CAPITULO
6 CONDUCCION
CATEDRATICO: M.C. RICARDO A. CAVAZOS
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CONDUCCION El agua se transporta desde la fuente a la comunidad en conductos abiertos o cerrados, suministrándose la energía g necesaria ppor gravedad o a bombeo. Las obras destinadas al transporte de agua potable reciben b ell nombre b de d ““Líneas í dde C Conducción”. d ó ”
Estudios básicos Para el diseño de una conducción
1. Visitas de reconocimiento a la captación y trazos preliminares de conducciones 2. Definición del tipo de captación y trazo de conducciones 3. Trabajos topográficos (planimetría y altimetría) 4. Identificación de la tenencia de la tierra a lo largo del trazo de conducciones y sitios para estructuras 5. Estudios geológicos y geotécnicos
EJEMPLOS DE ACUEDUCTOS O LINEAS DE CONDUCCION
dentificación de conducciones sobre cartografía de INEGI
Acueducto Uayamón – Chiná, Campeche, Camp. N
TCR–2 TCR– 25+500
Trazo fuera del Derecho De vía; L=2.2 Km
Conducción por bombeo Dn=40”;; L=4 Dn=40 L=4.5 5 Km
Conducción por gravedad
13 11’
Dn=36”; L=21 Km
12
7
10
6’
10’
5
6 1 2
4
3
9’
K–10
8
9
5
Acueducto Uayamón – Chiná, Campeche, Camp. 120
HB=68.9 9m
Elevación (m)
100
80
60
Fibro Cemento A-10 Dn=40” (1000 mm) L=4.5 Km
40
Fibro Cemento A-7, Dn=36” (900 mm), L=21.0 Km
20 0
2
4
6
8
10
12
TCR– TCR –1
PB
14
16
18
20
22
24
Dis tancia (Km )
26
TCR– TCR –2
120
60
HB=27 7.75 m
80
HB=28.11 1m
HB=49.25 5m
Elevación (m m)
100
40
20
PVC Termofusionable, Dn=32” (800 mm), L=25.25 Km 0+000
PB
2+100
4+200
6+300
8+400
10+500
12+600
14+700
Cadenamiento (m)
RB– RB –1
16+800
18+900
21+000
23+100
RB–2 6 RB–
25+250
TCR
Acueducto Actopan – Pachuca, Hgo. N CT= 1965m
I t Interconexión ió de d Pozos P Conducción PB-1 a PB-2 L=14.6 Km, Dn=48”
CT= 2245m Conducción PB-2 a TCR L=2.2 Km, Dn=48”
CT= 2520m
Conducción T-CR a T-E L= 10.7 Km, D=48”
Tanque existente Cerro Gordo CT= 2464m
Tanque de Entrega CT= 2500m
7
Acueducto Falcón – Matamoros, Tamps.
Presa Falcón PB1
TCR1
N
Elev=100.0
Deriv. 73.20 PPot. 80.00 T.N. 50.00
Ciudad Miguel Alemán Deriv. 60.50 PPot. 55.00 T.N. 50.00
Camargo T.N. 50.00
Ciudad Díaz Ordaz Deriv. 50.15 PPot. 23.00 T.N. 23.00
90+000 Q=111 L/s
110 0+000
Mier
50 0+000
Q=36 L/s
Elev. Terreno=98.45 E. Agua Mín.=75.60 E. Agua Máx.=95.70
40+000
Nueva Ciudad Guerrero T.N. 100.00
TCR2 Elev=120 00
8
TRAZO MONTERREY VI.
Río Tampaón p
Proyecto Monterrey VI
Acueducto II
Trazo definitivo para el suministro de 1.5 1 5 m3/s a la ciudad de Querétaro, Querétaro Qro Qro.
Tramo 2
Tramo 1 Obra de Toma “Infiernillo”
Tanque de Entrega
Túnel
Tramo a Presión Tramo por Gravedad Tanque de Regulación
11
Acueducto II
Trazo definitivo para el suministro de 1.5 1 5 m3/s a la ciudad de Querétaro, Querétaro Qro Qro.
CERRO DEL CHIQUINI PORTAL DE ENTRADA DEL
PB 2
TUNEL
PORTAL DE SALIDA DEL TUNEL
ACUEDUCTO SITIO DE TOMA Y PB 1
RIO MOCTEZUMA
Planta potabilizadora Tramo de gravedad (98 km) Tanque de regulación
Tramo de impulsión (24 km) Túnel
Plantas de bombeo
Presa de captación
Visitas de reconocimiento a la captación y trazos preliminares de conducciones
Ejemplos de mala selección del trazo Línea de conducción sobre el río Tecolutla, Ver.
Línea de conducción para el suministro de agua potable a Cozumel, Qroo.
13
Sistema Purgatorio - Arcediano
para el abastecimiento de Guadalajara, Guadalajara Jal Jal.
15
Conducción Acueducto de Segovia, España Longitud total 15 km Acueducto elevado 1 km Caudal máximo 20 L/s
16
Conducción
Acueducto Independencia (El Novillo-Hermosillo, N ill H ill Son.) S )
17
Conducción
Acueducto Independencia (El Novillo-Hermosillo, Son.)
18
Conducción
Conducciones a superficie libre
19
Fenómenos transitorios (golpe (g p de ariete))
Conducción
Fenómenos transitorios (golpe de ariete) Por cierre brusco en conducciones a gravedad
21
Por paro accidental de los sistemas de bombeo
Esquemas comunes anti ariete. ariete
Conducción
Fenómenos transitorios Dispositivos de protección
Válvulas
Aliviadora de presión
Reductora de presión
De alivio rápido p de presión
24
Conducción
Fenómenos transitorios Dispositivos de protección
Torre de oscilación
25
Sistema Cutzamala
A.R.C.T.
A.R.C.T.
Torre de oscilación
Conducción
Fenómenos transitorios Dispositivos de protección
Tanque unidireccional
A.R.C.T.
Cuchillo-Monterrey
Cuchillo-Monterrey 27
Tanque unidireccional
Tanque unidireccional #1, acueducto presa cerro prieto.
Conducción
Fenómenos transitorios Dispositivos de protección Chapala-Guadalajara
Cámaras de aire
González Ortega II
Linares-Monterrey
29
Cámara de Aire
Tanque Unidireccional cerrado. Este tanque unidireccional cerrado tiene la misma finalidad que el abierto. Su esquema de funcionamiento consiste de un deposito cerrado, en cuya parte superior p p se colocan válvulas de admisión y expulsión p de aire.
Plantas de bombeo
Recomendaciones del
Hydraulic Institute
32
Plantas de bombeo
Recomendacione s del
Hydraulic y Institute
33
Plantas de bombeo
Bombas centrífugas verticales
34
Plantas de bombeo
Bombas centrífugas h i horizontales t l Tipo de impulsores en una b b horizontal bomba h i t l
a)
b)
d)
a) b) c) d) e)
Radial abierto Radial semi-abierto Radial cerrado Axial Mixto
c)
e)
35
Plantas de bombeo
Curvas características y punto de operación
12
47
13
36
Plantas de bombeo
Cavitación Formación de burbujas de vapor que colapsan violentamente al aumentar la presión presión.
La cavitación produce ruidos y vibraciones fuertes que advierten al operador.
La posibilidad de que una bomba cavite se evalúa con la carga de succión positiva neta. 37
Plantas de bombeo
Carga de succión positiva neta (CSPN) N t positive Net iti suction ti h head d (NPSH)
38
Plantas de bombeo
Torres de sumergencia en el sistema Cutzamala
39
Plantas de bombeo
Torres de sumergencia ARCT
40
Plantas de bombeo
Sistemas de bombas en
serie i
41
Plantas de bombeo
Sistemas de bombas en
paralelo
42
Plantas de bombeo
Sistemas de bombas en
paralelo
43
sistema i t d de control t ld de líneas de conducción
Definición del sistema de control supervisorio
Red troncal del proyecto Acueducto II
Tanques de Reserva y Cámara de San José el Alto
Dada la orografía del terreno en el que se desarrolló el proyecto, esta red es compleja y utiliza múltiples medios físicos.
Repetidor 3
Cámara Tierra Dura Repetidor 2 UTEQ Tanque expositor
Repetidor 1
Salida túnel PB2
•Fibra óptica mono-modo: • Aérea • En charola en túnel • En tubo (enterrada)
Centro de Control Planta Potabilizadora
San Javier
Bordo
PB1
• Fibra óptica multi-modo • En tubo (en superficie) • 45 Inalámbricas libre 5,8 GHz
Definición del sistema de control supervisorio
SISTEMA SCADA del proyecto Acueducto II
46
CRUCES EN LINEAS DE CONDUCCION
Permisos de ocupación de derechos de vía, zona federal, cruzamientos, etc.
48
Permisos de ocupación de derechos de vía, zona federal, cruzamientos, etc.
49
ACUEDUCTO MONTERREY V
16. Caminos de acceso, construcción y operación
A d t II Acueducto 66° 1.20
66°
4.90
48°
RVM065
Sección
62
6 x 5 m.
Clasificación Cl ifi ió de d lí líneas de conducción
Conducción
Clasificación de líneas de conducción
gravedad g
64
bombeo
bombeo - gravedad
TUBERIAS USADAS EN SISTEMAS DE ABASTECIMINETO DE AGUA POTABLE
Conducción
Materiales de tubería Fierro galvanizado
Polietileno de alta densidad (PEAD) Acero
Poli-cloruro de Vinilo (PVC)
Fibra de vidrio Hierro dúctil Fibrocemento
Concreto presforzado
polipropileno
66
Tuberías de fibro fibro-cemento cemento (Asbesto -cemento) Se entiende por tubos de presión de fibro-cemento los conductos de sección
circular fabricados con una parte de asbesto y cemento tipo portland Puzolánico. Los tubos de presión de fibro-cemento se fabrican para presiones internas de trabajo máximas, según la norma oficial mexicana NOM NOM-C-12-2/2-1982, C 12 2/2 1982, en las siguientes clases: A-5, A-7, A-10 y A-14, en donde los números 5, 7, 10, y 14 indican la presión interna de trabajo en kg/ cm2 que resisten los tubos. Las tuberías tienen longitudes generalmente de 4 y 5 metros (Cuadro 6.1 ). La desventaja de los conductos de fibro – cemento es su baja resistencia mecánica.
Tuberías de plástico, polietileno y cloruro de polivinilo (PVC). Las ventajas de las tuberías de polietileno son: su gran flexibilidad, que permite su presentación en rollos; su ligereza, yya qque pesa p ocho veces menos que q el acero y tres veces menos que el asbesto- cemento; y no presenta corrosión. En la Norma Oficial Mexicana de calidad vigente actualmente, DGN E/12 1968 para abastecimiento DGN-E/12-1968, b t i i t ddell agua potable t bl NOM NOME-22-1977 (serie métrica). La industria de tuberías plásticas fabrica dos líneas de tubos hidráulicos de PVC para el abastecimiento de agua potable: la línea métrica, tubos blancos, y la línea inglesa, tubos grises.
Tuberías de plástico, polietileno y cloruro de polivinilo (PVC). La línea métrica ( color blanco), fue diseñada de acuerdo con el sistema internacional de unidades .La integran 13 diámetros ( de 50 a 630 mm ) y cinco espesores que permiten presiones máximas á i dde ttrabajo b j dde 55, 77, 10 10, 14 y 20 kkg/cm2. / 2 La unión entre tubos y conexiones se realiza mediante el sistema espiga campana con anillo de hule. espiga-campana hule La línea inglesa (color gris), fue diseñada con base al sistema de unidades inglesas y se fabrica en 11 diámetros (de 13 a 200 mm )). En función del cociente entre su diámetro exterior y su espesor mínimo de pared (RD relación de dimensiones), y las presiones máximas de trabajo, se califican een:: RD-41 4 (7.1), (7. ), RD-32.5 3 .5 (8.7), RD-266 (11.2 ( . ) y RD-13.5 3.5 ((22.4 .4 kg/cm2). g/c ).
Cuadro 6.2 ventajas y desventajas de las tuberías de PVC VENTAJAS Resistecia a la corrosión y al ataque químico de
DESVENTAJAS Alto costo de diámetros de 200 mm y mayores
ácidos,, álcalis y soluciones salinas Instalación rápida, fácil y económica Debido a su gasto de absorción permite la prueba hidrostática después de su llenado llenado.
Las propiedades mrcánicas de las tuberías de PVC se afectan si quedan expuestas a los rayos saolares por un periodo de tiempo prolongado
Su resistencia mecánica es superior a la de las tuberías de fibro-cemento
Los tubos de extremos lisos requieren mano de obra
Menor pérdida por fricción en comparación con las
altamente especializada para unión por el proceso
tuberías de fibro-cemento, concreto y acero
de cementado. Debido a esto, en todos los proyectos
Por su ligereza, el almacenamiento y transporte de
de conducciones se especifica el uso de tuberías con
la tubería se facilita notablement4e.
Campana y anillo de hule. La campana debe ser
Respecto a su costo de suministro en los diámetros
integral
de 50, 60, 75 y 100 m es más barata que las tuberías de fibro-cemento.
Tuberías de plástico, polietileno y cloruro de polivinilo li i il (PVC) (PVC). En esta línea existe además del sistema de unión espigacampana el sistema cementado. campana, cementado Las tuberías de polietileno se fabrican también en cuatro diferentes RD y son aptas para trabajar a las presiones especificadas en el cuadro 6.5 según las condiciones de operación de la tubería se aplicara un factor de seguridad i igual l a 3 ó 4 veces la l presión ió de d trabajo t b j para llegar ll a la l presión de ruptura. El factor 3 f3) se aplica en líneas subterráneas en terreno estable y al factor 4(f4) se aplica en líneas expuestas a movimientos de terreno o tráfico pesado y líneas a intemperie.
Cuadro 6.5 Presión máxima de trabajo en kg/cm2 para tubos de polietileno (S=44.29kg/cm2)
RD
9
F4=11.1 F4 11.1
F3=14.7 F3 14.7
13.5
F4=7.1
F3=9.4
17
F4=5.5
F3=7.3
21
F4=4.4
F3=5.9
6.2 PIEZAS ESPECIALES Y DISPOSITIVOS DE CONTROL Y PROTECCION DE BOMBAS Y TUBERIAS.
Las tuberías de conducción están compuestas: p ((1)) por tramos rectos y curvos para ajustarse a los accidentes topográficos (2) por cambios que se presentan en la geometría de la sección, y (3) por distintos dispositivos dispositi os para el control de flujo en la tubería o para asegurar que el f funcionamiento d la de l línea lí d conducción de d ó sea eficiente.
Conducción
Elementos de protección y control en operación ió normall Válvula de mariposa
Válvula de admisión y expulsión de aire
Válvula de compuerta
Válvula de retención
Válvula de esfera
74
Piezas Especiales. Las conexiones de la tubería en las intersecciones, cambios de dirección, variación de diámetros, accesos a válvulas, etc., se denominan comúnmente como “piezas especiales” y pueden ser de fierro fundido, fibro-cemento o PVC, dependiendo del material del que sean los tubos.
Las piezas pie as especiales de fierro fundido son las mas empleadas y se fabrican para todos los diámetros de tuberías Estas piezas se conectan entre sí o a las tuberías. válvulas por medio de bridas y tornillos y con un p q La unión de estas ppiezas con las tuberías de empaque. fibro-cemento, se efectúa utilizando la “junta gibault” y que permite conectar por una de sus bocas una extremidad de fierro fundido y por la otra una punta de tubería de fibro cemento. El sellamiento se logra mediante di t la l presión ió ejercida j id con las l bridas b id y tornillos t ill sobre el barrilete y empaques de hule.
Piezas especiales
La figura 6.6 6 6 muestra el caso de una línea de conducción por gravedad en la cual la presión utilizable H se p a la reduce en una cantidad h correspondiente diferencia de nivel entre los extremos de la bolsa de aire, en consecuencia, se reduce el gasto útil de la producción. La figura 6.7 muestra el caso en que la conducción es por bombeo. La bolsa de aire produce un aumento de presión p en las bombas, por lo que para conducir el mismo i fl j de flujo d energía í se incrementa i t en la l misma i proporción del aumento de presión en la bomba.
Por las razones expuestas p anteriormente,, todos los puntos altos deben estar previstos de las válvulas que permitan evacuar el aire automáticamente a medida que se acumula. El diámetro diá d la de l válvula ál l de d expulsión l ió de d aire i también se le llama, se puede seleccionar de acuerdo al diámetro de la tubería y gasto que conducirá la línea.
Cuadro 6.9 Diámetros de las válvulas de expulsión l ió de d aire i Diámetro de la t b í tubería
Gasto en litros por segundo d
Diámetro de la válvula ál l
1/2"a 4"
0 A 12.6 l/s
1/2"
6"a10"
12.7 a 50.4 l/s
1"
12" a 18"
50.5 a 201.6 l/s
2"
20" a 24"
201.7 a 472.5 l/s
3"
26" a 30"
472.6 a819.0 l/s
6" a 8"
Vál l de Válvulas d Retención. R t ió Estas válvulas se usan con el objeto de retener la masa de agua que se encuentra en la tubería, cuando la bomba suspende su operación y con el fin de evitar esfuerzos excesivos en las b b debido bombas d bid all fenómeno f ó d l golpe del l de d ariete. i t
Válvulas de Compuerta. La válvula de compuerta se emplea con el objeto de aislar en un momento t dado d d algún l ú elemento l t o sección ió del d l sistema it para poder d efectuar una reparación, inspección o dar mantenimiento, sin que p totalmente el servicio. se interrumpa
Válvulas de mariposa. Puede sustituir a la de compuerta cuando se requieren diámetros grandes d y para presiones i b j en la bajas l línea; lí ti tienen l ventaja la t j de d ser más ligeras, son de menor tamaño y mas baratas.
Válvulas de Globo. Globo SSon voluminosas l i y presentan t una alta lt resistencia i t i all paso del d l agua, por lo l que se emplean generalmente, solo en tuberías de pequeños diámetros.
válvulas ál l aliviadoras li i d Las válvulas aliviadoras de presión son empleadas para proteger el equipo de bombeo, tuberías y demás elementos en la conducción contra los cambios bruscos de presión que se producen por el arranque o paro del equipo de bombeo. La válvula está diseñada de tal manera que puede abrirse automáticamente y descargar al exterior cuando la presión en el sistema es mayor que aquella con la que fue calibrada lográndose con ello el abatimiento de la línea piezométrica. El cierre de esta válvula también es automático y se logra cuando la presión en la línea llega a ser menor que la de su ajuste o calibración.
Válvulas de admisión y expulsión de aire. Son empleadas p con el objeto j de ppermitir evacuar aire automáticamente a medida que se acumula. El diámetro de la válvula de expulsión de aire, aire se puede seleccionar de acuerdo al diámetro de la tubería de conducción y el gasto de conducción. conducción
Conducción
Elementos de protección y control en operación normal Válvula de admisión y expulsión de aire
88
6.3.2 Metodología g de diseño Los pasos a seguir para el diseño de una línea de conducción son los siguientes: Paso 1 :Trazo planimétrico. Obtener un plano topográfico de la región, región con curvas de niveles espaciadas razonablemente y, en su defecto, p g siguiendo g distintas rutas en hacer estudios topográficos dicha región, que permitan estudiar el trazado que implique la línea de conducción. Los cambios de dirección tanto en el plano horizontal como en el vertical, deben efectuarse por medio de curvas suaves, utilizando ili d la l deflexión d fl ió que permiten i las l uniones i d los de l distintos de tubos.
Paso 2 : Trazo altimétrico.
Debe hacerse un estudio del trazado en un p plano vertical,, es decir,, debe construirse un perfil de dicho trazado. Debe tenerse especial cuidado de que la línea de conducción se encuentre siempre debajo de la línea piezométrica. La figura 6.14 muestra una conducción mal trazada, que tendrá presión ió negativa i (vacío) ( í ) en los l lugares l que se encuentran sobre b la l línea piezométrica. Evidentemente, en los puntos C y en D, en donde la línea piezométrica corta a la tubería, la carga de presión se iguala i l a la l atmosférica. fé i Si la l velocidad l id d del d l agua no es suficientemente grande, en el punto E se desprenderá el aire que lleva siempre disuelto el agua; Además, el aire puede entrar por l juntas las j i imperfectas f d la de l tubería b í entre los l puntos C y D. Este aire modificará la línea piezométrica pasará de la posición HF a la HE. Como el gasto que circula por toda la tubería es el mismo, l línea la lí piezométrica i é i en su parte interior i i tendrá d á que ser paralela l l a HE y, por tanto, la tubería entre E y G estará sometida a la presión atmosférica y no trabajará a sección llena.
Si en el pperfil aparecen p depresiones p muyy profundas, puede ser económico colocar depósitos intermedios llamados “cajas cajas rompedoras de presión”, que tienen por objeto romper la línea piezométrica, piezométrica lo que dará lugar a tuberías de menor espesor y, por consiguiente, i i d menor costo. (figura de (fi 6.15).
Paso 3: Cálculo hidráulico. hidráulico Una vez estudiado el trazo planimétrico (paso 1 ) y altimétrico (paso 2) de la conducción, se procede a calcular su diámetro. Si está alimentada por gravedad de diámetro está completamente definido. Si está alimentada por b b ell problema bomba, bl tiene múltiples úl l soluciones l y la “mejor” se decide por condiciones económicas.
Paso 4: Localización de p piezas especiales p y dispositivos. Una vez determinado el diámetro y efectuado el trazado definitivo, se procede a localizar en el pperfil y pplanta las ppiezas especiales p y dispositivos p de la línea de conducción que corresponda .
Puesta en marcha 1. Llenado programado de la conducción 2 Vaciado programado de la conducción 2. 3. Vaciado accidental de la conducción (inclusión de aire y depresión) 4. Fallas en acueductos
96
14 de diciembre de 2012
Llenado programado de la conducción
Protección contra sobrecarga
Expulsión de aire
97
Llenado programado de la conducción
98
Vaciado programado de la conducción
Desfogue D f de acueductos
99
Vaciado accidental de la conducción (inclusión de aire y depresión)
1 - interrupción de energía eléctrica -
Paro total de los equipos de bombeo Ante el paro de equipos, el gasto vale cero y la columna de agua g se separa p en los puntos más altos, permitiendo la entrada de aire y vaciando el acueducto lo que es un inconveniente, acueducto, inconveniente pues habrá que realizar el proceso de llenado nuevamente.
100
El problema se resuelve con la instalación de válvulas controladas con actuadores para evitar el vaciado del acueducto. No olvidar que los tiempos de cierre no deben producir fenómenos ondulatorios (transitorios).
Vaciado accidental de la conducción (inclusión de aire y depresión)
2 - si la operación normal es de varios equipos de bombeo y se requiere Paro de un equipo
reducir el caudal de operación -
101
EL AIRE EN LAS CONDUCCIONES DE AGUA INTRODUCCIÓN En ocasiones nos encontramos con una serie de problemas en una instalación o red hidráulica tales como roturas repetitivas de tuberías, tuberías consumo excesivo de los equipos de bombeo, caudales anormalmente bajos, funcionamiento en general variable, desgaste y cavitación destructiva de los materiales, etc., a los cuales no puede darse una explicación lógica y razonable.
En la mayoría de los casos, dichos problemas proceden de haber olvidado totalmente o en parte un factor importante y decisivo en el transporte real de fluidos a través de redes hidráulicas, y que en muchas ocasiones no se le presta la debida atención. A este fenómeno se le prestaría mayor atención si se recordase la siguiente frase: “El agua no viaja sola a través de la tubería”. Efectivamente, dentro de una red hidráulica, además d l agua podemos del d encontrar t aire i formando f d bolsas b l o burbujas, y su presencia puede afectar de forma importante el comportamiento de la instalación, instalación pudiendo ser la causa de los problemas de funcionamiento descritas anteriormente.
Para evitar estos trastornos debido a la existencia de aire en la tubería, es necesario disponer en ellas de sistemas capaces de eliminarlo y controlarlo adecuadamente. Dichos sistemas o dispositivos son las denominadas válvulas de aire, que permiten sacar el aire evitando los problemas descritos. Dichas válvulas deberían estar bien presentes t en lla mente t del d l técnico té i que diseña, di ñ ell instalador que construye y el personal que opera la red hidráulica, hidráulica prestando especial atención tanto a su selección como a su localización, instalación y mantenimiento. mantenimiento
CAUSAS DE LA EXISTENCIA DE AIRE EN LAS CONDUCCIONES Causas propias del fluido El contenido de aire disuelto en el agua depende de diferentes factores tales como la presión y la temperatura temperatura. A mayor presión, presión el contenido de aire disuelto en el agua es mayor. Por lo contrario, a mayor temperatura, el contenido de aire disuelto disminuye. A una temperatura de 20 °C y presión de 1 kg/cm2, el contenido de aire disuelto en el agua es de 20 l/m3. Un aumento de la temperatura o una reducción de la presión dentro de la tubería producen su liberación, formando burbujas o bolsas de aire.
En una tubería expuesta al sol o tubería
enterrada que pueda tener un efecto de calentamiento,, la temperatura p del agua g aumenta,, produciéndose esta liberación del aire disuelto. Los cambios en la pendiente de una tubería
producen cambios en la presión dentro de la misma. En los ppuntos elevados de la conducción,, la presión disminuye, liberándose el aire disuelto y formándose bolsas de aire. aire
Causas propias del sistema a).) Entrada E t d de d aire i ddell exterior. t i Cuando el agua fluye desde lugares abiertos a la atmósfera hacia el interior de una tubería, tubería se aspira aspira, junto con ella ella, una gran cantidad de aire en forma de pequeñas burbujas. Este efecto se incrementa si existe una gran turbulencia a la entrada, produciéndose una mezcla del aire con el agua. Cuando el agua fluye por una tubería parcialmente llena y pasa a otra completamente llena, se produce la aspiración de aire. La aspiración de aire puede ocurrir a través de accesorios defectuosos, g , si se pproducen condiciones de orificios o válvulas de estrangulación, depresión dentro de la tubería (puntos por encima del gradiente hidráulico).
b).- Aspiración b) A i ió de d aire i en estaciones t i dde bombeo. b b Al poner en marchas el equipo de bombeo, el aire acumulado l d en sus partes internas (cuerpo de d la l bbomba, b tubos de impulsión y aspiración) es comprimido y empujado d a lla red. d La acción del vórtice en las aspiraciones de bombeo p de también pproduce la succión de cantidades importantes aire, pudiendo llegar hasta el 10% del caudal.
c).- Descarga incompleta de aire durante el llenado de la tubería El aire atrapado en la tubería cuando la instalación está parada no es completamente expulsado durante el llenado de la misma. Este aire irá desplazándose por la conducción por el efecto de llenado de las zonas parcialmente vacías hasta quedar atrapado en los puntos elevados o críticos. d).-Entrada controlada de aire para evitar presiones negativas Para evitar la depresión que se genera en el proceso de vaciado de la tubería, y que puede producir el colapso de la misma, se recomienda permitir la entrada de aire de forma controlada al interior de la conducción.
Resumen de las recomendaciones de localización de las válvulas de aire Puntos en que la pendiente de la tubería varía respecto a la línea
piezométrica (tanto incrementando o disminuyendo la pendiente): doble efecto. Puntos elevados de la tubería: doble efecto. Ramales largos de pendiente uniforme: doble efecto cada 500 a 1000 metros. Salida de los grupos de bombeo: efecto cinético en un punto alto antes de la válvula de retención. A la entrada de instrumentos de medición (contadores): doble efecto. A la salida de válvulas reductoras de presión: efecto automático. Reducciones de diámetro de la tubería: efecto automático.
Fallas en acueductos
111
23. Fallas en acueductos
112
24. Encuesta en obras de toma
113
25. Encuesta en líneas de conducción
114
26. Encuesta en plantas de bombeo y potabilizadoras
115
27. Cuestionario para evaluar riesgos
116
28. Cuestionario para evaluar riesgos
117
6.3.3 Fórmulas p para el cálculo de la resistencia por fricción o superficial en tuberías. En Líneas de conducción largas, la resistencia por fricción o superficial, ofrecida por el interior del tubo es el elemento determinante en su diseño hidráulico. hidráulico En esta sección se presentarán las principales fórmulas que se utilizan en los ejemplos de diseño desarrollados en este capítulo y que se aplican también en el diseño. Fórmula de DarcyWeisbach. Hf = f(L ) (v ) --- 6.1 D 2g
H= es la pérdida de carga L= longitud de una tubería v = velocidad del fluido D = diametro de tuberia g = aceleración de la gravedad f = factor adim. de fricción.
Fórmula de Hazen Williams. Donde: Q= 405 C D ^ 2.63 S ^054
Q= es el gasto en galones /día. C= es el coeficiente de capacidad hidráulica del conducto. D= es el diámetro en pulgadas. S= es el gradiente hidráulico.
En el sistema métrico la fórmula se transforma en :
Q= 35.834 X 10^ 7 C D ^ 2.63 S ^ 0.54
Donde: Q= es el gasto en l/s y D=diámetro en mm.
Hazen Williams En un sistema mixto :
Q= 0.0177435938 C D ^ 2.63 S ^ 0.54
Donde: Q= es el gasto l/s y D= es el diámetro en pulgadas
Fórmula de Manning.
A Aunque llo mas conveniente i sería í utilizar ili lla fó fórmula l H Hazen-Williams Willi en conducto de flujo libre o conductos que no fluyen llenos. Los lineamientos y de agua g ppotable y técnicos ppara la elaboración de estudios y pproyectos alcantarillado sanitario (CNA,1993), sugieren el uso de la fórmula de Manning en conductos que no fluyen llenos. La fórmula de Manning se escribe: V= (1/n) (R^2/3) (S^ ½)... (6.5)
en donde: V= velocidad media del agua en m/s n= coeficiente de rugosidad d lla tubería de b í R= radio hidráulico de la tubería en m s= pendiente hidráulica
RECORDANDO QUE.... En donde S=h L
R= A P
ht= pérdida de carga por fricción, en m L= longitud de la línea de conducción en m Q= gasto por conducir en m3/s D diámetro de la tubería en m D=diámetro
En donde A= área hidráulica del conducto y P= perímetro mojado entonces R R=
Sustituyendo en (6.5)
V= (1/n) (D/4) V (D/4)^2/3 2/3 ( h/L ) ^1/2 1/2
Por otra parte parte, la educación que define el gasto es: Q= AV = nD2 V 4
-Sustituyendo Sustituyendo (6.7) (6 7) en (6.6) (6 6) Q= nD2 1 (D)^2/3 (h ) ^1/2 4 n 4 L -Operando Q=0.3117 ((D^8/3)) ((hf ^1/2)) / ((L^1/2)) n Q
D–m Hf – m L–m Q – m3/s
Despejando h, h1/2 = n L1/2 Q 0.3117 D8/3 Elevando al cuadrado hf= (10.3) (10 3) (n^2) ( ^2) (Q ^ L) (D ^ 15/3) Si K = (10.3) (10 3) (n ^ 2) la ecuación (6.8) (6 8) queda: (D ^ 15/3)
hf= K* L (Q ^ 2)
E todos En t d los l casos, la l velocidad l id d mínima í i de escurrimiento ppara qque no se produzca sedimentación en los conductos d es dde
0 3 m/s. 0.3 m/s
escurrimiento del agua en los distintos tipos de tuberías y coeficientes de rugosidad correspondiente.
Tubería de:
Velocidad máxima permisible (m/s)
Concreto simple hasta 0,45m
n
c
Coeficiente de
Coeficiente de
rugosidad de Marning
capacidad hidráulica
3.0
0.011
140
3.5
0.011
140
Fibro-cemento.
5.0
0.010
140
Acero Galvanizado
5.0
0.014
140
Acero sin revestimiento
5.0
0.014
140
Acero con revestimiento
5.0
0.011
140
Polietileno de alta densidad
5.0
0.009
140
PVC (policloruro de vinilo)
50 5.0
0 009 0.009
140
de diámetro. Concreto reforzado de 0,60 m de diámetro o mayor.
6 3 4 Conducciones por gravedad 6.3.4 CALCULO HIDRAULICO
El escurrimiento del agua por gravedad en una tubería, considerando id d ell caso común ú en que lla ddescarga es lib libre, se rige i por la expresion: Donde: H = (V^2) / 2g + hf +hs H = carga hidraulica disponible (m) (V^2) / 22g = carga de d vel. l (m) ( ) Hf = perdida por friccion en la tuberia (m) Hs = suma de perdidas Secundarias (m)
En el cálculo hidraulico de una conducción, conocidas: a) La carga disponible, d bl ““H”” b) La longitud de la linea, “L” Datos que se obtienen de los trazos altimétrico y planimétrico de la conducción se determina: conducción, a) El tipo de tubería (fibro – cemento, PVC, acero b)) El diametro comercial.. c) La clase de tuberia por usar, de acuerdo a ñas presiones de operación.
Ejemplo j p 6.2 Con relación a la figura 6.18 a, es necesario un gasto en el punto de descarga (B) de 400lt/s (Qmd =400l/s) a una presión de 3.5 kg/cm (35m de columna de agua). Efectúese el cálculo hidráulico de la línea de conducción asumiendo que las pérdidas menores son un 15% de las de fricción. fricción Nota: N t La L línea lí d conducción de d ió no termina t i en B, B pero ahí hí se presentará una derivación y por esta razón se requiere la carga indicada en ese punto.
Solución: En este problema se requiere una presión en el punto B de 3.5 kg/cm2 equivalente a una carga de 35.00 35 00 metros de columna de agua, y como puede verse en a figura 6.18b, en dicho punto se tiene una carga g estatica de 74m. Por este motivo sólo se tendrá disponible para consumirla en pérdidas, la diferencia o sea 39.00 metros. E t es: Esto
CARGATOTAL DISPONIBLE = 74 m – 35 m = 39m. Esta es la carga que se tiene para absorber las pérdidas mayores y menores, o sea: hf + hs = 39 m
pero hs = 0.15 hf según se indica en el enunciado, así tenemos hf + 0.15 hf = 39 m hf = 39 = 33.91 m 1 15 1.15 Con la ecuación 6.8 6 8 puede calcularse el diámetro: hf = 10.3 n2 Q2 L D16/3
Despejando el diámetro D = (10.3 n2 Q L) 3/16 hf Suponiendo p la instalación de tubería de fibro-cemento:
n= 0.010 (cuadro 6.10) Q= 0.4 m3/s L= 2050 m hf 33 hf= 33.91 9 m
SUSTITUYENDO... D= ( ( 10.3 (0.010)^2 (0.4)^2 (2050) ) / (33.91) ) ^ 3/15 D= 0.42 m (diametro teórico) D= 420 mm El diametro comercial mas aproxomado es de 400 mm, pero al reducir el diametro se aumentaría la pérdida y entonces ta no se cumpliría con la carga requerida de 35 m en la descarga. Por este motivo se usará un diámetro sensiblemente mayor y al teórico.
D= 450 mm (tomado del cuadro 6.1) Ahora se revisará qué sucede con las perdidas y la carga disponible al haber aumentado el diámetro: hf = ((10.3)(0.010)^2 ^ (0.4)^2 ^ (2050)) / (0.45)^16/3 ^ hf = 23.89 m Una variacion tan pequeña en el diametro ha provocado una d disminución ó significativa f de d lla pérdida. é d d Si se hhubiera b utilizado l d D = 400 mm, la pérdida sería hf = 44.78 44 78 m
Recuerdese que debe revisarse que la velocidad se encuentre entre los limites permisibles; para fibro fibro-cemento cemento : 0.3 m/s < V < 5 m/s
(cuadro 6.10) V = Q/A = 0.4 0 4 / π (0.45) (0 45)^22 / 4 V = 2.52 m/s La velocidad es aceptable Calculando el diametro sólo resta definir la clase de tuberia de fibrofibro cemento que resista las presiones internas de trabajo de este sistema.
Ejemplo 6.3 La figura 6.19 muestra la línea de conducción de la obra de captación al tanque de regularización de un sistema de abastecimiento para una población de proyecto de 14700 habitantes. La dotación es de 200 l/hab/día con un coeficiente de variación diaria de 1.25. L tubería La b í de d Fiero Fi F did y ell suministro Fundido i i d d ell desde almacenamiento al tanque es continuo durante 12 horas al día. Calcular el diámetro económico de la línea de conducción. b)T b)Trazar l línea la lí piezométrica i ét i de d la l solución l ió adoptada. d td a)
Solución: Cálculo del ggasto máximo diario QMD = 200 * 14700 * 1.25 = 42.53 l/s 86400 Pero como el suministro es solo 12 horas al día el gasto de diseño será Q= 24 QMD = 2 (42.53) = 85 l/s 12 Q= 0.085 m3/s Q
a) El gradiente hidráulico es S= H = 1043.75 - 998.12 = 9.31 * 10^ -3 L 4900 De la fórmula de Hazen yWilliams: Q=(35.834 * 10^ -7) ( C ) (D^ 2.63) (S^ 0.54) Como C C= 130 (Cuadrado 6.10), 6 10) el diámetro se obtiene por simple despeje D= ( ________85_______________________ D 85 ) ^ 1/263 35.834 * 10^ -7 * 130 (9.31 * 10 ^ -3) 0.54 D = 261 mm
De existir un diámetro comercial de 0.26 m, sería el diámetro económico de la línea de conducción ya que con este se consumiría por pérdidas de fricción la totalidad de la carga disponible que es igual al desnivel existente (1043.75 – 998.12 = 45.63 45 63 m)) Sin embargo, Si b l diámetros los diá t comerciales i l más á aproximados i d son uno inferior y otro superior al teórico calculado, o sea 10 y 12 ppulgadas g ( 0.254 y 0.305 m respectivamente) p ) Como el diámetro de 10 pulgadas produciría una pérdida de carga mayor que la carga disponible, se optará por el diámetro de 12 pulgadas.
b) La pérdida de carga se presenta en la tubería con el diámetro de 12 pulgadas es:
SS= (________Q___________) ( Q ) ^ 1/054 35.834 *10^ -7 C D^ 2.63
S= (__________85_________) ^ 1/054 35.834 *10 ^ -7 130 (305)^ 2.63
S= 4.4 *10^ -3 Como S= H , H= SL L H=44.44 * 10-3 * 4000 =21 H 21.56 56 m H=21.56 m La línea ppiezométrica se muestra en la figura g 6.20
Ejemplo j p 6.4 Diseñar la línea de conducción del ejemplo6.3 combinando dos tramos de diámetro diferente para que se consuma por perdidas de fricción la totalidad de la carga disponible. Solución La figura 6.21 muestra el planteamiento del problema al seccionar la lí de línea d conducción d ió en dos d tramos t d diferente de dif t diámetro. diá t En la figura 6.21 se observa que : L1 + L2 = L H1 + H 2 = H
o bien L1 + L2 = L S1 L2 + S2 L2 = En el ejemplo 6.3 se determinó un diámetro teórico de 0.26m y en consecuencia los diámetros comerciales más aproximados son de 10 pulgadas ( 0.254m ) y 12 pulgadas ( 0.305 m); estos diámetros se utilizarán en la solución de este problema. problema S tit Sustituyendo d en las l ecuaciones i (6 11) y ( 6.12), (6.11) 6 12) se tiene: ti L1 + L2 = 4900
(85/ (35.834 (35 834 * 10^ 10 -77 * 130 (305) (305)^22.63)) 63))^1/0 1/0.54 54 L1 + (85/ (35.834 (35 834 * 10 10^ -77 * 130 (305) (305)^22.63)) 63))^1/0 1/0.54 54 L2 = 45.63 En donde D = 0.305 m1 D2 = 0.254 m. y la incógnita es la longitud que deben de tener los tramos. tramos Resolviendo el sistema de ecuaciones, ecuaciones se obtiene: L1 = 1065.21 m L2 = 3834.79 m
6.3.5 Conducción p por bombeo
Cálculo hidráulico La carga de presión Hm generada por la bomba es llamada generalmente “ carga manométrica”, o “carga dinámica total”, e indica siempre la energía d d all agua a su paso por la dada l bomba. b b
Para la protección del equipo de bombeo y de la tubería de conducción se deben considerar los efectos producidos por el conducción, fenómeno denominada Golpe de Ariete. Se denomina GOLPE DE ARIETE a la variación de presión de una tubería por encima o por debajo de la presión normal de operación, ocasionada por rápidas fluctuaciones en el gasto producidas por la apertura o cierre repentino de una válvula o por el paro o arranque de las bombas, ya sea en condiciones de operación normales o por una interrupción de la energía eléctrica, lé i cuando d esta se utiliza ili en los l motores que impulsan i l a las bombas.
Para el cálculo de sobre presión por golpe de ariete se ha adoptado la formula de N. N Joukovsky (1898) que se escribe a continuación. continuación T = 2 L tiempo de cierre a La formula es : hi= 145 V para _______ 1 + EaD Ete
T = 2L a
(6.15)
REPRESENTANDO: h1 = sobre b presión ió d de iinercia i por golpe l de ariete en m V= velocidad del agua g en la tubería en m/s
Hi = 145 V / 1 + EaD/ Ete para T = 2L/ 2L/a
Ea= módulo de elasticidad del agua, en kg/cm2 D= diámetro interior de tubería en cm e= espesor de la tubería en cm Et = módulo de elasticidad del material de la tubería en kg/cm2 L= Longitud de la tubería en m a= celeridad l id d d de la l onda d de d presión ió en m/s
EJEMPLO 6.6 Determinar el diámetro más económico de la línea de conducción por bombeo desde la obra de captación hasta el tanque regularizador que se muestra en la l figura fi 6 27 6.27 Y LA CARGA TOTAL QUE SE PUEDE PRESENTAR. Datos Gasto Máximo Diario QMD = 375 l/s Bombeo continuo las 24 horas Eficiencia del equipo de bombeo n = 70 % por K.W.H. $ 20.00 Costo p Precios Unitarios ( ver cuadro 6.12)
Solución De acuerdo con los datos anteriores se tiene: g estática: Carga Evolución de descarga 244.70 Elevación succión 200.00 g estática = 44.70 m Carga Esta carga implica una presión P = 4.47 kg/cm2 Pérdidas mayores Proponiendo una velocidad en la tubería de 2.0 m/s para calcular un diámetro, se tiene: Q =Va – A= Q = 0.375 = 0.1875 m2 v 2
Como el área de la sección transversal es A= 0.785 D^2 Despejando D = __A__ ^ 1/2 = 0.1875 ^ 1/2 = 0.489 m 0 785 0.785 0 785 0.785 D= 0.489 m = 19.24 pulgadas D Pero esto es un diámetro teórico, el diámetro comercial más aproximado es de Dc = 500 mm (20 pulgadas). Naturalmente que al usar este diámetro la velocidad será diferente a la supuesta en un principio, principio esto es
v= Q = ____0.375___ = 1.91 m/s A 0.785(0.5)^ 2 Es decir, A= 0.196 m2 Para el cálculo de las pérdida mayores se emplea la ecuación hf = KLQ2, donde K = 10.3 n^ 2 D^ 16/3 L Longitud i d L= L 4800 m Q2= 0.1406 Si se usa tubería de fibro-cemento, el coeficiente de fricción de Manning correspondiente es n = 0.010, así: K= 10.3 (0.010)2 = 0.04152 0.516/3 hf= 0.04152 (4800) (0.1406) hf hf= 28.02 m
La carga dinámica total, despreciando las pérdidas secundarias, será: H= Carga g Estática + Pérdidas mayores y = 44.70 + 28.02 H= 72.72 m La potencia de equipo de bombeo que debe ser suministrada es P= γ Q H con Q en m3/s 76η η
Y si el gasto se expresa en l/s entonces P se puede escribir
I
P= Q H .................... 76 n Hecho en esta forma: QH= 375 (72.72) = 27270 nn= 70% 76 n = 76 (0.70) = 5320 P= 27270 = 512.59 H.P. 53.20
(6.17)
Sobrepresión p ppor ggolpe p de ariete Se tienen los siguientes datos para sustituirlos en la fórmula de Joukov (ecaución 6.15) v= 1.91 m/s Ea = 20670 kg/cm2 Et= 328 000 kg/cm2 k / 2 d= 50 cm e= 5.8 5 8 cm, cm de espesor de la pared del tubo de fibro-cemento fibro cemento clase A-1
la fórmula es hi=
145 v _________ Ea d 1 + Ei e
145 v = (1.91 = 276.95 Ea d= 20670 (50) =1083500 Ei e = 328000 (5.8) = 1902400 Ea d = 0.54; 1 + Ea d = 1.54; Ei e Ei e
__________ Ea d =1.24 1+ Ei e
Q d Queda hi= 276 276.95 95 = 223.34 223 34 m 1.24
Sobrepresión absorbida por la válvula 80% 223 34 * 0.8 223.34 0 8 = 178.67 178 67 m Sobrepresión p absorbida ppor la tubería 20% la carga normal de operación (carga dinámica total) es. Según hemos calculado: H= 72.72 m Por lo tanto, la carga total que se puede presentar es: Ht= 20% hi + carga normal de operación
6.4 Instalación de tuberías Las tuberías se instalan sobre la superficie, p , enterradas o combinando estas dos maneras. Esto dependerá de: topografía clase de tubería geología del terreno
ppor ejemplo p en un terreno rocoso es pprobable qque convenga g llevarlas superficialmente. En el tipo de instalación que se adopte, también se deben considerar otros factores relacionados l d con la l protección ó de d la l línea lí y así, í una tubería b í que esta propensa a deterioro o mal trato de personas y animales es preferible enterrarla especialmente cuando es de fibro-cemento(cuadro 6.14).
cualquiera que sea la forma de instalación ,se deberán evitar en lo posible los quiebres, quiebres tanto horizontales como verticales, verticales con el objeto de eliminar codo y otras piezas especiales necesarias para dar los cambios de dirección. Esto quiebres aumentan las pérdidas de carga, el costo de la instalación y en ocasiones puede propiciar el confinamiento del aire mezclado con el agua. agua Es conveniente hacer un pplano de la instalación de línea de conducción,, que indique claramente la ubicación de las válvulas de protección (Check, alivio, eliminadora de aire, etc) y control, así como codos, atraques o machones, machones silletas y juntas de dilatación. dilatación
6 4 1 silletas 6.4.1 Ordinariamente las tuberías de acero empleadas son apoyadas sobre silletas. Para determinar el espacio máximo entre silletas de una tubería de acero, ésta se supone como una viga continua y un cantiliver formado por el extremo de la tubería que se conecta a una junta de dilatación.
6.4.2 Atraques Con este nombre se le designan a ciertos apoyos de concreto que se emplean en las líneas de conducción a presión y su localización en un sistema hidraulico depende de las necesidades del proyecto: bifurcaciones, válvulas, codos, etc. Desde el ppunto de vista hidráulico el pproblema se resuelve determinando la resultante de los empujes hidroestáticos y dinámico que, actuando en las paredes de las tuberías, se transmiten i all atraque.
Ejemplo 6.7 En una línea de conducción se ha instalado un codo de 45grados, de 25 pulgadas de diámetro. diámetro La tubería conduce un gasto de 453 l/s. El codo se encuentra localizado a 1.8 km aguas debajo de un tanque q qque tiene una carga g ppiezométrica de 33 m el coeficiente de capacidad hidráulica de la tubería es C = 140. Para determinar la fuerza resultante producida por la presión d l agua en ell codo del d para ser absorbida b b d por medio d de d un atraque.
Solución Como se definió antes : F = 2 S ( P + γ V^ 2) sen E g 2 Donde: F = Fuerza total sobre el codo en kg. kg S = Área de la sección transversal en m2 P = Presión ó en la l tubería b í ( incluyendo l d la l debida d b d all golpe l de d ariete en caso de d presentarse) en kg/m2 V =Velocidad del agua en la tubería en m/s E = Angulo de deflexión de la tubería. g = Aceleración de la gravedad (9.81 m/s2)
En nuestro ejemplo D = 24 pulgadas = 0.6096m A = D2 = ( 0.6096) 2 = 0.292 m2 4 4 Q = 453 l/s = 0.453 m3/s A si que V = Q = 0.453 0 453 = 1.55 1 55 m/s A 0.292
Presión interior de la tubería = carga g ppiezometrica pperdidas por fricción Con la formula de Hazen yWilliams:
hf
0.54 Q = ______________ 0.0177435938 C D^ 2.63
Q = l/ s D = pulgadas L = metros
C = 140
Sustituyendo estos valores :
hf = 0.54 453 (1.8 x1000) 0.0177435938 (140) ( 24)^ 2.63 hf = 5.25m
Luego la presion en la tubería ( no se considera el golpe de ariete ) es: P = 33 – 5.25 = 27.75 m = 27750 kg/m2 F = 2(0.292) ( 27750) + ( 1000 x 1 55 2) sen 45 9.81 2 F = 6256 kg ; fuerza que obra sobre el tubo , hacia afuera . Con un factor de seguridad de 1.2 F = 6256 x 1.2 1 2 = 7507 kg
El
peso volumétrico del concreto es yc = 2400 kg/m3 y suponiendo un ángulo de fricción entre el materia de atraque y el suelo AA = 30grados, se obtiene el peso del atraque
P=
7507 = 13002 kg tan 30gs
y el volumen de concreto necesario : V = 13002 = 5.42 Vc 5 42 m3 de d concreto t 2400
