EXPLORACIÓN Y PRODUCCIÓNREGIÓN SUR

GERENCIA DE SIPA

DISTANCIAS DE SEGURIDAD A DUCTOS DE TRANSPORTE

DE HIDROCARBUROS

ING. CARLOS HERNÁNDEZ GARCÍA.

ING. JORGE A. HERNÁNDEZ ORTEGA.

ING. JOSÉ DEL C. CONTRERAS CRUZ.

7° CONGRESO INTERNACIONAL DE DUCTOS

PUEBLA, PUEBLA, 12 – 14 NOVIEMBRE DEL 2003.

2

CONTENIDO

ANTECEDENTES.

MARCO NORMATIVO.

PROBLEMÁTICA.

CONSIDERACIONES.

EXPERIENCIAS.

UMBRALES DE SEGURIDAD.

MODELOS DE SIMULACIÓN.

RESULTADOS.

CONCLUSIONES.

EXPLORACIÓN Y PRODUCCIÓNREGIÓN SUR

GERENCIA DE SIPA

3

ANTECEDENTES

Marco Normativo actual sin criterios precisos de aplicación con relación a distancias mínimas de seguridad de asentamientos humanos respecto a ductos que transportan hidrocarburos.

Aplicación de la normatividad vigente con carácter retroactivo.

Preocupación de los habitantes cercanos a derechos de vía por la seguridad de su integridad física y de sus propiedades.

Inquietud de las autoridades para regular el desarrollo urbano con apropiados criterios de seguridad.

Falta de criterios técnicos basados en riesgo para fundamentar normas.

4

Documentos Normativos Distancia de Seguridad Observaciones

PEMEX No. 03.0.02 Ed. 1994. Derecho de vía de tuberías de transporte.

No se permiten construcciones sobre el D.D.V. (máxima distancia 15 m para ductos mayores de 36” Ø).

La mínima distancia es de 7 m para ductos hasta de 8” Ø y menores.

NRF-030-PEMX-2003

CID-NOR-N-SI-0001. Ed 1998.

Ductos de transporte de hidrocarburos.

Indica áreas unitarias de 400 m x 1600 m a lo largo de gasoductos para determinar la cantidad de construcciones y establecer el factor de seguridad que incrementa el espesor de pared de los ductos.

Refiere a la Norma PEMEX No. 03.0.02 Ed. 1994. Derecho de vía de tuberías de transporte.

No establece distancia de seguridad para oleoductos.

ASME B31. 4, ductos de transporte de hidrocarburos líquidos.

No establece distancia de seguridad para asentamientos humanos a ductos.

No establece ancho del D.D.V.

ASME B31. 8, ductos de transporte de hidrocarburos gaseosos.

Indica áreas unitarias de 400 m x 1600 m a lo largo del ducto para determinar la cantidad de construcciones y establecer el factor de seguridad .

No establece ancho del D.D.V., ni distancias de seguridad para asentamientos humanos a ductos.

Programa de desarrollo urbano del municipio de Balancán del Estado de Tabasco publicado el 6 de Noviembre del 2002.

Se prohíbe toda actividad humana permanente a 50 metros a partir del eje del tubo. De los 50 a 200 metros se prohíben usos habitacionales

El municipio de Teapa no ratificó este criterio y en los 15 municipios restantes no se han publicado los programas.

MARCO NORMATIVO.

5

50 metros

Norma PEMEX No. 03.0.02 Ed. 1994 Derecho de vía (DDV) de tuberías de transporte.

Ducto de PEMEX.

A

B C

PEMEX

PELIGRO

NONOTUBERIA ALTA PRESIONESCAVARCONSTRUIR COLPEAR

PEMEX

PELIGRO

NONOTUBERIA ALTA PRESIONESCAVARCONSTRUIR COLPEAR

Diámetro nominal de tubería.

A B CHASTA 8" 10 3 7DE 10" A 18" 13 4 9DE 20" A 36" 15 5 10MAYOR DE 36" 25 10 15

metros

Sobre el D.D.V. no se permiten asentamientos humanos.

AMPLITUD DEL D.D.V.50 metros

6

1600 metros.

200 m

etr

os

Ducto de PEMEX.

ÁREA UNITARIA = 400 metros x 1600 metros

Dentro del área unitaria se permiten construcciones para ocupación humana.

Se establecen factores de seguridad que incrementan el espesor de pared de los ductos en función del número de construcciones en el área unitaria..

Código ASME B31.8 para ductos de transporte de hidrocarburos gaseosos.

200 m

etr

os

7

Código ASME B31.8 para ductos de transporte de hidrocarburos gaseosos.

PUNTO DEPUNTO DE CEDENCIA (CEDENCIA (S))

PUNTO PUNTO DE DE

ROTURAROTURA

DEFORMACIÓN DEFORMACIÓN

(CAMBIO DE DIMENSIONES)(CAMBIO DE DIMENSIONES)

1.0

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

ZONA ELÁSTICAZONA ELÁSTICA ZONA PLÁSTICAZONA PLÁSTICA

ES

FU

ER

ZO

UN

ITA

RIO

ES

FU

ER

ZO

UN

ITA

RIO

EXISTE EXISTE DEFORMACION DEFORMACION PERMANENTEPERMANENTE

NO EXISTE NO EXISTE DEFORMACIÓN DEFORMACIÓN PERMANENTEPERMANENTE

RESISTENCIA MAXIMARESISTENCIA MAXIMA

CLASE 1 CLASE 1 (0.72 (0.72 SS))

CLASE 2 CLASE 2 (0.60 (0.60 SS))

CLASE 3 CLASE 3 (0.50 (0.50 SS))

CLASE 4 CLASE 4 (0.40 (0.40 SS))

FACTOR DE

SEGURIDAD

FACTOR DE

DISEÑO

DESCRIPCIÓN DE LA CLASE DE LOCALIZACIÒN EN FUNCIÓN DEL ÁREA UNITARIA

1.4 0.72

CLASE 1.ES LA QUE TIENE 10 O MENOS CONSTRUCCIONES PARA OCUPACIÓN HUMANA EN UN ÁREA UNITARIA.

1.6 0.6

CLASE 2ES LA QUE TIENE MÁS DE 10 PERO MENOS DE 46 CONSTRUCCIONES PARA OCUPACIÓN HUMANA EN UN ÁREA UNITARIA DE TERRENO.

2.0 0.5

CLASE 3CUANDO EN UN ÁREA UNITARIA EXISTAN 46 O MÁS CONSTRUCCIONES DESTINADAS A OCUPACIÓN HUMANA O HABITACIONAL.

2.5 0.4

CLASE 4ES AQUELLA ÁREA UNITARIA DONDE PREVALECEN EDIFICIOS DE 4 O MÁS NIVELES O DONDE EL TRÁFICO SEA PESADO O DENSO.

FACTOR DE SEGURIDAD EN FUNCIÓN DE LA CLASE DE LOCALIZACIÓN.

COMPORTAMIENTO DEL ACEROSOMETIDO A ESFUERZOS.

8

50 a 200 metros

50 metros 50 metros

Se prohíbe toda actividad humana permanente a 50 metros y a cada lado a partir del eje del tubo.

De 50 a 200 metros se prohiben usos habitacionales, recreativos, deportivos y aquellos que requieran de altas concentraciones de población. Se aceptan usos compatibles con el tipo de ducto que no impliquen una cantidad mayor de 50 personas por hectárea.

Normas para el control del desarrollo urbano en zonas de ductos de PEMEX del Estado de Tabasco.

50 a 200 metros

DISTANCIA LIBRE

DE

ACTIVIDAD HUMANA

Ducto de PEMEX.

DISTANCIA LIBRE

DE

ACTIVIDAD HUMANA

9

PROBLEMÁTICA.

Las autoridades, indistintamente no permiten la construcción de nuevos ductos de transporte de hidrocarburos cuyos trazos se ubiquen a menos de 200 metros de una casa habitación, ya sea en derechos de vía nuevos o existentes.

PARA PETRÓLEOS MEXICANOS.

Los dueños de los terrenos desaprovechan el potencial económico de ciertas áreas de su propiedad al limitarles su uso las autoridades.

Las incongruencias en el Marco Normativo respecto a las distancias de seguridad de ductos hacia usos habitacionales, ha generado incertidumbre de los residentes cercanos respecto a su seguridad y a la de sus bienes, lo que ha propiciado manifestaciones de rechazo hacia la empresa.

PARA PARTICULARES.

Se limita la promoción de áreas para urbanización en zonas cercanas a ductos, sin hacer distinción de ellos.

No permiten construir a los propietarios de terrenos, cualquier uso habitacional a menos de 200 metros a cada lado del eje de los ductos, sin diferenciar estos últimos.

PARA LAS AUTORIDADES GUBERNAMENTALES.

10

CONSIDERACIONES La distancia de seguridad a los

asentamientos humanos de un ducto debe establecerse de acuerdo al riesgo que este representa en función de sus características operativas.

El riesgo está en función de la energía contenida en el interior de la tubería, la cual depende de la presión y del volumen de hidrocarburos manejados que lo determina el diámetro del ducto.

El riesgo también está determinado por el estado físico del producto transportado, ya sea gaseoso o líquido, los cuales generan diferentes escenarios de riesgo. En gasoductos las rupturas generan explosiones y en oleoductos derrames.

11

CONSIDERACIONESEl riesgo también está en función de la

energía térmica que se generaría en caso de ignición de los hidrocarburos liberados:

•Para el caso de hidrocarburos gaseosos los eventos que podrían presentarse serían el de dardo de fuego (Jet-Fire) y deflagración de nube de gas (Flash Fire).

•Para el caso de hidrocarburos líquidos el evento posible sería el incendio de derrames (Pool Fire).

Las experiencias de accidentes industriales en ductos constituyen una fuente importante de información para calibrar los modelos matemáticos de simulación y estimar distancias de seguridad con respecto a ductos para diferentes condiciones de servicio, diámetro y presión de operación.

12

EXPERIENCIAS

DUCTO Ø PRESIÓNTIPO DE EVENTO

AÑORADIO DE

AFECTACIÓN

OLEOGASODUCTO LUNA-PIJIJE-OXIACAQUE

16" 50 Kg/cm2 EXPLOSIÓN 2003 20 - 50 m

T.D.D GASODUCTO CHIAPAS-GIRALDAS

36" 84 Kg/cm2 EXPLOSIÓN E INCENDIO

2000 188 - 230 m

V.S. GASODUCTO R.B.N. CAMPO MAGALLANES

6" 52 Kg/cm2

EXPLOSIÓN E

INCENDIO1998 40 - 65 m

V.S. GASOLINODUCTO CD. PEMEX-CACTUS

24" 56 Kg/cm2

EXPLOSIÓN E

INCENDIO1995 150 - 200 m

V.S. GASODUCTO SAMARIA-CACTUS

24" 84 Kg/cm2

EXPLOSIÓN E

INCENDIO1995 150 - 200 m

GASODUCTO OXIACAQUE-IRIDE- SAMARIA

24" 80 Kg/cm2

EXPLOSIÓN E

INCENDIO1994 100 -150 m

GASODUCTO USUMACINTA - J. COLOMO

18" 63 Kg/cm2 EXPLOSIÓN 1993 85 -100 m

13

Riesgo Umbral

Radiación térmica (Jet Fire y Pool Fire) 1.4 Kw/m2

Inflamabilidad (Flash Fire) 5 %

Sobrepresión (Explosión) 0.5 lb/plg2

UMBRALES DE SEGURIDAD

Para calcular la energía liberada y estimar las distancias de seguridad a ductos de transporte, se seleccionaron de la bibliografía especializada modelos matemáticos de simulación de consecuencias por explosión e incendio, mismos que se calibraron con información de daños reales de accidentes en función de los niveles de seguridad de referencia por radiación térmica, inflamabilidad y sobrepresión establecidos en la normatividad.

14

PROPORCIONAPROPORCIONANo.No. EVENTOEVENTO MODELO MATEMATICOMODELO MATEMATICO

11

Modelo del TNT equivalente Modelo del TNT equivalente para evaluar explosiones de para evaluar explosiones de tuberías tuberías a presión. a presión. (Frank P. Less)(Frank P. Less)

Cantidad de gas emitido Cantidad de gas emitido instantáneamente y Ondas de instantáneamente y Ondas de Sobrepresión en función de la Sobrepresión en función de la distancia al epicentro de la distancia al epicentro de la explosión (Nivel de Seguridad 0.5 explosión (Nivel de Seguridad 0.5 lb/inlb/in22).).

Ruptura de ductos Ruptura de ductos (Explosión física).(Explosión física).

Modelo para evaluarModelo para evaluarfugas en gasoductosfugas en gasoductos u u oleoductosoleoductos.. (Fanelop)(Fanelop)

Cantidad de gas o líquido Cantidad de gas o líquido liberadoliberado

Fuga de gas o líquidoFuga de gas o líquido

Modelo para evaluarModelo para evaluardispersión de nube de gas.dispersión de nube de gas.(Pasquil y Gifford)(Pasquil y Gifford)

22

33

44

Formación de la nube e Formación de la nube e ignición (FLASH FIRE).ignición (FLASH FIRE).

Formación del dardo de Formación del dardo de fuego (JET FIRE) o fuego (JET FIRE) o incendio de fuga de incendio de fuga de líquido (POOL FIRE).líquido (POOL FIRE).

Dimensiones y contorno de Dimensiones y contorno de la nube de gas en función del la nube de gas en función del límite inferior de explosividad (LII)límite inferior de explosividad (LII)

Modelo para evaluarModelo para evaluarradiación térmica por dardo radiación térmica por dardo de fuegode fuego o derrame de o derrame de llííquidoquido. . (Frank P. Less)(Frank P. Less)

Dimensiones del dardo de fuego Dimensiones del dardo de fuego o radio del incendio y ondas de o radio del incendio y ondas de radiación térmica en función de radiación térmica en función de la distancia al punto de fuga la distancia al punto de fuga (Nivel de Seguridad 1.4 Kw/m(Nivel de Seguridad 1.4 Kw/m22).).

MODELOS DE SIMULACIÓN.

15

Modelo del TNT equivalente para evaluar explosiones de ductos a presión

Proporciona la energía liberada expresada en masa equivalente de TNT (WTNT), a partir de la cantidad de gas emitido instantáneamente.

Las ondas de sobrepresión P, se obtienen en función de la energía liberada y de la distancia al epicentro de la explosión.

Con este nivel de sobrepresión P, se determinan los daños esperados en función de la distancia.

W TNT masa de TNT equivalente (kg)Fc factor de compresibilidad del gas. P1 presión de operación (KPa)V 1 vol. de gas liberado en la explosión (m3)P2 presión atmosférica (KPa)Z distancia escalada (m/kg1/3)R distancia al epicentro de la explosión (m)

P sobrepresión generada (KPa)

(WTNT )Z =

R1/3

P = 153.08 Z –1.2058

2

111 ln0219.0

PP

VPFc

TNTW

16

Hoja de cálculo para estimar distancias de seguridad en explosiones de gasoductos

17

Modelo para evaluar Tasa de fugas en gasoductos (Fanelop)

Q dm(t)/dt velocidad de salida del gas (kg/s)

A área del orificio de la fuga. (m2)

P 0 Presión inicial (kg/cm2) f factor de fricción de Darcy.

t tiempo (s)

M Peso molecular del gas. (gr/mol)

D diámetro interior de la tubería (m) Relación de calores específicos Cp/Cv=1.3

R 0 Constante (8314 J/ kg-mol °K)

T 0 Temperatura del gas. (°K)

Este modelo se utiliza para calcular la velocidad de la fuga en una tubería de gas, se toma en cuenta la pérdida de presión, debido a la fricción causada por el flujo de salida.

1/3

1

7

10

10167.21

)(

MD

tf Kx

KAP

dt

tdmQ

1

1

00

1 1

2

TR

MK

18

Modelo para evaluar dispersión de nube de gas Pasquil y Gifford.

El Modelo de dispersión o modelo de emisión instantánea, es el utilizado para determinar la zona de alcance correspondiente al límite inferior de inflamabilidad de una sustancia.

Este modelo está desarrollado con base a las ecuaciones de dispersión Gaussiana de una nube o “puff” tridimensional, formada por la masa de una substancia gaseosa que es liberada a la atmósfera en unos cuantos segundos, tal como sería la fuga de gas inflamable provocada por una explosión o ruptura de un ducto.

K = - ½X-Ut

σx

2y

σy

2H

σz

2

C(xyzH) =eK

2 π 3/2 x y z

2 Q

C (xyzH) concentración (kg/m3)Q cantidad de gas emitido (kg)e base de los logaritmos naturalesx distancia de la nube en dirección del viento (m)y distancia de la nube en dirección lateral (m)z distancia de la nube en dirección vertical (m) U velocidad viento (m/s)t tiempo de desplazamiento de la nube, (s)

x, y coeficientes de dispersión en X y Y (m)

z coeficiente de dispersión Z, (m)altura de emisión (m)

19

Hoja de cálculo para estimar distancias de seguridad por ignición de nubes de gas

20

Emisividad de radiación térmica

de la flama

Modelo para evaluar radiación térmica del dardo de fuego (Jet Fire)

ambt

faf TN

MMT

/13.5 tt

t0

CC

Cd

L

2sec

2sen

2sec 2

00

eq

dL

d

D

Relación longitud de flama/diámetro de

fuga

Relación diámetro de flama/diámetro de

fuga

tZFEI vmX

eq

cm

DL

mE

/413.0

cH

2

4Xeqv DF

09.002.2

XZt wP

Factor geométrico de

vistaTransmisividad

atmosférica

Radiación térmica en

función de la distancia

Este modelo se utiliza para evaluar la radiación térmica en función de la distancia al dardo de fuego.

Depende del tamaño del orificio de fuga, geometría y emisividad térmica de la flama, propiedades fisicoquímicas de la sustancia y transmisividad atmosférica.

Con el nivel de radiación térmica en función de la distancia al punto de fuga, se determinan los daños esperados.

L longitud del dardo de fuego (m)d 0 diámetro del orificio de fuga (m)

Deq diámetro equivalente del dardo de fuego (m)

Ct relación estequiométrica aire combustible

Ma peso molecular del aire

Mf peso molecular del gas

Nt moles de reactantes/productos de acuerdo a la estequiometría de la reacción

Tf temperatura de la flama (ºK)

I (x) radiación térmica (kw/m2) X distancia al punto de interes (m)

Em poder emisivo de la llama en kw/m2 F factor geométrico de vistaZt coeficiente de transmisividad atmosférica

mcvelocidad de combustión por unidad de área

(kg/m2.s)Hc energía de combustión (kJ/kg.), Hv energía de evaporación (kJ/kg.)Zt transmisividad atmosférica Pw presión parcial de vapor de agua (Pa)

21

Hoja de cálculo para estimar distancias de seguridad en incendios de gasoductos.

22

Hoja de cálculo para estimar distancias de seguridad en incendios de oleoductos.

23

RESULTADOS

Por extrapolación con los modelos de simulación

calibrados se obtuvo la siguiente matriz de

distancias de seguridad para diferentes condiciones

de presión, servicio y diámetro de ductos que

transportan hidrocarburos.

EXPLORACIÓN Y PRODUCCIÓNREGIÓN SUR

GERENCIA DE SIPA

24

RESULTADOS

DIÁMETROAREA DE TRAMPAS

DE DIABLOS

100> P >= 80 kg/cm2

80> P >= 50 kg/cm2

OLEODUCTOS50> P >= 15

kg/cm2

P < 15 kg/cm2

48" 250 m 200 m 150 m 150 m 100 m 50 m

36" 250 m 200 m 150 m 150 m 100 m 50 m

30" 250 m 200 m 150 m 150 m 100 m 50 m

24" 200 m 150 m 150 m 100 m 100 m 50 m

20" 200 m 150 m 100 m 100 m 100 m 50 m

18" 150 m 100 m 100 m 100 m 75 m 35 m

16" 150 m 100 m 100 m 75 m 75 m 35 m

14" 150 m 100 m 75 m 75 m 75 m 35 m

12" 150 m 100 m 75 m 75 m 75 m 35 m

10" 100 m 75 m 75 m 75 m 50 m 35 m

8" 100 m 75 m 75 m 50 m 50 m 35 m

6" 75 m 75 m 75 m 50 m 35 m 35 m

4" 75 m 50 m 50 m 35 m 35 m 35 m

3" 50 m 35 m 35 m 35 m 35 m 35 m

2" 35 m 35 m 35 m 35 m 35 m 35 m

GASODUCTOS GASODUCTOSOLEODUCTOSY

GASOLINO-DUCTOS

Matriz de distancias de seguridad para ductos de transporte de hidrocarburos.

25

CONCLUSIONES

Los criterios de seguridad para el diseño y construcción de ductos no deben fundamentarse exclusivamente en los factores tradicionales de diseño tal como el de seguridad por densidad de población (F), debe incluirse además el factor de energía contenida en los mismos, por lo que se propone la “Matriz de Distancias de Seguridad”, la cual considera el factor de energía interna en función de experiencias reales y la modelación calibrada de escenarios de riesgo.

Se requiere elaborar normatividad única que establezca criterios respecto a distancias mínimas de seguridad para la ubicación de asentamientos humanos a ductos que transportan hidrocarburos a fin de conciliar intereses de particulares, autoridades y de la industria.

Las experiencias en campo sobre accidentes en ductos que transportan hidrocarburos nos permiten calibrar modelos de simulación y desarrollar el análisis de consecuencias para extrapolar escenarios de riesgo y definir distancias de seguridad a ductos de transporte de hidrocarburos a diferentes condiciones de presión, servicio y diámetro.

26

FIN DE LA PRESENTACIÓN

GRACIAS

ING. CARLOS HERNÁNDEZ GARCÍA. ING. JORGE A. HERNÁNDEZ ORTEGA.

ING. JOSÉ DEL C. CONTRERAS CRUZ.

7° CONGRESO INTERNACIONAL DE DUCTOS

PUEBLA, PUEBLA, 12 – 14 NOVIEMBRE DEL 2003.EXPLORACIÓN Y PRODUCCIÓNREGIÓN SUR

GERENCIA DE SIPA