Autor: Mehdi Fardi
Los retos cambiantes del diseño y la evaluación de ductos
De la ecuación de Barlow a la evaluación avanzada de la fatiga y la mecánica de la fractura de las tuberías de hidrógeno
Durante las últimas décadas, los diseños de tuberías y los métodos para evaluarlas han tenido que adaptarse repetidamente a las condiciones constantemente cambiantes de la industria. Con la introducción del hidrógeno, el sector se enfrenta ahora a nuevos retos. Nuestro experto, Mehdi Fardi, Ingeniero Principal del Grupo ROSEN, examina más de cerca estos nuevos retos y analiza cómo podría resolverlos la industria.
Durante décadas, la industria de las tuberías se ha basado en principios fundamentales de ingeniería para diseñar y evaluar la integridad de las tuberías. Entre estos principios, algunas de las ecuaciones más esenciales incluyen la ecuación de Barlow, que establece una relación entre la presión interna, la tensión del aro, el espesor de la pared y el diámetro de la tubería. Esta ecuación ha sido históricamente la piedra angular de los ingenieros de tuberías a la hora de determinar las presiones de funcionamiento seguras. En el diseño convencional de tuberías, la selección del espesor de la tubería sigue un enfoque prescriptivo o basado en el rendimiento. Sin embargo, independientemente de la metodología, el proceso de diseño comienza tradicionalmente con la selección del espesor mínimo de la tubería basado en el tamaño de la tubería, el grado/resistencia del acero y el factor de diseño utilizando la ecuación de Barlow. Una vez determinado el espesor de la tubería, se evalúan las tuberías frente a diversas amenazas, incluidas las tensiones/deformaciones inducidas externamente, las interferencias externas y las fracturas dúctiles en funcionamiento.
Aunque es eficaz para las aplicaciones convencionales, este enfoque simplificado no tiene plenamente en cuenta los complejos retos que se plantean en entornos extremos, como en alta mar, servicios ácidos o zonas propensas a riesgos geológicos. Las tuberías que operan en estas duras condiciones deben soportar factores externos como la actividad sísmica, los deslizamientos de tierra, el hundimiento de minas y el levantamiento por heladas, así como amenazas internas como la corrosión, la fatiga y mecanismos de fallo que van más allá de las simples consideraciones de tensión en el aro.
A medida que la industria comenzó a enfrentarse a los retos de gestión de la integridad de las tuberías existentes y al diseño y construcción de nuevas tuberías en alta mar y de servicio ácido, los ingenieros reconocieron la necesidad de métodos de evaluación más sofisticados. La introducción de la mecánica de la fractura, el análisis de la fatiga y las evaluaciones críticas de ingeniería (ECA) supuso un avance significativo en la gestión de la integridad de las tuberías. Las tuberías marinas y los tubos ascendentes suelen estar sometidos a grandes esfuerzos durante la instalación y sufren cargas cíclicas en servicio, principalmente debido a fluctuaciones térmicas y efectos dinámicos como la vibración inducida por vórtices (VIV). Estas exigentes condiciones requieren una rigurosa ECA de las soldaduras de circunferencia para garantizar su idoneidad para el servicio en escenarios de carga representativos.
Las tuberías de servicio de aguas residuales, que están expuestas al sulfuro de hidrógeno (H₂S), presentaban riesgos adicionales como el agrietamiento por tensión de sulfuro (SSC) y el agrietamiento inducido por hidrógeno (HIC). Para hacer frente a estos retos fue necesario mejorar la selección de materiales, realizar análisis avanzados de tensiones y aplicar técnicas de mitigación para mejorar la integridad estructural a largo plazo. Estos avances supusieron un cambio de las metodologías de diseño basadas exclusivamente en las tensiones a un enfoque más exhaustivo basado en la mecánica de la fractura.
Las tuberías de hidrógeno requieren un nuevo enfoque para su diseño y conversión
En la actualidad, a medida que el hidrógeno emerge como un vector energético clave en la transición global hacia una energía más limpia, el diseño de nuevas tuberías o la conversión de las existentes se enfrenta a retos sin precedentes. Las tuberías de hidrógeno no pueden diseñarse ni evaluarse con las metodologías tradicionales del petróleo y el gas, sino que exigen un planteamiento fundamentalmente distinto basado en la mecánica de la fractura y las interacciones hidrógeno-material. La fragilización por hidrógeno -un fenómeno en el que los átomos de hidrógeno penetran en las estructuras metálicas, reduciendo su ductilidad y tenacidad- supone un riesgo importante para la integridad de las tuberías. A diferencia de los oleoductos y gasoductos convencionales, que suelen presentar modos de fallo dúctiles, los ductos de hidrógeno son mucho más susceptibles a la fractura frágil, incluso en condiciones de tensión relativamente baja.
Este cambio de paradigma exige reevaluar las aptitudes y competencias necesarias para el diseño de tuberías. Los ingenieros deben adquirir conocimientos sobre mecánica de fracturas, compatibilidad de materiales con hidrógeno y nuevos métodos de ensayo y validación para garantizar la seguridad del transporte de hidrógeno. Sin una formación inmediata y exhaustiva, el despliegue de infraestructuras de hidrógeno podría verse obstaculizado por riesgos para la seguridad, fallos y retrasos en los proyectos.
Para mitigar estos riesgos y facilitar la transición a una economía energética basada en el hidrógeno, es esencial la colaboración mundial entre el mundo académico, la industria y los organismos reguladores. El establecimiento de programas de formación normalizados, marcos de cualificación e iniciativas de investigación en ingeniería de conducciones de hidrógeno será fundamental para afrontar estos retos. Un enfoque proactivo en el desarrollo de competencias no sólo garantizará el funcionamiento seguro y eficiente de los conductos de hidrógeno, sino que también evitará fallos costosos y acelerará la transición hacia soluciones energéticas sostenibles.
Excursión: Un viaje personal a la mecánica de la fractura: Cerrando el círculo de la teoría al diseño de tuberías de hidrógeno
Mi primer contacto serio con la mecánica de la fractura y el análisis de la fatiga se produjo en 1997, durante mi máster, cuando me matriculé en un curso titulado Mecánica de la fractura y fatiga. Por aquel entonces, ya conocía bien la elasticidad, la plasticidad, la teoría de placas y láminas y el análisis de elementos finitos. Sin embargo, la mecánica de la fractura -en particular la evaluación de estructuras con grietas- presentaba una perspectiva fundamentalmente diferente.
Lo que realmente desafió mi forma de pensar fue cuando el profesor explicó que la mecánica de la fractura podía utilizarse de forma proactiva en el diseño de estructuras. Para nosotros, los estudiantes, era una idea radical. Hasta entonces, nuestra comprensión se había basado en la suposición de que las estructuras debían estar libres de defectos por diseño. La idea de que ninguna estructura está realmente libre de defectos - y que es práctico y necesario diseñar teniendo en cuenta la presencia de grietas - era desconocida y, francamente, contraintuitiva.
En aquella época, sólo unas pocas industrias, como la aeroespacial y la fabricación de equipos de alta presión, aplicaban los principios de la mecánica de la fractura en sus procesos de diseño. En el sector de las tuberías, el uso de la mecánica de la fractura era limitado y especializado. Técnicas como la ecuación de Maxey se habían desarrollado específicamente para las tuberías, pero incluso éstas se reservaban normalmente para las evaluaciones de integridad, no para el diseño. Los marcos generales de la mecánica de la fractura esbozados en normas como BS 7910 o API 579-1 no se adoptaron ampliamente en la ingeniería de tuberías.
Este paradigma empezó a cambiar con la aparición del hidrógeno como elemento crítico en la infraestructura energética. La introducción de las tuberías de hidrógeno puso de manifiesto las limitaciones de los métodos convencionales de evaluación de la integridad. Las pruebas tradicionales de tenacidad, como la prueba de impacto Charpy, ya no eran suficientes ni válidas para estas aplicaciones. Además, la falta de datos de pruebas a escala real impedía a la industria basarse en modelos de mecánica de fractura establecidos y específicos para tuberías. Como resultado, tuvimos que recurrir a las metodologías más amplias y rigurosas descritas en normas como BS 7910 y API 579-1.
Después de casi dos décadas de aplicar la mecánica de la fractura únicamente para evaluaciones de integridad, me encontré con un proyecto de diseño de tuberías de hidrógeno que cerró el círculo. Fue entonces cuando me di cuenta de que la visión que se me presentó en aquel curso de 1997 -utilizar la mecánica de la fractura como herramienta de diseño- se estaba haciendo realidad. Desde ese momento, he adoptado plenamente el enfoque y he llevado a cabo una investigación continua sobre su aplicabilidad a las tuberías de hidrógeno.
Innovación continua y adaptación a los nuevos retos
En conclusión, la evolución del diseño y la evaluación de tuberías desde metodologías sencillas basadas en la tensión hasta enfoques avanzados basados en la fatiga y la mecánica de la fractura refleja la necesidad de la industria de adaptarse a los nuevos retos. El advenimiento del hidrógeno como vector energético subraya la necesidad de innovación continua, pruebas rigurosas de materiales y colaboración interdisciplinaria para garantizar la fiabilidad y seguridad de la infraestructura de tuberías de próxima generación.