ASOCIACIN REGIONAL DE EMPRESAS DEL SECTOR PETRLEO, GAS Y BIOCOMBUSTIBLES EN LATINOAMRICA Y EL CARIBE ARPEL

Primer Taller Internacional para el Monitoreo e Inspeccin en la Gestin de Integridad de Ductos frente a las geoamenazas

MONITOREO GEOTCNICO DE DUCTOS1

Por: Jos Vicente Amrtegui G. 2

OBJETIVO

El monitoreo geotcnico pretende determinar la existencia y actividad de los procesos de amenaza natural que pueden afectar la integridad del ducto.

El monitoreo permite determinar el funcionamiento y durabilidad de las obras de proteccin o de refuerzo del terreno que se hayan puesto en prctica para el control de la amenaza.

El monitoreo debe establecer el estado de funcionamiento del sistema. Con base en el monitoreo se deben determinar las acciones de mantenimiento, el cual debe ser preventivo.

1. CONCEPTOS BSICOS

Es importante tener en cuenta el anlisis del riesgo a que puede estar sometido el ducto, considerando, que el riesgo est determinado por la probabilidad de que ocurra una amenaza en un sitio dado, durante un tiempo de exposicin a dicha amenaza, multiplicado por la vulnerabilidad del sistema a esta amenaza, expresada como fraccin de dao y todo multiplicado por las consecuencias, la cual se expresa como el costo del dao o su reparacin. De sta manera el riesgo ser expresado en unidades de costo.

Las amenazas naturales, corresponden a procesos geolgicos y meteorolgicos, propios del comportamiento del planeta, se pueden clasificar en procesos Geodinmicos internos, tales como los terremotos y tsunamis, el vulcanismo y el diapirismo; procesos Geodinmicos externos, como los deslizamientos y desprendimientos de suelos y rocas, hundimientos o subsidencia del terreno, erosin, expansibilidad y colapsabilidad de suelos, meteorizacin de suelos y rocas; y procesos Meteorolgicos, tales como lluvias torrenciales y precipitaciones

1 Documento en construccin de la Recomendacin de buena prctica de ASME, 2014.

2 Ingeniero Civil, Director de proyectos de Ingeniera y Geotecnia Ltda..

intensas, crecientes de cuerpos de agua e inundaciones, huracanes, tornados, como los ms importantes.

Para el control del riesgo, se pueden adelantar controles sobre la amenaza, o sobre la vulnerabilidad o sobre las consecuencias o sobre los tres componentes.

La amenaza se puede controlar, mediante el conocimiento de la amenaza a que puede estar sometida la conduccin y la evolucin de dicha amenaza. Una primera forma de control puede ser mediante la evasin con el trazado de los sitios susceptibles a las amenazas que puedan afectar la conduccin. El minimizar los efectos de la construccin sobre el terreno ayuda a evitar el incremento de la amenaza y finalmente reforzar el terreno tambin ayuda a controlar la amenaza. La vulnerabilidad se puede controlar, en principio conociendo las caractersticas de la conduccin y su capacidad para soportar la amenaza. Para ello la vigilancia del comportamiento del sistema y de la evolucin de las amenazas es fundamental, esto se logra con las actividades del monitoreo y finalmente el mantenimiento o adecuacin del sistema, para que soporte los cambios de la amenaza.

Las consecuencias, se podran controlar mediante la reduccin de los elementos expuestos en el rea de influencia de la conduccin, con el trazado de la misma, complementando con gestin inmobiliaria y regulaciones gubernamentales sobre el uso del territorio. Otra forma de control de las consecuencias es limitando los volmenes potenciales de derrame del producto transportado.

Los procedimientos de monitoreo, se deben disear de manera que la capacidad de medicin sea compatible con las deformaciones admisibles por el ducto en la situacin de esfuerzos de trabajo a que est sometido. Para lograr este objetivo se debe realizar una evaluacin de la vulnerabilidad del ducto ante las potenciales amenazas a que pueda estar expuesto.

2. ACTIVIDADES DEL MONITOREO

Dentro de las actividades de monitoreo se tienen unas generales, bsicamente de observacin y registro de caractersticas del terreno y del clima que puedan inducir procesos de amenaza natural sobre la conduccin, otras de medicin de deformaciones en el terreno o en el tubo y otras para la obtencin de parmetros de comportamiento del terreno. .

2.1 Actividades generales

Dentro de las actividades generales, se tiene la compilacin y anlisis de la informacin climtica, especialmente lluvias y caudales en corrientes de agua, informacin sobre eventos climticos extremos (tornados o huracanes), tambin informacin de sismos o actividad de fallas geolgicas o volcanes. Con base en

sta informacin y anlisis geotcnicos detallados, se deben determinar umbrales a partir de los cuales se pueden activar procesos amenazantes, con potencial de afectar la conduccin.

Dentro de las actividades generales se tienen los reconocimientos directos por recorredores de lnea, donde se busca evaluar el estado de las obras de proteccin y la presencia de procesos de inestabilidad que afectan el derecho de va. Tambin se tienen los reconocimientos areos, donde se determina la presencia de procesos de amenaza, que puedan llegar a afectar el derecho de va.. Otra actividad importante son los diagnsticos geotcnicos detallados, realizados por especialistas en geotecnia. Donde se evala el estado del derecho de va y el corredor adyacente, desde el punto de vista de los procesos amenazantes y el estado de las obras de proteccin. Se debe evaluar la probabilidad de ocurrencia de los procesos amenazantes que se identifiquen a lo largo del corredor. Los resultados se deben presentar en mapas debidamente georeferenciados y a escalas apropiadas, que permitan identificar los procesos, detallando los sitios considerados como crticos, donde se debe incluir la investigacin del subsuelo. Se deben incluir los diseos para construccin de las obras y acciones de mitigacin y el diseo del programa de monitoreo.

2.2 Deformaciones del terreno

Las actividades para conocer las deformaciones en el terreno, van desde la determinacin de movimientos en el tubo, la determinacin de desplazamientos del subsuelo y de la superficie del terreno.

Las deformaciones del terreno, se manifiestan en la superficie, donde es posible determinarlas con ayuda de procedimientos topogrficos de alta precisin, para disminuir los niveles de incertidumbre. Estas determinaciones de la superficie se deben complementar con otras que involucren el subsuelo, por ejemplo con puntos de control sobre el tubo enterrado o con ayuda de inclinmetros, en stos se debe tener en cuenta la limitada capacidad de soportar deformaciones, generalmente mucho menor que la del ducto.

Es importante que los sistemas de medicin de deformaciones, tengan la capacidad de detectarlas antes de superar los umbrales de capacidad del ducto para soportarlas y que se tenga la capacidad de medir deformaciones mayores al umbral que pueda soportar el tubo. Esto quiere decir que el procedimiento debe permitir medir deformaciones con alta precisin y en un rango amplio.

2.2.1 Medicin de deformaciones en el ducto

Es importante determinar la ocurrencia y la magnitud de desplazamientos del tubo, para lo cual se cuenta con varios procedimientos, unos directos controlando puntos materializados sobre el ducto, con deformmetros o extensmetros; o con la informacin de localizacin de los sistemas de inspeccin interna de los ductos.. La informacin geomtrica que arrojan las herramientas de inspeccin interna (ILI) es quiz la fuente ms importante y de alta calidad y se debe analizar teniendo en cuenta las caractersticas mecnicas y de instalacin de la conduccin, es bsicamente usar el ducto como instrumento de deteccin de movimientos del terreno

2.2.2 Procedimientos topogrficos

Los procedimientos de control topogrfico deben ser redundantes, que permitan mediante el anlisis la determinacin de la aproximacin de las mediciones y la confiabilidad de los procedimientos. Requiere de la materializacin de puntos fijos y de control, los cuales deben tener la durabilidad superior al tiempo en que se requieran las mediciones. En general los procedimientos topogrficos o geodsicos permiten realizar monitoreo de desplazamientos del terreno, dentro de los de mayor precisin se tiene la triangulacin geodsica, sin embargo es muy laborioso; los procedimientos de radiacin son prcticos, la precisin depende de la aproximacin del equipo de medir los ngulos y las distancias; los procedimientos con alineamientos son sencillos y confiables; las poligonales simples tienen una confiabilidad baja, ya que la aproximacin de cada medicin afecta a las siguientes, al punto de perder el control. Los equipos GPS han revolucionado los procedimientos de medicin topogrfica. Tambin con los equipos de radar se pueden realizar mediciones de alta velocidad que permiten determinar deformaciones pequeas en corto plazo.

Alineamiento con puntos fijos: El procedimiento ms sencillo y confiable es aquel que controla alineamientos rectos con puntos fijos a los extremos. Se replantea el alineamiento, pasando por el rea que se quiere monitorear y se materializan por lo menos dos puntos durables en cada uno de los extremos, por fuera del rea que se quiere monitorear. Es deseable que los puntos sean inter-visibles. Dentro del rea de monitoreo, se materializan puntos con separacin de 5 a 20 m, dependiendo del ancho del rea de monitoreo.

El procedimiento de medicin consiste en apoyarse en uno de los puntos fijos, luego asegurar que los puntos fijos lo sean o determinar los desplazamientos relativos entre dichos puntos fijos. La medicin propiamente dicha se realiza replanteando el alineamiento y verificando con ayuda de plomada y cinta mtrica

el desplazamiento de cada punto, con respecto al alineamiento recto original. El alineamiento se puede controlar con hilo tenso, o con el teodolito. Con ste procedimiento se logra una aproximacin del orden de 1 mm y tiene un rango amplio de medicin del orden de los decmetros.

Este procedimiento tiene limitaciones en terrenos quebrados, donde no se pueda garantizar la intervisibilidad entre los puntos fijos o no haya posibilidad de encontrar puntos fijos. GPS RTK: El sistema de GPS determina las coordenadas de un punto con base en la deteccin de seales que envan los satlites del sistema de posicionamiento global. Este sistema tiene una aproximacin de baja precisin, sin embargo al utilizar dos receptores, uno de ellos fijo sobre un punto de coordenadas conocidas, es posible mediante un proceso de anlisis de los datos captados, determinar las diferencias de las seales en el receptor fijo y con estas diferencias corregir las lecturas en el receptor mvil; para que el anlisis funcione, se debe garantizar que los dos receptores capten las seales de los mismos satlites; esto impone que la separacin entre los receptores sea de alrededor de 10 km o menos.

En el sistema RTK (Real Time Kinetic) los receptores tienen la capacidad de comunicarse entre s y realizar los anlisis de las diferencias en las seales y realizar los correctivos en el receptor mvil, con lo cual se obtiene el valor de las coordenadas con aproximacin centimtrica y en un rango muy amplio.

El procedimiento de monitoreo consiste en la materializacin de una nube de puntos en el rea de monitoreo, incluyendo algunos puntos por fuera de dicha rea en sitios estables; se deben localizar las pilastras de la red geodsica oficial en la vecindad del rea de monitoreo, desde donde apoyar el receptor fijo. Si no existen puntos en la vecindad, es necesario materializar por lo menos uno en la vecindad y darle las coordenadas con procedimientos geodsicos de precisin de primer orden. Posteriormente se determinan las coordenadas de cada punto materializado, con el receptor mvil. Con la frecuencia que permita determinar los desplazamientos de cada uno de los puntos de control, mediante la comparacin de las coordenadas obtenidas en las diferentes campaas de medicin.

Este procedimiento tiene limitaciones, en terrenos encaonados o boscosos, que limitan la recepcin de las seales de los satlites.

Estacin total y prismas: Este podra considerarse el mtodo topogrfico tradicional, sin embargo se ha considerado poco confiable por las limitaciones en la precisin. Si se adoptan procedimientos de medicin tendientes a lograr precisin geodsica de primer orden, es un mtodo confiable.

Para labores de monitoreo se requiere de una estacin con aproximacin de lectura angular de mximo un segundo. Para centrar el equipo en los puntos ocupados se debe utilizar plomada tradicional (la plomada ptica puede inducir algunas imprecisiones). La lectura a los puntos se debe realizar directamente al punto o al hilo de la plomada. Todas las lecturas deben ser redundantes, leyendo en posicin directa e inversa o transitada por lo menos 6 veces cada medicin.

Los prismas deben ser fijos, sin embargo podran ser atornillados al punto de control. Esta recomendacin en algunos casos puede ser imprctica, entonces habra que apoyar el prisma en trpode, centrado sobre el punto de control con plomada tradicional (el uso de bastones no se recomienda debido a que induce errores importantes en la medicin). Se deben materializar varios puntos desde donde realizar las mediciones, estos puntos deben estar en sitios donde la variacin de la posicin sea mnima, por lo menos 3 de ellos deben ser intervisibles, en cada rea de monitoreo.

En el rea de monitoreo se materializan los puntos de control, con materiales durables, en la cantidad y disposicin que permitan determinar los movimientos del terreno, de acuerdo con el diseo realizado. Cada punto de control se debe leer por lo menos desde dos de los puntos de apoyo. Los puntos de apoyo se deben controlar entre s y se deben verificar sus coordenadas en cada campaa de lectura con procedimiento geodsico de primer orden, apoyados en puntos de la red Geodsica oficial.

Se debe adelantar un anlisis de la informacin que permita determinar en cada campaa la aproximacin del procedimiento de medicin.

2.2.3 Apertura de grietas

Como complemento a la medicin de desplazamientos en la superficie del terreno se instalan puntos que permitan medir movimientos relativos entre partes del terreno. Los ms frecuentes son los extensmetros, los cuales consisten de la materializacin de 4 puntos, 2 a cada lado de una grieta, separados de 1 a 3 m, en cada campaa de lectura se miden con cinta mtrica las distancias entre los puntos materializados, con lo cual se obtienen 6 mediciones en cada sitio. El anlisis de esta informacin permite determinar la magnitud y direccin del movimiento relativo del terreno.

Otra forma es instalar testigos en forma de puente, apoyados a ambos lados de la grieta, los que permiten visualizar el movimiento relativo del terreno.

2.2.4 Radar

El radar permite evaluar desplazamientos relativos de una superficie a alta velocidad y excelente precisin, lo cual es til para determinar la inminencia de deslizamientos especialmente en taludes de excavacin activos o en sitios de procesos de inestabilidad inminentes para determinar alarmas de seguridad durante las labores de mantenimiento.

2.3 Parmetros geotcnicos

Para obtener parmetros de comportamiento del terreno se instalan y leen piezmetros en el subsuelo, se instalan inclinmetros en el subsuelo que permitan identificar la profundidad de las potenciales superficies de deslizamiento y la velocidad del movimiento, se realizan pruebas de resistencia del terreno, se toman muestras del terreno para someterlas a ensayos que permitan determinar parmetros de comportamiento, se pueden realizar sondeos que permitan conocer la disposicin de los materiales que conforman el terreno, tambin se podran efectuar anlisis de los datos que muestre el monitoreo o de los procesos que se hayan documentado, para as obtener o verificar los parmetros de comportamiento del terreno.

Estos instrumentos se instalan en los sitios crticos identificados durante los diagnsticos geotcnicos o aquellos que se determinen mediante el anlisis de resultados y obedecen a un diseo especifico.

3. POSIBLE PROGRAMA DE MONITOREO

Teniendo en cuenta las condiciones de montaa por donde transcurren muchas de las lneas de transferencia de hidrocarburos en Colombia, se propone este programa de monitoreo:

- Recorridos directos, paso a paso, de la lnea, cada 6 meses. - Inspeccin de sitios crticos, cada mes. - Reconocimientos areos, cada 6 meses. - Recopilacin de informacin ambiental (clima, meteorologa, niveles de

ros, sismos, huracanes, volcanes), en forma permanente. - Diagnstico geotcnico especializado, cada 5 aos. - Inspeccin interior de la tubera, cada 2 a 5 aos. - Instrumentacin en sitios especiales, segn diseo. - Control topogrfico de sitios crticos, mensual a cada 6 meses, de

acuerdo con el anlisis de los resultados. - Control geodsico de la red oficial, adyacente a los ductos, cada 5 aos.

Bogot D.C. septiembre de 2014.