ABASTECIMIENTO DE AGUA CONDUCCIONES A PRESIÓN.
INTRODUCCIÓN
Una conducción a presión, el agua ocupa toda la sección de la tubería-, permite conducir el agua en condiciones adecuadas de calidad, cantidad y presión, ya sea desde la captación hasta la planta de tratamiento o desde ésta hasta los tanques de reserva, util tilizando como como fue fuente de energía la gravedad. Una línea de conducción es el conjunto de integrado por tub tuberías y dispositiv tivos de contro trol
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TIPOS Y CLASES DE TUBERÍAS Cualqu lquier tubería está stá defin finida ida por su tipo ipo, clas lase y diám iámetro nomina inal El tipo hace hace refer eferen enci cia a al mat materi erial del que que est está fab fabrica ricad do: Clor Cl oru uro de Poliv olivin inililo o PV PVC C Asbesto Cemento AC; Poli Polie etile ileno de alt alta densi ensid dad PE PEAD AD Hierro fundido dúctil, HF y/o HD Acero; Fibr ibra de vidr idrio. io. PRFV
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TIPOS Y CLASES DE TUBERÍAS La clase hace referencia, a la presión que puede soportar. Se debe escoger la tubería de manera que la obra sea lo más económ económica ica posible posible.. Dependiendo del material se tienen distintas maneras de expresar la cla clase de tubería. El diámetro nominal: corresponde al diámetro (exterior o inte interi rior or-d -dep epen end diend iendo o del del tipo tipo)) de la tube tuberí ría. a. Toda tubería tiene una norma de fabricación.
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TIPOS Y CLASES DE TUBERÍAS Tuberías de Acero. Norma de fabricación: ANSI-ASTM A 120-79 ANSI: American National Standard Institute ASTM American Society Testing Materials Las tuberías se fabrican bajo las denominaciones: cédula 30, 40 y 80. Las tuberías son pesadas; muy resistentes; rígidas; requieren de protección contra la corrosión; son costosas; su unión puede ser roscada o con soldadura. Su bajo contenido de carbón no le hacen resistente a la oxidación y a la corrosión. Se utilizan en tuberías de alta presión en centrales hidráulicas
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TIPOS Y CLASES DE TUBERÍAS Tuberías de PVC . Formada por plastificación del polímero Cloruro de polivinilo, obtenido a partir de la cloruro de sodio, carbón, cal y agua. Durante su fabricación, se añade estabilizantes, antoioxidantes, lubricantes y pigmentos. Normas de fabricación: INEN 1373 ASTM D - 1785 INEN: Instituto Ecuatoriano de Normalización. Las tuberías son livianas; flexibles; no resisten al impacto ni al aplastamiento; son las más económicas; fácil de instalar; No resisten la intemperie-se cristaliza. Se presentan en tubos de 6 m de longitud útil Su unión puede ser espiga-campana (con pega) o elastomérica. Comúnmente para tuberías mayores a 63 mm son uniones elastoméricas..
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TIPOS Y CLASES DE TUBERÍAS Tuberías de PVC …
Son las más usadas actualmente. Clases: en función de la presión que resiste: 0,50; 0,63; 1,00, 1,25 MPA. El diámetro nominal hace referencia al diámetro exterior de la tubería, lo que permite el uso de varias marcas en una misma obra. Coeficiente de transporte C = 140
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TIPOS Y CLASES DE TUBERÍAS Tuberías de Asbesto Cemento -AC Fabricadas por enrollado tensionado de una capa muy delgada de una mezcla homogénea de cemento portland y fibras de asbesto (amianto) con o sin adición de otras fibras en capas múltiples. Las fibras de asbesto pueden presentar una resistencia a la tracción de 7500 kg/cm2, hacen el mismo trabajo que el hierro en el hormigón armado. Su uso data de 1920. Estudios epidemiológicos acerca de los efectos sobre la salud , relacionados con los niveles de asbesto en el agua potable no han indicado ningún incremento del riesgo de tumores en las vías digestivas producto de ingerir fibras de asbesto.
ABASTECIMIENTO DE AGUA CONDUCCIONES A PRESIÓN – A GRAVEDAD.
TIPOS Y CLASES DE TUBERÍAS Tuberías de AC…
Se fabrican para resistir presiones de 10, 15, 20, 25, 30 kg/cm2, lo que define el espesor de la tubería y su clase. El diámetro nominal corresponde al diámetro interno. Los diámetros externos son diferentes para cada clase de tubería. La unión , de tipo elastomérico, se realizan mediante uniones denominada Rekas “rk”, para lo cual debe tornearse sus extremos a fin
de permitir la colocación el accesorio. Son más frágiles que la de HF; son inertes a la corrosión, a excepción de suelos con alto contenido de sulfatos, Requieren cuidado especial en su transporte, manejo y almacenaje. Su coeficiente de transporte C = 120
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TIPOS Y CLASES DE TUBERÍAS Tuberías de Polietileno de alta densidad. El polietileno es un polímero derivado del Etileno, tiene un alto peso molecular lo que le da una gran resistencia. La mezcla contiene negro de humo y antioxidante que le otorgan una resistencia a los rayos ultravioletas. Al igual que el PVC tiene gran resistencia a agentes corrosivos y fluidos químicos; bajo efecto de incrustaciones. Mayor flexibilidad, se fabrican en rollos. Norma de fabricación INEN 144- ISO 4427 El diámetro nominal se refiere al externo. La “serie” define la presión de trabajo.
La unión se realiza mediante termofusión, electrofusión, o accesorios mecánicos –plásticos o metálicos.
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TIPOS Y CLASES DE TUBERÍAS Tuberías de PRFV. Los principales componentes son: resinas poliésteres; fibra de vidrio y sílice. Tiene tres capas monolíticas: “liner” que garantiza la estanqueidad y la
resistencia química; la segunda capa-mecánica-resistente le otorga las propiedad mecánicas; y la tercera “Gel Goat” protege externamente a la
tubería con el agregado de inhibidores de rayos ultravioletas. El diámetro nominal hace referencia a su diámetro interno. Se definen por su clase (presión interna) y por su rigidez –resistencia a la deformación vertical por aplastamiento (presión externa) Unión elastomérica.
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TIPOS Y CLASES DE TUBERÍAS Tuberías de Hierro Fundido -HF Las tuberías son fabricadas con una mezcla de hierro, carbón, coke y piedra caliza, que es fundida y colocada en moldes giratorios. La cristalización del carbono se hace en forma laminar limitando la continuidad de la fundición. Son resistentes a la oxidación, pero el carbón - en la manera como se cristaliza- la hace frágil, debiendo colocarse en zanjas para protegerlas de los impactos. Son muy rígidas, se fracturan bajo condiciones de carga excesiva.
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TIPOS Y CLASES DE TUBERÍAS Tuberías de Hierro fundido dúctil HD Si a la mezcla del hierro fundido se añade vapores de magnesio, el carbón se cristaliza en forma de esférica que impide la propagación de posibles fisuras lo que le confiere a la fundición mayor ductilidad, de allí su nombre. Tiene la misma resistencia que el acero en cuanto ala resistencia a la tracción e impacto y manteniendo la resistencia a la corrosión. Se fabrica con el proceso de fundición, se centrifugan en moldes metálicos, luego se les protege internamente con una capa de mortero de cemento de 3,5 mm de espesor aplicada también por centrifugación. Tienen protección zinc para la corrosión y pintura bituminosa Normas de fabricación: AWWA C-106-70 ANSI A21.6 – 1970 ASTM A 377
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TIPOS Y CLASES DE TUBERÍAS Tuberías de HD…
Las tuberías son pesadas, son elásticas; resisten al impacto; son costosas en diámetros grandes; relativamente fáciles de instalar; su unión puede ser elastomérica y bridada. Resisten la intemperie. Enterradas pueden sufrir el ataque de ciertos suelos. Resisten altas presiones tantas internas como externas. Se presentan en tubos de 6 m de longitud útil. Son usadas en conducciones de alta presión. Plantas de tratamiento de agua; Tanques de reserva; Estaciones de bombeo. Clases: en función de la presión que resiste: K7, K9, etc. El diámetro nominal hace referencia al diámetro interior.
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TIPOS Y CLASES DE TUBERÍAS Selección del tipo de tubería. Factores hidráulicos; Diámetros disponibles; Calidad del agua y tipo de suelo; Resistencia mecánica, Resistencia a la corrosión; Facilidad de instalación; Costo y vida útil;
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HIDRÁULICA DE CONDUCCIONES A PRESIÓN
Línea de carga y línea piezométrica.
La línea piezométrica es la línea que corresponde a las alturas a la que el líquido subiría en piezómetros instalados en la conducción, también se denomina línea del gradiente hidráulico. La línea de carga efectiva: es la línea piezométrica a la que se ha sumado la altura correspondiente a la carga de velocidad Kv 2/2g , esta altura es prácticamente despreciable. Plano de carga efectivo o carga estática: Corresponde a la altura o cota de la reserva o tanque de carga. Carga dinámica: corresponde a la carga estática menos la pérdida de energía. Pérdida de energía o hf
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HIDRÁULICA DE CONDUCCIONES A PRESIÓN
Posición de a tubería en relación a la línea piezométrica.
1. La tubería está ubicada bajo la línea piezométrica en toda su longitud. Es la posición “óptima. El flujo es normal, el caudal transportado será el correspondiente al calculado.
2. La conducción coincide con la línea piezométrica. Es el caso de las conducciones a superficie libre.
3.La conducción pasa por encima de la línea piezométrica, pero por debajo de la línea piezométrica absoluta
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HIDRÁULICA DE CONDUCCIONES A PRESIÓN 4. La conducción corta a la línea piezométrica absoluta pero queda por debajo del plano de carga efectivo.
5 La conducción corta la línea piezométrica y el plano de carga efectivo pero queda debajo de la línea piezométrica absoluta.
6. La canalización pasa por encima del plano de carga y de la línea piezométrica absoluta pero por debajo del plano de carga absoluto
7 La conducción corta el plano de carga absoluto
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DESARROLLO DEL PROYECTO
Elementos necesarios
Caudal a ser conducido; Puntos de origen y término; -altura o carga disponibleTopografía de una franja de terreno para el trazado;
Actividades:
Definición del trazado Topografía de detalle de elementos importantes – interferencias. Dimensionamiento hidráulico; análisis del golpe de ariete. Dimensionamiento estructural; anclajes, pasos de ríos/quebradas. Dispositivos especiales:
Válvulas de aire; Válvulas de desagüe; Tanques rompe-presión;
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DESARROLLO DEL PROYECTO
Trazado. El trazado debe ser efectuado luego de una inspección de campo realizada a lo largo de la franja de terreno. Se evitarán:
áreas pantanosas; que compliquen el acceso y los trabajos. áreas que puedan ser de interés social o público y que a criterio de las autoridades la conducción puede perjudicar su uso. vías de alto tráfico (dificultan el tráfico y en el futuro tanto el tráfico como el mantenimiento); Aeropuertos; áreas con fuerte pendiente (dificultan la construcción, la operación y mantenimiento)
Los niveles máximos y mínimos de las corrientes superficiales –que atraviesa la conducción- deben ser verificados En lo posible se debe seguir vías y caminos existentes, salvo que por consideraciones técnicas y económicas demuestren su inconveniencia.
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DESARROLLO DEL PROYECTO
Trazado… En terrenos particulares, se debe definir una franja de protección o servidumbre, (de uso restringido) requerida para labores de construcción, operación y mantenimiento. El ancho de la franja queda definido por la requerida para su construcción y posterior mantenimiento.
El uso restringido: no podrán ser construidas obras permanentes; Puede haber tráfico, si es que la profundidad de la tubería lo permite. Acceso libre a técnicos de la empresa.
En general, en el trazado de la conducción se considerará:
La condición de mínimo costo resultante de la construcción, operación y mantenimiento; La facilidad de realizar los trabajos de construcción, operación y mantenimiento; Garantía de estabilidad permanente de la obra;
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DESARROLLO DEL PROYECTO
Trazado… El trazado de la conducción contendrá:
La franja de terreno en donde se localiza la conducción, con la identificación de los aspectos más importantes; Niveles máximos observados en los cursos de agua superficiales que son atravesados por la conducción; Los sondeos realizados, para establecer el tipo de suelo; ´Nivel freático; Nombre de propietarios de terrenos; Las obras especiales requeridas –pasos de ríos y quebradas – detalles especiales. Las vías de acceso para la operación y mantenimiento.
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DESARROLLO DEL PROYECTO
Trazado… Deberá disponer sólo de tramos ascendentes o descendentes (con pendientes no menores al 0,5%). La longitud de tramos con pendiente menor al 1% no será menor a 200 m.
Azevedo señala: la pendiente debe ser mayor a 1/2000 D D= diámetro de la tubería en metros Se recomienda trazados con tramos ascendentes largos con pequeñas pendientes seguidos de tramos descendentes cortos con mayor pendiente
Se deberá considerar la máxima deflexión que se puede lograr en cada junta o unión, en función del diámetro y tipo de tubería – ver catálogos- caso contrario se deberá considerar el uso de accesorios.
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Dimensionamiento. Para el dimensionamiento hidráulico, se puede utilizar la fórmula de Hazen Williams, aplicable para conducciones con diámetro mayores o iguales a 50 mm. 10 1.852 1.852 4.87 Hf= 1.215957 10^ L Q^ / C^ D^ Hf = pérdida de carga en m L = longitud del tramo en m Q = caudal de diseño en l/s C = coeficiente de transporte. D = diámetro interno de la tubería en mm
Para tuberías de menor diámetro: –Whipple-Hsiao: hf = K Q^1,88 / D^4,88 De Fair De Flamant: DJ/4 = K V7/D
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DESARROLLO DEL PROYECTO
Consideraciones para el diseño: Se deben tener en cuenta lo siguiente: I. La conducción debe ser diseñada para transportar el máximo caudal de diseño. II. El objetivo del diseño deberá satisfacer la condición de mínimo costo. III. Definir el diámetro en función de las pérdidas de carga, a partir del dato del caudal y el tipo de tubería. IV. La línea piezométrica deberá estar por lo menos xx m por sobre la generatriz superior de la tubería o por lo menos xx m por sobre la superficie del terreno. V. Combinación de tuberías- diseño económico. VI. Coeficiente C de transporte: Dependiendo del tipo de tubería, del diámetro y del tiempo de servicio. Varía entre 120 y 140
VII. Verificar el diseño para el fenómeno del golpe de ariete.
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DESARROLLO DEL PROYECTO
Consideraciones para el diseño: Se deben tener en cuenta lo siguiente: VIII. Presiones máximas en las tuberías: Condiciones normales de operación: menor a la presión máxima de la tubería; Condiciones de emergencia: no mayor a 1,5 veces la máxima presión de la tubería; En condiciones de golpe de ariete, la presión mínima no será menor a la presión atmosférica.
I. II.
III.
Velocidades máximas:
IX.
En función del material:
I. I. II. III.
PVC = Hormigón: HD
4,5 m/s 4,5 – 5 m/s 4 - 6 m/s
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DESARROLLO DEL PROYECTO Fenómeno del golpe de ariete . El “golpe de ariete” es un fenómeno muy importante que debe considerase en el diseño de una conducción. El golpe de ariete es el choque violento que se produce sobre las paredes de las tubería cuando el movimiento del agua es suspendido brusca o repentinamente –cerrando una válvula. La energía cinética se transforma en esfuerzos de compresión sobre el agua lo que implica un esfuerzo sobre las paredes de la tubería pudiendo llegar a colapsar. Mecanismo del fenómeno: 1. El agua esta en movimiento, similar al movimiento de una tren con su vagones. 2. De pronto, violentamente, se cierra una válvula. La parte delantera del tren choca contra un muro. 3. La masa de agua que se encuentra atrás de la válvula, sigue en movimiento hacia adelante, igual que lo hacen los vagones de atrás.
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DESARROLLO DEL PROYECTO
El golpe de ariete… 4. La masa de agua “se comprime” al igual que los vagones que
comienzan a chocar uno a otro hasta llegar a golpear con toda la fuerza al primer vagón, con las consecuencias desastrosas. 5. El agua es incompresible, por tanto toda esa presión debe ser absorvida y soportada por las paredes de la tubería. 6. El agua regresará hacia atrás hasta que pierda su energía y volverá a descender, en un movimiento ondulatorio que no terminaría si es que la tubería no fuera elástica y no hubiera rozamiento que hace que finalmente el agua se aquiete. 7. El incremento de presión está dado por Ha = C x V /g Ha = incremento de presión; C = velocidad de propagación de la onda; V = velocidad del agua
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El golpe de ariete… 8. La velocidad C se calcula por la expresión de Allievi.
C = 1420 / (1 + K D/(E e)) K = Módulo de elasticidad del agua; D = diámetro de la tubería. E = módulo de elasticidad del material de la tubería; e = espesor de la tubería. Material
9.
Tiempo crítico: T = 2L/C
Módulo de elasticidad kg/cm2
Agua
2.10 x 10^8
Acero HF HD AC
2.1 x 10^10 1.2 x 10^10 1.7 x 10^10 0,3 x 10^10
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DESARROLLO DEL PROYECTO
El golpe de ariete… 9. Accesorios para disminuir el golpe de ariete: A. Válvulas de alivio; B. Chimeneas de equilibrio; C. Cámaras de aire; D. Válvulas de cierre lento.
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DESARROLLO DEL PROYECTO
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DESARROLLO DEL PROYECTO Estructuras complementarias.
Válvulas de aire.
En el trazado se impone que las líneas tengan ya sea tramos ascendentes o descendentes, es para forzar a que el aire que entra naturalmente en una tubería se acumule en algún punto. Estas bolsas de aire pueden llegar a impedir totalmente el flujo del agua, por lo que se debe colocar en dichos puntos válvulas de aire. Estas bolsas aire puede también desplazarse y provocar golpes repentinos y fuertes en la tubería, similar al golpe de ariete. En el caso de que se produzca una rotura de la tubería y un vaciado violento, se producirá una presión negativa, que puede llegar a colapsar el tubo, siendo necesario prever la entrada de aire. Para lo cual también se colocan válvulas de aire, de doble acción. El diámetro necesario se obtiene en base a las curvas de funcionamiento de las válvulas.
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DESARROLLO DEL PROYECTO
Curvas de funcionamiento de válvulas de admisión y expulsión de aire con orificio de 1’’ a 3”
Curvas de funcionamiento de válvulas de admisión y expulsión de aire con orificio de 4” a 12”.
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DESARROLLO DEL PROYECTO
Estructuras complementarias. Válvulas de desagüe.
En cada punto bajo – un tramo descendente seguido de un tramp ascendente se debe colocar una descarga, para permitir la operación y mantenimiento de la línea de conducción. Se debe garantizar una velocidad mínima que permita el arrastre se sedimentos en la tubería; o debe permitirse vaciar en un tiempo predeterminado por la importancia de la línea de conducción o por el caudal que puede soportar el cuerpo receptor de dicha agua. Diámetro tubería 2” 4 6 8 10
Diámetro descarga 2” 2 4 4 o 6” 6
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DESARROLLO DEL PROYECTO
Estructuras complementarias. Válvulas de control
Permiten operar y mantener el sistema. Se ubican al inicio y fin de la línea de conducción y en puntos importantes de ella. Permite aislar dichos tramos para eventuales reparaciones. Permiten también controlar tanto el llenado como el vaciado de la tubería. Anclajes.
En todo cambio de dirección, ya sea vertical u horizontal; reducción de diámetros; se producen esfuerzos que tienden a desplazar a la tubería, lo cual debe ser impedido por los anclajes que equilibran las fuerzas actuantes. Para pequeñas tuberías, de hasta 10” a una presión de hasta 100 m, no se requerirían bloques de anclajes (Arocha).
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Anclajes Anclajes para redes de distribución.
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DESARROLLO DEL PROYECTO
Estructuras complementarias. Tanques rompe-presión.
En algunas líneas de conducción es requerido ubicar estos tanques rompepresión a fin de disminuir la presión estática y por consiguiente reducir costos y riesgos. Se recomienda un tiempo de retención de 10 minutos.
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LÍNEAS DE IMPULSIÓN - BOMBEO
Componentes: Tubería de succión; Bomba; Tubería de impulsión; Accesorios y estructuras complementarias.
CRITERIOS DE DISEÑO
Caudal;
No es práctico mantener períodos de bombeo de 24 horas, se debe incrementar el caudal en función de las horas de bombeo, hay que buscar el de mínimo costo. Qb = QMD x 24/N N = número de horas de bombeo.
Diámetro de la tubería de impulsión.
Se obtiene en primer lugar un rango de diámetros, de los cuales se escogerá el óptimo-desde el punto de vista económico. Fórmula de Bressel: D = k4 x 1/4 Q1/2 k = varía entre 0,7 y 1,6; = 24/N
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LÍNEAS DE IMPULSIÓN - BOMBEO Diámetro de la tubería de impulsión.
Se obtiene en primer lugar un rango de diámetros, de los cuales se escogerá el óptimo-desde el punto de vista económico. Fórmula de Bressel: D = k4 x 1/4 Q1/2 k = varía entre 0,7 y 1,6; = 24/N
Se calcula la altura manométrica para cada diámetro.
Se calcula las potencias de las bombas requeridas; en función del caudal y de la altura manométrica; Se calculas los consumos de energía; Costos anuales de amortización e intereses, Costos de operación Comparando, se obtiene el diámetro de la tubería que será la más económica.