Uratop clase 500. La tubería del futuro para las conducciones para el transporte de agua a presión Antidio Viguria Padilla Jefe del Mercado de Agua potable de Uralita Sistemas de Tuberías, SA antidio.viguria@uralita.com Principios físico químicos de la orientación molecular El fenómeno de la orientación molecular se empezó a estudiar cuando se observó que una botella de PVC era mucho más resistente que lo que se podía esperar del material con el que estaba hecha. Se constató que algo ocurría en el proceso industrial de fabricación (soplado) que mejoraba propiedades de la materia prima. Después de esta observación, se pudo comprobar que durante el proceso de soplado se producía una transformación de la estructura molecular. Principios físico químicos de la orientación molecular Lo que se comprobó fue que: en un plástico amorfo, al sufrir una deformación en condiciones críticas de presión y temperatura, se producía una transformación de la estructura molecular en el sentido de la deformación, merced a la rotación de las cadenas poliméricas sobre los enlaces moleculares de Van der Waals. Esto ocurre en un punto crítico, ya que un estiramiento fuera de su punto de orientación ocasionaría un desplazamiento de las moléculas sin rotación, lo cual no transformaría el material. Estructura molecular 135
Después del proceso de orientación se puede observar una estructura laminar, con capas perpendiculares a la deformación, en contraste con la estructura amorfa. El proceso de orientación puede hacerse en las tuberías en la línea de extrusión o bien como proceso posterior a la extrusión. Este segundo método, aunque sus costes son más altos, permite alcanzar un mayor grado de orientación. Elección de la clase de orientación Está en proceso de elaboración la norma ISO 16422 en la que se definen cinco tipos de Orientación molecular y de los cuales el fabricante tiene que elegir en función de las características que quiera que tenga su material. Con el Uratop se nos planteó el dilema: Con que clase de orientación deberíamos fabricar la tubería Uratop?. La clase de orientación nos la definirá que método de fabricación a utilizar Para resolver la cuestión anterior definimos las características que queríamos que tuviera el nuevo material. Las características que pedimos al material orientado fueron las siguientes: - Máxima resistencia a la tensión interna. Estábamos buscando un material que nos permitiera economizar materias primas y que fuera capaz de soportar la misma presión interna que los productos sustitutivos. - Material noble. Queríamos un material que minimizara el valle de fluencia que caracteriza los materiales plásticos y oculta los fallos inicialmente. - Material que no pudiera sufrir procesos de oxidación ni degradación, que es el gran mal de las tuberías enterradas. Estudiando la curva de regresión y de esfuerzo deformación se pudo definir el tipo de orientación y por consiguiente el método de fabricación. - La curva de regresión: Define la pérdida de propiedades del material en cuestión a lo largo del tiempo al ser sometido a un esfuerzo. - La curva esfuerzo deformación: Muestra el comportamiento del material al ser sometido a un esfuerzo. Las cinco clases de orientación molecular que define el proyecto ISO 16.422 son: Clase de Orientación 315 355 400 450 500 MRS (N/mm 2 ) 31,5 35,5 40,0 45,0 50,0 Curvas de regresión para los distintos tipos de orientación del PVC-O 136
. Azul: Uratop 500 Rojo: Otros polímeros orientados Verde: PVC-U Curva esfuerzo deformación según el grado de orientación De las curvas de regresión y de esfuerzo deformación sacamos las siguientes conclusiones: - Que para que el material minimizara la curva de fluencia, tendríamos que ir a la Orientación clase 500. - La curva de esfuerzo deformación en la clase 500 nos indica que prácticamente, hasta el punto de rotura, la deformación es elástica. Material noble. - En relación con el MRS, la clase 500 cumple con las exigencias impuestas por la empresa. Alta tensión de rotura, lo cual economizará material - La curva de regresión se aplana considerablemente a medida que aumenta la orientación. Con la clase 500 tendríamos el material que estábamos buscando: - Material más resistente, con lo que podríamos hacer tubos con paredes menos gruesas. - No fluencia, material noble - Curva de regresión más plana, lo que indica que las propiedades del material permanecen prácticamente inalterables a lo largo del tiempo Por todo lo anterior, nuestra elección fue orientación clase 500. Comparación de PVC-O clase 500 con PVC-U y PE-100 Tensión Mínima Requerida (MRS) y tensión de diseño (σs) Características mecánicas de los tubos de materiales termoplásticos MRS (MPa) σs (MPa) Uratop 500 50 36,0 PVC-U 25 12,5 PE 100 10 8,0 Lo que nos dice el cuadro anterior es que la tensión de diseño del Uratop es 2,8 veces superior a la del PVC-U y 4,5 veces superior a la del PE100 137
Curvas características Curva de regresión de Uratop, PVC-U y PE 100 Curva tensión deformación de Uratop, PVC-U y PE 100 Las conclusiones que se pueden sacar de las curvas características son las siguientes: - La curva de regresión del Uratop es más plana que la del PVC-U y la del PE 100 - En el Uratop desaparece el valle de fluencia, lo que no ocurre con otro tipo de orientaciones, ni con el PVC- U, ni con el PE100. Conclusión El Uratop clase 500 es un material nuevo, que partiendo del PVC-U se convierte en otro material con características mecánicas muy superiores manteniendo las mismas características químicas que el material base. Tubería Uratop 500 para el transporte de agua de agua a presión Legalidad El mercado objetivo del Uratop más exigente en cuanto a legalidad es el del abastecimiento de agua para consumo humano. Hasta hace unos años la legislación que controlaba los materiales en contacto con el agua para consumo humano era la alimentaria, por lo que Uralita comprobó que el Uratop cumplía con la legislación en relación con la alimentariedad. Los laboratorios que hicieron los ensayos fueron: LGAI y AIMPLAS. La Comunidad Económica Europea cada día es aún más exigente con la legislación en relación con el agua de Consumo Humano. La legislación que actualmente regula en España los materiales en contacto con el agua para consumo humano es el RD 140-2003 (adaptación de Directiva). Es imprescindible que cualquier producto que este en contacto con el agua para consumo humano cumpla con la citada legislación. Uralita comprobó que la tubería Uratop cumple con el citado Real Decreto con los ensayos realizados en el Laboratorio Applus 138
Certificado de cumplimiento del Real Decreto 140-2003 de la tubería Uratop Características de la tubería Uratop Resistencia al impacto Comparación de ensayos Uratop Vs PVC-U Uratop Proyecto ISO/DIS 16422 PVC-U Norma UNE- EN 1452-2 DN Masa Masa Altura Altura de caída Percutor Percutor de caída (Kg) (Kg) 110 2 m. 6,3 2,0 1,6 140 2 m. 8 1,8 3,2 160 2 m. 8 2,0 3,2 200 2 m. 10 2,0 4,0 250 2 m. 12,5 2,0 5,0 315 2 m. 12,5 2,0 6,3 400 2 m. 12,5 2,0 6,3 139
Conclusión: La resistencia al impacto del Uratop es muy superior a la de los productos sustitutivos. Se puede decir que el Uratop es prácticamente irrompible ante impactos habituales de obra. Resistencia a la presión interna. Espesor del tubo Con el nuevo material que se ha desarrollado podremos hacer tubos con la misma resistencia a presión interna pero con menor espesor de pared. Lo demostraremos a continuación El cálculo de espesor nominal para una tubería se hace mediante la siguiente expresión (Norma UNE-EN 1452 para PVC-U. Proyecto de norma ISO/DIS 16422): en = dn x Pn/ (25 x σs + 1). La relación entre espesores entre tubo de Uratop y PVC-U es: en - Uratop/ en PVC-U = (dn x Pn)/(20 x σs- Uratop + 1) /(( dn x Pn)/ (20 x σs- PVC-u+ 1)) Siendo: en-uratop = Espesor nominal del Uratop en-pvc-u = Espesor nominal de PVC-U σs- Uratop = Tensión de diseño del Uratop = 36 MPa σs- PVC-U = Tensión de diseño del PVC-U = 12,5 MPa en - Uratop/ en PVC-U = 0,35 Conclusión: Con el 35% de espesor en el Uratop se puede conseguir la misma resistencia a la presión interna. Ahora bien, como la curva de regresión es mucho más plana, la tubería Uratop mantendrá sus características más homogéneas que el resto de los materiales plásticos. La tubería Uratop-16 tiene fijado el espesor, no en función de la tensión de diseño, debido a que con esos espesores consideramos que no tendría rigidez suficiente, si no que se calcula en base a que la rigidez del tubo tiene que ser mayor de 6 kn/m 2 Deformación elástica Curva esfuerzo-deformación de la tubería Uratop Lo que nos indica la curva de esfuerzo -deformación es que la tubería Uratop no tiene fluencia y prácticamente hasta la rotura se mueve en la zona elástica. Esto indica que, prácticamente, si la tubería no se rompe, cualquier deformación que se produzca, una vez que el esfuerzo deja de ejercer su acción la tubería recupera su forma y mantiene sus propiedades (fotografía adjunta). Manejo y Montaje. En comparación con los productos sustitutivos, PE y fundición dúctil, el peso es menor, lo que facilita tanto el manejo y como el montaje. 140
Pesos de tuberías Uratop, PE-10/16 y Fundición dútil K-9 (en kg) Diámetros Uratop-PE/ Fundición Uratop-16 Uratop-25 PE 100 Fundición 110/100 10,56 12,18 38,04 108 140/125 14,70 19,56 61,56 138 160/150 19,68 25,62 80,40 165 200/200 30,06 40,74 125,88 222 250/250 48,36 63,54 195,60 288 315/300 75,48 102,18 310,32 366 400/400 110,58 501,24 570 Características hidráulicas Capacidad de transporte de la tubería Uratop -16 Vs tubería de PE 100/16 Comparativa de la capacidad de transporte de la tubería Uratop-16 Vs tubería PE 100-16 en servicio DN Espesor Uratop (mm) Sección Uratop (cm2) PN 16 Espesor PE.100- PN16 (mm) Diferencia Espesores (mm) Sección= S-Uratop16/ S.PE100 16 V= V. TOP/ V. PE Caudal Q.Uratop/ Q.PE100 para la misma pérdida de carga 110 3,0 81 10 64 1,34 1,1 1,47 140 3,1 141 12,7 103 1,36 1,1 1,5 160 3,5 184 14,6 134 1,37 1,1 1,5 200 4,4 287 18,2 210 1,37 1,1 1,5 250 5,5 448 22,7 329 1,36 1,1 1,5 315 6,9 712 28,6 522 1,37 1,1 1,5 400 8,8 1147 36,4 840 1,37 1,1 1,5 Para el cálculo de la relación de velocidades en la tubería Uratop 16 y la velocidad en la tubería de PE 100-16 con la misma pérdida de carga ( V TOP/V PE) se ha utilizado la formula de Hazen- Williams: V= 0,36.C.Di^0,63.J^0,54 C para PE-100 y para Uratop para tubería en servicio = 140 Di = Diámetro interior, J = pérdida de carga El incremento de caudal ( Caudal) entre la tubería Uratop 16 y la tubería PE 16 atm. resulta de multiplicar el incremento de sección ( relación entre secciones internas de la tubería Uratop y la tubería de PE 100 = Sección) por el incremento de velocidad ( V= relación entre la velocidad del agua en la tubería Uratop y la velocidad del agua en la de PE100-16 para una misma pérdida de carga ) La tabla anterior nos indica que para la misma pérdida de carga la tubería Uratop 16 es capaz de transportar el 50% más de caudal que la tubería de PE 100-16 atm. 141
Capacidad de transporte de la tubería Uratop 25 Vs tubería de fundición dúctil Comparativa de la capacidad de transporte de la tubería Uratop-25 Vs tubería de fundición en servicio DN Uratop/ Fundición Espesor Uratop (mm) D interior Uratop Sección Uratop (cm 2 ) Sección Fundición (cm 2 ) Sección= Sec.Uratop/ Sec. Fundición V= V.TOP/ V.Fundición Caudal Uratop/fundición para igual pérdida de carga 110/100 3,8 102,4 82,05 78,5 1,04 1,29 1,35 140/125 4,8 130,4 133,06 122,66 1,08 1,31 1,42 160/150 5,5 149 173,72 176,63 0,98 1,27 1,25 200/200 6,9 186,2 271,30 314 0,86 1,22 1,05 250/250 8,6 232,8 424,08 490,63 0,86 1,22 1,05 315/300 10,8 293,4 673,60 706,5 0,95 1,25 1,20 C para la tubería Uratop en servicio = 140* C para la tubería de fundición dúctil en servicio = 110* * Fuente: Normas para el abastecimiento de agua del Canal de Isabel II (revisión 2004). La tabla anterior nos indica que la tubería Uratop es capaz de transportar más agua que la tubería de fundición dúctil en diámetros equivalentes para la misma pérdida de carga Comportamiento químico de la tubería Uratop clase 500 En general, la instalación de las tuberías para el transporte de agua se hacen enterradas y por consiguiente se debe tener en cuenta su resistencia frente a las reacciones que puede tener con el suelo o las corrientes eléctricas que se puedan generar en las proximidades de la tubería enterrada. Al enterrar la tubería Uratop clase 500, no es necesario tener precauciones de estudiar el tipo de suelo para preparar protecciones pues es inerte con suelos ácidos o básicos, con conductividad eléctrica alta, con alto contenido en sales, con capa freática alta etc. En conclusión es inerte frente a todo tipo de suelos, lo que no ocurre con las tuberías metálicas. También con algunas tuberías plásticas hay que tener precauciones cuando el agua que se transporta tiene contenido en productos oxidantes, pues esos productos pueden favorecer el craking. La conclusión que podemos sacar es que la tubería Uratop clase 500 se puede instalar en cualquier tipo de suelo y puede transportar agua con unas calidades que otros tipos de tuberías tendrían dificultades para su estabilidad. (Oxidación, craking etc.). Estanqueidad Viendo la importancia de la estanqueidad, al sistema que se fuera a elegir para unir la tubería Uratop clase 500 se le pidieron las siguientes propiedades: - La estanqueidad debería depender del sistema y no de las personas que hacían la instalación. Para cumplir esta primera premisa se desecharon todas las posibles soluciones de unir la tubería Uratop por soldadura a tope, mediante colas...etc. - El sistema debería absorber las posibles dilataciones y contracciones del material sin tensionarle. Las exigencias nos llevaron a escoger la unión elástica con anillo elastomérico. - Las exigencias que se pidieron al anillo elastomérico fueron: - Deberá ser un anillo autoblocante. Con esto queríamos decir, que una vez colocado en su posición en fábrica fuera prácticamente imposible moverlo de su sitio tanto en el transporte como en el montaje. - Su composición debería ser de materiales prácticamente inalterables. 142
- El anillo elastomérico, a su vez, está compuesto de dos anillos: - Anillo de fijación: Es polipropileno. Su función es fijar la junta elastomérica al tubo, de tal forma que no se pueda mover ni en el transporte ni en el montaje. - Anillo de estanqueidad: Solidario al anillo de fijación. Es de EPDM y se ha diseñado con un perfil que garantiza la estanqueidad a altas presiones. Anillo de estanquidad (de EPDM) y anillo de fijación (de polipropileno) en los tubos orientados En el siguiente cuadro se pueden ver los ensayos que ha realizado el instituto Torroja sobre las uniones de la tubería Uratop Características funcionales de las uniones en los tubos orientados Costes de instalación Otra de las ventajas de la tubería Uratop clase 500 es su menor coste de instalación en relación con los productos sustitutivos como pueden ser el PE-100 y la fundición dúctil. Las causas son: - Por su peso. Al ser su peso mucho menor no solamente facilita la instalación, si no que es también menos exigente en maquinaria para hacer el montaje. - Por su sistema de unión. Con el tipo de junta desarrollado, es mucho más difícil hacer las cosas mal que con los sistemas alternativos. 143
Golpe de ariete Para darnos una idea de la influencia del tipo de tubería en el golpe de ariete, vamos a realizar una simplificación que es suponer que la conducción es larga. Entonces, el valor máximo de la sobrepresión se puede calcular mediante la fórmula de Allievi. P = a.v/g a: Celeridad (velocidad de propagación de las ondas), en m/s. v: velocidad del agua en m/seg. g: Aceleración de la gravedad (g= 9,81 m/s 2 ) a= 9900/(48,3+ Kc. Dm/e) Kc = 10^10/E Dm = Diámetro medio de la tubería en mm. E= módulo de elasticidad del material de la tubería, en kg/cm 2 Valores de la celeridad Uratop* 253 PE16.* 305 Fundición > 1100 * Calculado para una tubería de 200 mm. PN-16 La conclusión que se puede sacar es: - El Uratop es la tubería que en comparación con PE y fundición menos favorece el golpe de ariete. - Que para la misma variación de velocidad el golpe de ariete que se produce en una tubería de fundición es entre 4 y 5 veces superior al que se produce en la tubería Uratop. Poniendo números, para la misma variación de velocidad si el golpe de ariete en la tubería Uratop es de 10 kg/cm 2 en la tubería de fundición dúctil sería de 50 kg/cm 2 Garantía técnica Al no existir norma que regule las características del PVC-O, ya que es un material innovador, el Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja tiene la capacidad de emitir el DIT (Documento de Idoneidad Técnica) que garantiza la idoneidad del producto para la aplicación solicitada La tubería Uratop tiene concedido el DIT del Instituto de Ciencias de al Construcción Eduado Torroja para el transporte de agua a presión. Se ha obtenido el DIT para 16 kg/cm 2 y para 25 kg/cm 2 Por qué la tubería Uratop es la tubería del futuro?. Algunas de las respuestas serían: - Tiene la misma resistencia a la presión interna que los productos sustitutivos (PVC-U, PE 100, Fundición dúctil) utilizando menos materia prima debido a su gran MRS. - La curva de regresión del Uratop es más plana que la de otros materiales plásticos (PVC-U, PE-100), lo que garantiza su comportamiento en el tiempo que adquiere tintes de comportamiento metálico. - Es insensible a deformaciones y golpes, ya que no le perjudican como a otros materiales debido a su comportamiento elástico y a su alta resistencia a los impactos. - La tubería Uratop es capaz de transportar más agua que los productos sustitutivos (PVC-U, PE 100 y Fundición) para la misma pérdida de carga y diámetros similares. - Es el material que menos colabora con el golpe de ariete. 144
- Cumple absolutamente con la legislación. - Los costes de instalación son menores que los del resto de las tuberías sustitutivas. - Es muy resistente frente a los agentes químicos. No puede sufrir procesos de oxidación, ni de craking. - Sus uniones se han diseñado para que el montaje dependa principalmente del sistema y en menor medida de las personas que realizan el montaje. Documento de Idoneidad técnica para la tubería Uratop 145