Manual de Campo Performance Pipe una división de Chevron Phillips Chemical Company LP

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1 Manual de Campo Performance Pipe una división de Chevron Phillips Chemical Company LP AVISO Este Manual de Campo contiene información seleccionada de diferentes publicaciones, incluyendo el Manual de tubería de polietileno ( y documentos de Performance Pipe ( Este manual es una ayuda de referencia rápida. El usuario debe revisar la fuente original de las publicaciones de la versión más actual y para obtener información adicional. Este Manual de Campo no es un manual de diseño y tampoco instrucciones de instalación. Puede que no provea de toda la información necesaria, particularmente con respecto a aplicaciones especiales o inusuales. Nunca deberá sustituirse este manual por la literatura de diseño, estándares y especificaciones que se encuentren disponibles y nunca deberá sustituir el consejo de un ingeniero calificado. Performance Pipe recomienda la contratación de un ingeniero calificado para la evaluación de las condiciones del sitio de la instalación, la determinación de los requerimientos del proyecto y los procedimientos técnicos, así como definir instrucciones especiales para el proyecto. La información contenida en este manual es exacta hasta donde sabe Performance Pipe, pero la información contenida en este manual no se puede garantizar porque las condiciones de uso están fuera de control de Performance Pipe. Todos los derechos reservados. está publicación está completamente protegida por derechos de autor y nada de lo que aparece en ella puede reimprimirse, copiarse o reproducirse por ningún medio, lo que incluye a los medios electrónicos, ya sea en todo o en parte, sin el permiso explícito por escrito de Performance Pipe, una división de Chevron Phillips Chemical Company LP. Página Chevron Phillips Chemical Company LP

2 CONTENIDO AVISO... 1 INTRODUCCIÓN... 4 PRODUCTOS Y CARACTERÍSTICAS... 5 PROPIEDADES FÍSICAS TÍPICAS... 6 PRESIÓN NOMINAL DISEÑO... 6 ONDA DE SOBREPRESIÓN... 8 CLASIFICACIÓN DE PRESIÓN DE CONEXIONES... 8 CAPACIDADES DE PRESIÓN DE VACÍO... 8 RESISTENCIA QUÍMICA... 9 FLUJO DE FLUIDOS... 9 HAZEN-WILLIAMS MANNING FLUJO DE GAS COMPRESIBLE FLUJOS COMPARATIVOS PARA ENCAMISADOS PÉRDIDAS POR FRICCIÓN EN ACCESORIOS Y VÁLVULAS EFECTOS TÉRMICOS EFECTOS TÉRMICOS SIN RESTRICCIÓN EFECTOS TÉRMICOS CON RESTRICCIÓN DE EXTREMOS TRANSFERENCIA DE CALOR SOPORTES SUPERFICIALES ESPACIAMIENTO DE LOS SOPORTES DISEÑO DE LAS TUBERÍAS ENTERRADAS CONSIDERACIONES DE DISEÑO EN AMBIENTE ACUÁTICO LASTRE DE SUMERSIÓN FORMA DE LOS LASTRES LÍNEAS DE TUBERÍAS FLOTANTE TUBERÍA DE POLIETILENO COMO FLOTADOR RECEPCIÓN Y MANIPULACIÓN DESCARGA ALTURAS DE ALMACENAMIENTO DE LAS TUBERÍAS MANEJO EN CLIMA FRIO UNIONES Y CONEXIONES ELECTROFUSIÓN CONEXIONES MECÁNICAS CONEXIÓN DE BRIDAS APERNADO DE LA BRIDA ENSAMBLADO DE LAS BRIDAS JUNTAS MECÁNICAS RESISTENTES A LA JALADO JUNTAS PARCIALMENTE RESTRINGIDAS CONEXIONES DE RAMAL MANGAS Y CONEXIONES DE REPARACIÓN Página Chevron Phillips Chemical Company LP

3 INSTALACIÓN SUBTERRÁNEA EXCAVACIÓN CURVATURA EN FRÍO EN CAMPO MATERIALES DE RELLENO DE TUBERÍA BLOQUES DE EMPUJE EFECTOS POISSON TÉCNICAS DE RESTRICCIÓN DE LAS CONEXIONES FUERZA DE JALADO JALADO PERFORACIÓN HORIZONTAL REHABILITACIÓN EXCLUSIVA SIN ZANJAS INSTALACIONES EN SUPERFICIE INSTALACIÓN SOBRE RASANTE INSTALACIÓN SUBACUÁTICA INSPECCIÓN Y PRUEBAS PRUEBAS DE FUGAS PARTE 1 CONSIDERACIONES PREVIAS A LA PRUEBA LÍQUIDO DE PRUEBA PARTE 2 PROCEDIMIENTOS DE PRUEBAS DE FUGA LINEAMIENTOS OPERATIVOS DESINFECCIÓN DE REDES DE AGUA PRECAUCIONES Y AVISOS Página Chevron Phillips Chemical Company LP

4 INTRODUCCIÓN El Manual de Campo de la tubería Performance Pipe está dirigido en general a las aplicaciones municipales e industriales para los productos con tubería DriscoPlex de Performance Pipe con Diámetro Exterior (DE) Controlado. El manual incluye precauciones e información general, productos y características de tubería e información general de diseño acerco de flujos de líquidos, efectos térmicos y tuberías enterradas. Información general sobre instalación general respecto de la manipulación y almacenamiento, uniones, instalación, inspección y pruebas, y las directrices operativas. En este manual no se incluye información acerca de accesorios y productos de Performance Pipe para la distribución en yacimientos petrolíferos y de gas. Consulte las publicaciones concretas de Performance Pipe para obtener información sobre estos productos. Página Chevron Phillips Chemical Company LP

5 Manual de Campo Performance Pipe PRODUCTOS Y CARACTERÍSTICAS Los tubos y accesorios de polietileno con DE controlado DriscoPlex de Performance Pipe son fabricados de materiales de polietileno de alta densidad y de acuerdo con las normas aplicables, por ejemplo ASTM, AWWA o API. Productos DriscoPlex controlados tubos están diseñados para el servicio de presión, pero también se pueden utilizar para aplicaciones sin presión. Las líneas de productos para aplicaciones específica se identifican mediante una serie de números de tubería DriscoPlex. Tabla 1 Productos de tubería DriscoPlex para aplicaciones municipales e industriales Sistemas de Mercados tubería serie Características habituales (Nota 1) típicos DriscoPlex Minería DriscoPlex 1700 IPS con franjas de color para identificar RD (véase Tabla 2) Distribución y transmisión de agua Tubería de servicio de agua Tubería de drenaje DriscoPlex 4000 DriscoPlex 4100 DriscoPlex 5100 DriscoPlex 4600 DriscoPlex 4700 Tamaño DIPS AWWA C906 y NSF/ANSI 61 o NSF/ANSI 14 con rayas de azul Tamaño IPS en Black AWWA C906 y NSF/ANSI 61 o 14 Disponible para Factory Mutual (Nota 2) Los tamaños de IPS, CTS e IDR en negro o azul que cumplen las normas AWWA C901 y ANSI/NSF 61 y NSF/ANSI 14 Tubo gris pálido DIPS para facilitar la inspección interna Tubo gris pálido DIPS para facilitar la inspección interna Industrial DriscoPlex 1000 Tubería de tamaño IPS negro Notas para la Tabla 1 Características habituales: 1. Todos los tubos se fabrican con resinas de polietileno para tubería PE Aprobado por FM para la clase 150, la clase 200 y la clase 267 en tamaños hasta de 24 RAYAS Y COLORES DE IDENTIFICACIÓN Cuando se usan para identificación, la industria reconoce las siguientes franjas de colores Amarillo para el gas natural Azul para agua potable Rojo para tubería de sistemas contra incendió Verde para aguas residuales Morado para aguas recuperadas Tabla 2 Rayas de color para identificar RD (Tubería DriscoPlex 1700 para aplicaciones de minería) Color Café Blanco Rojo Dorado Gris Anaranjado Azul Morado Verde Rosa DR Página 5

6 Propiedades físicas típicas La Tabla 3 proporciona información sobre las características físicas típicas del material de HDPE DriscoPlex que se utiliza para muchos productos de Performance Pipe. EFECTOS DE LA LUZ DEL SOL (ULTRAVIOLETA) Los tubos negros de Performance Pipe incluyen un mínimo de 2% de negro de carbón en el material para proporcionar protección a largo plazo contra rayos UV. Los productos negros y los productos negros con franjas de color son adecuados para aplicaciones donde hay exposición directa a largo plazo a los rayos UV. Esto incluye todas las aplicaciones superficiales, suspendidas y sobre rasante. Tubos que no son negro, como color gris pálido DriscoPlex 4600 y 4700 tubos, están diseñados para el servicio subterráneo a largo plazo. Puesto que estos tubos no son aditivos negros están presentes para proteger las tuberías de los rayos UV durante un tiempo limitado. Para estos productos, el almacenamiento al aire libre sin protección no debe exceder de 2 años. Presión nominal Diseño La tubería de polietileno DriscoPlex PE 4710 se pueden aplicar a lo largo de un amplio rango de temperaturas y se desempeñan bien de 40 F a 140 F (-40 C a 60 C)para servicio a presión, o hasta 180 F (82 C) para flujo por gravedad (sin presión). Tabla 3 Propiedades físicas típicas del material Propiedad Estándar Valor típico Designación del material ASTM F412 PE4710 Clasificación de las celdillas ASTM D C (negro) E (gris, pálido) Densidad [4] ASTM D g/cc (negro) >0.947 g/cc sin color Índice de Fluidez [4] ASTM D g/10 min Módulo de Flexión [5] ASTM D 790 >120,000 libras/pulg 2 >830MPa Resistencia a la Tensión [5] ASTM D 638 Tipo IV >3500 libras/pulg 2 >24MPa SCG (PENT) [7] ASTM F 1473 >500 horas HDB a 73 F (23 C) [4] ASTMD libras/pulg 2 Color; Estabilizador UV [C] Negro ASTM D 3350 [E] Gris, pálido HDS a 73 F ASTM D libras/pulg 2 Expansión térmica lineal ASTM D x 10-5 in/in/ F Módulo Elástico ASTM D 638 >175,000 libras/pulg 2 >1200MPa Temperatura de transición vítrea ASTM D 746 <-103 F (-75 C) Dureza ASTM D 2240 Shore D 62 AVISO: está información se refiere a las resinas usadas para la fabricación de la tubería y de otros productos de Performance Pipe con marca DriscoPlex. Está tabla solo es para comparar la resina de tuberías de polietileno. No establece especificaciones de los productos y no establece valore mínimos o máximos o las tolerancias del fabricante para las resinas o los productos de la tubería. Estás características fueron determinadas usando probetas moldeadas por compresión preparadas con la resina. Los valores obtenidos con probetas tomadas de las tuberías pueden variar de estos valores típicos. Performance Pipe ha hecho todo esfuerzo razonable para asegurar la precisión de esta información, pero puede que no provea toda la información necesaria, especialmente con respecto a aplicaciones o usos especiales. Algunos productos de Performance Pipe están hechos de otros materiales y es posible que tengan diferentes propiedades típicas a las presentadas en está tabla. está información puede cambiar eventualmente sin previo aviso. Contacte a su representante de Performance Pipe para verificar si dispone de la información más reciente. Página 6

7 No se recomienda el servicio presurizado arriba de los 140 F (60 C) para largo plazo. No se recomienda el servicio para flujo por gravedad (sin presión) arriba de los 180 F (82 C). La presión nominal se reduce a temperaturas elevadas (>73.4 F, >23 C). Los factores de diseño, A f y F T se utilizan para incorporar las condiciones ambientales y la temperatura de servicio en la presión de diseño de la tubería. Vea Tabla 5. PRESIÓN NOMINAL DE LOS TUBOS (PR) Los tubos de presión controlada DriscoPlex DE tienen presiones nominales de conformidad con ASTM F714 utilizando la siguiente fórmula. PR = 2 HDS f T A ( DR 1 ) f Donde PR = Presión nominal, psi HDS = Diseño de presión hidrostática a 73 F, Tabla 3, psi A f = Factor de aplicación ambiental, Tabla 4 f T = Factor de diseño de temperatura de servicio, Tabla 5 RD = Coeficiente de dimensión de DE controlada del tubo RD = DE t DE = Diámetro exterior de tubo controlado de DE t = Espesor mínimo de pared de tubo El coeficiente de dimensión, RD, es la relación entre el espesor de la pared y el diámetro exterior del tubo. Mientras menor sea el RD, más gruesa será la pared del tubo, lo cual se correlaciona con una mayor presión nominal. Tabla 4 Factores de diseño ambiental para PE4710, A f Aplicación Agua: Soluciones acuosas de sales, ácidos y bases, aguas residuales, aguas de desecho, alcoholes, glicoles (soluciones anticongelantes) Nitrógeno; Dióxido de carbono; Metano; Sulfuro de hidrógeno; Aplicaciones no reguladas a nivel federal que involucran gas natural seco u otros gases no reactivos Solventes y químicos que permean en la tubería o en el suelo (típicamente hidrocarburos) en concentraciones de 2% o mayores, condensados de gas natural o otros gases líquidos, petróleo crudo, aceites, gasolina, diésel, keroseno y otros combustibles de hidrocarburos. Gases limpios, secos, libres de aceite que tengan efectos oxidantes leves (como oxígeno o aire) Los gases como el aire o el oxígeno que tienen efectos leves oxidantes y también contienen solvatantes o que permean vapores químicos (como lubricantes o disolventes) Se pueden necesitar diferentes factores de diseño por las regulaciones locales u otras A f Dos factores de diseño, A f y f T, se utilizan para incorporar en la presión nominal del producto las condiciones ambientales y de temperatura de servicio de la aplicación. Vea Tabla 4 y Tabla 5. Página 7

8 Tabla 5 Factores de diseño de la temperatura de servicio para PE4710, f T Temperatura de servicio f T para PE F (23 C) F (38 C) F (49 C) F (60 C) 0.50 Onda de Sobrepresión Un cambio repentino en el caudal de líquido causará ondas de sobrepresión. Con sus propiedades elásticas dúctiles único, la tubería DriscoPlex tiene alta tolerancia a ciclos ondas de sobrepresión. El bajo módulo también proporciona un mecanismo para amortiguar las cargas de choque. Para el mismo cambio en la velocidad del agua, golpes de ariete tubería de polietileno DriscoPlex son alrededor del 86% menos que los tubos de acero y aproximadamente 50% menos de tubería de PVC. A diferencia de otros tubos de plástico y de metal, las tuberías de polietileno DriscoPlex pueden soportar presiones de sobretensión por encima de la presión nominal de la tubería. RD RD Tabla 6 Resistencia a las Sobrepresiones (Surge) a 80 F Transciendes Recurrentes PR, psi Presión total permitida durante la Sobre Cambio de velocidad correspondiente, Presiónes, libra/pelgada 2 pies/seg PR, psi Presión total permitida durante la Sobre Presiónes, libra/pelgada Transciendes Ocasionales Cambio de velocidad correspondiente, pies/seg La permitida a sobrepresión no puede utilizarse para aumentar la capacidad de presión interna continua por encima de la permitida por la presión de trabajo.. PR, presión nominal, y tolerancia a sobrepresión son de conformidad con ASTM F714 y para tubos PE Clasificación de Presión de Conexiones Las conexiones moldeadas son adecuadas para operar a la presión que indique el RD de sus extremos de la tubería Capacidades de Presión de vacío Capacidades de presión de vacío para tubería HDPE de Performance Pipe están en la Tabla 14. Capacidades de vacío varían con RD de las tuberías, la temperatura y el tiempo de exposición a condiciones de vacío. Página 8

9 Resistencia Química Hay información sobre pruebas de inmersión química a corto plazo de muestras no estresadas en el Handbook of Polyethylene Pipe a Puede encontrarse información adicional sobre compatibilidad química en PPI TR-19, Tubería Termoplástica para el Transporte de Productos Químicos. Dado que las condiciones particulares de una aplicación pueden variar, la información de pruebas a corto plazo de inmersión química sin carga es útil solamente como guía preliminar. La ausencia aparente de efecto en una prueba de inmersión a corto plazo no implica que no habrá ningún efecto cuando haya una exposición prolongada o se aplique carga, o combinaciones de sustancias químicas, o temperatura elevada ya sea individualmente o en cualquier combinación. La desinfección del agua potable por cloraminas y cloro ha sido ampliamente probada y demostrada que tienen poco o ningún efecto en la vida de diseño esperado de 'Performance Pipe' actual en la mayoría de las tuberías de distribución de agua fría. 'Performance Pipe' puede ser utilizado en aplicaciones en las que se utiliza dióxido de cloro en la desinfección primaria de las aguas residuales. No se recomienda el 'Performance Pipe' para el uso donde se utiliza el dióxido de cloro en la desinfección secundaria de aguas residuales. Esto no es común. Performance Pipe no está diseñado para servicio de agua caliente y las zonas con temperaturas elevadas significativas pueden requerir una reducción de la presión o una reducción de la vida útil cuando haya una reposición continua de sustancias químicas desinfectantes del agua. FLUJO DE FLUIDOS Tubería de polietileno DriscoPlex(r) se utiliza para transportar fluidos que puede ser líquido, suspensión (partículas sólidas arrastradas en un líquido), o gas. Está sección proporciona información general para utilizar las fórmulas de Hazen-Williams y las fórmulas de Manning para el flujo de agua. Está sección también proporciona información sobre el uso de las fórmulas de Mueller para alta presión y el flujo de gas a baja presión. La información de flujo en esta sección se aplica a ciertas condiciones y aplicaciones, pero puede no ser adecuado para todas las aplicaciones. El usuario debe determinar la aplicabilidad antes de su uso. AIR VINCULANTE Y VACÍO DE ALIVIO En terreno rugoso o montañoso país, la restricción de flujo adicional provocada por la unión de aire debe ser evitado. Aire unión ocurre cuando el aire en el sistema se acumula en puntos altos locales. Esto reduce el diámetro interior efectivo de tubería y restringe el flujo. Respiraderos tales como los tubos verticales o las válvulas de liberación de aire se pueden instalar en puntos altos para evitar el aire atrapado. Si la tubería tiene un punto alto, ventilación de vacío puede ser necesaria para evitar el colapso de vacío, sifonaje, o para permitir un drenaje. DIÁMETRO INTERIOR La tubería de polietileno con DE controlado DriscoPlex está fabricada el método de extrusión que controla el diámetro externo y el espesor de la pared. Como resultado, el diámetro interno variará según las tolerancias combinadas del DE y el espesor de la pared y otras variables, entre ellas la convergencia, la falta de redondez, la ovalidad, calidad de la instalación, la temperatura y similares. El diámetro interno para cálculos de flujo se determina típicamente restando dos veces el promedio del espesor de pared del DE promedio. El espesor medio de la pared es el espesor mínimo de la pared más 6%. Cuando se requiere un DI real para dispositivos tales como insertos o rigizadores internos que deben ajustarse precisamente en el DI del tubo, tome las medidas de la tubería. Página 9

10 HAZEN-WILLIAMS Hazen y Williams desarrollaron una fórmula empírica para el agua a 60 F. La viscosidad del agua varía con la temperatura, de modo que puede ocurrir cierto error en otras temperaturas. Fórmula de Hazen-Williams para la pérdida de fricción (presión) en pies de agua: h f = L d Q C 1.85 Fórmula de Hazen-Williams para la pérdida de fricción (presión) en psi: p f = L 100Q d C 1.85 Donde h f = pérdida de fricción (presión), pies de agua L = longitud del tubo, ft d = diámetro interior del tubo, in. Q = El flujo del agua, gal./min. C = Factor de fricción Hazen-Williams, adimensional p f = pérdida de fricción (presión) para agua, psi El flujo de agua que fluye en diferentes materiales y diámetros se puede comparar con la siguiente fórmula. Subíndice 1 refieren a la tubería de la que se conocen los datos. Subíndice 2 refieren a la tubería de la que no se conocen los datos % d 2 C2 100 flujo = d1 C1 Material del tubo Tabla 7 Factor de fricción Hazen-Williams, C Valores de C Rango Valor promedio Alto / Bajo Valor típico de diseño Tubería de polietileno 160 / A 150 Cemento revestido tubos de hierro dúctil 160 / Tubería o tubing de cobre, plomo, estao o vidrio 150 / Madera 145 / Acero soldado y sin soldadura 150 / Hierro vaciado y dúctil 150 / Concreto 152 / Acero corrugado A Determinados en tubo fusionado en los extremos con cuentas internas en su sitio. Página 10

11 MANNING La ecuación de Manning se puede utilizar para predecir el flujo de agua en un canal abierto bajo una pendiente constante y sección transversal uniforme. Un flujo en canal abierto existe en un tubo cuando funciona parcialmente lleno. La ecuación de Manning está limitada a agua o líquidos con una viscosidad cinemática igual al agua. Ecuación de Manning Donde V = r n 2 / 3 S 1/ 2 V = velocidad de flujo, ft/seg. N = coeficiente de rugosidad, adimensional (Tabla 8) r = radio hidráulico, ft r = A P A = P = S = h 1 = h 2 = h f = área de la sección transversal del canal, pies cuadrados perímetro mojado por el flujo, pies pendiente hidráulica, pies/pies S = h 1 h L 2 = h elevación aguas arriba de la tubería, pies elevación aguas abajo de la tubería, pies pérdida de fricción (presión), pies de líquido f L Es conveniente combinar la ecuación de Manning con: Q = AV Para obtener: Q = A r n 2 / 3 S 1/ 2 Cuando los términos sean como se definen arriba, y Q = flujo, pies 3 /seg Página 11

12 Cuando una tubería circular funciona llena o medio llena, D r = = 4 d 48 Donde D = diámetro de tubería, pies d = diámetro de tubería, pulgadas El flujo del tubo lleno en pies cúbicos por segundo se puede calcular usando: Q = 4 ( ) d 8 / 3 n S 1/ 2 El flujo del tubo lleno en galones por minuto se puede estimar usando: d Q' = / 3 n S 1/ 2 Caudal máximo se produce cuando las tuberías se encuentran en el 93% de la capacidad de la tubería. La velocidad máxima se produce cuando las tuberías se encuentran en el 78% de la capacidad de la tubería. Esto ocurre porque el radio hidráulico reduce más significativamente que el área de flujo para tuberías parcialmente llenos. Tabla 8 Valores de n para usarse con la ecuación de Manning Superficie n, rango n, diseño típico Tubería de polietileno Tubería de hierro colado o dúctil sin recubrimiento Tubería de acero corrugado Tubería de concreto Tubería de Cerámica Cristalizada Atarjeas de Cemento y Ladrillos Madera Mampostería de cascajo Flujo de gas compresible Las fórmulas para estimar el flujo de gas en tuberías lisas se pueden utilizar para las tuberías de polietileno DriscoPlex. Para altas presiones, se puede utilizar la ecuación de presión alta de Mueller. Ecuación de presión alta de Mueller: Q h = 2826d S g p 2 1 p L Página 12

13 Donde Q h = flujo, estándar pies 3 /hora S g = gravedad específica del gas p 1 = presión de admisión, libros/pulgada 2, absoluta p 2 = presión de escape, libros/pulgada 2, absoluta L = longitud, pies d = Diámetro interior, pulgadas FLUJO DE GAS DE BAJA PRESIÓN Para presiones menores de 1 libros/pulgada 2 se puede utilizar la ecuación de presión alta de Mueller. Ecuación de baja presión de Mueller: Q h = 2971d S g h 1 h L Cuando los términos sean como se definen arriba y h 1 = presión de admisión, pulgadas de agua h 2 = presión de escape, pulgadas de agua FLUJOS COMPARATIVOS PARA ENCAMISADOS Tuberías de flujo por gravedad dañada pueden ser rehabilitadas instalando encamisado de polietileno dentro de la tubería existente. Después de la rehabilitación la sección transversal de la tubería se reduce. Sin embargo, la superficie lisa de DriscoPlex resiste el envejecimiento y hace que sea posible mantener toda o la mayoría de la capacidad de flujo original. Vea Tabla 9 Las capacidades de flujo comparativo de tuberías circulares se pueden determinar de la siguiente forma: % flow Q = 100 Q 1 2 d1 n = 100 d 2 n 8 / / 3 2 La Tabla 9 se desarrolló usando la fórmula anterior donde d 1 = el diámetro interior del encamisado, d 2 = el diámetro interno del drenaje existente. Página 13

14 DI drenaje existente, pulg DE del Encamisado, pulg Tabla 9 Flujos comparativos para tubos con Encamisado Encamisado RD26 Encamisado RD21 Encamisado RD17 DI Encamisado, pulg % flujo vs. concreto % flujo vs. cerámica DI Encamisado, pulg % flujo vs. concreto % flujo vs. cerámica DI Encamisado, pulg % flujo vs. concreto % flujo vs. cerámica Pérdidas por fricción en accesorios y válvulas El flujo que circula por válvulas y conexiones experimentara perdidas por fricción, y está perdida se expresa como el equivalente en la longitud de la tubería. La longitud equivalente se calcula multiplicando el coeficiente de resistencia correspondiente, K', por el diámetro del accesorio, D, en pies. L = K' D Página 14

15 Tabla 10 Coeficiente de resistencia de las conexiones, K' Accesorio K Codo moldeado de Codo moldeado de Codo industrializado de Codo industrializado de T de salida igual, tramo/ramal 60 T de salida igual, tramo/tramo 20 Válvula de globo convencional, completamente abierta 350 Válvula de ángulo convencional, completamente abierta 180 Válvula de compuerta de cuña convencional, completamente abierta 15 Válvula de mariposa, completamente abierta 40 Válvula de retención giratoria convencional 100 EFECTOS TÉRMICOS Como respuesta a los cambios de temperatura la tubería de polietileno sin anclajes tendrá un cambio de longitud. La tubería anclada o restringida desarrollara un esfuerzo longitudinal en lugar de sufrir un cambio en su longitud. Este esfuerzo será de tensión cuando la temperatura disminuye y será de compresión cuando la temperatura aumenta. Si el nivel del esfuerzo a compresión, supera la resistencia del tubo al aplastamiento por la altura del relleno, en colapsado de manera lateral. A pesar de que el esfuerzo térmico es bien tolerado por la tubería de polietileno, una tubería anclada o restringida puede añadir un esfuerzo adicional a las estructuras que hacen el anclaje. Por lo que las estructuras de anclaje deberán de ser diseñadas para resistir estos efectos térmicos y las cargas generadas que pueden ser significantes, especialmente durante la contracción por temperatura. Véase PP814 Consideraciones de ingeniería para cambios de temperatura en el sitio web de Performance Pipe. Efectos térmicos sin restricción El cambio teórico de la longitud de una tubería sin restricción en una superficie sin fricción es de: L = Lα T Donde ΔL = cambio de longitud, pulgadas L = longitud del tubo, pulgadas α = coeficiente de expansión térmica lineal, pulg./pulg./ F = aproximadamente 8 x 10-5 pulg./pulg./ F para DriscoPlex PE 4710 ΔT = cambio de temperatura, F Una regla general aproximada es 1/10/100, es decir, 1 pulgada por cada 10 F de cambio para cada 100 pies de tubería. Éste es un cambio de longitud considerable en comparación con otros materiales de tubería y deben tenerse en cuenta al diseñar una línea sin restricciones; como las que operan en la superficie o soportada en estructuras. Página 15

16 Efectos térmicos con restricción de extremos Tubería que está fijado o anclado en ambos extremos y que está sujeto a una disminución de la temperatura desarrolla cargas de tensión La tensión de resistencia a la tracción por contracción térmica se puede determinar mediante: σ = E α T Cuando los términos sean como se definen arriba, y σ = tensión longitudinal en la tubería, libras/pulgadas 2 E = módulo de elasticidad, libras/pulgadas 2 (Tabla 11) La selección del módulo puede tener un gran impacto en la esfuerzo calculado. Cuando se determina el intervalo de tiempo adecuando, considere que la transferencia de calor ocurre en un plazo bastante lento a través de las paredes de la tubería di polietileno, por lo que los cambios de temperatura no ocurren rápidamente. Entonces, la temperatura promedio es la que se selecciona cuando se elige el modulo elástico. Mientras el esfuerzo de tensión longitudinal ve aumentando en la pared de la tubería, una carga de empuje se crea en las estructuras de sujeción de los extremos. Está carga puede ser bastante significante y puede ser determinada usando: F = σ A Cuando los términos sean como se definen arriba, y F = empuje en el extremo, libras A = área de sección transversal de la tubería, pulgadas 2 Tabla 11 Módulos de elasticidad típico para el tubo DriscoPlex PE 4710 Módulo de elasticidad, 1000 psi, temperatura, F ( C) Duración de la carga (38) 120 (49) 140 (60) (-29) (-18) (4) (16) (23) Corto Tiempo h h h y y y Valores típicos tomados del Manual de las Tuberías de Polietileno de PPI, 2 a. Ed. (2008) La tubería de polietileno es flexible y no transmite muy bien la fuerza de compresión. Durante el aumento de la temperatura, la tubería generalmente se desviará lateralmente (serpenteada) antes de desarrollar una fuerza compresiva significativa sobre las fijaciones estructurales. La deflexión lateral se puede calcular aproximadamente mediante Página 16

17 y = L α T 2 Donde y = deflexión lateral, pulgadas L = distancia entre extremos, pulgadas α = coeficiente de expansión térmica lineal, pulg./pulg./ F ΔT = cambio de temperatura, F La tubería largo semi-restringido, puede serpentear a cualquier lado de la línea central. La deflexión total es ( Dy ) D Y T = 2 + Cuando los términos sean como se definen arriba y Y T = D = deflexión total, pulgada diámetro del tubo, pulgada Para minimizar los esfuerzos de carga en las sujeciones o para controlar hacia qué lado (del centro) la tubería se va a doblar, se puede inducir una deflexión inicial para que está no regrese a una posición recta a la temperatura mínima esperada. Igualmente, durante la expansión térmica, una tubería flexionada ( serpenteada ) requiere una fuerza menor a la estimada para continuarse flexionando. Al momento de la instalación se deberá considerar la diferencia de temperaturas esperada entre la de instalación y la mínima estimada. Usando este cambio de temperatura y la distancia entre los puntos de sujeción, determine la deflexión lateral, e instale la tubería con está deflexión lateral calculada adicional a la deflexión lateral mínima especificada por el diseñador. Se debe tener mucho cuidado para asegurar que la deflexión por expansión térmica no resulte in un rizo de la tubería al girarse. La curvatura por flexión originada por la expansión térmica no deberá de más cerrada que el radio de curvatura mínimo para doblado de la tubería en frio. Ver Tabla 26. JUNTAS DE EXPANSIÓN En general, no se recomiendan las juntas de expansión para usarlas con tubería HDPE, especialmente en servicio a presión. Si se usan, las juntas de expansión deben estar diseñadas específicamente para usarse con tubo HDPE para activarse con fuerzas longitudinales muy pequeñas y permitir grandes movimientos. La tubería de polietileno tiene un resistencia baja a los esfuerzos en los extremos de sujeción y lo más seguro es que se doblara hacia los lados ("serpentear") antes de comprimir las juntas de expansión. Póngase en contacto con el fabricante de la junta de expansión antes de utilizarla. Transferencia de calor La tubería de polietileno puede ser calentada con traza de calor, aislada o ambas. La temperatura estará controlada para mantener la temperatura a los niveles máximos recomendados de dichas trazas de calor (máximo 120º F) y deberán de ser aplicadas con cinta metálica sensitiva a la presión sobre la tubería. La cinta metálica ayuda a distribuir el calor en la superficie de la tubería. Términos de conductividad térmica: Página 17

18 C = conductancia térmica, BTU/(hr-pies 2 - F) t = espesor, in k C = = t 1 R Tabla 12 Propiedades térmicas típicas para DriscoPlex HDPE Propiedad Referencia ASTM Valor nominal Conductividad térmica, k C Btu/in) Resistencia térmica, R (1 espesor) 0.3 (hr-pies 2 - F)/Btu SOPORTES SUPERFICIALES Las aplicaciones superficiales frecuentemente requieren suportes que no son continuos para la tubería de polietileno DriscoPlex. Aplicaciones como está usualmente involucran racks o mochetas para la tubería, de forma deslizante, o suspendido de una estructura. En tales casos la tubería deberá de ser soportada correctamente, los movimientos generados por la expansión y contracción térmica deberán de ser considerados, así como el espaciamiento de los soportes deberá limitar la deflexión vertical entre los apoyos. Véase PP815 en el sitio web. Los soportes para la tubería DriscoPlex deben de cubrir al menos 120º de la parte inferior de la tubería, y de un ancho cuando menos de un medio del diámetro de la tubería. Los filos y esquinas deberán de ser redondeados o cubiertos para prevenir un efecto de corte en la tubería. Los soportes comerciales como los U-BOLTS, los ganchos de cinta delgada, y los soportes de tipo rodillo no son recomendados a menos de que sean modificados para cumplir con las especificaciones de ancho y cobertura. El peso de la tubería y su contenido deberán de ser distribuidos sobre una superficie amplia. Los soportes angostos pueden concentrar grandes cantidades de esfuerzo, lo que puede originar a una falla de la tubería. En las figuras 1 y 2 se muestran algunos soportes y los ganchos. Figura 1 Soporte para tuberías Página 18

19 Figura 2 Colgador de tubería Espaciamiento de los soportes El espaciamiento de los soportes depende de la deflexión aceptable entre soportes, y esto a su vez depende de la tubería, el fluido en ella, y de la temperatura de servicio. Performance Pipe recomienda que la deflexión aceptable entre soportes a largo plazo, no debe de exceder uno pulgada (1 ). El espaciamiento recomendado de los soportes se puede determinar con lo siguiente: L S 384 E I y = 4 5 ( W + W ) P S F Donde L S = distancia entre soportes, pulgadas E = módulo a largo plazo para la temperatura de servicio, libras/pulgado 2 (Véase Tabla 1) I = momento de inercia, pulgada 4 y S = deflexión entre soportes, pulgada W P = peso del tubo, libras/pulgada W F = peso del líquido en el tubo, libras/pulgada Cada soporte en la tubería está cargado en ambos lados. Cuando los soportes en una línea están igualmente espaciados, la carga en los soportes será: RUN ( W W ) W = L + P F Donde W RUN = la carga en los soportes, libras Cuando los soportes están al principio o al final de la línea, estos solo están cargados de un lado, entonces la carga en estos soportes será: Página 19

20 Donde W END = W END L = ( W + W ) P 2 la carga sobre los soportes de los extremos, libras F Figura 3 Espaciamiento de los soportes Los valores para el espaciado de los soportes están dados en la Tabla 13 y fueron determinados usando una deflexión de 1 (25.4cm) en tubería DriscoPlex PE4710 llenas con utilizando una deflexión de 1 pulgada para tubos DriscoPlex PE 4710 llenos con agua a 73 F (23 C). El espaciamiento de los soportes podrá ser mayor a temperaturas bajas y cuando la tubería no está completamente llena o el fluido dentro de ella es más legro que el agua (gases, etc.) El espaciamiento de los soportes se reducirá en el caso de temperaturas más altas y para los líquidos en el tubo que sean más pesados que el agua (salmuera, lodos, etc.). Las fórmulas de espaciamiento de los soportes de esta sección o en el Handbook of Polyethylene Pipe de PPI deben utilizarse para determinar el espaciado de los soportes cuando las condiciones varían de aquéllas en la Tabla 13. Página 20

21 Tabla 13 Espaciamiento de Soportes para tuberías DriscoPlex PE 4710 Tamaño IPS DE, PULGADA RD 7.3 RD 11 RD 13.5 RD 17 RD 21 RD 26 RD 32.5 RD DISEÑO DE LAS TUBERÍAS ENTERRADAS El diseñó de una tubería subterránea se basa en la interacción entre la tubería de polietileno y el terreno adyacente. Tanto la rigidez de la tubería como del terreno, determinan el diseño del relleno y el comportamiento de la aplicación. El relleno y las fuerzas (dinámicas y estáticas) de la superficie causarán una deflexión vertical y horizontal en la tubería. está deflexión en la tubería moviliza las fuerzas de resistencia pasiva del relleno circundante, que a su vez limita dicha deflexión horizontal y balancea la carga vertical. Una mayor resistencia pasiva del relleno se da cuando el envolvente de tierra se vuelve más rígido, por lo que se tiene una menor deflexión. La mayoría de las tuberías de polietileno se consideran flexibles porque la tubería contribuye menos que el terreno circundante para resistir la deflexión. Cuando se utiliza tubería de polietileno es importante verificar en cada aplicación, que el diseño sea adecuado para su instalación, esto incluye a la tubería y el relleno a usar. Performance Pipe publica información amplia sobre el diseño de tubería enterrada en su Manual de Ingeniería, PP-900 y puede ser aplicada para tuberías flexibles y rígidas. Debido a las complejidades de la interacción de la tubería-relleno, es importante contar con la asesoría de un ingeniero calificado, para el diseño de la tubería enterrada, según los requerimientos específicos de cada aplicación. Las guías de diseño del Manual de Tubería de PE de PPI están supeditadas al tubo que se va a instalar de acuerdo con estándares reconocidos de la industria para la instalación de tubo flexible, lo que incluye normas como ASTM D-2321 Práctica estándar para la instalación subterránea de tubería Página 21

22 termoplástica para drenaje y otras aplicaciones de flujo por gravedad y ASTM D-2774 Práctica estándar para la instalación subterránea de tubo termoplástico de presión. CONSIDERACIONES DE DISEÑO EN AMBIENTE ACUÁTICO Las aplicaciones en ambientes acuáticos incluyen cualquier instalación en la cual el ambiente predominante se agua, como descargas y tomas de agua, ríos, lagos, cruces de corrientes, tuberías flotantes y sumergidas e instalaciones en áreas pantanosas. Además los encamisados puede que requieran consideraciones de diseño, para las cargas hidrostáticas externas que se pueden presentar. Los diseños para estas situaciones incluyen la presión hidráulica externa, contrapesos para lastrado, y revisar si la tubería está flotando o sobre la superficie. PRESIÓN HIDRÁULICA EXTERNA Para los propósitos de está análisis, las tuberías sin sujeciones DriscoPlex, son tuberías sueltas que no están encapsuladas en ningún tipo de relleno (concreto, suelo cemento, grout, etc.). Cuando la línea puede estar sumergida en forma ocasional o continua y si la presión hidráulica externa sobrepasa la resistencia de la tubería, está puede colapsarse. La resistencia de la tubería a ser aplastada por cargas externas debe ser considerada para aplicaciones como: tuberías que transportan gases, operan parcialmente llenas de líquido o cualquier aplicación donde la presión interna sea menor a la presión hidráulica externa. Está resistencia normalmente no aplica en tuberías como descargas y entradas de agua (del mar o lagos) donde un extremo de la tubería está abierto al ambiente, o para tubería de agua o drenaje que pasa por debajo de ríos, riachuelos y lagos. Las líneas que tienen los extremos abiertos tendrán la presión balanceada y la presión estática en una tubería llena que cruza un cuerpo de agua, normalmente será la misma o mayor que la columna de agua sobre la tubería. Tabla 14 Resistencias de Presión Externa Los valores son para un ovalamiento de la tubería de 3% e incluye un factor de protección de 2%. Temp. de Servicio, F ( C) Tubería RD Resistencia de Presión Externa, libras/pulgada 2 50 y 10 y 1 y 1000 h 100 h 10 h Página 22

23 Temp. de Servicio, F ( C) Tubería RD Resistencia de Presión Externa, libras/pulgada 2 50 y 10 y 1 y 1000 h 100 h 10 h Lastre de sumersión Los materiales de polietileno de DriscoPlex son más ligeros que el agua y el tubo flotará ligeramente por encima de la superficie cuando se llene de agua. El tubo sumergido debe lastrarse para mantenerlo sumergido. DETERMINACIÓN DEL LASTRE REQUERIDO La fuerza de flotabilidad ascendente neta que ejerce una tubería sumergida es igual a la suma del peso del agua que desplaza el tubo (W DW ) menos el peso de la tubería y su contenido. En el caso de un tubo completamente sumergido, la fuerza de flotabilidad ascendente por el peso del agua que desplaza el tubo se puede aproximar a: W DD = DD 2 ρ W Donde W DW = peso del agua desplazada (libras/pies 3 ) D O = diámetro exterior del tubo (pulgadas) = Densidad del líquido (libras/pies 3 ) ~62.4 libras/pies 3 en el caso de agua dulce) ρ W El peso del lastre debe contrarrestar la fuerza flotante neta hacia arriba y ser suficiente para contrarrestar las fuerzas externas incluido los corrientes, acción de las olas y las mareas. Para una tubería que es 100% lleno de agua, un peso del lastre de 25% - 50% de WDW es normalmente suficiente para mantener una tubería de PE sumergida correctamente anclado. No obstante, el ingeniero profesional del proyecto hará la determinación final del lastre necesario con base en los parámetros específicos del proyecto. Una vez que se determine el lastre requerido, se utilizan el espaciamiento y flotabilidad de los pesos mismos para determinar el peso seco del lastre necesario. Los cálculos detallados están disponibles en el capítulo 10 del Manual de tuberías de PE de PPI. Página 23

24 La Los tamaños de tubería HDPE son IPS Tubo instalado en agua dulce (densidad de 62.4 libras/pies3) El tubo instalado permanece lleno de agua dulce (densidad de 62.4 libras/pies3) Espaciamiento del lastre = 10 pies Los pesos de lastre tienen una gravedad específica de 2.4 (concreto con densidad de ~150 libras/pies3) Tabla 15 presenta ejemplos de pesos calculados usando los conceptos del capítulo 10 del Manual del PPI. Los cálculos utilizan los siguientes supuestos claves. Los tamaños de tubería HDPE son IPS Tubo instalado en agua dulce (densidad de 62.4 libras/pies 3 ) El tubo instalado permanece lleno de agua dulce (densidad de 62.4 libras/pies 3 ) Espaciamiento del lastre = 10 pies Los pesos de lastre tienen una gravedad específica de 2.4 (concreto con densidad de ~150 libras/pies 3 ) Tabla 15 Peso mínimo del lastre de diseño Tamaño Peso Mínimo del Lastre de Diseño en Aire (libras) de la Aguas profundas Cerca de la costa Tubería 25% W DW 50% W DW 60% W DW 70% W DW ,133 1, ,679 2,015 2, ,889 3,778 4,533 5,289 PESO MÁXIMO DEL LASTRE PARA LA INSTALACIÓN DE FLOTACIÓN Y HUNDIMIENTO El método de instalación de Flotación y Hundimiento consiste en colocar los pesos de lastre en las tuberías que son 100% lleno de aire. La tubería se puede entonces flotaba y remolcado a su posición. Una vez en posición la tubería se llena con agua para hundir la tubería. Para el método de flotador y el fregadero, el peso del lastre (en agua) no debe exceder de aproximadamente 65% a 85% de la fuerza de flotación ascendente máximo. Esto ayuda a asegurar que el tubo va a flotar con los pesos de lastre adjuntos. La Tabla 16 presenta calculan los pesos basados en estos conceptos. Supuestos clave son: Los tamaños de tubería HDPE son IPS Tubería instalada en agua dulce (densidad de 62,4 lb / ft 3) Tubo está lleno de aire Pesos de lastre se basan en el 85% de la fuerza máxima hacia arriba para la flotabilidad neutral Lastre espaciado = 10 pies Pesos de lastre tienen una densidad relativa de 2,4 (hormigón con una densidad de ~ 150 libras / ft 3) Página 24

25 Tabla 16 Peso máximo del lastre para la instalación de flotación y hundimiento Peso máximo del lastre (en aire) para la instalación de flotación y hundimiento (libras) DR 11 DR 17 DR 21 Tamaño de la Tubería IPS ,070 1,246 1, ,902 2,215 2, ,280 4,984 5,243 Para otros tamaños o para parámetros de proyecto que difieran de los supuestos (como el espaciado de pesos, etc.), el lastre necesario se puede calcular utilizando los conceptos del capítulo 10 del Manual de tubo de PE de PPI. Si los pesos requeridos exceden los valores que permitirán que el método de Flotación y Hundimiento, algunas opciones incluyen añadir peso adicional después de la instalación o el aumento de la flotabilidad de la tubería con los flotadores. FORMA DE LOS LASTRES Los lastres o muertos son usualmente fabricados de concreto reforzado, lo cual le da mayor flexibilidad al diseño de las formas. Los muertos son usualmente fabricados en dos o más secciones que hacen se ensamblan alrededor de la tubería, como protección a la tubería se coloca un colchón de un elastómero entre ambos. Las piezas del lastre deberán de haber una holgura entre ambas, para que cuando se haga el apriete sobre la tubería, las secciones queden bien sujetas y no se deslizarán sobre los tubos. En general los lastres son de fondos planos y más pesados en la sección inferior. Con esto se previene que se giren en situaciones donde haya corrientes cruzadas. Los cinchos o tornillería que se use para sujetar las secciones del lastre deberán de ser resistentes al ambiente marino. Página 25

26 Figura 4 Peso de lastre de concreto Líneas de Tuberías Flotante Líneas de Tubería Flotante En tuberías que son utilizadas para dragado o descargar lodos puede ser necesario que floten sobre la superficie del agua. El polietileno es 4.5% más ligero que el agua, entonces la tubería flotara cuando esté llena de agua. Pero algunos lodos pueden pesar más que el agua y por tanto la tubería puede hundirse. Cuando la tubería está soportada con flotadores sobre la superficie, estos deberán de soportar su propio peso, el peso de la tubería y el peso del contenido de la tubería. La Figura 5 y la Figura 6 ilustran los métodos de colocar de los flotadores. Página 26

27 Figura 5 Flotación por encima de la superficie Figura 6 Flotación en la superficie TUBERÍA DE POLIETILENO COMO FLOTADOR La tubería controlada de polietileno DriscoPlex(r) puede ser usada como flotador para soportar otras líneas de tubería sobre el agua o en la superficie. Típicamente los flotadores son piezas de tubería que están cerradas en los extremos. Los flotadores pueden llenarse con espuma de bajo peso, con lo que se previene la posible entrada de agua, en caso de que algún daño físico le ocurriera al flotador, imposibilitando su funcionamiento. Página 27

28 El diseño del flotador es un proceso iterativo, dado que el flotador debe de soportar su propio peso más la carga aplicada. El primer paso es determinar la carga y tomar un tamaño inicial del flotador. Paso 1.- Determinación de la Carga La carga soportada es el peso de la tubería que debe flotar, más el peso de su contenido así como el peso del flotador y de la estructura de amarre entre el conjunto. Si la tubería está llena con espuma el peso del relleno deberá de ser incluido. P = W + W + W + W + W P C Donde P = carga soportada, libra / pies WP = peso de la tubería, libra / pies WC = peso del contenido de la tubería, libra / pies WS = peso de la estructura de amarre, libra WF = peso del flotador, libra / pies (Tabla 17) WM = peso de la espuma, libra / pies S F M W = V M F M M VF = volumen interno del flotador, pies 3 /pies (Tabla 17) MM = densidad de la espuma, libra/pies 3 Normalmente las espumas termoplásticas pesan de 2 a 3 libras/pied 3. El espaciamiento de los flotadores no debe superar los intervalos máximos de espaciamiento de soporte. Véase Tabla 13. Paso 2. Porcentaje de sumersión del flotador El porcentaje de sumersión es el porcentaje del flotador que está por sumergido en el agua como se ilustra en la Figura 7. h % Submergence = 100 d Donde h = sumersión del tubo bajo el nivel del agua, in d = diámetro del tubo, in Página 28