Este documento describe los acontecimientos que se realizaron a la formación de sobrecargas altas en una tubería importante recién construida durante el proceso de comisión, las rupturas resaltantes, la investigación que fue realizada para determinar el grado de daños a la tubería, y a las medidas de la remediación adoptadas. Presenta un resumen de las lecciones valiosas aprendidas. El papel discute la necesidad del mejor sistema integrado del control de calidad y del aseguramiento que eliminaría la ocasión de las mayores sobrecargas y daños a la tubería. El papel presenta el procedimiento usado para identificar efectos estructurales de los acontecimientos, de la inspección y de la prueba de la sobrecarga usados para evaluar efectos de las sobrecargas en el funcionamiento futuro de la tubería aflojada, y procedimiento de la rehabilitación adoptado.
La tubería, construida a partir de la tubería concreta pretensada 72 in.-día. Del cilindro, consiste de: una tuberia de agua cruda de 7.7-kilómetros-longitud, que transporta el agua del depósito del agua cruda a la planta de tratamiento de aguas (WTP); una tuberia de agua tratada de 47-kilómetro-longitud, que transporta el agua del WTP a dos tanques; y un tronco de 10.3-kilómetro-longitud de la distribución en linea, que transporta el agua de los tanques a la red de distribución (Figura 1). El agua se bombea en la tubería de agua cruda, y fluye por gravedad en el en sentido descendiente de las tuberías. Antes del 6 de septiembre de 1999, la construcción de las tuberías era casi completa, las tuberías fueron llenadas de agua, y las dos válvulas de mariposa en los tanques eran ejercitados como parte del proceso de comisión. Las válvulas mariposa fueron operadas por los actuantes impulsados por motor. La sincronización del actuante fue controlada por un dispositivo contador de tiempo, que fue fijado incorrectamente. Durante el período de del 6 al 11 de septiembre de 1999, el cierre de válvulas produjo ondas hidrodinámicas múltiples de la presión, o las sobrecargas, que han viajado a lo largo de la tubería. Durante el acontecimiento de la sobrecarga del 11 de septiembre de 1999, dos pedazos de tubo de 20 pies de largo instale fallaron por la ruptura en la tubería, una referida en el sitio A de la ruptura de la tubería, y otro como sitio B de la ruptura de la tubería.
Propósito y alcance de la investigación
SGH examinó inicialmente las dos tuberías rotas y un número limitado de tuberías en vecindad de rupturas, y tuberías observadas con las grietas y bases sonantes huecas internos en estas áreas. De acuerdo con estos resultados, un programa del examen de la condición era instituido para la tubería entera, incluyendo: (a) inspección y el sonar internos de la tubería entera, (b) análisis hidrodinámico de la sobrecarga de la tubería para determinar la máximo presión que se ejerce sobre cada tubería en la línea fue sujeta durante los acontecimientos de la sobrecarga del 6 a Septiembre del 2003, (c) análisis estructural de la tubería sujeta a la carga de la tierra, tubería y pesos fluidos, y las presiones máximas calculadas de la sobrecarga experimentadas por la línea durante los acontecimientos de del 6 al 11 de septiembre de 1999, (d) inspección externa y el sonido de una muestra de las tuberías en las cuales las anomalías fueron observadas durante la inspección interna y tuberías que experimentaron diversos niveles de la presión de la sobrecarga, (e) la tensión del alambre de la prueba de una muestra de tuberías y (f) la prueba de presión hidrostática de una muestra de tuberías para determinarse si las altas presiones calculadas de la sobrecarga o las anomalías observadas adentro de una tubería, tal como grietas internas y sonido hueco, afectó la pretensión en los alambres o el funcionamiento de las tuberías bajo diseño en trabajo y trabajo más presiones transeúntes, y (g) inspección del desmontaje de tres tuberías y de la prueba del material constituyente para determinar la causa(s) de tuberías de sonido hueco. La prueba de la corrosión del suelo fue realizada a lo largo de la tubería para asistirnos en la determinación del efecto de grietas externas en la durabilidad de los tubos, y en seleccionar la opción menos costosa de la reparación sin comprometer la durabilidad de la tubería.
La tubería fue sujetada a 13 eventos transitorios de la presión entre el 6 y 11 de septiembre 1999 como resultado del cierre rápido de las válvulas. La presión del máximo y del mínimo de las sobrecargas a lo largo de la tubería de agua tratada de éstos se muestra en la figura 1. El cierre rápido de válvulas fue causado por un contador de tiempo que fue fijado incorrectamente en un valor prefijado de un minuto del cierre. El ingeniero había especificado el tiempo correcto del cierre. El subcontratista que proporcionó el contador de tiempo lo tenía fijado a un minuto del cierre, esperando que el fabricante de la válvula o el contratista fije el contador de tiempo correctamente. En el apresuro para terminar el trabajo, el reajuste del contador de tiempo fue olvidado.
Las posiciones de las válvulas, como funciones del tiempo, registradas por el sistema de SCADA fueron utilizadas para realizar el análisis hidrodinámico de los 13 acontecimientos transitorios. Los resultados indican que la presión máxima a lo largo la mayor parte de la tubería ocurrió durante acontecimientos durante las 11:09 y las 14:01 el 7 de septiembre de 1999 y el acontecimiento de las 18:05 el 10 Septiembre de 1999. La presión de la cual la tubería falló en el acontecimiento de la sobrecarga el 11 de septiembre de 1999 estuvo acerca del 10% más bajo que la presión máxima en el sitio B y el 13% más bajo que en los sitios de falla del sitio A.
Figura 1 del – diagrama esquemático de las tuberías
Figura 2 – comparación de la presión máxima de todas las sobrecargas y del diseño
en trabajo más la presión transitoria a lo largo de la tubería tratada del agua.
La presión máxima estaba hasta cerca del 74% más alta que el diseño que en trabajo más la presión transitoria cerca de los tanques. La presión de la sobrecarga disminuyó generalmente con distancia de los tanques. El aproximadamente 81% de la tubería de agua tratada fueron aflojados más allá del diseño en trabaja más el límite transitorio de la presión de la tubería. El subsiguiente cierre de la reexaminación de los datos de SCADA reveló que la presión registrada de la sobrecarga por SCADA contuvo errores serios mientras que se confió en la transmisión de radio de datos de RTU a las jefaturas de SCADA. La transmisión de radio no ocurrirá en caso de radio interferencia, y el sistema de SCADA no pondrá al día la nueva posición de la válvula. Por lo tanto, cuando la frecuencia de la transmisión no es alta, los datos de SCADA dé un aspecto de más longitud se rezagan tiempo en una posición y un índice más alto del cierre.
La tubería de agua cruda fue sujeta a los acontecimientos transitorios de la presión como resultado de disparar de las bombas numero 4 y 5 del 4 de agosto de 1999, y del análisis hidrodinámico de éstos acontecimientos indicaron que la presión transitoria máxima excedió el funcionamiento del diseño en trabajo más la presión transitoria de hasta el 54%.
Las lecciones aprendidas son que un esfuerzo se debe ejercitar por los ingenieros para asegurar que las tuberías no serán aflojadas durante el proceso de corrosión. Confianza en los datos de SCADA para el análisis del acontecimiento del poste pueden dar lugar a las conclusiones incorrectas debido a probabilidades de error en la transmisión de las señales de radio.
Evaluación estructural de los efectos de la sobrecarga
Nuestra evaluación estructural de la tubería aflojada fue realizada usando un programa comercialmente disponible de computadora desarrollado por SGH para el diseño del concreto pretensado la tubería de cilindro, y modificado para computar estados límites de presión no de fabrica que corresponde al límite de las grietas de la base, límite de grietas en la capa, límite elástico del alambre pretensado, límite de la producción del alambre, producción de acero del cilindro, y límite de la compresión de la base. Primero, el estado del límite de presión no de fabrica fueron comparados con la presión máxima de la sobrecarga experimentado durante los acontecimientos del 6 al 11 de septiembre de 1999 todos a lo largo de la tubería, y de todos los segmentos de la tubería a lo largo de la tubería donde una presión del estado en límite fue excedida y están identificadas (figura 3). La condición prevista de la tubería en cualquier momento a lo largo de la tubería estaba determinada de los estados excedidos del límite. El análisis similar fue realizado para la tubería de agua cruda. La tubería interurbana de la distribución no fue aflojada.
Figura 3 – Radio de la presión máxima de todos los acontecimientos de la sobrecarga y diferente
presiones del estado límite
De acuerdo con los resultados de la evaluación estructural, cada tubería fue asignada una prioridad de la reparación a partir de la uno a la cuatro. Las tuberías de la prioridad 1 eran ésas aflojadas más allá de su límites permisibles del diseño y su capa de grietas límites. Si tales tuberías fueran puestas en un ambiente corrosivo, los alambres de pretensión se corroerían y se romperían con el tiempo, y afectarían así por el contrario la durabilidad de la tubería. La protección catódica fue recomendada para tales tuberías. Las tuberías de la prioridad 2 eran aflojadas más allá de su diseño permisible los límites, y con la presión alcanzaron muy cerca del límite de capa para agrietarse. Si tales tuberías hubieran estado aflojadas más allá de sus límites permisibles del diseño, pero no lo suficiente como para causar grietas en la capa. La capacidad de la capa de proteger la pretensión de los alambres de la corrosión no había sido comprometida. Las tuberías de la prioridad 4 eran no aflojadas más allá de sus límites permisibles. Los resultados del análisis estructurales demostraron a eso cerca de 80.6% de la tubería que se afloja más allá de sus límites permisibles del diseño, en de los cuales 31.9% están Prioridad 1, 7.3% en la prioridad 2 y 40.6% en la prioridad 3.
La inspección interna de las tuberías fue realizada consistiendo en una inspección visual y prueba de sonido de cada tubería en las tres tuberías. Cada segmento de cada tubería fue subdividido en sub segmentos, y un equipo de 3 a 4 personas examinó las tuberías en cada sub segmento, y registrado las localizaciones y las dimensiones relativas de sonidos huecos en áreas de la base interna, grietas en la base interna, grietas y aberturas en los empalmes, y otras anomalías. Los resultados de la inspección interna indicaron lo siguiente:
− Aproximadamente 30% de la tubería de agua tratada demostró las grietas internas, muchas tuberías con grietas múltiples. Las grietas internas decrecieron con distancia de los tanques, donde estaba la presión de la sobrecarga en su máximo. Las grietas internas estaban también observadas en la tubería de agua cruda y en un grado inferior en el tronco de la distribución tubería.
− Un total de 137 tuberías sonaron, 108 en aguas tratadas, 17 en agua cruda (incluyendo una que tenía una base interna rota con almádena, un área de sonido hueco, y un cilindro de acero que en el inverso encontrado reclinado sobre una roca), y 12 en la distribución del tronco. Las áreas hueco-sonoras de estas tuberías estaban bajo la forma de las vendas circunferenciales en 82 tuberías (del 62%), las áreas rectangulares cercanas invierten o coronan adentro 34 tuberías (del 26%), y áreas rectangulares en otras partes alrededor de la circunferencia de la tubería en 17 tuberías (del 13%).
− Las tuberías del sonido hueco se distribuyen aleatoriamente entre las tres tuberías, con ninguna correlación con el grado de la presión de la sobrecarga más allá del diseño en trabaja más la presión transitoria de la tubería.
− Cerca de 1.40% de las tuberías en la tubería tratada del agua, 1.35% de las tuberías en
la línea de agua cruda, y 0.71% de las tuberías en la línea de tronco de distribución con sonido hueco.
La inspección externa fue realizada para determinar la condición de la capa del mortero de la tubería del punto del soporte de las grietas y delaminación y la condición de la pretensión de los alambre del punto del soporte de la corrosión y de la pérdida de áreas representativas. La inspección externa fue realizada en 110 tuberías en la tubería de agua tratada sujetada a diversas presiones máximas durante los acontecimientos de la sobrecarga de del 6 al 11 de septiembre de 1999 y con diversas anomalías observadas durante la inspección interna (2 tuberías con fallas, el 24 tuberías con sonidos huecos con diversos niveles de las presiones de la sobrecarga y grietas internas, y 84 tuberías de sonido hueco), 20 tuberías en la tubería de agua cruda, y 12 tuberías en la tubería interurbana de la distribución. Durante estas pruebas, las muestras de alambre pretensado fueron tomadas para las pruebas, y las muestras de la capa del mortero fueron tomados para una reexaminación petrográfica. Los resultados demostraron las grietas de capa en una mayoría y una delaminación en algo de sonido hueco del las tuberías que se pusieron a prueba y la capa de grietas (pero ninguna delaminación) fueron observados en algunas de la tuberías con sonido hueco aflojadas más allá de su presiones de capa del límite de la grieta. Las grietas de capa y la corrosión del alambre fueron observadas en la tubería que fallo y la tubería adyacente en la falta del sitio A.
La prueba de presión hidrostática en una muestra de 15 tuberías fue realizada para determinarse su funcionamiento cuando está sujetado al diseño en trabajo y trabajo más niveles transeúntes de presión (figura 4). Las tuberías de muestra incluyeron las tuberías aflojadas a diversos niveles concerniente a su diseño en trabaja más las presiones transitorias (hasta 1.74 veces el diseño en trabajo más la presión transitoria), las tuberías con diversas grietas internas, y tuberías sin anomalías con y sin historia de la sobrecarga. De acuerdo con los resultados de estas pruebas, se determino que las tuberías que fueron aflojadas más allá de sus límites de diseño y tuberías con grietas de capa internas y externas no desarrollen las grietas anchas cuando está sujeto a su diseño en trabajo más límites transitorios de la presión, y puede permanecer así en la tubería si los efectos nocivos de grietas de capa que existen pueden ser evitados.
Figura 4 – prueba de presión hidrostática de tubería de alto afloje
La tensión del alambre fue medida por las pruebas de la tensión del alambre en ambas tuberías de sonido hueco y no-hueco. La tensión del alambre fue medida en 16 tuberías (4 no aflojados y 12 se aflojaron por hasta 1.74 veces su diseño que trabaja más el límite transitorio de la presión) que no exhibieron el sonido hueco en la inspección interna de la tubería, y determino que la tensión era adecuada en todas las tuberías que fueron aflojadas más allá de su límite del diseño. La tensión del alambre también fue medida en 12 tuberías del sonido del hueco de las tres tuberías (6 adentro Tubería de agua tratada, 4 en la tubería de agua cruda, y 2 en tubería interurbana de la distribución). De las 12 tuberías de sonido huecas, 7 no fueron aflojadas más allá de su diseño que trabajaba más presión transeúnte (3 en agua tratada, 2 en agua cruda, y 2 en tuberías interurbanas de la distribución), cuatro fueron aflojados por el hasta 14% más allá de su diseño que trabajaba más la presión transitoria, y uno fue aflojado hasta el 71% más allá de él es diseño que trabajaba más la presión transitoria (tubería C del desmontaje). Las pruebas de la tensión del alambre se realizaron en toda la demostración de las tuberías de sonido hueco con tensión perceptiblemente más baja en las áreas que suenan hueco, pero igual al diseño tensión en las áreas de sonidos huecos, excepto en una tubería (el desmontaje de la tubería C discutido abajo).
La inspección de desmontaje de tres tuberías de sonido-hueco removidas de la línea de agua cruda en febrero y marzo del 2000 fue realizada en junio y agosto de 2000 para ayudar a determinar la causa del sonido hueco. En las tuberías del sonido hueco, un boquete de aire fue observado en el interfaz del cilindro de acero y de la base concreta. En dos de tres tuberías con sonido hueco bajo la forma de venda, muy de baja tensión en los alambres fueron medidos de las pruebas de la tensión del alambre y de los empalmes también observados cerca de los finales de la venda de sonidos huecos. De hecho, una tubería demostró un empalme en cada final del sonido hueco de la venda. La tercera tubería de sonido hueco (tubería C) no demostró bajo tensión en el alambre, pero tenía una abolladura grande en el cilindro de acero, antes de revestirla de concreto alrededor de esta para hacer la base.
La prueba de la capa del mortero, alambres pretensados, el cilindro de acero, y la base fue realizada en las muestras recuperadas de los sitios de falla y en las tuberías examinadas externamente y tuberías del desmontaje. Los resultados de estas pruebas demostraron que la calidad del los materiales constituyentes probados eran de hecho adecuados.
La tubería de agua tratada experimentó las presiones de la sobrecarga que excedieron perceptiblemente el diseño en trabajo más las presiones transitorias de la tubería sobre ciertas piezas de las tuberías durante el período entre el 6 y 11 de septiembre de 1999.
La ruptura de la tubería en el sitio B era debido a una alta presión de la sobrecarga en una tubería con a error de la fabricación en la forma de una falla en el etiquetamiento una tubería de la clase 75 como tubería de la clase 125 y instalándola en una zona que requirió la clase tubería de 125 psi. En la ausencia de los acontecimientos de la sobrecarga de del 6 al 11 de septiembre de 1999, esta tubería no se habría quebrado inmediatamente debajo del diseño con presión transitoria, aunque serían ciertos daños (digamos grietas en la capa) probablemente. Las grietas de capa habrían reducido perceptiblemente durabilidad de la tubería. Las sobrecargas de presión máximas experimentaron en el sitio A durante los acontecimientos de 6 a 11 El septiembre de 1999 no fueron lo suficiente altas para causar una ruptura en la tubería. Por lo tanto, o hubo un error en la fabricación o un daño al mortero que cubría durante la instalación y eso dio lugar a la falla de la tubería. Ni materiales del diseño ni del componente de la tubería, incluyendo la capa y los alambres, contribuyeron a las rupturas de estas tuberías.
Además de las faltas en los sitios A y B, los acontecimientos de la sobrecarga de del 6 al 11 de septiembre 1999 dieron lugar a presiones para sobrepasar el límite de presión de la capa para agrietarse de la pieza excesiva de la tubería. De acuerdo con resultados hidrostáticos de la prueba de presión se demostró que la tubería aflojada puede controlar sus anchuras de la grieta cuando está sujeta a un diseño en trabajo más presiones transitorias, un plan catódico de la protección fue diseñado para prevenir la corrosión del alambre en áreas donde el suelo sea corrosivo y la tubería sea probable a tener grietas en la capa.
Durante el curso de la inspección, muchas tuberías con sonidos huecos fueron encontradas dentro de la tubería. Las pruebas se realizaron en tales tuberías que indicaron una muy baja tensión en los alambres de pretensión en todos los casos pero uno, y aquél fue asociado a una más grande que aceptable abolladura en el cilindro de acero que existió a la hora de la fabricación. Bajo la tensión fue medida con probabilidad casi igual en las tuberías se sonido hueco que no fueron aflojados, las tuberías que fueron aflojadas ligeramente en menos el de 14% más allá del diseño en trabajo más los límites transitorios de la presión de la tubería, y las áreas altamente aflojadas de la tuberías. Por lo tanto, los acontecimientos de la sobrecarga solamente no habrían podido ser la causa de la tubería de sonido hueco, y de baja tensión que existiría muy probablemente en los alambres a la hora de fabricación.
La inspección del desmontaje demostró los empalmes del alambre en los extremos de las tuberías del sonido del hueco. Las localizaciones de estas especias sugieren que el de baja tensión de los alambres en sonido hueco de las áreas se habrían podido causar por las roturas del alambre durante el proceso que de envoltura y la falla del operador de la maquina del proceso de envoltura para reestablecer la tensión completa en abrigos existentes del alambre. Además, las áreas de sonido hueco rectangulares fueron encontrados a relaciónese con las abolladuras o las hebillas en su cilindro de acero, causando las grietas de capa y separación en el interfaz del cilindro de acero y de la base concreta.
Las lecciones aprendidas son las siguientes:
− La tubería concreta pretensada no es sensible a las sobrecargas. La tubería conserva su capacidad de controlar las grietas de capa aun cuando aflojadas más allá del diseño en trabaja más límites de presión transitorios del diseño. La capa de la grieta y la envoltura gruesa del alambre del límite de la Tensión (es decir, la presión que resulta en el límite elástico de la tensión del alambre) como son calculados por el UDP son bastantes conservadores. La delaminación de capa no era observada. Por otra parte, las grietas internas parecen ser más frecuente que lo calculado por el UDP. Observe que no hay efecto deletéreo de grietas internas.
− El sonido hueco, que se encuentra típicamente en tuberías corroídas en estados avanzados de degradación, pueden ocurrir debido a las anomalías de la fabricación. Una tal anomalía es pérdida de pretensión en el alambre que resulta de roturas del alambre durante el proceso de envoltura, y la otra anomalía es el cilindro de acero abollado. Los procedimientos actual de control de calidad y la práctica de la industria que prevalece en el concreto americano ejerza presión sobre las plantas de manufacturación limitan el tamaño de la abolladura y requieren la reenvoltura de las tuberías que han experimentado una quebradura del alambre durante el proceso de envoltura.
− Las fallas anteriores de la mortalidad de las tuberías son debidas sobre todo a la fabricación y al error de instalación, tal como etiquetado incorrecto.
Un procedimiento de reparación fue seleccionado para cada tubería de la reparación basada en la protección catódica de ánodos sacrificados del cinc en áreas donde el suelo es corrosivo. La corrosión del suelo era determinada por la prueba de resistencia del suelo, las pruebas potenciales de la mitad de la célula, y el análisis químico del suelo a lo largo de la tubería. Los resultados de estas pruebas fueron utilizados para identificar el área de corrosión donde es necesaria la protección catódica si la capa de la tubería tuviera grietas. Este procedimiento es más rentable y el menos costoso para la reparación de la tubería.
Para reparar las tuberías de sonido hueco, diversas opciones de la reparación fueron evaluadas, incluyendo post-tensionamiento, y el reemplazo (figura 5). La opción menos costosa de el post-tensionamiento fue seleccionado. Donde no estaba post-tensionamiento factible para las tuberías de sonido hueco debido a la limitación del espacio, ejemplo., excavación en roca o cerca de las carreteras donde no había bastante sitio para la reparación post-tensionamiento o debido a las limitaciones en cuanto al tiempo, las tuberías fueron substituidas con una pieza del cierre. Un total de 129 tuberías en La tubería de agua tratada fueron reparadas o substituidas: 2 tuberías rotas fueron substituidas; 76 tuberías sonido hueco fueron reparado por post-tensionamiento; 32 tuberías de sonido hueco fueron reparados por el reemplazo; de las tuberías removidas de la tubería para hacer pruebas, 17 fueron substituidas y 2 fueron reparadas por post-tensionamiento. En el tronco de la distribución, 12 las tuberías de sonido hueco fueron reparadas por post-tensionamiento. En la tubería del agua cruda, 16 tuberías de sonido hueco fueron reparadas por post-tensionamiento y 1 fue reemplazada.
Figura 5 – Reparación de la tubería con post-tensionamiento de los filamentos y reemplazo de la tubería con una pieza de cierre
Durante la inspección interna de la tubería, los empalmes separados fueron encontrados, sobre todo debido al efecto del empuje de la presión de la sobrecarga cerca donde se dobla en empalmes incorrectamente instalados mecánicamente. Estos empalmes fueron reparados soldando la campana y los anillos de espita comunes juntos.
− La lección aprendida de esto es que las tuberias aflojadas de PCCP pueden ser rehabilitadas con eficacia usando protección catódica en áreas donde el suelo sea corrosivo.
− La instalación incorrecta de los empalmes mecánicamente hacen los empalmes susceptibles a la falla en acontecimientos de la sobrecarga. Procedimientos de instalación para empalmes de correaje mecánicamente deben acompañar procedimientos estrictos de control de calidad.
Reconocimiento
Los autores reconocen la ayuda de Advantica en el análisis de la sobrecarga de esta tubería de la corrosión de Russell en diseño del sistema de protección catódico, y de M.J.
Schiff y asociados en las encuestas sobre la corrosión.
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