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Congelamiento de fluidos como tapón hidráulico

PIPE FREEZING



Los sistemas hidráulicos, redes de tuberías y conducciones, generalmente incluyen válvulas de aislamiento, o

válvulas de guarda, con el propósito de cortar el flujo de los fluidos que son transportados o conducidos a

través de dichas tuberías, cuando se presentan fallas en los componentes hidráulicos del sistema o en la

tubería misma, o cuando se requieren mantenimientos programados a la infraestructura del sistema.



Las fallas en los componentes hidráulicos se presentan con mucha frecuencia tanto en tuberías expuestas

como en tuberías enterradas, y pueden atribuirse a diversos factores, tales como:

• Aumento de presión en los sistemas por variaciones presentadas en la red

• Envejecimiento de las tuberías de conducción.

• Pérdida de espesor de tuberías y componentes hidráulicos por efecto de la abrasión y el desgaste.

• Pérdida de espesor por cavitación.

• Golpes de ariete o transitorios hidráulicos.

• Sismos o movimientos de tierra, deslizamientos, cargas impuestas por el terreno en tuberías enterradas.

• Empaquetaduras en mal estado, falta de mantenimiento, falta de anclajes apropiados, etc.



Es común que las redes de tuberías y conducciones no cuenten con el número apropiado de válvulas de aislamiento

para poder cortar el flujo en cualquiera de los múltiples puntos o secciones en donde podría ocurrir una falla súbita de

las tuberías y componentes.

Muchas conducciones o instalaciones hidráulicas no cuentan con válvulas de guarda o aislamiento.

Cuando se presenta una falla en los componentes hidráulicas, lo cual implica una fuga del fluido, o bien, cuando se

requiere el mantenimiento, o desmontaje, de uno de los componentes hidráulicos del sistema, surge la necesidad

absoluta, y en muchos casos urgente, de cortar el flujo por medios alternos. El congelamiento de fluidos al interior

de las tuberías ofrece un método efectivo y seguro para cortar el flujo en múltiples aplicaciones, y para diversos

materiales de tuberías y fluidos.



El Congelamiento de fluidos en el interior de las tuberías es un método no intrusivo que permite llevar a cabo la

suspensión efectiva del flujo de manera temporal.

El Congelamiento de fluidos en tuberías es un método seguro y efectivo para proporcionar el taponamiento de las

tuberías en prácticamente cualquier sitio de la instalación.

Mediante este método es posible llevar a cabo reparaciones, o actividades de mantenimiento, sin necesidad de vaciar

las conducciones, ahorrando tiempo y dinero, sobre todo en aquellos casos en los que el corte en el suministro del

fluido implica perjuicios para comunidades, o pérdidas económicas por falta de producción, como puede ocurrir en

acueductos, centrales hidroeléctricas, oleoductos, plantas de tratamiento de agua potable o residual, o plantas

industriales.

Mediante el congelamiento de fluidos en el interior de las tuberías, se evita recurrir a procesos que implican muchas

veces la perforación de tuberías, aplicación de soldaduras a las tuberías, y/o implementación de accesorios especiales

que implican, además de intervenir la tubería, grandes riesgos para el personal o la infraestructura.

El congelamiento de fluidos en el interior de tuberías puede realizarse aprovechando las bajas temperaturas del

Nitrógeno liquido, CO2 líquido, o utilizando otros líquidos refrigerantes. No obstante el producto que ha mostrado

mayor efectividad y seguridad, y que abarca un mayor rango de cubrimiento para diversos materiales y tamaños de

tubería, y para diversos fluidos, es el Nitrógeno líquido, con el cual se utilizan temperaturas criogénicas.



El Nitrógeno se inyecta al interior de una chaqueta, camisa, o manta envolvente, que se instala exteriormente

alrededor de la tubería, accesorio o componente hidráulico dentro del cual se pretende congelar el fluido.

El nitrógeno se inyecta en el interior de la chaqueta mediante mangueras apropiadas para el transporte de fluidos a

temperaturas criogénicas. Las mangueras conectan la fuente de suministro de Nitrógeno líquido (termo, cilindro,

bomba de nitrógeno) con la chaqueta de enfriamiento. La tasa de alimentación de nitrógeno líquido a la chaqueta de

enfriamiento se establece de acuerdo con el material de la tubería, el fluido que se debe congelar y, de acuerdo con el

caudal que circula normalmente por la tubería. La inyección de Nitrógeno se hace de manera gradual hasta que la

temperatura de la tubería se enfríe y estabilice. A partir de ese momento la tasa de inyección se incrementa

gradualmente para compensar la tasa de evaporación del Nitrógeno. En todo momento se realiza el monitoreo de la

temperatura de la tubería y del caudal circulante a través de ella.



El fluido dentro de la tubería se congela formando un bloque sólido hermético que impide efectivamente el paso del

flujo. Este bloque sólido congelado queda firmemente atrapado (anclado) en el interior de la tubería, en la zona

afectada por la chaqueta, ya que el descenso en la temperatura producirá una leve disminución del diámetro de la

tubería, por efecto de la contracción generada. De esta manera el diámetro de la tubería, en la zona de contacto con la

chaqueta variará desde su valor normal, en los extremos de la chaqueta, hasta un diámetro levemente menor al normal,

en el centro de la chaqueta. De esta manera el tapón de fluido congelado quedará bloqueado y no podrá desplazarse en

ninguna dirección por efecto de la presión interna.

Una vez congelado el fluido y obtenido el tapón hidráulico, el nitrógeno se continua inyectando a la tasa requerida

para compensar la evaporación. A partir de este momento se puede proceder con el trabajo de mantenimiento,

reformas o reparaciones que sean necesarias, aguas abajo del sitio de instalación de la chaqueta de congelación. Los

trabajos de soldadura que se requieran deberán realizarse a una longitud suficiente con respecto al sitio de instalación

de la chaqueta, de tal forma que el calor generado por la fusión del metal, no caliente el fluido congelado y afecte el

tapón hidráulico. Una vez terminado el trabajo, se da inicio al proceso gradual de suspensión del suministro de

nitrógeno al interior de la chaqueta, con lo cual gradualmente se producirá el descongelamiento del fluido interior, y la

circulación gradual del flujo a través de la tubería.



ALGUNAS VENTAJAS DEL MÉTODO DE CONGELAMIENTO

DE FLUIDOS COMO TAPÓN HIDRÁULICO

1. Permite realizar modificaciones, reparaciones o mantenimientos de los componentes hidráulicos, sin tener que

recurrir a la construcción de accesorios especiales, sin ejecución de soldaduras o perforaciones en la tubería, y en

general, sin intervenir de ninguna manera la tubería (método no intrusivo).

2. No es necesario drenar grandes tramos de las conducciones o tuberías, para realizar los trabajos de

modificaciones, reparaciones o mantenimientos de los componentes hidráulicos. Esto es especialmente

importante en conducciones largas, o cuando se trata de fluidos tóxicos, peligrosos o de alto costo (aguas

residuales, petróleo, centrales hidroeléctricas, conducciones de acueducto, etc.)

3. Consiste en un proceso rápido y seguro, lo cual implica ahorro de tiempo y dinero.



TIPOS DE TUBERÍAS A LAS CUALES SE PUEDE APLICAR

EL MÉTODO DE CONGELAMIENTO DE FLUIDOS

El tipo de tubería en el cual se ha ejecutado este método con mayor frecuencia, es en las tuberías de acero. El método

puede aplicarse a todo tipo de tubería metálica. Las tuberías plásticas (PVC, GRP, HDPE, etc.) pueden someterse

igualmente al proceso de congelamiento. El método es aplicable incluso para tuberías de concreto. En todos los casos

existe un espesor mínimo de tubería por debajo del cual no es recomendable el método de congelamiento de fluidos

como medio de obtener el tapón hidráulico. Como referencia, a continuación se presenta una lista no exhaustiva de

tuberías en las que puede aplicarse el método sin dificultad:

Acero al carbono

Acero inoxidable

Fundición

Hierro dúctil

Aluminio

Cobre

PVC, GRP, HDPE, plástico y compuestos

Tuberías revestidas internamente

Tuberías horizontales, verticales o inclinadas.

DIÁMETROS DE TUBERÍA APLICABLES

En términos generales, el congelamiento de fluidos como medio de tapón hidráulico puede implementarse para

diámetros de tubería desde ½” hasta 42” (12,7 mm hasta 1000 mm)



ALGUNAS APLICACIONES TÍPICAS

Las aplicaciones que se presentan a continuación se refieren a tuberías que conducen el fluido a tubo lleno:

• Tuberías en redes de distribución primaria y secundaria en sistemas de acueducto

• Conducciones de agua cruda, agua potable, agua residual

• Oleoductos, poliductos

• Centrales hidroeléctricas

• Sistemas de Bombeo

• Sistemas de protección contra incendios

• Plantas químicas y petroquímicas

• Instalaciones industriales

• Refinerías

• Trabajos de remplazo o reparación de válvulas



ALGUNOS FLUIDOS QUE PUEDEN SER CONGELADOS COMO TAPÓN HIDRÁULICO

Las aplicaciones que se presentan a continuación se refieren a tuberías que conducen el fluido a tubo lleno:

• Agua potable

• Agua cruda

• Agua residual

• Agua de enfriamiento

• Mezclas, fangos, lodos

• Lodo de plantas industriales

• Lodo de plantas de potabilización

• Lodo de plantas de tratamiento de agua residual

• Líquidos derivados del petróleo



LIMITACIONES DEL MÉTODO

• Flujo de fluidos a altas velocidades en combinación con diámetros grandes de tubería, son difíciles de congelar

por lo que implicarán alto consumo de Nitrógeno, y chaquetas de enfriamiento de mayor tamaño. Probablemente

se requieran varias chaquetas de enfriamiento instaladas en serie.

• Diámetros de tubería cercanos a 1,0 metro (42 pulgadas), y mayores, requerirán mayor tiempo de congelación,

mayor consumo de Nitrógeno, y chaquetas de enfriamiento de mayor tamaño.

• Las tuberías verticales serán, en general, más difíciles de congelar que las horizontales, y por tanto requerirán de

mayor consumo de Nitrógeno, y chaquetas de mayor tamaño.

• Los fluidos que no estén constituidos a base de agua, serán difíciles de congelar, e implicarán pruebas de

laboratorio antes de emprender un trabajo específico en el sitio requerido.

• Los fluidos que estén a temperaturas superiores a los 35ᵒC tomarán mayor tiempo para congelarse, por lo que

requerirán mayor consumo de Nitrógeno.

• Los ramales de tubería que se ramifican a partir de una tubería principal (manifold), serán muy difíciles de

congelar a cortas distancias del punto de derivación.

• El congelamiento de fluido en accesorios de tubería especiales (tees, codos, ramificaciones, válvulas, etc.), puede

ser costoso debido al diseño y construcción de chaquetas especiales con las formas y geometrías requeridas. El

congelamiento en tramos de tubería cercanos a una válvula cerrada, puede producir el rompimiento de la tubería, y

por lo tanto, no se realiza.

• El servicio será costoso, o no podrá realizarse, si el espacio disponible para realizar el trabajo no está

adecuadamente ventilado, o si no cuenta con espacio suficiente para la ubicación de los termos, cilindros o

tanques de Nitrógeno requeridos.

• Mantener el tapón hidráulico por más de 24 horas puede resultar en un servicio costoso debido al alto consumo de

Nitrógeno.



PREGUNTAS FRECUENTES

1. Cuanta presión resiste el tapón hidráulico?

El tapón hidráulico que se forma con el congelamiento del fluido al interior de la tubería, resiste tanta o mayor

presión que la presión que resiste el material mismo de la tubería. El tapón hidráulico queda anclado en su punto por

efecto del cuello que forma la tubería por efecto de la contracción radial del material.

2. Qué riesgos ofrece el Nitrógeno?

El Nitrógeno en su estado natural es gaseoso. El 79% del aire que respiramos es Nitrógeno. El Nitrógeno no es

combustible, ni tóxico, sin embargo debe tenerse precaución cuando se libera en estado gaseoso, puesto que puede

desplazar el oxígeno del aire produciendo ahogamiento. Sólo debe descargarse en atmósferas o recintos que cuenten

con adecuada ventilación. El Nitrógeno existe en estado líquido y a presión atmosférica, cuando se encuentra a una

temperatura de -196 ᵒC, aproximadamente. Si el Nitrógeno liquido entra en contacto con la piel, producirá

quemaduras por frío excesivo. Si el nitrógeno líquido se vierte en un recipiente que se encuentra a temperatura

ambiente (por ejemplo, a +25 ᵒC), inmediatamente se evaporará a una relación de expansión aproximada de 1:800,

por lo que será preciso que el recipiente cuente con venteos o alivios de presión suficientes para evitar la sobre-

presurización del mismo y su posible falla o explosión. Se recomienda que el Nitrógeno sea manipulado por personal

experto, dotado con guantes y gafas de protección, y con ropa de seguridad adecuada.




3. Las tuberías sometidas al proceso de congelamiento pueden fallar (agrietar)?

Bajo ciertas condiciones se puede producir la ruptura de las tuberías cuando son sometidas al enfriamiento intenso.

El mayor riesgo se presenta cuando se pretende congelar un fluido acuoso en una zona cercana a una válvula

cerrada.

En este caso, la expansión que sufre el fluido al congelarse producirá el aumento de la presión hidrostática al interior

de la tubería, ya que la expansión en sentido radial está limitada por el diámetro interior de la tubería, por lo que sólo

estará disponible la expansión en sentido longitudinal. En sentido longitudinal, si la chaqueta de enfriamiento está

muy cercana a una válvula cerrada (con la válvula aguas debajo de la chaqueta), la expansión longitudinal sólo podrá

realizarse en el sentido de aguas arriba, empujando el agua atrapada en sentido contrario a la dirección que tenía el

flujo. Este empuje en ciertas condiciones hace que la presión aumente en la zona de agua no congelada, que ha

quedado atrapada aguas arriba del tapón hidráulico. Si este aumento en la presión supera la resistencia de la tubería,

la tubería se romperá.

No obstante, debe quedar claro que la experiencia a nivel mundial en múltiples aplicaciones, ha demostrado que la

expansión radial del tapón de hielo no se acerca siquiera a un nivel de presión suficiente que represente una amenaza

como para provocar la falla de la tubería.

Por las razones expuestas anteriormente, no se recomienda realizar el congelamiento de fluidos en el interior de

tuberías, en zonas cercanas a una válvula cerrada, a no ser que el sistema cuente con el monitoreo permanente de la

presión interior del fluido, y válvulas de alivio adecuadas que liberen la sobre presión generada.




4. El enfriamiento intenso puede producir choque térmico en las tuberías, causar la fractura de las

tuberías de acero, o alterar su metalurgia?

El choque térmico se produce por el enfriamiento violento y súbito. El proceso de congelamiento con Nitrógeno se

realiza bajo tasas de inyección controladas, monitoreando continuamente la temperatura de la pared de las tuberías.

El enfriamiento de los materiales a temperaturas criogénicas no causa la fractura de las tuberías de acero. De hecho,

existen aceros que precisamente son sometidos a tratamientos térmicos, enfriándolos a temperaturas criogénicas,

para mejorar sus propiedades mecánicas y su desempeño.

Las deformaciones que se presentan en las tuberías de acueductos, oleoductos, etc., en la zona afectada por la

chaqueta de enfriamiento, por la contracción de su diámetro, son deformaciones leves dentro del rango elástico del

material, por lo que no son deformaciones permanentes.

Las bajas temperaturas a las que se encuentra la tubería durante el tiempo que dure el tapón hidráulico pueden

aumentar la fragilidad de las tuberías mientras se encuentran a dichas bajas temperaturas. Por tal motivo, no deben

someterse a impactos o golpes durante el proceso. Se debe asegurar que no se presenten transitorios hidráulicos o

golpes de ariete durante el proceso. Los trabajos que deban efectuarse en las tuberías para efectos de reparación,

mantenimiento o modificación del sistema, como procesos de corte, soldadura, impactos, etc., se realizan a una

distancia prudente del sitio de instalación de la chaqueta de enfriamiento, donde se ha verificado que la temperatura

de la tubería corresponde a la temperatura normal del sistema, y donde se asegure que los impactos y esfuerzos no

sean transmitidos a la zona de baja temperatura.

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