Transporte de dióxido de carbono por tubería: nuestra contribución a la neutralidad en carbono

El control de la corrosión y la selección de materiales son esenciales para el funcionamiento seguro y confiable de las tuberías de transporte de CO_₂. El CO_₂ puro y seco no provoca la corrosión del acero al carbono, pero las impurezas y la humedad pueden aumentar considerablemente las tasas de corrosión. Incluso pequeñas cantidades de agua pueden condensarse en las secciones más frías durante las caídas de presión o las paradas, formando una fase acuosa. Cuando el CO_₂ se disuelve en esta agua, el pH disminuye y se forma ácido carbónico, lo que provoca un adelgazamiento uniforme de las paredes o picaduras. Los contaminantes como el oxígeno (O₂), el dióxido de azufre (SO₂), los óxidos de nitrógeno (NO_X) y el sulfuro de hidrógeno (H₂S) modifican aún más la química de la fase condensada, creando entornos agresivos que favorecen la corrosión localizada o el agrietamiento por tensión por sulfuro. Sin embargo, eliminar o reducir algunas de estas impurezas puede resultar poco práctico o prohibitivamente costoso, dependiendo de la composición del gas de origen y de la configuración del proceso.

Una mitigación eficaz depende de la selección adecuada de los materiales y del control estricto de la calidad de los fluidos. Los aceros de la tubería deben especificarse en función de la presión de funcionamiento, la temperatura, la concentración de impurezas y la eficiencia de deshidratación. Los recubrimientos internos y los inhibidores de corrosión pueden proporcionar una protección adicional, pero no pueden sustituir a una deshidratación y una gestión de impurezas adecuadas. La elección del material también debe tener en cuenta la resistencia a la fractura, la soldabilidad y el comportamiento a bajas temperaturas, ya que la descompresión puede provocar un enfriamiento rápido. Los aceros deben cumplir los requisitos de resistencia a la corrosión y tenacidad, incluidas las temperaturas de transición adecuadas entre dúctil y frágil y los niveles de energía de impacto Charpy. Para lograr la integridad a largo plazo es necesario comprender de forma integrada la química de los fluidos, la termodinámica y la metalurgia, a fin de garantizar un transporte de CO₂ seguro y duradero.

El control de grietas es un aspecto crítico del diseño y la gestión de la seguridad de las tuberías de CO₂ debido al comportamiento termodinámico único del CO₂ y a las graves consecuencias de una ruptura. A diferencia del gas natural, el CO₂ se transporta normalmente en fase densa o en estado supercrítico, donde el comportamiento de descompresión es muy diferente. Durante la despresurización, el CO₂ experimenta un rápido cambio de fase y expansión, lo que influye considerablemente en la velocidad de propagación de las grietas y en la capacidad de la tubería para detener una fractura en curso.

Las estrategias de control de fracturas deben tener en cuenta la resistencia del material, la presión de funcionamiento y las características de descompresión de las mezclas de CO₂, que pueden incluir nitrógeno, oxígeno, sulfuro de hidrógeno o metano. Estas impurezas afectan a la velocidad de la onda de descompresión y pueden desplazar el límite de detención de la fractura, lo que hace que los modelos de diseño de gas natural no sean fiables para el servicio de CO₂. Un control eficaz requiere una comprensión combinada de la termodinámica, la mecánica de fracturas y el rendimiento de los materiales para garantizar que, en caso de fuga, cualquier fractura permanezca contenida y no se propague a través del sistema de tuberías.

El análisis hidráulico es fundamental para el diseño y el funcionamiento de las tuberías de transporte de CO₂, ya que garantiza un transporte seguro y eficiente en condiciones termodinámicas y de flujo cambiantes. El CO₂ se transporta normalmente en fase densa o en la región supercrítica, donde su comportamiento difiere del del gas natural. Cerca del punto crítico, las relaciones entre la presión y la temperatura son muy no lineales, por lo que se requiere un modelo termofísico preciso para predecir la caída de presión, la densidad y la velocidad. Pequeños cambios de temperatura pueden provocar grandes variaciones de densidad, creando un flujo gaseoso o bifásico que afecta a las pérdidas por fricción y a la estabilidad. Un análisis fiable depende de ecuaciones de estado que describan con precisión las mezclas de CO₂ que contienen impurezas como nitrógeno, oxígeno, metano y sulfuro de hidrógeno.

El diseño y el funcionamiento se basan en modelos hidráulicos estables y transitorios para determinar los perfiles de presión, el espaciamiento de los compresores o bombas y los parámetros de garantía de flujo en condiciones normales y de perturbación. El análisis estable evalúa las pérdidas por fricción, elevación y presión térmica, mientras que el análisis transitorio captura los cambios rápidos durante el arranque, la parada o la despresurización. Mantener el fluido dentro de su envolvente de fase es esencial para evitar la vaporización o la condensación, y gestionar los transitorios ayuda a evitar sobrepresiones, inversiones de flujo e inestabilidad de control. En general, el análisis hidráulico combina la termodinámica, la dinámica de fluidos y la ingeniería de seguridad para garantizar un rendimiento fiable y evitar problemas como la formación de CO₂ sólido o hidratos y las fluctuaciones excesivas de presión.

La gestión de riesgos y seguridad es fundamental en el diseño, la construcción y la operación de tuberías de transporte de CO₂ para prevenir incidentes, limitar las consecuencias y proteger a las personas y el medio ambiente. El CO₂ presenta retos particulares en comparación con el gas natural debido a sus propiedades asfixiantes, su alta densidad y sus rápidos cambios de fase durante su liberación. Una fuga o ruptura puede provocar que el gas se acumule en zonas bajas y desplace el oxígeno, lo que crea graves riesgos de asfixia. Un marco de seguridad eficaz debe combinar medidas preventivas y mitigadoras mediante la identificación sistemática de peligros y la evaluación cuantitativa de riesgos.

Se evalúan los mecanismos de fallo típicos, como la corrosión, la interferencia de terceros, los defectos de los materiales y la sobrepresión, en cuanto a su probabilidad y consecuencias, para definir distancias de seguridad y zonas de planificación de emergencias. Estas evaluaciones sirven de base para tomar decisiones de diseño basadas en el riesgo sobre los materiales, el espesor de las paredes, la separación entre válvulas y las estrategias de aislamiento, con el fin de reducir los volúmenes de liberación y permitir una rápida contención. En última instancia, una gestión eficaz de los riesgos y la seguridad se basa en la integración de un diseño de ingeniería sólido, programas de inspección, tecnologías de monitoreo y el desempeño humano para garantizar un transporte de CO₂ fiable y seguro en todas las condiciones.

La inspección en línea de las tuberías de CO_₂ es esencial y factible, aunque plantea retos específicos derivados de las propiedades físicas y termodinámicas del fluido transportado. En ROSEN, hemos desarrollado e implementado tecnologías de inspección avanzadas diseñadas para estas condiciones, lo que nos ha permitido acumular una amplia experiencia en la evaluación de la integridad de las tuberías de CO_₂. La eficacia de los ensayos de resistencia a la fractura también depende del conocimiento detallado de la población de materiales, lo que permite un muestreo más específico y garantiza que los ensayos se centren en los grupos de tuberías más representativos.

Los sistemas de CO₂ pueden experimentar mecanismos de degradación dependientes del tiempo que pueden desarrollarse incluso en períodos de funcionamiento cortos. Por lo tanto, es necesario un monitoreo continuo para confirmar la eficacia de las medidas de control. Las herramientas de alta resolución para la detección de pérdida de metal y grietas, incluidas las tecnologías de fuga de flujo magnético (MFL) y transductor acústico electromagnético (EMAT), son fundamentales para la detección temprana y la medición precisa de la pérdida de metal y de las características similares a las grietas. Combinados, estos métodos de inspección y monitoreo proporcionan un marco integral para mantener la integridad, la seguridad y la fiabilidad de las tuberías de transporte de CO₂ a lo largo de su vida útil.