Tuberías y Fittings de HDPE
Índice General 1.
Introducción
3
2.
Ventajas
4
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9
Resistencia química Servicio a largo plazo Bajo peso Coeficiente de fricción Sistemas de unión Resistencia/flexibilidad Resistencia a la abrasión Estabilidad a la intemperie Estabilidad ante cambios de temperatura
3.
Aplicaciones
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6
Minería Agricultura Sector pesquero Área sanitaria Industria química Industria en general
4.
Especificaciones técnicas materia prima
4.1 4.2
Tabla: Especificaciones técnicas PE 100 Tabla: Especificaciones técnicas PE 80
5.
Dimensiones para tuberías
5.1 5.2
Tubería HDPE PE 100 norma ISO 4427 Tubería HDPE norma DIN 8074
6.
Dimensiones para fittings
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6.1
Codos segmentados para soldadura por termofusión 6.2 Tees segmentadas para soldadura por termofusión 6.3 Reducciones para soldadura por termofusión 6.4 Porta flanges (stub ends) para soldadura por termofusión 6.5 Fittings inyectados para soldadura tipo soquete 6.6 Fittings inyectados para soldadura por electrofusión 6.7 Fittings inyectados 6.8 Flanges 6.9 Uniones especiales 6.9.1 Unión roscada (Plasson o equivalente) 6.9.2 Unión tipo Victaulic ○
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1
7.
Sistemas de unión
7.1 Uniones fijas 7.1.1 Soldadura a tope 7.1.2 Soldadura por electrofusión 7.1.3 Soldadura tipo soquete 7.2 Uniones desmontables 7.2.1 Stub ends y flanges 7.2.1.1Flanges tradicionales 7.2.1.2 IPP DeltaflexTM Flanges tipo Convoluted 7.2.2 Unión roscada (Plasson o equivalente) 7.2.3 Unión tipo Victaulic ○
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10.1 Cálculo hidráulico 10.1.1 Flujo bajo presión 10.1.2 Selección del diámetro interno de la tubería 10.1.3 Pérdidas de carga a) Fórmula de Hazen-Williams b) Fórmula de Colebrook 10.1.4 Pérdida de carga en singularidades 10.1.5 Flujo gravitacional a) Flujo a sección llena b) Flujo a sección parcial 10.1.6 Golpe de ariete 10.2 Curvas de regresión 10.3 Límite de curvatura 10.4 Cálculo de deflexiones
Consideraciones de diseño ○
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Instalación
8.1 8.1.1 8.1.2 8.1.3 8.1.4 8.1.5 8.1.6 8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 8.3 8.3.1 8.3.2 8.3.3 8.4
Instalación subterránea Excavación y preparación del encamado Tendido de la tubería Expansión y contracción térmicas Instalación de fittings Pasada de pared Relleno y compactación Instalación superficial Dilatación y contracción térmicas Soportes guías Soportes anclajes Aplicaciones en conducción de pulpas Instalación bajo agua Unión y montaje Anclajes y pesos Lanzamiento al agua y hundimiento Instalación en tendidos existentes (RELINING) Reparación de líneas dañadas Reparación permanente Reparación mecánica Reparación de fittings Reparación bajo el agua Precauciones de instalación para fittings segmentados ○
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Suministro, transporte y almacenamiento Suministro Transporte Almacenamiento
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Servicios al cliente
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Servicio de termofusión en terreno Asistencia técnica Fabricación de piezas especiales ○
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Tabla de resistencia química
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Materia prima Tuberías ○
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77
Anexo A: Tabla dimensionales Anexo B: Normas de referencia relacionadas con tuberías y fittings de HDPE. Anexo C: Ejemplos de cálculos C1: Cálculo de pérdida de carga utilizando fórmulas de Hazen-Williams y Colebrook C2: Cálculo de pérdida de carga utilizando ábaco de Hazen-Williams C3: Cálculo de pérdida de carga utilizando los ábacos de Manning C4: Cálculo de b para la instalación de válvulas mariposa C5: Cálculo de espaciamiento entre soportes aéreos C6: Teorema de Bernoulli para líquidos perfectos ○
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Anexos
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1. Introducción introducción La industria de materiales plásticos se ha desarrollado por alrededor de 100 años, pero el polietileno (PE) fue descubierto en la década del 30. Los primeros PE eran de baja densidad y se utilizaron principalmente como conductores de cables. Los polietilenos de alta densidad (HDPE), utilizados hoy día en sistemas de tuberías, fueron desarrollados en los años 50. Los sistemas de tuberías de HDPE ofrecen la oportunidad de utilizar ventajosamente las características tan particulares de este material y ocuparlas para resolver antiguos problemas y diseñar sistemas para aplicaciones donde los materiales tradicionales son inadecuados o demasiado costosos. Las tuberías de HDPE ofrecen mayores alternativas de diseño garantizando una larga vida útil, economía en instalación y equipos, minimizando los costos de mantención, cuando las condiciones de operación están dentro de las capacidades de Vista frontal Planta Industrial temperatura y presión del material. Lo Chena, San Bernardo, Santiago. El desarrollo de técnicas especiales de proceso y el mejoramiento de los equipos de producción han permitido obtener cada vez mejores resinas, con las cuales se logran productos terminados únicos para la industria, tanto en calidad como en funcionamiento. Uno de los más recientes desarrollos concierne a un grado de HDPE con propiedades de resistencia significativamente mayores que las del HDPE tradicional. Este nuevo grado, denominado PE 100, es usado particularmente en tuberías para agua a presión, obteniéndose un ahorro en el espesor de pared de las tuberías en aproximadamente 35% comparado con una tubería de HDPE tradicional. En este catálogo se presentan las ventajas y principales aplicaciones de las tuberías y fittings de HDPE, las especificaciones técnicas del material, los sistemas de unión, las consideraciones de diseño e instalación, etc. Se ha dedicado un especial esfuerzo en la preparación de los capítulos de dimensiones de tuberías y fittings, cubriendo una amplia gama de productos que cumplen con las características dimensionales establecidas en normas internacionales. Duratec fabrica tuberías y fittings de HDPE a partir de resinas de excelente calidad suministradas por proveedores certificados bajo normas de la serie ISO 9000 y de acuerdo a las más estrictas normas de fabricación. La finalidad primordial de este catálogo es servir de material de apoyo, presentando información confiable con lo mejor de nuestro conocimiento y experiencia. Con este propósito, pretendemos mantener una exitosa relación con nuestros clientes y ofrecerles el mejor servicio.
3
2. Ventajas Cuando se comparan con materiales tradicionales, los sistemas de tuberías de polietileno de alta densidad (HDPE) ofrecen significativos ahorros en los costos de instalación y equipamiento, mayor libertad de diseño, bajo costo de mantención y una larga vida útil para la mayoría de estos sistemas. Estos beneficios, ventajas y oportunidades de disminución de costos se derivan de las propiedades y características únicas de las tuberías de HDPE.
2.1
Servicio a largo plazo
La vida útil estimada tradicionalmente para las tuberías de HDPE es superior a 50 años para el transporte de agua a temperatura ambiente (20ºC). Para cada aplicación en particular, las condiciones de operación internas y externas pueden alterar la vida útil o cambiar la base de diseño recomendada para alcanzar la misma vida útil. Estas conclusiones son respaldadas por más de veinte años de experiencia real.
2.3
Bajo peso
Las tuberías de HDPE pesan considerablemente menos que la mayoría de las tuberías de materiales tradicionales. Su gravedad específica es 0,950, flotan en agua. Son 70-90% más livianas que el concreto, fierro o acero, haciendo más fácil su manejo e instalación. Importantes ahorros se obtienen en mano de obra y requerimiento de equipos.
4
Coeficiente de fricción
Debido a su gran resistencia química y a la abrasión, las tuberías de HDPE mantienen excelentes propiedades de escurrimiento durante su vida útil. Gracias a sus paredes lisas y a las características de impermeabilidad del PE, es posible obtener una mayor capacidad de flujo y mínimas pérdidas por fricción. Para los cálculos de flujo bajo presión, se utiliza comúnmente un factor «C» de 150 para la fórmula de Hazen-Williams. Cuando el flujo es gravitacional, se utiliza un factor «n» de 0,009 para la fórmula de Manning.
Resistencia química
Para todos los propósitos prácticos, las tuberías de HDPE son químicamente inertes. Existe sólo un número muy reducido de fuertes productos químicos que podrían afectarlas. Los químicos naturales del suelo no pueden atacarlas o causarles degradación de ninguna forma. El HDPE no es conductor eléctrico, por lo cual no son afectadas por la oxidación o corrosión por acción electrolítica. No permiten el crecimiento, ni son afectadas por algas, bacterias u hongos y son resistentes al ataque biológico marino.
2.2
2.4
2.5
Sistemas de unión
Las tuberías de HDPE se pueden unir mediante termofusión por soldadura a tope, por electrofusión o bien por soldadura tipo soquete. El sistema de soldadura a tope es reconocido en la industria como un sistema de unión de gran confiabilidad, es costoefectivo, no requiere coplas, no se producen filtraciones y las uniones son más resistentes que la tubería misma. Las tuberías también pueden unirse por medios mecánicos, tales como stub ends y flanges, coplas de compresión o uniones tipo Victaulic. No se pueden unir mediante solventes o adhesivos.
2.6
Resistencia/flexibilidad
La gran resistencia de las tuberías de HDPE es una importante característica derivada de las propiedades químicas y físicas tanto del material como del método de extrusión. La tubería no es frágil, es flexible, por lo que puede curvarse y absorber cargas de impacto en un amplio rango de temperaturas. Esta resistencia y flexibilidad permiten a la tubería absorber sobrepresiones, vibraciones y tensiones causadas por movimientos del terreno. Pueden deformarse sin daño permanente y sin efectos adversos sobre el servicio a largo plazo. Esto permite que sean instaladas sin problemas en terrenos con obstáculos, ya que pueden colocarse en forma serpenteada, respetando ciertas tolerancias de curvatura (radios mínimos). También se pueden colocar en zanjas estrechas, pues las uniones pueden efectuarse fuera de ella. La resistencia a la ruptura por tensiones ambien-
tales es muy alta, asegurando que no hay ningún efecto en el servicio a largo plazo si se producen rayas superficiales de una profundidad no mayor a 1/10 del espesor durante la instalación. La resistencia extrema de las tuberías de HDPE es una de sus características excepcionales que permite innovar en el diseño de sistemas de tuberías.
2.7
Resistencia a la abrasión
Las tuberías de HDPE tienen un buen comportamiento en la conducción de materiales altamente abrasivos, tales como relaves mineros. Numerosos ensayos han demostrado que las tuberías de HDPE con respecto a las de acero tienen un mejor desempeño en este tipo de servicio en una razón de 4:1. Han sido probadas en la mayoría de las aplicaciones mineras, con excelentes resultados.
cos, es tan grande que no es necesario usar otros estabilizadores de luz o absorbedores UV. Si el negro de humo no es correctamente dispersado, algunas áreas permanecerán desprotegidas contra la exposición ambiental, convirtiéndose en puntos débiles donde el material se degradará más rápidamente. En estas áreas el material se torna frágil y podría ser el punto de partida para una falla. Por lo tanto, es vital lograr una buena dispersión para una protección homogénea, lo cual se asegura cuando el negro de humo es adicionado en equipos apropiados para tal efecto. Ensayos de estabilidad indican que las tuberías de HDPE pueden estar instaladas o almacenadas a la intemperie en la mayoría de los climas por períodos de muchos años sin ningún daño o pérdida de propiedades físicas importantes.
2.9 2.8
Estabilidad a la intemperie
Las tuberías de HDPE están protegidas contra la degradación que causan los rayos UV al ser expuestas a la luz directa del sol, ya que contienen un porcentaje de negro de humo, que además, le otorga el color negro a estas tuberías. El negro de humo es el aditivo más efectivo, capaz de aumentar las características de estabilidad a la intemperie de los materiales plásticos. La protección, que incluso niveles relativamente bajos de negro de humo imparten a los plásti-
Estabilidad ante cambios de temperatura
La exposición de las tuberías de HDPE a cambios normales de temperatura no causa degradación del material. Sin embargo, algunas propiedades físicas y químicas de la tubería podrían cambiar si la temperatura es aumentada o disminuida. Para proteger el material contra la degradación a altas temperaturas que podría ocurrir durante la fabricación, almacenamiento o instalación, se utilizan estabilizadores que protegen el material contra la degradación térmica.
5
3. Aplicaciones Algunas aplicaciones típicas que incluyen el uso de tuberías de HDPE son:
3.1 Minería Las tuberías de HDPE han dado excelentes resultados al utilizarse en distintos procesos de aplicaciones mineras. Gracias a su alta resistencia a la abrasión y corrosión, facilidad de manejo e instalación y buena resistencia mecánica, son ideales para: • Conducción de relaves • Riego de pilas de lixiviación • Conducción de soluciones ácidas y alcalinas • Conducción de concentrados (pipelines) • Sistema de combate contra incendios
3.2 Agricultura Son variados los usos que las tuberías de PE tienen en la agricultura. Mediante el sistema de uniones desmontables resultan de rápido acople y desacople. Además, por su flexibilidad se pueden enrollar permitiendo un fácil transporte (se pueden suministrar en rollos de 50, 100 o más metros). Algunos ejemplos de aplicaciones son: • Riego por goteo (PE lineal) • Riego por aspersión • Transporte de agua
ción al efectuar las uniones fuera de la zanja, sin necesidad de evacuarlas en el momento de instalar la tubería. Algunos ejemplos son: • Redes de agua potable* • Alcantarillado Además, por sus características de flexibilidad, bajo peso, resistencia a aguas salinas, y además por no permitir el crecimiento de algas u hongos propios de la biología marina, son ideales para su utilización en medios subacuáticos en diversas aplicaciones, tales como en emisarios submarinos. • Para la identificación de redes de agua potable, se utiliza el sistema de coextrusión de rayas azules a lo largo de la tubería.
3.5 Industria química En la industria química, las tuberías de HDPE han dado excelentes resultados. Gracias a su alta resistencia a la corrosión, a su resistencia química y a la abrasión, son ideales para: • Conducción de soluciones ácidas y alcalinas • Conducción de productos químicos • Transporte de agua • Sistema de combate contra incendios
3.6 Industria en general 3.3 Sector pesquero En las industrias pesqueras, las tuberías de HDPE se están utilizando cada vez más. Por ser livianas y de fácil manejo, además de resistentes al agua salada y al ataque biológico marino, resultan ideales para este tipo de aplicaciones, entre las cuales están: • Jaulas para el cultivo de salmones • Descargas marítimas • Transporte de agua salada
3.4 Área sanitaria Las tuberías de HDPE presentan claras ventajas sobre otros materiales (acero, cemento comprimido, etc.), especialmente en su utilización en arranques domiciliarios y en zonas de napa freática alta, en las cuales se facilita su instala-
6
Los sistemas de tuberías de HDPE han sido utilizados exitosamente en cientos de aplicaciones, tanto generales como de alta especialización, en todo tipo de industria. Las aplicaciones más frecuentes son las siguientes: • Transporte de aire comprimido y de ventilación • Protección de cables eléctricos y telefónicos • Conducción de líquidos o gases a baja temperatura • Transporte de gas, petróleo y sus derivados • Transporte de aguas residuales corrosivas • Conducción de aguas • Transporte neumático • Sistema de combate contra incendios.
4. Especificaciones técnicas Duratec fabrica tuberías de HDPE a partir de resinas de excelente calidad, suministradas por proveedores certificados bajo normas de la serie ISO 9000. Las tuberías y fittings se fabrican bajo normas nacionales e internacionales que garantizan su
materia prima
calidad. A continuación, en las tablas 4.1 y 4.2 se presenta una descripción general con las especificaciones técnicas correspondientes a los grados de HDPE de uso más común, los grados PE 100 y PE 80.
Tabla 4.1: Especificaciones técnicas PE 100 Propiedad
Método de prueba
Valor típico
Unidad
Densidad (resina base)
ISO 1183
949
Kg/m3
Densidad (compuesto)
ISO 1183
959
Kg/m3
Índice de fluidez (190ºC/5Kg)
ISO 1133
0,45
g/10 min.
Tensión máxima elástica
ISO 6259
25
MPa
Alargamiento a la rotura
ISO 6259
>600
%
Módulo de elasticidad
ISO 527
1400
MPa
Tª de reblandecimiento Vicat (1Kg)
ISO 306
127
ºC
Tª de reblandecimiento Vicat (5Kg)
ISO 306
77
ºC
1)
Estabilidad térmica (OIT , 210ºC)
ISO 10837
>20
min.
ESCR (10% Igepal), F50
ASTM D 1693-A
>10000
h
Contenido de negro de humo
ASTM D 1603
≥2
%
1) OIT: oxidation induction time
Tabla 4.2: Especificaciones técnicas PE 80 Propiedad
Método de prueba
Valor típico
Unidad
Densidad (resina base)
ISO 1183
945
Kg/m3
Densidad (compuesto)
ISO 1183
955
Kg/m3
Índice de fluidez (190ºC/5Kg)
ISO 1133
0,85
g/10 min
Tensión máxima elástica
ISO 6259
21
MPa
Alargamiento a la rotura
ISO 6259
>600
%
Módulo de elasticidad
ISO 527
1000
MPa
Tª de reblandecimiento Vicat (1Kg)
ISO 306
125
ºC
Tª de reblandecimiento Vicat (5Kg)
ISO 306
72
ºC
Estabilidad térmica (OIT1), 210ºC)
ISO 10837
>20
min
ESCR (10% Igepal), F50
ASTM D 1693-A
>10000
h
Contenido de negro de humo
ASTM D 1603
≥2
%
1) OIT: oxidation induction time
Nota: La resina de grado PE 63 está siendo cada vez menos comercializada, por lo cual en este catálogo no se incluyen sus especificaciones técnicas.
8
5. Dimensiones para tuberías De acuerdo a la normativa ISO, la designación del material (por ejemplo, PE 100) se relaciona con el nivel de Resistencia Mínima Requerida, MRS (Minimum Required Strength) que se debe considerar en el diseño de tuberías para la conducción de agua a 20ºC, por un tiempo de servicio de al menos 50 años. La tensión de diseño σs se obtiene al aplicar un coeficiente de diseño «C» sobre el valor MRS del material (C=1,25 para PE, norma ISO 12162).
σS = MRS C
En la siguiente tabla se especifican los valores MRS y sus σs correspondientes.
Todas las tuberías para servicios a presión se diseñan para resistir una presión hidrostática interna específica. Esta es la presión nominal PN, que indica la máxima presión de trabajo a la cual la línea (sistema) completa puede ser sometida en operación continua a una determinada temperatura. Cuando la tubería es sometida a una presión interna, se induce una tensión hidrostática en la pared de la cañería, de acuerdo a la siguiente ecuación: σ=
p (D-e) 2e
(5.1)
Donde: σ = tensión inducida, MPa p = presión interna, MPa D = diámetro externo de la tubería, mm e = espesor de pared mínimo, mm Como para tuberías de la misma clase (presión de trabajo), la relación diámetro/espesor es igual, se está difundiendo la clasificación de las tuberías en función de esta relación. Esta es la relación dimensional estándar (SDR), un número
adimensional que identifica una clase de presión (a menor SDR, mayor presión).
SDR =
D e
Así, la ecuación (5.1) también se puede escribir como: σ=
p (SDR-1) 2
A continuación, en la tabla 5.1.1 se presentan las dimensiones de tuberías fabricadas con HDPE (polietileno de alta densidad) PE 100, de acuerdo a la norma ISO 4427. En la tabla 5.2.1 se muestra las dimensiones de tuberías según la norma DIN 8074, versión 1999, con una tensión de diseño de 50 Kgf/cm2. Las dimensiones de tuberías PE 80 de acuerdo a la norma ISO 4427 y PE80 según la norma DIN 8074 se presentan en el Anexo A del catálogo, en las tablas A.1 y A.2 respectivamente. Consideramos de interés señalar el procedimiento de cálculo para la determinación del espesor de pared de las tuberías a presión. A partir de la ecuación (5.1) se obtiene la fórmula para calcular el espesor de pared. e=
PN D 2σ σs + PN
Donde: PN = presión nominal, MPa D = diámetro externo de la tubería, mm σS = tensión de diseño, MPa (1 MPa = 10 bar ≈ 10 Kgf/cm2 ) Con esta fórmula y con las curvas de regresión (Cap. 10), es posible calcular para una tubería de un determinado diámetro externo el espesor de pared necesario para la vida útil y temperatura de trabajo deseadas. Ejemplo: ¿Cuál es el espesor de pared necesario para una tubería de HDPE PE 100 de diámetro 200 mm, para un tiempo de vida útil de 50 años, operando a 20ºC, a una presión de 16 bar y que conduce agua? Considerando que para los requerimientos de tiempo de vida útil (50 años) y temperatura de servicio de 20ºC, la tensión de diseño para PE 100
9
es σS= 8 MPa = 80 bar (ver tabla anterior), se calcula el espesor de pared de acuerdo a la fórmula anterior: e=
16 • 200 2 • 80 + 16
Si observamos la tabla 5.1.1, vemos, en efecto, que para tuberías de HDPE PE 100, diámetro 200 mm, clase de presión PN 16, el espesor de pared mínimo es de 18,2 mm.
= 18,2 mm
5.1 Tubería HDPE PE 100 norma ISO 4427 Tabla 5.1.1: Dimensiones tubería HDPE-Duratec PE 100 (norma ISO 4427)
1) Diámetro nominal equivalente en pulgadas, como referencia con la norma ASME B36.10. 2) La relación dimensional estándar SDR corresponde al cuociente entre el diámetro externo y el espesor de pared de la tubería. Es adimensional. 3) La presión nominal PN corresponde a la máxima presión de operación admisible de la tubería a 20ºC, en bar. 4) Valores no cubiertos por la norma ISO 4427. En base a nuestra experiencia, recomendamos un espesor mínimo de 2,3 mm para estas medidas. Esta tabla se basa en las normas ISO 4427 e ISO 4065. Los pesos están calculados en base a valores medios de diámetro y espesor, según tolerancias especificadas en la norma ISO 11922-1.
Las cifras coloreadas en azul indican los diámetros (con sus respectivas presiones nominales) que actualmente puede fabricar 10 Duratec.
Tubería suministrada en rollos o tiras.
5.2 Tubería HDPE norma DIN 8074 Tabla 5.2.1: Dimensiones tubería HDPE-Duratec, norma DIN 8074 (tensión de diseño σs = 50 Kgf/cm2)
1) Diámetro nominal equivalente en pulgadas, como referencia con la norma ASME B36.10. 2) La relación dimensional estándar SDR corresponde al cuociente entre el diámetro externo y el espesor de pared de la tubería. Es adimensional. 3) La presión nominal PN corresponde a la máxima presión de operación admisible de la tubería a 20ºC, en bar. Esta tabla se basa en las normas DIN 8074, versión 1999. Los pesos están calculados en base a valores medios de diámetro y espesor, según tolerancias especificadas en la norma DIN 8074.
Las cifras coloreadas en azul indican los diámetros (con sus respectivas presiones nominales) que actualmente puede fabricar Duratec.
Tubería suministrada en rollos o tiras.
11
6. Dimensiones para fittings 6.1
Codos segmentados para soldadura por termofusión
Tabla 6.1.1: Codo 90º ( + 2º) y codo 60º (+ 2º). Codo 90º (+ 2º) 15º
Le
30
º
30º
Z
Le
15º
r
Z d
Codo 60º (+ 2º) Z
Le º
30
º
15
Le
Z
15º
r
La Tabla 6.1.1 se basa en la norma DIN 16963 Parte 1.
12
d
Tabla 6.1.2: Codo 45º (+ 2º) y codo 30º (+ 2º) Codo 45º (+ 2º) Z
22,5 º
11 ,2 5º
Le
Le
Z
11,25º
r
d
30º
Le
Z
Codo 30º (+ 2º)
Le
Z
r
La Tabla 6.1.2 se basa en la norma DIN 16963 Parte 1.
d
13
6.2
Tees segmentadas para soldadura por termofusión
Tabla 6.2.1: Tee 90º (+ 2º) y Tee 60º ó 45º (+ 2º) Tee 90º (+ 2º) d
90 º
Le
Z
d Le
Le Z
Z L
Tee 60º o 45º (+ 2º)
Z1
Le
d
ºó
60 º
45 d Le
Le Z1
Z2
La Tabla 6.2.1 se basa en la norma DIN 16963 Parte 2. Tee 45º se fabrica como pieza especial, dimensiones no cubiertas por norma DIN 16963.
14
L
Tabla 6.2.2: Tee 90º (+2º) con reducción concéntrica/excéntrica Tee 90º (+ 2º) con reducción concéntrica d2 > d1/2
d1
90
Z2
º
d2
Le
Le Z1
Z1 L
Tee 90º (+ 2º) con reducción excéntrica d2 > d1/2 d
º
d1
90
Z3
2
La Tabla 6.2.2 se basa en la norma DIN 16963 Partes 2 y 13.
Le
Le Z1
Z1 L
15
6.3
Reducciones para soldadura por termofusión
Tabla 6.3.1: Reducción concéntrica
Reducción concéntrica d2 > d1/2
Tabla 6.3.2: Reducción excéntrica
L1 L2
Reducción excéntrica d2 > d1/2
Z
L1 L2
Z1
d1
Z2 d2
Z2
d2
d1
Z1
Las Tablas 6.3.1 y 6.3.2 se basan en la norma DIN 16963 Parte 13.
16
Porta flanges (stub ends) para soldadura por termofusión
Tabla 6.4.1: Porta flange corto/largo para empaquetadura plana
h1 h2
d3
d4
d5
r1
d1
6.4
r2
Z1 Stub end corto para empaquetadura plana
d5 d1 d3
d4
r1
r2 h1 h2 Z2
Stub end largo para empaquetadura plana
La Tabla 6.4.1 se basa en la norma DIN 16963 Parte 4. d5 : diámetro interno del stub end. Corresponde al diámetro interno de la tubería a unir. Cuando se instalan válvulas mariposa, normalmente el disco topa internamente con el stub end, por lo cual es necesario biselar el borde interno a fin de permitir el libre giro del disco de la válvula. En el anexo C.4 se muestra un ejemplo y el procedimiento recomendado para este cálculo.
r1 r1 30º
b
30º
30º
h1 h2 Z1
r2
Stub end corto para instalación de válvula mariposa.
d5 d1 d3
d4
d3
d1
d4
d5
b
30º
r2 h1 h2 Z2
Stub end largo para instalación de válvula mariposa.
17
6.5
Fittings inyectados para soldadura tipo soquete
Dimensiones según catálogo George Fischer, PE 80, SDR 11 (PN 12,5)
Tabla 6.5.1: Codo 90º Codo 90º
d1 Z L
d Z L
Tabla 6.5.2: Codo 45º Codo 45º L d1
Z
d
Z L
Tabla 6.5.3: Tee 90º d1
Tee 90º
L
Z L
d Z L
Tabla 6.5.4: Copla Copla
d1 d
Z L
18
Tabla 6.5.5: Tapón Tapón
d1 d
L
Tabla 6.5.6: Stub end H
d1
d
d2
Z L
Tabla 6.5.7: Reducción concéntrica
d
d1
Z L
19
6.6
Fittings inyectados para soldadura por electrofusión
Dimensiones según catálogo George Fischer, PE 100, SDR 11 (PN 16)
Tabla 6.6.1: Codo 90º L L1
d
z L L1
d d1
D= 20 a 63 mm (con abrazadera integrada)
D= 90 a 180 mm
Tabla 6.6.2: Codo 45º L L1
L
Z
L1
Z
d d1
D= 32 a 63 mm (con abrazadera integrada)
Tabla 6.6.3: Arranque de derivación
d1
d
20
D= 90 a 180 mm
d
d1
d1
Z
Tabla 6.6.4: Collar de arranque rotatorio 360º Disponible versión con válvula (rango 63 x 63 a 225 x 63 mm)
z
H1
H
d1
L1
21
d
d1
d
d1
Tabla 6.6.5: Copla
L
L
d= 20 a 63 mm (con abrazadera integrada)
d= 75 a 400 mm
d2
d2
d1 d
d1 d
Tabla 6.6.6: Reducción concéntrica
L2
L2
Z L
L1
d= 25 x 20 mm a 63 x 50 mm (con abrazadera integrada)
22
Z
L1
L
d= 90 x 63 mm a 180 x 125 mm
d1
d
Tabla 6.6.7: Tapón
L
Tabla 6.6.8: Tee 90º L z
L1
L L1
d= 20 a 63 mm (con abrazadera integrada)
H
H
Z1
Z1
d d1
d d1
Z
d= 90 a 180 mm
23
Tabla 6.6.9: Codo 90º PE/Bronce Macho He
R
s
PE 100
SDR 11 d d1
L
Tabla 6.6.10: Copla PE/Bronce Hembra Hi.1
Rp
d d1
s
L
Tabla 6.6.11: Copla PE/Bronce Macho He.
L
24
d1
d
R
s
6.7 Fittings inyectados Dimensiones según catálogo George Fischer, PE 100 norma ISO 4427, SDR 17/17,6 (PN 10). Estos fittings también se encuentran disponibles en SDR 11 (PN 16).
Además se dispone de fittings inyectados en PE 80 norma ISO 4427.
L
z
Tabla 6.7.1: Codo 90º
e d z
Tabla 6.7.2: Codo 45º d e
z
z
L
25
d
e
Tabla 6.7.3: Curva 90º. Disponible sólo en PN16
R
L
Z
Tabla 6.7.4: Tee 90º
L
z
z1
e d
26
Tabla 6.7.5: Tee reducción 90º z1
L
e1
d1
z
L1
e
d
d
Tabla 6.7.6: Tapón
e
L z
e
d
d1 d2
Tabla 6.7.7: Stub end
L
L1 z
27
e
d
e1 d1
Tabla 6.7.8: Reducción concéntrica.
L
L1 z
Tabla 6.7.9: Curva 90º. Disponible sólo para soldadura a tope. e
d
r
z
28
6.8 Flanges Tabla 6.8.1: Flanges volantes y ciegos.
d2 b
d1 k D
29
Tabla 6.8.2: Flange de respaldo Tipo Convoluted IPP DeltaflexTM. Combinación ANSI/DIN con diámetro interno modificado.
Utilización : Sistemas de tuberías termoplásticas de HDPE y PP. Material : Hierro dúctil, ASTM A436-84. Dimensiones : Compatibles con todos los flanges Clase 150, ANSI B16.5, B16.47, B16.1, AWWA C207, 2D, 4E.
d1
b T
Porta Flange r c a
T (1,2 y 3)
b c a
30
d
Tabla 6.8.3: Flange de respaldo Tipo Convoluted IPP DeltaflexTM. DIMENSIONES METRICAS ISO/DIN.
Utilización Material Dimensiones Terminaciones
: Flange de respaldo para ser usado en tuberías métricas, DIN, British Standard. : Fundiciones en hierro dúctil GGG40. : Compatibles con DIN 2501, PN 10 y PN 16. Presiones nominales PN 16; PN 10; PN 6; PN 4. : Antióxido rojo, galvanizado en caliente, pintura epóxica.
31
6.9 Uniones especiales 6.9.1 Unión roscada (Plasson o equivalente).
7220 Adaptador Flange 50 x 1 1/2’’ 50 x 2’’ 63 x 2’’ 75 x 2 1/2’’ 90 x 3’’ 90 x 4’’ 110 x 4’’
7460 Codo 45º 40 x 40 50 x 50 63 x 63 75 x 75 90 x 90 110 x 110
32
7030 Adaptador Hembra Hi 16 x 1/2’’ 16 x 3/4’ 20 x 1/2’ 20 x 3/4’’ 20 x 1’’ 25 x 3/4’’ 25 x 1’’ 32 x 3/4’’ 32 x 1’’ 32 x 1 1/4’’ 40 x 1’’ 40 x 1 1/4’’ 40 x 1 1/2’’ 50 x 1 1/4’’ 50 x 1 1/2’’ 50 x 2’’
63 x 1 1/4’’ 63 x 1 1/2’’ 63 x 2’’ 75 x 2’’ 75 x 2 1/2’’ 90 x 2’’ 90 x 3’’ 90 x 4’’ 110 x 3’’ 110 x 4’’
7150 Codo 90º Hembra Hi 16 20 20 25 25 32 32 32 40 40 40 40
x x x x x x x x x x x x
1/2’’ 1/2’’ 3/4’’ 3/4’’ 1’’ 3/4’’ 1’’ 1 1/4’’ 1’’ 1 1/4’’ 1 1/2’’ 2’’
50 50 50 50 63 63 63 75 75 75
x x x x x x x x x x
1 1 1/4’’ 1 1/2’’ 2’’ 1 1/4’’ 1 1/2’’ 2’’ 2’’ 2 1/2’’ 3’’
7020 Adaptador Macho He 16 16 16 20 20 20 25 25 25 32 32 32 32 40 40 40 40
x x x x x x x x x x x x x x x x x
3/8’’ 1/2’’ 3/4’’ 1/2’’ 3/4’’ 1’’ 1/2’’ 3/4’’ 1’’ 3/4’’ 1’’ 1 1/4’’ 1 1/2 1’’ 1 1/4’’ 1 1/2’’ 2’’
50 50 50 50 63 63 63 63 75 75 75 90 90 90 90 110 110 110
x x x x x x x x x x x x x x x x x x
1’’ 1 1/4’’ 1 1/2’’ 2’’ 1 1/4’’ 1 1/2’’ 2’’ 2 1/2’’ 2’’ 2 1/2’’ 3’’ 2’’ 2 1/2’’ 3’’ 4’’ 2’’ 3’’ 4’’
7850 Codo 90º Macho He 20 20 25 25 25 32 40 40 40 50 50 50
x x x x x x x x x x x x
1/2’’ 3/4’’ 1/2’’ 3/4’’ 1’’ 1’’ 1’’ 1 1/4’’ 1 1/2’’ 1’’ 1 1/4’’ 1 1/2’’
1/4
63 x 1 ’’ 63 x 1 1/2’’ 63 x 2’’ 75 x 2 1/2’’ 75 x 3’’ 90 x 3’’ 110 x 4’’
7050 Codo 90º 16 x 16 20 x 20 25 x 25 32 x 32 40 x 40 50 x 50 63 x 63 75 x 75 90 x 90 110 x 110
7010 Copla 16 x 16 20 x 20 25 x 25 32 x 32 40 x 40 50 x 50 63 x 63 75 x 75 90 x 90 110 x 110
7120 Tapón
7040 Tee 90º
25 32 40 50 63 75 90 110
16 x 16 x 16 20 x 20 x 20 25 x 25 x 25 32 x 32 x 32 40 x 40 x 40 50 x 50 x 50 63 x 63 x 63 75 x 75 x 75 90 x 90 x 90 110 x 110 x 110
7840 Tee 90º Macho He
7340 Tee Reducción 90º
7110 Copla Reducción 20 25 25 32 32 40 40 50 50 50
x x x x x x x x x x
16 16 20 20 25 25 32 25 32 40
63 x 25 63 x 32 63 x 40 63 x 50 75 x 50 75 x 63 90 x 63 90 x 75 110 x 90
7140 Tee 90º Hembra Hi 16 16 20 20 20 25 25 25 25 25 32 32 32 32 32
x 1/2’’ x 3/4’’ x 1/2’’ x 3/4’’ x 3/4’’ x 1/2’’ x 3/4’’ x 3/4’’ x 1’’ x 11/4’’ x 3/4’’ x 1’’ x 1’’ x 11/4’’ x 11/2’’
x 16’’ 40 x 16’’ 40 x 20’’ 40 x 16’’ 40 x 20’’ 50 x 25’’ 50 x 20’’ 63 x 25’’ 63 x 25’’ 63 x 25’’ 75 x 32 75 x 25 75 x 32 90 x 32 110 x 32
x 1’’ x 11/4’’ x 11/2’’ x 2’’ x 11/2’’ x 2’’ x 11/4’’ x 11/2’ x 2’’ x 2’’ x 21/2’’ x 3’’ x 3’’ x 4’’
x 40 x 40 x 40 x 40 x 50 x 50 x 63 x 63 x 63 x 75 x 75 x 75 x 90 x110
20 x 20 x 25 x 25 x 32 x 40 x 40 x 50 x 50 x 63 x 63 x 63 x
Presiones de trabajo: Diámetros de 16 a 63 mm Diámetros de 75 a 110 mm
: PN 16 : PN 10
1/2’’ 3/4’’ 1/2’’ 3/4’’ 1’’ 11/4’’ 11/2’’ 11/4’’ 11/2’’ 11/4’’ 11/2’’ 2’’
x x x x x x x x x x x x
20 20 25 25 32 40 40 50 50 63 63 63
20 25 32 40 50 50 50 63 63 63 75
x x x x x x x x x x x
16 20 25 32 25 32 40 32 40 50 63
x x x x x x x x x x x
20 25 32 40 50 50 50 63 63 63 75
Nota: Los códigos indicados corresponden a productos marca Plasson. Se suministran fittings equivalentes en otras marcas. También se suministran fittings roscados en diámetro 125 mm. Pedidos bajo consulta al Departamento Comercial de Duratec.
33
6.9.2
Unión tipo Victaulic
Tabla 6.9.2.1: Unión Victaulic estilo 995
Nota: Si desea obtener información sobre las empaquetaduras disponibles, rango de temperatura de servicio y especificaciones de materiales, consulte al Departamento Técnico de Duratec.
Ampliado para mayor claridad Y
Z
X
Tamaños de 90 a 315 mm Y
Z
X
Tamaño de 355 mm
34
Y
Z
X
Tamaños de 400 a 500 mm
7. Sistemas
de unión
La elección del sistema de unión depende de las condiciones operacionales (presión, temperatura) en que las tuberías y fittings van a ser utilizados, de las características del fluido que van a conducir y del diámetro requerido. Las tuberías y fittings de HDPE se pueden unir mediante dos sistemas: • Uniones fijas. • Uniones desmontables.
7.1
Uniones fijas
El sistema de uniones fijas se basa en el proceso de termofusión y consiste básicamente en someter los materiales que hay que unir a una determinada temperatura y por un tiempo tal, que los materiales entren en fusión. Luego se unen las superficies fundidas bajo cierta presión, ocasionando la interacción de las masas fundidas que, al enfriar, forman un cuerpo único que mantiene las mismas propiedades y características de los materiales originales. La soldadura por termofusión es la forma más tradicional para unir tuberías. Ofrece facilidad de ejecución, seguridad y bajo costo. Entre los métodos de termofusión más usados, encontramos: 7.1.1 Soldadura a tope (butt fusion). 7.1.2 Soldadura por electrofusión (electrofusion). 7.1.3 Soldadura tipo soquete (socket fusion).
7.1.1
Soldadura a tope
Es el procedimiento más tradicional y utilizado, siendo aplicado más comúnmente en tuberías y fittings de más de 63 mm de diámetro y de la misma Clase o SDR (relación diámetro externo/ espesor). No debe emplearse para unir tuberías o fittings de diferentes espesores. Este sistema es reconocido en la industria como un sistema de unión de gran confiabilidad. No se producen filtraciones y las uniones son más resistentes que la tubería misma. Este método exige un equipo de soldadura constituido básicamente de: • Máquina básica o unidad de fuerza. Capaz de sostener y alinear las dos tuberías a sol-
dar y moverlas longitudinalmente, presionando las superficies de tope de una tubería contra la otra, con una presión o fuerza determinada y registrable. • Disco de soldadura o placa calefactora. Un disco, generalmente de aluminio, con resistencias eléctricas embutidas, controladas a través de un termostato a fin de mantener una temperatura determinada, constante, en las superficies del disco. • Refrentador. Dispositivo rotativo, de accionamiento manual o motorizado, provisto de láminas de corte, con la finalidad de dejar paralelas las superficies de tope de las tuberías que van a ser unidas. • Accesorios. Casquillos de reducción para diversos diámetros de tuberías; dispositivos para sostener conexiones y stub ends. • Carpa. Para protección en caso de temperaturas bajas o condiciones climáticas adversas (lluvia, viento, nieve). También es necesaria su utilización cuando existe polvo en el medio ambiente. • Termómetro. Termómetro digital con una sonda de superficie para chequear regularmente la temperatura de la placa calefactora. Además se recomienda contar con: • Herramienta para sacar virutas internas y externas. • Material de limpieza, género de algodón limpio y sin pelusas o toalla de papel y agente desengrasante. • Cortadores de tuberías de HDPE. • Termómetro para medir la temperatura del aire. • Marcador indeleble para HDPE. • Cronómetro. Antes de comenzar el proceso de soldadura, es recomendable chequear que: • En caso de que existan condiciones climáticas adversas, como lluvia, viento o nieve, o cuando la temperatura cae bajo 5ºC o sube de 45ºC, deben tomarse acciones apropiadas para conseguir una temperatura adecuada, cubriendo la zona de fusión con una carpa u otro elemento protector.
35
• La máquina de termofusión esté completa y sin daños. • La placa calefactora esté limpia y que se hayan removido los residuos de soldaduras anteriores. • El soldador calificado conozca los parámetros correctos para la máquina y la tubería que se está
soldando. • La placa calefactora esté a la temperatura correcta (conectar la placa a la corriente y mantener durante 20 minutos en una caja aislada). • Las tuberías y/o fittings a unir sean del mismo diámetro, SDR y material.
Procedimiento:
1.
Montar la tubería en la máquina y limpiar los extremos con un paño limpio para remover el polvo, agua, grasa o cualquier material extraño.
2.
Introducir el refrentador entre ambos extremos y efectuar el refrentado simultáneo de ambas caras. Este procedimiento se debe realizar aunque los extremos de las tuberías estén lisos. Separar las tuberías y limpiar las cuchillas y los extremos retirando las virutas residuales. No tocar las superficies preparadas.
3.
Verificar que los extremos hayan quedado completamente planos, alineados, paralelos y que se enfrenten en toda la superficie a ser fusionada (la diferencia máxima permitida en la alineación de los diámetros externos de tuberías o fittings por unir es del 10% del espesor de la tubería). Es conveniente chequear que las abrazaderas de la máquina de soldar sujeten firmemente ambos extremos, de manera que no haya posibilidad de deslizamiento durante el proceso de fusión. Limpiar las superficies que van a ser soldadas con un paño limpio y agente desengrasante.
4. 5.
Verificar que el disco calefactor esté limpio y a la temperatura correcta(*) e insertarlo entre las tuberías que se van a soldar. Poner en contacto ambas caras con el disco calefactor aplicando una leve presión (*).
6.
Unir rápidamente las superficies fundidas sin juntarlas de golpe. Aplicar una presión suficiente (*) para formar un doble cordón en el cuerpo de la tubería alrededor de su circunferencia completa. Cada máquina soldadora posee sus propios parámetros de soldadura (temperatura, tiempo, presión de calentamiento, presión de fusión, etc.). Estos parámetros son controlados automáticamente por el microprocesador de la máquina.
7.
Cuando se ha formado un cordón en toda la circunferencia de las tuberías, cuidadosamente se apartan los extremos de las tuberías del disco calefactor y éste se retira. (En caso que el material ablandado se pegue al disco calefactor, no se debe continuar con la unión. Limpiar el disco calefactor, volver a refrentar los extremos y comenzar nuevamente).
Se debe esperar a que la unión se enfríe y solidifique apropiadamente. Transcurrido el tiempo de enfriamiento se retiran las abrazaderas y se inspecciona la apariencia de la unión. Es recomendable que las uniones sean marcadas con las iniciales del soldador calificado y además sean numeradas con un marcador indeleble indicando la fecha y la hora de término del proceso de fusión.
(*) Los valores de temperatura de fusión, presión de contacto y características del cordón de fusión, dependen del espesor de la tubería y del material 36 a unir. Si desea conocer estos valores o necesita mayor información sobre este procedimiento, consulte al Departamento Técnico de Duratec.
7.1.2
Soldadura por electrofusión
En la soldadura por electrofusión se utilizan fittings especiales provistos internamente de una resistencia eléctrica en espiral, cuyas extremidades son conectadas a terminales (plug’s) que se localizan en la parte externa de la pieza. Una fuente de corriente alterna es conectada a los terminales y se aplica una descarga eléctrica de intensidad y tiempo controlados, a través de la resistencia eléctrica, haciendo que, por efecto Joule, la superficie interna de la conexión y la externa de la tubería se fundan. De esta manera las masas interactúan, y con el cesar de la corriente eléctrica se enfrían naturalmente, formando un cuerpo único. Es una soldadura muy eficaz y segura, prácticamente independiente del soldador, pero bastan-
te dependiente de la limpieza de la conexión y la tubería, de la calidad de la conexión y de la fuente de corriente alterna. Adicionalmente, los fittings de electrofusión tienen indicadores de fusión que permiten tener otro indicador de una correcta fusión. La soldadura por electrofusión ha logrado mucha aceptación para tuberías de gas, especialmente en Europa. Hoy día se dispone de sistemas bastante sofisticados, donde las conexiones poseen códigos de barras que son leídos por el equipo de soldadura, autoprogramándose para la intensidad de corriente y tiempo respectivos para una determinada pieza, disminuyendo prácticamente a cero la posibilidad de error en los parámetros de la soldadura.
Procedimiento:
1.
Cortar la tubería a escuadra usando un cortador especial.
4.
Marcar la profundidad de inserción en la tubería.
2.
Limpiar la zona de fusión de la tubería con un paño limpio y seco y raspar la circunferencia completa verificando que se extraiga una cinta continua de PE.
Sacar el fitting de su envoltorio. Si se tocan con las manos las zonas de fusión, éstas se deben limpiar de grasa según se describió en el punto 3.
5.
3.
Con un paño limpio, retirar la grasa de la zona de fusión, usando un agente de limpieza adecuado (isopropanol o etanol).
Deslizar el fitting sobre la tubería hasta la marca o hasta el limitador central y apretar ambos tornillos de la abrazadera integrada, o
6.a
37
6.b
Sostener la tubería con el fitting ensamblado en un alineador con abrazaderas.
Deslizar la segunda tubería ya preparada dentro del fitting, hasta la marca o hasta el limitador central y apretar ambos tornillos de la abrazadera integrada, o
7.a
Sujetar la tubería en el alineador con abrazaderas.
7.b
Una vez completado el ciclo de fusión, se deben chequear los indicadores de fusión. Desconectar los cables del fitting, dejando sujeta la tubería durante el ciclo de enfriamiento recomendado por el proveedor del fitting. No se debe realizar ninguna prueba de presión hasta completar los tiempos mínimos de enfriamiento y de espera recomendados.
Conectar el fitting a la unidad de control. Encender la unidad de control. Conectar los cables de salida de la unidad de control.
8.
Ingresar los datos de fusión por medio de una tarjeta magnética o un código de barras. Revisar la información en la pantalla de la unidad de control. Iniciar la fusión.
9.
Los fittings para electrofusión se suministran con una tarjeta magnética con un código de barras que contiene toda la información relacionada con el producto y el proceso de fusión. La zona de fusión debe ser protegida de las inclemencias del tiempo como lluvia, viento o nieve. La calidad de la fusión depende en gran medida del cuidado que se tenga en la etapa de preparación del proceso. Para realizar la electrofusión se necesita un generador monofásico de corriente alterna de 220V/ 50Hz, con una capacidad mínima de 5KVA. Las unidades de control cuentan con un microprocesador que controla todas las funciones en forma confiable y segura y están provistas de una
Nota: Durante el proceso de fusión, no debe existir cargas o esfuerzos entre la tubería y la zona de fusión.
tarjeta magnética de control. La memoria de registro garantiza que toda la información registrada es almacenada automáticamente en el sistema. Además, cuentan con un sistema de tarjetas personalizadas para identificar al operador y proteger la unidad de control contra malos usos; el número de tarjeta del operador ingresa automáticamente al registro de datos de la unidad de control. Al conectar un lápiz lector de código de barras a la unidad de control, es posible transferir los datos del proceso de fusión desde un código de barras hasta la unidad de control, facilitando aun más el procedimiento.
Nota: Si desea cualquier información adicional sobre el proceso de electrofusión y los equipos utilizados, contáctese con el Departamento Técnico de Duratec.
38
7.1.3
Soldadura tipo soquete
Este procedimiento se utiliza más bien para unir tuberías y conexiones de diámetros pequeños, hasta 125 mm. Su nombre viene de la utilización de conexiones en cuya extremidad la tubería se inserta, ejerciendo una presión de la masa fundida de la conexión contra la masa fundida de la tubería, soldando la superficie interna de la conexión con la externa de la tubería. La soldadura necesita, básicamente, de una placa de soldadura con temperatura controlada, provista de un molde macho antiadherente que calentará la superficie interna de la conexión y un molde hembra antiadherente, que calentará la superficie externa de la tubería. El procedimiento puede ser manual o a través de una pequeña máquina, responsable de mantener el alineamiento de la tubería y de la conexión. Es un proceso rápido y práctico, donde la calidad de la soldadura depende principalmente de la
precisión dimensional de los moldes de calentamiento y de las conexiones, y de respetar los parámetros de soldadura. Un buen procedimiento recomienda la utilización de accesorios como: • Moldes para la calibración de profundidad de penetración. • Cortador especial para un corte perpendicular de las tuberías. • Cold-ring, un tipo de abrazadera empleado en la tubería, cuya función es disminuir la posible ovalización de la misma, limitar la profundidad de penetración de la tubería en la conexión, servir de apoyo para el soldador y comprimir la masa fundida expelida en la soldadura contra la cara de la conexión. En la figura 7.1 se ilustra este procedimiento.
Figura 7.1
Conexión
Calentamiento
Elemento calefactor
Tubería
Unión soldada
39
7.2
Uniones desmontables
7.2.1 Stub ends y flanges 7.2.1.1 Flanges tradicionales
Las uniones desmontables permiten una instalación fácil y rápida; sirven no sólo para unir tuberías entre sí, sino que también para unir tuberías a válvulas, accesorios y otros equipos. Los sistemas más comunes son:
Este sistema es utilizado principalmente para acoplamientos a bombas, válvulas, etc. También es útil si se trata de instalaciones que serán desmontadas a futuro. Para realizar esta unión se requiere:
7.2.1 Stub ends y flanges. 7.2.2 Unión roscada (Plasson o equivalente). 7.2.3 Unión tipo Victaulic.
• Stub end o porta flange. • Flange. • Pernos con tuerca o espárragos con tuercas.
Figura 7.2
Tubería de acero con flange
Stub end Stub end Pernos
Tubería de HDPE
Soldadura a tope Flange Flange
Flanges Stub end
Stub end
Tubería de HDPE
Soldadura a tope
Pernos Soldadura a tope
La figura 7.2 ilustra el método de unión con flanges para unir tuberías de HDPE entre sí o a tuberías de otros materiales. Pueden utilizarse empaquetaduras entre los stub ends aunque a veces no es necesario. Se debe aplicar un torque suficiente a los pernos para prevenir filtraciones. Luego de la instalación inicial y el apriete de las conexiones, es una buena práctica permitir que las conexiones se ajusten por un período de tiempo (usualmente un par de horas). Transcurrido este período se debe realizar un apriete final de los pernos; de esta manera se logra sellar la unión.
40
7.2.1.2 IPP DeltaflexTM Flanges tipo Convoluted Gracias a las sofisticadas herramientas computacionales de que se dispone hoy día, se ha podido realizar un extenso trabajo de investigación para diseñar una moderna línea de flanges de excelente rendimiento. A esta nueva generación de flanges se les denomina flanges tipo Convoluted, en los que se ha logrado redistribuir la masa del flange para alcanzar la máxima resistencia y el mínimo peso. Las piezas son livianas y fáciles de manipular e instalar. En la figura 7.3 se muestra un flange tipo Convoluted IPP DeltaflexTM. Históricamente se tuvo la impresión de que el único método para reducir el costo de un determinado flange era hacerlo más delgado; como resultado se obtenía un flange de menor resistencia. La normalización existente para flanges fue desarrollada para tuberías metálicas hace ya muchos años. Los flanges tradicionales son soldados a la tubería metálica (acero carbono por ejemplo) y cuando se apernan, las fuerzas opuestas se neutralizan unas a otras a través de la empaquetadura que cubre la unión completa de las caras de ambos flanges. Esto crea una unión estable. Cuando esta misma aplicación se utiliza para
Figura 7.3
HDPE, los flanges quedan flotando libremente y son capaces de elevarse como una viga en balanceo y rotar sobre el borde del stub end, creándose una fuerza rotacional alrededor del borde. Esto crea niveles de tensión de aproximadamente el doble de magnitud que para aplicaciones tradicionales en tuberías metálicas, excediendo el límite de resistencia del material del flange. Este nuevo diseño incorpora ciertas características que lo hacen seguro y costoefectivo. Se ha logrado reducir el tamaño y el costo logrando flanges de alto rendimiento para sistemas de tuberías de HDPE, debido a que la masa total, comparada con un flange tradicional, se ha disminuido en un 30% o más y se ha redistribuido en una configuración que mejora notablemente el funcionamiento de los flanges tradicionales. En la figura 7.4 se aprecia su diseño y la manera en que se asienta en el stub end de HDPE y se aperna a su contraparte. Las flanges tipo Convoluted IPP DeltaflexTM han sido incorporados por las principales empresas de ingeniería en los más grandes proyectos alrededor del mundo y han probado su excelente desempeño en algunas de las aplicaciones más críticas.
Figura 7.4 Flange tipo Convoluted Tuerca Stub end Tubería de HDPE
Flange tipo Convoluted Perno Stub end Tubería de HDPE
41
7.2.2
Unión roscada (Plasson o equivalente)
Este tipo de unión permite un rápido acople y desacople, gran estanqueidad y resistencia a esfuerzos axiales. Son bastante utilizadas en riego e industrias en general. Se utilizan principalmente en diámetros entre 20 y 110 mm. Recientemente, Plasson ha desarrollado un nuevo diseño de fittings de compresión, en tamaños intermedios de 40, 50 y 63 mm, en el cual el sello
o junta de goma ha sido rediseñado con un perfil trapezoidal, para permitir una introducción rápida y fácil de la tubería, sin la necesidad de retirar la tuerca del fitting. Los diámetros 16 a 32 mm no han sido modificados. A continuación se muestra los componentes y las instrucciones de instalación.
Detalle de componentes Ampliación del perfil de pieza Nº 2
1
2
3
1 2 3 4
4
Cuerpo Sello o junta de goma Casquillo de apriete Tuerca
Instrucciones de instalación para fittings de 16 a 63 mm Tope interno
1.
Cortar la tubería a escuadra, remover las virutas. Desatornillar la tuerca hasta su último hilo, dejándola conectada al fitting mientras se inserta la tubería.
2.
Introducir la tubería con un movimiento circular* dentro del fitting, pasando el casquillo de apriete y la junta de goma hasta llegar al tope interno del fitting. Girar firmemente la tuerca en dirección del cuerpo del fitting, usando una llave Plasson (o similar) en los tamaños 40 mm y mayores.
3.
Cerrar firmemente la tuerca (no es necesario el contacto con el cuerpo central del fitting). * A fin de facilitar la introducción, es conveniente lubricar y biselar la tubería (usar lubricante silicona).
42
De la misma forma, Plasson ha completado el desarrollo de un nuevo diseño para los fittings de compresión de diámetros grandes, es decir, tamaños 75, 90 y 110 mm. El nuevo diseño involucra cambios en la tuerca, sello, inserto de PP y casquillo de apriete. Debido
a la nueva forma de diseño del fitting, no es necesario que la tuerca sea totalmente desatornillada antes del montaje. A continuación se muestran los componentes y las instrucciones de instalación para los fittings de 75, 90 y 110 mm.
Detalle de componentes
1
2
3
4
5
1 2 3 4 5
Cuerpo Sello o junta de goma Inserto de PP Casquillo de apriete Tuerca
Instrucciones de instalación para fittings de 75 a 110 mm
1.
Desatornillar la tuerca para permitir que los componentes se separen y que se inserte la tubería. Cuando se desaprietan, todos los componentes tienen un diámetro interno levemente mayor que el diámetro externo de la tubería.
2.
Insertar la tubería hasta que llegue a tocar perpendicularmente el cuerpo del fitting.
3.
Cerrar firmemente la tuerca con una llave Plasson (o similar). El apriete final restringe físicamente la tubería y completa la compresión del sello, originando una unión simple pero completamente efectiva (sin filtraciones).
43
7.2.3
Unión tipo Victaulic
Las uniones tipo Victaulic reúnen las ventajas de la rapidez de la instalación, integridad del diseño y confiabilidad del funcionamiento. El acoplamiento métrico estilo 995 está diseñado específicamente para unir mecánicamente la tubería de HDPE de tamaños métricos de las especificaciones dimensionales ISO 161-1 y DIN 8074 para SDR de 32,5 a 7,3. El acoplamiento cuenta con hileras de dientes de sujeción integrales en ambos lados de la carcaza. A medida que se aprietan las carcazas, los pernos fuerzan a los dientes a morder la tubería. Este diseño permite unir directamente tuberías de HDPE sin ne-
cesidad de un equipo de termofusión. Figura 7.5. Los acoplamientos métricos estilo 995 vienen con empaquetadura de grado «E» (rango de temperatura de -34ºC a 110ºC), para servicio de agua dentro del rango recomendado de temperatura, además de una variedad de ácidos diluidos, numerosos productos químicos y aire libre de aceite. No se recomienda para servicio de petróleo. También se encuentra disponible una empaquetadura de grado «T» (rango de temperatura de -29ºC a 82ºC) para servicio de petróleo, aire con vapores de aceite, aceites vegetales y minerales, dentro del rango de temperatura especificado.
Figura 7.5
Tubería de HDPE
Empaquetadura de goma
Dientes de sujeción
Pernos / Tuercas Carcaza
Ampliado para mayor claridad
44
8. 8.1
Instalación Instalación subterránea
En esta sección se entregan las consideraciones generales y recomendaciones para la instalación de tuberías de HDPE bajo tierra.
8.1.1 Excavación y preparación del encamado Debido a que las tuberías de HDPE se pueden unir en largos tramos sobre la superficie, basta excavar zanjas angostas que permitan instalarlas, lo que se traduce en una economía en los costos de instalación. Gracias a la facilidad de manejo, la tubería se puede colocar rápidamente en la zanja cuidando de no exceder los radios mínimos de curvatura recomendados. El ancho de la zanja variará dependiendo de su profundidad y del tipo de suelo. El ancho del encamado debe ser suficiente para permitir una adecuada compactación alrededor de la tubería. Generalmente, un ancho de 30 cm más que el diámetro nominal de la tubería es suficiente. Con relación a la profundidad de la zanja, ésta depende de varios factores: diámetro y espesor de la tubería, cargas producto del flujo vehicular, estructuras estáticas, etc. Con respecto al fondo de la zanja, éste debe ser relativamente uniforme y sin piedras, proporcionando un apoyo continuo a todo el largo de la tubería. Cuando se encuentran rocas o piedras que puedan dañar o causar cargas puntuales sobre la tubería, éstas deben retirarse y se debe rellenar el fondo de la zanja utilizando un encamado compactado de 10 a 15 cm de material fino, como gravilla o arena. Para la mayoría de los sistemas presurizados, no es necesaria una nivelación exacta del fondo de la zanja, a menos que esto sea especificado. Para sistemas de flujo gravitacional, la pendiente se debe graduar de igual forma que para tuberías de otros materiales. En suelos inestables, como pantanos o arenas sin capacidad de soporte, es necesario sobreexcavar y rellenar con gravilla o estabili-
zado hasta la profundidad adecuada de la zanja. Además, se debe considerar todas las precauciones necesarias para prevenir derrumbes, que pueden originarse por la presencia de equipamiento de construcción cerca del borde de una excavación o por condiciones climáticas adversas.
8.1.2 Tendido de la tubería Las tuberías de HDPE se pueden unir sobre la superficie y luego bajar hasta la zanja. Se debe tener especial cuidado en no dejar caer la tubería y evitar condiciones que produzcan tensiones forzadas o deformaciones durante la instalación. Cuando sea necesario, se debe utilizar conexiones flangeadas para facilitar el manejo de tuberías y fittings durante la instalación en la zanja. La longitud de tubería que se puede tirar a lo largo de la zanja depende de las dimensiones de la tubería y de las condiciones del terreno. Si el terreno puede producir ralladuras, la tubería debe deslizarse sobre polines. La máxima fuerza de tiro que se puede aplicar a una tubería de HDPE puede ser estimada usando la siguiente fórmula: F=SA Donde: F = máxima fuerza de tiro (kgf) S = máxima tensión admisible del material (kgf/cm2) A = área transversal de la pared de la cañería (cm2) El área transversal de la pared de la tubería es: A = π (D - e) e Donde: D = diámetro externo (cm) e = mínimo espesor de pared (cm) Cuando se tira una tubería, se debe utilizar un cabezal de tiro o una manga de goma adecuada para protegerla y evitar que los cables de tiro la dañen. Nunca se debe tirar la cañería por el extremo flangeado.
45
8.1.3
Expansión y contracción térmicas
Es importante considerar las características de expansión y contracción térmica en el diseño e instalación de sistemas de HDPE. El coeficiente de expansión y contracción térmica para el polietileno es aproximadamente 10 veces mayor que para el acero o concreto. Sin embargo, las propiedades viscoelásticas de este material lo hacen bastante adaptable para ajustarse con el tiempo a los esfuerzos impuestos por los cambios térmicos. Cuando la instalación se realiza en verano, se deben utilizar longitudes un poco mayores de tubería y se debe tender en forma serpenteada para compensar la contracción de la tubería en el interior (más frío) de la zanja. Si la instalación se realiza en invierno se puede hacer el tendido con la longitud real de la tubería. Cuando el relleno es blando o se pone pastoso, como en pantanos o fondos de río, la tubería puede no estar restringida por el relleno para el movimiento causado por la expansión o contracción térmica. Además, las tensiones inducidas en la tubería se transmiten a los extremos de la misma, lo cual puede ocasionar daños en conexiones débiles. Si es posible, se deben instalar anclajes apropiados justo antes de los extremos, para aislar y proteger estas conexiones. La fuerza inducida por variaciones térmicas es el producto de la tensión en la pared de la tubería y el área transversal de la pared. La longitud de tubería requerida para anclar la línea contra esta fuerza calculada depende de la circunferencia de la tubería, la presión de contacto promedio entre el suelo y la tubería, y el coeficiente de fricción entre el material de relleno y la tubería. Una vez que la línea se ha instalado y está en servicio, la variación de temperatura generalmente es pequeña, se produce durante un período de tiempo prolongado y no induce ninguna tensión significativa en la tubería.
46
8.1.4
Instalación de fittings
Cuando las tuberías o conexiones se conectan a estructuras rígidas, se deben prevenir los movimientos o flexiones en el punto de conexión. Para este propósito, se utiliza un relleno bien compactado o un cojinete de hormigón armado construido debajo de la tubería o fitting, que debe conectarse a la estructura rígida y prolongarse un diámetro de la tubería, o un mínimo de 30 cm desde la unión flangeada. La figura 8.1 ilustra el método sugerido.
Figura 8.1
Se recomienda que los pernos, tanto en conexiones flangeadas como en las abrazaderas de los cojinetes de soporte, se sometan a un reapriete final, luego de la instalación inicial. Se debe tener especial cuidado con la compactación realizada alrededor de las conexiones, la que deberá extenderse varios diámetros de tubería más allá de los terminales de las conexiones. Se recomienda una compactación de 90% densidad Proctor en estas áreas.
8.1.5
Pasada de pared
Cuando la tubería es conducida a través de pasadas de paredes, puede ser anclada mediante un anillo o montura lateral fusionada a la tubería, sellando la pared de la pasada. Para sellar el anillo entre la pasada y la tubería de HDPE se han probado exitosamente sellos de goma expandible más mortero. Lograr un empotramiento continuo, sin huecos, puede proporcionar resistencia estructural a la línea, tanto en lo que respecta a la presión de colapso externa como a la capacidad de presión interna. En los procedimientos actuales de empotramiento, es extremadamente difícil lograr sellar el anillo sin dejar huecos. Se pueden usar empotramientos localizados para estabilizar los movimientos de la línea donde existan expansiones laterales.
8.1.6
Relleno y compactación
El propósito del relleno de la zanja es dar un apoyo firme y continuo alrededor de la tubería. El aspecto más importante para lograr una exitosa instalación subterránea es realizar un correcto relleno alrededor de la tubería. El material excavado desde la propia zanja se puede utilizar como relleno inicial si es uniforme, no contiene piedras y se desmorona y disgrega con facilidad. El mejor material de relleno inicial es arena fina. Si la tubería es tendida en terrenos barrosos de mala calidad y si las condiciones de carga externa son severas, como en cruces de caminos, se debe utilizar arena como relleno inicial. El relleno inicial debe ser colocado en dos etapas: la primera es hasta la línea media de la tubería. Luego se compacta o nivela mojando con agua para asegurar que la parte inferior de la tubería esté bien asentada. Se debe tener especial cuidado en que la tubería quede bien apoyada en los costados, ya que la compactación de esta zona influye en forma muy importante en la deflexión que experimenta la tubería en servicio. La compactación depende de las propiedades del suelo, contenido de humedad, espesor de las capas de relleno, esfuerzos de compactación y otros factores. En la segunda etapa, se deben agregar capas adicionales de 20 a 25 cm, bien compactadas, hasta 15 a 30 cm sobre la clave de la tubería. Desde este punto, se puede uti-
lizar el material extraído in situ para rellenar hasta el nivel del terreno. Se debe tener precaución de no usar equipos pesados de compactación hasta completar al menos 30 cm sobre la clave de la tubería.
8.2
Instalación superficial
Generalmente, las tuberías de HDPE se instalan bajo tierra. Sin embargo, existen situaciones en las cuales la instalación superficial presenta ventajas, como por ejemplo: • Líneas para la conducción de pulpas o relaves mineros que a menudo son relocalizadas y permiten ser rotadas para distribuir el desgaste en la tubería. • Condiciones ambientales: la resistencia y flexibilidad de las tuberías de HDPE a menudo permiten instalaciones a través de pantanos o sobre áreas congeladas. • Instalaciones sobre zonas rocosas o a través del agua resultan a veces los métodos más económicos. • Su bajo peso y facilidad de montaje permiten una disponibilidad inmediata en instalaciones temporales.
8.2.1
Dilatación y contracción térmicas
En el diseño de una instalación superficial se deben considerar los cambios de temperatura tanto internos como externos, pues éstos causan dilatación y contracción en todos los tipos de tuberías. Cuando se producen grandes cambios de temperatura en cortos períodos de tiempo, el movimiento de la tubería se puede concentrar en una zona y llegar a doblarla. Si el flujo del fluido transportado es continuo, las expansiones y contracciones de la línea serán mínimas una vez que se han establecido las condiciones de operación. La tubería de HDPE contiene un porcentaje de negro de humo que la protege de los rayos UV, pero el calor que absorbe aumenta la tasa de dilatación y contracción. Un método para limitar la dilatación y contracción es anclar adecuadamente la tubería en intervalos determinados a lo largo del tendido. Cuando ocurra la dilatación, la tubería se
47
deflectará lateralmente, para lo cual debe haber espacio disponible. Al contraerse, tenderá a ponerse tirante entre los puntos de anclaje; esto no daña a la tubería, pues el HDPE tiene la propiedad de aliviar tensiones y ajustarse con el tiempo. Para calcular la deflexión lateral, según se muestra en la figura 8.2, se puede utilizar la siguiente ecuación:
La figura 8.3 muestra ejemplos típicos de soportes de tuberías de HDPE. Figura 8.3
∆y = L√0,5 α ∆ ∆T Donde: ∆y = deflexión lateral, m L = longitud entre anclajes, m α = coeficiente de expansión térmica, mm/m lineal ºC ( α= 0,2 mm/m lineal ºC) ∆T = variación de temperatura, ºC Figura 8.2 Soportes continuos L
L
∆y
∆y
Puntos de Anclaje
8.2.2
Soportes guías
Las siguientes son recomendaciones para el uso apropiado de distintos tipos de soportes de tuberías: • Si la temperatura o peso de la tubería y el fluido son altos, se recomienda utilizar un soporte continuo (para temperaturas sobre los 60ºC). • El soporte debe ser capaz de restringir los movimientos laterales o longitudinales de la tubería si así es diseñado. Si la línea ha sido diseñada para moverse durante la expansión, los soportes deslizantes deben proporcionar una guía sin restricción en la dirección del movimiento. • Las líneas que atraviesan puentes pueden necesitar aislamiento para minimizar los movimientos causados por variaciones en la temperatura. • Los fittings pesados y las conexiones flangeadas deben ser soportados en ambos lados.
48
8.2.3
Soportes anclajes
Para prevenir desplazamientos laterales y movimientos en los fittings se deben utilizar anclajes. Los anclajes se deben colocar tan cerca de las conexiones como sea posible. Si se requieren conexiones flangeadas, los anclajes se deben unir a los flanges. Sin embargo, no deben producirse flexiones entre la tubería y el flange. Algunos anclajes típicos para tuberías de HDPE se muestran en la figura 8.4. Figura 8.4
Conexión flangeada Codo segmentado
Anclajes
8.2.4 Aplicaciones en conducción de pulpas Por sus cualidades de dureza y superficie interior extremadamente lisa, las tuberías de HDPE son altamente resistentes a la abrasión, lo que las hace ideales para el transporte de pulpas de todo tipo. Aplicaciones típicas son líneas de dragado, transporte de pulpas de carbón o piedra caliza, relaves mineros y muchos otros. La instalación de líneas de pulpas es generalmente superficial, pues esto proporciona facilidad de acceso si se produce una obstrucción, y además permite la rotación de la tubería para distribuir el desgaste en la superficie interna. Es difícil predecir las características del desgaste que se producirá al usar tuberías de HDPE para transporte de pulpas. Cada aplicación tiene parámetros diferentes, ya sea la velocidad de flujo, concentración de sólido, tamaño de partícula y/o temperatura. Para controlar el desgaste es aconsejable minimizar la velocidad de flujo manteniendo los sólidos en suspensión. Se recomienda una velocidad máxima de 3,5 a 4,0 m/s. Sin embargo, para sólidos abrasivos muy afilados no debiera exceder los 3 m/s. Se aconseja también que la concentración de sólidos no sea mayor al 25%, con un tamaño de partículas de hasta aproximadamente 6 mm.
8.3
Instalación bajo agua
Las tuberías de HDPE pueden ser enterradas, descansar sobre el fondo o flotar en la superficie de lagos, ríos, pantanos u océanos. Sus características de flexibilidad, bajo peso, inercia al agua salada y a productos químicos, capacidad de flotar incluso llena de agua y permitir líneas continuas mediante termofusión, le dan muchas ventajas al HDPE.
8.3.1
Unión y montaje
Dependiendo de las condiciones del lugar, se han usado diferentes procedimientos para montaje: • Fusionar las tuberías en la orilla en largos continuos y luego montar los pesos de lastre, antes de lanzar la tubería al agua. • Fusionar la tubería en la orilla y tirarla o empujarla al agua y luego montar los pesos
de lastre desde una barcaza. • Todas las tuberías se pueden fusionar en tierra, en largos predefinidos con conexiones flangeadas en cada extremo. Los extremos flangeados se taponan y las secciones se tiran al agua para ser posteriormente ensambladas. Estas líneas flotantes se usan normalmente en operaciones de dragado. Cualquier tubería que se almacena temporalmente en una extensión de agua debe ser protegida del tráfico marino, igualmente se debe prevenir la acción de las olas que puedan golpear las tuberías contra rocas o elementos afilados que podrían dañarlas.
8.3.2
Anclajes y pesos
Ya que las tuberías de HDPE flotan incluso llenas de agua, es necesario colocarles pesos de lastre para hundirlas y contenerlas en el fondo. Los pesos más comunes son de hormigón armado, generalmente redondos, rectangulares o cuadrados y son sujetados fuertemente a la tubería usando pernos no corrosivos, abrazaderas o correas. Es conveniente colocar una protección de goma entre los pesos y la tubería para protegerla y evitar el deslizamiento de los pesos. Para determinar el factor de hundimiento del sistema se deben considerar todas las variables para proporcionar la estabilidad necesaria bajo el agua, tales como mareas, condiciones del material del fondo y la posibilidad de aire en las tuberías. El espaciamiento de los pesos de lastre dependerá de su tamaño, y normalmente está limitado entre 3 y 4,5 m. En general, la tubería puede deflectarse entre los pesos, resultando un valor de deformación que está completamente dentro del rango de resistencia de la tubería. Si se produce una corriente, el movimiento de la tubería misma no es dañino. Sin embargo, cualquier roca o elemento afilado en contacto podría dañarla. Si las mareas o las corrientes representan un problema, lo mejor es abrir una zanja y enterrar la tubería con sus pesos.
49
8.3.3
50
Lanzamiento al agua y hundimiento
8.4
Instalación en tendidos existentes (RELINING)
Para permitir que la línea flote en el agua hasta la operación de hundimiento, es necesario cerrar cada extremo para evitar que entre el agua. Esto se realiza mediante un stub end y un flange metálico ciego que produce un sello hermético. Luego la línea se traslada a la posición de hundimiento. La transición de la línea desde tierra al agua debe ser hecha de tal forma de protegerla de posibles escombros, hielo, tráfico de botes o la acción de las olas. La operación de hundimiento se controla por el ingreso de agua en un extremo y la evacuación del aire encerrado por el extremo opuesto. La adición de agua a la tubería a una razón controlada asegurará que se posicione correctamente en el lugar deseado y se ajuste a las características del fondo. La razón de hundimiento también se debe controlar para prevenir un radio de curvatura excesivo. Una vez que la tubería se ha instalado sobre el fondo, se debe realizar una inspección minuciosa de la instalación. Todos los pesos deben estar bien colocados y cuando las corrientes representan un problema, la tubería se debe colocar en una zanja.
Esta técnica es efectiva y económica para rehabilitar una línea deteriorada. La instalación es rápida y simple con una mínima interrupción de la operación de la línea. El método consiste en introducir tuberías termoplásticas en líneas deterioradas de agua, gas, efluentes industriales, etc., restableciendo la línea sin necesidad de excavar zanjas e interrumpir el tráfico vehicular, lo que proporciona mayor velocidad de ejecución del servicio, menor cantidad de trabajo y reducción de costos. La selección del diámetro de la tubería de HDPE a utilizar en la instalación, se efectúa determinando el máximo diámetro que puede ser insertado (como revestimiento interno) en la línea deteriorada existente y el flujo requerido a través de este nuevo revestimiento. Se debe limpiar de obstrucciones y escombros la línea que se va a reemplazar. Es recomendable utilizar un circuito cerrado de televisión para examinar completamente la línea, localizar las conexiones y revelar los defectos existentes. Después de un funcionamiento de prueba con el cabezal de tiro, este se une a la tubería de HDPE (usada como revestimiento interno), luego esta unión se debe posicionar y asegurar correctamente. El cabezal de tiro puede ser de tipo flexible, fabricado en terreno; o de tipo rígido hecho de acero y apernado en el extremo de la tubería. Aunque un diámetro más pequeño es deslizado dentro de otro principal existente, las excelentes propiedades de flujo de las tuberías de HDPE logran restablecer la capacidad del sistema y sus uniones firmes y fusionadas eliminan las infiltraciones de agua del terreno.
Gentileza Borealis
8.5
Es mejor que una tubería marina sea demasiado larga que demasiado corta. Nunca se debe intentar levantar por un flange una línea que es muy corta tirando de los pernos. Esto fuerza la línea y produce una severa tensión en las conexiones flangeadas y podría causar eventuales problemas. Un extra largo se puede acomodar serpenteando la tubería.
El manejo e instalación de las tuberías de HDPE se deben realizar con el cuidado necesario para prevenir daños que puedan ocasionar abrasiones, cortes, fisuras, perforaciones, etc. Toda tubería debe ser examinada cuidadosamente antes de la instalación, retirando aquellas que estén dañadas. Las tuberías cuyo daño resulte en la reducción del espesor de pared de aproxima-
Reparación de líneas dañadas
damente 10% deben ser cortadas, pues esto puede perjudicar el servicio a largo plazo. Las rayas o rasguños menores no tienen efectos adversos en el servicio de la tubería. Las tuberías dañadas se pueden reparar por cualquiera de los métodos de unión discutidos anteriormente. Es aconsejable utilizar soldadura a tope para todas las aplicaciones donde las condiciones lo permitan. Normalmente, los pliegues no perjudican el buen servicio en aplicaciones de baja presión; sin embargo, para aplicaciones a altas presiones, los pliegues deben ser cortados para luego unir nuevamente la tubería. La ovalización debido al exceso de carga durante el transporte o almacenamiento no impedirá un buen servicio de la tubería. La tubería no debe considerarse como dañada a menos que las abrazaderas de la máquina soldadora no sean capaces de redondear la sección para una buena unión por termofusión.
8.5.1
Reparación permanente
La reparación luego de la instalación subterránea se puede realizar en diámetros pequeños re-
moviendo una mínima cantidad de relleno, cortar el trozo defectuoso, mover los extremos de las tuberías hacia un lado y fusionar stub ends con flanges en cada extremo y luego apernar los flanges. La reparación de tuberías de diámetros grandes, que no son tan flexibles como las tuberías más pequeñas, puede realizarse con una pieza tipo carrete flangeado. La sección dañada es retirada, la máquina soldadora se baja hasta la zanja para unir los stub ends flangeados a cada extremo abierto y luego se aperna la pieza de unión. Esta pieza debe ser hecha en forma precisa para que ajuste adecuadamente en el intervalo de tubería retirada. La figura 8.5 ilustra estos métodos.
8.5.2
Reparación mecánica
Se puede utilizar una abrazadera con empaquetadura integrada alrededor de la tubería, pero no es tan permanente como la reparación con flanges o por termofusión. Este tipo de reparación es principalmente usada en aplicaciones subterráneas, porque el relleno compactado
Figura 8.5
Defecto
Diámetro pequeño
Defecto
Diámetro grande
51
restringe la tubería de movimientos térmicos y extrae las fuerzas causadas por la presión interna. Una abrazadera de reparación más larga generalmente proporciona mayor capacidad de sellado sobre las tuberías. Es aconsejable utilizar una abrazadera de longitud de 11/2 a 2 veces el diámetro nominal de la tubería. Se debe apretar la abrazadera alrededor de toda la tubería que ha sido previamente secada y limpiada de cualquier material extraño. Luego, se rellena y compacta en forma adecuada alrededor y sobre la tubería antes de que ésta sea presurizada.
8.5.3
Reparación de fittings
Las reparaciones de fittings instalados se realizan normalmente mediante el reemplazo de la pieza con un nuevo fitting flangeado.
8.5.4
Reparación bajo el agua
Para reparar las líneas submarinas, los terminales de las tuberías deben ser puestos a flote o levantados sobre el agua para poder unir un stub end en cada extremo. Luego, se bajan a la posición en el fondo y se apernan los flanges bajo el agua. Se debe utilizar un equipo de levantamiento adecuado para asegurar que no se excedan los radios mínimos de curvatura. Normalmente, no es necesario retirar los pesos de lastre antes de elevar la tubería en el agua, pero se debe poner cuidado extremo cuando la tubería se levanta sobre el nivel del agua con los pesos ligados.
8.6
Precauciones de instalación para fittings segmentados
Las tees y codos segmentados son fabricados mediante soldadura a tope; a partir de segmentos de tubería, y con cortes especiales se obtiene el fitting deseado. La configuración de estos fittings y el hecho de que son fabricados y no moldeados, requiere tomar ciertas precauciones cuando se instalan en un sistema de tuberías. Las tuberías y fittings de HDPE son muy resisten-
52
tes al maltrato debido a la naturaleza flexible del material. Sin embargo, la resistencia a la tracción del PE es mucho menor que la del acero y no soportará los levantamientos y fuerzas de tiro excesivos que puedan ejercer equipos de instalación de fuerza. Los procedimientos de instalación deberían facilitar que existiera la menor cantidad posible de levantamiento y movimiento de uniones de fittings segmentados y tuberías. Si es necesario tirar la unión hasta el lado de la zanja y posicionarla correctamente, el fitting segmentado nunca debe ser usado como el punto de tiro de la línea. La unión por fusión de una tee segmentada es complicada a causa de sus tres salidas. Es relativamente fácil mantener sin tensiones la tee cuando se fusiona una tubería a su línea principal, se levanta y se desciende la unión a su posición dentro de la zanja. Sin embargo, la unión se torna muy difícil de manejar cuando se fusiona una longitud considerable de tubería a la tercera salida (al ramal) para permitir tender la tubería en esta dirección. El manejo y posicionamiento final de estas uniones requiere equipamiento de manejo extra y precauciones adicionales para prevenir daños en el fitting segmentado.
Método recomendado: La necesidad de equipamiento extra y la mayoría de las posibilidades de daño se pueden eliminar alterando el método de instalación de la tee segmentada, incluyendo el uso de una conexión flangeada en el ramal. Esto permitirá que el posicionamiento final se realice antes de que el ramal se conecte. Habrá algunas instancias donde, desde el punto de vista de la instalación, la utilización de conexiones flangeadas en dos salidas de una tee y también en un lado de un codo proporcionará muchas ventajas. Esto permite que la tubería sea tendida desde cualquier dirección y se haga rodar hacia la zanja, y en general el manejo es mucho más fácil y más rápido antes de que se realice la conexión final con la tee o con el codo. Desde el punto de vista económico, la velocidad y facilidad de instalación, y la eliminación de la ocurrencia de esfuerzos de instalación excesivos sobre fittings segmentados, es recomendable utilizar siempre conexiones flangeadas en el ramal de tees y en un terminal en codos.
9. Suministro, transporte 9.1
y almacenamiento
Suministro
Las tuberías de HDPE se pueden suministrar en rollos o en tiras dependiendo del diámetro y espesor de pared de la tubería, de las características y/ o necesidades de instalación y del transporte.
• Tiras: este sistema se utiliza para tuberías de diámetros mayores a 110 mm (que no se pueden enrollar) y consiste en suministrar tuberías de 12 m de largo estándar.
Altura
• Rollos: este sistema de transporte ofrece una gran ventaja, pues permite efectuar extensos tendidos en largos continuos sin uniones, lo que se traduce en mayor rapidez, facilidad y economía en la instalación. Se debe tener en cuenta que el radio mínimo de enrollado no debe ser menor que 10 veces el diámetro de la tubería; por esto sólo es posible suministrar rollos hasta ø 110 mm. Además, como la limitante es la relación diámetro/espesor, sólo se puede hacer rollos desde PN 10 a PN 20 tanto para PE 100 como para PE 80. En la siguiente tabla se presentan las dimensiones de los rollos de tuberías suministrados por Duratec.
Diámetro interno rollo
Diámetro externo rollo
Nota: Tuberías de largo distinto al estándar se suministran a pedido. Consultar al Departamento Comercial de Duratec.
9.2
Transporte
A continuación se detalla una serie de recomendaciones para un correcto transporte de tuberías y fittings de HDPE. • Los vehículos de transporte deben soportar la longitud completa de tuberías y fittings y deben estar libres de objetos sobresalientes y agudos. Además se deben prevenir curvaturas y deformaciones durante el transporte. • Al cargar y descargar las tuberías no hay que golpearlas, arrastrarlas ni tirarlas para no dañar su superficie. Es importante proteger los extremos para evitar deterioros que puedan dificultar el proceso de soldadura. • Al descargar los rollos o tiras es mejor usar sogas textiles y no metálicas, las que pueden rayar la tubería. • Las tuberías de HDPE tienen una superficie muy lisa. La carga debe ser firmemente asegurada para prevenir deslizamientos.
En la figura 9.1 se ejemplifican formas correctas e incorrectas de transporte y almacenamiento de tuberías de HDPE.
53
Figura 9.1 INCORRECTO
9.3
CORRECTO
Almacenamiento
Cuando las tuberías se almacenan en pilas, se debe evitar un peso excesivo que puede producir ovalizaciones en las tuberías del fondo. Deben almacenarse en superficies planas, sin cargas puntuales, como piedras u objetos puntiagudos, de tal manera que el terreno de apoyo proporcione un soporte continuo a las tuberías inferiores. Las limitantes en la altura de almacenamiento dependerán del diámetro y espesor de pared de la tubería y de la temperatura ambiente. Las tuberías de HDPE se pueden almacenar a la intemperie bajo la luz directa del sol, pues son resistentes a la radiación UV. Sin embargo, la expansión y contracción causada por un calentamiento repentino debido a la luz solar pueden hacer que la tubería se incline y ceda si no es restringida adecuadamente. Para tal efecto puede utilizarse apoyos con tablones de madera, con una separación de 1 m entre cada apoyo. Además, deben tener cuñas laterales que impidan el desplazamiento de las filas. En la siguiente tabla se muestran recomendaciones generales para alturas de apilamiento, desarrolladas por el Plastic Pipe Institute para tuberías de HDPE, según su relación dimensional estándar SDR.
54
10. Consideraciones de diseño 10.1 Cálculo hidráulico La diferencia básica en el dimensionamiento hidráulico de tuberías de HDPE con respecto a tuberías de materiales tradicionales, reside en la bajísima rugosidad que éstas presentan. Las tuberías de HDPE tienen una superficie extremadamente lisa, lo cual se traduce en una excelente capacidad de escurrimiento. Tienen una alta resistencia a la corrosión, a incrustaciones y al crecimiento de bacterias. Por sus excelentes propiedades, se necesita un diámetro menor para transportar un volumen determinado comparado con tuberías de acero, fierro o concreto. Además, mantienen estas características de flujo durante toda su vida útil.
10.1.1 Flujo bajo presión Las ecuaciones que relacionan el flujo de un fluido con su caída de presión en un sistema de tuberías involucran un factor de fricción que depende del material de la tubería. Las fórmulas más comúnmente utilizadas para los cálculos hidráulicos son las de Hazen-Williams y de Colebrook. En la fórmula de Hazen-Williams, la influencia de la rugosidad se considera en el coeficiente C, que para tuberías de HDPE la literatura técnica determina en 150. En la fórmula de Colebrook, los valores de rugosidad adoptados son: Para diámetro ≤ 200 mm: ε= 10 µm (1,0 x 10-2 mm) Para diámetro > 200 mm: ε= 25 µm (2,5 x 10-2 mm) Para diámetros medios y velocidades medias, las diferencias que resultan de la aplicación de las rugosidades ε en la fórmula de Colebrook o C=150 en la fórmula de Hazen-Williams, no tiene mucha importancia práctica. Actualmente se considera la fórmula de Colebrook como la que proporciona resultados más exactos.
10.1.2 Selección del diámetro interno de la tubería A partir de la velocidad media del fluido, se determina el diámetro interno por:
√
d = 18,8 Q v Donde: d = diámetro interno de la tubería, mm Q = caudal, m3/h v = velocidad media, m/s
10.1.3 Pérdidas de carga Las pérdidas de carga, como ya se explicó, se pueden determinar por las fórmulas de HazenWilliams o Colebrook. Es recomendable aplicar ambas fórmulas y adoptar la mayor pérdida de carga obtenida entre las dos. a) Fórmula de Hazen-Williams H = 10,643 Q1,85 C-1,85 d-4,87 L Donde: H = pérdida de carga, m.c.a. Q = caudal, m3/s C = 150 d = diámetro interno, m L = longitud de la tubería, m O, si se desea la pérdida de carga unitaria: h = 10,643 Q1,85 C-1,85 d-4,87 Donde: h = pérdida de carga unitaria, m.c.a./m
55 55
b) Fórmula de Colebrook ∆P = ƒ
1 = -2,0 log √ƒ
10 ρ 2 vL d 2g
Donde: ∆P = pérdida de carga, Kgf/cm2 ƒ = factor de fricción ρ = peso específico del fluido, KN/m3 d = diámetro interno, mm g = aceleración de gravedad, m/s2 v = velocidad media, m/s L = longitud de la tubería, m
Como la determinación del valor de ƒ por esta fórmula implica muchas iteraciones, se acostumbra utilizar una fórmula simplificada.
Para agua, la fórmula de Colebrook puede simplificarse de la siguiente forma, obteniéndose la fórmula de Darcy-Weisbach: L v2 d 2g
Donde: H = pérdida de carga, m.c.a. ƒ = factor de fricción L = longitud de la tubería, m d = diámetro interno, m v = velocidad media, m/s g = aceleración de gravedad, m/s2 El coeficiente de fricción ƒ depende del régimen del flujo, es decir, si es flujo laminar o turbulento. Se considera que el flujo es laminar cuando el número de Reynolds Re es menor que 2.000. En este caso el valor de ƒ es: Re < 2.000
ƒ = 64 Re
)
Donde: ε = rugosidad, m d = diámetro interno, m
ƒ=
H= ƒ
ε 2,51 + Re √ƒ 3,71 d
(
[
2
1
-2,0 log
0,9
A través de las fórmulas de Colebrook se han realizado diagramas para la determinación del coeficiente de fricción. Dentro de los más conocidos encontramos el diagrama de Moody-Rouse. Figura 10.1 • Diagrama de MOODY-ROUSE En el eje de las abscisas encontramos el valor de Re y Re √ƒ. En las ordenadas tenemos el valor de ƒ. Las curvas corresponden a la relación d/ε. Figura 10.1 Re 6 8 103
4
2
2
4 6 8 104
2
4
6
8 105
2
Re = vd υ
3
l
= 2 log
d
Para flujo turbulento, esto es Re ≥ 2.000, tenemos: Re ≥ 2.000
56
2 0,15
+ 1,14
f
0,10 0,08
d/ = 20 = 4 Re/ 4 LAMINAR l = Re f f 64 5
40
4
100
6
0,03 5
400 1000 2000
8
4000
l
DIAGRAMA DE MOODY-ROUSE
= 2 log Re f - 0,8
4
6 8 103
0,020 0,018 0,016 0,014
0,012 20 000 40 0 00 10 0,010 100 000 0,009 200 000 0,008
11 2
8
0,025
10 000
f
10
102
0,06 0,05 0,04
200
9
Donde: Re = número de Reynolds v = velocidad media, m/s d = diámetro interno de la tubería, m υ = viscosidad cinemática del fluido, m2/s (para agua υ= 1,01 x 10-6 m2/s)
6 8 106
4
0,25 Re 1 = 200 d/
7
Siendo
]
ε 5,62 + (3,71 ) d Re
2
4
6 8 104
2
4 6 8 105
2
4 6 8
106
Re f
En el Anexo C.1 del presente catálogo se muestra un ejemplo de cálculo de pérdida de carga utilizando la fórmula de Hazen-Williams y la de Colebrook. A continuación se presentan 2 ábacos para la fór-
10
8
10
6 4 2
200 000
5
8 10 6
Re f
4 2
4
l
f
6
8 10
4
2
= 2 log Re f- 0,8
f l Re 1 = 200 d/
4
6
8 10
3
DIAGRAMA DE MOODY-ROUSE
2
64
Re f
10
f
2
=
11
10
9
8
7
6
5
l
LAMINAR 4
3
4 2
40 0 00 100 000
10 000
4000
100
40
+ 1,14 d = 2 log
200
d/ = 20 = 4 Re/
400
2000
1000
8 6 4 2 5
8 10 6 2 6
8
10
3
Re
4 2 4
6 8 10
4
20 000
8
10
6
5
4
2
6
0,008
0,009
0,010
0,012
0,014
0,016
0,018
dimensionadas según la norma ISO 4427. El primer ábaco es para presiones nominales PN 10 y PN 16 y el segundo para presiones nominales PN 4 y PN 6. En el Anexo C.2 se ejemplifica el uso de estos ábacos.
0,020
0,025
0,03
0,04
0,05
0,06
0,08
0,10
0,15
0,25
mula de Hazen-Williams, que permiten determinar directamente los valores deseados con una muy buena aproximación, sin tener que realizar la serie de cálculos que implica la utilización de la fórmula. Los ábacos son para tuberías de HDPE PE 100
57 57
58 3,0 m /s 2,5 m
0,5
50%
100% 1
Ábaco tuberías HDPE PE 100 Norma ISO 4427 Clases PN 10 - PN 16 HAZEN-WILLIAMS
/s
2,0 m
10% 0.1000
m/s
v=0,
0,05
5%
1,2
/s
8 m/s
D=25 mm
2,75
D=50
5%º 0,005
D=63
2,25
D=75 D=90
/s
1,4 m
1%º 0.0010
D=125
,2 m
m/s
1,8 m
D=110 D=140
v= 0
m/s
D=160
/s
/s
D=200
1,0 m D=250
/s
D=315 D=400
0,5%º 0.0005
D=355
D=500 D=450
v=0,
D=630 D=560
P PN N 1 10 6
1% 0.0100
D=32
D=40
6 m/s
0,4 m
/s
0.1%º 0.0001
Pérdida de carga unitaria h (m.c.a./m) (tanto por uno)
/s
1,6 m
0,1
0.5
1
5 Caudal (l/s)
10
50
100
500
1000
0,5
3,0 m
/s
2,5 m 10% 0.1000
/s
2,0 m
/s
1,6 m
5%
0,05
/s
1,2 m
/s
V= 0 1% 0.0100
,8 m/s
2,75
D=50 mm /s
D=63
2,25
D=75 D=90
1,8 m
/s
D=110 D=125
1%0 0.0010
v=0,2
1,4 m
D=140
/s
D=160
m/s
D=200
1,0 m D=250
0.0005
/s
D=315 D=355
D=400 D=450
D=500
0,1%º 0.0001
D=560
0,1
m/s
m/s
0,5
1
5
10 Caudal (l/s)
50
100
D=630
v= 0
,6
P PN N 6 4
0,005
5%º
0,4 m
0,5%º
Pérdida de carga unitaria h (m.c.a./m) (tanto por uno)
50%
100% 0.10000
Ábaco tuberías HDPE PE 100 Norma ISO 4427 Clases PN 4 - PN 6 HAZEN-WILLIAMS
500
1000
59 59
10.1.4 Pérdida de carga en singularidades En la siguiente tabla se listan varios componentes comunes de sistemas de tuberías y la caída de presión asociada a través del fitting, expresada como una longitud equivalente de tubería recta en términos de diámetros. Al multiplicar los diámetros de longitud equivalente por el diámetro interno se obtiene la longitud equivalente de tubería. Esta longitud equivalente se suma al largo total de tubería para calcular la pérdida de carga total del sistema. Estas longitudes equivalentes se pueden considerar como buenas aproximaciones para la mayoría de las instalaciones.
2) La pendiente de la línea. 3) La selección de un diámetro interno adecuado. Para una situación de flujo a sección llena, el caudal se puede calcular a partir de la fórmula de Manning:
2/3
Q = ARh
√S η
Donde: Q = caudal, m3/s A = área sección transversal del diámetro interno, m2 Rh = radio hidráulico (DI/4), m DI = diámetro interno de la tubería, m S = pendiente, m/m η = coeficiente de Manning (η= 0,009 para HDPE)
b) Flujo a sección parcial En sistemas de escurrimiento gravitacional en donde el flujo es a sección parcial, que es lo que sucede con mayor frecuencia, el caudal se calcula con la fórmula de Manning según se indicó para flujo a sección llena, pero se debe hacer una corrección en el área de escurrimiento.
10.1.5 Flujo gravitacional Ejemplos de escurrimiento gravitacional son sistemas de alcantarillado, líneas para la conducción de agua y transporte de pulpas. Algunos pueden operar con flujo a sección llena y otros con flujo a sección parcial. Gracias a las paredes extremadamente lisas y a las excelentes propiedades de flujo de las tuberías de HDPE, es posible diseñar sistemas muy eficientes. a) Flujo a sección llena Se requieren tres aspectos para seleccionar una tubería de HDPE para un sistema de escurrimiento gravitacional: 1) Los requerimientos de caudal.
60
2/3
Q = ARh
√S η
Donde: Q = caudal, m3/s A = área de escurrimiento, m2 Rh = radio hidráulico (Rh=A/P), m P = perímetro mojado, m S = pendiente, m/m η = coeficiente de Manning (η= 0,009) El radio hidráulico (Rh) para flujo a sección parcial se define como el cuociente entre el área de escurrimiento (A) y el perímetro mojado (P). En la figura 10.2 se muestran estos parámetros:
Figura 10.3
Rh =
A P
A=
1 8
(θ θ - sen θ) D2
Parámetros para flujo gravitacional parcial 1.0
Diámetro externo tubería
.9
1 P= 2
θD
1 Rh = 4
[1- sen θ]D θ
AP
.8
AF
VP
.7 QP
.6
DP .5 DF
QF
RP QP
.4
VF RP RF
RF
QF
.3
Figura 10.2
AP
.2
AF
VP
.1
VF
0 0
.1
.2
.3
.4
.5
.6
.7
.8
.9 1.0 1.1 1.2 1.3
Factor multiplicador
F θ
Mediante el siguiente gráfico (Figura 10.3) se simplifican estos cálculos al aplicar un factor multiplicador a la condición de flujo a sección llena.
Flujo a sección llena: DF = Diámetro interior tubería AF = área de flujo VF = velocidad de flujo QF = caudal RF = radio hidráulico Flujo a sección parcial DP = altura (h) del flujo parcial AP = área de flujo VP = velocidad de flujo QP = caudal RP = radio hidráulico
A continuación se presentan dos ábacos para la fórmula de Manning, mediante los cuales se pueden determinar directamente los parámetros deseados de manera bastante aproximada, evitando los cálculos que implica la utilización de la fórmula. En el Anexo C.3 se muestra un ejemplo de cálculo para la utilización de estos ábacos.
61 61
62 Ábaco tuberías HDPE PE 80 Norma DIN 8074 (σs= 50 Kgf/cm2) Clases PN 3,2 - PN 4 - PN 6 a boca llena 3,0
2,5
0,5
2,0 1,6 10% 0.1000
1,2
m/s
m/s
m/s
m/s
m/s
,8 m
/s
D=40
1% 0.0100
D=32 mm
D=50
2,75 m/s 2,25 m/s
5%º
D=63
0,005
D=75
D=90 D=110
v=0
1,8 m/s
D=125
,2m
D=140
/s
1,4 m/s
D=160
1%0 0.0010
D=200
1,0 m/s
D=250
0,5%º 0.0005
D=315
D=355 D=400
0,8 D=500
v= 0
D=560 D=630
v= 0
0,1
0,5
1
5
10
Caudal (l/s)
50
m/s
D=450
100
,6 m
/s
P P N PN N 4 6 3, 2
5%
v=0 0,05
0,1%º 0.0001
Pérdida de carga unitaria h (m.c.a./m) (tanto por uno)
50%
100% 10.000
FÓRMULA DE MANNING
,4 m
/s
500
1000
FÓRMULA DE MANNING 1.0
0,79
0,7
Q
0,74 0,70
(A/D2) • (D-2•e)2
0,67
V: Velocidad (m/s) Q: Caudal (m3/s) D: Diámetro exterior cañería (m) e: Espesor cañería (m) (A/D2) : Del gráfico (adimensional)
0,59
0,5
D=32 mm
0,60
0,49
0,50
0,39
0,40
0,29
0,30
D=40
D=50
D=63
0,20
0,3 D=75
0,20
D=90
D=110
D=125 D=140
D=160
0,10 D=200
D=250
0.074 D=315
PN PN 6 PN 4 3,2
h/D (altura de agua dividido por el diámetro interior)(m/m)
V =
0,80
D=355 D=400
D=450 D=500
D=560 D=630
0,05
0.1 0.0001
0.0005
0.0010
0.005
0.0100
0.05
0.1
0,5
(Caudal en m3/s dividido por la raíz de la pendiente en tanto por uno) (Q/ S ) (m3/s)
1
5
0.041 10.0000
A/D2 (Sección de escurrimiento dividido por el diámetro interior al cuadrado) (m2/m2)
Ábaco tuberías HDPE Norma DIN 8074 Clases (σs=50 Kgf/cm2) PN 3,2 - PN 4 - PN 6 para diferentes alturas de llenado
63 63
10.1.6 Golpe de ariete El golpe de ariete es un término usado para describir un aumento momentáneo de presión de corta duración al interior de las tuberías. Tales aumentos de carga ocurren cuando el equilibrio es perturbado por rápidas variaciones en las condiciones del flujo, como en la apertura y cierre de válvulas, paradas y partidas en bombas o cuando el fluido sufre un rápido cambio de dirección (por ejemplo en codos) en las partidas de las bombas. El golpe es tanto mayor en magnitud cuanto mayor es la velocidad media del fluido y mayor la distancia entre el golpe y la fuente del mismo. En general, las tuberías de polietileno absorben (disminuyen) mejor el efecto del golpe en virtud de su flexibilidad. Son capaces de soportar sobrepresiones superiores a las nominales para cortos intervalos de tiempo, siempre que esas presiones se mantengan dentro de valores aceptables, definidos por la presión nominal de la tubería. En forma simplificada, el golpe de ariete se puede expresar de la siguiente manera:
∆P =
c∆v g
Donde: = sobrepresión debido al golpe, m c = velocidad de propagación de la onda de presión, m/s ∆v = velocidad media del fluido, m/s g = aceleración de gravedad, m/s2
∆P
La velocidad de propagación de la onda de presión (c) depende de la elasticidad del fluido y de la elasticidad de la pared de la tubería. Para una tubería de sección circular y libremente soportada, la velocidad de propagación se puede determinar por:
c=
√
Ep g ρ Ep d + m EW e
Donde: = módulo de elasticidad de la tubería, EP Kgf/m2 ρ = peso específico del fluido (para agua, ρ = 1.000 Kgf/m3)
64
EW dm e
= módulo de elasticidad del fluido, Kgf/m2 = diámetro medio de la tubería, m = espesor de pared de la tubería, m
Si la tubería es fijada longitudinalmente, EP debe ser sustituido por: EP 1-υ υ2 Donde: υ = coeficiente de Poisson En las tuberías de HDPE, la compresibilidad del agua se puede despreciar, pues: EP EW
<<
dm e
Así, la expresión de la velocidad de propagación para tuberías fijadas longitudinalmente se puede simplificar a:
c=
√
Epg ρ (1- υ2)ρ
e dm
En el caso de cargas de muy corta duración, a 20ºC, para HDPE, podemos considerar: EP = 10.000 Kgf/cm2 (108 Kgf/m2) y υ = 0,5 Además, de acuerdo a la siguiente relación: e ~ dm = 0,01 PN (PN: Presión nominal, clase de la tubería)
Podemos simplificar aun más la expresión de la velocidad de propagación: cHDPE = 115 √PN El dimensionamiento de la tubería debe considerar la suma de las presiones existentes, es decir, las presiones internas necesarias para la conducción del fluido más las sobrepresiones de golpes de ariete. De cualquier manera, siempre que sea posible se debe intentar disminuir o eliminar la ocurrencia
10.2 Curvas de regresión
del golpe, para lo cual se deben tomar algunas precauciones, tales como: • Adoptar velocidades del fluido menores que 2 m/s. • Adoptar válvulas de cierre y apertura lentas. • En la partida de la bomba, cerrar parcialmente la descarga de la línea hasta que esté completamente llena y la bomba haya entrado en régimen; entonces abrir lentamente la descarga. • Adoptar válvulas antigolpe. • Usar estanques hidroneumáticos.
La resistencia de los plásticos varía con el tiempo y, por tanto, su vida útil varía inversamente con el esfuerzo a que fue sometido. Para tuberías de agua bajo presión, las normas ISO recomiendan una vida útil de 50 años. Para determinar la tensión admisible de proyecto se debe considerar que la resistencia del material varía con el tiempo y que se recomienda una vida útil de 50 años. Esto hace pensar que sería necesario probar el material cuando éste alcanzara los 50 años, lo cual, sin duda, sería impracticable. En este caso, lo que se hace es una extrapolación. Cuanto mayor es la temperatura de trabajo, más corta será la vida útil de la tubería. Para realizar el estudio se hace lo siguiente: se someten varios cuerpos de prueba de tuberías a diferentes presiones hidráulicas internas y se mide el tiempo para llegar a la ruptura. Se obtiene una relación entre tensión de ruptura y tiempo. Las pruebas se realizan a temperaturas relativamente elevadas, de 60ºC hasta 120ºC, lo cual permite que el estudio se complete en pocos años. Como resultado de estas pruebas se obtienen las CURVAS DE REGRESIÓN. El establecimiento de estas curvas tiene un papel fundamental en el dimensionamiento y producción de tuberías de HDPE. El dimensionamiento de las tuberías en cuanto a su resistencia a la presión, en función de la temperatura de trabajo y tiempo de vida deseado, se basa en las curvas de regresión del material. A continuación, a modo de ejemplo, se presentan las curvas de regresión a 20ºC y 80ºC para PE 100 y PE 80. Figura 10.4. Fuente: Lars-Eric Janson, Borealis (1999).
Se considera cierre lento cuando el tiempo de cierre es: 2L t> c Donde: t = tiempo de cierre, s L = longitud de la línea, m c = velocidad de propagación de la onda de presión, m/s En este caso, la sobrepresión de golpe de ariete puede calcularse por la fórmula de Michaud:
∆P =
2L∆v gt
Donde: = sobrepresión debido al golpe, m.c.a. L = longitud de la línea, m ∆v = velocidad media del fluido, m/s g = aceleración de gravedad, m/s2 t = tiempo de cierre, s
∆P
Figura 10.4
Tensión de ruptura MPa 20 15
20ºC
10 8 6 5 4
PE 100
10 MPa a 50 años
PE 80 80ºC
PE 100
8 MPa a 50 años
PE 80
3 2 1
10-1
1
10
102
103 Tiempo
104
105 106 h 50 Años
65 65
10.3 Límite de curvatura El máximo radio de curvatura admitido para una tubería depende de su clase de presión (PN, SDR), del módulo de elasticidad del material y de su tensión admisible, que a su vez, varían en función del tiempo de aplicación de la carga y de la temperatura. En la siguiente tabla se listan los valores sugeridos para los radios máximos de curvatura del HDPE.
SDR
Radio máximo de curvatura
41
50 D
33
40 D
26
30 D
17
30 D
11
30 D
D: diámetro externo de la tubería
En ambas fórmulas los términos tienen el siguiente significado:
∆y DL We Wt r I
E
SDR E’ e K
= deflexión vertical de la tubería, cm = factor de deflexión a largo plazo recomendado por Spangler 1
10.4 Cálculo de deflexiones Debido a que las tuberías de HDPE son capaces de deflectarse, su diseño se basa justamente en determinar la deflexión esperada y limitarla a valores adecuados. Su mayor o menor deformación depende de su relación diámetro/espesor (SDR) y del tipo y grado de compactación del suelo envolvente. El método más usado para determinar las deflexiones es el de M. Spangler, quien publicó en 1941 su fórmula de IOWA, la que fue modificada por R. Watkins en 1955, quien le dio la forma actualmente empleada:
∆y =
K ( DLWe + Wt ) (El/r3) + 0,061 E’
Ahora, expresada en términos de la relación dimensional estándar, SDR:
∆y =
66
K ( DLWe + Wt ) (2E/3)(SDR - 1)3 + 0,061 E’
Angulo de encamado (grados) 0
K 0,110
30
0,108
45
0,105
60
0,102
90
0,096
120
0,090
180
0,083
Valores promedio Módulo de reacción del suelo E’ (Kgf/cm2) E’ para grado de compactación del encamado (Kgf/cm2) TIPO DE SUELO
vaciado
ligera
moderada
alta
suelto
< 85% Proctor
85-95% Proctor
> 95% Proctor
Suelo de grano fino (LL>50)1) Suelos con media a alta plasticidad
No se dispone de datos, recomendable E’ = 0
CH, MH, CH-MH Suelos de grano fino (LL<50) Suelos con plasticidad media o sin plasticidad CL, ML, ML-CL, con menos de 25% de partículas
3,5
14
28
70
7,0
28
70
140
14
70
140
210
70
210
210
210
de grano grueso Suelos de grano fino (LL<50) Suelos con plasticidad media o sin plasticidad CL, ML, ML-CL, con más de 25% de partículas de grano grueso Suelos de grano grueso con finos GM, GC, SM, SC, contiene más de 12% de finos Suelos de grano grueso con poco o sin finos GW, GP, SW, SP, contiene menos de 12% de finos Chancado 1) LL = Límite líquido.
CH MH
CL
ML
GM
: arcillas inorgánicas de alta plasticidad, arcillas grasas. Límite líquido mayor de 50%. : limos inorgánicos, arenas finas o limos micáceos o diatomáceas, limos clásticos. Límite líquido mayor de 50%. : arcillas inorgánicas de plasticidad baja a media, arcillas ripiosas, arcillas arenosas, arcillas limosas, arcillas magras. Límite líquido 50% o menos. : limos inorgánicos, arenas muy finas, polvo de roca, arenas finas limosas o arcillosas. Límite líquido 50% o menos. : ripios limosos, mezclas ripio, arena, limo.
GC SM SC GW GP SW SP
: ripios arcillosos, mezclas ripio, arena, arcilla. : arenas limosas, mezclas arena, limo. : arenas arcillosas, mezclas arena, arcilla. : ripios y mezclas ripio, arena de buena granulometría, con poco o sin material fino. : ripios y mezclas ripio, arena de mala granulometría, con poco o sin material fino. : arenas y arenas ripiosas de buena granulometría, con poco o sin material fino. : arenas y arenas ripiosas de mala granulometría, con poco o sin material fino.
Notas: 1 . Suelos definidos de acuerdo a norma ASTM D 2487. 2. Si el encamado cae en el límite entre dos grados de compactación, se debe elegir el menor valor de E’ o un promedio entre los dos valores. 3. El porcentaje Proctor está determinado según ASTM D 698 o AASHO T-99. 4. Valores de la tabla, de publicación «Reacción de suelo para tubos flexibles enterrados», de Amster K. Howard, U.S. Bureau of Reclamation. Journal of Geotechnical Engineering Division. A.S.C.E., enero, 1977.
A partir de esta información es posible obtener los tres gráficos que se presentan a continuación. En estos gráficos se presenta la deformación, en porcentaje, que se espera para distintas profundidades bajo tierra (de 1 a 6 metros) para tuberías de HDPE PE 100 dimensionadas según la norma ISO 4427 y tuberías de HDPE dimensionadas
según la norma DIN 8074 (σs = 50 Kgf/cm2). El límite 5% marca la máxima deformación recomendada, por lo tanto las tuberías que se encuentren por debajo de esta línea no presentarán problemas de deformaciones una vez enterradas a la profundidad especificada.
67 67
Deformación (%) tuberías HDPE PE 100 Norma ISO 4427 Norma DIN 8074 (σs = 50 Kgf/cm2) E’= 14 Kgf/cm2
16,00 DIN 8074 PN 3,2
PE 100 PN 6 14,00
12,00
10,00
(%)
DIN 8074 PN 5
8,00
PE 100 PN 10 6,00
LíMITE 5%
4,00 DIN 8074 PN 8
2,00
0,00 1
2
3
4
Altura (m)
68
5
6
Deformación (%) tuberías HDPE PE 100 Norma ISO 4427 Norma DIN 8074 (σs = 50 Kgf/cm2) E’ = 28 Kgf/cm2
10,00 DIN 8074 PN 3,2 9,00 PE 100 PN 6
8,00
7,00 DIN 8074 PN 5
(%)
6,00
LíMITE 5% 5,00 PE 100 PN 10
4,00
3,00 DIN 8074 PN 8
2,00
1,00
0,00 1
2
3
4
5
6
Altura (m)
69 69
Deformación (%) tuberías HDPE PE 100 Norma ISO 4427 Norma DIN 8074 (σs = 50 Kgf/cm2) E’ = 70 Kgf/cm2
LÍMITE 5%
5,00
DIN 8074 PN 3,2 4,00
PE 100 PN 6
DIN 8074 PN 5
3,00
(%)
PE 100 PN 10
2,00
DIN 8074 PN 8
1,00
0,00 1
2
3
4
Altura (m)
70
5
6
11. Control de calidad Todos los productos de HDPE son sometidos a rigurosas pruebas de control de calidad para determinar el estricto cumplimiento de las normas nacionales e internacionales.
11.1 Materia prima En la fabricación de tuberías y fittings de HDPE se utilizan resinas de excelente calidad suministradas por proveedores certificados bajo normas de la serie ISO 9000. Las propiedades físicas y químicas de las resinas están garantizadas y certificadas por cada fabricante. Las resinas son sometidas a diversas pruebas, orientadas a verificar algunos de los parámetros más importantes que deben cumplir, dentro de los cuales se destacan: • Densidad. • Índice de fluidez. Una vez controlados los parámetros y certificada la calidad de la materia prima, recién comienza el proceso de fabricación de tuberías y fittings de HDPE.
11.2 Tuberías Las pruebas más comunes a que son sometidas las tuberías de HDPE son: • Dimensiones y tolerancias: el primer control que se realiza consiste en verificar que nuestros productos cumplen con las exigencias y requerimientos dimensionales especificados en normas internacionales, tales como diámetro nominal, espesor de pared y sus tolerancias respectivas. • Presión interna: la prueba de presión interna consiste en someter a altas presiones probetas de tuberías recién extruidas. Las tuberías deben resistir esta prueba sin romperse, agrietarse, deformarse o evidenciar pérdidas. • Aspecto superficial: es un control importante en el cual se considera el aspecto externo
de la tubería. Las superficies externas e internas deben ser lisas, limpias y libres de pliegues, ondulaciones y porosidades. • Densidad: una vez fabricada la tubería, se procede nuevamente a medir la densidad del polietileno, para chequear si el proceso de extrusión provocó alguna variación en la densidad del material. • Stress cracking: esta prueba es uno de los parámetros para determinar la calidad del proceso de extrusión de la tubería. Consiste en someter una probeta a la acción de un material tenso activo que actúa en los puntos de concentración de tensiones del material, disminuyendo la fuerza de interacción de las moléculas y produciendo su separación. Una buena respuesta del material significa buena calidad tanto de la materia prima como del proceso de extrusión. • Contracción longitudinal por efecto del calor: el ensayo de contracción longitudinal tiene como objetivo medir uno de los parámetros de calidad de extrusión, el enfriamiento. La contracción no puede ser mayor de un 3%. • Tensión de fluencia y alargamiento a la rotura: el ensayo consiste en deformar una probeta, a lo largo de su eje mayor, a velocidad constante y aplicando una fuerza determinada, hasta que la probeta se rompa. Se determina la fuerza en el punto de fluencia, el alargamiento a la rotura y la fuerza en la rotura. • Marca de las tuberías: la marca o identificación de las tuberías se realiza de acuerdo a las especificaciones de las normas internacionales pertinentes. El propósito es proporcionar la información adecuada para que cada producto sea identificado en forma rápida y precisa.
71 71
12. Tabla de resistencia
química
En la siguiente tabla se presenta la resistencia química del HDPE a la acción de varias sustancias. Las resistencias indicadas son el resultado de ensayos realizados por varios fabricantes de resinas, representando el comportamiento normal del HDPE bajo la acción de varios productos químicos. Fuente: «Tubos de polietileno y polipropileno. Características y dimensionamiento», Vol. I, José Danieletto.
Producto
Fórmula
Conc
20ºC 60ºC
Nomenclatura: Sol : solución SS : solución saturada R : resistente PR : parcialmente resistente (puede ocurrir hinchamiento entre 3 y 8%, reducción de peso inferior a 5% y/o reducción del alargamiento a la ruptura en hasta 50%). NR : no resistente — : no se dispone de información
Producto
Fórmula
Aceite de linaza
R
R
Aceite de parafina
R
R
Ácido diglicólico
HOOCCH2OCH2COOH
Aceite de silicona
R
R
Ácido esteárico
C17H35COOH
Ácido fluorhídrico
HF
Aceite de transformador
100
R
PR
Aceite diesel
100
R
PR
Conc 20ºC 60ºC
100
R
R
R
PR
40
R
R
60
R
PR R
Aceites minerales
R
PR
Ácido fluosilícico
H2SiF6
40
R
Aceites vegetales y animales
R
PR
Ácido fórmico
HCOOH
50
R
R
98-100
R
R
50
R
R
95
R
PR
50
R
R
Acetaldehído
CH3CHO
100
R
PR
Acetato de amilo
CH3COO(CH2)4CH3
100
R
R
Acetato de amonio
CH3COONH4
SS
R
R
Acetato de butilo
CH3COO(CH2)3CH3
100
R
PR
Ácido ftálico
C6H4(CO2H)2
Acetato de etilo
CH3COOCH2CH3
100
PR
NR
Ácido glicólico
HOCH2COOH
Sol
R
R
Acetato de metilo
CH3COOCH3
R
—
Ácido glucónico
OHCH2COOH
>10
R
R
Acetato de plata
AgCH3COO
SS
R
R
Ácido hidrofluosilícico
32
R
—
Acetato de plomo
Pb(CH3COO)2
SS
R
R
Ácido láctico
CH3CH(OH)COOH
100
R
R
Acetato de sodio
NaCH3COO
SS
SS
Acetileno
C2H2
Ácido fosfórico
H2PO4
R
R
Ácido maleico
HOOCCHCHCOOH
R
R
Ácido málico
HO2CCH2(OH)COOH
Acetona
CH3COCH3
100
R
R
Ácido metasilícico
H2SiO3
Ácido acético
CH3COOH
10
R
R
Ácido monocloroacético
ClCH2COOH
Ácido acético glacial
CH3COOH
96
R
PR
Ácido nicotínico
C5H4NCO2H
Ácido nítrico
HNO3
R
R
R
R
R
R
50
R
R
<10
R
—
Ácido adipínico
COOH(CH2)4COOH
SS
R
R
25
R
R
Ácido arsénico
H3AsO4
SS
R
R
50
PR
NR
Ácido benzoico
C6H5COOH
SS
R
R
75
PR
NR
Ácido benzolsulfónico
C6H5SO2H
R
R
100
NR
NR
Ácido bórico
H3BO3
R
R
Ácido oleico
100
R
PR
SS
C8H17CHCH(CH2)7COOH
Ácido bromhídrico
HBr
100
R
R
Ácido oxálico
(COOH)2
SS
R
R
Ácido butírico
C3H7COOH
100
R
PR
Ácido palmítico
C15H31COOH
70
PR
—
SS
R
R
Ácido perclórico
HClO4
20
R
R
R
R
50
R
PR
R
R
70
R
NR —
Ácido carbónico
H2CO3
Ácido cianhídrico
HCN
Ácido cítrico
C3H4(OH)(CO2H)3
SS
Ácido clorhídrico gas o líquido HCl
R
R
Ácido pícrico
(NO2)3C6H2OH
SS
R
Ácido clórico
HClO3
R
—
Ácido propiónico
CH3CH2COOH
50
R
R
Ácido cloroacético
ClCH2COOH
R
R
100
R
PR
Ácido clorosulfónico
ClSO3H
NR
—
Ácido salicílico
C6H4OHCOOH
Ácido cresílico
C6H3COOH
PR
—
Ácido succínico
HO2C(CH2)2CO2H
Ácido crómico
CrO3+H2O
50
R
PR
Ácido sufhídrico
H2S
80
R
NR
Ácido sulfúrico
H2SO4
50
R
100
R
Ácido dicloroacético
72
Cl2CHCO2H
R
R
SS
R
R
100
R
R
10
R
R
R
50
R
R
PR
98
PR
NR
Producto
Fórmula
20ºC 60ºC
Producto
Fórmula
Ácido sulfuroso
H2SO3
30
R
R
Butadieno
H2CCHCHCH2
Ácido tánico
C14H10O9
10
R
R
Butano gaseoso
C4H10
R
R
Butano líquido
50
R
R
Butanodiol
100
R
NR
Butanol
Ácido tartárico
COOH(CHOH)2COOH
Ácido tricloroacético
Cl3CCOOH
Ácidos grasos
Conc
100
R
NR
100
R
R
C4H10
100
PR
PR
HO(CH2)4OH
100
R
R
C2H5CH2CH2OH
100
R
R
R
R
R
R
R
—
R
PR
Butanotriol
Acrilonitrilo
CH2CHCN
R
R
Butilenglicol
Agua
H2O
R
R
Butinodiol
Agua de bromo
NR
NR
Butoxilo
Agua potable clorada
R
R
Carbonato de amonio
(NH4)2CO3
Agua de mar Agua regia
Conc 20ºC 60ºC
HOCH2CHCHCH2OH 100
R
PR
SS
R
R
R
R
Carbonato de bario
BaCO3
SS
R
R
NR
NR
Carbonato de calcio
CaCO3
SS
R
R
PR
PR
Carbonato de cinc
ZnCO3
SS
R
R
R
PR
Carbonato de magnesio
MgCO3
SS
R
R
96
R
R
Carbonato de potasio
K2CO3
SS
R
R
100
R
PR
Carbonato de sodio
Na2CO3
SS
R
R R
HCl+HNO3
Aguarrás Alcanfor
C10H16O
Alcohol alílico
CH2CHCH2OH
Alcohol amílico
CH3(CH2)3CH2OH
Alcohol bencílico
C6H5CH2OH
R
PR
Carbonato hidrogenado de sodio NaHCO3
R
Alcohol etílico
CH3CH2OH
R
R
Cera de abejas
R
NR
Alcohol furfurílico
C4H3OCH2OH
R
R
Cerveza
R
R
100
Alcohol isopropílico
CH3CO2CH(CH3)2
100
R
R
Cetonas
R
PR
Alcohol metílico
CH3OH
100
R
R
Cianuro de mercurio
Hg(CN)2
SS
R
R
Alcohol propargílico
CHCCH2OH
7
R
R
Cianuro de plata
AgCN
SS
R
R
R
R
Cianuro de potasio
KCN
SS
R
R
Almidón Alumbre
Al2(SO4)3:K2SO4 24H2O
Sol
R
R
Cianuro de sodio
NaCN
SS
R
R
Amoníaco gaseoso
NH3
100
R
R
Cianuro férrico de potasio
K3Fe(CN)6
SS
R
R
Amoníaco líquido
NH3
100
R
R
Cianuro férrico de sodio
Na3Fe(CN)6
SS
R
R
Anhídrido acético
CH3COOCOCH3
100
R
PR
Cianuro ferroso de potasio
K4Fe(CN)6
SS
R
R
Anhídrido sulfúrico
SO3
100
NR
NR
Cianuro ferroso de sodio
Na4Fe(CN)6
SS
R
R
Anhídrido sulfuroso
SO2
100
R
R
Ciclohexano
C6H12
R
R
Anilina
C6H5NH2
100
R
PR
Ciclohexanol
C6H11OH
100
R
R
Anilina acuosa
C6H5NH2+H2O
SS
PR
PR
Ciclohexanona
C6H10O
100
R
R
Azufre
S
R
R
Clorato de calcio
Ca(ClO3)2
SS
R
R
Benceno
C6H6
PR
PR
Clorato de potasio
KClO3
SS
R
R
Bencina
C5H12 hasta C12H26
R
PR
Clorato de sodio
NaClO3
SS
R
R
Benzaldehído
C6H5CHO
100
R
PR
Clorhidrato de anilina
C6H5NH3+Cl
R
PR
Benzoato de sodio
C6H5COONa
SS
R
R
Clorito de sodio
NaClO2
Bicarbonato de potasio
KHCO3
SS
R
R
100
5
R
R
50
R
PR
Bicarbonato de sodio
NaHCO3
SS
R
R
Cloro gaseoso
Cl2
PR
NR
Bicromato de potasio
K2Cr2O7
40
R
R
Cloro líquido
Cl2
NR
NR
Bisulfato de potasio
KHSO4
SS
R
R
Clorobenceno
C6H5Cl
PR
NR
Bisulfato de sodio
NaHSO4
R
R
Cloroetanol
ClCH2CH2OH
R
R
Bisulfito de potasio
KHSO3
Sol
R
R
Cloroformo
Cl3CH
100
NR
NR
Bisulfito de sodio
NaHSO3
Sol
R
R
Clorometano
CH3Cl
100
PR
—
Borato de potasio
K3BO3
R
Borato de sodio
Na3BO3
Bórax
Na2B4O7
Bromato de potasio
KBrO3
Bromato de sodio
NaBrO3
Bromo gaseoso y líquido
Br2
Bromuro de metilo
CH3Br
Bromuro de potasio
KBr
Bromuro de sodio
NaBr
100
1
R
R
Cloruro de aluminio
AlCl3
SS
R
SS
R
R
Cloruro de amonio
NH4Cl
SS
R
R
R
R
Cloruro de bario
BaCl2
SS
R
R
R
R
Cloruro de calcio
CaCl2
SS
R
R
R
PR
Cloruro de cinc
ZnCl2
SS
R
R
NR
NR
Cloruro de cobre
CuCl2
SS
R
R
PR
—
Cloruro de estaño
SnCl2
SS
R
R
SS
R
R
Cloruro de etileno
ClCH2CH2Cl
100
PR
—
SS
R
R
Cloruro de etilo
CH3CH2Cl
100
PR
—
SS 100
73 73
Producto
Fórmula
Producto
Fórmula
Cloruro de magnesio
MgCl2
Conc 20ºC 60ºC SS
R
R
Fluoruro de aluminio
AlF3
Conc 20ºC 60ºC SS
R
R
Cloruro de mercurio
HgCl2
SS
R
R
Fluoruro de amonio
NH4F
20
R
R R
Cloruro de metileno
CH2Cl2
PR
PR
Fluoruro de potasio
KF
SS
R
Cloruro de metilo
CH3Cl
NR
—
Fluoruro de sodio
NaF
SS
R
R
Cloruro de níquel
NiCl2
SS
R
R
Fluoruro hidrogenado de amonio NH4HF2
50
R
R
Cloruro de potasio
KCl
SS
R
R
Formaldehído
HCHO
40
Cloruro de sodio
NaCl
SS
R
R
Formamida
HCONH2
NR
—
Fosfato de amonio
NH4H2PO4
NR
NR
Fosfato de sodio
Na3PO4
Cloruro de sulfurilo
SO2Cl2
Cloruro de tionilo
SOCl2
100
SS
R
R
R
R
R
R
R
R R
Cloruro férrico
FeCl3
SS
R
R
Fosfato hidrogenado de potasio K2HPO4
R
Cloruro ferroso
FeCl2
SS
R
R
Fosfato hidrogenado de sodio
Na2HPO4
R
R
Cloruro fosforílico
POCl3
R
PR
Fosgenio
CoCl2
PR
PR
R
R
Gases industriales conteniendo
R
R
fluoruros hidrogenados
R
R
ácidos carbónicos
R
—
Gasolina común
R
PR
Glicerina
Creosota Cresol
HOC6H4CH3
Cromato de potasio
K2CrO4
Cromato de sodio
Na2CrO4
Decahidronaftaleno Decalina
SS 100
C10H18
100
Detergentes sintéticos
100 Trazas
R
R
R
R
R
PR
R
R
(CH2)2CH(OH)3
100 Con
R
R
SS
R
R
R
PR
Glicol
CH2OHCH2OH
R
R
Glucosa
C6H12O6
Dextrina
(C6H10O5)n
Sol
R
R
Grasas
R
PR
Dibutilftalato
C6H4(CO2C4H9)2
100
R
PR
Heptano
C7H16
100
R
NR
Diclorobenceno
C6H4Cl2
PR
NR
Hexano
C6H14
100
R
PR
Dicloroetileno
ClCHCHCl
NR
—
Hexanotriol
SS
R
R
Dicromato de potasio
K2Cr2O7
R
R
Hidracina hidratada
H2NNH2H2O
R
R
Dietiléter
C2H5OC2H5
PR
—
Hidrógeno
H2
100
R
R
Diisobutilcetona
CH4CH2CO
R
NR
Hidroquinona
C6H4(OH)2
SS
R
R
Dimetilamina
(CH3)2NH
R
PR
Hidróxido de bario
Ba(OH)2
SS
R
R
Dimetilformamida
HCON(CH3)2
R
PR
Hidróxido de calcio
Ca(OH)2
SS
R
R
Dioctilftalato
C6H4(COOC8H17)2
100
R
PR
Hidróxido de magnesio
Mg(OH)2
SS
R
R
Dioxano
C4H8O2
100
R
R
Hidróxido de potasio
KOH
50
R
R
Dióxido de carbono húmedo
CO2
100
R
R
Hidróxido de sodio
NaOH
40
R
R R
100 SS 100
Dióxido de carbono seco
CO2
100
R
R
Hipoclorito de calcio
Ca(ClO)2
SS
R
Dióxido de cloro seco
ClO2
100
R
R
Hipoclorito de potasio
KClO
>10
R
PR
Dióxido de nitrógeno
NO ó (NO)2
R
R
Hipoclorito de sodio
NaClO
5Cl
R
R
R
—
PR
NR
Ioduro de potasio
KI
Éster etil monocloroacético
R
R
Iodo
I2
R
PR
Éster metil monocloroacético
R
R
Isooctano
(CH3)3CCH2CH(CH3)2
R
PR
(CH3)2CHOH
R
R
Disulfito de sodio
Na2S2O5
Disulfuro de carbono
CS2
100
Ésteres alifáticos Etanol
C2H5OH
Éter
(CH3CH2)2O
Éter de petróleo
40 100
PR
Isopropanol Jugos de fruta
R
R
PR
PR
Lanolina
R
R
R
PR
Leche
R
NR
Lejía conteniendo SO2
PR
PR
Lejía de blanqueo conteniendo
PR
NR
C2H5OC2H5
Éter isopropílico
(CH3)2CHOCH(CH3)2
Etilendiamina
H2N(CH2)2NH2
R
R
12,5% de cloro activo
SS NaOCl+NaCl
OHCH2CH2OH
R
R
Melaza
Etilhexanol
C8H18O
R
R
Mentol
C10H19OH
Fenilhidracina
C6H8N2
PR
—
Mercurio
Hg
Fenol
C6H5OH
>10
R
R
Metano
CH4
SS
R
R
Metanol
CH3OH
F2
100
NR
NR
74
Norm
Levadura
Etilenglicol
Flúor gaseoso
NR R
PR
Éter dietílico
Fertilizantes
Norm
PR R
R
C4H9OC4H9
100
SS
R
Éter dibutílico
100
12Cl
100 100
R
R
R
R
PR
NR
R
R
R
R
R
PR
R
R
R
—
R
R
Producto
Fórmula
Metilamina
CH3NH2
Metiletilcetona
CH3COC2H5
Conc
20ºC 60ºC
Producto
R
—
Sales de aluminio
SS
R
R
R
NR
Sales de níquel
SS
R
R
R
R
Sebo
100
R
R
R
PR
Silicato de sodio
Na2SiO3
SS
R
R
Proporción: 48/49/3
NR
—
Sulfato crómico de potasio
KCr(SO4)2
50/50/0
NR
—
Sulfato de aluminio
Al2(SO4)
10/20/70
R
PR
Sulfato de amonio
10/87/3
NR
—
Sulfato de bario
R
R
Sulfato de calcio
R
R
R
32
Metilglicol Metoxibutanol Mezcla de ácidos
100
H2SO4/HNO3/Agua
Monóxido de carbono
CO
Morfolina
C4H9NO
100
Nafta
Fórmula
Conc
20ºC 60ºC
R
R
SS
R
R
(NH4)2SO4
SS
R
R
BaSO4
SS
R
R
CaSO4
SS
R
R
Sulfato de cinc
ZnSO4
SS
R
R
PR
Sulfato de cobre
CuSO4
SS
R
R
R
PR
Sulfato de fierro
Fe2(SO4)3
SS
R
R
Naftaleno
C10H8
Nitrato de amonio
NH4NO3
SS
R
R
Sulfato de magnesio
MgSO4
SS
R
R
Nitrato de calcio
Ca(NO3)2
SS
R
R
Sulfato de níquel
NiSO4
SS
R
R
Nitrato de cobre
Cu(NO3)2
SS
R
R
Sulfato de potasio
K2SO4
SS
R
R
Nitrato de fierro
Fe(NO3)3
Sol
R
R
Sulfato de sodio
Na2SO4
SS
R
R
Nitrato de magnesio
Mg(NO3)2
SS
R
R
Sulfato hidrogenado de potasio KHSO4
R
R
Nitrato de mercurio
Hg(NO3)2
Sol
R
R
Sulfito de sodio
Na2SO3
R
R
Nitrato de níquel
Ni(NO3)2
SS
R
R
Sulfito hidrogenado de potasio
KHSO3
>10
R
R
Nitrato de plata
AgNO3
SS
R
R
Sulfito hidrogenado de sodio
NaHSO3
>10
R
R
Nitrato de potasio
KNO3
SS
R
R
Sulfuro de amonio
(NH4)2S
SS
R
R
Nitrato de sodio
NaNO3
SS
R
R
Sulfuro de bario
BaS
Nitrito de sodio
NaNO2
SS
R
R
Sulfuro de calcio
CaS
R
PR
Sulfuro de carbono
CS2
PR
NR
Sulfuro de potasio
K 2S
Nitrobenceno (nitrobencenol) C6H5NO2 Octilcresol
100
R
R
>10
PR
PR
PR
—
Sol
R
R
SS
R
R
Ortofosfato de potasio
K3PO4
R
R
Sulfuro de sodio
Na2S
Ortofosfato de sodio
Na3PO4
R
R
Tetrabromuro de acetileno
CHBrO2CHBrO2
NR
NR
Ortofosfato disodio
Na2H2P2O7
R
R
Tetracloroetano
Cl2CHCHCl2
PR
NR
PR
—
SS
Oxalato de sodio
Na2C2O4
R
—
Tetracloroetileno
Cl2CCCl2
Oxicloruro de fósforo
POCl3
R
—
Tetracloruro de carbono
CCl4
Óxido de cinc
ZnO
R
R
Tetraetilo de plomo
SS
Óxido de etileno
(CH2)2O
NR
—
Tetrahidrofurano
Óxido de propileno
CH2OCHCH3
R
—
Tetrahidronaftaleno
Oxígeno
O2
100
R
PR
Tetralina
Ozono
O3
100
PR
NR
Ozono en solución acuosa para bebida Pentóxido de fósforo
P2O5
NR
NR
(CH3CH2)4Pb
R
—
CH2(CH2)2CH2O
PR
NR
R
PR
C6H4CH2(CH2)2CH2
PR
NR
Tiofeno
C6H5SH
PR
PR
Tiosulfato de sodio
Na2S2O3
R
R
R
—
Tolueno
C6H5CH3
100
R
R
Tributilfosfato
(C4H9)3PO4
Perclorato de potasio
KClO4
SS
R
R
Tricloroetano
Cl3CCH3
Permanganato de potasio
KMnO4
20
R
R
Tricloroetileno
Cl2CCHCl
Peróxido de hidrógeno
H2O2
30
R
R
Tricloruro de antimonio
SbCl3
Persulfato de potasio
K2S2O8
Persulfato de sodio
Na2S2O8 C5H5N C3H8
Propano líquido
C3H8
Propilenglicol
CH3CH(OH)2CH2
Revelador fotográfico
PR
NR
R
R
PR
—
100
PR
NR
90
R
R
100
R
PR
50
R
PR
Tricloruro de fósforo
PCl3
R
NR
Tricresilfosfato
PO(OC6H4CH3)3
SS
R
R
Trietanolamina
N(CH2CH2OH)3
R
R
Trioctilfosfato
(C8H17)3PO4
R
PR
Úrea
(NH2)2CH
R
PR
Urina
R
R
Vapores de bromo
PR
—
R
—
Vaselina
PR
PR
R
R
PR
NR
100
Poliglicoles Propano gaseoso
100
90
Petróleo Piridina
100
100 Norm
NR
—
Vinagre
R
R
Xileno
R
R
C6H4(CH3)2
100 Sol
100
R
R
R
R
PR
—
R
R
R
R
75 75
13. Servicios al Cliente 13.1 Servicio de termofusión en terreno Duratec cuenta en la actualidad con un completo equipamiento para ejecutar obras de instalación de tuberías de HDPE. Este servicio está orientado a satisfacer en forma ágil, rápida y segura los trabajos de termofusión. Contamos con personal altamente calificado y con gran experiencia en trabajos de termofusión. Además disponemos de maquinaria de excelente calidad y rendimiento. En la siguiente tabla se muestran rendimientos promedio referenciales, para servicios de termofusión en tuberías de distintos diámetros, ofrecidos por Duratec. Diámetro nominal mm 63 a 90
Uniones/día 20
110 a 140
18
160 a 200
16
225 a 280
14
315 a 400
12
450 a 500
8
560 a 630
6
710 a 800
4
13.2 Asistencia técnica Nuestra empresa cuenta con un Departamento Técnico que presta apoyo a empresas de proyectos, constructoras, mineras y clientes en general sin costo alguno. Con este propósito, pretendemos mantener una excelente relación con nuestros clientes y ofrecerles el mejor servicio para una exitosa instalación de nuestros productos. Contáctese con nosotros.
13.3 Fabricación de piezas especiales Adicionalmente, Duratec cuenta con un taller de fabricación de piezas especiales a pedido, distintas a las mostradas en este catálogo. Algunos productos de esta línea son: planchas de polietileno, manifolds, reducciones especiales, codos en todos los ángulos, tees de reducción, etc.
Este documento presenta información confiable con lo mejor de nuestro conocimiento y experiencia. Sin embargo Notas: • El rendimiento de las uniones es diario (8,5 h), bajo condiciones de terreno óptimo y de alineación de tuberías listas para ser termofusionadas. • El servicio no incluye montaje, alineación ni traslado de tubería en terreno. • Este servicio requiere de ayudantes y retroexcavadora para apoyo en faena (movimiento de equipo de termofusión, arrastre de tuberías, etc.).
76
nuestras sugerencias y recomendaciones no pueden ser garantizadas, pues las condiciones de utilización escapan a nuestro control. El usuario de esta información asume todo el riesgo relacionado con su uso. Duratec no asume responsabilidad por el uso de información presentada en este documento y expresamente desaprueba toda responsabilidad referente a tal uso.
Anexos Anexo A: Tablas dimensionales tuberías HDPE. Tabla A.1: Dimensiones tubería HDPE-Duratec PE 80 norma ISO 4427 (σ σS = 63 Kgf/cm2).
Tubería en rollos o tiras. Esta tabla se incluye a modo informativo.
77 77
Tabla A.2: Dimensiones tubería HDPE-Duratec PE 80 norma DIN 8074(σ σS = 63 Kgf/cm2).
Tubería suministrada en rollos o tiras. Esta tabla se incluye a modo informativo.
78
Anexo B: Normas de referencia relacionadas con tuberías y fittings de HDPE El siguiente es un resumen de normas ISO y DIN que tienen relación con tuberías y fittings de HDPE. ISO 161-1
:
1996
Thermoplastics pipes for the conveyance of fluids - Nominal outside diameters and nominal pressures - Part 1: Metric series.
ISO 1133
:
1996
Plastics - Determination of the melt mass-flow rate (MFR) and the melt volume-flow rate (MVR) of thermoplastics.
ISO 1167
:
1996
Thermoplastics pipes for the conveyance of fluids - Resistance to internal pressure - Test method.
ISO 1183
:
1987
Plastics - Methods for determining the density and relative density of non-cellular plastics.
ISO 4065
:
1996
Thermoplastics pipes - Universal wall thickness table.
ISO 4427
:
1996
Polyethylene (PE) pipes for water supply - Specifications.
ISO 6259-1
:
1997
Thermoplastics pipes - Determination of tensile properties - Part 1: General test method.
ISO 6259-3
:
1997
Thermoplastics pipes - Determination of tensile properties - Part 3: Polyolefin pipes.
ISO 11922-1
:
1997
Thermoplastics pipes for the conveyance of fluids - Dimensions and tolerances - Part 1: Metric series.
ISO 12162
:
1995
Thermoplastics materials for pipes and fittings for pressure applications Clasification and designation - Overall service (design) coefficient.
DIN 8074
(1999)
High-density polyethylene (PE-HD) pipes. Dimensions.
DIN 8075
(1999)
High-density polyethylene (PE-HD) pipes. General quality requirements. Testing.
DIN 16963 Part 1
(1980)
Pipe Joints and Elements for High Density Polyethylene (HDPE) Pressure Pipelines. Pipe Bends of Segmental Construction for Butt-welding. Dimensions.
DIN 16963 Part 2
(1983)
Pipe joint assemblies and fittings for types 1 and 2 high-density polyethylene (HDPE) pressure pipes. Tees and branches produced by segment inserts and necking for butt welding. Dimensions.
DIN 16963 Part 4
(1988)
Pipe joint assemblies and fittings for high-density polyethylene (HDPE) pressure pipes. Adaptors for fusion jointing, flanges and sealing elements. Dimensions.
DIN 16963 Part 6
(1989)
Pipe joint assemblies and fittings for high-density polyethylene (HDPE) pressure pipes. Injection-moulded fittings for butt welding. Dimensions.
DIN 16963 Part 7
(1989)
Pipe joint assemblies and fittings for high-density polyethylene (HDPE) pressure pipes. Fittings for resistance welding. Dimensions.
DIN 16963 Part 8
(1980)
Pipe Joints and Elements for High Density Polyethylene (HDPE) Pressure Pipelines. Injection Moulded Elbows for Socket-welding. Dimensions.
DIN 16963 Part 9
(1980)
Pipe Joints and Elements for High Density Polyethylene (HDPE) Pressure Pipelines. Injection Moulded Tee Pieces for Socket-welding. Dimensions.
DIN 16963 Part 10 (1980)
Pipe Joints and Elements for High Density Polyethylene (HDPE) Pressure Pipelines. Injection Moulded Sockets and Caps for Socket-welding. Dimensions.
DIN 16963 Part 11 (1980)
Pipe Joints and Elements for High Density Polyethylene (HDPE) Pressure Pipelines. Bushes, Flanges and Seals for Socket-welding. Dimensions.
DIN 16963 Part 13 (1980)
Pipe Joints and Elements for High Density Polyethylene (HDPE) Pressure Pipelines. Turned and Pressed Reducing Sockets for Butt-welding. Dimensions.
DIN 16963 Part 14 (1983)
Pipe joint assemblies and fittings for types 1 and 2 high-density polyethylene (HDPE) pressure pipes. Injection moulded reducers and nipples for socket welding. Dimensions.
79 79
Anexo C: Ejemplos de cálculos
C.1 Cálculo de pérdida de carga Referencia «Tuberías de polietileno», Vol. I, J. Danieletto. Calcular la pérdida de carga en una tubería de HDPE PE 100, de diámetro externo 630 mm, PN 10, cuyo caudal es de 0,85 m3/s.
Para calcular el número de Reynolds: Re =
Calculamos la velocidad media:
1. Por Hazen-Williams tenemos: v= h = 10,643 Q1,85 C-1,85 d-4,87 Donde: Q = 0,85 m3/s C = 150 d = 555,2 mm (diámetro interno) h = pérdida de carga por metro de tubería (m/m) Para calcular el diámetro interno, vamos a la Tabla 5.1: Dimensiones tubería HDPE-Duratec PE 100, y vemos que para PN 10, el espesor de la tubería de diámetro externo 630 mm es de 37,4 mm, por lo tanto el diámetro interno será:
Q 4Q = A π•d 2
4•0,85 π•0,5552 2
= 3,5 m/s
Por lo tanto: Re =
3,5 • 0,5552 = 1.923.960 m/s 1,01 x10 -6
Además: Para diámetro > 200 mm: ε = 25 µm (2,5x10-2 mm) Y, reemplazando en la fórmula de f, tenemos:
f= Reemplazando:
=
Además υ = viscosidad cinemática del fluido, m2/s (para agua υ =1,01 x 10-6 m2/s)
[(
d = 630 - 2•37,4 = 555,2 mm
vd υ
-2log
1
)]
0,000025 5,62 + 3,71•0,5552 1.923.960 0.9
2
= 1,176 x 10-2
h = 10,643 • 0,851,85 • 150-1,85 • 0,5552 -4,87 h = 0,01304 m/m
Reemplazando en la fórmula de Colebrook: h=
2. Por Colebrook: h=
fv2 d 2g
Usando la fórmula simplificada de f, tenemos:
[(
f=
-2log
ε
3,71 d
80
] 2
1 +
)
5,62 Re0.9
1,176x10 -2 • 3,5 2 = 0,01322 m/m 0,5552•2•9,81
De acuerdo a la literatura, se recomienda adoptar la mayor pérdida de carga obtenida entre las dos fórmulas.
C.2 Cálculo de pérdida de carga utilizando ábaco de Hazen-Williams Ejemplo Se dispone de un caudal de agua de Q = 10 l/s y de una tubería de HDPE PE 100 PN 10 de 110 mm de diámetro nominal. Se desea determinar la pérdida de carga y la velocidad de escurrimiento.
camos el valor Q = 10 l/s. Una vez determinado este punto, subimos verticalmente hasta intersectar la curva para diámetro nominal 110 mm y PN 10. A partir de este punto de intersección, en las ordenadas leemos el valor para la pérdida de carga H, y en las curvas que describen la velocidad, obtenemos el valor de la velocidad de escurrimiento.
En el ábaco para tuberías de HDPE PE 100 Norma ISO 4427 Clases PN 10 y PN 16, en las abscisas ubi-
1 0,5
50% 100%
3,0 m /s 2,5 m /s 2,0 m
/s
1,2 m/s v=0,8
0,05
10%
/s
m/s
0,025
5%
0,1000
1,6 m
D=32
0,005
5%º
2,75
D=50
D=40
D=63
2,25
D=75 D=90
1,8 m
D=110
/s
1,4 m
D=140
0,0010
v= 0 ,2
m/s
m/s
/s
D=125 D=160
m/s
D=200
1,0 m D=250
/s
D=315
0,0005
D=400 D=355
D=500 D=450
v=0,6
D=630 D=560
P PN N 1 10 6
0,0100
1%
D=25 mm
0,5%º 1%º
Pérdida de carga unitaria h (m.c.a./m) (tanto por uno)
Ábaco tuberías HDPE PE 100 Norma ISO 4427 Clases PN 10 - PN 16 HAZEN-WILLIAMS
m/s
0,4 m 0,0001
0,1%º
/s
0,1
0.5
1
5
10
50
100
500
1000
Caudal (l/s)
Los valores obtenidos son los siguientes:
Nota: Se debe señalar que para entrar a los ábacos se utiliza directamente el diámetro nominal de la tubería.
H = 0,025 m/m v = 1,6 m/s
81 81
C.3 Cálculo de pérdida de carga utilizando los ábacos de Manning
(hD) = ( DD ) máx
Se tiene un sistema con las siguientes características de flujo: Caudal máximo = Qmáx = 50 l/s Caudal mínimo = Qmín = 10 l/s Pendiente = S = 0,004 Terreno granular bien compactado (E’= 70Kgf/cm2)
(QQ ) = 0,83
= 0,7
P
P
F máx
F
Donde: QP = caudal a sección parcial QF = caudal a boca llena Análogamente, para caudal mínimo:
( hD) = ( DD ) P
mín
Como recomendación general y suponiendo condiciones de escurrimiento gravitacional normal se establecen las siguientes relaciones para caudales máximos y mínimos, donde h es la altura del flujo transportado y D es el diámetro interno de la tubería, como se observa en la figura.
(QQ ) = 0,18
= 0,3
P
F mín
F
Parámetros para flujo gravitacional parcial 1.0
Diámetro externo tubería
.9
AP
.8
Para Qmáx:
Para Qmín:
( )
AF
VP
.7
h = 0,7 D máx
DP DF
h = 0,3 D mín
( )
QP
.6
QF
RP
.5
QP
.4
VF RP RF
RF
QF
.3 AP
.2
AF
VP
.1
VF
0 0
.1
.2
.3
.4
.5
.6
.7
.8
.9 1.0 1.1 1.2 1.3
Factor multiplicador
D θ
h
Por lo tanto: Para caudal máximo, tenemos que: Qmáx = 50 l/s
a) Método tradicional: Para una tubería de HDPE norma DIN 8074 con tensión de diseño σs = 50 Kgf/cm2, se desea determinar el diámetro nominal requerido y la velocidad de escurrimiento, para transportar un flujo de agua de acuerdo a las características anteriormente especificadas. Utilizamos el ábaco de Manning a boca llena más el gráfico Factor Multiplicador (Parámetros para flujo gravitacional parcial): En el gráfico Factor Multiplicador, para caudal máximo, entramos en las ordenadas por 0,7 y ubicamos el punto de intersección con la curva QP/QF , obteniendo el Factor Multiplicador.
QF =
Entramos al ábaco de Manning a boca llena con los siguientes parámetros: S = 0,004 Qboca llena = 60,24 l/s Y observamos que el diámetro de tubería que mejor se ajusta a estos parámetros es d= 315 mm. Del mismo modo, para caudal mínimo: Qmín = 10 l/s QF =
82
QP 50 l/s = = 60,24 l/s 0,83 0,83
QP 10 l/s = = 55,56 l/s 0,18 0,18
Entrando al ábaco de Manning a boca llena, observamos que también d = 315 mm, es el diámetro nominal que más se acerca a los parámetros requeridos. Determinado el diámetro nominal a utilizar, d = 315 mm, elegimos la clase de tubería (PN) que utilizaremos.
Para esto, vamos al gráfico de deformaciones (%) para tuberías de HDPE, para E’= 70 Kgf/cm2 que es lo recomendado para una buena compactación. A partir de este gráfico observamos que cualquier tubería que utilicemos cumple con los requisitos para ser enterrada de 1 a 6 m. Luego, elegiremos la tubería PN 3,2.
0,5
100% 50%
3,0 m/s 2,5 2,0
1,2
0,1000
10%
1,6
m/s
m/s
m/s
m/s
2,75 m/s 2,25 m/s
D=63 D=90
v=0
,2m /s
D=140
1,4 m/s
D=160 D=200
0,0010
1%0
1,8 m/s
D=125
1,0 m/s
D=250
0,0005
D=315
D=355
0,8
D=400
D=450 D=500
v= 0
D=560
m/s
6
D=110
,6 m
/s
v= 0
PN
D=630
0,0001
0,1%º
,4 m
0,1
0,5
1
5
10
50
4 3, 2
D=75
PN
1%
D=50
0,005
5%º
D=40
0,0100
D=32 mm
/s
PN
,8 m
0,05
5%
v=0
0,5%º
Pérdida de carga unitaria h (m.c.a./m) (tanto por uno)
10.000
Ábaco tuberías HDPE Norma DIN 8074 (σs= 50 Kgf/cm2) Clases PN 3,2 - PN 4 - PN 6 a boca llena FÓRMULA DE MANNING
/s
100
500
1000
Caudal (l/s)
Ahora evaluaremos la velocidad de escurrimiento: Entrando con los siguientes parámetros en el ábaco de Manning a boca llena: S = 0,004 d = 315 mm PN 3,2 Obtenemos el valor de la velocidad a boca llena: Vboca llena= 1,1 m/s En el gráfico Factor Multiplicador, entramos en las ordenadas con DP /DF = 0,7 y ubicamos la intersección con la curva que describe la relación de velo-
cidades VP /VF , obteniendo el Factor Multiplicador:
(VV) = 1,12 P
F
VP = velocidad de flujo a sección parcial VF = velocidad de flujo a boca llena Luego, la velocidad máxima de escurrimiento será: VP = 1,12 • VF VP = 1,12 • 1,1 = 1,23 m/s
83 83
b) Método alternativo: Para una tubería de HDPE norma DIN 8074 con tensión de diseño σs= 50 Kgf/cm2, se desea determinar el diámetro nominal requerido y la velocidad de escurrimiento, para transportar un flujo de agua de acuerdo a las características especificadas.
Para entrar al ábaco, necesitamos calcular las siguientes relaciones: Para Qmáx= 50 l/s Q
0,05
(√S) = (√0,004) = 0,79 máx
Utilizando el ábaco de Manning para diferentes alturas de llenado:
Para Qmín= 10 l/s 0,01 (√SQ ) = (√0,004 ) = 0,16
Caudal máximo = Qmáx = 50 l/s Caudal mínimo = Qmín = 10 l/s Pendiente = S = 0,004 Terreno granular bien compactado (E´= 70 Kgf/cm2)
mín
Ábaco tuberías HDPE Norma DIN 8074 (σs= 50 Kgf/cm2) Clases PN 3,2 - PN 4 - PN 6 para diferentes alturas de llenado 0,79
0,7
0,70
(A/D2) (D-2e)2
0,67
V: Velocidad (m/s)
0,59
Q: Caudal (m3/s) D: Diámetro exterior cañería (m) e: Espesor cañería (m)
0,60
0,49
0,50
0,39
0,40
0,29
0,30
0,20
0,20
(A/D2) : Del gráfico (adimensional) 0,5
D=32 mm
D=40
D=50
D=63
0,3 D=75
D=90 D=125 D=110 D=140
D=160
0,10 D=200
D=250
D=315
0,074 D=355 D=450 D=400 D=560 D=500 D=630
0,05
0,1 0,0001
0,0005
0,0010
0,005
0,0100
0,05
0,1
0,5
1
(Caudal en m3/s dividido por la raíz de la pendiente en tanto por uno) (Q/ S ) (m3/s)
84
0,80
0,74
P P N6 P NN 4 3, 2
h/D (altura de agua dividido por el diámetro interior) (m/m)
V =
Q
5
0,041 10.0000
A/D2 (Sección de escurrimiento dividido por el diámetro interior al cuadrado) (m2/m2)
1,0
Para determinar el diámetro nominal requerido, para caudal máximo, entramos al ábaco con los siguientes parámetros:
(√SQ )
= 0,79
y
máx
( hD) = 0,7 máx
Observamos que la tubería de 315 mm es la más cercana a nuestro punto de intersección.
A partir de este valor ubicamos el punto de intersección con la curva para d = 315 mm y PN 3,2. En el ábaco, leemos en ambos sectores de las ordenadas: h = 0,59 d
y
A = 0,48 D2
Luego, calculamos la velocidad a partir de la ecuación descrita en este ábaco:
Análogamente, para caudal mínimo: Q = 0,16 √S mín
( )
y
h = 0,3 D mín
( )
Observamos que también la tubería de 315 mm es la que satisface nuestras necesidades.
V=
Q (A/D2) (D-2e)2
Donde e = 9,7 mm (espesor mínimo tubería, ver tabla 5.2). Reemplazando se tiene:
Una vez determinado el diámetro nominal a utilizar, d = 315 mm y de acuerdo al criterio para deformaciones de tuberías expuesto en el ejemplo a) Método tradicional, elegiremos una tubería de HDPE norma DIN 8074 PN 3,2. Para determinar la velocidad de escurrimiento, entramos por las abscisas al ábaco de Manning para diferentes alturas de llenado:
(Q√S)
V=
0,050 = 1,19 m/s 0,48 (0,315 - 2 • 0,0097)2
Observamos que el valor de velocidad máxima de escurrimiento obtenida por este método es muy similar al obtenido por el método tradicional, V= 1,23 m/s, cuya diferencia se debe únicamente a aproximaciones.
= 0,79
máx
85 85
C.4 Cálculo de b para la instalación de válvulas mariposa Cuando se instalan válvulas mariposa entre tuberías HDPE, generalmente es necesario biselar los stub ends que hay que utilizar para evitar que el disco de la válvula tope internamente con éstos y pueda girar libremente. En la siguiente figura se ilustra este problema.
stub end disco
30º
detalle
H x
Despejamos x, resultando:
x=
√
2
() () d 2
-
L
2
2
-
d5 2
Como vemos en la figura, x corresponde al punto en que el disco de la válvula mariposa topa verticalmente con el borde interno del stub end. Los fabricantes de válvulas recomiendan una cierta holgura para este valor, por lo que para efectos de cálculo es aconsejable utilizar la medida H que también se muestra en la figura.
b d
Para calcular b, que es la diferencia desde el borde interno del stub end, a la cual se aconseja realizar el biselado con un ángulo de 30º como muestra el detalle de la figura, se puede aplicar la siguiente relación trigonométrica:
d5
tubería
L
Como se muestra en la figura, podemos formar el triángulo rectángulo que se marca con líneas azules.
b=
H tg 30º
Ejemplo: Calcular el valor de b para instalar una válvula mariposa en una tubería de HDPE PE 100 PN 10 de 250 mm.
d 2
Primero se debe contar con los datos de la válvula que se va a utilizar. En este caso usaremos una válvula mariposa marca ASAHI, Modelo 75 Gear. A partir del catálogo del fabricante, obtenemos los valores de d (diámetro del disco) y L (ancho de la válvula) para el modelo 75 Gear de 10”.
d5 + x 2
d = 10,08” = 256,03 mm L = 4,33” = 109,98 mm
L 2
Y, aplicando Pitágoras, tenemos: 2
2
() () ( ) d 2
86
=
L
2
2
+
d5
2
+x
Vamos a la tabla 5.1, para tuberías PE 100, donde aparecen los valores mínimos de diámetros y espesores correspondientes a cada presión nominal PN. Los cálculos pueden ser realizados con estos valores. Sin embargo, para ser más rigurosos, es conveniente utilizar los valores medios tanto de diámetro de tubería como de espesor de pared. Para obtener estos valores puede
contactarse con el Departamento Técnico de Duratec, o bien consultar la norma ISO 11922-1 donde aparecen las tolerancias que rigen la fabricación de estas tuberías.
C.5 Cálculo de espaciamiento entre soportes aéreos Referencia «Tuberías de Polietileno», Vol. I, J. Danieletto
Para tuberías PE 100 PN 10 de 250 mm, los valores medios son: Diámetro medio = 251,2 mm Espesor medio = 16 mm
Esfuerzos de flexión entre apoyos Los esfuerzos de flexión en tuberías son bastante comunes, ya sea en instalaciones aéreas, donde las tuberías son fijadas a intervalos regulares por soportes o abrazaderas, en tuberías ancladas sobre el suelo por pesos de concreto, en instalaciones submarinas, o incluso debido a la acción de corrientes acuáticas y olas. Es necesario verificar que las tensiones de flexión no sobrepasen los límites admisibles, lo cual llevaría la tubería al colapso.
Por lo tanto, el diámetro interno tanto de la tubería como del stub end, d5 será: d5 = diámetro externo tubería - 2 espesor de pared d5 = 251,2 - 2 • 16 = 219,2 mm Con los valores de d (diámetro del disco), L (ancho de la válvula) y d5 (diámetro interno del stub end), podemos calcular el valor de x:
En la siguiente figura se ilustra esta situación. q
x=
√
2
2
-
109,98 2
δ
2
( )( ) 256,03
-
219,2
= 6,0 mm
2 La flecha resultante δ se puede calcular por:
En este caso, el fabricante recomienda una holgura de 2 mm para este modelo de válvulas hasta 5“ y 3 mm desde 5“. Por lo tanto el valor de H será: H = x + 3 = 9 mm
Y, calculamos b, reemplazando H en la ecuación:
b=
l
( ) 9 tg 30º
δ=
q l4 6 π Ek ( D4 - d4 )
Donde: δ = flecha, cm D = diámetro externo tubería, cm d = diámetro interno tubería, cm l = espaciamiento entre apoyos, cm = módulo de elasticidad o módulo de EK plastodeformación del material, Kgf/cm2 q = carga distribuida, kgf/cm.
= 15,6 mm
Obtenemos el valor de b = 15,6 mm, por lo que es aconsejable realizar un biselado de aproximadamente 16 mm en el stub end antes de instalar la válvula mariposa.
Si consideramos los esfuerzos de flexión causados por el propio peso de la tubería sumado al peso del fluido, como ocurre en instalaciones aéreas y tuberías con soportes, tenemos: • Carga debida a la tubería qp =
ρp
( D2 - d2 ) ρp (Kgf/cm) 4
= Peso específico de la tubería (Kgf/cm3)
87 87
• Carga debida al fluido qf =
ρf
d2 4
ρf (Kgf/cm)
= Peso específico del fluido, agua ρf = 1,0 x 10-3 (Kgf/cm3)
q = qp +qf Limitando la relación entre el espaciamiento (l) y la flecha (δ) en un determinado valor (δ/1), el espaciamiento se puede obtener por:
l=
√ 3
6 π Ek (D4 - d4) (δ/l) q
A modo de magnitud, se verifica que la relación (δ/l) entre 1/200 y 1/300 resulta en flechas no perceptibles a simple vista. Ejemplo: Calcularemos el espaciamiento entre soportes aéreos para una tubería de HDPE PE 100, PN 20, de 160 mm que transporta agua a temperatura ambiente. Tubería HDPE PE 100, PN 20, D = 160 mm Diámetro interno d = 160 - 2 • 17,9 = 124,2 mm
ρf EK
88
• Carga debida a la tubería: qp =
( D2 - d2 ) (162 - 12,422 ) ρp= 0,96 x 10-3 = 0,02442 Kgf/cm 4 4
• Carga debida al fluido:
Luego:
ρp
Reemplazando en las ecuaciones anteriormente descritas, tenemos:
= peso específico de la tubería, HDPE PE 100, ρp = 0,96 x 10-3 Kgf/cm3 = peso específico del fluido, agua ρf = 1,0 x 10-3 Kgf/cm3 = módulo de elasticidad, para PE 100 Ek = 14000 Kgf/cm2
qf =
d2 12,422 1 x 10-3 = 0,03856 Kgf/cm ρf = 4 4
Luego: q = qp + qf = 0,06298 Kgf/cm Reemplazando en la ecuación para calcular l y considerando (δ/l) como 1/300, tenemos:
l=
l=
√ √
3 6 π Ek ( D4 - d4 ) (δ/1) q
3 6 π 14000 (164 - 12,424) (l/300) = 8,3 m 0,06298
Obtenemos el valor para el espaciamiento entre apoyos l de 8,3 m.
Nota: Se debe considerar que los soportes no deben provocar cargas puntuales en la tubería. Se recomienda soportes con una buena superficie de contacto y que sostengan firmemente la tubería.
C.6 Teorema de Bernoulli para líquidos perfectos Referencia «Manual de Hidráulica», Azevedo Netto La siguiente figura muestra parte de un tubo de corriente* por el cual fluye un líquido de peso específico γ. En las dos secciones indicadas, de áreas A1 y A2 , actúan las presiones p1 y p2 , siendo las velocidades V1 y V2 , respectivamente. * En un líquido en movimiento, se consideran líneas de corriente las líneas orientadas según la velocidad del líquido y que cuentan con la propiedad de no ser atravesadas por partículas de
A1
fluido. En cada punto de una corriente, pasa, en cada instante t, una partícula de fluido de una velocidad V. Admitiendo que el campo de velocidad V sea contínuo, se puede considerar un tubo de corriente como una figura imaginaria, limitada por líneas de corriente. Los tubos de corriente están formados por líneas de corriente y cuentan con la propiedad de no poder ser atravesados por partículas del fluido: sus paredes se pueden considerar impermeables.
A1´
A2 A2´
dS1 Z1 Z2
dS2
Plano de referencia
Las particulas inicialmente en A1, en un pequeño intervalo de tiempo pasan a A1´, en tanto que las de A2 se mueven a A2´. Todo ocurre como si en este intervalo de tiempo, el líquido pasara de A1A1´para A2A2´. Se estudiarán solamente las fuerzas que producen trabajo, no considerándose aquellas que actúan normalmente en la superficie lateral del tubo. De acuerdo con el teorema de las fuerzas vivas: «La variación de la fuerza viva en un sistema, iguala al trabajo total de todas las fuerzas que actúan sobre el mismo». Así, considerando la variación de energía cinética:
M
: masa del fluido
Siendo el fluido un líquido incomprensible:
γ A 1 dS 1 = γ A 2 dS 2 = γ Vol Vol
: volumen del fluido
Y la suma de los trabajos de las fuerzas externas (empuje y gravedad) considerando que no hay roce por tratarse de un líquido perfecto, será: P1 A1 dS 1-P2A2dS 2+ γ Vol(Z1-Z2)
1 M V 2 1 M V 2 = 1 MV 2 2 2 1 1 2 2 2
89 89
Identificando los términos y sustituyendo, tenemos: 1γ
1γ VolV22 - VolV12 = (P1-P2)Vol + γ (Z1 - Z2)Vol 2g 2g
Simplificando: V 22 2g
-
V 12 2g
=
P1
γ
-
P2
γ
+ Z1 - Z2
Ejemplo: Se conduce agua desde un estanque partiendo con una tubería de HDPE PE 80 DIN 8074, PN 4 y diámetro externo 250 mm. Luego de pasar por una reducción, el diámetro cambia a 125 mm y el agua se descarga a presión atmosférica. El caudal es de 98 l/s. Calcular la presión en la sección inicial de la tubería y la altura de agua H en el estanque.
Y, reordenando los términos, obtenemos la expresión conocida como ”Teorema De Bernoulli”: V 12 2g
+
P1
γ
+ Z1 =
V22 2g
+
P2
γ
+ Z 2 = constante
3
H Ø 250 mm
Esta ecuación puede ser enunciada de la siguiente forma: «A lo largo de cualquier línea de corriente, la suma de las alturas cinética (V2/2g), piezométrica (p/γ) y geométrica (Z) es constante». El teorema de Bernoulli no es sino el «Principio de conservación de la energía». Cada uno de los términos representa una forma de energía: V 2g p
= energía cinética
γ
= energía de presión o piezométrica
Z
= energía de posición o potencial
Es importante destacar que cada uno de estos términos puede ser expresado en metros, constituyendo lo que se denomina carga.
m (carga de velocidad o dinámica)
p Kg/m2 = γ Kg/m3
m (carga de presión)
Z
90
Aplicando el balance de Bernoulli a la salida del estanque (punto 1) y en el punto de descarga (punto 2) se tiene:
2g
+
P1
γ
m (carga geométrica o de posición)
+ Z1 =
V22 2g
+
P2
γ
+ Z2
Z1=Z2=0 (el plano de referencia corresponde a la cota 0) P2=0 (se descarga a presión atmosférica)
P1
γ
V2 m2/s2 = 2g m/s2
2
1
V 12
2
Ø 150 mm
=
V 22 2g
-
V 12 2g
Para determinar V1 y V2 , utilizamos la “Ecuación de continuidad”:
Q = VA donde V =
Q A
El área corresponde al área de escurrimiento, para lo cual se debe considerar el diámetro interno de las tuberías. Para HDPE PE 80 DIN 8074 PN 4, los valores de los espesores de pared se encuentran en la Tabla 5.2 del catálogo.
Para determinar la altura H del estanque, podemos hacer un balance de Bernoulli entre el punto 1 y el punto 3 que indica el nivel superior de agua en el estanque:
V 32 2g
Q 4x0,098 4x0,098 2,34 m/s V1 = = = = πD12 π(0,25 - 2x0,0096)2 A1
V2 =
Q 4x0,098 4x0,098 9,37 m/s = = = πD22 π(0,125 - 2x0,0048)2 A2
V3 = 0 P3 = 0 Z1 = 0
+
P3
γ
+ Z3 =
V12 2g
+
P1
γ
+ Z1
(no hay velocidad, se considera que el nivel del agua se mantiene constante) (presión atmosférica)
Luego, la presión a la salida del estanque (punto 1) será la siguiente: H= P1 γ
=
9,372 2x9,8
-
2,342 2x9,8
= 4,48 - 0,28 =4,2 m
H=
V12 2g
+
P1
γ
2,342 + 4,2 = 0,28 + 4,2 = 4,48 m 2x9,8
91 91
