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AGUA: TUBERÍAS PARA LOS SISTEMAS DE CONDUCCIÓN DE FLUIDOS Arnco y Dura-Line México fabrican tuberías con polietileno de alta densidad, tipo PE 3408 con clasificación de celda PE-345464 C Las propiedades en base a la clasificación de celda conforme a ASTM D3350 quedan de la siguiente manera:
PROPIEDADES
MÉTODO DE PRUEBA ASTM
VALORES PROMEDIO
DENSIDAD
D 1505
0.949 g/ cm³
ÍNDICE DE FUSIÓN
D 1238
0.10 g/10 min.
MÓDULO DE FLEXIÓN
D 790
120,000 psi
RESISTENCIA A LA TENSIÓN
D 638
ESCR
D 1693
> 5,000 hrs. Cond. “C”
BASE DE DISEÑO HIDROSTÁTICO
D 2837
1,600 psi A 23° C
NEGRO DE HUMO
D 2037
2-3%
3,300 psi
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USO DE LA TUBERÍA Arnco y Dura-Line
fabrican tubería en diferentes diámetros y espesores de pared, para un amplio rango de presiones, cubriendo así los requerimientos de nuestros clientes. El sistema de tuberías, por sus características se puede utilizar en diversos campos como: • AGUA • DRENAJE • RIEGO • INDUSTRIAL • MINERÍA • DRAGADO • AGUAS RESIDUALES • PROCESOS QUÍMICOS • DESECHOS INDUSTRIALES Debido a su avanzada tecnología y bajo costo, la tubería de polietileno ofrece la mejor alternativa para la conducción de fluidos, ofreciendo características que superan ampliamente a las tuberías tradicionales.
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SELECCIÓN DE TUBERÍA S e recomienda para el diseño de sistemas de conducción de fluidos la siguiente guía. Guía: Seleccionar el espesor de la pared del tubo (RD) para cumplir con los requerimientos de presión del proyecto. Evaluar los requerimientos de flujo del sistema para seleccionar el diámetro de la tubería. Verificar la capacidad de la tubería para funcionar bajo las condiciones de instalación planeadas. Por ejemplo, calcular la profundidad a enterrar el tubo, efectos térmicos, etc. Ajustar el espesor de la pared de la tubería de acuerdo a las cargas externas.
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RELACIÓN DE DIMENSIONES El diseño de una tubería de polietileno está basado en la relación de dimensiones de la tubería, comúnmente llamado como “DR”. Por definición, el DR es la relación del diámetro exterior especificado del tubo entre el mínimo espesor de pared del mismo. Esta relación también puede ser referida como el “SDR” por sus siglas en inglés, Standard Dimension Ratio.
SDR =
OD E
Donde: SDR = Relación de Dimensiones OD = Diámetro exterior especificado de la tubería, pulgadas o milímetro E = Mínimo espesor de la pared del tubo, pulgadas o milímetros. Por ejemplo: Para un SDR dado, la razón del diámetro exterior al espesor mínimo de la pared queda como una constante. El diámetro exterior de una tubería SDR 11 es once veces el grosor de la pared. Esta fórmula aplica para todos los diámetros. Cuando los valores del SDR son bajos por ejemplo un SDR 7 la pared de la tubería será gruesa y cuando los valores del SDR son altos por ejemplo un SDR 41 la pared de la tubería es delgada
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DISEÑO HIDROSTÁTICO
Cuando se diseña un sistema de tubería presurizado, la tubería seleccionada debe contener la presión interna de una manera segura. En un sistema no presurizado, como un drenaje de flujo por gravedad, la selección de la tubería depende de factores de flujo y estructurales. Los sistemas de tubería de vacío deben resistir colapsos. Dicho de otra forma, para cada instalación el ingeniero de diseño debe utilizar criterios y cálculos diferentes, conforme las características propias de cada proyecto.
El cálculo hidrostático de las tuberías se fundamenta en lo establecido en el estándar ASTM D 2837 el cual se refiere al Esfuerzo de Diseño Hidrostático (S) definido como el cociente resultante de dividir la Base de Diseño Hidrostático (HDB) entre un factor de seguridad típico para el manejo de agua con valor igual a 2.0,
Parámetros de cálculo hidrostático:
PARÁMETRO
ALTA DENSIDAD PE - 3408
BASE DE DISEÑO HIDROSTÁTICO 100,000 horas @ 73.4 ºF
1,600 PSI (112.5 kgf/cm2)
ESFUERZO HIDROSTÁTICO DE DISEÑO
800 PSI
FACTOR DE SEGURIDAD
2.0
El uso de un Esfuerzo Hidrostático de Diseño. mayor puede reducir el Factor de Seguridad y acortar la vida útil del sistema de Tubería.
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TUBERÍAS PARA PRESIÓN POSITIVA La clasificación de la presión de la tubería termoplástica se calcula usando el SDR y el esfuerzo hidrostático de diseño. La tubería de polietileno con un valor numérico alto de SDR tiene una clasificación de presión más baja que una tubería con un bajo SDR. En otras palabras, conforme el SDR decrece, la clasificación de presión se incrementa y viceversa. La fórmula que relaciona al SDR con el esfuerzo hidrostático de diseño y que ha sido aprobada por la ISO (Organización Internacional de Estándares), la ASTM (Sociedad Americana de Pruebas y Materiales), y el PPI (Instituto de Tuberías Plásticas) como estándar para la industria, es:
P =
2S SDR – 1
Donde: P S
= Presión del trabajo, psi o kgf/cm2 = Esfuerzo hidrostático de diseño 800 psi o 56 kgf/cm2 SDR = OD/ E Todas las tuberías del mismo SDR (sin importar el diámetro) tienen la misma clasificación de presión
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TABLA DE PRESIONES DE TRABAJO Y REVENTAMIENTO valores están basados en las condiciones Requerimientos especiales de Diámetro y SDR estándar de diseño en la industria, utilizando agua a 23 ºC (73.4 ºF) y un esfuerzo hidrostático de diseño Cuando se tengan necesidades en el proyecto de utilizar medidas no incluidas en la norma, los DE 56 kgf/cm2 (800 psi). diámetros y espesores deberán ser establecidos por el usuario y analizadas conjuntamente con A-D Technologies.
Estos
SDR
PRESIÓN DE TRABAJO kgf / cm² PE-3408 A 23ºC para 50 años
PRESIÓN DE PRUEBA DE REVENTAMIENTO EN LABORATORIO kgf/cm²
9
14.0
56.0
11
11.0
44.0
13.5
9.0
36.0
15.5
8.0
31.0
17
7.0
28.0
21
5.0
22.0
26
4.0
18.0
32.5
3.5
14.0
41
2.7
11.0
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TUBOS DE 13 mm a 75 mm TIPO IIa DIÁMETRO NOMINAL, DIÁMETROS EXTERIORES Y ESPESOR DE PARED CON SUS TOLERANCIAS Diámetro nominal (Dn)
Diámetro exterior (De)
tol _) (+
RD 9
RD 11
RD 13.5
1,9
1,6
tol (+) 0,5
RD 17
RD 21
RD 26
RD 32.5
13
21,3
0,1
2,4
tol (+) 0,5
19
26,7
0,1
3,0
0,5
2,4
0,5
2,0
0,5 1,7
0,5
25
33,4
0,1
3,7
0,5
3,1
0,5
2,5
0,5
2,1
0,5 2,0
0,5
32
42,2
0,1
4,7
0,6
3,8
0,5
3,1
0,5
2,7
0,5 2,5
0,5 2,0
0,5 1,6
0,5
-
-
38
48,3
0,2
5,4
0,6
4,4
0,5
3,6
0,5
3,1 0,5
2,8
0,5 2,3
0,5 1,8
0,5
1,6
0,5
50 60
60,3
0,2
6,7
0,8
5,5
0,7
4,5 0,5
3,9
0,5
3,6
0,5
2,9
0,5
2,3
0,5
1,8
0,5
73,0
0,2
8,1
1,0
6,6
0,8
5,4 0,6
4,7
0,5 4,3
0,5
3,5
0,5 2,8
0,5
2,2
0,5
75
88,9
0,2
9,9
1,2
8,1
1,0
6,6
5,7
0,7
5,2 0,6
4,2
0,5 3,4
0,5
2,7
0,5
e
tol (+) 0,5
RD 15.5
e
e
0,8
e
tol (+)
e
tol (+)
e
tol (+)
e
tol (+)
e
tol (+)
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
1,6
0,5
-
-
-
-
1,6 0,5
TUBOS DE 100 mm a 300 mm TIPO IIb DIÁMETRO NOMINAL, DIÁMETRO EXTERIOR CON SU TOLERANCIA Y ESPESORES DE PARED MÍNIMOS
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Relación de dimensiones (RD)
Diámetro nominal (Dn)
Diámetro exterior (De)
Tol _) (+
9
11
13,5
15,5
17
21
26
32,5
41
100 150 200 250 300
114,3 168,3 219,1 273,1 323,8
0,5 0,8 1,0 1,2 1,4
12,7 18,7 24,3 30,3 36,0
10,4 15,3 19,9 24,8 29,4
8,5 12,5 16,2 20,2 24,0
7,4 10,8 14,1 17,6 20,9
6,7 9,9 12,9 16,1 19,1
5,4 8,0 10,4 13,0 15,4
4,4 6,5 8,4 10,5 12,5
3,5 5,2 6,7 8,4 10,0
-4,1 5,3 6,7 7,9
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CÁLCULO HIDRÁULICO PÉRDIDAS POR FRICCIÓN Flujo en la tubería HQ-W
En la siguiente tabla se presentan los diferentes coeficientes de rugosidad para diferentes materiales.
La fórmula de Hazen Williams se utiliza para determinar la caída de presión a un determinado flujo y diámetro de tubería.
Asbesto Cemento
0.010
Concreto liso
0.012
Concreto áspero
0.016
Acero galvanizado
0.014
Fierro fundido
0.013
Δ Pf = Perdida por fricción en la conducción de agua en 100 pies de tubería (psi).
Acero soldado sin revestimiento
0.014
Acero soldado con revestimiento
0.013
d C
Revestimiento con base Epoxy
0.011
Policloruro de vinilo (PVC)
0.009
Polietileno (PE)
0.009
1.85
453Q Δ Pf = _____________ 1.85
C
Q
d
4.86
= diámetro interior de la tubería (pulg.) = 155 ( Constante de Hazen Williams para el polietileno) = gasto en galones por minuto.
GOLPE DE ARIETE El
golpe de ariete se presenta en todo sistema hidráulico, este efecto deteriora considerablemente dichos sistemas, sobretodo si el efecto no es evaluado correctamente. El golpe de ariete se presenta en un sistema de tubería que trabaja a presión, e inesperadamente es interrumpido el flujo ocasionando, una sobrepresión en el mismo. Con los cálculos adecuados esta sobrepresión puede determinarse para evaluar su efecto.
La sobrepresión antes mencionada se conoce como golpe de ariete y es la presión mayor o menor con referencia a la presión estática, que se origina al detener súbitamente el flujo de agua en una tubería, debido a la transformación de la energía cinética de la masa móvil del agua, en energía a presión, la que a su vez se consume al dilatarse elásticamente la pared de la tubería. Al cerrar bruscamente la válvula, se presenta el golpe de ariete positivo, al abrir bruscamente una válvula se presenta el golpe de ariete negativo.
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DISEÑO Debido a su flexibilidad la tubería se deforma cuando es enterrada por el efecto de las cargas que actúan sobre ésta. La deformación depende de las condiciones del suelo, del ancho de la cepa y de la profundidad de la misma.
RELACIÓN DIMENSIONAL
% DE DEFORMACIÓN
32.5
8.0
El porcentaje de deformación depende también de la compactación del material que rodea a la tubería. Al compactar el material se origina una cohesión sobre ésta, reduciendo la carga.
26
7.0
21
6.0
17
5.0
13.5
4.0
11
3.0
9
2.5
7
2.0
El tubo está estrechamente relacionado al suelo donde se va a alojar, por tanto el porcentaje de deformación del tubo depende del tipo de suelo, compactación del material que lo rodea y de las óptimas propiedades físicas y químicas de los tubos. Una vez enterrado el tubo, aseguramos una durabilidad prolongada debido a su alta resistencia a las cargas que tienden a deformarlo. Una buena instalación en zanja forma un sistema resistente a la ocurrencia de una falla prematura. Porcentaje de deformación de la tubería: La tubería tiende a deformarse bajo cargas al estar alojada en un terreno determinado. A continuación se indica el porcentaje de deformación máximo permitido del diámetro exterior, de acuerdo a la relación dimensional. La tubería puede soportar grandes deformaciones sin que falle, la tubería se puede comprimir totalmente sin que se fracture la pared; esto es posible debido a su alta flexibilidad. Si la tubería va a ser unida por soldadura a tope, se puede permitir hasta un 15% de deformación del diámetro exterior, esto provocará una disminución mínima en la capacidad de flujo. Sin embargo lo anterior se debe tomar en cuenta para el diseño del sistema de tuberías para la conducción de fluidos a presión.
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CARGA W
ΔX
X
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% DE DEFORMACIÓN
% DE REDUCCIÓN DE ÁREA
0
0.00
2
0.04
4
0.16
5
0.25
6
0.36
8
0.64
10
1.00
12
1.44
14
1.96
15
2.25
16
2.56
El perfil de la línea de conducción, deberá proyectarse de manera que se induzca al aire hacia los puntos mas altos, donde se deberán colocar dispositivos de expulsión y admisión de aire, evitando así el colapso por vacío en las tuberías, esto se logra con un perfil bien trazado y una buena adecuación del sistema al terreno natural.
Remarcamos que es importante considerar el tipo y condición del material de relleno que confinará la tubería. La arcilla es más difícil de colocar y compactar en comparación con el material de grano grueso. Es importante que el material que soportará la tubería y el usado como relleno, sean granulares, no cohesivos, sin escombro, materia orgánica y piedras con un diámetro no mayor a 38 mm.* *Para mayor información, consultar el estándar ASTM D 2321 “Instalación bajo tierra de tuberías termoplásticos para uso en alcantarillado y otras aplicaciones de flujo por gravedad”.
Presión de Colapso Crítica - Aire en las tuberías Uno de los problemas que con mayor frecuencia perjudican a los sistemas de conducción es ocasionado por el aire que queda atrapado dentro de los mismos. Dicho aire tiene que ser eliminado del sistema, por lo que se deberán estudiar los perfiles de diseño.
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PERFIL TÍPICO DE UNA TUBERÍA Eliminador Combinada
Grad
iente
Tramos Horizontales Largos
Aire y Vacio
Hidrá
ulico
Puntos Altos
X
Desfogue
Aumentos de Pendiente
Flujo
DIFERENCIAL MÁXIMO DE PRESIONES HIDROSTÁTICAS ALTURA DE AGUA EN PIES A 23°C
RD
Vida útil 9
11
13.5
17
21
26
32.5
1 Día
337
202
83
65
36
18
10
1 Mes
192
147
54
34
22
10
6
1 Año
180
111
50
32
17
10
5
50 Años
159
97
44
29
17
9
4
Otra forma en la cual una tubería puede ser colapsada, es cuando la presión externa es mayor que la interna al momento de ser enterrada.
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Para realizar este cálculo, se siguen los siguientes pasos: La tubería tiene como coeficiente de conductividad 1. Estimar la presión total sobre la tubería. térmica 2.7 BTU/ ft²/hr/°F/ pulg. 2. Calcular el Esfuerzo en la pared de la tubería según la fórmula: Expansión y Contracción Térmica:
SA = (SDR-1) Pt SA SDR Pt
2
= Presión externa = Relación dimensional = Presión de trabajo, kg/cm²
a) Si SA < 1500 psi continúe al punto 3. b) Si SA > 1500 psi considere un espesor mayor.
Por ser un material termoplástico, el polietileno, tiende a tener expansión y contracción, por lo que en todo sistema deberá de considerarse este efecto durante los procesos de diseño e instalación CET CET
= 12 x 10-5 in / in / °F = Coeficiente de expansión térmica
3. Calcule la presión crítica de colapso a partir de la fórmula.
Pc = 2.32 MY / SDR³ Pc SDR MY
= Presión crítica = Relación dimensional = Módulo de elasticidad del polietileno. (9,000 kgf/cm²).
Efectos de la Temperatura: Todas las tuberías termoplásticas sufren efectos de disminución en su capacidad de servicio, dependiendo de la temperatura del fluido transportado. Al ser fabricadas de polietileno también sufre estos efectos adversos. El rango de presión de trabajo de un sistema debe disminuir proporcionalmente cuando la temperatura del fluido aumenta. Los sistemas de conducción proveen un mayor nivel de seguridad cuando trabajan a temperaturas menores, se considera que la temperatura de diseño adecuada es de 23°C.
Recomendaciones: Las recomendaciones que a continuación mencionamos, proporcionarán ayuda contra el fenómeno de contracción y dilatación térmica que presentan los sistemas termoplásticos. a) Se recomienda efectuar la instalación a la hora en que la tubería presenta la mayor expansión térmica ( medio día ) b) La tubería deberá protegerse con el material producto de la excavación con el fin de aislar naturalmente y conservar la menor temperatura posible.
Conducción Térmica
c) El instalar las tuberías serpenteadas, ayuda en gran forma a contrarrestar el fenómeno antes citado.
El sistema posee una baja conducción térmica comparada con los metales, convirtiéndose así en un excelente aislante, sus cambios de temperatura se producen después de varias horas hasta alcanzar su equilibrio.
d) Se deberá considerar un porcentaje mayor a la longitud estipulada para compensar el efecto de contracción.
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Productos Presión de Trabajo vs. Temperatura Las tuberías mantienen sus propiedades e integridad de -10ºC a 70ºC de temperatura. Grados de Presión y Tubería: Se muestran los grados de presión vs. 50 años de servicio del sistema en sus distintos SDR’s. Estas tablas son un apoyo al diseño de ingeniería en la selección de las series adecuadas para que se adecuen a los requerimientos de trabajo a una temperatura dada. Para obtener la presión a otras temperaturas que no sean las mostradas, una interpolación puede ser realizada con las temperaturas mostradas. Ejemplo: ¿Cuál es la presión de un sistema de tubería SDR 17 operando a 46°C de temperatura? Tubería SDR 17 a 43°C = 71 lb/pulg² .
P = 71 –
(
49 - 46 49 - 43
)
(71 – 63)
P = 67 lb/pulg²
La presión para valores distintos a los mostrados puede ser calculada como se muestra en el siguiente ejemplo: ¿Cuál es la presión de un sistema en el que la tubería tiene un SDR 11 operando a 27°C y un factor de seguridad de 2 a 1
P = Esfuerzo de Diseño SDR – 1
Esfuerzo de Diseño a 27°C = 1520 lb/pulg² P = 1520 = 152 lb/pulg² 10 Con el objeto de contar con los porcentajes en los que aumenta o disminuye la capacidad de trabajo, se presenta la gráfica 1 con las coordenadas de temperatura y factor de corrección correspondiente, remarcándose como ejemplo los 23°C., cuando la tubería tiene el factor 1.0, que equivale al 100% de su capacidad
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TABLA DE TEMPERATURA Y PRESIÓN Esfuerzo de diseño lb/pulg²
Temp. °C
SDR 32.5
26
21
19
17
13.5
11
9
10
1820
58
73
90
100
113
145
180
215
16
1730
55
69
86
96
108
138
170
207
23
1600
51
64
80
90
100
128
160
190
27
1520
48
60
76
85
95
122
150
182
32
1390
44
56
70
77
87
111
140
167
38
1260
40
50
63
70
79
101
125
150
43
1130
36
45
57
63
71
90
113
135
49
1000
32
40
50
56
63
80
100
120
54
900
28
36
45
50
56
72
90
108
60
800
25
32
40
45
50
64
80
96
FACTOR DE CORRECCIÓN POR EFECTO DE LA TEMPERATURA Gráfica 1
FACTOR DE CORRECCIÓN DE PRESIÓN
1.20 1.10 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 4
10
16
21
27
32
38
43
49
54
60
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TEMPERATURA EN ºC
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GRÁFICA DE ESFUERZO- VIDA DE LA TUBERÍA PE 3408
5000 4000 3000
23º
2000
lbs/plg2
49º 60º
1000 900 800 700 600 500 400 300
Esfuerzo diseño 23 ºC Esfuerzo diseño 49 ºC Esfuerzo diseño 60 ºC
200
Día
Semana
Mes
Año 2 Año 5 Año
100
1
64
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10
100
1000
10,000
100,000
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CARACTERÍSTICAS DE LA TUBERÍA PARA LOS SISTEMAS DE CONDUCCIÓN DE FLUIDOS RESISTENCIA QUÍMICA • Es inerte a la mayoría de los agentes químicos orgánicos e inorgánicos. • No es afectada por la composición de terrenos o aguas marinas. • No permite la corrosión por electrólisis. • No favorece el crecimiento de algas, bacterias y no permite incrustaciones. DURABILIDAD El tiempo de vida útil estimado para la tubería de polietileno es del orden de 40 a 50 años en tuberías de conducción a 23 ºC. RESISTENCIA A LA ABRASIÓN Se utiliza de manera inmejorable, en la conducción de materiales altamente abrasivos, como los que se utilizan en la industria minera teniendo una vida útil del orden de 3 a 4 veces mayor que la de tuberías de acero. RESISTENCIA AL INTEMPERISMO La tubería está formulada para resistir la radiación solar, debido a su contenido del 2 al 3% de negro de humo que tiene por objeto proteger la tubería contra los efectos adversos de la radiación ultravioleta. RESISTENCIA EN ZONAS DIFÍCILES Las propiedades químicas y físicas son tan relevantes, que la tubería se puede utilizar en cualquier tipo de terreno (rocoso, arenoso, mixto, etc.) ya que al no ser frágil ni excesivamente rígida, se flexiona, ajustándose al contorno natural del terreno; asimismo, puede absorber la mayoría de impactos y movimientos que todo sistema de tuberías sufre a lo largo del tiempo.
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VENTAJAS DE LA TUBERÍA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN
TUBERÍA A-D Technologies HQ-W
RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN 100 % de su diámetro
OBSERVACIONES Recupera su diámetro normal sin perder sus propiedades.
40 % de su diámetro
P.V.C.
Si se excede de este porcentaje sufre ruptura.
ASBESTO-CEMENTO
0% de su diámetro
No resiste ningún tipo de compresión.
RESISTENCIA AL IMPACTO
TUBERÍA A-D Technologies HQ-W
RESISTENCIA A LA IMPACTO
OBSERVACIONES
Impactos como las caídas
No sufre fracturas ni deformaciones.
del transporte.
P.V.C.
Golpes por cualquier tipo
El tubo se fractura.
de herramental ligero.
ASBESTO-CEMENTO
Cualquier tipo de golpes
Se requiere de mucho cuidado en su
por mínimos que estos
manejo. El ducto se rompe.
sean, provocan daño.
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TIPO DE UNIÓN En los sistemas de tuberías de polietileno que transportan fluidos uno de los principales problemas son las uniones, es en este punto donde se produce la mayor parte de las fugas. Por tal motivo es importante que la unión tenga las siguientes características: - Facilidad de ejecución - Hermeticidad total - Rapidez de ejecución - Economía durante el proceso
A-D Technologies HQ-W
Fusión tradicional o
0% Fugas nulo mantenimiento.
Electrofusión Cementado
Mantenimiento frecuente a causa de
P.V.C.
Campana Anger
ASBESTO-CEMENTO
Coples y sellos mecánicos
fugas. Mantenimiento frecuente a causa de fugas.
FLEXIBILIDAD OBSERVACIONES
TUBERÍA A-D Technologies HQ-W
Alcanza un radio de curvatura de 20 a 40 veces su diámetro exterior, por lo que representa un ahorro en codos por cambios de dirección.
P.V.C.
ASBESTO-CEMENTO
Mínima por ser un termoplástico rígido.
Nula, cualquier cambio de dirección por mínimo que sea, requiere una conexión.
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RESISTENCIA QUÍMICA La Tubería de polietileno no es afectada por el mecanismo de corrosión, en cambio la corrosión si afecta a la tubería metálica. Como es un no-conductor de la electricidad, es inmune a las reacciones electroquímicas causadas por ácidos, bases y sales que provocan corrosión en los metales. Solamente los agentes oxidantes extremadamente fuertes que no se encuentran normalmente, lo atacan, por lo tanto el polietileno es el material ideal para la fabricación de tubería. La satisfacción del cliente dependerá en forma importante de la adecuada consulta y selección del material para su uso en la necesidad de aplicación determinada. Los datos de resistencia química adicional pueden encontrarse en los reportes técnicos publicados por el Instituto de Tuberías de Plástico.
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INSTALACIÓN MÉTODO DE ZANJADO
El
ancho de la zanja puede ser un mínimo de seis pulgadas en cada lado de la tubería. La zanja es estrecha comparada con las utilizadas para tuberías convencionales, la tubería puede unirse sobre la superficie para posteriormente introducirla a la zanja. El ancho de la zanja debe mantenerse lo más estrecha posible ya que la carga del suelo sobre la tubería está relacionada con el ancho de la zanja. La deflexión lineal de la tubería puede calcularse con la siguiente fórmula de Spangler :
Δx=
Δx Dl K W
Dl (K) W 2 MY + 0.061 Es 3 3 ( SDR -1 )
= = = =
deflexión horizontal de la tubería, pulgadas factor de deflexión del revestimiento (1.0) constante de la capa (0.10) carga de tierra sobre la tubería, libras por pulgada MY = módulo de elasticidad de la tubería (30,000 psi) Es = módulo de suelo, psi SDR = Relación dimensional El porcentaje de deflexión puede ser calculado con la siguiente fórmula : Δx OD
% deflexión =
Δ x 100 ) ( OD
= deflexión lineal = Diámetro exterior de la tubería
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MÓDULOS TÍPICOS DE SUELO (psi) Distancia De carga
Tipo de Suelo
Suelo de grano fino con menos del 25% de contenido de arena
Suelo de grano grueso con partículas finas
Suelo de grano grueso con pocas o sin partículas finas
Estándar AASHTO compactación relativa
ft
m
85%
90%
95%
100%
0-5
0-1.5
500
700
1000
1500
5-10
1.5-3.0
600
1000
1400
2000
10-15
3.0-4.6
700
1200
1600
2300
15-20
4.6-6.1
800
1300
1800
2600
0-5
0-1.5
600
1000
1200
1900
5-10
1.5-3.0
900
1400
1800
2700
10-15
3.0-4.6
1000
1500
2100
3200
15-20
4.6-6.1
1100
1600
2400
3700
0-5
0-1.5
700
1000
1600
2500
5-10
1.5-3.0
1000
1500
2200
3300
10-15
3.0-4.6
1050
1600
2400
3600
15-20
4.6-6.1
1100
1700
2500
3800
Los módulos de reacción de suelos, Es están basados en la distancia de carga, tipo de suelo y compactación relativa. Los símbolos de tipos de suelos provienen del Sistema de Clasificación Unificada. Fuente: Hartley, James D. y Duncan, James M., “Es y su Variación con la distancia de carga”, Journal of Transportation, División de ASCE, Sept. 1987. Carga de material producto de excavación (Pb)
Pb
∂
∂
(H) Pb = __________
= densidad del material producto de excavación, lb/ft3.
H
= altura del material producto de excavación sobre la tubería, pies (distancia de carga).
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= Carga del material producto de excavación, psi.
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Las cargas de la superficie son estructuras permanentes cercanas a la tubería enterrada. Estas cargas pueden ser edificios, tanques de almacenamiento u otras estructuras de peso significativo, las cuales pueden agregarse a la carga del material producto de excavación. La fuerza ejercida sobre la tubería por cargas estructurales de la superficie puede ser calculada con la ecuación de Boussinesq: Carga superficial (Ps)
Ps =
3Lz3 144 (2πR5)
en donde : L = carga estática superficial, en libras z = distancia vertical desde la parte superior de la tubería al nivel de superficie de y carga, en pies R = distancia lineal recta desde la parte superior de la tubería al nivel de superficie de carga, en pies z
R=
x
R
x2 + y2 + z2
x = distancia horizontal desde la carga en superficie, en pies y = distancia horizontal desde la carga en superficie, en pies z = distancia vertical desde el tubo al nivel del suelo, en pies Zanja a cielo abierto La instalación de tuberías tradicionales (P.V.C., concreto, acero) generalmente requiere accesorios para su instalación pieza a pieza dentro de la zanja. Esto requiere que la zanja sea lo suficientemente ancha como para que los instaladores puedan trabajar la unión de la tubería con la herramienta necesaria. Debido a su flexibilidad la tubería de polietileno A-D Technologies puede ser unida sobre el terreno natural a pie de zanja, lugar donde existe el espacio suficiente para acarrearla, acomodarla y unirla rápida y eficazmente, permitiendo la revisión completa de la unión terminada antes de colocar la tubería dentro de la zanja.
tubería
Una vez que la tubería ha sido unida, esta puede ser colocada fácilmente dentro de la zanja ; debido a esta facilidad, la zanja puede ser dimensionalmente muy estrecha en comparación con el ancho usado en la instalación de las tuberías tradicionales. Así en un proceso muy sencillo y con una adecuada planeación pueden ser colocadas distancias mas largas sin la posibilidad de tener contratiempos lo cual daría como resultado un menor tiempo de instalación. Esta particularidad es muy frecuente cuando se instalan tuberías tradicionales. Además la diferencia de peso entre la tubería de polietileno y el de las tuberías tradicionales es una ventaja en el caso de la instalación de la tubería en terrenos con pendientes desiguales o en zonas donde los acarreos se tornan muy difíciles.
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CARACTERISTICAS DE LA ZANJA Como ha sido previamente establecido la zanja debe ser lo mas estrecha posible considerando que el ancho máximo de la zanja no será mayor que el diámetro de la tubería más la distancia mínima necesaria entre la pared de la tubería y la pared de la zanja para poder instalar la tubería en el fondo de la zanja. La importancia del ancho de la zanja no es tanto el costo de la excavación, es la eficiencia del trabajo del sistema terminado.
pendiente se puede dar utilizando gravilla y/o un material fino. Esto es muy significativo en sistemas de caída por gravedad. Cuando las condiciones del terreno son inestables debido al nivel freático se recomienda estabilizar el terreno antes de realizar la instalación del sistema de tuberías; en este caso nuevamente puede ser usada la gravilla como estabilizador en la base de la zanja después de haber drenado el terreno.
En terrenos que generalmente tienen rocas y boleos es necesario realizar un sobrecorte a fin de colocar una cama de gravilla como base, logrando que la tubería asiente totalmente para que ésta no sufra deformaciones puntuales por el material en cuestión. Es recomendable utilizar un material de soporte que le de el apoyo total a la tubería para que no queden espacios vacíos y/o se desplace el material por efectos de la compactación final.
En zonas rocosas la instalación de la tubería no deberá de realizarse en contacto directo sobre la superficie de la roca; en este caso se deberá de colocar una cama de gravilla tomando en cuenta el desnivel requerido y la sobre excavación para dar la distancia de carga de proyecto.
La formación del piso de la zanja es sumamente importante, deberá ser plana y con la pendiente correcta en los lugares donde sea especificada ; la
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SUELO ESTABLE
Existen terrenos que por sus características requieren dar una pendiente a los bordes superiores de la zanja de manera que pueda estabilizarse el material para impedir que este caiga a la zanja. En algunos casos es preferible excavar la zanja con una sección mayor en los bordes superiores para evitar la caída de material sobre la superficie de la tubería.
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SUELO INESTABLE
***Es muy importante que la zona conserve su ancho recomendado cuando menos 15 cm arriba del lomo del tubo.
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SUELO INESTABLE
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RELLENOS El propósito del relleno no es simplemente llenar la zanja para cubrir la tubería; tiene una función específicamente planeada. El propósito es proveer un soporte adecuado y protección para la tubería, y asegurar que el relleno es sólido y continuo. Es importante que el relleno inicial sea consolidado para asegurar un continuo contacto y soporte de la tubería ; esto puede ser logrado usando material de relleno fino y consistente, tal como lo son la arena, gravilla o piedra triturada. Es posible utilizar arena fina o arcilla como relleno, pero esto debe ser hecho únicamente en áreas secas donde es improbable la obtención de otro tipo de material.
INCORRECTO
El dibujo mostrado describe un típico arreglo para una zanja y de la correcta terminología descriptiva para varios componentes.
CORRECTO
nivel final relleno final
materiales de encamado de la tubería
relleno inicial
encamado nivel de tubería
encamado* cimiento*
*En suelos adecuados la construcción de un cimiento y/o encamado, puede no ser necesario
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EXPLICACIÓN
Relleno final - Como se mencionó previamente, el relleno final puede ser con el material original excavado u otro material conveniente, el material final de relleno no debe contener rocas excesivamente grandes o afilados, los cuales dañarían la tubería inicialmente o más tarde permitirán la perdida de la consolidación. El relleno debe ser compactado a un mínimo del 90% Proctor. Será necesario tomar en cuenta el efecto de flotabilidad de la tubería y del material de relleno en áreas donde existe un nivel freático alto y próximo a la superficie. El resultado de un mal cálculo en el material de relleno originará una reducción en la carga impartida sobre la tubería. La configuración de la zanja, las fuerzas friccionales y la carga en el relleno no serán por mucho tiempo suficientes para vencer la tendencia a flotar de la tubería.
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H =
H D d Wt s
∂ ∂
Relleno Inicial - Arena, grava fina o piedra triturada. El material deberá ser colocado en capas de 2 a 6 pulgadas (50 - 152mm). El relleno inicial deberá tener una altura de 4 a 12 pulgadas (100 - 305mm) arriba del lomo de la tubería, dependiendo del diámetro de la misma.
2 2 a π ( D - d ) -Wt
___________________________ 48 s D
∂
Relleno- El relleno provee estabilidad a la tubería a los lados y por debajo. El mejor material es piedra triturada, grava fina o arena, y debe ser compactado para asegurarse que el material está bien consolidado por debajo y a los lados de la tubería. El material de relleno deberá ser vertido en la zanja gradualmente así la operación de relleno puede ser llevada simultáneamente con la compactación. Aplicando demasiado material a la vez puede causar como efecto un puente, el cual resultará en una cavidad que se forma debajo de la tubería, esto puede resultar más tarde en una perdida de soporte de la tubería.
Esta situación puede ser dirigida planeando una sobre excavación para asegurar que la tubería continuará en su lugar. La profundidad requerida para cubrir puede ser calculada de la ecuación mostrada :
∂
Base y cama (cimiento/encamado)- El uso de material de base, puede ser solamente requerido para subir el nivel de la línea de la tubería, o cuando se encuentra el fondo de la zanja inestable o rocoso.
= = = = =
altura mínima, ft. diámetro exterior de tubería, pulgadas diámetro interior de la tubería, pulgadas peso de tubería vacía, lb/ft densidad del suelo de relleno saturado, lb/ ft3
a = densidad de agua, lb/ft3
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RADIO DE CURVATURA La flexibilidad del polietileno permite efectuar cambios de dirección de la tubería sin necesidad de codos y si el proyecto lo permite las zanjas se excavan conforme al radio de curvatura mostrado en la siguiente tabla. RADIO MÍNIMO DE CURVATURA a 23° C
Si dentro de un sistema se utiliza la flexibilidad natural de la tubería para los radios de curvatura no se requiere el uso de muertos de concreto, tampoco son necesarios en las uniones de la tubería. Los muertos de concreto deben de fabricarse a base de concreto pobre los que encapsulan parcialmente la tubería y previenen cualquier movimiento relativo de la misma. Es importante ubicar los muertos de concreto adecuadamente y con el menor número posible para estar seguros que la contracción y expansión de la tubería serán en la dirección y hacia el lugar indicado.
SDR
Radio Mínimo Curvatura RADIO MINIMO DEdeCURVATURA
32.5
> 40 veces el diámetro exterior
26
> 35 veces el diámetro exterior
21
> 28 veces el diámetro exterior
19
> 27 veces el diámetro exterior
17
> 27 veces el diámetro exterior
15.5
> 27 veces el diámetro exterior
13.5
> 25 veces el diámetro exterior
11
> 25 veces el diámetro exterior
9
> 20 veces el diámetro exterior
7
> 20 veces el diámetro exterior
PRUEBA HIDROSTÁTICA Si es especificada, la prueba de presión puede ser realizada previa a la instalación final de la tubería. Después de que la tubería ha sido unida, llenarla con agua cuidadosamente para realizar una prueba hidrostática de presión que es 1.5 veces el sistema de presión planeado para un máximo de 3 horas. Durante este tiempo, añadir agua periódicamente para mantener la presión de la prueba, esto compensa la elasticidad inicial de la tubería. Examinar cada unión, cualquier fuga deberá ser reparada y después probar nuevamente la línea. Nota: Será responsabilidad del Contratista asegurarse que las precauciones de seguridad apropiadas sean observadas durante la prueba hidrostática sobre la tierra.
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Prueba de presión fuera de la trinchera: Llenar la Cuando la prueba está por empezar, la tubería llena de agua es sujeta a una presión de 1.5 veces la presión tubería con agua después que ha sido tendida. de diseño. La prueba no debe exceder tres horas, Sujetar el elemento más bajo en el sistema para probar después de este tiempo cualquier variación en el la presión que es en 1.5 veces la presión de diseño y volumen de agua debe ser medido y reemplazado para regresar a la presión de la prueba. verificar las uniones por cualquier fuga. La prueba de presión consiste en dos pasos: La expansión inicial y la fase de la prueba. Cuando la prueba de presión es aplicada a un llenado de tubería de agua, la tubería se expande. Durante la expansión inicial de la tubería bajo la prueba añadir agua al sistema en intervalos de una hora por tres horas para mantener la presión de la prueba. Después de cerca de 4 horas, la expansión inicial debe ser completada y la prueba puede empezar.
Nota: Bajo ninguna circunstancia el tiempo total de prueba debe exceder (8) horas en 1 ½ veces el rango del sistema de presión. Si la prueba no es completada con este tiempo límite (hasta fuga, falla de equipo, etc.) a la sección de la prueba se le permitirá “descansar” por (8) horas antes de la siguiente secuencia de pruebas. Las pruebas con aire no son recomendables, se requieren medidas de seguridad adicionales. Estos procedimientos son tomados del Handbook of PE Pipe del PPI.
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