Diseño de tuberías para emisarios submarinos

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1 Diseño de tuberías para emisarios submarinos Eloy Pita Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Consultor, Jefe del Departamento de Puertos y Costas. Técnicas Reunidas. epita@trsa.es Resumen A lo largo de los últimos años, numerosas conducciones se han construido en las costas españolas. El autor de esta ponencia ha intervenido en el diseño y puesta en obra de muchas de ellas. En esta ponencia describiremos varias de estas obras singulares. En la mayoría de estas conducciones de vertido, se han realizado diferentes estudios, tales como: Cálculo de tuberías Comportamiento hidráulico de tuberías Estudio de la metodología constructiva y proceso de inmersión de las tuberías por medio de fondeo controlado Estudio del transporte por flotación de las tuberías Diseño de materiales de protección y su mejor selección Dimensionado de lastres destinados a evitar desplazamientos de las tuberías frente a la acción del oleaje y proporcionarles mayor rigidez Definición de bridas y conexiones Diseño de piezas especiales, como las realizadas en algunos sistemas de vertido, difusores y en estructuras de toma Emisario submarino de vertido del circuito de refrigeración para la ampliación de la CTCC de Granadilla (Tenerife) Introducción El autor realizó el diseño y seguimiento de la construcción del emisario submarino para el vertido del sistema de refrigeración de la Central Térmica de Ciclo Combinado de Granadilla, en Tenerife. Técnicas Reunidas S.A. desarrolló el llave en mano de la ampliación de la mencionada Central Térmica, en la que uno de los trabajos más importantes fue el proyecto y construcción del emisario submarino de PRFV, donde el autor participó como proyectista y asesor en los procesos constructivos. Descripción de la conducción El agua caliente proveniente de la Central, se conduce hasta el mar por medio de una tubería de PRFV (Plástico Reforzado con Fibra de Vidrio) de diámetro interior 2,80 m, orientada paralela a un emisario existente (que da servicio a la Primera fase de la Central). Dicho conducto tiene una longitud total (incluida la estructura de descarga) de 283 m. De esta forma, se evita que dicha salida esté situada en la zona de rompientes (con las 237

2 máximas acciones de los temporales), y por otro lado, se logra una perfecta dilución y dispersión del penacho de agua caliente. A tal efecto, la descarga se lleva a una profundidad del mar de 11m. Con objeto de que la profundidad de vertido sea grande y para que la estructura de salida esté suficientemente protegida, la tubería va en zanja en su parte final, aflorando sólo su parte superior. Por ello, delante de la salida, se hace necesario continuar el dragado siguiendo un plano horizontal, hasta alcanzar la superficie del fondo del mar. Este diseño ha sido realizado teniendo en cuenta las condiciones batimétricas del fondo del mar, dado que, en esa zona, a pocos metros de distancia, la pendiente del fondo aumenta notablemente. Figura 1: Vista del autor con uno de los tubos de la conducción, de 2 m de diámetro El emplear PRFV como material constitutivo del tubo tiene ventajas, sobre todo desde el punto de vista de la durabilidad, respecto de otros materiales, como el hormigón y el acero. Las juntas entre los tubos serán elásticas (de goma). Figura 2: Imagen de la pontona equipada con retro para dragado de la zanja 238

3 A lo largo de toda la longitud del emisario, se ha buscado que el perfil longitudinal no presente radios de curvatura demasiado pequeños (R>1400 m) con objeto de que no sea necesario disponer de ninguna pieza especial. El radio de curvatura escogido permite que se consiga mediante un ángulo de 0.5º en cada junta entre tubos. Este ángulo permite el correcto funcionamiento de la tubería y de las juntas elásticas entre tubos consecutivos. Para proteger los conductos, en toda su traza marina, de la acción de los temporales, se recubre con material granular de tamaño adecuado. El tamaño de la escollera de protección varía según la profundidad. En el núcleo de esta protección, se dispone grava, de tamaño máximo de 25 mm. Entre la grava y la escollera, se dispone un filtro de material de tamaño intermedio. Los conductos se apoyan sobre una cama de 0,50 m. de espesor, constituida por la grava citada. Este tamaño de la piedra está condicionado por la naturaleza del material que constituye el tubo, buscándose que no sea dañado. Dado el gran diámetro del tubo y su pequeña longitud, no se consideró necesario establecer registros en los tubos. Sí que se han colocado unos elementos de ventilación, próximos a la salida de la arqueta, con objeto de eliminar todo el aire producido en el vertido de la arqueta de carga. Estructura de descarga Como protección del pantalón de salida, se construirá una estructura de hormigón, donde se realizará la transición del tubo de 2,80 m a dos salidas de 2 m. de diámetro. La salida en Y tiene por objeto evitar interferencias entre los penachos de dispersión. Su peso le da una gran estabilidad frente al oleaje y frente a los empujes generados por el caudal que circula por el interior. Figura 3: Montaje del encofrado para el hormigonado del pantalón. Pueden observarse las tuberías en su interior El hormigonado se hace directamente contra el fondo de la zanja, pasando por debajo de la pieza especial, por lo que no es necesario ejecutar ninguna banqueta bajo esta pieza especial. El gran dado de hormigón es ejecutado con hormigón sumergido, vertido dentro de un encofrado apoyado en el terreno y que se ve en la foto adjunta. Una vez hormigonado el dado de hormigón, queda protegido lateralmente por los derrames de la escollera que protege al tubo. 239

4 En las bocas de salida se dispondrán unas rejas de acero inoxidable de protección para elementos extraños que pudieran introducirse en el interior de los conductos. Asimismo, el punto de salida es señalizado mediante balizamiento con una boya flotante, debidamente sujeta por un tren de fondeo. Figura 4: Imagen del encofrado situado sobre pontona para su transporte a su emplazamiento definitivo Conducción de toma de agua de la central diesel de los Guinchos El autor realizó el diseño de una conducción de toma de 1400 mm de diámetro interno para el sistema de refrigeración de la Central Diesel de Los Guinchos, en la isla de La Palma (Islas Canarias). Estos trabajos consistieron en el diseño y construcción de la estructura de toma (de PRFV y colocada a 10 m de profundidad), el emisario submarino (223 m de tuberías de PRFV) y su protección. Este proyecto se asemeja al de Granadilla, con la diferencia de que, en este caso, el diámetro interno de la tubería es de 1,4 m, la mitad del de la anterior. Al emplearse esta tubería como toma de agua, los cálculos se desarrollaron de tal manera que se consiguió resistencia suficiente para evitar la abolladura de la tubería debido a la presión externa existente. A continuación, se describen las diferentes partes de este proyecto, desde tierra a mar: Conducción de toma La conducción parte de una cámara de bombeo, adonde llega el agua procedente del mar, por medio de una tubería de PRFV de diámetro interior 1,40 m. Dicho conducto tiene una longitud total de 223 metros, más una torre de toma (que incluye un codo de casi 90º). De esta forma, se evita que esté situada en la zona de rompientes, que es la que recibe las máximas acciones de los temporales. A tal efecto, la toma se lleva a una profundidad del mar de 10 m. Dada la pequeña longitud del tubo, no fue necesario establecer registros en los tubos. 240

5 Figura 5: Foto de la pontona instalando la tubería en el fondo de la zanja Torre de toma En la zona final se construirá una estructura mixta, de PRFV, recubierta de hormigón, donde se realizará la toma de agua de mar y cuya imagen tridimensional vemos en la siguiente figura: Figura 6: Imagen tridimensional de la toma de agua Consta de un codo (formado a inglete por tramos de tubería de PRFV) y una estructura vertical de toma. Las ventanas de toma están a suficiente distancia del fondo para que no se produzca absorción de arena o materiales del fondo. Además dispone de unas láminas que orientan el agua e impiden el paso de peces al interior de la toma. Todos los elementos de la conducción de toma serán de PRFV, ya que así se garantiza la durabilidad de los materiales. Sobre el PRFV se colocará un gran cajón de acero, que actuará como encofrado perdido para meter en su interior el hormigón y cuya instalación vemos en la figura

6 Figura 7: Imagen del montaje de la estructura metálica de protección de la estructura de toma El conjunto está formado por dos partes, autoestables frente al empuje del oleaje. Sin embargo se ha creído conveniente disponer de dos piezas separables entre sí, para que, si ocurriera algún enganche o arrastre accidental de la toma, no se produzca una rotura de la conducción. Es decir, la junta entre ambos elementos actuaría como fusible, soltándose la cabeza de toma sin ningún daño para el conjunto, por lo que podría fácilmente volver a colocar el cabezal de toma. El peso de ambas partes (gracias al hormigón, principalmente) y empotramiento en la zanja le dan una gran estabilidad frente al oleaje y frente a los empujes generados por el agua que circula por el interior. Figura 8: Aspecto previsto (antes de la colocación de la escollera de protección y material granular de relleno) de la estructura de toma 242

7 Figura 9: La linterna de toma, ya fabricada, fiel al diseño y antes de ser instalada en el fondo del mar El hormigonado se hace directamente contra el fondo de la zanja, pasando por debajo de la pieza especial, por lo que es necesario ejecutar una banqueta bajo el codo, para el correcto apoyo del encofrado exterior de la pieza. De esta forma, la tubería queda perfectamente protegida, sin necesidad de ninguna cama de apoyo. Una vez hormigonado el dado de hormigón, queda protegido lateralmente por los derrames de la escollera de kg. El punto de salida será señalizado mediante balizamiento con una boya flotante, debidamente sujeta por un tren de fondeo. Proyecto constructivo para las conducciones de toma y vertido del sistema de refrigeración de la nueva central térmica de ciclo combinado en Vandellós Las tuberías Para la toma y vertido de aguas de operación de la Central, principalmente aguas de refrigeración, se dispondrá de tres conducciones: Una tubería de toma de PE, de 1000 mm de diámetro exterior Una tubería de PE para la adición de hipoclorito al cajón de toma, que tendrá un diámetro exterior de 50 mm (47 mm de diámetro interior). 243

8 Una tubería de vertido de PE, de 710 mm de diámetro exterior. Estas tuberías serán colocadas paralelamente, enterradas en una misma zanja desde el arranque de este proyecto (a 117 m de la estación de bombeo, aguas abajo) hasta los respectivos puntos de toma y vertido. Las tuberías de toma y vertido son de Polietileno de Alta Densidad (PEAD), calidad PE80. Su pared es maciza, resultando un timbraje PN 3,2 en la de vertido y PN 4 en la de toma, con objeto de lograr una adecuada rigidez circunferencial. Unos lastres de hormigón prefabricado serán colocados alrededor del tubo, en la zona donde el tramo vaya situado en el mar. 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 la escollera. En el tramo terrestre, no hace falta, porque el oleaje no incidirá con dirección perpendicular al tubo. Sin embargo, en la zona donde el tubo no lleva lastres, dado que la densidad del PE es ligeramente inferior al agua, será necesario lastrarlos ligeramente, de alguna manera, o cubrirlos rápidamente con tierra, para que no floten ni se muevan. Por ello, se ha colocado, en ambas conducciones, un lastre inicial que permita descender la tubería hacia el fondo en ese punto y que el agua que se introduzca tienda a quedarse en ese extremo, sin correr por el interior de la tubería. Los lastres de la toma, además, funcionan como rigidizadores que eviten la abolladura de la tubería. Por ello, su distancia ha sido cuidadosamente seleccionada. El trazado Para determinar el trazado de las infraestructuras de toma y vertido y los puntos de toma y vertido se han tomado en consideración tanto criterios técnicos como ambientales. Después de un análisis de estos criterios para las diferentes alternativas, se seleccionó la óptima, que no debía afectar en ningún punto a la Cymodocea nodosa. El trazado de la conducción de toma tendrá una longitud total de m y la de vertido tendrá una longitud de m, medidos en la parte correspondiente a nuestro proyecto, que incluye 160 m en tierra, alcanzándose una profundidad de 7.5 m para la toma y de 3.5 m para el vertido. Estas profundidades son quizás demasiado pequeñas, pero vienen motivadas por el hecho de lograr suficiente distancia entre la toma y el vertido (y, así, evitar la recirculación del agua, aprovechando la misma zanja en la ejecución) y para evitar adentrarse en la pradera de Cymodocea nodosa. El comportamiento hidraúlico Se ha estudiado el funcionamiento hidráulico de las conducciones, dimensionando la toma para un caudal de 1m 3 /s. El vertido está dimensionado para un caudal de 0,778 m 3 /s. Además, se han tenido en cuenta las posibles oscilaciones del nivel de mar, por la marea meteorológica. Las zanjas y el relleno A lo largo de todo su recorrido, las tuberías de toma y descarga se instalaron paralelamente dentro de una zanja trapezoidal, con dimensiones suficientes para la instalación y con paredes que toman las pendientes naturales del terreno, que se prevé rocoso en el tramo terrestre (aunque con algunas zonas arenosas, que será necesario entibar o permitir taludes más tendidos) y arenoso en el marino (con algunos bolos y grava a partir de 1 m de profundidad, alcanzándose, incluso, la roca). El tramo correspondiente a la zona terrestre se ejecutó de forma tradicional mediante zanja excavada a tal efecto y colocación de la tubería sobre cama de asiento. El relleno para cubrir la conducción en su parte terrestre, procede bien del material del excavado, si su caracterización lo incluye dentro de los aptos para el mismo o de préstamo en caso contrario. La parte superior tiene escollera de tamaño superior a 5 kg (para evitar erosiones por la escorrentía) y la superficie superior es restaurada con material procedente de la excavación, para restituir la fisonomía natural de la zona. Las tuberías marinas también van en zanja, dragada en arena (con bolos). Dado que son los lastres los que facilitan su apoyo en el fondo de la zanja, no es necesaria ninguna cama de asiento de las mismas. El material de protección de las tuberías marinas es, en su mayor parte, traído de cantera, ya que se alcanza tamaños elevados. 244

9 La restitución del fondo marino es realizada solamente en la zona más somera, que es la única que será visible, garantizándose que, en ningún caso, en la playa, quede vista la escollera de protección. En las secciones más alejadas, será la propia dinámica del mar la que restituya el perfil de fondo del mar primitivo. Figura 10: Imagen de la construcción de las conducciones submarinas, sobre la playa desde la que parten. Figura 11: Imagen de los hombres-rana durante el fondeo de la tubería. 245

10 La torre de toma La estructura de toma es de hormigón armado y consiste en un cilindro, de sección hexagonal, que puede ser construido como cajón flotante y transportado flotando hasta su emplazamiento. Se ve en la figura 12. Se sitúa a 7.5 m de profundidad del terreno y penetra suficientemente en éste para que sea estable y sea conectada convenientemente con la conducción de toma. Tiene un diámetro grande, ya que, de esta forma, su estabilidad en flotación y en servicio es mayor. El tamaño de las ventanas es suficientemente grande para reducir la velocidad de succión y, por tanto, las pérdidas de carga hidráulica y el riesgo de entrada de sólidos en el interior del cajón. En cuanto a la altura del cilindro, hay que buscar el equilibrio entre dos compromisos: que las ventanas de entrada estén lo suficientemente alejadas del fondo marino, para que no entre arena desde el fondo y que la torre sea suficientemente baja para que las acciones del oleaje sean reducidas y que, además, no pueda entrar aire en exceso cuando el seno de una ola pasa por encima de la torre. Aunque no existe prácticamente riesgo de que se quede aire en el interior del cilindro, gracias a la profundidad de la toma y la geometría proyectada (esta geometría permitiría que, si el seno de una ola alcanza a las ventanas de toma el aire volviera a salir), se ha colocado la cara superior de la torre a 5.5 m de distancia a la superficie del mar. Para evitar las incrustaciones y las entradas perniciosas de objetos en las conducciones se procede de la siguiente manera: En las bocas de entrada de agua al interior, se dejará una rejilla de PRFV, que evitará la entrada de objetos gruesos al interior de la torre. Estas rejillas y el hormigón que constituye la cara interna de las bocas serán pintadas con una pintura anti-fouling, para evitar que seres vivos se peguen y reduzcan la eficacia hidráulica del conjunto. En la parte alta de la torre, se colocará la entrada de hipoclorito a su interior, de forma que el flujo de agua (descendente) en el interior del cilindro lo extienda por todo su volumen y lo proteja frente a adherencias de seres vivos. Figura 12: Imagen de la torre de toma, antes de ser fondeada. A su derecha, al fondo, puede verse parte de la conducción que sale de ella. 246

11 La estructura de toma, además, permite el acceso de hombres-ranas a su interior, para mantenimiento (por ejemplo, para introducir o sacar algún pig de inspección), mediante una tapa colocada sobre la losa superior. La parte inferior del cilindro hará la función de decantador de arena, ya que el gran diámetro interior hace que los flujos sean a baja velocidad y se facilite la sedimentación de arena u otros objetos que puedan entrar en suspensión. La estructura de vertido Está situada a una profundidad del fondo del mar de 3,5 m. Su geometría se ve en la figura 13. Su reducido tamaño es debido a que no es necesario que las velocidades de flujo del efluente sean reducidas; más bien, al contrario, ya que una alta velocidad del mismo eliminaría la posibilidad de entrada de sedimentos y abriría cualquier posible obturación que se produjera en las bocas. Lógicamente, esta gran velocidad será tenida en los cálculos hidráulicos, por el consiguiente incremento de las pérdidas de carga (afortunadamente, existe disponibilidad de cota suficiente en el sistema). Se ha buscado una estructura de poca altura pero con suficiente diámetro exterior para que el flujo de agua que sale de su seno tenga dirección horizontal. De esta forma, la dilución del agua caliente en la fría es mayor, gracias a la geometría que toma la pluma de vertido, durante su ascensión por flotabilidad. Para garantizar su perfecta estabilidad, la conducción estará protegida por un elemento monolítico de hormigón que se ejecuta dentro de un encofrado perdido metálico, cuya vida útil es sólo la del tiempo de ejecución de las obras. Con el tiempo, este acero podrá desaparecer, pero será el hormigón ejecutado bajo el agua el que dará integridad a la estructura de vertido. Figura 13: Vista del difusor, en tierra, con flotadores. A la izquierda, se ve la última parte de la conducción de vertido, que será embridada al resto. 247

12 Proyecto constructivo del emisario submarino para el vertido de salmuera en la planta desaladora de Almería Técnicas Reunidas desarrolló el proyecto Llave en Mano de una planta desaladora de agua de mar, de Rambla Morales, con una capacidad para m3/día. Para el vertido de la salmuera, fue necesario un emisario submarino de PE de 600 m de longitud y 800 mm de diámetro. Como complemento ambiental, se realizó el seguimiento de la afección al ecosistema marino por el vertido de la salmuera y un programa de gestión medioambiental. Figura 14: Instalación de la tubería en la zanja, en la playa. Figura 15: Vista del tramo difusor, en tierra. 248

13 Proyecto constructivo de las conducciones submarinas de toma y vertido de la desaladora de Valdelentisco (Murcia) La conducción de toma es de m de longitud y consiste en una tubería de mm de diámetro interno y un túnel de Polycrete de mm. El sistema de vertido de salmuera es de m de longitud y consiste en una tubería de PE de mm. Estas tuberías de PE han sido especialmente diseñadas para estos trabajos, mediante tuberías helicosoldadas, fabricadas por PPA&KRAH. Este sistema novedoso está siendo empleado con gran éxito en nuevas conducciones submarinas y tiene un futuro prometedor. En la figura 17 se ve este tipo de tubería, con diámetro interior de 1800 mm, instalándose en el emisario para la Central Térmica de Unión Fenosa en Sagunto. En este momento (septiembre de 2006), tan solo el túnel se ha concluido. El pozo de empuje se ve en la figura 16. En futuras conferencias, daremos más detalles a cerca de su construcción. Figura 16: Vista de la cámara de bombeo, desde donde se ejecuta el empuje de las tuberías del túnel. 249

14 Figura 17: Vista de tubería helicosoldada de 1800 mm para el emisario submarino de Sagunto Agradecimientos Una buena obra es fruto de la conjunción de un buen proyecto y una buena ejecución. Desde aquí queremos agradecer el excelente trabajo realizado por el personal de obra en la compleja construcción (por encontrarse fuera del abrigo de un puerto) de estas estructuras. Además, deseo mostrar mi más ferviente agradecimiento al equipo de magníficos colaboradores que trabajan conmigo en el Departamento de Puertos y Costas, sin los cuales nunca se habrían alcanzado los éxitos logrados en estas conducciones. 250