Ice Piggin. Técnica Sin Zanja para limpieza de tuberías a presión

(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 48)

Ponencia en No-Dig Madrid 2014

Matthew Stephenson; Business Development Director at Aqualogy

Ice Pigging es un nuevo método de limpieza de conducciones que utiliza hielo líquido para eliminar biofilm y sedimentos del interior de tuberías a presión. Puede ser utilizado en redes de abastecimiento para eliminar dicho biofilm de manera eficaz así como para reducir los procesos de turbidez, y en redes de saneamiento para eliminar depósitos acumulados mejorando así la eficiencia, entre otros, de bombeos.

La introducción del Ice Pigging en la industria supone un cambio significativo en la manera en las que las tuberías se pueden limpiar, operar o preparar para su uso.

Los beneficios del uso del hielo son numerosos. Se inserta en las tuberías a través de los accesos existentes como hidrantes, efectivo como una esponja, rápido – el proceso no corta la red prolongadamente, solo unas horas – y no conlleva ningún riesgo. En el caso  poco probable de algún imprevisto solo hay que esperar a que el hielo se derrita.

1.Introducción

Aunque las directrices en materia de agua para abastecimiento son muy exigentes en los países desarrollados, como Australia, muchos sistemas de distribución son objeto de las quejas por parte de los consumidores, muchas de ellas relacionados con la turbidez. Este hecho sucede  cuando los sedimentos acumulados son perturbados y entran en suspensión llegando finalmente al consumidor.  Aunque la mayoría de las compañías afirman que este fenómeno no representa ninguna amenaza para la salud, el agua presenta un aspecto poco apetecible y muchos organismos reguladores de la calidad del agua están comenzando a adoptar medidas sancionadoras contra los proveedores de agua que permiten que se produzcan estas incidencias. Las compañías de agua han desarrollado una serie de medidas para reducir los problemas de sedimentación; primero se trata de evitar que las partículas entren en la red de abastecimiento; segundo evitar que las partículas en suspensión se depositen y por último eliminar los sedimentos presentes en la red. La tecnología Ice Pigging se centra en este último punto.

Actualmente hay tres métodos de limpieza disponibles, todos ellos con limitaciones. El método Flushing requiere grandes volúmenes de agua y solo está disponible en conducciones de diámetro inferior a 150 mm. Este método se centra en conseguir las condiciones hidráulicas iniciales retirando del interior de la tubería las partículas que causan los sedimentos pero normalmente no se consigue eliminar del todo los depósitos de sedimentos. De hecho, este método para conseguir los resultados adecuados, necesita una gran cantidad de tiempo en la que muchísima agua es desperdiciada, lo que puede llevar a una percepción pública negativa, especialmente en zonas donde el agua es un bien escaso.

Air scour implica el aislamiento de un tramo dado de tubería. Se inyecta aire a alta velocidad a través de ella para acelerar el proceso  de suspensión. Está considerado como un método más eficaz que el Flushing, ya que crea una mayor perturbación en el tubo y levanta un mayor volumen de sedimentos. Air scour es un método agresivo que se ha vuelto poco popular en ciertos países en los últimos años debido a la preocupación que surge al incrementarse las tensiones adicionales en la red durante este proceso. En algunas compañías de agua este método ha sido prohibido debido a estos esfuerzos y a las dificultades que presenta la inyección de aire en la red. Este método también se limita a tuberías de mediano y pequeño diámetro.

Swabbing consiste en introducir una esponja a través de la tubería con el fin de empujar o limpiar cualquier material  suelto. Swabbing, si bien no está limitado por el diámetro del tubo, presenta inconvenientes al existir riesgo de que la esponja se quede atrapada o perdida dentro de la red. Swabbing es un método costoso debido a la obra necesaria que conlleva introducir y retirar la esponja y al ser el tubo vaciado y llenado un número de veces, utiliza una cantidad de agua considerable. Los trabajos con esta técnica suelen llevar varios días lo que se traduce en una larga interrupción del servicio o la necesidad de realizar derivaciones alternativas que incrementan el coste de la actuación.

Ice pigging proporciona una manera simple y efectiva de limpieza de conducciones logrando un excelente rendimiento de forma rápida, eficiente y respetuosa con el medio ambiente. Debido las propiedades rascadoras del hielo granizado y a su capacidad para adaptarse a la topología de la conducción se forma un “tapón” que proporciona un mayor poder desincrustante en las paredes de la tubería  Esto también significa que el hielo puede ser introducido a través de pequeños puntos de entrada y se expandirá a la topología existente, eliminando así la necesidad de grandes y costosos trabajos auxiliares.

La tecnología Ice Pigging se basa en la comprensión y el aprovechamiento de los beneficios que otorga la compleja y específica ciencia del campo de los semi-sólidos y, en particular, el hielo líquido. La Universidad de Bristol, últimos investigadores de la tecnología y su aplicación, ha pasado varios años investigando los efectos variables sobre la fuerza de desincrustante, la viscosidad, propiedades de transferencia calorífica y la capacidad del hielo para recoger sedimentos cuando la cantidad de hielo y partículas suspendidas son variables.

Los beneficios de este método se basan en aprovechar las propiedades de ambos estados físicos. El hielo es bombeable y se adapta a la topología del medio gracias a sus propiedades líquidas, y sin embargo se comporta como un sólido en la tubería proporcionando una tensión de desincrustación mejorada y, por tanto, un poder de limpieza mayor. Las ventajas potenciales de esta tecnología son considerables, el bloque de hielo no se queda atascado (finalmente se derrite), la reducción del consumo de agua, mucho menos que en otros métodos, y su capacidad de adaptarse a cualquier topología de red con un mínimo costo en la entrada y extracción del hielo.

Un total de más de 450 kilómetros de tuberías se han limpiado mediante Ice Pigging en todo el mundo hasta la fecha. El mayor diámetro sobre el que se ha actuado es de 600 mm, y la longitud más larga limpiada en una sola inyección es de 4500 metros en tan solo cuatro horas en Gales, Reino Unido.

2. ¿Cómo se realiza Ice Pigging?

Ice Pigging es una técnica especializada que requiere una planificación cuidadosa, tanto en el proceso de fabricación de hielo, tanto en el proceso de limpieza una vez el hielo está listo para inyectarse.

2.1.Fabricación de hielo

La utilización de granizado líquido en la técnica Ice Pigging requiere de cálculo correcto y de una planificación meticulosa para garantizar la consistencia y la cantidad de hielo.  La cantidad de hielo a utilizar ha de tener en cuenta el tamaño y longitud de la tubería a limpiar, la cantidad de hielo que es probable que se funda de manera que quede una cantidad de hielo utilizable en el punto de salida de la tubería. El hielo debe recoger y llevar los sedimentos, biofilm y demás elementos dentro de la tubería en todo su recorrido por lo que debe haber suficiente hielo en la salida para garantizar que éstos se han eliminado correctamente.

La cantidad de hielo que pueda fundirse depende de factores tales como la temperatura del agua en la tubería, el material de la misma, y la velocidad a la que el hielo puede empujarse. La temperatura ambiente solo tiene efecto moderado sobre la cantidad de hielo a inyectar aunque sí tiene un efecto considerable en el tiempo a emplear para su fabricación.

En limpiezas de redes de agua potable, el hielo utilizado debe cumplir y hacer frente a los rigurosos requisitos establecidos para el agua de consumo humano. El hielo utilizado puede ser tratado con cloro, para ello, se fabrica con máquinas construidas a partir de materiales de acero inoxidable para usos alimentarios.

2.2.Transporte de hielo e inyección

El hielo es transportado en grandes tanques de acero inoxidable hechos para tal fin. Las cantidades de hielo necesario para cada actuación varían entre 1000 y 25000 litros e incluyen bombas para evitar la separación entre hielo y líquido. El hielo se debe agitar constantemente para asegurar la consistencia adecuada. Estos tanques están aislados y pueden contener el hielo hasta 18 horas antes de ser utilizado.

2.3.Monitorización del proceso

Pasos para una limpieza de éxito mediante Ice Pigging:

1. La tubería principal a limpiar debe ser aislada, de manera que no haya flujo pasando a través de este tramo. Para ello normalmente se cierra la válvula de aguas arribas y aguas abajo.
2. El hielo se introduce a través de un hidrante aguas arriba; el hidrante de aguas abajo se abre para permitir la salida del hielo.
3. Después de inyectar el hielo ambas bocas de incendio se cierran.
4. La válvula aguas arriba se abre por completo y la sección a limpiar es completamente presurizada.
5. La boca aguas abajo se abre paultianmente para introducir el flujo, la columna de hielo comienza a moverse a lo largo de la conducción como resultado de la presión de la red. A medida que pasa el hielo recoge los sedimentos y biofilms presentes.
6. En la boca aguas abajo, una unidad de instrumentación especialmente diseñada, es utilizada para monitorizar los parámetros clave de la operación, comprueba que la velocidad y el avance del hielo se hace correctamente. En el punto en el que el instrumento indica la presencia de hielo, el flujo se desvía a un tanque de residuos para su adecuada eliminación.

2.4.Éxito en la medición

Los parámetros de rendimiento y características del flujo antes y después de la actuación se pueden medir con la unidad de instrumentación diseñada para tal fin.

Estos parámetros se pueden obtener mediante la recopilación de muestras de hielo cuando sale de la tubería. La carga de sedimentos en las muestras se puede medir y así determinar la masa de sedimento eliminado en la operación.

3.Resultados

Una típica operación de limpieza mediante Ice Pigging producirá los siguientes resultados (ejemplo tomado de una actuación realizada en Reino Unido por Northumbrian Water Limited).

Date: 26 Nov 2012

Material de tubería: Fundición dúctil (Epoxy)

Longitud tubería: 1908 m

Diámetro: 300 mm

3.1.Duración y cronología

La cantidad de interrupciones con la técnica Ice Pigging es considerablemente menor que en el resto de métodos. El ejemplo descrito es muestra de los tiempos empleados cuando la operación es planificada y realizada por un equipo experimentado. Es habitual que la tubería a limpiar esté fuera de Servicio durante menos de cuatro horas, un tiempo estándar de aviso al cliente en muchos países.

3.2.Resultados cuatificables

Durante la operación la medición de la serie de parámetros se obtienen tanto por la unidad de instrumentación como por muestras recogidas manualmente por los operarios que luego son analizadas en laboratorio para la determinación de parámetros.

Analizando las muestras de sedimentos, junto con la temperatura del agua y el caudal, podemos crear una imagen y averiguar en qué momento se eliminó la mayor parte del sedimento y cuánto tiempo emplea el hielo en retirarlo. La cuantía total de sedimento se puede estimar  como volumen de sedimento eliminado por kilómetro limpiado de tubería. Esta medida es útil como referencia para comparar con operaciones similares.  La operación media suele eliminar entre 10 y 20 kilogramos de sedimento por kilómetro y puede ser un claro indicador de la cantidad de sedimentos acumulados en partes concretas de la red lo que es una información muy valiosa para las compañías de aguas.

Por último, para la prueba definitiva de la eficacia del proceso, cortes de tubería pueden ser tomados tanto antes como después de la operación. La figura 10 muestra el tubo antes y después de la operación descrita anteriormente.

4.Limpieza redes alcantarillado (Bombeos)

Por su propia naturaleza los bombeos en el saneamiento, tuberías forzadas y conducciones a presión contienen fluidos que circulan en regímenes de máxima presión. Por esta razón Ice Pigging es igualmente aplicable y ofrece los mismos beneficios que en tuberías de abastecimiento. Lógicamente la razón de la limpieza de estas conducciones de saneamiento no se realiza para mejorar la calidad del agua, pero la acumulación de basura y residuos en el interior de estas conducciones puede tener un efecto muy perjudicial en el funcionamiento normal de la tubería y la eficiencia del bombeo con el tiempo.

La experiencia en la limpieza de bombeos de saneamiento mediante hielo no es tan amplia como en la red de agua potable, el principal inconveniente son los riesgos derivados de la toma de muestras y el contacto con las aguas residuales. Sin embargo, el proceso a seguir es de naturaleza similar al de redes de abastecimiento.

Todas las operaciones que se han llevado a cabo por todo el mundo han demostrado una mejora en las condiciones de bombeo después de la limpieza, con aumentos en el caudal de bombeo de aproximadamente el 30%.

Las grasas no parecen ser un problema notable (ver Fig 11), aunque es recomendable profundizar y seguir trabajando en esta área.

5.Conclusiones

Ice Pigging es una nueva técnica de limpieza de tuberías aplicable tanto a redes de abastecimiento o a bombeos de aguas residuales. Puede ayudar a eliminar la acumulación de biofilm y sedimentos en tuberías de abastecimiento que potencialmente pueden llegar al consumidor. En bombeos de aguas residuales se puede utilizar para mejorar la eficiencia del bombeo en torno a un 30%.

Cuando comparamos esta técnica con otras técnicas de limpieza actuales, es a menudo un sistema más rápido, ofrece menores riesgos para la conducción, el consumo de agua se reduce considerablemente y en la mayoría de los casos es más rentable económicamente.

La operación se lleva a cabo utilizando un equipo de fabricación homologado para uso alimentario especialmente diseñado. Toda la actuación es monitorizada por un equipo analizador del que se extraen los resultados. Como valor orientativo podemos concluir que en conducciones de abastecimiento se eliminan normalmente entre 10-20 kilogramos de sedimentos.

El granizado de hielo usado en el proceso es inyectado a través de hidrantes u otros accesorios habituales que se encuentran en las redes por lo que se puede considerar al Ice Pigging como una verdadera técnica de limpieza sin apertura de zanja.

6.Referencias

Quarini, G (2001) “Ice-pigging to reduce and remove fouling and to achieve clean-in-place” , Applied Thermal Engineering 22(2002)