Materiales de alto rendimiento para los proyectos más exigentes

A medida que los centros urbanos crecen más rápido que nunca y las fuentes de agua son cada vez más escasas y más difíciles de acceder, las entidades responsables de los servicios de agua exigen mejores materiales de ingeniería para la conducción y distribución de agua.

Hoy en día no es suficiente contar con tubería que sea resistente a la corrosión y a la presión de servicio deseada, sino que además deben garantizarse el menor costo durante el ciclo de vida del proyecto. Es decir, los nuevos proyectos requieren una tubería de larga vida que requiera el menor mantenimiento posible y sobretodo que no pierda agua – aún si ésta ha sido instalada en condiciones adversas.

El Polietileno de Alta Densidad (HDPE por sus siglas en inglés) es un material tenaz y flexible a la vez y se comporta así aún a bajas temperaturas. Incluso en diámetros mayores la tubería es flexible y puede doblarse en frio con un radio equivalente a 20 veces el diámetro nominal. En la imagen se puede observar una tubería de 400 mm sujetada por una grúa antes de ser colocada en su posición final.

Como consecuencia de estas propiedades, la tubería HDPE puede ser utilizada en las instalaciones más dificultosas incluso cuando esta no puede ser enterrada ya sea porque el terreno es completamente rocoso y el costo de excavación inviabiliza el proyecto, cuando el tubo debe ir instalado sobre un talud vertical o cuando el nivel freático alto impide los trabajos de excavación.

Instalaciones de tubería HDPE al descubierto

El HDPE negro virgen con contenido de negro de humo de 2.5% es apto para instalaciones expuestas, siempre y cuando se tomen en cuenta los siguientes aspectos de diseño:

Exposición a golpes y maltrato

Primeramente el equipo técnico responsable del proyecto deberá evaluar los riesgos a los que estará expuesta la tubería. Una tubería instalada a la intemperie, más allá de los rayos ultravioleta y factores climáticos puede estar expuesta a golpes y maltrato por parte de rocas, derrumbes, acciones de transeúntes u otros. Gracias a la flexibilidad y tenacidad del material, esta tubería, esta es muy resistente al impacto. Una tubería HDPE puede resistir la caída de piedras sin quebrarse, pero por su misma flexibilidad el peso de estas piedras podría deformar la tubería hasta el punto de impedir el flujo de agua. Por lo mismo es muy importante evaluar estos riesgos y diseñar el trazo de instalación para minimizar los mismos. Una tubería de mayor pared será más resistente a raspones, golpes y maltrato. Es decir,que ene estos casos debemos elegir el espesor (pared) de la tubería no solo en función de la presión de servicio de nuestro proyecto, sino también en base a los riesgos mecánicos a los que estará expuesta. Como regla general, se considera que la integridad de la tubería ha sido comprometida cuando la pared de la misma ha sido dañada en más del 10% de su sección total.

Consideraciones de temperatura y presión

Una tubería HDPE puede ser utilizada sin problemas en temperaturas ambiente entre -60OC y 50OC, siempre y cuando se tomen algunas precauciones. Las presiones de trabajo de una tubería HDPE (6,8,10,12.5 ó 16 BAR) según el producto son calculadas en base una temperatura estándar del agua de 20OC.

Temperaturas por debajo de cero grados Celsius

El HDPE no presenta problemas ni pierde sus propiedades físicas hasta -60OC, sin embargo, cuando la temperatura del agua es menor a 0OC, ésta se congela y se expande. Por su capacidad de elongación la tubería HDPE resiste la expansión provocada por la solidificación del agua y no estallará, sin embargo, muchos eventos de congelamiento reducirán considerablemente la vida útil de la tubería.

Temperaturas entre 0OC y 20OC

Este es el rango ideal de temperaturas de operación para la tubería HDPE. Dentro de este rango, la tubería podrá operar la su presión de trabajo para que fue diseñada durante una vida útil de 50 a 100 años.

Temperaturas mayores a 20OC

La resistencia a la presión interna que soporta la tubería HDPE disminuye a medida que la temperatura aumenta. La siguiente tabla presenta factores de compensación para calcular la presión de trabajo a distintas temperaturas. Es importante tomar en cuenta que la temperatura expresada en la tabla se refiere a la temperatura del “sistema” en funcionamiento. Es decir, no es la temperatura ambiente ni tampoco la temperatura del agua, sino la temperatura a la que el sistema (tubería y agua) se estabiliza cuando se encuentra en funcionamiento y bajo presión.

Ejemplo:

Una tubería HDPE color negro es instalada de manera expuesta. Cuando la tubería está vacía y expuesta al sol su temperatura llega a 40OC, sin embargo el agua que transporta viene a 12OC y la temperatura del sistema se estabiliza a 24OC.

 Pregunta: ¿Qué presión resistirá una tubería diseñada para una presión de trabajo de 8 BAR que ha sido instalada en estas condiciones?

 Respuesta: Debemos aplicar el factor 0.80 de la tabla por lo que la tubería diseñada para 8 BAR resistirá solamente 6.4 BAR.

Expansión/contracción lineal

Otro aspecto que deberá tomarse en cuenta es la expansión o contracción lineal de la tubería en función de los cambios de temperatura. La siguiente fórmula permite realizar el cálculo correspondiente.

Donde:

ΔL  = Expansión/contracción lineal de la tubería en metros

L     = Longitud inicial de la tubería en metros

T0   = Temperatura inicial de la tubería en OC

Tf   = Temperatura final de la tubería en OC

Ejemplo:

Untramo de tubería expuesta de 320 metros de longitud que en el día presenta una temperatura de  24 OC, durante la noche baja hasta 6 OC.ç

Pregunta: ¿Qué contracción sufre durante la noche?

Respuesta: La tubería se contrae 1.15 metros

Utilizando la fórmula de arriba tenemos que la temperatura final es de 6 OC, la inicial es de 24 OC. Esto nos da un ΔL de -1.15 metros (el signo negativo representa una contracción).

Pasos de quebrada y puentes colgantes

El HDPE es ideal para instalación de ductos aéreos ya sean estos colgados o anclados a un talud. Debido a que la tubería HDPE es una tubería muy liviana y flexible, se puede ahorrar mucho en costos de estructuras de soporte. Los factores críticos para el diseño de puentes y pasos de quebrada son: el peso total y la distancia entre soportes de sujeción de la tubería.

Estructuras de soporte

Las estructuras de soporte deberán tomar en cuenta el peso de los cables, de la tubería HDPE y del agua a ser transportada. ¡En muchos casos, el agua será más pesada que la tubería! La mayor ventaja es que al tratarse de una tubería flexible, no es obligatorio que el puente sea una línea recta. Se recomienda que todo el tramo de tubería aérea sea unido con soldadura por termofusión creándose una unidad monolítica y evitando uniones intermedias.

Soportes de sujeción

Los soportes para tubería suspendida deberán tener un ancho de 10cm o el 50% del diámetro nominal de la tubería (el mayor de los dos). Se puede utilizar el siguiente gráfico para determinar la distancia entre soportes de tubería suspendida.

La distancia entre soportes para colgar el la tubería puede obtenerse del siguiente gráfico:

Fuentes consultadas:

Plastics Pipe Institute, Handbook of Polyethylene Pipe – SecondEdition 2008.

Marely Pipe Systems, HDPE DesignConsiderations, 2010

Para mayor información sobre provisión de tubería HDPE,  accesorios y servicios relacionados contactarse con:

 PLASTIFORTE SRL
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Cochabamba – Bolivia