A continuación se describe brevemente el proceso constructivo que deberá realizarse para la unión en el fondo del tramo de polietileno con el tramo hincado (mediante la pieza especial de conexión).
El tubo a unir se transporta flotando, lleno de aire, hasta la zona de unión. Se introduce progresivamente agua por un extremo, con lo que empieza su hundimiento por dicho extremo (será necesario que un “hombre-rana” acompañe a la cabeza del emisario de forma que controle la entrada de agua para que la velocidad de hundimiento sea moderada).
En el extremo contrario, la válvula de aire permanece cerrada y conectada a una bomba que puede introducir aire en la tubería para mantener la presión y así lograr sus dos objetivos:
- Mantener una posición de equilibrio durante todo el tiempo que dure el proceso de unión (es decir, que la tubería no sufra movimientos y permanezca fija durante todo ese periodo).
- Evitar la abolladura de la tubería.
En un momento dado, el tubo toca el fondo y su extremo va inclinándose hasta que descansa en cierta longitud sobre el lecho marino, mientras que el otro extremo flotará sobre la superficie.
En este instante se procede a la unión de ambos tramos, abriéndose la brida ciega, acercándose ambos extremos y ejecutando la brida de unión de los mismos. Lógicamente, la válvula de salida del aire debe estar cerrada para mantener fijada la posición del nuevo tramo. Podría ser, incluso, necesario, introducir aire por el extremo superior, antes de abrir la brida ciega para que, al hacerlo, se mantenga la posición de la tubería (es decir, sin que se produzca entrada o salida de agua).
Una vez que ya se han llevado los dos extremos a la posición buscada, se prosigue la inundación del emisario, manteniendo completamente abierta la válvula de agua (del tramo que ya estaba en el fondo), o bien quitada la brida correspondiente y entreabriendo la válvula de aire, con lo que éste va hundiéndose y apoyando en el fondo.
Se deberá estudiar con precaución la presión en el interior de la tubería durante todo el proceso de fondeo para evitar la abolladura de la tubería. Durante el tiempo que dura el proceso de unión, tal y como hemos comentado antes, la válvula de aire permanece completamente cerrada en posición de equilibrio y asegura que en todo momento la presión interior es mayor o igual que la exterior.
Todas estas maniobras deberán ser suaves y suficientemente lentas para que no se generen grandes diferencias de presiones entre el interior y exterior de la tubería.
4.5. La abolladura
El fenómeno de la posible abolladura sucede cuando la presión exterior al tubo es mayor que la interior. Debido a los fenómenos de segundo orden, la resistencia del tubo a la presión exterior es mucho menor que la resistencia a la interior. Basta señalar que un tubo de PN4, con tensión de diseño de 5 MPa, que
resistiría una presión interior de 4 atmósferas (a tiempo infinito) sólo sería capaz de resistir una sobrepresión exterior de 0,5 atmósferas (en un tiempo de 2 horas). Por ello, debemos controlar en todo momento la presión existente en el interior del tubo.
La gran flexibilidad de los tubos de PE, que favorece la ejecución del fondeo, tiene sin embargo un efecto negativo sobre la abolladura. Además, dado que el módulo de elasticidad del PE se reduce con el paso del tiempo, cualquier parada durante el proceso de fondeo agrava la situación del tubo.
La resistencia frente a la abolladura está garantizada durante todo el fondeo, ya que la tubería es capaz de resistir las acciones a las que se verá sometida.
4.6. Evaluación de las tensiones originadas en el tubo en fondeo
Se han evaluado las tensiones originadas en el tubo durante el fondeo con el peso adicional sumergido dado por los lastres (25 % del empuje total de la tubería vacía) y se ha comprobado que las tensiones máximas no son superiores a los límites establecidos para la realización del fondeo sin la aplicación de métodos de reducción de esfuerzos, (la tubería es capaz de soportar dichos esfuerzos). No obstante, como ahora veremos, si se aplica un tiro longitudinal, las solicitaciones se rebajan considerablemente.
4.6.1. Limitación de esfuerzos en el tubo
Para este emisario (Φe = 710 mm), se establece como criterio de aceptación de los esfuerzos que el radio de curvatura R sea:
R > 30 × Φe = 21,3 m
Es decir, que el Ratio (Radio de curvatura/ Diámetro exterior) debe ser mayor que 30. Esta limitación implica que las tensiones axiales máximas se mantengan en torno a 135 y 140 Kp./cm2 (variable en función del esfuerzo normal).
Tal y como veremos, el valor del ratio alcanzado para la ejecución del fondeo sin tiro en esta alternativa, es de 36, con lo que estaríamos cumpliendo esta limitación.
La tensión compuesta de Von Mises, debido a la acción del cortante y axial en la fibra neutra, es siempre inferior a la tracción, tal y como se muestra en el presente estudio.
Sólo se tienen en cuenta las acciones debidas al peso propio, empuje de Arquímedes y tiro horizontal. Por ello consideramos imprescindible que el tiro calculado como estrictamente necesario sea multiplicado, al menos, por 2, para trabajar con un suficiente margen de seguridad.
Estos cálculos se han realizado considerando las características del material a 20º C. A mayor temperatura el límite elástico disminuiría, reduciéndose, por tanto, la seguridad.
4.6.2. Fase inicial (“cabeceo”)
Es la que denominamos Fase 2 en las figuras adjuntas. En el inicio del fondeo, según se va llenando el tubo de agua por un extremo, éste va hundiéndose progresivamente por aquel.
Las tensiones debidas a los esfuerzos (sobre todo, de Mf) van incrementándose progresivamente, alcanzándose el máximo en el instante inmediatamente anterior al contacto con el fondo del mar.
En función de la profundidad a la que se llegue, podría ser necesario un tiro vertical ascendente para que el radio de curvatura sea admisible. Si esto fuera necesario se crearía fácilmente con un flotador en el extremo por el que se comienza a fondear.
4.6.3. Fase cuatro: tubo en “S”
Cuando el tubo toca el fondo, la reacción hace que las tensiones disminuyan respecto de la fase inicial.
Según va incrementándose la longitud inundada del tubo, se va inclinando en su origen hasta que apoya en cierta longitud y se hace tangente al fondo marino. En este momento se iniciaría la fase 3, también llamada “fase de formación de la S”. A partir de ahí las tensiones van aumentando hasta que la tubería apoya en el lecho marino cierta longitud, en donde las tensiones alcanzan los valores máximos. En este momento comienza la “fase 4”. A partir de este momento, la tensión máxima se estabiliza y se mantiene constante (salvo el incremento debido al aumento de calado).
Forma de la curva descrita por el tubo 0 5 10 15 20 25 30 0 20 40 60 80 100 120
Tramo inundado Tramo vacío sumergido Tramo vacío en superficie Superficie del mar
Tiro horizontal (t)
Ratio Tensión máxima
(kg/cm2)
Sobrepresión (mca)
0 36,6 135,31 6,12
Forma de la curva descrita por el tubo
0 5 10 15 20 25 30 0 20 40 60 80 100 120
Tramo inundado Tramo vacío sumergido Tramo vacío en superficie Superficie del mar
Tiro horizontal (t) Ratio Tensión máxima (kg/cm2)
Sobrepresión (mca)
4 49,6 104,24 6,10
Como podemos observar, si se realiza el fondeo sin la aplicación de tiro horizontal, el ratio (radio de curvatura/diámetro exterior) alcanza el valor de 36,6, que esta por encima del límite propuesto, y por lo tanto del lado de la seguridad.
Además, se puede ver que con un pequeño tiro de 4t, el ratio (radio de curvatura / diámetro exterior) aumenta a 49,6, y con ello, las tensiones máximas disminuyen considerablemente. Esto nos hace recomendar que la ejecución se produzca con tiro, puesto que la tubería estaría sufriría menos esfuerzos.
Por lo tanto, tal y como hemos visto, la tubería es capaz de resistir perfectamente las acciones a las que se verá sometida durante el fondeo. De igual forma, la sobrepresión interna es asumible por la tubería.
Las leyes de momentos flectores y tensiones a lo largo del tubo se exponen en las siguientes gráficas, mostrando su variación en función de la posición de la tubería en la que nos encontremos. (Para el fondeo realizado sin tiro):
DISTRIBUCION DE MOMENTOS FLECTORES A LO LARGO DEL TUBO