Superando límites en Direct Pipe: Instalación segura en aproximaciones a la costa y cruces

Joachim Engelhardt, responsable de producto de Direct Pipe03/05/2022

Durante los últimos 15 años, la tecnología Direct Pipe se ha consolidado de forma continua en el mundo de las tuberías. En sus comienzos, se utilizaba para cruzar ríos de forma segura. Gracias al desarrollo de la técnica y al crecimiento de su popularidad entre clientes y contratistas, la oferta de aplicaciones para Direct Pipe se ha expandido de forma constante en los últimos años. Hoy, con un historial de más de 165 cruces exitosos y 90 kilómetros de tuberías instaladas, Direct Pipe se utiliza cada vez más para emisarios submarinos.

El siguiente artículo presenta una visión general del proceso Direct Pipe, algunas de sus ventajas generales, así como otras menos conocidas, y los avances más recientes, tales como el diámetro pequeño de Direct Pipe y las posibilidades en roca dura.

Direct Pipe es una marca registrada ®

Metodología Direct Pipe

El método Direct Pipe desarrollado por Herrenknecht combina la excavación y la instalación de la tubería en un solo paso. La zona de obra y la preparación de la tubería se ubican en el mismo extremo.

Figura 1: Visión general de la tecnología Direct Pipe con instalación en la obra desde el extremo del lanzamiento.

En la zona de lanzamiento, el tramo de tubería preparado se conecta a una microtuneladora (MTBM, por sus siglas en inglés) que realiza la perforación con el diámetro final. La fuerza de empuje requerida la proporciona el Pipe Thruster, el cual empuja la MTBM junto con la tubería. La propia perforación está soportada por una suspensión de bentonita a baja presión, mientras que el material excavado se transporta a la superficie mediante líneas de lodos ubicadas dentro de la tubería de acero. El sistema de navegación permite un guíado preciso para tangentes y curvas en todo el trazado. Los puntos de entrada y de salida generalmente se sitúan cerca o sobre la superficie. En los emisarios submarinos, la MTBM se recupera directamente del lecho marino al final del proceso.

Alternativa a HDD

Cuando las condiciones del suelo son complicadas y presentan una elevada permeabilidad, Direct Pipe puede ser una alternativa válida para la popular perforación horizontal dirigida (HDD, por sus siglas en inglés). Dado que tanto la excavación como la instalación de la tubería se realizan en un único paso, la perforación siempre está soportada, sin casi ningún riesgo de hidro fractura. Esta continúa siendo la principal ventaja de Direct Pipe, considerando que la seguridad y la protección del medio ambiente suponen una inquietud cada vez más acentuada en el sector. El siguiente cuadro informativo resume algunas de sus otras ventajas.

Principales ventajas de Direct Pipe

alineación en las zonas poco profundas y menor recubrimiento es posible: mayor flexibilidad para seleccionar una formación de suelo más apta
ahorro de tiempo y dinero: la instalación de tubería en un solo paso reduce los tiempos de perforación y de instalación
menor volumen de fluidos de perforación y un menor sobrecorte (<10 %) significa una disminución de residuos
riesgo considerablemente más reducido de retorno inesperado de fluidos procedentes de hidrofracturas debido a la separación del soporte de la perforación y la retirada del material excavado.
una logística eficiente en obra además de operaciones en un solo extremo (soporte marino muy reducido en aproximaciones a la costa, casi independiente del tiempo meteorológico)

Medio ambiente y sostenibilidad

En el contexto del cambio climático, la sostenibilidad se convierte en el foco de urbanistas, operadores y contratistas. Esto no solo afecta al sector de las tuberías, sino también a las empresas de red eléctrica, las cuales se enfrentan a los mismos desafíos en las vías de su red eléctrica.

Un reciente estudio para un posible proyecto de tuberías, incluyendo un cruce terrestre y un emisario submarino cada uno de ellos de 1.000 metros de largo, ha analizado el impacto medioambiental de Direct Pipe. Casi todos los aspectos medioambientales comparados en el estudio demuestras que Direct Pipe se posiciona por delante de la perforación horizontal dirigida (HDD). El abanico de aspectos medioambientales analizados incluye el consumo de combustibles y emisiones, consumo de agua y bentonita, retirada de fluidos de perforación y materiales de la excavación, huella de la obra y vertido de fluidos en la salida al medio marino.

Huella CO₂

Cabe destacar las emisiones de CO₂, motivadas por unos requisitos energéticos relativamente bajos y, como consecuencia, también de consumo de combustible. Si se considera la energía instalada para los equipos, Direct Pipe demostró en el análisis que únicamente necesitaba la mitad de los recursos que una perofración horizontal dirigida (HDD). En base a una serie de suposiciones y simplificaciones aplicadas por igual, los resultados arrojaron que el consumo de combustible de Direct Pipe se reducía aproximadamente en un 50%. Dado que las emisiones de CO₂ están directamente relacionadas con el consumo de combustible (la quema de 1 litro de diésel produce alrededor de 2,65 kg de CO₂), la huella de CO₂ para Direct Pipe era, como mínimo, la mitad que la huella de una HDD (para plataformas alimentadas por motores diésel).

Emisiones de ruido

Además, el nivel de presión sonora (SPL, por sus siglas en inglés) de Direct Pipe era un 40-45% menor en comparación con HDD diésel, mientras que el nivel de potencia de sonido (SWL, por sus siglas en inglés) era un 70-80% inferior. En términos de 'ruido', entendido como las sensaciones que percibe el oído humano, HDD tendría una percepción de 1,3-1,5 veces superior a Direct Pipe. Además, las emisiones de ruido en el extremo de la salida son prácticamente inexistentes, ya que apenas se necesita ninguna operación en el extremo de salida de Direct Pipe, excepto recuperar la MTBM.

Fluidos de perforación

Otros aspectos, tales como el vertido de fluidos de perforación en el océano (en la salida o durante los trabajos de perforación) son casi nulos en el caso de Direct Pipe. En lo que respecta a los emisarios submarinos, el vertido de fluidos de perforación en la salida se redujo en un 90-97 % en comparación con HDD.

Emisarios/Inmisarios submarinos

Cada tubería que pasa por el agua tarde o temprano recalará. No obstante, en los últimos años el número de emisarios submarinos se ha incrementado debido a la creciente necesidad de suministro energético de la población. Cada vez son más las plantas de desalinización de agua y plantas eólicas en el mar que aparecen en todo el mundo. Del mismo modo, también está aumentando la concienciación por la sostenibilidad y el medio ambiente. Las técnicas tradicionales de instalación, como el dragado, zanja o perforación direccional cada vez son menos atractivas por razones bien conocidas. La opinión pública y la presión sobre los propietarios de los proyectos están empujando a las partes interesadas a considerar alternativas de bajo impacto. Direct Pipe añade una variante innovadora a la gama de tecnologías sin zanja disponibles para las aproximaciones a la costa.

Cables de exportación para el parque eólico en alta mar Beatrice, Escocia

La primera aproximación a la costa tuvo lugar en 2017 en Escocia, donde el Parque Eólico en alta mar Beatrice se conectó con la subestación en tierra firme. Con Direct Pipe, incluso con las condiciones meteorológicas del Mar del Norte, pudieron instalarse dos conductos de 48” para cables bajo el litoral de con una longitud de 440 m. El principal motivo por el que se eligió Direct Pipe fue reducir el impacto en la flora y fauna protegida en la zona del litoral, así como los requisitos de los operadores del parque eólico para instalar los cables con el menor recubrimiento posible, de manera que se garantiza una transferencia de calor eficiente al agua del mar.

Tras cada recorrido, la MTBM se recuperaba del lecho marino en una sola pieza. Con la ayuda de un módulo de recuperación y desconexión por control remoto, esta se separó de la tubería. La MTBM se selló correctamente para protegerla de filtraciones de agua, mientras que la tubería se inundó de forma controlada.

Figura 2: Recuperación de MTBM en la costa escocesa.

Gasoducto Sur de Texas-Tuxpan

El gasoducto Sur de Texas-Tuxpan conecta las costas de Texas (EE UU) y México a través del Golfo de México. Para la instalación de este gasoducto se realizaron tres emisarios: dos con Direct Pipe y una con hinca de tubería. La primera recalada de Direct Pipe se finalizó a finales de 2017 en Brownsville, Texas. La tubería de 42” y 1.500 metros de longitud estableció un récord de distancia hasta esa fecha. En Tamiahua, México, tras otros 700 metros, otra MTBM llegó a su posición final en julio de 2018, concluyendo el segundo emisario del proyecto.

Récord de longitud en Nueva Zelanda

En 2018 se logró un nuevo récord de longitud, con 1.930 metros cerca de Auckland, Nueva Zelanda. La Planta de Tratamiento de Aguas Residuales Army Bay necesitó la instalación de una tubería de sustitución de 48” en la península sobre la que se sitúa. No obstante, el récord actual de distancia de Direct Pipe se ha fijado en 2020 en un emisario de 48” para la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales Warkworth & Snells Algies. La mayor parte de los 2021 metros de distancia se sitúa sobre la tierra, con únicamente un cuarto situado bajo el Pacífico Sur. Lo más remarcable es que únicamente se utilizó un Pipe Thruster. Las condiciones del suelo oscilaban entre arcilla, lutita y arenisca, y solo necesitaron un cambio de las herramientas de corte.

Figura 3: TBM Direct Pipe en el pozo de arranque, lista para recorrer dos kilómetros en Nueva Zelanda.

Figura 4: Mínima exposición marina, recuperación MTBM en tierra.

Cruces de ríos

De forma tradicional, Direct Pipe se utilizaba para cruzar ríos y otros obstáculos de forma segura. En 2015 se realizaron dos cruces relevantes de 48” en Texas, EE UU. El más corto también fue el primero en superar la barrera de los 1.000 metros en Estados Unidos, incluyendo una alineación tridimensional; esta cifra fue superada solo unas semanas más tarde por una segunda instalación de 1.230 m.

Cruce seguro por debajo de diques

Algo que merece la pena destacar es que ambos cruces pasaban por debajo de una serie de diques supervisados por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de EE UU (USACE). La baja presión del orificio de perforación obtenida gracias a Direct Pipe había llamado la atención de las autoridades, quienes solicitaron la supervisión completa del proceso. La finalización con éxito de los cruces y el resultado de la supervisión de la perforación satisfizo las expectativas de todos. Un par de años más tarde, la Junta Nacional de Energía de Canadá (NEB) también reconoció las ventajas de Direct Pipe en un complicado cruce de 48” en Alberta.

Figura 5: Comparación de presión en el orificio de perforación de Direct Pipe vs. HDD.

En Serbia, el interconector del gasoducto de 48” que une Bulgaria y Hungría tenía que cruzar el río Danubio en una distancia de 1.409 m. Debido a las características del terreno, arena altamente permeable, cieno y gravilla, se consideró que HDD era demasiado arriesgado y se planeó utilizar un hincado de tubería. El ajustado plazo provocó que Direct Pipe fuera finalmente la elegida para esta tarea, gracias a su método de instalación eficiente en un solo paso.

Figura 6: Obra de Direct Pipe en la ribera del río Danubio, fijando un récord de distancia en Europa.

Direct Pipe de diámetro pequeño

En Polonia, el primer sistema de diámetro pequeño de Direct Pipe en utilizar una tecnología de bomba de inyección, recientemente ha logrado cruzar dos ríos. Una AVNS600 ha completado dos secciones de 28” para el Interconector de Gas Polonia-Lituania. El primer cruce de 340 metros se completó gracias a la instalación de una única tubería prefabricada, si bien el segundo cruce de 884 metros se dividió en dos tramos de tubería. Las condiciones anticipadas del suelo en ambos cruces presentaban arena, cieno, arcilla, algo de turba y guijarros. No obstante, las condiciones del suelo del primer cruce encontradas fueron muy diferentes y cambiaron poco después del lanzamiento a una grava pesada y algunas rocas durante el resto del recorrido.

Figura 7: Instalación de Direct Pipe de 28” para el cruce de un río en Polonia.

En cualquier caso, este prototipo demostró lo que hasta entonces se había considerado imposible: la instalación de diámetro pequeño con una microtuneladora de lodos AVN es posible incluso en largas distancias. Tradicionalmente, los diámetros pequeños estaban limitados por las bombas centrifugas, demasiado anchas para encajar dentro de la tubería. El nuevo concepto de bomba de inyección de tamaño inferior, gama AVNS, puede instalarse dentro de diámetros de hasta solo 20”. Las distancias hasta 1.500 metros (dependiendo de las condiciones y profundidad del suelo) son posibles con una sola bomba de descarga. Para Direct Pipe, esto abre la gama disponible para instalar diámetros de tuberías de 24 a 60”.

Figura 8: Direct Pipe MTBM de diámetro pequeño (AVNS600).

Direct Pipe en roca dura

Junto con la serie AVNS de diámetro pequeño, Herrenknecht también ha desarrollado una serie AVNS de roca dura para el microtunelado tradicional y lo ha incorporado en el concepto de AVNS para Direct Pipe, siendo compatible con condiciones de hasta 150-200 Mpa. Esta nueva serie de roca AVNS define una línea de MTBM especialmente diseñada con características como rodamientos principales más fuertes que permiten una mejor penetración, rendimiento y RPM. Los discos de corte están equipados con TCI Tricone Bits o discos de corte con dientes laminados. El alto grado de resistencia al desgaste permite cubrir mayores distancias con un diámetro pequeño nunca antes visto. Ya han demostrado su capacidad para trabajar en condiciones donde las principales formaciones subterráneas son grava o rocas.

Perspectiva

El nuevo concepto AVNS junto con la bomba de inyección y la serie AVNS para rocas supone un hito para el microtúnel y Direct Pipe, superando los límites y haciendo posibles recorridos más largos con menores diámetros. Se prevé que los futuros avances en tecnología de guiado por parte VMT (Grupo Herrenknecht), hagan que estos sistemas sean aún más fiables, sencillos y versátiles.

Si bien Direct Pipe ya ha ocupado su lugar en los cruces en tierra y emisarios submarinos gracias a sus ventajas sobre las tecnologías sin zanjas, sus grandes beneficios a nivel de sostenibilidad e impacto medioambiental cada vez están tomando mayor relevancia. Se espera que, en el futuro, el consumo de combustible, la huella CO₂ y otros aspectos sean elementos clave de la toma de decisiones.