FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL CENTRO ULADECH – PIURA
ASPECTOS HIDRÁULICOS A CONSIDERAR EN EL DISEÑO DE TUBERÍAS
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HYDRAULIC ASPECTS TO CONSIDER IN THE DESIGN OF PIPELINES
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AUTOR: JUAREZ ALQUIZAR, José Isaías Email.:
[email protected]
Dirección Postal: Av. 09 de Octubre Lote 129 Chiclayito - Castilla - Piura
PIURA – PERÚ PERÚ 2017
Señor Director: Revistas Científicas In Crescendo. Universidad Católica Los Ángeles de Chimbote. Presente.-
Es grato dirigirme a usted para saludarlo y en relación a la monografía titulada: “Aspectos hidráulicos a considerar en el diseño de tuberías ”, presentada para que evalúen su publicación en la Revista In crescendo, es importante mencionarle que dicho estudio es una actividad de investigación formativa delegada en el curso de Mecánica de Fluidos II. Declaro bajo juramento que la presente monografía, basada en la tesis digital “Comportamiento hidráulico y estructural de tuberías de PVC flexibles perfiladas en sistemas de riego. Córdova M. & De la Cruz I .”, es un trabajo académico autofinanciado por mi persona y que no existe tipo alguno de conflicto de intereses en la investigación presentada.
Atentamente,
José I. Juárez Alquízar DNI N° 44504087
RESÚMEN El diseño de un sistema de tuberías consiste en el diseño de sus tuberías, brida y su tortillería, empacaduras, válvulas, accesorios, filtros, trampas de vapor juntas de expansión. También incluye el diseño de los elementos de soporte, tales como zapatas, resortes y colgantes, pero no incluye el de estructuras para fijar los soportes, tales como fundaciones, armaduras o pórticos de acero. Un sistema de tuberías constituye una estructura especial irregular y ciertos esfuerzos pueden ser introducidos inicialmente durante la fase de construcción y montaje. También ocurren esfuerzos debido a circunstancias operacionales. Para llevar a cabo el diseño de las tuberías que componen las distintas líneas de proceso, éstas se dividirán en tramos, cada uno de los cuales estará formado por la porción de línea comprendida entre dos equipos consecutivos. De esta forma los diferentes aspectos a calcular se evaluarán independientemente para cada uno de estos tramos. La definición y descripción de los diferentes tramos de tubería se realizará sobre el correspondiente diagrama de flujo, usándose para designar cada uno de estos tramos los nombres de los equipos que constituyen su principio y su final.
INTRODUCCIÓN La presente monografía denominada “Aspectos hidráulicos a considerar en el diseño de tuberías”, es un trabajo académico basado en la tesis digital “Comportamiento hidráulico y estructural de tuberías de PVC flexibles perfiladas en sistemas de riego. Córdova M. & De la Cruz I.”. Dicho trabajo es una actividad encargada por el docente responsable en el curso de Mecánica de Fluidos II, de la carrera profesional de Ingeniería Civil. El objetivo general de este trabajo es difundir esta información y ponerla al alcance de todas las personas para que pueda ser usada como una guía de orientación. Los objetivos específicos son: generar conocimiento y pensamiento analítico respecto de estos temas; y evaluar de qué manera para el estudiante de ingeniería civil, esta información podrá serle útil en su vida profesional. Es así que esta monografía pretende brindar un conocimiento importante al estudiante sobre los aspectos hidráulicos que debe considerar en el diseño de tuberías y redes de tuberías; para que sus diseños ingenieriles permitan y/o aseguren la constante fluidez del líquido elemento en todo su recorrido sin ocasionar interrupciones por averías que puedan producirse en el sistema. Siendo entonces la generación de tal conocimiento una justificación de la importancia de este tema, ya que no sólo es de interés del profesional que se ha de encargar de diseñar las diferentes tuberías o sistemas de tuberías, sino principalmente del usuario final de estos sistemas, que viene a ser en la mayoría de casos el sector público.
COMUNICACIÓN Fundamentación: Para la comprensión de esta monografía, utilizaré en la tesis digital “Comportamiento hidráulico y estructural de tuberías de PVC flexibles perfiladas sistemas de riego ”, Chimbote – Perú (2009); que fue elaborado por los bachilleres
en en ingeniería civil Maximiliano Córdova Quispe e Iván De la Cruz Bautista. En dicho trabajo, se señala que la tubería perfilada de PVC, es una tubería estructural con superficie interior liso y pared exterior perfilada, formada por el enrollamiento helicoidal de una banda de perfil estructurado, fabricada con resinas de poli cloruro de vinilo no plastificado (PVCU) mediante un proceso de extracción. La forma de la pared exterior de la tubería (perfil en T) le da la rigidez anular necesaria para soportar las cargas estáticas y dinámicas a las que va estar sometida, y esto le permite a su vez, ser más liviana que las tuberías PVC con pared sólida. Una tubería perfilada de PVC deriva su resistencia a las cargas de su naturaleza a permitir deformaciones. Al deflectarse ante la carga, esto permite que se desarrollen empujes pasivos de suelo en ambos lados del tubo hacia la línea de control. Al mismo tiempo la deformación del tubo lo libera de soportar la mayor porción de la carga vertical, la cual es soportada por el suelo de los lados, a través del llamado efecto de arco. La resistencia efectiva del sistema tubo flexible - suelo es notablemente alta. En pruebas experimentales hechas en la Utah University (UNI-BELL PV), se ha demostrado que un tubo rígido con resistencia de 49.2 K g/cm (3300 li/pie) a la “prueba de los tres apoyos” colocado en una cama clase C, llega a fallar por fractura de la pared con una carga de suelo de 74.5 Kg/cm (5000 lb/pie); es decir, el factor de seguridad es aproximadamente 1.5; sin embargo, bajo condiciones idénticas de suelo y carga, una tubería flexible de PVC deflecta solo el 5% de su diámetro interno. Este valor está muy por debajo del valor de deflexión que podría causar la falla en la pared del tubo, algo así como un factor de seguridad de 6 (UNI-BELL PVC). Además, haré uso del “Manual Técnico de Diseño de Redes y utilización – Tubería de PVC orientado TOM ”, elaborado por la compañía MOLECOR, España (2016); donde se expresa que para llevar a cabo el diseño de las tuberías que componen las distintas líneas de proceso, se dividirán éstas en tramos, cada uno de los cuales estará formado por la porción de línea comprendida entre dos equipos consecutivos. De esta forma los diferentes aspectos a calcular (diámetro óptimo de la conducción, pérdidas de carga, etc.) se evaluarán independientemente para cada uno de estos tramos. La definición y descripción de los diferentes tramos de tubería se realizará sobre el correspondiente diagrama de flujo, usándose para designar cada uno de ellos los nombres de los equipos que constituyen su principio y su final.
Discusión: El diseño de un sistema de tuberías consiste en el diseño de sus tuberías, brida y su tortillería, empacaduras, válvulas, accesorios, filtros, trampas de vapor juntas de expansión. También incluye el diseño de los elementos de soporte, tales como zapatas, resortes y colgantes, pero no incluye el de estructuras para fijar los soportes, tales como fundaciones, armaduras o pórticos de acero. La lista siguiente muestra los pasos que deben completarse en el diseño mecánico de cualquier sistema de tuberías:
a. Establecimiento de las condiciones de diseño incluyendo presión, temperaturas y otras condiciones, tales como la velocidad del viento, movimientos sísmicos, choques de fluido, gradientes térmicos y número de ciclos de varias cargas. b. Determinación del diámetro de la tubería, el cual depende fundamentalmente de las condiciones del proceso, es decir, del caudal, la velocidad y la presión del fluido. c. Selección de los materiales de la tubería con base en corrosión y resistencia. d. Selección de las clases de "rating" de bridas y válvulas. e. Cálculo del espesor mínimo de pared (Schedule) para las temperaturas y presiones de diseño, de manera que la tubería sea capaz de soportar los esfuerzos tangenciales producidos por la presión del fluido. f. Establecimiento de una configuración aceptable de soportes para el sistema de tuberías. g. Análisis de esfuerzos por flexibilidad para verificar que los esfuerzos producidos en la tubería por los distintos tipos de carga estén dentro de los valores admisibles, a objeto de comprobar que las cargas sobre los equipos no sobrepasen los valores límites, satisfaciendo así los criterios del código a emplear. Si el sistema no posee suficiente flexibilidad y/o no es capaz de resistir las cargas sometidas (efectos de la gravedad) o las cargas ocasionales (sismos y vientos), se dispone de los siguientes recursos:
a. Reubicación de soportes. b. Modificación del tipo de soporte en puntos específicos. c. Utilización de soportes flexibles. d. Modificación parcial del recorrido de la línea en zonas específicas. e. Utilización de lazos de expansión. f. Presentado en frío. El análisis de flexibilidad tiene por objeto verificar que los esfuerzos en la tubería, los esfuerzos en componentes locales del sistema y las fuerzas y momentos en los puntos terminales, estén dentro de límites aceptables, en todas las fases de operación normal y anormal, durante toda la vida de la planta.
Para el Diseño de soportes para tuberías, la selección y el diseño de soportes para tuberías es una parte importante en el estudio ingenieril de cualquier instalación de procesos industriales. Los problemas para diseñar tuberías para altas presiones y temperaturas, tienden a ser críticos en un punto donde es imperativo qué aspectos de diseño, tales como el efecto de cargas en soportes concentradas en estructuras, cargas sobre equipos conectados debido al peso de la tubería y tolerancias de los soportes respecto a tuberías y estructuras; sean tomados en consideración en las primeras etapas de un proyecto. Existen métodos eficientes establecidos para ejecutar los trabajos requeridos para arribar a un diseño apropiado de soportes. El primer paso involucrado en el diseño de soportes es determinar y obtener la cantidad necesaria de información básica antes de proceder a los cálculos y detalles de los soportes. El diseño no será completo si el ingeniero no tiene la oportunidad de revisar el equivalente a la siguiente información:
a. Especificación del soporte, cuando sea disponible. b. Un señalamiento completo de dibujos de tuberías. c. Un señalamiento completo de estructuras. d. Una especificación apropiada de tuberías y datos que incluyan: tamaño de la tubería, composición, espesor de pared, temperaturas y presiones de operación. e. Una copia de la especificación del aislante con su densidad. f. Válvulas y accesorios especiales, indicando sus características (peso, dimensiones, etc.) g. Deflexiones de todas las conexiones de succión de equipos críticos como fondos de caldera, tambores de vapor, conexiones de tuberías, etc.
Demostración: Según los manuales y las normas de diseño, un sistema de tuberías constituye una estructura especial irregular y ciertos esfuerzos pueden ser introducidos inicialmente durante la fase de construcción y montaje. También ocurren esfuerzos debido a circunstancias operacionales. La definición y descripción de los diferentes tramos de tubería se realizarán sobre el correspondiente diagrama de flujo, usándose para designar cada uno de estos tramos los nombres de los equipos que constituyen su principio y su final. Aún en el caso en que los soportes sean diseñados por un ingeniero estructural, el diseñador mecánico de la tubería deberá conocer el diseño de los mismos, por la interacción directa entre las tuberías y los soportes. Por lo tanto, se concluye en rasgos generales que en el caso del diseño y la construcción de sistemas de tuberías; el diseño de los soportes y la elección de todos los elementos que aseguren la estabilidad de la estructura, la seguridad y principalmente la calidad del sistema diseñado a lo largo del tiempo son de vital importancia.
