CONSTRUCCIÓN DEL EMISARIO SUBMARINO DE PEÑARRUBIA POR EL MÉTODO DE FONDEO CONTROLADO POR INUNDACIÓN PROGRESIVA

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1 Eloy Pita Olalla.- Técnicas Reunidas 1 CONSTRUCCIÓN DEL EMISARIO SUBMARINO DE PEÑARRUBIA POR EL MÉTODO DE FONDEO CONTROLADO POR INUNDACIÓN PROGRESIVA 1. RESUMEN Eloy Pita Olalla Jefe Dpto. de Puertos y Costas Infraestructuras y Medio Ambiente. TECNICAS REUNIDAS c/ Rafael Calvo Madrid Tfno: Fax: /02 epita@trsa.es En esta ponencia se describe el proceso constructivo empleado en el fondeo controlado de tuberías por el método de inundación progresiva. Este método consiste, básicamente, en la inundación de la tubería por un extremo, el cual se hundirá hacia el fondo, a la vez que el extremo contrario permanece en la superficie, por lo que se forma una S entre ambos. En el caso de colocación de tuberías en el fondo, como es el emisario submarino de Peñarrubia (Gijón), esta S avanza a medida que el tubo es inundado, hasta que el extremo superior desaparece de la vista y desciende hacia el fondo. A la luz de esta obra, construida por el grupo Dragados, se insistirá en el comportamiento estructural de la tubería durante el proceso y en los métodos de control a aplicar. 2. INTRODUCCIÓN Durante los procesos de fondeo, se modelizaron todas las situaciones por las que pasaba el tubo durante su fondeo, obteniéndose todos los parámetros que lo caracterizan, como son la ley de momentos flectores, tensiones máximas en el material, nivel de agua en el interior del tubo (o cota de inundación de los flotadores, en el caso del sea-line), longitud de la S, longitud de tramo lleno de agua, sobrepresión exterior a la tubería, etc. Esta modelización es imprescindible para garantizar la integridad del tubo y nos permite valorar la influencia de las distintas variables (como es el peso del lastre, tiro aplicado, ángulo de salida de la perforación, etc.) en los esfuerzos generados. Su aplicación puede extenderse a otro tipo de obras.

2 Eloy Pita Olalla.- Técnicas Reunidas 2 3. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO CONSTRUCTIVO 3.1.-Descripción de las tuberías La tubería a fondear fue fabricada en polietileno de alta densidad (PE), con una longitud de 2590 m., un diámetro exterior de 1400 mm y un espesor de 53,5 mm. Este emisario principal incluye un tramo difusor de 126 metros de longitud, constituido por 10 difusores. Paralelo al emisario principal, en sus primeros 180 m, discurre el emisario de alivio, formado por una tubería del mismo diámetro exterior y menor espesor. Fue fondeado por el mismo método, aunque con mayor sencillez, gracias a la poca profundidad alcanzada por el mismo. Este emisario permite la descarga de las puntas de caudal de lluvia no evacuados por el emisario principal. Dispone también de válvulas antirretorno Fabricación del tubo de PE Los tramos de polietileno fueron formados en el muelle de la Osa. Este material presenta numerosas ventajas entre las que debemos destacar su gran flexibilidad, lo que permite su fondeo por inundación controlada, y su gran durabilidad. Los tubos de 12 m, provenientes de fábrica, eran soldados por el método de termofusión. Este mismo método fue empleado para la soldadura de las valonas con el tubo corriente. A medida que los tubos eran soldados, éstos eran lanzados al mar por una rampa convenientemente equipada de rodillos. Entremedias, y gracias a la existencia de un foso, unos lastres de hormigón prefabricado eran colocados alrededor del tubo.. Su misión es darle suficiente peso al tubo en el fondo, para lograr su estabilidad frente a la acción del mar, antes de protegerlo con microhormigón. La resistencia estructural de estos lastres es de gran importancia, por lo que Dragados realizó un control intenso de los mismos en fábrica.

3 Eloy Pita Olalla.- Técnicas Reunidas 3 Los tubos eran almacenados en el Puerto del Musel flotando en tramos de longitudes comprendidas entre 250 y 500m. Los extremos de estos tramos estaban cerrados mediante bridas ciegas. Se ejecutaron pruebas de presión con todos los tramos. En las fotos que adjuntamos, podemos ver el lanzamiento de la tubería en el puerto del Musel y su acopio en el mismo, flotando (foto 1) Transporte de los tramos Cuando las previsiones del estado del mar permitían su fondeo, los tramos eran remolcados por un remolcador desde el Puerto hasta la traza del emisario. Una embarcación auxiliar tiraba desde el otro extremo para controlar más fácilmente los movimientos del tramo. El fondeo de los tramos se ejecutaba tras su remolque desde el Puerto de El Musel, haciendo descender cada nuevo tramo hasta el fondo para que quedara en su posición definitiva y unido al anterior. Los tramos iban siendo colocados, empezando desde tierra, a medida que la zanja estaba perfectamente dragada y enrasada. Foto 1 Acopio de tubería en el Puerto de El Musel El proceso de colocación de los tramos de tubería en la zanja se realizó conforme a las siguientes secuencias, en función del lugar donde se realizaba la unión:

4 Eloy Pita Olalla.- Técnicas Reunidas Unión de tramos en el fondo: Consiste en ejecutar la unión entre los tramos en el fondo marino. El tramo que está en el fondo permanece apoyado en él. El nuevo tramo 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 (en el extremo contrario, la válvula de aire puede permanecer ligeramente abierta para permitir su salida, si el tramo es corto). 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 flota sobre la superficie. En este instante se procede a la unión de ambos tramos, abriéndose las bridas ciegas, 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. Incluso puede ser necesario presurizar este aire. Tras la unión se abre la válvula de aire para proseguir la inundación del emisario, con lo que éste va hundiéndose y apoyando en el fondo Unión de tramos en superficie Consiste en ejecutar la unión sobre una plataforma de trabajo equipada con elementos de apoyo y sujeción del tubo. El tramo que está en el fondo es reflotado introduciendo aire por un extremo en cantidad suficiente para que aparezca una gran longitud en la superficie. El nuevo tramo a unir es transportado flotando sobre el mar y llevado a la zona de unión. Lógicamente este tubo está lleno de aire. Los extremos de ambos tramos son izados a una plataforma de trabajo donde las bridas ciegas son eliminadas. Este instante es delicado, porque se puede producir una

5 Eloy Pita Olalla.- Técnicas Reunidas 5 gran sobrepresión exterior. A continuación se embridan los extremos, confiriendo continuidad longitudinal al tubo. El conjunto es devuelto a la superficie marina. Introduciendo más agua en el tubo, desciende progresivamente y la S que se forma entre la superficie y el fondo del mar avanza, hasta que el tubo desaparece de la superficie y apoya en el fondo marino. Lógicamente, realizar la unión al aire facilita la operación y garantiza una mayor calidad final de la junta. Sin embargo, se necesita una altura de ola más baja que uniendo en el fondo. En las fotos 2, 3 y 4 mostramos la ejecución de la unión realizada en superficie, sobre una plataforma instalada en el costado de la embarcación Draclapp 702. Estas operaciones son de enorme dificultad debido al elevado diámetro del tubo. Además se alcanzaron grandes profundidades (más de 33 m) y las condiciones del mar eran extremadamente adversas por lo que era muy difícil lograr periodos de calma suficientemente largos. Foto 2 Maniobra de unión de tramos en la superficie Foto 3 Vista de maquinaria flotante ejecutando distintas operaciones

6 Eloy Pita Olalla.- Técnicas Reunidas 6 Foto 4 Operaciones en el mar durante la unión de tramos Por otro lado, la baja relación espesor de tubo/diámetro y la gran flexibilidad del material implicaban unas precauciones extremas frente a la abolladura del tubo por causa de la sobrepresión exterior. 4. ESFUERZOS LONGITUDINALES EN LAS DISTINTAS FASES POR LAS QUE PASA EL TUBO Vamos a exponer los momentos flectores que se generan en el tubo durante su hundimiento, teniendo sólo en cuenta su peso, empujes hidrostáticos y reacción vertical en el fondeo. El cortante podría obtenerse por derivación de la ley de momentos flectores. Sin embargo, las tensiones cortantes son muy inferiores a las axiales Unión de dos tramos del emisario submarino en el fondo En el proceso de fondeo, el tubo pasa por las fases que se muestran en la figura 1, las cuales dan lugar a los momentos flectores, que se ven en la figura 2., generados por las cargas que se muestran en la figura 1.

7 Eloy Pita Olalla.- Técnicas Reunidas 7 Fase 1) Tubo flotando en la superficie: el tubo está vacío y permanece recto, sin ningún esfuerzo, sobre la superficie marina. Fase 2) Se introduce agua en el interior del tubo, por lo que su extremo comienza a hundirse. El tubo se comporta como una ménsula en la que su extremo está cargado hacia abajo y el resto cargado hacia arriba. El instante más desfavorable sucede justo antes de tocar el fondo. Fase 3) Cuando la cantidad de agua en el interior del tubo es suficiente, el extremo del mismo toca el fondo, inclinándose a medida que la longitud inundada aumenta. Gracias a la reacción vertical, los momentos flectores se reducen, respecto del instante anterior al contacto. A continuación, los esfuerzos se van asemejando a los de la fase 4. Fase 4) Llega un momento en que el tubo apoya longitudinalmente sobre el fondo, formándose la característica S. Según va incrementándose la longitud inundada, aumenta la longitud apoyada en el fondo, con lo que la S que se forma entre éste y la superficie del mar va desplazándose. La forma de esta S y la altura hasta la que llega el agua del tubo se mantienen constantes, sufriendo solamente un desplazamiento horizontal. Lo mismo sucede con las cargas y la ley de momentos flectores. En este instante se procede a unir los tramos nuevos al existente en el fondo del mar. Fase 5) Tubo por debajo de la superficie del mar: según va ingresando agua en el tubo, la longitud vista en la superficie disminuye hasta que el tubo abandona la misma. Dado que hay una parte todavía llena de aire, el tubo presenta una longitud por encima del fondo marino. Si el tubo fuese muy rígido, el extremo podría incluso asomar por encima de la superficie. El tubo se comporta como una ménsula con su parte extrema cargada hacia arriba y la parte cercana al fondo cargada hacia abajo. Fase 6) Tubo sobre el fondo: cuando no queda aire dentro del tubo, éste descansa completamente apoyado sobre el fondo, con lo que no aparecen esfuerzos, salvo los debidos a posibles curvaturas del fondo Unión de tramos en la superficie Los estados tensionales que sufre el tubo son similares a los del caso de unión de los tramos en el fondo.

8 Eloy Pita Olalla.- Técnicas Reunidas 8 En primer lugar, el tubo está sobre el fondo (fase 6). Al introducirle aire, su extremo asciende (fase 5) hasta que aparece en la superficie y forma la característica S (fase 4). En este momento, se iza el tubo a una plataforma de trabajo, donde se unirá al siguiente tramo, que permanecía flotando en la superficie. (Estaba en fase 1). Si la plataforma está suficientemente baja y la longitud del tubo en la superficie del mar es suficientemente grande antes de izarlo a la plataforma, los esfuerzos en esta fase son similares a los de la fase 4. Tras realizarse la unión, el conjunto formado por los dos tramos es dejado sobre la superficie del mar, con lo que la forma de la curva vuelve a ser la correspondiente a la fase 4. A medida que el agua inunda el tubo, la S se desplaza hacia el extremo vacío. Llega un momento en que el extremo vacío desaparece de la superficie (fase 5), hundiéndose hasta que apoya en el fondo (fase 6) Otros métodos de unión del emisario Si la unión de los tubos se hubiera realizado en una pontona, pasando la tubería por encima de la misma, los esfuerzos habrían sido similares a los descritos en los apartados anteriores. Sin embargo, hemos de tener en cuenta que, probablemente, la plataforma de unión habría estado más elevada que en el caso de la unión de tramos en superficie. Además, todos los puntos del emisario habrían sufrido este estado, hecho que no sucedía cuando sólo se unían los tramos. Por ello, habría resultado imprescindible disponer de una rampa o stinger por donde descender el emisario desde la pontona al mar, con objeto de reducir los esfuerzos que pudieran aparecer. 5. LA ABOLLADURA El fenómeno de la abolladura puede suceder 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. 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

9 Eloy Pita Olalla.- Técnicas Reunidas 9 elasticidad del PE se reduce con el paso del tiempo, cualquier parada durante el proceso de fondeo agrava la situación del tubo. 6. MÉTODOS PARA REDUCIR LOS ESFUERZOS LONGITUDINALES Los esfuerzos producidos durante la instalación de una tubería pueden poner en peligro la integridad del mismo, sobre todo en el caso de grandes profundidades. Por lo general, las tensiones originadas en el proceso de instalación son mucho mayores que en su ubicación definitiva, durante su funcionamiento. Vamos a describir distintas alternativas existentes para reducir las tensiones debidas a los esfuerzos longitudinales (generadas principalmente por los momentos flectores) cuando se instala el emisario en el fondo por el método de flotación y fondeo progresivo mediante inundación. - Tiro horizontal: El tiro es más eficaz en el caso de materiales muy flexibles. - Empleo de stinger : el stinger es una rampa o tobogán por le que se hace descender al emisario hacia el fondo.. Este método exige que todo el tubo vaya pasando por encima de la pontona de trabajo. Por ello, resulta especialmente adecuado en el caso de que los tramos se unan sobre una pontona. El stinger, además, tiene un efecto muy favorable sobre la abolladura, tal y como veremos más adelante. - Variación del peso sumergido del emisario: puede optimizarse el mismo mediante el empleo de flotadores. Es muy conveniente que la diferencia entre la flotabilidad del tubo vacío y el peso sumergido del tubo lleno sea muy baja. Por ello, es muy interesante recurrir a inundaciones parciales. 7. REDUCCIÓN DEL RIESGO DE ABOLLADURA En el caso de un emisario submarino en el que llenamos su interior, es necesario garantizar que el interior esté a suficiente presión, tomando las siguientes medidas:

10 Eloy Pita Olalla.- Técnicas Reunidas 10 Durante la entrada de agua del exterior al interior del tubo, la válvula de agua debe permanecer abierta lo más posible, mientras que la válvula de aire que permite la salida del mismo debe mantenerse lo más cerrada posible, siendo ésta la que controla el caudal de salida del aire y, por consiguiente, el caudal de entrada del agua. Cuando no sea posible mantener la válvula de aire entre-cerrada, como sucede durante el proceso de unión de la tubería en la superficie (lógicamente, resulta imprescindible eliminar la brida ciega) será necesario que el nivel del agua en el interior de la tubería sea suficientemente alto, ya que el aire interior se mantiene a la presión atmosférica. Podría pensarse en abrir la válvula de agua y permitir que ésta subiera por el interior. Aunque ello eliminaría el problema de la abolladura, daría lugar a unos momentos flectores excesivos, salvo que se dispusiera un stinger que gobernara la geometría de la curva tomada por el emisario. Un método muy apropiado consiste en reducir el peso sumergido del tubo para mantener el nivel del agua interior suficientemente alto. Cuando la inundación se produce sobre elementos discontinuos, solucionar la posible abolladura es más sencillo. Bastará con presurizar previamente el aire interior. 8. OTROS MÉTODOS DE CONSTRUCCIÓN 8.1.-Fondeo progresivo, con unión sobre embarcación Existe la posibilidad de que la unión de los tubos (sin haber formado tramos) no sea ejecutada en tierra sino sobre una embarcación singular o una pontona flotante. Para ello, se necesita que dicha pontona tenga gran estabilidad y superficie de trabajo suficiente para permitir la perfecta ejecución de las juntas. Con este método, para iniciar las operaciones, el tramo del fondo es reflotado y subido a la superficie de la pontona. Los nuevos tubos son unidos al anterior sobre la pontona, mientras ésta avanza a medida que va soltando la tubería hacia el fondo. Este método es adecuado cuando las condiciones del mar permiten una ejecución

11 Eloy Pita Olalla.- Técnicas Reunidas 11 continua de la tubería. Se emplea con cierta frecuencia en la industria del transporte de agua y gas a través de tuberías de acero Arrastre por fondo, Consiste en colocar el tubo, en la costa, en tramos que son arrastrados por el fondo, tirando desde el mar por el extremo de mar del tubo. Los tramos son sucesivamente unidos en tierra. Por tanto, es necesario disponer un amplio espacio de prefabricación en tierra. Este método es adecuado para tubos más densos que el agua. Con PE no sería apropiado, ya que haría necesario incorporar lastres, los cuales afectarían negativamente al deslizamiento del tubo Ejecución tubo a tubo Consta de las siguientes operaciones: Una vez que se ha realizado el dragado y su regularización (relleno de los huecos que se producen, en el caso del dragado en roca, ya que pueden producirse sobreexcavaciones). Se preparan dos cunas para recibir al nuevo tubo, con sacos de hormigón o material granular. El tubo se coloca desde una embarcación dotada de grúa. El tubo se baja al fondo con la inclinación definitiva merced a un balancín adecuado. Si hace falta, se colocarán muelles intermedios en los cables, que sirvan para reducir los movimientos y esfuerzos en los mismos. A dicho balancín se podrían acoplar flotadores para facilitar el manejo del tubo una vez sumergido, consiguiéndose un estado de semiflotación. El enchufe se realiza con buzos amarrando con trácteles el tubo a colocar, a los ya colocados.

12 Eloy Pita Olalla.- Técnicas Reunidas 12 De esta forma se introduce un tubo en semiflotación en otro que ya reposa sobre las cunas. Ante cualquier eventualidad se puede suspender la maniobra de colocación de un tubo. Se pueden ir arropando lateralmente los tubos ya colocados con material granular (siempre dejando un tubo sin arriñonar y sin afectar a los futuros tubos de las líneas paralelas). La operación es rápida ya que se pueden colocar 1 a 4 tubos al día, según la profundidad, tamaño del tubo y condiciones del mar. 9. CONCLUSIONES Las obras de instalación de conducciones submarinas, requieren no sólo la utilización de equipos específicos, capaces de operar en un medio desfavorable con gran incertidumbre en lo referente a sus acciones, sino también de personal altamente cualificado y experto. La modelización de todas las situaciones por las que pasa el tubo durante su fondeo, obteniéndose todos los parámetros que lo caracterizan, es imprescindible para garantizar la integridad del mismo y nos permite valorar la influencia de las distintas variables en los esfuerzos generados. Su aplicación puede extenderse a otro tipo de obras.

13 CONSTRUCCIÓN DEL EMISARIO SUBMARINO DE PEÑARRUBIA POR EL MÉTODO DE FONDEO CONTROLADO POR INUNDACIÓN PROGRESIVA. ADENDA CON FIGURAS DE LAS FASES DE FONDEO, FUERZAS ACTUANTES Y MOMENTOS FLECTORES.

14 TÉCNICAS REUNIDAS, S.A. Infraestructuras y Medioambiente FIGURA 1: FASES DE FONDEO Y FUERZAS ACTUANTES Se prohíbe la reproducción de este Documento sin autorización previa y por escrito de TÉCNICAS REUNIDAS, S.A. epo CAV_PONENCIA_A-Fases_r0.doc 2

15 TÉCNICAS REUNIDAS, S.A. Infraestructuras y Medioambiente FIGURA 2: MOMENTOS FLECTORES ACTUANTES Se prohíbe la reproducción de este Documento sin autorización previa y por escrito de TÉCNICAS REUNIDAS, S.A. epo CAV_PONENCIA_A-Fases_r0.doc 3