Grandes aplicaciones en tubería de PRFV DN4000 a presión

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1 Grandes aplicaciones en tubería de PRFV DN4000 a presión Josep Aubeso Gassó Director Técnico. AMITECH Spain S.A.U. josepaubeso@amitech.es Introducción En una sociedad cada vez más preocupada con los problemas relacionados con el entorno, el medio ambiente, y abastecimiento de agua, los sistemas de conducciones se están convirtiendo en las nuevas protagonistas dentro del ciclo de la gestión del agua. El interés creciente por todos los temas relacionados con la gestión integral del agua, ha obligado a volver la vista hacia todo lo relacionado con los sistemas de conducciones más óptimos y desarrollados. El abastecimiento de agua a la población e industria, la depuración, reutilización de aguas y en definitiva la preocupación por el impacto medioambiental han convertido todo el universo relacionado con la gestión de aguas en un foco de atención de primer orden. La utilización de tuberías de Poliéster Reforzado con Fibra de Vidrio (PRFV) Flowtite ha sido cada vez más frecuente en los sistemas de conducción de fluidos de gran diámetro debido a las grandes ventajas que ofrece: altas prestaciones y relación calidad/coste. El desarrollo continuo de este material, a través de centros tecnológicos altamente cualificados, y la experiencia adquirida en todos los campos desde los inicios de su utilización, ha permitido la realización de grandes proyectos con una alta exigencia de calidad, prestaciones y viabilidad económica final. Entre estas exigencias destacaremos principalmente las de una clara resistencia a la corrosión, un grado elevado de estanquidad y una amplia gama de productos y accesorios para la construcción de un sistema completo. Además, las excelentes propiedades mecánicas que ofrecen la tuberías de PRFV, debido al refuerzo de fibras de vidrio, permiten la aplicación de este tipo de material en el rango de uso más amplio que cualquier otro material puede ofrecer, hasta DN4000. Analicemos la aportación que ofrece el PRFV a estas demandas para demostrar la adecuación innata, de este sistema de tuberías en las aplicaciones de gran diámetro. Áreas de utilización y gama de producto Las principales áreas de utilización de conducciones de gran diámetro son las que se nombran a continuación: - AGUA o Potable. Grandes abastecimiento y plantas potabilizadoras o Riego. Distribución de agua para riego a grandes superficies o Agua bruta. Conducciones entre embalses, ríos, pantanos, etc. - SANEAMIENTO o Colectores en Plantas Depuradoras - INDÚSTRIA o Colectores en Plantas Desaladoras o Centrales Térmicas de Ciclo Combinado

2 o Plantas químicas o Piscifactorías La división de fabricación AMITECH, cuenta con un sistema de fabricación que le permite fabricar tuberías y accesorios de las siguientes características: Diámetro Nominal: Desde DN100 a DN4000 Presión nominal (bar): 1, 6, 10, 16, 20, 25, 32, 40 Rigidez nominal (N/m²): 2500, 5000, Debido a la estructura del laminado, puede obtenerse una amplia combinación de DN, PN y SN permitiendo adaptarse a las necesidades técnicas y económicas del proyecto. Gracias al proceso basado en un mandril de avance continuo se puede fabricar cualquier longitud unitaria de tubo con un mínimo de 3 m y un máximo de 12 m. Principales ventajas de las tuberías de PRFV de gran diámetro Las principales ventajas que ofrecen las tuberías actuales de PRFV Flowtite son: - Resistencia a la corrosión La resistencia a la corrosión no solo implica el hecho de que la tubería no sufra los procesos de corrosión típicos, sino que además los costes de instalación y mantenimiento son inferiores debido a que no necesita de ningún tipo de elemento auxiliar para evitar dichos procesos. - Altas propiedades mecánicas La aportación de fibras de vidrio en el proceso de fabricación de las tuberías de PRFV, ofrece unas elevadas propiedades mecánicas y resistentes a la pared estructural del laminado. Este es el principal motivo por el que se pueden conseguir productos de gran diámetro y alta resistencia a la presión. Las propiedades mecánicas de los tubos de PRFV pueden ser confeccionadas de acuerdo con los requerimientos de cada conducción individualmente. Variando la cantidad de refuerzo, emplazamiento y orientación, los tubos pueden ser diseñados de acuerdo a la capacidad de presión, vacío y resistencia axial necesaria para conducciones forzadas. Incluso tubos con clase de presión baja, pueden ofrecer resistencia al vacío. - Excelentes propiedades hidráulicas Otra de las ventajas que aporta este tipo de tubería es el bajo coeficiente de rugosidad. Esta característica lleva implícita varias consideraciones. Por una parte al tener unas pérdidas de carga menores va a permitir el uso de diámetros menores, con el consiguiente ahorro económico, o bien dará una capacidad hidráulica mayor con el mismo diámetro. Ahora bien, si se prefiere mantener el diámetro del tubo y el caudal, lo que tendremos será una tubería con menores pérdidas de carga. Ello implica unas necesidades de bombeo inferiores con el consiguiente ahorro económico en energía y en grupos de bombeo al ser éstos más pequeños. Adicionalmente, el hecho de un menor coeficiente de rugosidad implica que la superficie interior lisa no produce el efecto de apilamiento de materiales, por lo que el tubo se mantiene libre de incrustaciones. De esta forma, el coeficiente de rugosidad se mantiene constante con el tiempo reduciéndose asimismo los costes de mantenimiento. Los beneficios de la utilización de una tubería con un coeficiente de rugosidad menor en cuanto al ahorro en los costes de bombeo, puede llegar al punto de que se recupera la inversión inicial realizada en la tubería dentro del ciclo de vida de la misma, maximizándose este efecto en instalaciones de gran diámetro. - Sistemas de unión fiables El tipo de unión de manguito utilizado por los principales fabricantes de tubos de PRFV, es el que ofrece una mejor capacidad de funcionamiento. Efectivamente este sistema aporta una serie de ventajas como pueden ser:

3 a) Un mayor ángulo de giro de tubo a tubo b) La posibilidad de realizar cortes del tubo en obra utilizando la misma junta de unión para conectarlos. De esta forma se da total libertad al instalador para cortar un tubo a la longitud requerida y no precisar de un tubo de longitud especial equipado con el sistema de unión c) El sistema de manguito reduce al máximo cualquier posibilidad de fuga e infiltración, trabajando hasta presiones de 32 bar y con capacidad de vacío absoluto d) Rango de fabricación hasta DN4000 PN10 - Optima relacion calidad/precio Su peso ligero (comparado con materiales tradicionales como el hormigón, acero o fundición) permite la fabricación de tramos de tubería independientes en longitudes de hasta 12m en todos los diámetros, que juntamente con el sistema se unión de fácil instalación, hace de las tuberías de PRFV Flowtite una óptima relación económica desde el punto de vista de la instalación. Reduciendo costes en contratación de equipos de manipulación y rendimientos diarios de tubería instalada. Unión mediante manguito de gran diámetro Uno de los sistemas de unión más comunes entre los tubos de PRFV Flowtite utilizados para grandes diámetros es mediante manguito flexible de doble campana. La unión entre tubos con dichos manguitos es rápida, fácil y no necesita elementos compensadores de dilatación lineal. El principio de sellado utilizado por los tubos de PRFV Flowtite está basado en la junta elastomérica de estanquidad tipo REKA, desarrollada originalmente para los sistemas de tuberías de fibrocemento en los años 30, la cual ha demostrado su fiabilidad durante 80 años. La construcción del manguito Flowtite con la junta Reka se muestra en la Figura 1. Conjunto tubo/manguito/junta elastomérica multilabiada Este tipo de juntas de manguito se han utilizado hasta diámetros DN4000 a presión, garantizando la completa estanquidad de las uniones. Figura 2 Instalación de tubería de PRFV DN4000 con unión mediante manguito flexible

4 El sellado a baja presión se asegura mediante el contacto de los múltiples labios que presionan contra la pared exterior de la tubería. Figura 3 Sistema de sellado del a junta estándar Flowtite sin presión A medida que la presión aumenta, el sistema Reka actúa mediante dos vías para ofrecer la adecuada capacidad de estanquidad. Primeramente, la ranura donde queda emplazada la junta, realizada en el manguito de PRFV, tiene forma de cuña y la presión inducida en el interior de la tubería empuja la junta elastomérica hacia la sección menor, por lo tanto a medida que la presión interior se incrementa, aumenta la capacidad de sellado de la unión. En segundo lugar, ocurre que el manguito de PRFV está diseñado para que su alargamiento circunferencial sea inferior al inducido en el tubo, con lo cual a mayor presión, menor es el espacio entre la pared exterior de la tubería y la interior del manguito, aumentando el poder de sellado del sistema. Figura 4 Sistema de sellado del a junta estándar Flowtite en presión Para poder dar respuesta a la gran demanda de sistemas de PRFV para altas presiones, nuestro centro tecnológico Flowtite ha trabajado activamente en el desarrollo de manguitos de alta presión desde el año Esto ha implicado una optimización estructural del manguito, ayudada por análisis mediante elementos finitos para la mejor comprensión de la respuesta estructural. Mediante la cuidadosa selección y emplazamiento de los refuerzos, la capacidad estructural del manguito ha sido mejorada hasta permitir diseños de hasta PN32 para diámetros hasta DN1800 inclusive y PN10 hasta DN4000. Las aproximaciones de diseño a las deformaciones dominantes adecuadas y las tensiones cortantes interlaminares han sido las claves del éxito. En las figuras 5 y 6 se muestran las deformaciones del manguito y las tensiones interlaminares de la sección de un manguito cuando se somete a presión. Deformaciones resultantes en el modelo después del análisis

5 Diagrama de tensiones longitudinales Ensayo y validación de la junta de manguito estándar Flowtite de PRFV La primera fase del desarrollo Flowtite de manguitos de alta presión concluyó en 1992, mediante la exitosa calificación de una junta DN1400 PN20. La junta pasó todos los ensayos requeridos por reconocidas normas internacionales. El logro más reciente en el desarrollo de manguitos de PRFV de alta presión realizados en Flowtite, fue la calificación de un manguito DN2000 PN25, lo que confirma la utilización de este tipo de junta en grandes diámetros y altas presiones asegurando la estanquidad. Figura 7 Ensayo de calificación del manguito de DN2000 PN25 Instalación de tuberías de PRFV en grandes aplicaciones DN4000. Casos prácticos Las tuberías de gran diámetro se instalan principalmente en secciones enterradas debido al volumen y cargas inducidas por la presión interior de este tipo de conducciones, aunque también se pueden presentar en instalaciones aéreas si el proyecto así lo exige. La versatilidad del comportamiento de los suelos, aunada a la resistencia y flexibilidad de los tubos Flowtite aumentan la posibilidad de lograr una interacción tubería-suelo que redunde en un excelente

6 rendimiento del sistema en grandes diámetros. La aplicación adecuada de la fibra de vidrio garantiza la flexibilidad y resistencia de los tubos, mientras que la geometría de la zanja, junto con la selección, colocación, compactación del material de relleno y un sistema de unión fiable mediante manguito flexible aseguran la integridad del sistema. En líneas generales, los tubos se ven sometidos a dos tipos de cargas: 1) Cargas externas: resultantes del enterramiento, cargas de superficie y movimientos de tráfico rodado, que ejercen un esfuerzo de flexión sobre la pared del tubo 2) Cargas internas, que dan lugar a una tensión tangencial en el tubo y un empuje desequilibrado que crea tensiones axiales La flexibilidad de los tubos Flowtite unida al comportamiento estructural natural de los suelos crea una combinación ideal para la transferencia de las cargas verticales. A diferencia de los tubos rígidos, que pueden llegar a romperse cuando se ven sometidos a la presión de una carga vertical excesiva, la flexibilidad de los tubos Flowtite, en combinación con su alta resistencia, permite su deflexión y la redistribución de las cargas hacia el suelo adyacente. La deflexión del tubo es un indicador de la tensión generada sobre el tubo y de la calidad de la instalación. Se opone resistencia a la tensión circunferencial mediante la colocación de un refuerzo continuo de fibra de vidrio en la circunferencia de la pared del tubo. La cantidad de refuerzo viene dictada por el nivel de presión y determina la clase de presión nominal del tubo. La instalación enterrada permite la colocación de la tubería directamente encima de un lecho estable y compactado de material seleccionado sin ningún tipo de cama de hormigón o refuerzo adicional. El principal motivo es por su baja relación peso/dn. A continuación se detallan los principales puntos que componen una instalación enterrada de tuberías de PRFV Flowtite, acompañados de casos prácticos en instalación de tuberías de gran diámetro: - Transporte, manipulación y almacenaje La descarga de los tubos se realiza de forma habitual utilizando cuerdas de guía atadas a los tubos, facilitando el control manual del material durante su elevación y posterior manipulación. También se pueden utilizar barras metálicas en los casos en que se requieran varios puntos de sujeción (Figura ZZ). La finalidad de estos métodos es evitar que los tubos se caigan, colisionen o reciban golpes. La manipulación de tuberías de gran diámetro, no requieren ninguna indicación distinta a lo necesario para conducciones de diámetro pequeño. La utilización de dos eslingas adecuadas al peso del tubo, son suficientes para realizar una correcta manipulación. Estas eslingas deberán abrazar al tubo en cada extremo. Figuras 8 y 9. La baja densidad del PRFV conjuntamente con la gran resistencia mecánica de su pared estructural, confiere a las tuberías un peso ligero, el cual facilita su manipulación en obra y permite ahorrar costes en alquiler de grúas de capacidad inferior. Sujeción de tubería DN4000 con puente metálico y eslingas

7 Sujeción de tubería DN3000 con puente metálico y eslingas - Procedimiento de instalación El proceso de instalación de las tuberías de PRFV Flowtite de gran diámetro, se realiza mediante unión de manguito flexible. Este tipo de unión permite un fácil montaje, ofreciendo una alta fiabilidad en la estanquidad. La tubería se deberá emplazar en la zanja, encima de una cama uniforme de material seleccionado compactado. Figuras 10 y 11. Manipulación y emplazamiento de la tubería DN4000 Alineado de un tubo DN4000 para embocarlo en el manguito de unión

8 Es recomendable realizar una pequeña sobre excavación en el lecho de la zanja allí donde vaya a coincidir con un manguito, para procurar que toda la longitud de tubería apoye uniformemente encima de la cama y no en el manguito. Una vez montada la tubería se rellenará la zanja con material seleccionado, proporcionando un buen enriñonado, Figura12, y una compactación adecuada para asegurar el tiempo de vida útil previsto de la instalación. Figuras 13 y 14 Enriñonado de la tubería Relleno de la tubería con material seleccionado (grava) - Montaje de tuberías La unión mediante manguito flexible en grandes diámetros, debe seguir los mismos pasos que en tuberías de inferior DN. Es necesario asegurar, antes de su instalación, que tanto la espiga de la tubería como la junta elastomérica de sellado se encuentren limpias y bien lubricadas. Existen varias formas de instalar un manguito de PRFV Flowtite en grandes diámetros. Una de las más utilizadas consiste en empujar la tubería mediante la cuchara de una excavadora, protegiendo adecuadamente el extremo de la tubería. Para grandes diámetros, la ayuda de elementos metálicos en cruz, facilitan el apoyo del cazo de la excavadora. El ancho de las zanjas donde van emplazados los tubos de gran diámetro, permite incluso que la excavadora pueda empujar la tubería desde el mismo lecho, aprovechando completamente las direcciones principales de empuje. Figura 15

9 Montaje de tubería de gran DN mediante el empuje de una excavadora, apoyada en una cruz de acero Durante esta fase de la instalación, es recomendable que la tubería se encuentre ligeramente suspendida con la ayuda de la grúa de manipulación. Otro sistema de instalación consiste en montar los manguitos con la ayuda de trácteles (recomendable uno en cada lado del tubo). Estos trácteles deben tener la capacidad de tensión adecuada para poder enchufar el manguito, y pueden sujetarse al tubo abrazándolos completamente o con la ayuda de anillos metálicos (Figura 16). Anillo metálico para sujeción de trácteles y alineación del manguito Como norma general, las fuerzas de empuje en un manguito de PRFV Flowtite es de: F (Kg) = 2 * DN(mm) Siendo necesario, por ejemplo para una tubería de DN3000, 6000Kg de empuje y para una tubería de DN4000, 8000Kg de empuje. El valor del empuje se entiende en sentido longitudinal al tubo, y ambos tubos a unir deben estar bien alineados entre sí. El tipo de unión mediante manguito, permite unos rendimientos elevados, que pueden rondar entre los 100 y 300m por jornada laboral para diámetros de DN4000, según el método, recursos y condiciones de la zanja. - Macizos de anclaje, revestimientos de hormigón y conexiones rígidas

10 La forma más económica de reducir los desequilibrios producidos por las fuerzas de empuje es a través de macizos de hormigón que transfieren el empuje al suelo natural. De esta manera se evita que el tubo estándar Flowtite sea el que tenga que trasladar el empuje axial y se limita la cantidad de refuerzo necesario en dirección axial en la pared del tubo a los efectos secundarios. Por consiguiente, no se requiere que las juntas transmitan la carga axial, sino que permitan el movimiento del tubo dentro del manguito resultante de los cambios de temperatura y el efecto Poisson. En ciertas ocasiones, el uso de macizos de contención puede ser inadecuado debido al peso de los mismos, la falta de espacio u otras razones. En estos casos se coloca suficiente refuerzo en la dirección axial de la pared del tubo para soportar el empuje directo. En grandes diámetros de tubería, es recomendable hormigonar completamente el accesorio de PRFV, incluyéndole un refuerzo de acero adecuado para evitar que los esfuerzos de la presión inducidos en la pared de la tubería de PRFV no agriete y parta el bloque en varias partes. Figuras 17 y 18 Armazón de refuerzo para hormigonar un paso de autovía - Conexiones rígidas Cuando un tubo es sometido a un movimiento diferencial en relación a una conexión rígida, pueden aparecer esfuerzos excesivos debidos a la flexión o al esfuerzo cortante. Esto puede ocurrir en los casos en que un tubo pasa a través de una pared (por ejemplo, cámara de válvulas o pozo de registro), está revestido con hormigón (por ejemplo, macizo de anclaje), o está embridado con una bomba, válvula u otra estructura. Por ello, al trabajar con conexiones rígidas, el instalador debe tomar las precauciones necesarias para minimizar la aparición de altas tensiones discontinuas a lo largo de la tubería. Se deben evitar deflexiones angulares y desajustes o defectos de alineación en las uniones cercanas a los macizos de anclaje en el momento de la instalación.

11 El uso de un tubo corto (tubo de oscilación) cerca de la conexión rígida ha resultado ser un buen método para acoplar la línea al asentamiento diferencial (Figura 19). La longitud mínima del tubo de oscilación debe ser la mayor de 1 DN o 1 metro, mientras que su longitud máxima debe ser la mayor de 2 DN o 2 metros. Para tubos de menor diámetro (DN 300mm), la longitud del tubo más corto debe estar comprendida entre 300 y 500mm. El tubo de oscilación se utiliza para permitir los asentamientos diferenciales que puedan ocurrir. Este tubo debe estar perfectamente alineado con respecto a la estructura de hormigón en el momento de la instalación para permitir la máxima flexibilidad en movimientos subsiguientes. Detalle de instalación de carrete corto en conexión rígida Se debe tomar precauciones adicionales para reemplazar y compactar adecuadamente el relleno adyacente a la estructura de hormigón. La construcción de estructuras de hormigón a menudo requiere una sobre excavación para los encofrados, etc.; a este material excavado se le debe restituir un nivel de densidad compatible con el material de su entorno, de lo contrario se puede dar un exceso de deformación o una rotación de la junta adyacente a la estructura. Los rellenos de tipo SC1 o SC2 compactados al 90% de densidad estándar de compactación deben cubrir el 60% del diámetro del tubo en su unión con la estructura rígida antes de comenzar una disminución progresiva. El relleno estabilizado (cemento) también se puede usar para prevenir excesos de deformación en las juntas de los tubos. - Instalación de accesorios sin bloques de hormigón Existe un método alternativo en el caso que no se deseen o no se puedan instalar bloques de hormigón en los accesorios para contener el empuje. El método consiste en proporcionar al accesorio una longitud determinada de tubería suficiente para garantizar la estabilidad del mismo y evitar su desplazamiento. La longitud necesaria del tramo de tubería unido al accesorio irá en función de la capacidad portante del suelo natural, la calidad del material de relleno y la presión interior a la que va a ser sometida. Esta longitud de tubería se conseguirá uniendo tubos unitarios en los extremos del accesorio mediante laminación química en obra. A partir de la longitud necesaria indicada, la tubería se podrá seguir instalando con junta de manguito flexible La tubería aplicable deberá ser resistente a los esfuerzos de compresión y axiales inducidos en la pared estructural de la tubería cuando ésta se somete a presión. Esta práctica se aplica principalmente a codos, tes y reducciones de todos los diámetros. Figuras 20 y 21

12 Instalación de tubería DN4000 enterrada sin bloques de hormigón en los accesorios Doble codo en tubería DN4000 enterrada sin bloques de hormigón Accesorios especiales de PRFV en grandes diámetros Igual que ocurre en los sistemas de tuberías de PRFV de pequeño y mediano diámetro (<DN2000), en conducciones de gran diámetro es necesario el suministro de accesorios fabricados con el mismo material utilizado en la tubería para obtener un sistema coherente y con propiedades de resistencia a la corrosión homogéneas. Estos accesorios de fabrican mediante el método de calderería de PRFV, el cual consiste en la unión de tramos de tubería de longitudes y ángulos variables mediante laminaciones químicas para conseguir el accesorio con la forma deseada. Los accesorios estándar más comunes es estas aplicaciones son: - CODOS

13 - BRIDAS - REDUCCIONES - TES Aunque se pueden realizar composiciones a medida y especiales según las necesidades de cada proyecto. A continuación se muestran ejemplos de accesorios de gran diámetro realizados en PRFV: Codo mitrado DN4000 PN9, preparado para unión en manguito Doble te DN4000 con salidas DN2500 PN9, preparada para unión en manguito Te DN4000 con salida DN Reducción excéntrica DN4000/2500 PN9, preparada para unión en manguito

14 Conclusiones Los sistemas de conducciones de fluidos Flowtite fabricados en PRFV(Poliéster Reforzado con Fibra de Vidrio), dan solución a infraestructuras hidráulicas de grandes dimensiones que actualmente se están planteando en todo el mundo. Las grandes ventajas de este material (resistencia a la corrosión, altas propiedades mecánicas, fácil instalación, etc.) permiten realizar proyectos de grandes conducciones de hasta DN4000 y presiones de hasta 10bar con una óptima relación Calidad/Precio. El sistema de unión en manguito garantiza al cliente e instalador un montaje rápido, seguro y de alta fiabilidad. Este sistema de unión es el más utilizado en conducciones de gran diámetro de DN4000. Existen además una amplia gama de accesorios fabricados también en PRFV hasta DN4000 para ofrecer un sistema de tubería completo con las mismas garantías y comportamiento que la tubería.