capitulo iii: clasificación de buques gaseros.
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39 CAPITULO III: CLASIFICACIÓN DE BUQUES GASEROS. 5.- Generalidades sobre Buques Tanque. Los buques gaseros conforman un sub-grupo de lo que se denomina Buques Tanque. Según el convenio SOLAS (Safety of Life at Sea) se entenderá por buque tanque, “un buque de carga construido o adaptado para el transporte a granel de cargamentos líquidos de naturaleza inflamable”. Históricamente el transporte de cargas inflamables a granel de forma segura, se remonta hacia el año 1861 cuando un exportador de Filadelfia realiza la primera exportación de crudo a Londres, la carga se encontraba contenida en barriles de madera (roble), esta manera de transporte creo una unidad de medida ampliamente utilizada en la actualidad denominada Barril y equivale a aproximadamente 159 litros. Posteriormente, en el año 1886 en Inglaterra se construye el “Gluckauf”, de aproximadamente 2.297 toneladas, este fue el primer buque diseñado para el transporte de petróleo crudo a granel que contaba con tanques estancos y separados, además fue el primer buque tanque clasificado por una Sociedad de Clasificación (en este caso Bureau Veritas). El aumento en la demanda de los productos derivados del petróleo, específicamente del los combustibles, lubricantes y posteriormente productos de la industria petroquímica; produjo una crecida en el tráfico marítimo, y ya en 1950 propició la evolución en la construcción de naves, en esta década comienzan a aparecer buques con envergaduras superiores a las 100.000 toneladas de porte bruto. Ya en los años ´60, comienza la construcción de los súper tanques con el objetivo de maximizar los beneficios económicos de escala y minimizar los costos de transporte. Otro factor que genero el aumento de los tamaños de las embarcaciones, fue el cierre del Canal de Suez en 1956 y 1967 que obligo a transportar estos productos y otros, a través del Cabo Buena Esperanza (por las costas de África), atravesando los océanos Indico y Atlántico, una distancia muy superior a las comúnmente utilizadas. 5.1.- Buque Tanque Petrolero. De acuerdo al convenio MARPOL (Marine Pollution) en su Anexo 1, Capitulo 1 (Regla 1 - Definiciones), “por petrolero se entiende todo buque construido o adaptado para transportar principalmente hidrocarburos a granel en sus espacios de carga”. 40 De acuerdo a las características de los productos que transportan, lo petroleros se pueden dividir en dos tipos principales: los buques Petroleros propiamente tal o Cruderos (Crude Oil Tankers) y también existen los Livianeros o Product Tankers. Los primeros (Crude Oil Tankers) transportan petróleo crudo desde la terminal marítima del yacimiento (lugar de origen, casi directamente del pozo de extracción) hasta la propia refinería o hasta terminales conectadas directamente a oleoductos. El segundo tipo, Product Tankers, generalmente de porte inferior transportan productos refinados como por ejemplo naftas, kerosenes, gasolinas, entre otros. El transporte de estos productos se puede realizar de manera simultánea, pero obviamente en estanques segregados. Enfatizando las características físicas de los petroleros en general, estos se pueden agrupar según su capacidad de transporte y compatibilidad en relación con las zonas o rutas de navegación: Tabla 1.- Clasificación de buques tanque petroleros Tipo DWT (Deadweight Tonnage) Coastal Tanker (costeros) Hasta 16.500 General Porpouse Tanker 16.500 a 25.000 Handy Size Tanker 25.000 a 30.000 Panamax 55.000 a 80.000 Aframax 75.000 a 120.000 Suezmax 120.000 a 200.000 V.L.C.C. 200.000 a 320.000 U.L.C.C. > 320.000 DWT: Deadweight tonnage o Tonelada de peso muerto (capacidad de carga segura) 5.2. - Otros tipos de buques tanque. En esta clasificación consideraremos los siguientes grupos de buques: Buques Tanque Quimiqueros. Buques de carga combinada. Buques Tanque Gaseros. 41 5.2.1. – Buques Tanque Quimiqueros. Quimiqueros Según el SOLAS (capitulo VII parte B), “buque “buque tanque quimiquero es todo buque de carga construido o adaptado y utilizado para el transporte a granel de cualquiera de los productos líquidos enumerados en el capítulo 17 del Código Internacional de Quimiqueros (CIG)”. Este tipo de buques esta diseñado para transportar una gran variedad de productos petroquímicos, químicos orgánicos, químicos inorgánicos como aceites vegetales y animales, todos ellos de forma simultánea. simultánea. Se caracterizan por poseer una gran cantidad de estanques y un complejo sistema de seguridad debido a la alta peligrosidad de los productos que transportan. La gran cantidad de estanques se debe a que son capaces de transportan una gran variedad de productos ctos los cuales no se deben contaminar entre sí. Otra particularidad de estas embarcaciones, es que sus estanques generalmente son de acero inoxidable, ya que los productos que transportan, muchas veces son incompatibles son las pinturas de protección que generalmente poseen los estanques de algunos buques. Generalmente las sustancias transportadas son del tipo volátiles, tóxicas, venenosas y corrosivas. Actualmente la flota de buques quimiqueros va en aumento, puesto que si se transportan grandes volúmenes es los conceptos de economía y costos de fletes son altamente favorables. En comparación con los grandes petroleros, el tamaño de los actuales quimiqueros rara vez supera las 50.000DWT, pero cuentan con hasta 50 tanques totalmente independientes, se caract caracterizan por el complejo sistema de tuberías, totalmente visible en su cubierta. Fig. 5.1. – Buque tanque quimiquero. 5.2.2. – Buques de carga combinada. combinada De acuerdo a la definición otorgada por el convenio MARPOL, Anexo I –capítulo I; “por buque de carga combinado se entiende todo petrolero proyectado para transportar indistintamente hidrocarburos o cargamentos sólidos a granel”. 42 Estas embarcaciones cuentan con bodegas aptas para el transporte, según su clase, i) mineral de hierro y petróleo crudo; o ii) mineral de hierro, petróleo crudo y carga seca (carbón o cereal). Por tanto se dividen en dos grupos: a.- O.O. (Ore, Oil). Transportan cargas de mineral de hierro en un sentido (con respecto a su ruta de viaje) y petróleo crudo al regreso o viceversa. Los minerales pesados, son transportados en bodegas centrales, mientras que las cargas de hidrocarburos pueden ser transportadas tanto en bodegas centrales o en tanques laterales de carga. Las tuberías de carga normalmente se instalan en los estanques laterales, estos estanques poseen secciones reforzadas principales, mientras que las bodegas se construyen con espacios de doble fondo debajo de ellas. Bodega de mineral Hidrocarburo Hidrocarburo Doble fondo Fig. 5.2.- Esquema de una sección típica de un O.O. b.- O.B.O (Ore, Bulk, Oil). En el año 1965 aparece una versión más moderna que la de los O.O., que puede transportar en sus bodegas cargas seca como carbón o cereales (se incluyen las cargas que puede transportar un O.O) esto amplia sus posibilidades logísticas de operación. En promedio estos buques alcanzan los 200.000DWT. Las bodegas de estas naves se disponen de forma tal que se extienden en toda la manga del buque, con tanques alimentadores superiores e inferiores y tanques de doble fondo. En estas bodegas se transportan cargas de hidrocarburos o secas a granel. El hidrocarburo puede ser transportado en los estanques alimentadores superiores. Las líneas de carga y lastre se encuentran típicamente instaladas en un túnel de quilla o en dos túneles de tuberías ubicados a cada lado de la línea de crujía y separados por un estanque de doble fondo. 43 Tanque alimentador superior Agua de lastre o hidrocarburo Bodega de carga de Hidrocarburo o carga Seca a granel Doble fondo Agua de Lastre Fig. 5.3. – Esquema de una sección típica de un O.B.O. 5.2.3. – Buques Tanque Gaseros. De acuerdo con la definición entregada por el convenio SOLAS, “es todo buque de carga construido o adaptado y utilizado para el transporte a granel de cualquiera de los gases licuados u otros productos enumerados en el capítulo 19 del Código Internacional de Gaseros”. El transporte de gases licuados a granel comenzó cerca del año 1920 con barcos que transportaban butano y propano en barcos presurizados a temperatura ambiente. El continuo desarrollo de las técnicas de refrigeración y más en particular, de los materiales utilizados para la contención de la carga, permitió el transporte de gases licuados a temperaturas inferiores a la ambiental. En 1950 estos gases comenzaron a ser transportados en barcos parcialmente refrigerados equipados con estanques presurizados, construidos con materiales capaces de tolerar las bajas temperaturas sin perder su calidad estructural. A mediados de 1960 entran en funcionamiento los buques full-refrigerados para el transporte de LPG a presión atmosférica; también lo comienza el transporte de LNG y Etileno. Entiéndase por gas natural licuado o GNL (LNG, en inglés Liquefied Natural Gas) como un gas que ha sido enfriado hasta su punto de condensación, lo que en el caso del metano (principal constituyente del gas natural) es de aproximadamente -161 ºC a presión atmosférica. De esta manera se logra reducir su volumen hasta 600 veces, facilitando el almacenaje en grandes cantidades y su transporte mediante barcos. La temperatura a la cual los gases se condensan esta directamente relacionada con la presión a la que se encuentran sometidos. Por ello la combinación entre presurización y enfriamiento es fundamental para la contención de la carga. 44 Generalmente los buques para el transporte de GNL y LPG poseen capacidades de carga superiores a los 100.000 m3 a presión casi atmosférica. Los buques presurizados pequeños varían por sobre los 5.000 m3 de capacidad, generalmente se utilizan para el transporte de propano, butano y gases químicos. Con respecto a los buques semi-refrigerados, estos van desde tamaños de 1.000m3 hasta 20.000 m3 de capacidad y pueden transportar carga totalmente refrigerada o en estado semi-refrigerado con presiones de transporte normalmente de cinco a nueve atmósferas. Para esquematizar de mejor forma el transporte de cargas en buques gaseros, véase la siguiente tabla. Tabla 2.- Condiciones de transporte para algunos gases. Carga Punto de ebullición en ºC a presión atmosférica -0,5 -12 -5 -14 -33 -43 -48 -89 Presión de vapor a 45ºC en bar absolutos Condiciones de transporte 4,3 bar a Full presurizado, semi5,2 bar a presurizado o full 5,1 bar a refrigerado 6,8 bar a 17,8 bar a 15,5 bar a 18,4 bar a Sobre la temperatura Semi-presurizado o Full crítica refrigerado -104 Sobre la temperatura Semi-presurizado o Full Etileno Crítica refrigerado -161 Sobre la temperatura Full refrigerado Metano/GNL Crítica Fuente:” ICS Tanker Safety Guide (Liquefied Gas); Apéndice 2”. n-Butano i-Butano Butadieno Cloruro de Vinilo Amoniaco Propano Propileno Etano Particularmente el comercio del gas natural, cuenta con lo que se denomina “cadena integrada del GNL”, esta cadena se compone de al menos tres eslabones: Licuación del Gas. Transporte en buques. Regasificación e introducción a la red de transporte del país importador. En la primera etapa, licuación, el gas llega directamente de la zona de extracción generalmente mediante gasoductos. En esta etapa de la cadena integrada el gas es transformado en líquido alcanzando temperaturas de -161ºC. Generalmente el rendimiento en este proceso de licuación es del 90%; el 10% restante es utilizado generalmente como fuente de energía en la misma planta de licuado. 45 Con respecto al segundo punto de la cadena integrada del LNG, el ciclo del transporte marítimo de LNG, se encuentra representado por la fig. 5.6, en ella se ilustran las diferentes etapas que atraviesa el gas natural para llegara los consumidores; esta cadena se inicia en el campo de extracción de gas natural, luego el gas es ingresado a las instalaciones de licuefacción con el objeto de transformar el gas en líquido y así facilitar su almacenaje y posterior transporte. Una vez que el viaje por mar del LNG ha terminado es necesario almacenarlo y regasificarlo (vaporizadores) de esta manera se completa la cadena integrada del LNG. La última etapa de esta cadena, la regasificación, se realiza una vez que los barcos metaneros han descargado el GNL en las terminales de destino. Generalmente se le da al gas la presión necesaria para que ingrese a las redes de gasoductos. La regasificación presenta el mayor rendimiento en esta etapa de la cadena y alcanza niveles cercanos al 98% de rendimiento. Fig. 5.4.- Esquema de la cadena integrada del Gas Natural. La gran mayoría de de los gases que se transportan en buques tanque, tienen una densidad menor que la del agua, por ello la capacidad de los buques guarda una relación directa con el volumen de sus estanques. La cuota de los buques metaneros se expresa generalmente como el volumen total en metros cúbicos de sus estanques. Uno de los problemas que presentan este tipo de naves, es que debido a la baja gravedad específica de la carga, tienen un calado reducido en comparación con otras embarcaciones de similares características, hay que agregar el efecto de superficie libre producido por la carga contenida en los estanques; estos efectos requieren una especial atención debido a que afectan directamente la estabilidad del buque. Las cargas que se transportan en mayor cantidad son el Metano/GNL, GLP (butano, propano o mezclas) y amoniaco. Otras cargas que también son altamente transportadas son el Butadieno, Etileno, Propileno y Cloruro de Vinilo. Las temperaturas críticas del Metano/GNL y Etileno son menores que la temperatura normal o ambiental. Como ya se definió en los capítulos anteriores, si un gas supera su temperatura crítica, no existe ninguna condición de presión capaz de transformar dicho gas en líquido. Por ello el gas natural debe ser refrigerado para su posterior transporte. 46 Los buques gaseros se pueden clasificar de acuerdo a dos parámetros: 1.- De acuerdo con la carga transportada, los buques tanques gaseros se pueden clasificar en: Buques para el transporte de gases licuados de petróleo, LPG. Buques para el transporte de gases licuados de etano, LEG. Buques para el transporte de gases licuados naturales, LNG. Buques para el transporte de Cloro. Buques para el transporte de LEG/LPG/Químicos. 2.- Los buques gaseros también se pueden clasificar de acuerdo con el método que se utiliza para contener el gas licuado, los buques gaseros se pueden clasificar en: Totalmente Presurizados. Semi-presurizados /refrigerados. Totalmente refrigerados. Totalmente aislados. 3.- En la clasificación entregada por la OMI, se identifican cinco tipos diferentes tanques de contención de carga: Tanques independientes. Tanques de membrana. Tanques de semi-membrana. Tanques integrales. Tanques con aislamiento interno. En este capitulo se realizara la clasificación de los buques gaseros entregada por la OMI. Los estanques de tipo independiente y de membrana se consideran como los más importantes, y la mayoría de los buques que transportan LNG utilizan este sistema de contención. 47 6. – Sistemas de contención de carga. Según OMI los gases licuados se definen como: “líquidos que tienen una presión de vapor que excede de 2.8 bar absoluto a una temperatura de 37.8 ºC”. Los buques que transportan gases licuados, se pueden clasificar de acuerdo al sistema de contención de carga que utilizan, entre ellos tenemos: Tanques independientes. Tanques de membrana. Tanques de semi-membrana. Tanques integrales. Tanques con aislamiento interno. 6.1. – Tanques Independientes. Estos tanques se caracterizan por ser completamente independientes, ya que no forman parte del casco y no aportan a su resistencia estructural. Por ello dependen principalmente de la presión de diseño. En esta clasificación existen tres tipos de tanques independientes, tipo A, B y C. 6.1.1. – Tanques tipo A. Este tipo de tanques se caracteriza por transportar cargas en condición “Totalmente Refrigeradas o Fully Refrigerated” a presión atmosférica (normalmente bajo los 0,25 bar). Generalmente, los buques que poseen este sistema de contención tienen capacidades que varían desde los 15.000m3 hasta los 85-100.000m3. Domo Lastre Barrera secundaria Barrera Principal Aislamiento Mamparo Espacio de bodega (Void Space) Asiento inferior del tanque Fig. 6.1. – Tanque independiente Tipo A, para transporte de LPG/Amoniaco refrigerado. Fuente: ICS Tanker Safety Guide (liquefied gas), Apendix 2. 48 Este tipo de tanques están diseñados para el transporte de LPG, amoniaco y en algunos casos productos químicos como el butadieno, propileno y cloruro de vinilo. En los estanques del tipo A los esfuerzos que se producen no pueden ser determinados con la misma precisión que los tanques de presión, por ello se requiere de un sistema secundario de contención en caso de que exista algún tipo de fuga que pueda dañar la estructura del casco. Este sistema se conoce como “barrera secundaria” y es típico de los tanques tipo A. El espacio existente entre el tanque y la barrera secundaria se conoce como “Espacio de Bodega o Void Space”; cuando las cargas transportadas son inflamables, estos espacios deben ser llenados con gas inerte con el propósito de evitar la creación de una atmósfera inflamable en caso de fugas. Con respecto al Domo (parte superior conectada con la cubierta), este debe quedar flotando libremente en la apertura hacia cubierta. Esto se debe a que el tanque en sí es auto soportable y se ve afectado a expansiones producidas por la carga. Como se ha mencionado anteriormente, uno de los problemas que presentan los buques gaseros es el efecto de superficie libre el cual perturba directamente a la estabilidad de la embarcación. Con el objeto de reducir este efecto los estanques se dividen en 2 partes iguales separados mediante un mamparo longitudinal central (tal como se muestra en la fig. 6.1). Este mamparo posee una válvula de comunicación ubicada en su parte inferior y es posible accionarla directamente desde la cubierta. 6.1.2. – Tanques Tipo B. Un tanque tipo B posee sólo una barrera secundaria parcial, la cual consiste generalmente de una bandeja de goteo y una barrera de salpicadura, esto se debe a que el diseño de este sistema de contención esta sujeto a un análisis de esfuerzo más preciso que el sistema tipo A, este análisis incluye fatiga y propagación de grietas en los tanques (producida por los esfuerzos de la carga). Domo protector de acero Barrera primaria de acero al 9% en níquel Aislante de Poliuretano Tanque de Carga Espacio de bodega o Void space Bandeja de goteo (drip pan) Apoyo reforzado Lastre Fig. 6.2. – Tanque esférico auto soportable tipo B. Fuente: ICS Tanker Safety Guide (liquefied gas), apendix 2. 49 Los tanques esféricos se caracterizan porque no forman parte de la estructura del casco (auto soportable), y se construyen generalmente de aleaciones de aluminio o acero-níquel al 9% con aislación externa, tal como se muestra en la fig. 6.2. Los buques que utilizan este diseño de tanques transportan cargas “totalmente refrigeradas”, en especial LNG. El void space, en este tipo de tanques, se llena normalmente de gas inerte seco; en caso de que algún sistema de vapor detecte alguna fuga en estos espacios es posible ventilar, previa inertización de los espacios de bodega. Visualmente estos tanques se identifican por su domo protector de acero ubicado en la parte superior del nivel de cubierta, estos domos tienen como objetivo principal proteger la barrera principal del tanque y para ello se le aplica un aislante a la parte exterior del domo. 6.1.3. – Tanques Tipo C. Este tipo de estanques esta diseñado para el transporte de cargas “semi-presurizadas” y a veces totalmente refrigeradas; cuando la carga sea totalmente refrigerada los estanques deben ser construidos con aceros adecuados para soportar las bajas temperaturas de la carga. Para la mayor parte de la gran variedad de barcos de este tipo el término mas apropiado es “semi-presurizado/full refrigerado”, debido a que gran parte de las embarcaciones que cuentan con este tipo de estanques poseen plantas de refrigeración capaces de mantener las cargas totalmente refrigeradas, sin embargo sus estanques han sido diseñados para contener las cargas bajo efectos de presión. Void Space Aislante Cilindros Horizontales Lastre Fig. 6.3. – Tanque tipo C semi-presurizado/full refrigerado. Fuente: ICS Tanker Safety Guide (liquefied gas), apendix 2. 50 Específicamente, el estanque de la fig. 6.3, es diseñado para soportar temperaturas entre los -10ºC hasta -33ºC. Los buques “semi-presurizados” (que utilizan generalmente este diseño de tanques) de última generación están siendo diseñados para soportar cargas hasta los -48ºC permitiendo el transporte de LPG, amoniaco y gases químicos como el butadieno, cloruro de vinilo y propileno. Generalmente los barcos que poseen este sistema de contención son relativamente más grandes que aquellos que utilizan sistemas totalmente presurizados, y sus capacidades varían desde 15.000m3 hasta 30.000m3. Habitualmente el número de tanques en estas naves fluctúa entre 2 para los más pequeños hasta 6 tanques para las naves de mayor envergadura, además no requieren de barreras secundarias para fugas de carga y los espacios de bodega o void space son normalmente ventilados con aire seco. Void Space Cilindros Horizontales Cilindros Horizontales Lastre Aislante Fig. 6.4. – Tanque tipo C Totalmente Presurizado. Fuente: ICS Tanker Safety Guide (liquefied gas), apendix 2. La fig. 6.4, representa una tanque típico de un buque “totalmente presurizado”. Este tipo de naves son diseñadas para soportar cargas por sobre los 17 bar de presión y sus capacidades se encuentran por sobre los 3.000m3. Estos estanques se caracterizan por ser cilíndricos o esféricos y no requieren de una barrera secundaria de contención de fugas. El doble fondo en este caso se utiliza preferentemente para lastre o contención de fuel oil. El Void Space o Espacios de bodega no requieren inertizado. En síntesis los tanques independientes tipo C, son diseñados para transportar “cargas semipresurizadas/refrigeradas y totalmente presurizadas”. 51 6.2. – Tanques de Membrana. A diferencia de los tanques anteriores, los de membrana forman parte de la estructura del casco de la nave, ya que la parte inferior de este (casco) soporta los estanques de carga. Por ello estos sistemas de contención deben contar con barreras secundarias capaces de aguantar posibles fugas. Estos estanques consisten de una delicada pared estanca, denominada membrana, se separan de la estructura del buque por una capa de aislamiento. Las membranas se diseñan de tal manera que son capaces de absorber las dilataciones y contracciones térmicas; simultáneamente, la membrana constituye una barrera primaria que se complementa con otra secundaria, capaz de retener al LNG en caso de fugas o accidentes. Actualmente existen dos tipos de sistemas de membrana en el mercado, ambos dependen de la empresa fabricante que los diseña. 6.2.1.- Tanques de membrana “Gaz Transport”. Los sistemas de Gaz Transport poseen dos barreras de contención idénticas de aproximadamente 0.5mm cada una. Estas barreras se construyen de acero Invar (30% níquel), el Invar se selecciona para las membranas debido a su muy bajo coeficiente de expansión térmica. Este sistema se utiliza para el transporte de cargas “totalmente refrigeradas”, especialmente LNG. Barrera secundaria Estructura protectora Aislamiento primario Barrera primaria Lastre Fig. 6.5. – Tanque de membrana tipo Gaz Transport. Fuente: ICS Tanker Safety Guide (liquefied gas), apendix 2. Aislamiento secundario 52 Como se muestra en la fig. 6.5, entre cada barrera existe un aislante, en el caso de las membranas Gaz Transport se utiliza relleno de perlita de aproximadamente 200mm de espesor. Los diseños más recientes de tanques de membrana gaz transport, utilizan membranas Invar de 0,7mm de espesor y cajas de triplay reforzado con el objetivo de retener el aislante de perlita. La perlita es siliconizada para hacerla impermeable al agua y humedad. 6.2.2. – Tanques de membrana “Technigaz”. El sistema de membrana Technigaz posee una barrera principal de acero inoxidable de 1,2mm de espesor con corrugaciones elevadas (wafles) que permiten la expansión y la contracción de los tanques de carga. En este sistema la carga se transporta “totalmente refrigerada”. El aislamiento en las membranas Technigaz, esta constituido de paneles de madera de balsa laminada que se encuentran entre dos capas de triplay, la primera de ellas conforma la barrera secundaria del tanque de carga en la cual los paneles de madera laminada se encuentran interconectados a través de juntas especialmente diseñadas, soportadas sobre el casco interior de la embarcación por medio de plantillas de madera. En la segunda capa de triplay el aislante de madera se reemplaza por una espuma celular y una tela de fibra de vidrio- laminado de aluminio. Estructura protectora Tanque de Carga Membrana Principal (barrera primaria) Aislamiento (barrera secundaria) Lastre Fig. 6.6. – Tanque de membrana Technigaz. Fuente: ICS Tanker Safety Guide (liquefied gas), apendix 2. En general, algunas de las principales características que poseen los buques metaneros con sistema de membrana, es que debido al efecto de sloshing los tanques de carga deben estar siempre cargados en cantidades menores al 10% de su capacidad máxima o bien en cantidades mayores al 90% de la misma. Además cuando se utilizan tanques de membrana se reduce la 53 superficie velica al viento en comparación con los tanques esféricos tipo B otorgando un mayor grado de estabilidad a la nave. Debido a su estructura resulta complicado encontrar posibles fugas en los tanques, lo que complica el mantenimiento. Este buques presentan menor Gross tonnage (GT) que otros tipos de embarcaciones, hecho que minimiza los costes portuarios, lo que abarata los valores de la cadena integrada del gas natural. 6.3. – Tanques de Semi-membrana. Comercialmente, los tanques de semi-membrana no han sido desarrollados de manera eficiente para el transporte de LNG, sin embrago este diseño de tanques a logrado utilizarse para el transporte de LPG, con sistemas “totalmente refrigerados” diseñados por compañías japonesas. Técnicamente un tanque de semi-membrana deriva de los sistemas de membrana, descritos con anterioridad. La barrera principal en este sistema es mucho más gruesa y con ambos lados planos (sin corrugas) y grandes ángulos radiales. Este sistema transmite los esfuerzos, de presión producidos por la carga, hacia el casco interior. Por ello los ángulos y orillas del tanque se diseñan de tal manera que puedan amoldarse a la expansión y contracción. 6.4. – Tanques Integrales. La OMI establece que las cargas que se transportan en este tipo de tanques no debe tener una temperatura menor -10ºC, por lo tanto estos sistemas de contención se han orientado hacia el transporte de Butano (punto de ebullición a -0,5ºC). Según OMI: “Los tanques integrales forman una parte estructural del casco del barco y están influenciados en la misma manera, y por las mismas cargas, que someten a esfuerzo la estructura del casco”. La oferta de este diseño de tanques no ha tenido un gran auge debido sus limitaciones estructurales y de transporte, aunque se han fabricado algunos tanques de origen japonés dedicados específicamente para el transporte de LPG. 54 6.5. – Tanques de Aislamiento Interno. Al igual que los tanques integrales, los de aislamiento interno no entrega resultados satisfactorios en cuanto al servicio que entregan. Estos estanques se diseñan para la contención de cargas “totalmente refrigeradas” en especial LPG. Los sistemas de aislación, en estos tanques, se encuentran fijados a las planchas del casco del buque. Este sistema se caracteriza por ser “No Auto-estable”, lo que hace obvia la necesidad de un tanque independiente y permite transportar cargas totalmente refrigeradas a temperaturas menores de -10ºC. 55 7. – Tipos de Buques Gaseros. Los tipos de buques gaseros se pueden agrupar en cuatro diferentes categorías, de acuerdo con el tipo de carga y de las condiciones de transporte; tal como se muestra a continuación: Totalmente Presurizados. Semi-presurizados /refrigerados. Totalmente refrigerados. Naves para el transporte de LNG. 7.1. – Totalmente presurizados/Fully pressurised ships. Las naves totalmente presurizadas son las más simples de todas, transportan sus cargas a temperatura ambiente y de manera general en tanques de carga independientes tipo C, con una presión de diseño por sobre los 18 bar. Los barcos totalmente presurizados no necesitan aislamiento térmico, y una planta de relicuado se considera totalmente innecesaria; además el producto puede ser descargado utilizando bombas o compresores. Debido a su diseño de alta presión estos tanques se caracterizan por ser extremadamente pesados. Los barcos totalmente presurizados son relativamente pequeños y sus capacidades de carga se encuentran entre los 4.000 a 6.000 m3 y se utilizan primordialmente, para el transporte de Amoniaco y LPG. Ya que este sistema se relaciona directamente con los tanques independientes tipo C, véase la fig. 6.4. 7.2. – Semi-presurizados/semi-pressurised ships. Los buques semi-presurizados son similares a los totalmente presurizados y ambos ocupan tanques independientes tipo C, como sistema de contención. Las naves semi-presurizadas están diseñadas, generalmente, para una presión de trabajo máxima de 5 a 7 barg. En comparación con los buques totalmente presurizados, las presiones de diseño son inferiores, esto provoca que los barcos además de poseer un sistema de contención, deban ser capaces de controlar el Boil-off proveniente de los estanques de carga. Esto se realiza instalando una planta de relicuado y además añadiendo aislantes en los sistemas de carga. Estos buques varían en capacidad desde 3.000 a 20.000m3, y sus tanques se construyen en aceros para bajas temperaturas de trabajo, ya sea aleaciones o aluminio. Generalmente transportan LPG y algunos gases químicos, para una mayor comprensión véase la fig. 6.3. 56 7.3. – Totalmente refrigerados/Fully refrigerated ships. Los buques totalmente refrigerados transportan sus cargas a presiones casi atmosféricas y son diseñados para transportar grandes cantidades de LPG y Amoniaco. Cuatro diferentes sistemas de carga son utilizados en este tipo de barcos: Tanques independientes con casco simple y con doble fondo. Tanques independientes con doble casco. Tanques integrales. Tanques de semi-membrana. El diseño más utilizado es el primero, tanques independientes con casco simple y con doble fondo, en el tanques es del tipo A con una presión de trabajo máxima de 0.7bar; además soportan temperaturas de aproximadamente -48ºC. Las naves totalmente refrigeradas poseen capacidades que van desde los 20.000 a 100.000m3. Un barco totalmente refrigerado posee cerca de 6 estanques de carga. Estos tanques se construyen con una serie de refuerzos transversales en su interior, además se le agrega un mamparo central para reducir los efectos producidos por las superficies libres. Véase fig. 6.1. 7.4. – Buques que transportan LNG. Los buques que transportan LNG son un tipo especializado de naves gasera, y se diseñan para transportan grandes volúmenes de LNG a presión atmosférica y en levemente por sobre su punto de ebullición (-162ºC). Habitualmente las capacidades de estas naves se encuentran entre los 125.000 a 135.000 m3, y se construyen para rutas específicas; sus periodos de vida oscilan de 20 a 25 años. La construcción, en la industria del transporte de LNG, a sido liderada por los siguientes diseños de tanques de contención: Membrana Gaz-Transport (véase fig. 6.5) Membrana tipo Technigaz (véase fig. 6.6) Independientes tipo B – Kvaerner Moss Spherical (véase fig. 6.2) Tanques IHI SPB- Prismaticos. 57 Mamparo Transversal Mamparo Longitudinal Fig. 7.1. – Tanque de carga tipo IHI SPB – Prismático. El sistema de construcción es estos tanques es tradicional, con refuerzos en el interior los cuales quedan integrados con la estructura del buque. Además Además no presentan limitaciones por sloshing y las complicaciones en el viaje en lastre son mínimas. Actualmente este diseño de tanques se ha utilizado en buques de pequeño y mediano tamaño (capacidades entre 48.000/87.000m3). 58 8. – Materiales de construcción. Los parámetros que rigen la selección de los materiales de construcción de los tanques de contención, esta determinada por la temperatura mínima de servicio y la compatibilidad de las cargas que se transportan. Comúnmente, en el transporte de LNG, se utilizan aceros especiales capaces de soportar las bajas temperaturas (temperatura de transporte del LNG -163ºC en condiciones atmosféricas) sin perder sus propiedades mecánicas. Entre ellos se encuentran: Aceros inoxidables austeníticos. Aceros aleados (níquel 36% y 9%). Manganeso-Aluminio (aleación). 8.1. – Aceros Un acero se conoce como una aleación ferrosa, la cual se compone de hierro y carbono principalmente. Las aleaciones que contienen menos de un 2% de carbono se clasifican como aceros, en tanto que las que tienen más de 2% de carbono se conocen como hierros colados o de fundición. Los aceros se clasifican, en términos generales, de acuerdo a su contenido de carbono y en el contenido de materiales aleantes. Según su contenido de carbono, los aceros se clasifican como de bajo carbono, de carbono medio y de alto carbono. Desde otro punto de vista, según el contenido de aleantes, se tienen: a. Aceros al carbono simples, que se obtienen cuando no se agregan elementos aleantes, salvo manganeso, que puede agregarse hasta en un 1,65%, silicio hasta 0,60% y cobre hasta 0,60%. El silicio y el cobre de la composición no se agregan de manera intencional, sino que son consecuencia del reciclado de la chatarra. b. Aceros de baja aleación, obtenidos cuando se agregan otros elementos de aleación, como manganeso en proporción de más de un 1,65%, níquel, cromo y molibdeno. c. Aceros de alta aleación, se denominan de esta manera cuando su contenido total de aleantes es superior al 5%. 59 8.2. – Aceros de alta aleación. La introducción de aleaciones de acero, en la construcción de tanques para el transporte de gases licuados (específicamente LNG), se realiza con el objetivo de mantener las propiedades mecánicas del material, ya que los elementos que se agregan a la estructura del acero le otorgan ciertas particularidades físicas y químicas, haciendo que los aceros aleados se comporten de manera más favorable cuando se someten a condiciones extremas como por ejemplo temperaturas entre -55ºC a -163ºC. A estas temperaturas los aceros tradicionales se tornan quebradizos poniendo en riesgo la estanqueidad de estas estructuras (estanques de contención). Por este motivo se utilizan aceros inoxidables aleados con níquel e Invar. a. Aceros Inoxidables Austeníticos: Los aceros inoxidables se caracterizan por poseer aproximadamente un 10,5% de Cr como mínimo. En la mayoría de los aceros inoxidables, el contenido mínimo de cromo es de alrededor de 30%, y el contenido mínimo de hierro es del 50%. Normalmente, el carbono esta presente en proporción de 0,03% hasta un máximo de 1,2% en ciertas calidades. La característica de inoxidabilidad obedece a la formación de una película superficial de óxido rica en cromo y muy adherente. Esto imparte pasividad al acero y, cuando la película se rompe, se regenera de inmediato en presencia de oxígeno. Otros elementos que se agregan para mejorar las características específicas son níquel, molibdeno, cobre, titanio, aluminio, silicio, niobio, nitrógeno, azufre y selenio. En este grupo de aceros (aceros inoxidables) existe una subdivisión denominada “Aceros Inoxidables Austeníticos”, estos constituyen la clase más grande, en términos de tanto números de aleaciones como de utilización. Los aceros inoxidables austeníticos contienen, en general, de 16% a 26% de cromo, hasta 35% de níquel y hasta 20% de manganeso. Las propiedades básicas de esta aleación son, excelente resistencia a la corrosión, excelente factor de limpieza e higiene, fáciles de transformar, excelente soldabilidad, no se endurecen por tratamiento térmico, se pueden utilizar tanta a temperaturas criogénicas como a elevadas temperaturas. Sus principales aplicaciones son, industria alimentaria, tuberías y estanques de contención. b. Acero-Níquel al 9% y 36% (Invar): El níquel fue uno de los primeros metales que se utilizó como elemento de aleación para la fabricación de aceros especiales. El níquel es un elemento de extraordinaria importancia en la fabricación de aceros inoxidables y resistentes a temperaturas extremas. 60 La aleación de hierro-níquel con menos de 0,10% de carbono y 36% de níquel tiene una dilatación térmica muy baja, casi nula entre los 0ºC hasta 100ºC, y recibe el nombre de INVAR. Un acero con 9% de níquel, al igual que el anterior presenta buenas características de resistencia a la fragilidad y deformación. Esta virtud lo convierte en un óptimo material de construcción para estructuras de almacenamiento de carga a bajas temperaturas. Debido a sus excelentes propiedades térmicas y mecánicas (esta aleación posee unas buena ductibilidad y no presenta fragilidad) a temperaturas extremas, las aleaciones con níquel se emplean para la construcción de tanques en la industria del transporte de LNG. 8.3. – Aluminio. El aluminio es un metal que presenta excelentes propiedades mecánicas y se clasifica dentro del grupo de metales no férreos. Se caracteriza por su baja densidad (2700 kg/m3) en comparación con el hierro (componente del acero, con densidad de 7874 kg/m3), posee una buena resistencia mecánica al igual que sus aleaciones. Los elementos aleantes principales de el aluminio son, cobre (Cu), silicio (Si), magnesio (Mg), zinc (Zn) y manganeso (Mn). Cuando se somete un metal a bajas temperaturas, su resistencia dependerá de la estructura de su red cristalina. El aluminio posee la misma estructura que el cobre, el níquel y los aceros austeníticos, por este hecho las aleaciones de aluminio no presentan problemas a bajas temperaturas. Generalmente se utilizan aleaciones de Magnesio y Aluminio, en la construcción de tanques de carga de gases licuados, debido a su soldabilidad y excelente resistencia a la corrosión. En la mayoría de los diseños se utiliza la aleación con 4,5% de magnesio y 0,8% de manganeso. Con respecto a la construcción de los tanques de contención, cuando se realizan los trabajos de soldadura se deben tomar precauciones especiales para impedir la absorción de nitrógeno y oxígeno; ya que el aluminio tiene una gran afinidad con estos dos elementos; para ello las soldaduras deben realizarse en una atmósfera controlada o protegida. 61 Tabla 2. – Materiales de construcción de tanques de carga de buques que transportan LNG. Tipo de Tanque para Transporte de LNG Aceros Inoxidables Austeníticos Aleación AluminioMagnesio 9% de Níquel 36% de Níquel (Invar) 4,5% Magnesio y 0,8 de Manganeso X - Gaz Transport - X - Technigaz X - - Tanques independientes: -Tipo B ( Moss-Rosenberg, esférico) X - Tipo Membrana: Fuente:” ICS Tanker Safety Guide (Liquefied Gas); Apéndice 2”. 8.4. – Materiales de Aislación. Cuando se transportan cargas totalmente refrigeradas, como el LNG, generalmente se realiza a presión atmosférica, por tanto la carga debe encontrarse totalmente aislada de las condiciones ambientales. Cualquier variación en la temperatura produciría que los gases licuados se evaporen, por ello es necesario el uso de materiales aislantes para mantener la carga en condiciones ideales. Desde otro punto de vista, el aislamiento se utiliza como barrera térmica para proteger la estructura del casco de las bajas temperaturas a las que se encuentran los gases licuados (-163ºC para el LNG). Todo material de aislamiento debe encontrarse protegido para prevenir deterioro o daños mecánicos, con el objetivo de preservar la integridad de la estructura del buque, al mismo tiempo, un aislante debe poseer las propiedades térmicas correspondientes y así prevenir que se generen demasiados gases de ebullición (boil-off) en los tanques de contención. Con respecto a las barreras de los aislantes, estas deben ser totalmente impermeables para prevenir la corrosión, por ello estas barreras deben ser inspeccionadas periódicamente. Adicionalmente, cuando se realicen trabajos de mantención en los espacios de bodega o en las barreras aislantes se debe tener extra precaución con la humedad, ya que si esta fuese absorbida por los aislantes reduciría su efectividad. Por último el material de aislamiento no debe ser inflamable, se debe encontrar protegido contra el fuego o chispas que se puedan generar en trabajos de mantenimiento, el material aislante puede llegar a ser tóxico, por lo tanto se deben tomar todas las medidas de precaución 62 cuando se realicen trabajos en esta zona, por ejemplo, una adecuada ventilación de los espacios mientras duren los trabajos de mantención. Tabla 3. – Materiales aislantes usados en los diferentes sistemas de contención. Material Forma o Uso Conductividad Balsa Para sistemas de contención de LNG 0,05 Lana Mineral Láminas o rollos 0,03 Perlita Uso general 0,04 Poliestireno Uso general 0,036 Poliuretano Rociado o espumado y pre-formado 0,02-0,03 Fig. 8.1. – Arreglo general de un Buque Gasero, para el transporte de LNG en tanques tipo membrana. 63 A B C Fig. 8.3. – (A).-Buque Buque Gasero Tipo Membrana, (B).- Diseño Tanque de membrana, (C).-- Interior de tanque de contención de membrana. Fig. 8.2. - Arreglo general de un Buque Gasero, para el transporte de LNG con tanques independientes esféricos tipo B. 64 A B Fig. 8.4. - (A).- Buque Gasero con tanques Esféricos Independientes Tipo B, (B).-Tanque Tanque de contención (exterior) desde el void space o espacio de bodega.
