ANALISIS COMPARATIVO DE INSTALACION DE TUBERIA DE PVC-UF CON HDPE
El agua como componente principal de la materia viva y elemento indispensable para el bienestar social y desarrollo económico del país es un recurso limitado que debe ser cuidado y aprovechado de manera racional, ya que para poder hacer uso de este vital líquido cada día se requiere de mayor capital humano, equipo especializado, recursos económicos, etc.; ya sea para excavar y extraer de grandes profundidades y/o movilizarla a través de proyectos cada vez mayor, con el que se propicia el alza de los costos de producción. En la antigüedad los poblados no necesitaban de obras de ingeniería para hacer uso del agua, puesto que cazadores y nómadas acampaban cerca de fuetes naturales de agua fresca y las poblaciones estaban tan distantes unas de otras que la contaminación del agua no parecía ser un problema importante. Una vez que se desarrolló la vida en comunidades y aldeas que dependían de la agricultura, el suministro de agua para los habitantes y para riego se volvió un problema. Viéndolo desde el punto de vista económico, se volvía a que la captación de agua superficial y/o manantiales cercanos a los poblados constituía la mejor opción de una buena fuente de suministro de agua. Para el abastecimiento de agua por medio de tuberías se experimentó a mediados del siglo XVI con el hierro fundido en primera instancia, teniendo este gran existo debido a su bajo costo de producción, lo que lo convirtió en el material predilecto para redes y líneas de conducción en los sistemas de agua potable. Bajo este contexto de la conservación del recurso hídrico (agua) cobra cada vez más importancia la tendencia mundial de construir redes de distribución más seguras, duraderas y económicas para evitar pérdidas de agua en el tiempo; es por ello que a partir de la segunda guerra mundial el uso del PVC se ha diversificado ya que los sistemas de agua y alcantarillado fueron destruidos en su mayoría por los bombardeos en Alemania debido a esto científicos científicos e ingenieros alemanes desarrollaron desarrollaron la industria de la tubería de PVC. Actualmente muchas ciudades ciudades están aplicando restricciones en el uso de tuberías que en su composición tienen asbestos, metales pesados u otros 1
componentes de riesgo. De acuerdo a un estudio realizado el año 2002, pequeñas cantidades de plomo y cadmio pueden ser liberadas de productos vinílicos desde los tubos de PVC hacia el agua potable y las estrictas regulaciones ambientales y de salud han hecho que el uso de materiales alternativos al PVC como el HDPE se masifique en los últimos años. A diferencia del PVC, el HDPE es calificado por la FDA (Food and Drug Adiminstration) como material apto para estar en contacto con los alimentos. Ante esto se está diversificando el uso de la tubería de HDPE ya que ofrecen alternativas de solución a los problemas tradicionales, minimizando costos de mantenimiento e instalación en una gran gama de aplicaciones .1 1.3
El problema.
El aumento de las construcciones de obras de saneamiento en el país, se genera por el crecimiento poblacional y la cobertura de los servicios de agua y desagüe de calidad de ya que las redes antiguas han colapsado; por lo que se ha visto incrementada la expansión del sector de la construcción en este rubro, lo cual ha impulsado la creación de nuevas empresas
capaces
de
realizar
obras
de
cierta
envergadura
simultáneamente, demandando así cálculos más precisos en lo concerniente a las obras de las cuales forma parte cada proyectista o constructora. Es tal sentido que en la actualidad se viene implementado sistemas de conducción con tuberías fabricadas de gran diversidad de materiales, en donde la tubería de policloruro de vinilo (PVC), ofrece grandes ventajas, ya que su características de peso ligero en comparación de otros tubos de asbesto cemento o de uno de acero de iguales dimensiones, además las uniones que se usan en la tubería hidráulica garantiza una completa hermeticidad y la facilidad de la instalación ya que no se requiere de maquinaria sofisticada. Por otro lado, ante la gran demanda gasísticas en el país nace la necesidad en donde se viene utilizando tuberías de HDPE que llegan a soportar presiones altas y los bajos costos durante la instalación y el mantenimiento ha hecho que se diversifique el uso a la conducción de agua.
1
http://aguatuya.org/?p=724, actualizado el 27.07.2011, visitado el 16.11.2014, hora 16:30
2
La construcción de las obras de saneamiento ha promovido una competencia en el ámbito profesional entre las diferentes empresas de este mercado, las cuales para seguir innovando y optimizando cada día más sus procesos, y mantenerse actualizadas al ritmo que la población del país lo hace, deben garantizar construcciones que cumplan con las expectativas de la misma, tanto en calidad como en costos. Sin duda la Construcción es una gran industria, pero se debe aceptar que en muchas áreas presenta una capacidad incipiente de modernización, comparada con otras áreas productivas. Por lo que el estudio surge con la necesidad de implementar nuevas técnicas que integren aspectos ingenieriles en la construcción de sistema de conducción de agua, en tal sentido se precederá a la evaluación de costos en la instalación con tubería de PVC-UF y HDPE, de esta manera constatar cuál de los productos son más rentables durante la etapa de la construcción y mantenimiento del sistemas de línea de conducción de agua. En base a lo expuesto, nos toca responder a las siguientes interrogantes: ¿ E n qué medida el anális is comparativo de ins talación de tubería de PVC-UF con HDPE, podrá determinar el uso optimizado de una de ellas, en la cons trucción de una línea de conducción de ag ua?
3
3.
MARCO TEORICO Y CONCEPTUAL 3.1
Antecedentes Mónica Catalán Pino y Francisca Morales Marín2 (2006), en la tesis de
Estudio de un proyecto de agua potable, caso aplicación conjunto habitacional Santa María de Maipú-Chile hace mención que ha realizado una comparación entre los materiales PVC y HDPE, el resultado otorgado en dicha investigación evalúa las alternativa más favorable para la elección del material a utilizar en el proyecto de agua potable, considerando aspectos técnicos y económicos, de tal forma que esta solución beneficie a las poblaciones a largo plazo las cuales dependerá además de las características geomorfológicas del sector estudiando además de las posibilidades de instalación en terreno de equipos necesarios para las uniones, como es el caso de la termofusión y electrofusión en tuberías de HDPE. Virginia A. Casanova A.3 (2005), en la tesis análisis comparativo entre
polifusión y cobre para instalaciones de agua potable intradomiciliaria, concluye que los tubos plásticos se han incorporado al vertiginoso crecimiento de las ciudades (materias primas como: el Poli Cloruro de Vinilo (PVC), polietileno (PE) y polipropileno (PP)). Cuentan con numerosas aplicaciones en el sector de la construcción, muchas de ellas no visibles por los propios usuarios. No teniendo todos los tubos las mismas aplicaciones específicas, entre las más generales se encuentran el suministro de agua potable, calefacción, evacuación de aguas servidas, riego, drenaje, conducción de gases, canalización eléctrica y los accesorios necesarios para la instalación de un sistema completo de conducción de fluidos. En la tesis Diseño de sistema de agua potable y alcantarillado de la comunidad de nuevo Celendín, distrito de Zapatero, provincia de Lamas, presentados por los Bach. Pedro José Arce Pérez y Víctor Hugo Saavedra Navarro hace mención que el Sistema de agua potable bien
diseñado y seleccionado permite a las comunidades, contar con un servicio
2
http://es.scribd.com/doc/167965404/Analisis-de-tuberias-en-Poli-Cloruro-de-Vinilo-PVC-pdf, actualizado al 13.09.2013, visitado el 16.11.2014, hora 17:40 3 http://cybertesis.uach.cl/tesis/uach/2005/bmfcic335a/doc/bmfcic335a.pdf, actualizado al 08.08.2007, visitado el 16.11.2014, hora 17:50
4
de agua potable con óptimas condiciones de salubridad, además que para elaborar proyectos de agua potable es necesario tener bastante claro los conceptos
de
saneamiento
básico
recomienda
que
en
toda
implementación de sistema de agua potable debe estar acompañada de una propuesta de educación sanitaria y propone considerar la evaluación de peligro, vulnerabilidad y riesgos en zonas en donde se van a proyectar los servicios de saneamiento 4. Además, José Luis Cevallos Palacios5 (2006), en su tesis análisis de desempeño de tubería de Polietileno de alta densidad (HDPE) de Pared Estructurada usada como elevador de Pozo de Inspección (Manhole) de aguas lluvias, concluye que la variedad de materiales plásticos utilizados en aplicaciones del sector de la construcción es muy amplia y cada vez más se presentan como una alternativa real y viable frente a los materiales convencionales y además recomienda seguir en la investigación de nuevos métodos de evaluación de desempeño de estructuras plásticas enterradas; ya que en los últimos años ASSTHO ha estado trabajando en convertir el método del diseño estructural convencional al método LRFD (Load Resistance Factor Design) donde se proveen factores de seguridad en el proceso de diseño de los componentes estructurales, estos ha dado como resultado el NCHRP Proyecto 04- 26 “Propuesta de diseño para tubería termoplástica de alcantarillado”, a pesar de que aún no ha sido publicada,
este método está siendo usado por diferentes compañías en los Estados Unidos para evaluar el desempeño de las tuberías termoplásticas. Mónica de la Cruz Directora técnica de la Asociación Española de
Fabricantes de Tubos y Accesorios Plásticos (Ase TUB) 6, en la revista Promateriales hace mención: “vivimos en la era del petróleo y sus derivados, de manera que la imposición de las tuberías de materiales plásticos aplicadas a la construcción no es más que una evolución lógica; el desarrollo de los materiales plásticos comenzó por el año 1835, pero la primera utilización de éstos para la fabricación de tuberías data de principios de los años 30 del siglo XX ”. 4
Arce Pérez, Pedro José –Saavedra Navarro, Víctor Hugo. Tesis Diseño de sistema de agua potable y alcantarillado de la comunidad de Nuevo Celendín, distrito de Zapatero, provincia de Lamas, pág. 144 5 http://www.dspace.espol.edu.ec/bitstream/123456789/13582/3/Tesis%20final%2020061003.pdf, actualizado al 16.11.2010, visitado el 16.11.2014, hora 18:05 6 http://www.promateriales.com/noticia/436/Materiales-de-Construccion-2008/Tuberias-de-Materiales-Plasticos---Junio-2008---.html, actualizado al 12.06.2014, visitado el 16.11.2014, hora 17:50
5
Según Francisco Javier Osorio Escamilla y José Francisco Jerónimo Rodríguez Gutiérrez7, “el descubrimiento del PVC se remota a finales del
siglo diecinueve al descubrirse que un nuevo compuesto orgánico llamado cloruro de vinilo reaccionaba fuertemente a la luz solar formando una acumulación de material sólido blanco en la parte baja de los tubos de prueba, esta reacción es la polimerización simple del PVC. El nuevo plástico fue olvidado debido a que en esa época no se le encontraba aplicaciones. Para los años veinte se retomaron las investigaciones del PVC principalmente en Alemania, produciendo perfiles de PVC rígido. El químico estadounidense, Leo Hendrick, inventó el primer plástico totalmente sintético el que denominó Baquelita. Entre otros productos que se desarrollaron durante este periodo están los polímeros naturales alterados, como el Rayón, fabricado a partir de la celulosa. En 1920 se produjo un acontecimiento que marcaría la pauta en el desarrollo de materiales plásticos, el químico alemán Hermann Staudinger, predijo que éstos se componían en realidad de moléculas gigantes o macromoléculas. Los esfuerzos dedicados a probar esta afirmación iniciaron numerosas investigaciones científicas que produjeron enormes avances en la historia de la Química. Según Mónica Catalán Pino y Francisca Morales Marín8, “durante las décadas de 1920 y 1930 aparecieron nuevos productos, tales como, el etanoato de celulosa o acetato de celulosa (utilizado en el moldeo de resinas y fibras) y el Poli cloruro de Vinilo (PVC), empleado en tuberías y recubrimientos de vinilo; y por ende en los años 40 se produjo un gran desarrollo de la industria de tuberías plásticas que fueron sustituyendo a las de otros materiales, tuberías metálicas debido a la escasez de aquellos materiales provocada por la II Guerra Mundial. El Polietileno de Alta Densidad, descubierto con posterioridad, es también utilizado en tuberías ”.
7
http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/mgc/osorio_e_fj/, actualizado al 17.05.2004, visitado el 16.11.2014, hora 17:50 8 http://es.scribd.com/doc/167965404/Analisis-de-tuberias-en-Poli-Cloruro-de-Vinilo-PVC-pdf#download, actualizado al 13.09.2013, visitado el 16.11.2014, hora 17:40
6
Policloruro de Vi nilo (P VC ) Para Mónica de la Cruz9 “el policloruro de vinilo (PVC) es un material
a)
termoplástico que se obtiene a partir de la sal y el petróleo. Así, el PVC contiene un 57% de cloruro que proviene de la sal, mientras que el 43% restante corresponde al etileno, que se obtiene del petróleo. Por ello, es uno de los materiales plásticos menos dependientes del petróleo. Además, gracias a su capacidad de adivinación y tratamiento, es muy versátil y permite obtener distintos productos rígidos o flexibles, transparentes u opacos y compactos o espumados ” Como se hizo mención el PVC corresponde a una resina producida por la polimerización del Cloruro de Vinilo, la cual se le agregan pequeñas cantidades de:
Estabilizantes que confieren una máxima resistencia a la degradación térmica.
Lubricantes que permiten la trabajabilidad del material en las máquinas.
Colorantes o pigmentos que proporcionan el color que identifica cada campo de aplicación de las tuberías y accesorios, al tratarse de agua potable los tubos son celestes.
R esi s tencia Química del PV C Según Duratec Vinilit10 empresa dedicada a la fabricación de tubos de
a.1)
PVC hace mención que , “la resistencia química del PVC constituye una de sus características más valoradas, pues es allí donde fallan los tubos de materiales tradicionales. Los tubos de PVC poseen una gran y variada resistencia a las aguas agresivas y a la corrosión de los suelos, de modo que no necesitan ser pintados ni cubiertos con revestimientos de protección, salvo que se expongan a los rayos solares. En este caso, los tubos se pueden fabricar con compuestos especiales que los hacen resistentes a los rayos ultravioletas. También los tubos de PVC son capaces de conducir soluciones salinas, ácidos y álcalis diluidos o concentrados sin alteración de las propiedades de éstos ”.
9
http://www.promateriales.com/noticia/436/Materiales-de-Construccion-2008/Tuberias-de-Materiales-Plasticos---Junio-2008---.html, actualizado al 12.06.2014, visitado el 16.11.2014, hora 17:50 10
http://www.vinilit.cl/assets/documentos/biblioteca_tecnica/3.pdf, actualizado al 25.07.2003, visitado el 10.03.2015, hora 17:40
7
a.2) Caracterís ticas de las Tuberías de PVC Ligereza : El peso de un tubo de PVC es aproximadamente la 5° parte
de un tubo de asbesto cemento o de uno de acero, de iguales dimensiones.
Hermeticidad : Los diferentes tipos de unión que se usan en la tubería
hidráulica garantiza una completa hermeticidad del sistema.
Atoxicidad : El PVC no aporta ningún elemento extraño al agua. Facilidad de instalación : Por su ligereza y facilidad de unión no se
requiere maquinaria sofisticada para su instalación, además se tiene un avance de obra mayor por los tramos de 6 metros en que se fabrica el tubo.
Menor rugosidad : Para las mismas condiciones de diámetro, longitud y
caudal, el PVC tiene menores pérdidas de carga ya que su coeficiente de Manning es de 0.009, de Hazen-Williams de 150 y su rugosidad absoluta de 0.0015mm.
Flexibilidad de la tubería : La tubería de PVC presenta flexibilidad tanto
longitudinalmente como de forma vertical (transversalmente). Uniones y Montajes en PVC Según Productos Duralon11, empresa dedicada a la fabricación de
a.3)
tuberías de PVC existen los siguientes tipos de uniones: Unión Anger o unión flexible:
Esta unión también es conocida como unión espiga - campana. Los tubos por un lado tienen una campana conformada con un nicho donde se aloja un anillo empaque de material elastomérico el cual hace el sello hermético; por el otro lado tiene la espiga. La unión se muestra en la siguiente figura.
11
https://instalacioneshs.files.wordpress.com/2008/08/manual_agua_potable.pdf, actualizado al 17.09.2003, visitado el 10.03.2015, hora 17:40
8
Unión Cementar:
Esta unión se compone de espiga - casquillo (socket). Es una unión monolítica de la tubería con otras tuberías (abocinadas) y/o con conexiones usando una sustancia cementante, cuya reacción química con el PVC provoca que las dos piezas cementadas se "solden" entre sí.
Unión Bridada:
Es utilizada principalmente para hacer uniones con piezas de fierro fundido (FoFo), válvulas de compuerta, medidores de flujo y bombas de agua. Consiste de piezas unidas a bridas de PVC con dimensiones estándares.
Tabla Nº 1: Clas ificación de la Tubería PV C por Pres ión de Trabajo
Clase
Serie
5
Presion Nominal de Trabajo Kg/cm2
lb/pulg2
m.c.a
20
5
72.5
60
7.5
13.3
7.7
108.8
76.5
10
10
10.2
145
102
15
6.6
15.3
217.6
153
m.c.a: Metros columnas de agua 9
Fuente: Norma Técnica Peruana NTP-ISO 4422. Catalogo Técnico de Saneamiento Nicolle Perú Dis eño Es tructural del PVC Según Mónica Catalán Pino y Francisca Morales Marín12 (2006); las
a.4)
tuberías de PVC son flexibles, por lo que están expuestas a deflexiones, especialmente si están sometidas a cargas externas. En la eventualidad que aumente indebidamente una carga y el terreno no esté debidamente compactado, el diámetro horizontal pasa a ser mayor que el diámetro vertical, hasta que la parte superior de la tubería llega a ser prácticamente plana. Una carga adicional puede causar la curvatura en dirección inversa de la parte alta de la tubería, provocando el colapso estructural en esta.
Para propósitos del diseño estructural, una deflexión de un 10% es considerada segura, sin embargo los fabricantes de tuberías por lo general, consideran una deflexión máxima de un 5%. a.5) Rigidez de la tubería.
La rigidez es la propiedad inherente a los tubos de oponer resistencia a ser deflexionados.
= 4.47∗ (−) Donde: Ps: Rigidez del tubo E: Modulo de Elasticidad del PVC (28,129.4 kg/cm2 – 2,758 MPa) RD: Relación de dimensiones
= DEprom: Diámetro externo promedio (mm)
12
http://es.scribd.com/doc/167965404/Analisis-de-tuberias-en-Poli-Cloruro-de-Vinilo-PVC-pdf#download, actualizado al 13.09.2013, visitado el 16.11.2014, hora 17:40
10
eminimo: Espesor mínimo de pared (mm) a.6) Cargas externas en la tubería de PVC
Existen dos tipos de cargas externas, las llamadas cargas muertas, provocadas por el efecto del peso de la tierra sobre la tubería y las llamadas cargas vivas o sobrecargas, que pueden ser estáticas o de movimiento, como por ejemplo los vehículos. Las cargas vivas en tuberías flexibles se determinan según el criterio de la AWWA (American Water Works Association), que es asumir la carga móvil como estática uniformemente repartida a lo largo de la tubería.
= ∗ ∗ Donde: We: Carga viva en kg/m en tubería Cs: Coeficiente de carga en función del diámetro del tubo Pc: Carga concentrada en Kg. Se asume la constante igual a 4,550 kg F: Factor de impacto L: Longitud efectiva del tubo en la cual ocurre la carga. Para determinar las cargas muertas se supone conservadoramente igual al peso del prisma de tierra sobre la tubería, que es:
= ∗ ∗ Wc: Peso del prisma de tierra sobre la tubería (tn/m) ϒs: Densidad del suelo saturado sobre la tubería (tn/m3)
H: Profundidad de la zanja sobre la clave en metros D: Diámetro exterior de la tubería en metros a.7) Estimación de la deflexión en tuberías de PVC
Se han estudiado varias fórmulas que relacionan la deflexión de la tubería flexible bajo cargas y las propiedades de la tubería y el suelo. La fórmula más ampliamente utilizada es la siguiente ecuación, originalmente desarrollada por Spangler en IOWA State University y más tarde 11
modificada por Spangler y Watkins y conocida mundialmente como la Fórmula IOWA.
∗ + ) ∆ = ∗∗( +0.061 ∗ ′
Donde: Δx: Máxima deformación transversal en centímetros
De: Factor de deformación de largo plazo (1.5 para todo tipo de suelo) K: Constante de encamado, para tubos de PVC se considera elvalor 0.10 Wc: Carga muerta sobre la tubería en Kg/cm We: Carga viva sobre la tubería en kg/cm r: (D – e) /2= Radio promedio del tubo E: Módulo de elasticidad del material del tubo (300.000 kg/cm2, característica mecánica PVC rígido). I: Momento de inercia de la pared del tubo por unidad de largo (cm4 /cm). Para tuberías, I = e3 /12 en que "e" es el espesor de pared E': Módulo de reacción del suelo (kg/cm2). Depende del tipo desuelo y de su compactación. Polietileno de A lta Dens idad (HD PE ) La industria de materiales plásticos se ha desarrollado por alrededor de
b)
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 conductor es de cables 13. Los polietilenos de alta densidad, utilizados hoy día en sistemas de hidráulicos de agua potable, fueron desarrollados en los años 50 y se les denomina PE100 obteniéndose un ahorro en el espesor de pared de las tuberías en aproximadamente 35% comparado con una tubería de HDPE tradicional.
13
http://hidrauvlica.weebly.com/uploads/5/3/3/9/5339473/hdpe_-_agua.pdf, actualizado al 15.11.2001, visitado el 16.11.2014, hora 09:50
12
b.1) Resistencia Química del HDPE
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. b.2) Características de las Tuberías de HDPE 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 (20º C). Para cada aplicación en particular, las condiciones de operaciones internas y externas pueden alterar la vida útil o cambiar la base de diseño recomendada para alcanzar la misma vida útil.
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, obteniendo importantes ahorros en mano de obra y requerimiento de equipos y adhesivos.
Coeficiente de fricción : Estas tuberías, gracias a que sus paredes son
lisas y a las características de impermeabilidad del PE, es posible obtener una mayor capacidad de f lujo y mínimas pérdidas por fricción. Para los cálculos de flujo bajo presión, se utiliza por lo común un factor C de 150 para la fórmula de Hazen& Williams.
Resistencia
y
flexibilidad :
Permiten
a
la
tubería
absorber
sobrepresiones, vibraciones y tensiones causadas por movimientos del terreno. Pueden deformarse sin daño permanente y sin perjudicar el servicio a largo plazo.
Estabilidad ante cambios de temperatura : La exposición de las tuberías
de HDPE a cambios normales de temperatura no causa degradación del material. 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. 13
b.3) Sistemas de Unión de las Tuberías de HDPE
La elección del sistema de unión depende de las condiciones operacionales (presión, temperatura) en que las tuberías y accesorios (fittings) van a ser utilizados, de las características del fluido que van a conducir y del diámetro requerido. Las tuberías y fittings de HDPE pueden unirse mediante uniones fijas, basadas en la termofución, entre las cuales se encuentran: por soldadura a tope, por electro fusión y por soldadura tipo soquete. También existen las uniones desmontables (mecánicas). No se pueden unir mediante solventes o adhesivos.
Uniones Fijas
Soldadura a tope: Es el procedimiento más tradicional, siendo empleado
más comúnmente en tuberías y fittings de más de 63mm de diámetro y de la misma 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, pues no se producen filtraciones y las uniones son más resistentes que la misma tubería.
Soldaduras de electro fusión : En este método se utilizan fittings
especiales provistos internamente de una resistencia eléctrica en espiral, cuyas extremidades son conectadas a terminales que se localizan en la parte externa de la pieza. Una fuente de corriente alterna es conectada a estos terminales 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, luego se enfrían naturalmente formando un cuerpo único. La soldadura por electro fusión ha logrado mucha aceptación para tuberías de gas, especialmente en Europa.
Soldadura tipo soquete: Este procedimiento se utiliza más bien para unir
tuberías y conexiones de diámetros pequeños, hasta125 mm. Se utilizan de conexiones o moldajes en cuya extremidad de la tubería se insertan, ejerciendo una presión de la masa fundida dela conexión
14
contra la masa fundida de la tubería, soldando la superficie interna de la conexión con la externa de la tubería. Uniones Desmontables
Permiten una instalación fácil y rápida; no sólo sirven para unir tuberías entre sí, sino que también para unir tuberías a válvulas, accesorios y otros equipos. Los sistemas más comunes son:
Stubends y flanges: 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: Stubend o porta flange, flange y pernos con tuerca.
Unión Roscada : Este tipo de unión permite un rápido acople y
desacople. Son bastante utilizadas en riego e industrias en general. Se utilizan principalmente en diámetros entre 20 y 110 mm. Estas piezas poseen un sello o junta de goma ha sido diseñado con un perfil trapezoidal, para permitir una introducción rápida y fácil de la tubería, sin la necesidad de retirar la tuerca del fitting.
Unión tipo Victaulic : El acoplamiento cuenta con hileras de dientes de
sujeción integrales en ambos lados de la carcasa. A medida que se aprietan las carcasas, los pernos fuerzan a los dientes a morder la tubería. Este diseño permite unir directamente tuberías de HDPE sin necesidad de termofusión. b.4) Clasificación de la Tubería HDPE por Presión de trabajo PRESION DE OPERACIÓN ADMISIBLE (Bar) PN 3.2 PN 4 PN 5 PN 6 PN 8 PN 10 PN 12.5 PN 16 PN 20 PN 25
Minima Tension a Resistir en un ciclo de vida de 50 años a 20°C: PE 100 - PE 80 kg/cm2
lb/pulg2
m.c.a
3.3 4.1 5.1 6.1 8.2 10.2 12.7 16.3 20.4 25.5
46.4 58 72.5 87 116 145 181.3 232.1 290.1 362.6
32.6 40.8 51 61.2 81.6 102 127.5 163.2 203.9 254.9
m.c.a: Metros columnas de agua
15
Fuente: Norma Técnica Peruana NTP-ISO 4427. Catalogo Técnico Tigre Perú b.5) Diseño Estructural del HDPE Según Duratec Vinilit14, debido a que las tuberías de HDPE son capaces
de deformarse, su diseño se basa en determinar la deflexión esperada y limitarla avalores apropiados. Su mayor o menor deformación depende de su relación diámetro/espesor y del grado y tipo de compactación del suelo envolvente. Presión Interna en la tubería de HDPE Ing. Luis E. Pérez Farras e Ing. Sandra Pérez15 hacen mención que, los
fabricantes de tuberías de materiales homogéneos adoptan valores de rotura para la presión interna y para la tensión de tracción, lo que posibilita la
determinación
del
espesor,
considerando
previamente
los
correspondientes “Coeficientes de Seguridad”. Como a cada espesor le corresponde una solicitación admisible. Cidelsa16 empresa dedicada a la fabricación de tubos de HDPE, hace
mención que la designación del material, según la norma ISO 12162, tiene relación directa con el tipo de resina de acuerdo al nivel aplicable de resistencia mínima requerida (MRS). Ésta debe ser considerada en el diseño de tuberías de HDPE en servicio a largo plazo, mínimo 50 años y a 20ºC
= 2∗ ∗+ Donde: e: espesor de la tubería en mm PN: Presión nominal de la tubería en kg/cm2 De: Diámetro exterior nominal de la tubería en mm
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http://hidrauvlica.weebly.com/uploads/5/3/3/9/5339473/hdpe_-_agua.pdf, actualizado al 15.11.2001, visitado el 16.11.2014, hora 09:50 15 http://www.fi.uba.ar/archivos/institutos_criterio_seleccion_tuberias.pdf, actualizado al 16.03.2007, visitado el 09.03.2015, hora 09:50 16
http://www.cidelsa.com/tuberias/Especificaciones%20Tecnicas%20ISO.pdf, actualizado al 22.08.2012, visitado el 16.11.2014, hora 09:50
16
σ: Tensión de diseño de la tubería en kg/cm2 Estimación de la deflexión en tuberías de HDPE
Según Duratec Vinilit17, el método más usado para determinar las deflexiones es el de Spangler, quien publicó en 1941 su fórmula de IOWA:
∗ + ) ∆ = ∗∗( +0.061∗′
Donde: Δy: Máxima deformación transversal en centímetros
DL: Factor de deformación de largo plazo (1.5 para todo tipo de suelo) K: Constante de encamado, para tubos de PVC se considera el valor 0.10 Wc: Carga muerta sobre la tubería en Kg/cm
= ∗ ∗ Wc: Peso del prisma de tierra sobre la tubería (tn/m) ϒs: Densidad del suelo saturado sobre la tubería (tn/m3)
H: Profundidad de la zanja sobre la clave en metros D: Diámetro exterior de la tubería en metros We: Carga viva sobre la tubería en kg/cm
= ∗ ∗ We: Carga viva en kg/m en tubería Cs: Coeficiente de carga en función del diámetro del tubo Pc: Carga concentrada en Kg. Se asume la constante igual a 4,550 kg F: Factor de impacto
17
http://hidrauvlica.weebly.com/uploads/5/3/3/9/5339473/hdpe_-_agua.pdf, actualizado al 15.11.2001, visitado el 16.11.2014, hora 09:50
17
L: Longitud efectiva del tubo en la cual ocurre la carga. r: (D – e) /2= Radio promedio del tubo E: Módulo de elasticidad del material del tubo (14,000 kg/cm2, característica del HDPE). I: Momento de inercia de la pared del tubo por unidad de largo (cm4 /cm). Para tuberías, I = e3 /12 en que "e" es el espesor de pared E': Módulo de reacción del suelo (kg/cm2). Depende del tipo desuelo y de su compactación. c) Di s eño Hidráulico de tuberías Efrain Deschamps Gutiérrez De Velasco18; el diseño hidráulico es el más
importante, pues en base a este se calculan los diámetros y presiones que tendrá la línea de conducción y en base a estos se selecciona la tubería que llevara la línea de conducción. No se debe olvidar que antes de iniciar el diseño hidráulico ya se deben de tener calculados los gastos requeridos para el suministro óptimo de agua. Teorema de Bernoulli. Ecuación de la energía
Según el autor Arturo Rocha Felices19; la forma más conocida del teorema de Bernoulli es:
+ + = 2 La suma de los tres términos es constante a lo largo de una línea de corriente en un movimiento permanente e irrotacional (para un fluido ideal). Cada uno de los tres términos tiene las dimensiones de una energía por unidad de peso del fluido. Al primer término
/2, se le conoce con el nombre de energía de
velocidad o energía cinética y representa la altura desde la que debe caer libremente un cuerpo, que parte del reposo, para adquirir la velocidad V.
18
http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lic/deschamps_g_e/, actualizado al 16.05.2006, visitado el 16.02.2015, hora 09:50 19
ROCHA FELICES, Arturo, Hidráulica de Tuberías y Canales, pág.7
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Los otros dos términos son la altura de presión y la elevación. Su suma representa la energía potencial y constituye la cota piezométrica. Efecto de Viscosidad
Según el autor Arturo Rocha Felices20; el efecto de la mayor o menor viscosidad del fluido sobre las condiciones del escurrimiento se expresa por el parámetro adimensional denominado número de Reynolds. El número de Reynolds (Re) tiene por expresión en una tubería.
= ∗ Donde: V: Velocidad media de Escurrimiento L: Longitud Característica v: Velocidad Cinética que es igual a la relación que existe entre dinámica o absoluta (μ) y la densidad del fluido (ρ )
El número de Reynolds representa la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas. Se dice que el flujo es laminar cuando las fuerzas viscosas son más fuertes que las de inercia. Caso contrario el flujo se denomina turbulento. Efecto de la gravedad
Según el autor Arturo Rocha Felices21; el efecto de la mayor o menor influencia de las fuerzas gravitacionales sobre las condiciones del escurrimiento se expresa por el parámetro adimensional denominado número de Froude. El número de Froude (F) tiene por expresión:
= √ ∗ Donde: V: Velocidad Media
20
ROCHA FELICES, Arturo, Hidráulica de Tuberías y Canales, pág.11 ROCHA FELICES, Arturo, Hidráulica de Tuberías y Canales, pág.15
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g: Aceleración de la gravedad L: Longitud Característica Concepto de pérdida de carga. Línea de energía y lín ea piezométrica.
Para el autor Arturo Rocha Felices22, sea una tubería de sección variable como mostrada en la figura. Si aplicamos la ecuación de la energía entre las secciones 1 y 2 se tiene:
2 + + = 2 + + + ℎ− Es decir, que al pasar de 1 a 2 hay una parte de la energía que “se pierde”:
que no se transforma en presión, velocidad o elevación. Es la energía consumida en forma de fricción y que denominamos
ℎ , pérdida de energía
o pérdida de carga. En la ecuación de la energía se ha designado
∑ℎ− como a la suma de
todas las pérdidas de carga (de energía) que ocurren entre 1 y 2 Estas pérdidas de carga son fundamentalmente de dos tipos: continuas y locales. Pérdida de Carga Continúa
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ROCHA FELICES, Arturo, Hidráulica de Tuberías y Canales, pág.135
20
Según Arturo Rocha Felices23 Las pérdidas de carga continuas son proporcionales a la longitud, se deben a la fricción y se calculan por medio de la fórmula de Darcy.
ℎ = ∗ 2 La ecuación de Darcy permite calcular la pérdida de carga
ℎ que se
presenta en un tramo de tubería de longitud L, diámetro D y velocidad media V Según Arturo Rocha Felices24, las tuberías comerciales tienen rugosidad natural. El Estudio experimental de la pérdida de carga fue hecho, entre otros, por Moody, estableciendo un gráfico que relaciona el coeficiente f de Darcy, el número de Reynolds y los valores de la rugosidad relativa. Pérdida de Carga locales
Para Arturo Rocha Felices25, las pérdidas de carga local o singular ocurren en determinados puntos de la tubería y se deben a la presencia de algo especial que se denomina genéricamente singularidad: un codo, una válvula, un estrechamiento, etc. Las pérdidas de carga locales se expresan genéricamente en función de la altura de velocidad en la tubería
ℎ = 2 Donde, la expresión en la que ℎ es la pérdida de carga local expresada en unidades de longitud, K es un coeficiente adimensional que depende de las características de la singularidad que genera la pérdida de carga (codo, válvula, etc.) así como del número de Reynolds y de la rugosidad, V es la velocidad media en la tubería Fórmula de Hazen y Williams
Según Arturo Rocha Felices26, la fórmula de Hazen y Williams tiene origen empírico. Se usa ampliamente en los cálculos de tuberías para
23
ROCHA FELICES, Arturo, Hidráulica de Tuberías y Canales, pág.150 ROCHA FELICES, Arturo, Hidráulica de Tuberías y Canales, pág.138 25 ROCHA FELICES, Arturo, Hidráulica de Tuberías y Canales, pág.150 26 ROCHA FELICES, Arturo, Hidráulica de Tuberías y Canales, pág.218 24
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abastecimiento de agua. Su uso está limitado al agua en flujo turbulento, para tuberías de diámetro mayor de 2’’ y velocidades que no excedan de 3 m/s. La ecuación de Hazen y Williams usualmente se expresa así:
= 0.000426 .3.5 Donde: Q: Gasto en litros por segundo
: Coeficiente de Hazen Williams D: Diámetro en pulgadas S: Pendiente de la línea de energía en metros por Km Operación y Mantenimiento de S is temas de Línea de Conducción d)
Operación
Según el Alejandro Conza Salas y Julio Paucar Olortegui27, la operación es el conjunto de acciones adecuadas y oportunas que se efectúan para que todas las partes del sistema funcionen en forma continua y eficiente Mantenimiento
El reglamento nacional de Edificaciones28, hace mención que se deberá realizar inspecciones rutinarias y periódicas para localizar probables roturas, y/o fallas en las uniones o materiales que provoquen fugas; de detectarse aquellos, deberá reportarse a fin de realizar el mantenimiento correctivo. Según Alejandro Conza Salas y Julio Paucar Olortegui29 existen dos tipos de mantenimientos:
Mantenimiento preventivo. Es el que se efectúa con la finalidad de evitar
problemas en el funcionamiento de los sistemas.
27
ALEJANDRO CONZA SALAS – JULIO PAUCAR OLORTEGUI, Manual de Operación y Mantenimiento de sistemas de agua potable por gravedad sin tratamiento en zonas rurales, pág. 16 28 Reglamento Nacional de Edificaciones, pág. 165 29 ALEJANDRO CONZA SALAS – JULIO PAUCAR OLORTEGUI, Manual de Operación y Mantenimiento de sistemas de agua potable por gravedad sin tratamiento en zonas rurales, pág. 16
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Mantenimiento correctivo . Es el que se efectúa para reparar daños
causados por acciones extrañas o imprevistas, o deterioros normales por el uso. De la buena operación y mantenimiento de un sistema de agua potable depende que el agua que consumamos sea de buena calidad, y que tengamos un servicio continuo y en la cantidad necesaria, y además permitirá garantizar la vida útil del sistema y disminuir los gastos de reparaciones. Optimización s is temas de líneas de conducci ón de ag ua Según el Instituto de la Gerencia y Construcción30, el problema del diseño e)
optimizado de sistemas de distribución de agua potable consiste en encontrar la combinación de diámetros de tuberías que minimice el costo constructivo del sistema, satisfaciendo restricciones hidráulicas y comerciales.
30
INSTITUTO DE LA GERENCIA Y CONSTRUCCION, Hidráulica, pág. 36
23
3.3
Marco Conceptual: Definición de términos básicos. Asbesto: El asbesto pertenece a un grupo de fibras que se presenta
naturalmente en minerales que se encuentran en el suelo y en las rocas. Asbesto cemento: Es una mezcla de cemento Portland con 10% a 20%
de fibras de asbesto. Corrosión: Es la interacción de un metal con el medio que lo rodea,
produciendo el consiguiente deterioro en sus propiedades tanto físicas como químicas Elastómero: Son aquellos tipos de compuestos que están incluidos no
metales en ellos que muestran un comportamiento elástico. Electrolítica: Son aquellas sustancias que al disolverse en agua pueden
conducir la electricidad. Escofina: Es una herramienta de carpintería usada para perfilar o eliminar
el sobrante de materiales blandos; consiste de una punta o espiga, una larga barra de acero o vientre, un talón o base y una lengüeta. Espiga: Extremo liso de un tubo o accesorio.
Fluidos corrosivos: Es aquel líquido que puede destruir o dañar
irreversiblemente una superficie o sustancia con la cual entra en contacto. HDPE: Es la abreviatura de uno los polietilenos la cual se le designa
polietileno de alta densidad (PEAD) o por las siglas en ingles High Density Polyethylene (HDPE) Hierro fundido: Las fundiciones o hierro fundidos son aleaciones de hierro – carbono – silicio que por lo general contienen de 2 a 4% de carbono, 0.5
a 3% de silicio.
24
Monómeros: Es una molécula de pequeña masa molecular que unida a
otros monómeros, a veces cientos o miles, por medio de enlaces químicos, forman macromoléculas llamadas polímeros. Polietileno (PE): Cuando se calienta eteno (etileno) con oxígeno bajo
presión, se obtiene un compuesto de elevada masa molar llamado Polietileno, el cual es un alcano de cadena muy larga. Policloruro de vinilo: Es un polímero obtenido de dos materias primas
naturales cloruro de sodio o sal común (ClNa) (57%) y petróleo o gas natural (43%), siendo por lo tanto menos dependiente de recursos no renovables que otros plásticos. Polímero: Un polímero puede definirse como un material constituido por
moléculas formadas por unidades constitucionales que se repiten de una manera más o menos ordenada. PVC: Es la sigla de un polímero termoplástico policloruro de vinilo o en
ingles poly vinyl chloride (PVC) Temperatura de fusión: Es la temperatura a la cual una sustancia pasa
del estado sólido al estado líquido, o a la inversa. Termofución: Es un método de soldadura simple y rápido, para unir tubos
de polietileno y sus accesorios. Tuberías: Las Tuberías corresponde al conjunto conformado por tubos
normalizados, los accesorios, las válvulas, etc; encargados de transportar los gases o líquidos que así lo necesitan. Tubo: Tubo es aquel producto tubular de sección transversal constante y
de material de uso común.
25
8.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 8.1
Bibliografía Alejandro Conza salas – Julio Paucar Olortegui, Manual de Operación
y Mantenimiento de sistemas de agua potable por gravedad sin tratamiento en zonas rurales, Edición Agualimpia & Fondo Multilateral de Inversiones, Lima 2013 Arce Pérez, Pedro José y Saavedra Navarro, Víctor Hugo, Diseño de
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Nacional de Ingeniería – Facultad de Ingeniería Civil, 1ra Edición, Perú 2007 Huerta Amoretti, Guillermo. Programación de Obra con MS Project,
Editorial ICG, 3ra Edición, Lima – 2009. Ing. Víctor Eduardo Samame Zatta, guía del curso de costos y
presupuestos de la facultada de ingeniería civil, año 2009. Instituto de la Construcción y Gerencia, Hidráulica, Editorial ICG, 2da
Edición, Mayo 2011 Reglamento Nacional de Edificaciones 2009, Editorial Megabyte –
Segunda Edición, Lima 2009. 8.2
Linkografia
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28
