas para alcanzar la máxima eficiencia al menor costo. 14 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO En cada caso la frecuencia de la corrida de diablos debe ser determinada en un análisis de la composición del fluido y de las condiciones del sistema de transporte, por ejemplo: la frecuencia de corrida de diablos en tuberías que manejan gran porcentaje de gas depende de la composición del gas, de las condiciones a temperatura ambiente y puede variar mucho de una ubicación a otra. Se requiere una corrida de diablos rutinaria en las líneas de aceite para determinar las proporciones de la producción y las temperaturas de operación. La frecuencia de las corridas de diablos podría variar en los tiempos de ejecución semanal, mensual o mucho más tiempo, dependiendo de la naturaleza del fluido producido y de las condiciones de operación. Existen diablos especialmente para tuberías, conocido como "diablos inteligentes" que son capaces de detectar áreas de corrosión interior en una tubería y algunos también son capaces de localizar fugas o goteras. 2.3.3 Resultados que se obtienen con la corrida de diablos Después de limpiar una tubería con una corrida de diablos son varios los beneficios que se obtienen, algunos de ellos se enlistan a continuación (Flowmore Services, 2005): 1. El flujo se restaura; y en algunas ocasiones puede aumentar, 2. Los costos por el bombeo de fluidos se reducen; el ahorro de energía puede ser dramático en líneas grandes, 3. Los productos que se obtienen son más limpios; las impurezas como el agua pueden eliminarse, 4. En el aspecto de las ventas, los clientes resultan satisfechos y contentos debido a los buenos resultados, el tiempo fuera de servicio es mínimo. 15 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO En la figura 2.9 se muestra un diagrama de un fragmento de tubería antes, con una acumulación de parafinas, y después, con la tubería limpia, de una corrida de diablos involucrando también los gastos en cada una de los dos aspectos. En el segmento de tubería con acumulación de parafina se tiene un gasto de 250 GPM (galones por minuto, 946.357 litros por minuto) y después de realizar la corrida de diablos, y que la tubería está limpia, el gasto aumentó a 850 GPM (3217.62 litros por minuto). (Flowmore Services, 2005) Antes Después Figura 2. 9. Producción antes y después de la corrida de diablos (Flowmore Services, 2005) En este ejemplo el gasto aumentó más de tres veces de lo que se tenía anteriormente. Éste es uno de los beneficios que se tienen al realizar una corrida de diablos en un sistema donde ha disminuido la producción. Con las corridas de diablos se mejora la calidad del producto, se reduce el bombeo requerido, se restaura capacidades de flujo por completo y se reduce tiempo muerto, ya que no son destructivas a las tuberías. Los diablos pueden ser utilizados en todos los tipos de material de construcción de tubería (acero, plástico y concreto), y tienen la habilidad de adaptarse a varios tipos de instalaciones incluyendo curvas, válvulas, creces, reducciones y tuberías de doble diámetro. Han demostrado ser un método extremadamente rentable de limpieza de líneas en todos los tipos de industrias, a una fracción del costo de 16 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO los otros métodos de rehabilitación o de reemplazo (como tener que cambiar toda o una sección de tubería). 2.3.4 Problemas que se pueden presentar durante la corrida de diablos y cómo solucionarlos Uno de los problemas que se pueden presentar durante la corrida de diablos es el que un diablo se pegue en la tubería por diferentes razones. A continuación se da una breve descripción de lo que sucede y de cómo se puede solucionar el problema. Siempre hay una razón lógica para que el diablo se detenga en la tubería: falta de presión de propulsión adecuada, acoplador flojo con propulsión detrás del diablo, cierre de una válvula delante de diablo (hps-pigging, 2005). El diablo puede pegarse o perderse por varias razones tal como, una tubería deformada o que el diablo esté desgastado, envío de tipo de diablo inadecuado o incompatible, cantidad excesiva de escombros. Hay dos tipos de “diablos” pegados que se pueden presentar al realizar la corrida de diablos. (www.westernfilterco.com, 2005): I. Cuando un diablo pierde el sello. Esto puede suceder por un número de razones, por ejemplo, excesivo desgaste debido a demasiado uso de un diablo, las condiciones abrasivas en la línea, y los diablos rasgados debido a las válvulas parcialmente cerradas u otros escombros destructivos. En este caso, el diablo ha perdidosu sello y está permitiendo que el medio que lo propulsaba penetre a través de él en vez de propulsarlo. Una vez detectado este problema, las opciones para recuperar el diablo "pegado", (Westernfilterco, 2005) son: 17 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO A. Aumentar el volumen de la corrida de diablos: Aumentando el volumen del medio propulsor, la cantidad de fluido que no penetró puede ser bastante para propulsar el diablo. B. Quitar la presión y el volumen (permitiendo que el diablo se recupere): si un diablo se detuvo por una disminución del área, como una válvula parcialmente abierta, es recomendable quitar la presión y el volumen, pues la mayoría de los diablos cuentan con la capacidad para recuperar su forma original, después de un tiempo aproximadamente 15 minutos. C. Correr una esponja del tamaño de la línea: El funcionamiento de la esponja en una línea donde un diablo ha perdido sello reestablecerá el sello perdido por el primer diablo. La esponja intentará penetrar el diablo como el medio propulsor lo está haciendo, pero en cambio sellará el área sin sello, y el medio propulsor comenzará de nuevo a empujar el “diablo" pegado. D. Invertir la dirección del flujo: Invirtiendo el flujo del medio propulsor, podemos hacer que el diablo se retire algunos pies y después reaplicando la presión detrás del diablo e intentar enviar a través de la tubería. A menos que sea necesitado, se debe enviar el diablo de nuevo al lanzador. II. Un diablo que ha encontrado obstrucciones que no puede desplazar. Esto incluirá la acumulación excesiva de escombros delante del diablo, las válvulas parcialmente cerradas, y varias obstrucciones, por ejemplo: cajas, herramientas, etc. Para quitar este tipo, las opciones siguientes pueden ser útiles, (Westernfilterco, 2005): A. Aumentar la presión de la corrida de diablos: el aumento de la presión se compara con el aumento de la fuerza, que puede ser bastante para permitir que el diablo empuje la obstrucción. B. Aumentar / disminuir la presión de la corrida de diablos (de manera alterna): Aumentando y disminuyendo la presión en una 18 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO manera rápida encendido y apagado, puede darle el "retroceso en la parte posterior" para ayudar al diablo a manejar la obstrucción. Esta opción trabaja muy bien en instalaciones donde se tienen diámetros internos pequeños y válvulas entre cerradas. C. Remover la presión y el volumen (para permitir la recuperación del diablo): Como con el tipo de pérdida de sello, este procedimiento es útil por las mismas razones, permitiendo que el diablo recupere su forma después de encontrar una obstrucción. D. Invertir la dirección del flujo: La dirección contraria del flujo es muy eficaz para quitar este tipo de diablo "pegado". En la mayoría de los casos, el diablo no puede empujar la obstrucción, invertir el flujo permite que el diablo sea recuperado de la línea. Nota: Esto no funciona para los diablos unidireccionales (los diablos de la copa y los similares). 2.3.4. a. Ubicación del diablo De vez en cuando se pegan los diablos en línea. El diablo atascado puede encontrarse usando un diablo descubridor con un transmisor en su cuerpo. El transmisor emitirá una señal para que pueda localizarse con un receptor. Después de que el diablo se localiza, la línea puede excavarse y quitar el diablo (Girardind, 2005). El diablo tiene características especiales que le permite ser magnetizado. Los detectores son especialmente diseñados para ser utilizados en el seguimiento del diablo en cualquier extremo de la línea. Estos detectores no son introducidos en las líneas de producción y pueden detectar el campo magnético del diablo a través de la tubería de acero inoxidable (hps-pigging, 2005). Los diablos pueden ser localizados usando señales fijas a lo largo de la tubería o sistemas electrónicos ajustados dentro del diablo. 19 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO Los detectores del diablo se utilizan para detectar el paso de un diablo. Las dos categorías básicas son intrusivas y no-intrusivas. La intrusiva se une permanentemente a la tubería y se equipa de una punta de prueba que se introduce en la tubería. Cuando un diablo pasa, dispara la palanca y actúa el detector. La no-intrusiva no se introduce en la tubería. Estas unidades son del tipo magnético, de transmisión / recepción, o ultrasónicas. Se montan a la tubería, pero son unidades móviles. Ambos tipos se equipan de una cierta clase de señal de alertar al paso del diablo. Esto puede ser una bandera, una luz, etc. Pueden también ser equipados de señales eléctricas a las operaciones de control de funcionamiento tales como válvulas, bombas, compresores, etc. (Westernfilterco, 2005). En la figura 2.10 se puede apreciar un detector de diablos, este se coloca en la tubería para poder localizar el diablo en caso de que se detenga en la tubería durante la operación, o para registrar el momento en que pasa por determinado punto. El diablo se puede ubicar con ayuda de la punta de prueba y al detectarlo se registra en la placa disparadora. Placa disparadora Punta de prueba Figura 2.10. Detector del diablo 20 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO 2.4 Tipos de diablo Clasificación de Diablos Acero (cilíndricos) Limpiadores Esferas Polietileno (espuma) Diablo convencional o diablo de utilidad Selladores Casquete sólido Diablos de gel MFL (Magnetic Flux Leakage) Ut (Ultrasonic) Diablos geométricos o herramientas de inspección Herramientas de inspección en línea Tabla 2.1. Clasificación de diablos Figura 2.11. Tipo de diablos convencionales (Westernfilterco, 2005) Los diablos que se usan para lograr las diferentes tareas de la corrida de diablos pueden ser divididos en tres categorías generales: 21 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO • el convencional o diablo de utilidad o corrida de diablos de rutina que se usan para realizar funciones como limpiar y separar los fluidos. • diablos de gel se usan junto con los diablos convencionales para perfeccionar las tareas de drene y limpieza de la tubería. • diablos geométricos o herramientas de inspección en línea que proporcionan información sobre la condición de la línea así como la magnitud y situación de cualquier problema, la inspección de la pérdida de metal y corrosión. 2.4.1 Diablos convencionales Los diablos convencionales o de utilidad pueden ser divididos en dos categorías basados en su propósito fundamental: Diablos Limpiadores y Selladores. A. Diablos Limpiadores se usan para quitar la acumulación de sólidos o de semi-sólido y escombros acumulados en las paredes de la tubería. Esto es normalmente parafina en las tuberías de aceite crudo. Cuando se usan los inhibidores en una tubería de gas, los solventes en los inhibidores se evaporan, formando gotas en las paredes de la tubería que pueden quitarse limpiándolo con los diablos. También se usan los diablos limpiadores en conjunto con químicos tratando las líneas para perturbar los sitios de corrosión y quitar agua, microbios, productos de corrosión, y comida para los microbios. Esto aumenta la eficiencia y baja el costo de la operación. Los diablos limpiadores están normalmente provistos con cepillos u hojas para hacer la limpieza. Tienen cepillos de alambre pararaspar las paredes de la tubería y remover los sólidos. Diablos de 14" y más pequeños normalmente usan cepillos de rueda de alambres rotatorios. Estos cepillos son fáciles de reemplazar y baratos. Se usan los cepillos rotatorios especiales en algunos diablos grandes. Los diablos más grandes tienen cepillos extras. 22 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO Estos cepillos se pueden reemplazar individualmente como sea necesario y están montados en hojas de resorte de alambre, o resorte de espiral. Los resortes empujan y mantienen a los cepillos de alambre en contacto con la pared de la tubería. Hay cepillos de muchos materiales. Los cepillos normales son hechos de alambre de acero de carbono. Cuando los depósitos suaves de parafina, lodo, etc., necesitan ser removidos, una opción excelente es la hoja de uretano6. El diseño de la hoja es intercambiable con los cepillos. Se instalan los puertos de desviación en el frente del diablo o en el cuerpo. Estos puertos se usan para controlar la desviación del fluido. Si los puertos están en el cuerpo del diablo, el flujo también fluirá a través de los cepillos y los mantendrá limpios. Cuando pasa el fluidos a través de los puertos en el frente del diablo, ayuda a mantener los escombros delante del diablo en suspensión y moviéndose. Los elementos de sellado son copas o discos de elastómero7. Se usan como una combinación de elementos de limpieza y sellado para quitar los depósitos suaves. Las copas son de norma o de diseño cónico. El material de la copa y del disco es normalmente fabricado de un material del poliuretano que da abrasión excelente y resistencia a romperse pero está limitado en el rango de temperatura. Neopreno, y otros elastómeros se utilizan para las aplicaciones de temperatura más altas (Girardind, 2005). B. Diablos Selladores se usan durante la prueba hidrostática de tuberías para llenar la línea de agua y después drenarla. 6.”Uretano”. Clase de sintéticos resistentes a la abrasión y espumas flexibles. 7.”Elastómero”: cualquier polímero sintético que presenta las propiedades, en particular su elasticidad y su flexibilidad, son aquellos polímeros que muestran un comportamiento elástico, es decir, se deforman al someterlos a una fuerza pero recuperan su forma inicial al suprimir la fuerza. 23 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO Se usan para mantener un buen sello para barrer líquidos de la línea o proporcionar una interfase entre dos productos distintos dentro de la tubería. Quitando condensados y agua en sistemas de gas húmedo, agua de tuberías de producción o separando productos distintos en tuberías de producción. Los diablos selladores pueden ser esferas, diablos de casquete sólidos de poliuretano, o diablos de tipo cilíndrico con copas o discos selladores. Dentro de estas dos categorías, existe una subdivisión extensa, la cual puede hacer diferencias entre los diferentes tipos o formas de diablos. Estos son los diablos de acero (cilíndricos), esferas, polietileno (espuma), y casquete sólido (Girardind, 2005). • Diablos de cilindro, que tienen un tubo del cuerpo central o mandril, y varios componentes que pueden congregarse hacia el centro para configurar el diablo a realizar un deber específico. Figura 2.12. Diablo de cilindro, (Girardind, 2005) Los diablos del acero son más duraderos. Consisten en un cuerpo de acero con elementos reemplazables (copas y discos). Pueden también ser equipados por componentes abrasivos (los cepillos y las láminas) para quitar depósitos de la pared interior de la tubería. La ventaja de los diablos de acero es la capacidad para sustituir los componentes que usan (Westernfilterco, 2005). 24 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO Diablos de Copa Diablos de Discos 25 Los diablos de cilindro tienen un cuerpo de metal (acero o aluminio) y son equipados con selladores (copas o discos raspadores) para proporcionar la presión diferencial para propulsar el diablo en la tubería. Para limpiar la línea el diablo está equipado con cepillos del alambre u hojas del poliuretano. Una ventaja del diablo de cilindro es que puede ser un diablo de limpieza, un diablo de sellado o una combinación de ambos. Pueden reemplazarse los selladores y cepillos para hacer que el diablo pueda re-usarse. Se diseñan los diablos limpiadores para un raspado fuerte y pueden equiparse con cepillos de alambre u hojas del poliuretano. Se diseñan para las corridas largas. Hay también desventajas del diablo de cilindro. El costo de reajustarlo, y diablos más grandes requieren un equipo de manejo especial para cargar y descargar el diablo. De vez en cuando las cerdas de cepillo de alambre se rompen y entrarán en lugares no deseados (Girardind, 2005). En la tabla 2.2 se muestran varios modelos, los estilos más comunes, de diablos de cilindro, con diversas formas en las que se pueden presentar como es el diablo de copa, de discos, de copa cónica, de copa cónica con lámina y copa cónica con cepillo y otros tipos de arreglos con cepillos. Con esto se pude diferenciar si un diablo cilíndrico es del tipo de diablo limpiador o de sello o si es una combinación de ambos. CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO 26 Diablos de copa cónica Diablos de copa cónica con lámina Diablos de copa cónica con cepillo Diablos con varios tipos de cepillos Tabla 2.2. Diablos de acero (Westernfilterco, 2005) • Diablos Esféricos o esferas, son de una composición sólida o inflable, los inflebles se rellenan con glicol8 y/o agua para alcanzar el diámetro óptimo. las esferas inflables de poliuretano se fabrican de manera completa para proporcionar un diseño duradero, ya que la soldadura representa un punto de debilidad. CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO 8.”Glicol”: Compuesto orgánico con dos grupos oxhidrilos unidos a diferentes átomos de carbono; se trata por lo tanto de un alcohol divalente. Son en su mayoría líquidos viscosos, incoloros y de sabor dulce. Figura. 2.13. Diablo esfera. (Girardind, 2005) Se han usado las esferas durante muchos años como diablos selladores. Hay cuatro tipos básicos de esferas; soluble, inflable, espuma y sólida. La esfera soluble se usa normalmente en tuberías de aceite crudo y contiene una cera cristalina microscópica y polietileno que actúa como un inhibidor de parafina y no obstruye el flujo. Si en una línea nunca se ha corrido un diablo, la esfera soluble es una buena opción para realizas una corrida. La esfera normalmente se disolverá en pocas horas. Esto está en función de la temperatura y movimiento del fluido, fricción y absorción de aceite. La esfera inflable es fabricada de varios elastómeros (poliuretano, neopreno y otros) dependiendo de la aplicación. Tiene un centro hueco con válvulas que se usan para inflar la esfera con líquido. Las esferas están llenas con agua, o agua y glicol e infladas al tamaño deseado. Nunca deben inflarse las esferas con aire, puesto que por la naturaleza del mismo puede comprimirse a alta presión y/o amoldarse a la superficie de la tubería, y no realizar eficientemente la operación de remover los líquidos. 27 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO Dependiendo de laaplicación y material, la esfera es inflada de 1% a 2% arriba del diámetro interior de la tubería. En tamaños pequeños la esfera puede ser de composición sólida, eliminando la necesidad de inflarse, pero no tiene la vida útil como una esfera inflable. Las esferas también pueden fabricarse de espuma del poliuretano. Pueden cubrirse con un material del poliuretano para dar un buen uso. Para los propósitos de limpieza pueden tener cepillos de alambre en la superficie. Las ventajas de estas esferas de espuma es que son ligeras en peso, baratas, y no necesitan ser infladas. Las esferas son en general fáciles de manejar, maneja radios de 90o, giros y curvaturas irregulares. Pueden viajar desde las líneas laterales más pequeñas a las líneas principales más grandes, y son más fáciles de automatizar que otros diablos. Las esferas son comúnmente usadas para quitar los líquidos de los sistemas de gas húmedo, agua de las tuberías de producción, el control de parafina en las tuberías de aceite crudo, y la prueba hidrostática y drene después de rehabilitar la tubería o una nueva construcción. Usadas para separar varios productos como gasolinas, aceites de combustible, aceites crudos, combustibles de motor de reacción, y otros productos de petróleo transportados a través de una tubería. (Girardind, 2005). Figura 2.14. Diablo tipo esfera (Girardind, 2005) 28 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO • Diablos de espuma, la espuma del poliuretano se amolda a varias configuraciones de tiras sólidas de poliuretano y/o materiales abrasivos permanentemente unidos a ellos; Figura. 2.15. Diablo espuma (Girardind, 2005) Los diablos de espuma son un tipo de dispositivo barato y versátil en la limpieza de tuberías. Los tamaños se extienden de 2" hasta 48". Con configuraciones incluyendo básico, entrecruzado, cepillos de alambre, cerda plástica, y de carburo de silicio. Son ligeros y fáciles de trabajar y capaces de ser utilizados en tuberías, instalaciones, y válvulas (Westernfilterco, 2005). Los diablos de espuma, menos conocidos como los diablos de polietileno, son fabricados de espuma de poliuretano. La espuma es de varias densidades que van de la densidad ligera (2 lbs/ft3), la densidad media (5-8 lbs/ft3), a la densidad pesada (9-10 lbs/ft3). Aunque normalmente se encuentra en una forma de bala, pueden tener fines cóncavos, fines lisos, o bala huele en ambos fines. El diablo de polietileno puede ser de espuma básica o cubiertos con un material de poliuretano resistente. Los diablos cubiertos pueden tener un espiral de poliuretano, con varios cepillos o cubierto de carburo de silicio. Si el diablo es de espuma básica, tendrá la base cubierta. La longitud del diablo de poliuretano normal es dos veces su diámetro. Algunas ventajas de los diablos de poliuretano es que son comprimibles, extensibles, ligeros y flexibles. Los diablos de poliuretano viajan a través de las tuberías de diámetro múltiples y radios cortos de curvatura de 90º. Hacen giros bruscos en las cruces para poder 29 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO limpiar las laterales. Pasan por las válvulas tan pequeñas como el 65% de apertura. Los diablos de poliuretano también son baratos. Las desventajas de los diablos de espuma radican en que son productos de un solo uso, longitud corta de corridas, y las concentraciones altas de algunos ácidos acortan su vida. Se usan los diablos de espuma de poliuretano para probar la línea (un diablo pasa a través de la línea), secar y limpiar, remover depósitos espesos, condensados en las tuberías de gas húmedo y en corridas de diablos de diámetros múltiples. Los diablos de poliuretano cubiertos con un cepillo de alambre o de carburo de silicio se usan para raspar y suavizar la abrasión de la tubería (Girardind, 2005). Los tipos de diablos de espuma disponibles que se puede usar dependen de la condición de la tubería, y el aumento esperado de parafina, corrosión, u otro residuo de la producción del hidrocarburo, como se lista a continuación (Pipeline Removal Preparations Survey, 2005): 1. Diablo de polietileno de baja densidad - Un diablo de densidad baja puede atravesar tuberías parcialmente bloqueadas porque radicalmente se puede deformar cuando se empuja a través de la tubería. Este diablo esta diseñado para realizar un buen sello en el interior de la tubería y asegurar que todo el líquido de la tubería cambie de sitio impulsado por el fluido o gas detrás del diablo. Este tipo de diablo se muestra en la tabla 2.3. Tabla 2.3. Diablo ligero de espuma (Westernfilterco, 2005) 30 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO 2. Diablo de polietileno de densidad media - Un diablo de densidad media puede atravesar obstáculos con la fuerza que se le aplicada y puede mover algunos materiales depositados en las paredes de la tubería. Esto tipo de diablo se muestra en la tabla 2.4. Tabla 2.4. Diablo de espuma de densidad media (Westernfilterco, 2005) 3. Diablo de polietileno de alta densidad - Un diablo de densidad alta atraviesa obstáculos con mayor fuerza y mueve materiales acumulados en las paredes de la tubería. Esto tipo de diablo se muestra en la tabla 2.5. Tabla 2.5. Diablo pesado de espuma (Westernfilterco, 2005) Entre el diablo de polietileno de densidad baja, media y alta, la diferencia radica en su composición interna, y en el objetivo que se quiere conseguir al utilizarlo, cada uno de ellos tiene una finalidad independiente, y no en su apariencia física. 4. Diablo de cepillo - Este diablo tiene cepillos de alambre o otros tipos de cepillos para quitar el material de residuo proveniente de diablos anteriores. 5. Diablo rascador - Este diablo tiene varios rascadores duros construidos para raspar el residuo más resistente fuera de las paredes de la tubería. 31 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO En la corrida de diablos progresiva es necesario asegurar que los diablos no se peguen en la tubería. El uso de una densidad alta o de un diablo rascador en la primera carrera podría raspar bastante material y por consecuencia detener el diablo y bloquear la tubería. Empujando los primeros, uno o dos, diablos con varios barriles de lubricante o surfactante, ablandarán y disolverán residuos del hidrocarburo depositado en la tubería y permitirá a los diablos de polietileno más densos quitar la mayoría de material antes de usar un diablo rascador. El diablo de espuma se construye de espuma de poliuretano de varias densidades y está disponible en varios tipos de capas externas. Aunque cada diablo tiene una aplicación específica, algunos son intercambiables según la preferencia del usuario dentro de ciertos parámetros. Figura 2.16. Esquema del diablo espuma en operación. (Girardind, 2005) El diablo de espuma se adapta de material de espuma de poliuretano de densidad ligera, media, o pesada. Su forma de bala se diseña para ayudar a cruzar las instalaciones y válvulas. Los fines cóncavos están disponibles para el servicio bidireccional. La longitud del diablo es aproximadamente dos veces su diámetro para reducir la posibilidad de que diablo de volteretas en la tubería. El diámetro del diablo de poliuretano es más grande que el diámetro interior de la tubería. Esto se hace para ejercer un arrastre friccional entre el diablo de espuma y la pared de la tubería. Los diablos pueden acomodarse en cualquier orden, considerando lo que se quiera conseguir decada uno de ellos. 32 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO Los diablos de espuma tienen una base de lámina cóncava con una capa de poliuretano resistente. Esto proporciona un máximo sellado en la superficie trasera para las fuerzas de propulsión de los fluidos o gases usados. Las capas exteriores en los cuerpos de espuma consisten de un tipo de espiral entrelazado de poliuretano resistente. Estos espirales agregan la fuerza y dan un mayor limpiado y raspado, la acción es comparada con la espuma básica. Se fabrican dos tipos de diablos entrelazados. Cepillos del alambre, carburo de silicio, o las cerdas plásticas pueden adherirse en estos espirales de poliuretano para agregar una máximo acción de raspado o cepillado. La acción de limpieza del diablo de espuma se crea por el arrastre friccional proporcionado por el sobre tamaño del diámetro. Además, la presión creada por el fluido sobre la parte trasera del diablo comprime el diablo longitudinalmente. Esto aumenta el arrastre friccional sobre las paredes de la tubería y la acción de raspado del diablo. Algunos fluidos pasan alrededor de y a través del cuerpo de espuma creando una alta velocidad y desviación del volumen. Esta desviación retira los escombros delante del diablo, suspendiendo algunos de los escombros en la solución y barriéndolos fuera de la línea (Girardind, 2005). • Diablos sólidos, se amoldan en una sola pieza, normalmente de poliuretano. Los diablos sólidos son de varios diseños y son normalmente hechos de poliuretano; sin embargo, el neopreno, y otros elastómeros en los diablos de tamaños más pequeños. Son considerados diablos de sellado aunque algunos diablos sólidos están disponibles con cepillos en su alrededor y pueden usarse para propósitos de limpieza. El diablo de lanzamiento sólido está disponible en copa, disco, o una combinación de diseño copa / disco. La mayoría de los diablos son de una 33 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO construcción de piezas pero varios fabricantes tienen todos los diablos de uretano con elementos de sellado reemplazables. Figura. 2.17. Diablo sólido. (Girardind, 2005) Debido al costo de reajustar y transportar un diablo cilíndrico (trabajo y material), muchas compañías reutilizan el diablo de lanzamiento sólido. Los diablos sólidos son sumamente eficaces quitando los líquidos de las tuberías de producción, removiendo condensados y agua de sistemas de gas húmedo, y controlando el aumento de parafinas en los sistemas de aceite crudo (Girardind, 2005). Los diablos sólidos caen en la categoría de diablos de espuma medios y diablos de acero. Los equipan de copas y/o discos y tienen la capacidad de adaptar cepillos como un diablo de acero. Sin embargo, los componentes que usan no pueden ser substituidos. Como en los diablos de acero, diversas configuraciones pueden ser provistas. Los cinco tipos básicos de diablos sólidos se pueden observar en la tabla 2.6. Construidos, con alto grado de abrasión y con un químico resistente al material sólido y diseñados para permitir el sello al borde de la copa y en la 34 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO parte posterior del disco contra la superficie interna de la tubería. El centro hueco agrega flexibilidad para adaptarse a los diámetros internos fuera de circunferencia o que varían, y además maneja los diámetros de poca curvatura. Utilizados sobre todo para las pruebas hidrostáticas, drene, retiro del fluido, así como, limpiezas cuando está equipado con cepillos. Más ligero en peso que los diablos de acero, éste permite un sello más eficiente durante funcionamiento del diablo. Tipo copa Tipo copa y disco Tipo disco Con los cepillos Esferas Tabla 2.6 Tipos de diablos sólidos. (Girardind, 2005) Otra clasificación de los diablos se basa en el objetivo o tarea que se quiere conseguir al realizar la corrida de diablos, cualquiera de los diablos que se han explicado anteriormente puede tomar parte en una de estas clasificaciones, para esto también influyen las condiciones de la tubería y del fluido. 35 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO • Diablos de conjunto Se usan los diablos de conjunto para separar fluidos distintos como las diferentes calidades de gasolina, combustoleo, etc., en tuberías de productos múltiples. Estos diablos son unidireccionales si tienen copas y bidireccional si están provisto con discos (Girardind, 2005). • Diablos de desplazamiento Estos diablos se utilizan para desplazar un fluido con otro. Pueden ser bidireccionales o unidireccionales en diseño. Se usan en la hidrostática, en el llenado, en el drene, la evacuación y en el abandono de la línea (Girardind, 2005). • Diablos calibradores Se usan los diablos calibradores después de construir la tubería para determinar si hay obstrucción en la tubería. Asegura que el ovalidad de la línea está dentro de la tolerancia aceptada. La lámina de aforo puede montarse en el frente o a atrás del diablo y es hecho de un acero ligero o de aluminio. La lámina puede ser sólida. Su diámetro externo es de un 90- 95% del diámetro interno de la tubería (Girardind, 2005). • Diablo de perfil Es un diablo de aforo normalmente con tres láminas de aforo. Una lámina está colocada en el frente, una en medio, y una atrás del diablo. Normalmente se usa antes de utilizar una herramienta de Inspección en línea, para asegurar que la herramienta pase alrededor de las curvaturas y a través de la tubería (Girardind, 2005). • Diablos de diámetros dobles Existen sistemas de producción en donde se presentan tuberías de dos diferentes diámetros es decir, 4" x 6", 8" x 10", etc. es por eso que el diablo de cilindro es normalmente ajustado con discos sólidos para la línea más pequeña y discos rasurados para la línea más grande. Si es un diablo de limpieza, los cepillos lo apoyarán en la línea y mantendrán el diablo centrado. El diablo de poliuretano también se usa ampliamente en esta aplicación (Girardind, 2005). 36 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO • Diablos especiales Son diablos que se utilizan para realizar una aplicación específica y que no se lograría si se utilizara un diablo convencional. Muchas aplicaciones requieren los diablos especiales. Un ejemplo de un diablo especial es; un diablo del molinete que usa alfileres de acero con las puntas endurecidas para quitar la cera y descascarar la tubería, un diablo de limpieza magnético para recoger los escombros férreos de la tubería (Girardind, 2005). 2.4.2 Diablos de gel Es una serie de sistemas de gel líquido que se ha desarrollado para el uso en operaciones en tuberías, o durante el inicio, o como una parte de un programa de mantenimiento continuo. La mayoría de los geles de tubería son basados en agua, pero con un rango de químicos, solventes, y incluso ácidos que pueden estar en los geles. El diesel de gel normalmente se usa como un portador de inhibidor de corrosión en líneas de gas (Piggingassnppsa, 2005). Hay cuatro principales tipos de gel que se usa en aplicaciones de la tubería: • Bacheo o gel separador • Gel recogedor de escombros • Gel de hidrocarburo • Gel deshidratador Figura 2.18. Diablo de gel (Piggingassnppsa, 2005) 37 CAPÍTULO 2 MARCOTEÓRICO Como un líquido, aunque muy viscoso, el gel puede bombearse a través de cualquier línea que acepte líquidos. Pueden usarse diablos de gel exclusivamente (en líneas de líquido), en lugar de diablos, o junto con varios tipos de diablos convencionales. Cuando se usa con diablos convencionales, los diablos del gel pueden mejorar el desarrollo global mientras minimizan el riesgo de que un diablo se pegue. En la figura 2.19 se muestra la forma en que se realiza la corrida de diablos usando en el frente un diablo de gel, éste comprende un gel separador y un gel de escombros y diablos convencionales, entre uno y otro se introduce un gel de escombros o un gel separador. Con esto se minimizar la desviación de los fluidos de los diablos y se realiza una mejor limpieza. Figura 2.19. Tren de diablos con el diablo de gel (Piggingassnppsa, 2005) Las principales aplicaciones de los diablos de gel en tuberías son las siguientes: • Separación de productos • Escombros removidos • Línea rellena e hidroprueba • Desagüe y secado • Condensados removidos de líneas de gas • Inhibidores • Tratamiento químico especial • Remover los diablos atascados 38 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO 2.4.3 El diablo como herramienta de inspección. Otra de las aplicaciones que tiene el diablo durante su operación son la de inspeccionar las condiciones de la tubería. Se ha desarrollado un diablo que mide el diámetro interno este consiste en un diablo de limpieza que puede medir el diámetro interior de una tubería. Este diablo pasa a través de la tubería como un diablo de limpieza, mismos tipos y número de copas de cerrado tienen que ser usadas, se ha hecho de los mismos materiales y se han instalado a los mismos intervalos (Inspection tools with high reliability for the safety of trunk lines including tight bends, 2005). Este diablo se muestra en la figura 2.20. Figura 2.20. Diablo medidor del diámetro interno (Inspection tools with high reliability for the safety of trunk lines including tight bends, 2005) Al contrario de un diablo del calibrador ordinario, este diablo puede usarse para detectar abolladuras. Por consiguiente, los censores que miden la distorsión y detectan la deformación, se han colocado a lo largo del interior de la copa de medición. Estos datos son usados en conjunto con el dato registrado por el propio diablo. Este diablo también tiene el mismo tipo de rodillos de medición como es encontrado en herramientas de inspección, y puede medir el diámetro interior de una tubería instalada a intervalos de 2 milímetros. También se ha desarrollado un diablo cámara al que se le ha ajustado una cámara de video que se usa para grabar dentro de la tubería. Este diablo también puede usarse como un diablo de limpieza, tiene el mismo diseño. La lente no se coloca en el frente del diablo por que el polvo dentro de la tubería 39 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO puede ensuciar la lente, en cambio la cámara se ajusta atrás del diablo así la lente no se ensucia. Entonces este diablo graba en la dirección inversa del movimiento del propio diablo y da testimonio de las condiciones internas de la tubería después de haber corrido el diablo (Inspection tools with high reliability for the safety of trunk lines including tight bends, 2005). Este diablo se muestra en la figura 2.21. Figura 2.21. Diablo cámara (Inspection tools with high reliability for the safety of trunk lines including tight bends, 2005) Ejemplo de una fotografía en una línea del flujo de este diablo cámara se muestra en la figura 2.22. Esta imagen capturada por este diablo revela la forma circunferencial de la tubería. Durante el uso en el campo, este diablo ha mostrado excelente durabilidad y habilidad para pasar a través de la tubería (Inspection tools with high reliability for the safety of trunk lines including tight bends, 2005). Figura 2.22. Imagen captada por el diablo cámara (Inspection tools with high reliability for the safety of trunk lines including tight bends, 2005) 40 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO Las tuberías se inspeccionarán o se estudiarán con datos existentes para determinar la situación actual de la limpieza de la tubería involucrando el estudio de extremidades y cruces (tees). 2.5 Selección del diablo Una vez definidos los parámetros de operación y metas del proyecto de limpieza, se debe hacer una selección del diablo para perfeccionar la eficacia de limpieza de la corrida del diablo (Baker Petrolite, 2005). El tipo de diablo a ser usado y su configuración óptima para realizar una tarea en una tubería en particular debe determinarse basado en varios criterios que incluye (Piggingassnppsa, 2005): • El propósito En éste influye el tipo, dureza, situación y volumen de la sustancia que se quitara o cambiara de lugar, tiempo de acumulación, ubicación del deposito, el tipo de información que se obtendrá de una corrida de diablo y los objetivos y metas para la corrida de diablo. • Los volúmenes de la línea Se debe considerar, los volúmenes en la línea durante la corrida de diablos, la disponibilidad contra la tendencia de presión requerida y la velocidad del diablo • Características de la tubería Se deben de tomar en cuenta los diámetros interiores mínimos y máximos de la línea, la máxima distancia que deberá viajar el diablo, el mínimo radio de curvatura, y ángulos de la curvatura, las características adicionales como tipos de válvula, las conexiones de la rama, el perfil de elevación, y el material especifico de la tubería. 41 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO Varios son los diseños de diablos que se pueden utilizar en la corrida de diablos en ambas direcciones de la tubería. Todos los modelos bidireccionales operan mecánicamente con señales eléctricas autocambiables o ambas señales mecánicas y eléctricas. En la figura 2.23 se muestran algunos diablos bidireccionales. Figura 2.23. Diablos bidireccionales (Girardind, 2005) Al seleccionar el diablo se debe tomar en cuenta la temperatura de operación pues puede que el material con el que está fabricado el diablo no sea el óptimo para realizar la limpieza. 2.6 Tren de diablos Es un proceso también llamado "corrida de diablos progresiva" (progressive pigging). Este proceso consiste en introducir a la tubería una serie de diablos de espuma de polietileno, estos limpian a través de la tubería con agentes químicos y/o un limpiador de agua para quitar todos los hidrocarburos. El diablo es empujado por el lanzador en la tubería bombeando aire, nitrógeno, agua o químicos detrás del diablo. Una cantidad moderada de fluido o gas se bombea antes de un segundo diablo que es insertado en el lanzador, así hasta el número requerido de diablos con la cantidad correspondiente de 42 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO químicos o limpiadores con agua se envían a través de la línea y para quitar la mayoría de los hidrocarburos depositados en la tubería. Los diablos se reciben en un "receptor de diablo" (Pig catcher). En la figura 2.24 se muestra una corrida de diablos progresiva en donde se ilustra los diferentes tipos de diablos que se utilizan para conseguir la limpieza esperada por cada uno de ellos, se nota que cada uno de ellos cumple con un fin, que es remover la mayor cantidad de parafinas, líquidos o sólidos.Figura 2.24. Tren de diablos (Baker Petrolite, 2005) Una tubería que se ha mantenido limpia o se ha limpiado en el momento de cierre, puede requerir sólo diablos de polietileno de densidad baja y limpiadores de agua para la limpieza final. (Pipeline Removal Preparations Survey, 2005). Las tuberías se limpian hidráulicamente y neumáticamente con una serie de diablos limpiadores de polietileno (POLY-PIG) de espuma flexibles. En el caso de fragmentos pesados, los diablos de polietileno se introducen en el sistema de una manera progresiva que empieza con unidades de limpieza muy pequeñas y muy suaves que trabajan con limpiadores clasificados según el tamaño con calidades abrasivas. Este método de limpieza de diablos de polietileno ha demostrado ser la manera más segura, más rápida y más barata de limpiar la mayoría de las tuberías (Flowmore Services, 2005). El diseño del tren de diablos es crítico para el éxito del programa de limpieza. Típicamente, el bache de químicos es colocado delante de un diablo 43 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO cepillo para iniciar las corridas, con un diablo disco o diablo copa usado al final de las corridas. Día a día se perfecciona el tren de diablo para que la limpieza completa se logre en un número mínimo de corridas y aumente al máximo la producción a la vez que se minimizan los costos (Baker Petrolite, 2005). 2.7 Tipos de herramientas inspección en la corrida de diablos Básicamente las técnicas más comunes son MFL (Magnetic Flux Leakage, por sus siglas en inglés), Ut (Ultrasonic, por sus siglas en inglés), Herramientas de inspección en línea y la inspección en sitio. 2.7.1 Herramientas de inspección en línea La herramienta de inspección en línea proporciona información de la condición de la tubería y/o sus volúmenes. Con pocas excepciones, la herramienta de inspección en línea recoge datos que son analizados por los ingenieros y técnicos para determinar e informar de la condición de la línea (Piggingassnppsa, 2005). • Pre inspección del diablo Este es uno de los primeros pasos que se deben llevar a cabo durante la corrida de diablos. El diablo debe estar dentro las condiciones de operación establecidas para poder seleccionarlo. Si el diablo tiene corridas anteriores, este debe ser inspeccionado para asegurar que se puede utilizar sin que este se detenga en la tubería. El diámetro exterior del diablo sella la superficie de la tubería. Estos diámetros deben ser tan grandes como el diámetro interior de la tubería para mantener un buen sello. 44 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO Se inspecciona el sellado en la superficie para asegurar que el diablo no se cortará, romperá, pinchará, esto puede afectar la habilidad del diablo para funcionar en la tubería durante la operación. Los cepillos de diablos deben además ser medidos para asegurar que los cepillos mantienen contacto con la pared de la tubería durante la operación completa. Cuando se usan cepillos en los diablos de limpieza de tipo cilíndrico, se debe examinar la corrosión o ruptura de los cepillos. Se beben tomar precauciones para prevenir que los cepillos no se rompan en la tubería. Las cerdas sueltas dañan las válvulas, instrumentación y otros equipos de las tuberías. Todos los componentes del diablo deben ser controlados para asegurar que están ajustadas y en buenas condiciones (Girarding, 2005) 2.7.2 Inspección en el sitio Mientras estas herramientas están viajando a través de la línea, la presión diferencial constantemente se monitorea. Un método rastreador acústico se usa para monitorear la situación de la herramienta en la inspección en tiempo real. Se usan herramientas de inspección para monitorear las líneas y el proceso es mostrado en la figura 2.25 (Inspection tools with high reliability for the safety of trunk lines including tight bends, 2005). Figura 2.257. Flujo de trabajo de la inspeccion en el sitio (Inspection tools with high reliability for the safety of trunk lines including tight bends, 2005) Herramienta de inspección Diablo cámara Diablo medidor de diámetro interno Diablo de limpieza 45 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO 2.7.3 Herramienta de inspección Magnetic Flux Leakage Los dos parámetros más comunes para medir la geometría y el diámetro son la pérdida de metal y la corrosión, la información que proporciona este diablo inteligente es de un rango muy amplio de inspección que incluyen (Piggingassnppsa, 2005): • Medidas del diámetro y de la geometría • Monitoreo de la curvatura de la tubería • Perfil de la tubería • Registro de la temperatura y la presión • Perdida de metal y determinación de la corrosión • Inspección fotográfica • Determinación de grietas • Medición de los depósitos de parafinas • Determinación de la fuga El principio físico de la herramienta de trabajo MFL es magnetizar la pared del pozo y detectar la salida de flujo causado por el metal (ganancia o pérdida) u otra anomalía relativa que cambie el espesor de la pared de la tubería. Figura 2.26. Herramienta MFL. (roseninspection, 2006) La evaluación de la perdida de metal es determinado indirectamente a través de la calibración y experiencia en la interpretación de registros, los resultados del MFL son cualitativos (volumétricos). 46 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO Las herramientas del MFL se corren en aceite, gas o sistemas multifasicos con una detección mínima de 5 – 10 %. Reportan las características de la tubería de acero, es decir en el caso de tuberías con más costuras en un nivel alto reduce la capacidad y la exactitud (Pipeline Integrity Management Through Intelligent Pigging Survey, SPE # 36275). Las principales limitaciones de las herramientas MFL son: • Necesita ser calibrado para un sitio, cuando se evalúan los defectos • Incapaz para detectar la suavidad, la longitud y áreas uniformes en espesores de pared • Para evaluar errores causados por cambios desconocidos en el espesor de la pared • Limitaciones sobre la detección mínima de dimensiones, exactitud del tamaño total en el nivel de los resultados reportados • Incapacidad de registrar el tamaño, anomalías debajo de ciertas dimensiones y asociado con la masa de acero • Temperatura máxima <= 60 oC 2.7.4 Herramientas de inspección Ultrasonic El principio de operación de la herramienta untrasonic es emitir ondas de sonido que viajan hasta tener contacto con la pared de la tubería, la onda rebota y es captada por la misma herramienta, registrando el tiempo que tarda en viajar la onda, con esto se puede determinar si existen en el interior de la tubería fisuras, corrosión, incluso materiales que se encuentran depositados en la pared interna de la tubería. Esta es la herramienta más exacta pero muy difícil de manejar e históricamente más costosa en comparación con la herramienta MFL. Más conveniente para el monitoreo de la corrosión que la anterior; menos tolerancia 47 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO en la exactitud de reportes (Pipeline Integrity Management Through Intelligent Pigging Survey, SPE # 36275). Figura 2.27. Herramienta Ut. (Piggingassnppsa, 2005) Limitaciones de la herramienta Ut: • Requiere una baja velocidad (aproximadamente 1 [m/s]). Herramienta con alta rapidez para reportar resultados • Requiere un nivel alto de limpieza
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