Liquid Hazmat Release Rate Calculation in Pipelines

LACPS 2013
__________________________________________________________________________
Liquid Hazmat Release Rate Calculation in Pipelines through
Mountain Areas
Carlos Manjarrés
Jaime Cadena, M.Sc.
Felipe Muñoz, Ph.D.
Chemical Engineering Department
Universidad de los Andes
Carrera 1 Este 19A-40, Bogotá, Colombia
ca.manjarres10@uniandes.edu.co
je.cadena21@uniandes.edu.co
fmunoz@uniandes.edu.co
Prepared for Presentation at
American Institute of Chemical Engineers
5th Latin American Conference on Process Safety
Cartagena de Indias, Colombia
August 12-14, 2013
UNPUBLISHED
AIChE shall not be responsible for statements or opinions contained
in papers or printed in its publications

LACPS 2013
__________________________________________________________________________
Note: Do not add page numbers. Do not refer to page numbers when referencing different portions of the
paper
Liquid Hazmat Release Rate Calculation in Pipelines through
Mountain Areas
Carlos Manjarrés
Jaime Cadena, M.Sc.
Universidad de los Andes
Carrera 1 Este 19A-40, Bogotá, Colombia
Keywords: Process safety; Pipeline leak; Risk assessment.
Abstract
Hazardous materials (HazMat) transportation through pipelines has been implemented through
the past few decades in order to ensure the feed from production sites to refineries and then to the
final consumer. Although some process safety definitions and scopes do not take transport
activities as a process, HazMat transportation through pipelines imply changes in its conditions
at each node of the system. This is even more critical for regions with varying climate and
topographic conditions (including mountain chains and elevated hydric sources) as in Colombia
and several countries of Latin America. In this region several incidents have been registered with
undesired consequences on civil population, environment and the organizations involved in the
operation. This along with the pronounced growth of the Oil & Gas industry in the region imply
that the design and operation of such pipeline systems should be developed taking into account
the risks they generate on their surroundings. This work presents a tool that supports the decision
making processes during the design, operation and revision of oil transportation pipelines. The
tool calculates the available volumes for liberation –given a failure in the pipeline- and presents
the liberation rate profiles for each node of the system. These results can feed effect (e.g. pool
fires, flash fires, explosions) and consequence models which aid the risk analysis and evaluation
processes.
1. Introduction
The risk administration of HazMat transportation pipelines is one of the most important
operations in the oil sector, especially for countries such as the USA [1] that have an
approximate 41% of all of the existing pipelines systems. The size of these systems and the risks
they generate on civil population, the environment and the continuity of the operation itself have
led to implement risk evaluation strategies (e.g. 49 CFR 192 and 195), which have been adopted
by several countries in the world and taken as recommended practices by the pipelines operators.
However, this does not reduce risk to cero and accidents continue happening. Latin America is

LACPS 2013
__________________________________________________________________________
no strager to this reality and several events have occurred such as San Martín Texmelucan
(México, 2007) and Dosquebradas (Colombia, 2011) [2]. The occurrence of these and other
events in a region with emerging economy countries with projected high energy rate demands for
the next decade makes it necessary the development of tools that help implementing process
safety on such systems, also seeking an improvement in the safety performance of the region.
For HazMat transportation pipelines it is important to notice that the main risk source is the
failure of the pipeline and the liberation of the HazMat. The amount and manner in which such
HazMat is liberated to the surroundings will define the possible accidental sequences and
therefore the possible consequences on the elements of interest such as civil population or
environmental interests. This is what makes a priority to describe the available HazMat volume
for liberation and estimate the liberation rate profile for each node or segment of the pipeline.
Therefore, several release or liberation models exist, including quantitative approaches in which
parameters such as bi-directional flows (axial and radial), multiple phases and transient effects in
the pipeline [3], one-dimensional models with multiple phases [4], semi-tri-phases models for
offshore pipelines [5] and modeling of the pipeline systems as electrical circuits [6]. Most of
these models are applied to gas, oil or refinates transportation systems [7].
Although the available volume of HazMat for liberation or release and the way it is released
constitute the main two elements to perform the risk sources identification and then the risk
analysis, several studies focus on the safety barriers of pipelines systems which could help
mitigate the risk related to a possible liberation. These barriers are usually check and sectioning
valves. Some of these works present the optimal location of a fixed number of valves from an
environmental impact point of view [8]. Other works have tried establishing the optimum
number of cut valves taking into account the minimization of an objective function that includes
capital costs and accidental costs (i.e. remediation) [9].
This work presents a computational tool that focuses on the characterization of the available
volume of HazMat for liberation or release and the liberation rate profile by implementing
models that allow calculating them, especially for mountain conditions. The developed tool takes
as input the altimetry profile, physical properties of the HazMat transported, the pipeline
material, diameter and operating pressure and the characteristics of the mode of failure of
interest. With these inputs two subroutines programmed in Visual Basic over Microsoft Office
Excel®
are run. The first one comprises the calculation of the hydrostatic heads on each node of
the system to determine the available volume of HazMat for liberation for all of the nodes of the
system. This subroutine is based on the evaluation of each fixed segment and the height change
that it suffers from one end to the other. The second subroutine calculates the Fanning friction
factor and the Reynolds number through an iterative process, which is included later in the
calculation of the maximum liberation rate (at time 0) and the total liberation time. The
calculation of the friction factor has especial importance for high viscosity HazMats such as low
API grade oil. The subroutines output the liberation rate profiles and liberation time of the
available volume for every node of the system. These results constitute a key element of all the
safety analysis (e.g. risk analysis) that should be carried out during the whole life-cycle of the
system, including its design, operation and decommissioning. This document presents the
functioning algorithm of the developed tool, including the implemented models and a case study.

LACPS 2013
__________________________________________________________________________
Finally some conclusions and perspectives related to the tool application and development will
be formulated.
2. Algorithm
The developed tool aims at answering the need for simple tools which allow the operators and
responsible parties of pipeline systems to analyze and evaluate the risks associated to their
operation. Figure 1 present a graphical representation of the inputs, their processing and the
output of the tool that consists on the available HazMat volume for liberation, the maximum
liberation rate (at time 0) and the liberation time of the available volume.
Figure 1. Graphical representation of the tool’s algorithm
Each one of the elements presented in the algorithm is developed in detail in the following
sections, presenting the key elements involved in the calculation and estimation of the variables
of interest.
2.1 Input data
To determine the liberation rate profiles it is needed to completely describe the pipeline, the
HazMat transported and the type of failure of interest. The needed input data is listed and
described as follows:
• Altimetry profile: position in distance of each node and its height over the sea level
• Internal diameter profile: position in distance of each node and its internal diameter
• Check valves location: position in distance of each check valve placed on the pipeline

LACPS 2013
__________________________________________________________________________
• Sectioning valves location: position in distance of each sectioning valve placed on the
pipeline
• Density of the HazMat transported (kg/m3
• Dynamic viscosity of the HazMat transported (cP)
)
• Location of the failure of interest (node or position in distance)
• Failure area in relation to the sectional area of the pipeline: all the liberation rate and times
calculations are carries out for each node taking into account this area
• Discharge coefficient: the tool presents the option to model large ruptures with discharge
coefficients of 1 or leakages of 0.61
2.2 Dead volume calculation
The dead volume is calculated once the input data have been entered in the tool. It is done by a
subroutine that analyses the complete pipeline profile from the node of interest (failure point) to
the last node (downstream direction) and from the node of interest to the first node (upstream
direction). This code allows evaluating the relative elevations of every pipeline segment and
determines which ones contribute to the dead volume.
The subroutine is executed for all the nodes of the pipeline, it means, it calculates the dead
volume for the entire profile. This code also allows determining the highest elevation point in
relation to every node of the profile, which allows establishing the liquid column height for each
node.
2.3 Release rate calculation
Once the dead volume and the highest elevation have been estimated, the release rate is
calculated considering the friction between the substance, the pipeline and the orifice. By default,
the tool calculates the release rate without taking into account the effect of friction between these
elements
The calculation of the release rates is done by the use of the “flow of liquid through a hole in a
tank” source model [10]. The use of this method assumes that the pipe segments contributing to
the dead volume can be added to configure an equivalent liquid column that lies on the failure
point. For the friction case, it is required to iterate the friction factor (f) in order to calculate the
release rate and time, due to the implicit formulation of this case.
2.4 Release time calculation
The calculation of the release time is performed using the considered source model, for the
friction and non-friction cases [10].
2.5 Relevant considerations
Given that the presented tool constitutes an important element for safety analysis without the
need to use complex models such as Computational Dynamic Fluids (CFD), some assumptions

LACPS 2013
__________________________________________________________________________
are made which need to be clear in order to use the tool in a responsible and intended manner.
These assumptions and considerations are as follows:
• Once the failure takes place, and just after the pumps shut-off, the operating pressure is
reduced to cero (0) psi, being the liquid column height the only driving force of the release
rate.
• The tool is restricted to onshore pipelines.
• The model is restricted to liquid-phase substances. No phase change is considered.
• Isothermal flow. No heat transfer calculation is performed.
• No transient flow effects are considered (e.g. water hammer).
• 1-D axial flow.
3. Case Study
The case study corresponds to a gasoline transport pipeline, located within an urban, populated
zone, with a total length of 10 km, and 6” NPS. Table 1 summarizes the parameters used in the
simulation.
Table 1. Values used in the program.
Pipeline Gasolin
e
transpor
t
- Lengt
h, km
10
- Diam
eter, in
6.065
- Shut-
off valves
Yes, (2)
- Chec
k valves
Yes, (1)
- Mater
ial of construction
Carbon
steel
- Opera
ting pressure, psi
80
- Pump
ing rate, bpm
8
- Shut-
off time, min
5
Substance Gasolin
e
- Densi
ty, kg/m³
750
- Visco
sity, cP
0.65
Failure
- Leak 0.25

LACPS 2013
__________________________________________________________________________
size, in
- Disch
arge coefficient
0.61
Figure 2 presents the altimetric profile of the pipeline evaluated as case study.
Figure 2. Pipeline profile – Case study.
4. Results and discussion
The results from the presented tool are: the dead volume, release rate and total release time.
The dead volume calculated takes into account the presence of shut-off valves and check valves
installed on the evaluated pipeline. Figure 3 presents the dead volume as a function of the
position of the pipeline failure.

LACPS 2013
__________________________________________________________________________
Figure 3. Dead volume profile.
Calculated release rates are a function solely of the dead volume, it is, the height of the liquid
column above the failure point. Figure 4 presents the release rates as a function of the position of
the pipeline failure.
Figure 4. Release rates as a function of leak position.
Figure 5 presents the release times as a function of the position of the pipeline failure.

LACPS 2013
__________________________________________________________________________
Figure 5. Release times as a function of leak position.
5. Conclusions
The methodology presented in this paper allows the quick estimation of the behavior of the
failures that might take place in a hazardous materials transport pipeline, by the calculation of the
release rates and times.
The decision to account for friction loss, has a great impact on the release rates and times
estimated for a given pipeline failure, for instance, release times without friction is higher up to
51%.
Despite the fact that the tank model used in this work, does not match exactly the physical
configuration of pipelines, it is a first approach for the estimation of the release rates and times
given a specified failure, which is useful to establish the layers of protection potentially required
by a pipeline system.
7. Perspectives
The future development of the here presented tool might consider the incorporation of the
detailed geometry of the pipeline in the source model, as well as the extension of its application
to gas-phase or two-phase releases. Another important phenomenon is the syphon effect,
although difficult to model and quantify, has a great impact on the pipeline release volumes.
This toll has the potential to considerable help the development of safety analysis such as QRA,
providing detailed results with a low computational cost. This, not only will increase the quality
of the safety analysis, but eventually will have a positive impact in Process Safety in Latin
America region, in which pipeline systems usually runs through mountain lands.
8. References

LACPS 2013
__________________________________________________________________________
[1] PHMSA. All Reported Pipeline Incidents [on line]. Available at:
http://primis.phmsa.dot.gov/comm/reports/safety/AllPSI.html?nocache=9439 [cited may
10th
2013].
[2] Corporación Autonoma Regional de Risaralda (CARDER). “Evaluación de Impacto por
Derrame en el Poliducto Puerto Salgar - Cartago, Tramo Vereda Aguazul, municipio de
Dosquebradas”. Version 6, Pereira, Colombia, 29/12/2011. Available from:
http://www.semana.com/documents/Doc-2283_201229.pdf. Retrieved on 13/12/2012.
[1] Adeyemi Oke, Haroun Mahgerefteh, Ioannis Economou, Yuri Rykov, “A transient outflow
model for pipeline puncture”, Chemical Engineering Science, Volume 58, No. 20, 2003.
[2] R.P. Cleaver, P.S. Cumber, A. Halford, “Modelling outflow from a ruptured pipeline
transporting compressed volatile liquids”, Journal of Loss Prevention in the Process
Industries, Volume 16, No. 6, 2003.
[3] Mark Reed, et al, “Numerical model for estimation of pipeline oil spill volumes”,
Environmental Modelling & Software, Volume 21, No. 2, 2006.
[4] Liang Sun, “Mathematical modeling of the flow in a pipeline with a leak”, Mathematics
and Computers in Simulation, Volume 82, No. 11, 2012.
[5] Wojciech J. Kostowski, Janusz Skorek, “Real gas flow simulation in damaged distribution
pipelines”, Energy, Volume 45, No. 1, 2012.
[6] Alexander Grigoriev, Nadejda V. Grigorieva, “The valve location problem: Minimizing
environmental damage of a spill in long oil pipelines”, Computers & Industrial
Engineering, Volume 57, No. 3, 2009.
[7] Héctor Medina, Josep Arnaldos, Joaquim Casal, Sarah Bonvicini, Valerio Cozzani, “Risk-
based optimization of the design of on-shore pipeline shutdown systems”, Journal of Loss
Prevention in the Process Industries, Volume 25, No. 3, 2012.
[8] Daniel A. Crowl, Joseph F. Louvar, “Chemical Process Safety: Fundamentals With
Applications”, 3rd ed., Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, 2011.
[9] Eva Romeo, Carlos Royo, Antonio Monzón, “Improved explicit equations for estimation
of the friction factor in rough and smooth pipes”, Chemical Engineering Journal, Volume
86, No. 3, 2002.

LACPS 2013
__________________________________________________________________________
Cálculo De Tasas De Liberación De Materiales Peligrosos En Fase
Líquida En Tuberías De Transporte En Zonas Montañosas
Carlos Manjarrés
Jaime Cadena, M.Sc.
Universidad de los Andes, Cra 1 Este 19A-40, Bogotá, Colombia
Prepared for Presentation at
American Institute of Chemical Engineers
5th Latin American Conference on Process Safety
Cartagena de Indias, Colombia
August 12-14, 2013
UNPUBLISHED
AIChE shall not be responsible for statements or opinions contained
in papers or printed in its publications

LACPS 2013
__________________________________________________________________________
Note: Do not add page numbers. Do not refer to page numbers when referencing different portions of the
paper
Cálculo De Tasas De Liberación De Materiales Peligrosos En Fase
Líquida En Tuberías De Transporte En Zonas Montañosas
Carlos Manjarrés
Jaime Cadena, M.Sc.
Universidad de los Andes, Cra 1 Este 19A-40, Bogotá, Colombia
Keywords: Process safety; Pipeline leak; Risk assessment.
Abstract
El transporte de hidrocarburos mediante tuberías o ductos ha sido implementado durante varias
décadas para asegurar el suministro desde los sitios de producción hasta las refinerías y
posteriormente hasta el usuario final. Aunque algunas definiciones de seguridad de procesos e
incidente de procesos no contemplan esta actividad como un ‘proceso’, el transporte de dichos
materiales peligrosos (HazMat) implica un cambio en las condiciones del fluido en cada punto
del sistema. Esto es aún más crítico para países con múltiples regiones climáticas y topografía
montañosa o quebrada, como es el caso de Colombia y varios países de Latino América, región
en la cual se han registrado diversos accidentes con consecuencias no deseadas sobre la
población civil, el medio ambiente y las compañías involucradas. Esto junto con el marcado
crecimiento en la industria de petróleo y gas en la región, implica que el diseño y la operación de
sistemas de ductos deben ser desarrollados teniendo en cuenta los riesgos que presentan al
entorno que atraviesan. Este trabajo presenta un primer elemento que soporta la toma de
decisiones en el diseño, operación y revisión de sistemas de transporte por ductos, al calcular los
volúmenes disponibles para liberación en cada punto de una tubería (o nodo) y los perfiles de
liberación dada una falla con un tamaño determinado. Estos resultados se convierten en el
insumo de modelos de efectos (incendios de piscina, incendios jet, UVCE) y consecuencias, con
cuyos resultados se puede alimentar los procesos de análisis y evaluación de riesgos.
1. Introducción
La administración de riesgos en el transporte de materiales peligrosos (HazMat) mediante ductos
o tuberías es una de las operaciones de mayor importancia para el sector petrolero mundial, en
especial para países como Estados Unidos [1] que cuentan con una participación de
aproximadamente el 41% de todas las tuberías a nivel mundial. El tamaño de dicho sistema y los
riesgos que presenta para el público y el ambiente, ha llevado a implantar estructuras de
valoración de riesgo (p.e. 49 CFR 192 y 195), las cuales han sido adoptadas y adaptadas por
diferentes países del mundo y como prácticas recomendadas por los operadores de los ductos.

LACPS 2013
__________________________________________________________________________
Sin embargo, esto no ha significado una operación libre de incidentes, y un número significativo
de estos han ocurrido a nivel mundial en los últimos 30 años. Latino América no ha sido ajena a
esta realidad y varios eventos han tenido lugar como lo son San Martín Texmelucan (México,
2007) y Dosquebradas (Colombia, 2011) [2]. La ocurrencia de estos y otros incidentes en una
región que se considera una economía emergente con altas tasas de demanda energética
proyectadas para la próxima decada, hace necesario el desarrollo de herramientas que permitan
implementar la seguridad de procesos y así mejorar el desempeño de seguridad en la región.
Para el caso de los sistemas de transporte de hidrocarburos por ductos es importante tener claro
que la principal fuente de peligro es el mismo material que se transporta. La forma y la cantidad
en la que dicho material se liberará a los alrededores del ducto definirán las secuencias de
accidentes posibles y por ende las consecuencias sobre los elementos de interés como población
o medio ambiente. Es por esto que describir adecuadamente el inventario disponible para
liberación en cada punto de un ducto y estimar adecuadamente el perfil de liberación dada una
falla, se convierte en prioridad para los análisis de seguridad de estos sistemas. Por esto mismo,
existen diversos modelos para la simulación de las posibles liberaciones, incluyendo
aproximaciones cuantitativas en las que se tienen en cuenta parámetros como flujos bi-
dimensionales (axiales y radiales), cambios de fase y efectos transientes en el ducto [3], modelos
uni-dimensionales que incluyen cambio de fase [4], modelos semi-tri-fásicos aplicados a líneas
submarinas [5] y modelos basado en analogías de ductos con circuitos eléctricos [6]. La mayoría
de estos modelos son aplicados a líneas de transporte de gas, crudo o de productos blancos [7].
Aunque el inventario de material disponible para liberación y la forma en que esta liberación se
llevaría a cabo constituyen los elementos clave para la identificación de las fuentes de riesgo,
otros estudios se concentran en las barreras de seguridad del sistema que mitigarían el riesgo
asociado a las posibles liberaciones. Estas barreras son comúnmente las válvulas de corte y las
válvulas de seccionamiento. Algunos de estos trabajos presentan la determinación de la
ubicación óptima de un número fijo de válvulas en un ducto desde una perspectiva de impacto
ambiental [8]. Otros trabajos han intentado establecer el número óptimo de válvulas de corte en
un ducto, considerando la minimización de una función objetivo que relaciona los costos de
inversión (válvulas) y los costos accidentales (remediación) [9].
Este trabajo presenta una herramienta computacional que se enfoca en la caracterización de las
fuentes de riesgo al implementar modelos que estiman las tasas y tiempos de liberación para
ductos de transporte de materiales peligrosos (e.g. hidrocarburos) en condiciones montañosas. La
herramienta desarrollada toma como datos de entrada la altimetría del ducto, las propiedades
físicas de la sustancia transportada, el material de construcción del ducto, la presión de operación
y las características del punto de falla de interés. Con estos parámetros de entrada, se ejecutan
dos subrutinas programadas en Visual Basic sobre Microsoft Office Excel®. La primera
subrutina consiste en el cálculo de cabezas hidrostáticas para determinar las cargas muertas
(volúmenes estáticos en la tubería), para el punto de interés y para todo el perfil del ducto. Esta
subrutina se basa en la evaluación de segmentos fijos y el cambio de altura relacionado. La
segunda subrutina corrige el factor de fricción de Fanning y del número de Reynolds para cada
nodo del perfil, ya que la fricción puede tener un papel crucial en la liberación de sustancias con
altas viscosidades. Las subrutinas arrojan las tasas de liberación y tiempos de vaciado del ducto
en el punto de interés y para todo el perfil del ducto. Los resultados constituyen una pieza clave

LACPS 2013
__________________________________________________________________________
para los análisis de seguridad que se desarrollen sobre el sistema durante todo el ciclo de vida del
mismo, incluyendo su diseño, operación y desmantelamiento. En este documento se presentará el
algoritmo de funcionamiento de la herramienta incluyendo los modelos implementados y
posteriormente se presentará un caso de estudio. Finalmente se establecerán algunas
conclusiones y perspectivas del desarrollo de la herramienta.
2. Algoritmo
La herramienta computacional busca responder a la necesidad de herramientas simples que
permitan que los operadores y responsables de sistemas de ducto de transporte de hidrocarburos
puedan analizar y evaluar el riesgo asociado a su operación. La Figura 1 presenta gráficamente la
información de entrada a la herramienta y la forma en que esta se procesa para obtener
finalmente el volumen disponible para liberación (volumen muerto) y el caudal y el tiempo en el
que el mismo es liberado.
Figura 1. Representación gráfica del algoritmo de la herramienta
Cada uno de los elementos del algoritmo presenta se desarrollan en detalle a continuación,
presentando los elementos involucrados en los cálculos y estimaciones que permiten obtener los
resultados para las variables de interés.
2.1 Datos de entrada
Para poder determinar las tasas de liberación, primero es necesario caracterizar completamente el
ducto, la sustancia transportada y el tipo de falla a evaluar. La información de entrada necesaria
se lista y describe a continuación comprendiendo las características del ducto, material
transportado y falla:

LACPS 2013
__________________________________________________________________________
• Perfil altimétrico: posición en distancia y altura sobre el nivel del mar para cada nodo del
ducto evaluado
• Perfil de diámetros internos: posición en distancia y diámetro interno para cada nodo del
ducto evaluado
• Ubicación de válvulas cheque: posición en distancia de todas las válvulas de corte en el ducto
• Ubicación de válvulas de seccionamiento: posición en distancia de todas las válvulas de
seccionamiento en el ducto
• Densidad del material transportado (kg/m3
• Viscosidad dinámica del material transportado (cP)
)
• Ubicación de la falla (nodo o posición en distancia)
• Área de la falla en relación al área seccional del ducto: todos los cálculos de caudales y
tiempos de liberación se desarrollarán para cada nodo teniendo en cuenta el área ingresada
• Coeficiente de descarga de la falla: se presenta la opción de modelar rupturas con coeficiente
de descarga con un valor de 1 o fallas menores con coeficientes de descarga con un valor de
0.61.
2.2 Cálculo del volumen muerto
Una vez los datos de entrada se alimentan a la herramienta, el cálculo del volumen muerto se
realiza mediante una subrutina que analiza del perfil del ducto desde el nodo de interés (nodo de
falla) hasta el último nodo (en dirección aguas abajo) y desde el nodo de interés hasta el primer
nodo (en dirección aguas arriba). Esta subrutina permite evaluar las alturas relativas (cotas) de
cada uno de los segmentos del ducto, y determinar los que contribuyen al volumen muerto.
La subrutina se ejecuta para todos los nodos del ducto, es decir, se calcula el volumen muerto
para cada nodo del perfil. Este código permite también determinar la mayor cota relativa a cada
uno de los nodos del perfil, esto para establecer la altura de la cabeza de líquido sobre cada nodo.
2.3 Cálculo de la tasa de liberación
Una vez se han estimado el volumen muerto y la mayor cota para cada nodo del ducto, se
procede a calcular la tasa de liberación teniendo en cuenta la fricción entre el material liberado,
el ducto y el orificio. Por defecto, la herramienta calcula el caudal sin tener en cuenta el efecto de
la fricción entre estos elementos.
El cálculo de las tasas de liberación se hace mediante un modelo de liberación de tanque
presurizado a través de un orificio [10]. El uso de este modelo supone que los segmentos del
ducto que contribuyen al volumen muerto se pueden sumar y conformar una columna de líquido
que reposa sobre la falla. Para el caso en el que el caudal y tiempo de liberación se calculan
teniendo en cuenta el efecto de la fricción es necesario iterar el factor de fricción (f) para calcular
la tasa de liberación debido al uso de la ecuación de Churchill [11].
2.4 Cálculo de tiempos de liberación

LACPS 2013
__________________________________________________________________________
El cálculo de los tiempos de liberación se hace mediante el modelo de liberación considerado,
para los casos sin fricción y con fricción [10].
2.5 Consideraciones importantes
Ya que la herramienta presentada constituye un elemento importante para los análisis de
seguridad sin incurrir en complejos modelamientos haciendo uso de modelos como Dinámica
Computacional de Fluidos (CFD), existen suposiciones que hacen necesario tener en cuenta
algunas consideraciones sobre la misma. Estas consideraciones se presentan a continuación:
• Una vez ocurre la falla y después del apagado de las bombas, la presión de operación en la
línea de transporte se reduce a cero (0) psi, siendo la altura de la columna de líquido la única
variable que afecta las tasas de liberación.
• La herramienta se limita a ductos en tierra (onshore).
• El modelo se limita a líquidos. No se considera cambio de fase durante la liberación.
• Se considera flujo isotérmico. No se calcula la transferencia de calor con los alrededores.
• No se consideran efectos transientes en el ducto (e.g. golpe de ariete).
• Flujo uni-dimensional en dirección axial.
3. Caso de estudio
El caso de estudio corresponde a un ducto de transporte de gasolina, ubicado en zona urbana, con
una longitud de 10 km y un diámetro 6” NPS. La tabla 1 a continuación presenta los parámetros
empleados en la simulación.
Tabla 1. Valores empleados en el programa.
Ducto Transport
e de
gasolina
- Lon
gitud, km
10
- Diá
metro, in
6.065
- Vál
vulas corte
Si, (2)
- Vál
vulas cheque
Si, (1)
- Mat
erial
Acero al
carbón
- Pres
ión de operación, psi
80
- Tas
a de bombeo, bpm
8
- Tie
mpo de corte, min
5
Sustancia Gasolina
- Den 750

LACPS 2013
__________________________________________________________________________
sidad, kg/m³
- Visc
osidad, cP
0.65
Falla
- Tam
año de falla, in
0.25
- Coe
ficiente de descarga
0.61
La figura 2 presenta el perfil del ducto evaluado.
Figura 2. Perfil del ducto.
4. Resultados y discusión
Los resultados de la herramienta constituyen el volumen muerto, la tasa de liberación y el tiempo
total de liberación.
El volumen muerto calculado tiene en cuenta la presencia de válvulas de corte y válvulas cheque
en el sistema de transporte. La figura 3 presenta el volumen muerto calculado en función del
punto de falla de interés.

LACPS 2013
__________________________________________________________________________
Figura 3. Volumen muerto en función de la posición de la falla.
Las tasas de liberación calculadas son función únicamente del volumen muerto, es decir, de la
altura de la columna de líquido por encima del punto de falla. La figura 4 presenta las tasas de
liberación en función del punto de falla de interés.
Figura 4. Tasas de liberación en función de la posición de la falla.
La figura 5 presenta los tiempos de liberación en función del punto de falla de interés.

LACPS 2013
__________________________________________________________________________
Figura 5. Tiempos de liberación en función de la posición de la falla.
5. Conclusiones
La metodología presentada permite estimar de forma rápida el comportamiento de las fallas que
se puedan presentar en un ducto de transporte de materiales peligrosos, mediante el cálculo de las
tasas y tiempos de liberación.
La selección de la incorporación de las pérdidas por fricción, afectan en gran medida las tasas y
tiempos de liberación estimados para una falla dada, encontrando diferencias hasta del 51%.
A pesar que el modelo de tanque, aplicado en este trabajo, no corresponde físicamente a la
realidad de ductos, es una primera aproximación para la estimación de las tasas y tiempos de
liberación dada una determinada falla, lo que a su vez sirve para establecer las capas de
protección potencialmente requeridas en un sistema de transporte.
7. Perspectivas
El desarrollo futuro de la herramienta presentada puede considerar la incorporación de la
geometría detallada del ducto en el modelo de liberación, así como la ampliación de su
aplicación a sustancias en fase gaseosa o liberaciones bifásicas. Otro fenómeno importante es el
efecto sifón, aunque difícil de modelar y cuantificar, tiene un impacto considerable en los
volúmenes de derrames en ductos.
Ésta herramienta tiene el potencial de ayudar considerablemente al desarrollo de análisis de
seguridad como análisis de riesgos cuantitativos (QRA por sus siglas en inglés), proporcionando
resultados detallados con un costo computacional bajo. Esto no solo incrementará la calidad de
los análisis de seguridad, sino que eventualmente podrá contribuir a un impacto positivo en la
seguridad de procesos de la región de Latino América en el que los sistemas de ductos de
transporte suelen atravesar regiones montañosas.

LACPS 2013
__________________________________________________________________________
8. Referencias
[1] PHMSA. All Reported Pipeline Incidents [En línea]. Disponible en:
http://primis.phmsa.dot.gov/comm/reports/safety/AllPSI.html?nocache=9439 [citado en 10
de mayo de 2013].
[2] Corporación Autonoma Regional de Risaralda (CARDER). “Evaluación de Impacto por
Derrame en el Poliducto Puerto Salgar - Cartago, Tramo Vereda Aguazul, municipio de
Dosquebradas”. Version 6, Pereira, Colombia, 29/12/2011. Available from:
http://www.semana.com/documents/Doc-2283_201229.pdf. Retrieved on 13/12/2012.
[1] Adeyemi Oke, Haroun Mahgerefteh, Ioannis Economou, Yuri Rykov, “A transient outflow
model for pipeline puncture”, Chemical Engineering Science, Volume 58, No. 20, 2003.
[2] R.P. Cleaver, P.S. Cumber, A. Halford, “Modelling outflow from a ruptured pipeline
transporting compressed volatile liquids”, Journal of Loss Prevention in the Process
Industries, Volume 16, No. 6, 2003.
[3] Mark Reed, et al, “Numerical model for estimation of pipeline oil spill volumes”,
Environmental Modelling & Software, Volume 21, No. 2, 2006.
[4] Liang Sun, “Mathematical modeling of the flow in a pipeline with a leak”, Mathematics
and Computers in Simulation, Volume 82, No. 11, 2012.
[5] Wojciech J. Kostowski, Janusz Skorek, “Real gas flow simulation in damaged distribution
pipelines”, Energy, Volume 45, No. 1, 2012.
[6] Alexander Grigoriev, Nadejda V. Grigorieva, “The valve location problem: Minimizing
environmental damage of a spill in long oil pipelines”, Computers & Industrial
Engineering, Volume 57, No. 3, 2009.
[7] Héctor Medina, Josep Arnaldos, Joaquim Casal, Sarah Bonvicini, Valerio Cozzani, “Risk-
based optimization of the design of on-shore pipeline shutdown systems”, Journal of Loss
Prevention in the Process Industries, Volume 25, No. 3, 2012.
[8] Daniel A. Crowl, Joseph F. Louvar, “Chemical Process Safety: Fundamentals With
Applications”, 3rd ed., Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, 2011.
[9] Eva Romeo, Carlos Royo, Antonio Monzón, “Improved explicit equations for estimation
of the friction factor in rough and smooth pipes”, Chemical Engineering Journal, Volume
86, No. 3, 2002.

Liquid Hazmat Release Rate Calculation in Pipelines

Recomendados

Recomendados

Más contenido relacionado

La actualidad más candente

La actualidad más candente (10)

Similar a Liquid Hazmat Release Rate Calculation in Pipelines

Similar a Liquid Hazmat Release Rate Calculation in Pipelines (20)

Último

Último (20)

Liquid Hazmat Release Rate Calculation in Pipelines