Tubería submarina

Un ducto submarino (también conocido como ducto marino , submarino o offshore ) es un ducto que se coloca en el lecho marino o debajo de él dentro de una zanja. ^{[1] [2]} En algunos casos, el ducto es principalmente terrestre, pero en algunos lugares cruza extensiones de agua, como pequeños mares, estrechos y ríos. ^[3] Los ductos submarinos se utilizan principalmente para transportar petróleo o gas, pero el transporte de agua también es importante. ^[3] A veces se hace una distinción entre una línea de flujo y un ducto. ^{[1] [3] [4]} El primero es un ducto intracampo , en el sentido de que se utiliza para conectar pozos submarinos , colectores y la plataforma dentro de un campo de desarrollo particular. El último, a veces denominado ducto de exportación , se utiliza para llevar el recurso a la costa. ^[1] Los proyectos de construcción de ductos de gran tamaño deben tener en cuenta muchos factores, como la ecología marina, los georriesgos y la carga ambiental; a menudo son llevados a cabo por equipos internacionales multidisciplinarios. ^[1]

Una de las primeras y más críticas tareas en un ejercicio de planificación de un oleoducto submarino es la selección de la ruta. ^[5] Esta selección tiene que considerar una variedad de cuestiones, algunas de naturaleza política, pero la mayoría de las otras tienen que ver con los georriesgos , los factores físicos a lo largo de la ruta prospectiva y otros usos del lecho marino en el área considerada. ^{[5] [6]} Esta tarea comienza con un ejercicio de investigación de hechos, que es un estudio de escritorio estándar que incluye un estudio de mapas geológicos , batimetría , cartas de pesca, fotografías aéreas y satelitales , así como información de las autoridades de navegación. ^{[5] [6]}

El factor físico principal a tener en cuenta en la construcción de tuberías submarinas es el estado del fondo marino, ya sea liso ( es decir , relativamente plano) o irregular (corrugado, con puntos altos y bajos). Si es irregular, la tubería incluirá tramos libres cuando conecte dos puntos altos, dejando la sección intermedia sin soporte. ^{[2] [7]} Si una sección sin soporte es demasiado larga, la tensión de flexión ejercida sobre ella (debido a su peso) puede ser excesiva. La vibración de los vórtices inducidos por la corriente también puede convertirse en un problema. ^{[7] [8]} Las medidas correctivas para tramos de tuberías sin soporte incluyen la nivelación del fondo marino y el soporte posterior a la instalación, como bermas o relleno de arena debajo de la tubería. La resistencia del fondo marino es otro parámetro significativo. Si el suelo no es lo suficientemente fuerte, la tubería puede hundirse en él hasta un punto en el que la inspección, los procedimientos de mantenimiento y las posibles conexiones se vuelven difíciles de llevar a cabo. En el otro extremo, un fondo marino rocoso es costoso de excavar y, en los puntos altos, puede producirse abrasión y daño del revestimiento externo de la tubería. ^{[7] [8]} Idealmente, el suelo debería ser tal que permita que la tubería se asiente en él hasta cierto punto, proporcionándole así cierta estabilidad lateral. ^[7]

Otros factores físicos a tener en cuenta antes de construir un ducto incluyen los siguientes: ^{[2] [7] [8] [9] [10] [11]}

• Movilidad en el fondo marino : las ondas de arena y las megaondulaciones son estructuras que se desplazan con el tiempo, de modo que un oleoducto que se apoyaba en la cresta de una de estas estructuras durante la construcción puede encontrarse en una depresión más adelante durante la vida útil del oleoducto. La evolución de estas estructuras es difícil de predecir, por lo que es preferible evitar las zonas donde se sabe que existen.
• Deslizamientos submarinos : son el resultado de altas tasas de sedimentación y ocurren en pendientes más pronunciadas. Pueden ser provocados por terremotos . Cuando el suelo alrededor de la tubería se ve sometido a un deslizamiento, especialmente si el desplazamiento resultante es en un ángulo alto con respecto a la línea, la tubería en su interior puede sufrir una flexión grave y, en consecuencia, una falla por tracción .
• Corrientes : Las corrientes fuertes son un problema porque dificultan las operaciones de tendido de tuberías. Por ejemplo, en mares poco profundos, las corrientes de marea pueden ser bastante fuertes en un estrecho entre dos islas. En estas circunstancias, puede ser preferible llevar la tubería a otro lugar, incluso si esta ruta alternativa resulta más larga.
• Olas : En aguas poco profundas, las olas también pueden ser problemáticas para las operaciones de tendido de tuberías (en regímenes de oleaje severo) y, posteriormente, para su estabilidad, debido a la acción de erosión del agua . Esta es una de las diversas razones por las que las zonas de recalada (donde la tubería llega a la costa) son áreas particularmente delicadas de planificar.
• Problemas relacionados con el hielo : en aguas heladas, los elementos de hielo flotantes a menudo se desplazan hacia aguas menos profundas y su quilla entra en contacto con el lecho marino. A medida que continúan a la deriva, perforan el lecho marino y pueden golpear la tubería. ^[12] El stamukhi también puede dañar esta estructura, ya sea ejerciendo altas tensiones locales sobre ella o haciendo que el suelo a su alrededor falle, lo que induce una flexión excesiva. Los strudel son otro peligro para las tuberías en aguas frías: el agua que brota a través de ellos puede remover el suelo de debajo de la estructura, lo que la hace vulnerable a la sobrecarga (debido al peso propio) o a las oscilaciones inducidas por vórtices. La planificación de la ruta de la tubería para áreas donde se sabe que existen estos riesgos debe considerar la colocación de la tubería en una zanja rellena.

La planificación adecuada de la ruta de un oleoducto debe tener en cuenta una amplia gama de actividades humanas que utilizan el lecho marino a lo largo de la ruta propuesta, o que es probable que lo hagan en el futuro. Entre ellas se incluyen las siguientes: ^{[2] [8] [13]}

• Otros conductos : Si el conducto propuesto se cruza con uno ya existente, lo que no es raro, puede ser necesario construir una estructura de puente en ese punto para cruzarlo. Esto debe hacerse en ángulo recto. El punto de unión debe diseñarse cuidadosamente para evitar interferencias entre las dos estructuras, ya sea por contacto físico directo o por efectos hidrodinámicos.
• Buques pesqueros : La pesca comercial utiliza redes de pesca pesadas que se arrastran por el fondo del mar y se extienden varios kilómetros detrás del barco de pesca. Estas redes podrían engancharse en el oleoducto, con posibles daños tanto al oleoducto como al barco.
• Anclas de barcos : Las anclas de barcos son una amenaza potencial para las tuberías, especialmente cerca de los puertos.
• Actividades militares : En algunas zonas todavía hay minas que proceden de conflictos anteriores pero que siguen en funcionamiento. En otras zonas, utilizadas para prácticas de bombardeo o tiroteo, también puede haber munición real . Además, en algunos lugares se han colocado diversos tipos de instrumentos en el fondo marino para la detección de submarinos. Estas zonas deben evitarse.

Las tuberías submarinas generalmente varían en diámetro desde 3 pulgadas (76 mm) para líneas de gas, hasta 72 pulgadas (1,800 mm) para líneas de alta capacidad. ^{[1] [2]} Los espesores de pared típicamente varían de 10 milímetros (0,39 pulgadas) a 75 milímetros (3,0 pulgadas). La tubería puede ser diseñada para fluidos a alta temperatura y presión. Las paredes están hechas de acero de alta resistencia a la fluencia, 350-500 MPa (50,000-70,000 psi), siendo la soldabilidad uno de los principales criterios de selección. ^[2] La estructura a menudo está protegida contra la corrosión externa mediante recubrimientos como bitumástico o epoxi , complementados con protección catódica con ánodos de sacrificio . ^{[2] [14] La envoltura} de hormigón o fibra de vidrio proporciona mayor protección contra la abrasión. La adición de un recubrimiento de hormigón también es útil para compensar la flotabilidad positiva de la tubería cuando transporta sustancias de menor densidad. ^{[2] [15]}

La pared interior de la tubería no está recubierta para el servicio petrolero. Pero cuando transporta agua de mar o sustancias corrosivas, se puede recubrir con epoxi , poliuretano o polietileno ; también se puede revestir con cemento. ^{[2] [14]} En la industria petrolera, donde las fugas son inaceptables y las tuberías están sujetas a presiones internas típicamente del orden de 10 MPa (1500 psi), los segmentos se unen mediante soldaduras de penetración total. ^{[2] [14]} También se utilizan juntas mecánicas. Un raspador es un dispositivo estándar en el transporte por tuberías , ya sea en tierra o en alta mar. Se utiliza para probar la presión hidrostática , para verificar abolladuras y engarces en las paredes laterales dentro de la tubería y para realizar limpiezas periódicas y reparaciones menores. ^{[1] [2]}

La construcción de tuberías implica dos procedimientos: ensamblar muchos segmentos de tubería en una línea completa e instalar esa línea a lo largo de la ruta deseada. Se pueden utilizar varios sistemas; para una tubería submarina, la elección a favor de cualquiera de ellos se basa en los siguientes factores: condiciones físicas y ambientales ( por ejemplo , corrientes, régimen de olas), disponibilidad de equipos y costos, profundidad del agua, longitud y diámetro de la tubería, restricciones vinculadas a la presencia de otras líneas y estructuras a lo largo de la ruta. ^[2] Estos sistemas generalmente se dividen en cuatro grandes categorías: pull/tow , S-lay , J-lay y reel-lay . ^{[16] [17] [18] [19]}

En el sistema de arrastre y remolque, la tubería submarina se ensambla en tierra y luego se remolca hasta el lugar. El ensamblaje se realiza en paralelo o perpendicular a la costa; en el primer caso, la línea completa se puede construir antes del remolque y la instalación. ^[20] Una ventaja significativa del sistema de arrastre y remolque es que las pruebas previas y la inspección de la línea se realizan en tierra, no en el mar. ^[20] Permite manejar líneas de cualquier tamaño y complejidad. ^{[18] [21]} En cuanto a los procedimientos de remolque, se pueden utilizar varias configuraciones, que pueden clasificarse de la siguiente manera: remolque de superficie, remolque cerca de la superficie, remolque de profundidad media y remolque fuera del fondo. ^[22]

• Remolque de superficie : en esta configuración, la tubería permanece en la superficie del agua durante el remolque y luego se hunde en su posición en el lugar de colocación. La línea debe ser flotante; esto se puede lograr con unidades de flotabilidad individuales unidas a ella. ^[20] Los remolques de superficie no son apropiados para mares agitados y son vulnerables a las corrientes laterales.
• Remolque cerca de la superficie : la tubería permanece debajo de la superficie del agua, pero cerca de ella, lo que mitiga la acción de las olas. Sin embargo, las boyas de espiga que se utilizan para mantener la línea a ese nivel se ven afectadas por el mar agitado, lo que en sí mismo puede representar un desafío para la operación de remolque.
• Remolque a media profundidad : la tubería no flota, ya sea porque es pesada o porque está lastrada por cadenas colgantes. En esta configuración, la línea está suspendida en una catenaria entre dos buques remolcadores. La forma de esa catenaria (la flecha ) es un equilibrio entre el peso de la línea, la tensión que le aplican los buques y la sustentación hidrodinámica de las cadenas. ^[23] La cantidad de flecha permisible está limitada por la profundidad a la que se encuentre el fondo marino.
• Remolque desde el fondo : esta configuración es similar al remolque de profundidad media, pero aquí la línea se mantiene a 1 o 2 m (varios pies) de distancia del fondo, utilizando cadenas que se arrastran sobre el lecho marino.
• Remolque de fondo : en este caso, la tubería se arrastra hasta el fondo; la línea no se ve afectada por las olas ni las corrientes y, si el mar se pone demasiado agitado para el remolcador, la línea simplemente se puede abandonar y recuperar más tarde. Los desafíos con este tipo de sistema incluyen: requisito de un revestimiento resistente a la abrasión, interacción con otras tuberías submarinas y posibles obstrucciones (arrecifes, rocas, etc.). El remolque de fondo se utiliza comúnmente para cruzar ríos y cruzar entre orillas. ^[24]

En el sistema S-lay, el montaje de la tubería se realiza en el lugar de instalación, a bordo de un buque que cuenta con todo el equipo necesario para unir los segmentos de tubería: cintas transportadoras de manipulación de tuberías, estaciones de soldadura, equipo de rayos X, módulo de recubrimiento de juntas, etc. ^[25] La notación S se refiere a la forma de la tubería cuando se coloca sobre el fondo marino. La tubería sale del buque por la popa o la proa desde una estructura de soporte llamada aguijón que guía el movimiento descendente de la tubería y controla la curva convexa hacia arriba (la sobrecurvatura ). A medida que continúa hacia el fondo marino, la tubería tiene una curva convexa hacia abajo (el sagbend ) antes de entrar en contacto con el fondo marino ( punto de contacto ). El sagbend se controla mediante una tensión aplicada desde el buque (a través de tensores ) en respuesta al peso sumergido de la tubería. La configuración de la tubería se monitorea para que no se dañe por una flexión excesiva. ^[25] Este método de montaje de tuberías en el lugar, conocido como construcción de barcazas de tendido , es conocido por su versatilidad y naturaleza autónoma: a pesar de los altos costos asociados con el despliegue de este buque, es eficiente y requiere relativamente poco apoyo externo. ^[26] Pero puede tener que lidiar con estados marinos severos, que afectan negativamente a operaciones como la transferencia de tuberías desde barcos de suministro, el manejo de anclas y la soldadura de tuberías. ^[25] Los desarrollos recientes en el diseño de barcazas de tendido incluyen el posicionamiento dinámico y el sistema de tendido en J. ^{[25] [27]}

En zonas donde el agua es muy profunda, el sistema de tendido en S puede no ser apropiado porque la tubería sale del aguijón para descender casi en línea recta. Para evitar curvaturas pronunciadas en el extremo y mitigar la flexión excesiva por comba, la tensión en la tubería tendría que ser alta. ^[28] Hacerlo interferiría con el posicionamiento del buque, y el tensor podría dañar la tubería. Se podría utilizar un aguijón particularmente largo, pero esto también es objetable ya que esa estructura se vería afectada negativamente por los vientos y las corrientes. ^[28] El sistema de tendido en J, una de las últimas generaciones de barcazas de tendido, es más adecuado para entornos de aguas profundas. En este sistema, la tubería sale del buque en una rampa (o torre) casi vertical. No hay sobrecurvatura, solo una flexión de naturaleza catenaria (de ahí la notación J ), de modo que se puede reducir la tensión. La tubería también está menos expuesta a la acción de las olas cuando entra en el agua. ^[29] Sin embargo, a diferencia del sistema S-lay, en el que la soldadura de tuberías se puede realizar simultáneamente en varios lugares a lo largo de la cubierta del buque, el sistema J-lay solo puede acomodar una estación de soldadura. Se utilizan métodos avanzados de soldadura automática para compensar este inconveniente. ^[30]

En el sistema de tendido de tuberías en carrete, la tubería se ensambla en tierra y se enrolla en un tambor grande, que normalmente mide unos 20 metros (66 pies) x 6 metros (20 pies), ^[31] montado a bordo de un buque construido especialmente para ese fin. El buque luego se dirige al lugar para tender la tubería. Las instalaciones en tierra para ensamblar la tubería tienen ventajas inherentes: no se ven afectadas por el clima o el estado del mar y son menos costosas que las operaciones marítimas. ^[21] El suministro de tuberías se puede coordinar: mientras se coloca una línea en el mar, se puede enrollar otra en tierra. ^[32] Un solo carrete puede tener suficiente capacidad para una línea de flujo de longitud completa. ^[32] Sin embargo, el sistema de tendido de tuberías en carrete solo puede manejar tuberías de diámetro inferior, hasta aproximadamente 400 mm (16 pulgadas). ^[33] Además, el tipo de acero que compone las tuberías debe ser capaz de soportar la cantidad requerida de deformación plástica a medida que se dobla a la curvatura adecuada (mediante un tubo en J en espiral) cuando se enrolla alrededor del tambor y se endereza nuevamente (mediante una enderezadora) durante las operaciones de diseño en el sitio de instalación. ^[34]

Se utilizan varios métodos para estabilizar y proteger las tuberías submarinas y sus componentes. Estos pueden utilizarse solos o en combinación. ^[35]

Una tubería submarina puede colocarse dentro de una zanja como un medio para protegerla contra los aparejos de pesca ( por ejemplo , anclas ) y la actividad de arrastre . ^{[36] [37]} Esto también puede ser necesario en los accesos a la costa para proteger la tubería contra las corrientes y la acción de las olas (cuando cruza la zona de rompientes ). La excavación de zanjas se puede realizar antes de la colocación de la tubería ( zanja previa a la colocación ) o después mediante la remoción del lecho marino desde debajo de la tubería ( zanja posterior a la colocación ). En este último caso, el dispositivo de excavación de zanjas se monta sobre la tubería o se extiende a ambos lados de la misma. ^{[36] [37]} Se utilizan varios sistemas para cavar zanjas en el lecho marino para tuberías submarinas:

• Chorro de agua: es un procedimiento de excavación de zanjas posterior a la colocación del conducto mediante el cual se remueve el suelo de debajo de la tubería utilizando bombas potentes para soplar agua a cada lado de la misma. ^{[38] [39]}
• Corte mecánico: Este sistema utiliza cadenas o discos de corte para excavar y remover suelos más duros, incluidas rocas grandes , ^[40] de debajo de la tubería.
• Arado: El principio de arado , que inicialmente se utilizó para excavar zanjas antes de colocar el terreno, ha evolucionado hacia sistemas sofisticados y más livianos para una operación más rápida y segura.
• Dragado/excavación: En aguas poco profundas, el suelo se puede retirar con una draga o una excavadora antes de tender la tubería. Esto se puede hacer de varias maneras, en particular con un sistema de “corte-succión”, con el uso de baldes o con una retroexcavadora . ^[36]

″Una tubería enterrada está mucho mejor protegida que una tubería en una zanja abierta″. ^[41] Esto se hace comúnmente cubriendo la estructura con rocas extraídas de una cantera cercana a la costa. Alternativamente, la tierra excavada del lecho marino durante la excavación de zanjas se puede utilizar como relleno. Un inconveniente importante del enterramiento es la dificultad para localizar una fuga en caso de que se produzca y para las operaciones de reparación posteriores. ^[42]

Se pueden colocar colchones sobre la tubería, o tanto debajo como encima de ella, dependiendo del sustrato. ^[35]

• Los colchones de frondas tienen un efecto similar al de las algas y tienden a acumular arena. Deben anclarse al fondo para evitar que se los lleve el agua. ^[35]
• Los colchones de hormigón se utilizan para ayudar a mantener en su lugar parte de la tubería mediante su peso y reducir la erosión. Por lo general, son lo suficientemente pesados ​​como para mantenerse en su lugar por su propio peso, ya que están hechos de bloques de hormigón unidos entre sí por una cuerda. ^[35]
• También se utilizan colchones combinados de colchón de hormigón con colchón de fronda superpuesto. ^[35]

Se pueden utilizar abrazaderas que sujeten la tubería a los pilotes para evitar el movimiento lateral. ^[35]

Se pueden utilizar bloques de hormigón prefabricado para proporcionar soporte lateral y sujetar la tubería con mayor firmeza. ^[35]

Estos pueden colocarse a los lados o debajo de una tubería para proporcionar soporte vertical y/o lateral. ^[35]

Se puede verter grava sobre partes de una tubería para reducir la erosión y ayudar a estabilizarla contra el movimiento lateral. ^[35]

La Convención de Espoo creó ciertos requisitos de notificación y consulta en los casos en que es probable que un proyecto tenga efectos ambientales transfronterizos. Los académicos están divididos sobre la eficacia de Espoo para mitigar el daño ambiental. Los conceptos del Derecho del Mar relacionados con la construcción de tuberías transfronterizas se refieren a las aguas territoriales, las plataformas continentales , las zonas económicas exclusivas , la libertad de alta mar y la protección del medio ambiente. Según el derecho internacional, la alta mar está abierta a todos los Estados para tender tuberías submarinas y para otros tipos de construcción. ^[43]

Los conductos submarinos plantean un riesgo medioambiental porque pueden resultar dañados por las anclas de los barcos, la corrosión, la actividad tectónica o como resultado de una construcción y materiales defectuosos. Stanislav Patin ha dicho que el estudio sobre los efectos del gas natural en los ecosistemas submarinos, los peces y otros organismos marinos ha sido limitado. Los investigadores encontraron una relación causa-efecto entre la mortalidad masiva de peces y las fugas de gas natural después de los accidentes de perforación en el Mar de Azov en 1982 y 1985. ^[43]

En numerosas ocasiones se han planteado preocupaciones sobre los riesgos ambientales de los oleoductos submarinos. Ha habido al menos dos incidentes graves relacionados con oleoductos en la plataforma continental del Reino Unido . También ha habido varios "derrames menores y fugas de gas" relacionados con otros oleoductos del Mar del Norte. En 1980, un oleoducto fue dañado por el ancla de un barco y en 1986 una válvula del oleoducto falló debido a un cambio de presión. Ambos incidentes resultaron en derrames de petróleo. Varios países bálticos expresaron su preocupación por el oleoducto Nord Stream . La ruta del oleoducto submarino de 1.200 km atravesaría zonas de pesca del Mar Báltico , así como zonas en las que se habían desechado armas químicas de la Segunda Guerra Mundial . ^[43]

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