No.40 NUEVOS AVANCES EN MATERIALES DE HIERRO DÚCTIL

No.40
NUEVOS AVANCES EN MATERIALES DE HIERRO DÚCTIL
Conner Randall C
American Cast Iron Pipe Company.
2930 North 16th Street Birmingham
Alabama 35207 USA
Tel ( 205 ) 325-7815
Fax. ( 205 ) 325-8014
URL: http://www.acipco.com/
Información en Monterrey, México:
Ing. Rubén Barahona A.
Tel / Fax 91 ( 8 ) 349 64 34.
RESUMEN.
Se presenta información sobre las tendencias recientes en el desarrollo de normas y aplicaciones de tuberías
y accesorios de hierro dúctil que ha encontrado en el manejo de agua y alcantarillado su mejor área de
desempeño.
El material combina la resistencia a la corrosión del fierro fundido con la resistencia del acero a la tensión y
al impacto , y un alto nivel tecnológico para el diseño y fabricación de las juntas, sobresalliendo la de tipo
espiga campana que se usa en la mayoría de nuestros tubos.
Además se suministra con un revestimiento interior de mortero de cemento centrifugado ó en caso de aguas
residuales con un revestimiento de polímero fusionado con calor. Ambos procedimientos se efectúan en la
planta y las protecciones no se afectan por maniobras normales para transporte por ferrocarriles ó
plataformas.
Su alta eficiencia hidráulica, bajo costo de instalación y mantenimiento y su durabilidad, hacen que este
material esté avanzando cada vez más en la industria de agua. Además para protegerlo de suelos corrosivos
basta una protección pasiva de manga de polietileno.
La ponencia hace énfasis en las normas internacionales y en el apoyo de organismos certificadores que
vigilan que no se haga daño al medio ambiente ni a la salud humana y se aproveche además el reciclado
máximo de materiales en la fabricación.
Palabras clave : avance, normas, resistencia, eficiencia, durabilidad
HISTORIA E INTRODUCCIÓN
La historia del servicio del Fierro fundido abarca varios países. La primera instalación de tubería
de fierro fundido se registra en 1455 para la conducción de agua al castillo de Dillenburg en
Alemania. Otra tubería del mismo material se instaló por orden de Luis XIV y llevó agua del río
Sena a Versalles por más de 300 años.
American Cast Iron Pipe Company fué fundada en 1905 y produjo tuberías de fierro fundido para
infraestructura de agua potable y alcantarillado en todo el mundo durante más de setenta años.
En la década de los 50´s, hace aproximadamente 40 años, se realizó la primera venta comercial
de tubería de hierro dúctil, y en los siguientes 20 años este material fue remplazando al fierro
fundido en la preferencia de nuestros clientes.
En realidad hace más de 15 años que no se produce tubería de fierro fundido en nuestras
instalaciones.
El éxito innegable del hierro dúctil, que es químicamente muy similar al fierro gris, radica en una
microestructura en la que el carbón ó grafito se presenta en fórmula de nódulos ó esferoides, en
lugar de la forma de hojuela que muestra en el fierro gris.
El resultado es un material que resiste el impacto, la tensión y que es flexible sin perder la
durabilidad y la resistencia a la corrosión características del fierro fundido.
SALUD Y MEDIO AMBIENTE
Los esfuerzos más recientes de la EPA de EEUU. ( Agencia para Protección del Ambiente ) se
reflejan en dos nuevas normas desarrolladas para la NFS International ( Fundación Nacional para
la Salubridad ). En este consorcio participan AWWA ( Sociedad Americana de Aguas ), AWWARF
( Fundación para la investigación de la propia AWWA), la ASDWA ( Asociación de
Administradores Estatales de Agua Potable).
El resultado es la norma 60 de NSF, “ Productos químicos para tratamiento de agua potable y sus
efectos sobre la salud” y la norma 61 “ Componentes de Sistemas de agua potable y efectos
sobre la salud” que analizan todos los aditivos y componentes que se añaden al agua ó estan en
contacto con ella, para certificar que sean inocuos, en cuyo caso se emiten listas de los productos
que ya han sido aprobados.
La industria de hierro dúctil ha sido muy activa en este esfuerzo común y ACIPCO entre otros
fabricantes ha logrado que sus productos aparezcan en las listas detalladas de la norma 61.
Durante este proceso todos los materiales son sujetos a un intenso escrutinio y pruebas ,con un
detallado procedimiento básico de evaluación.
De acuerdo a esta norma, los fabricantes están sujetos a visitas no programadas para obtener
muestras al azar de los productos y componentes que serán sometidos a la certificación.
La norma que controla los productos de ACIPCO fue aprobada por ANSI ( American National
Standards Institute ) en Enero 28 de 1993 y se convirtió en ANSI / NSF 61.
ANSI tiene ahora un proceso de revisión en que instituciones como NSF y UL “ Underwriters
Laboratories, Inc. pueden obtener certificaciones.
Las normas 60 y 61 de ANSI / NSF se someterán a las debidas revisiones cada 5 años
aproximadamente.
Además de los efectos sobre la salud, el mundo está cada vez más interesado en los procesos de
reciclaje.
En este terreno, el fierro dúctil de adelantó a su tiempo. No sólo se puede reciclar casi en forma
continua e indefinida, sino que su fabricación puede aprovechar cantidades considerables de otros
materiales de desecho.
ACIPCO Recycling, nuestra planta de reciclado, puede convertir más de 100 automóviles de
desecho por día en chatarra de alta calidad para la fabricación de hierro dúctil y recuperar al
mismo tiempo mucho otros materiales para ser reciclados.
TENDENCIAS EN NORMAS Y ESPECIFICACIONES
Hace unos 20 años que la organización Internacional de normas (ISO), desarrolló una norma para
fabricación de tubería y accesorios de hierro dúctil. Esta es la norma que se establece para
concursos internacionales.
Durante muchos años las normas ISO y las ANSI / AWWA para tubería, requerían tuberías de
gran resistencia y alta presión.
Por ejemplo la tubería K - 9 de la norma ISO - 2531 usada muy frecuentemente, se ha propuesto
para presión permisible de hasta 64 bars (928 psi) para diámetro de 100 mm y hasta 27 bars ( 391
psi ) para 1600 mm de ∅.
Como existen muchos proyectos de agua potable y alcantarillado con requerimientos de presión
sustancialmente menores que los mencionados arriba, los proveedores internacionales han
suministrado por años tuberías de espesores menores que éstos , pero que aún tienen capacidad
sobrada en general.
Por ejemplo, un espesor de tubería K - 7 de 1600 mm ∅ calculado de acuerdo a ISO- 2531 se
propone para presiones permisibles de 20 bar (290 psi), y para diámetros menores ese valor se
incrementa notablemente.
Respecto al diseño internacional de sistemas de tubería de hierro dúctil, hay una nueva norma en
estudio en un subcomité de ISO, cuyo resultado deberá revelar a los técnicos de diseño la alta
resistencia de este material.
Como un ejemplo de la calidad y resistencia de la tubería de hierro dúctil disponible en ACIPCO,
esta gráfica muestra las presiones de prueba hidrostática en planta, ofrecidas por la empresa para
diámetros de 450 mm a 1600 mm. clase K - 7 . En dicho proceso en el que se superan las
presiones de prueba en planta que establece la norma ISO-2531, cada tubo y sus extremos se
prueban por lo menos a niveles de presión calculados para producir un esfuerzo del 75% del de
cedencia.
La prueba en planta especificada por ACIPCO es realmente el doble o más de la prueba
recomendada en la norma ISO y se aplica a cada tubo de 450 mm. ó mas de diámetro.
Por supuesto hay espesores mayores K-8, K-9 etc. que pueden someterse a presiones aún
mayores.
APLICACIONES
El hierro dúctil se utiliza en todo el mundo para el suministro de agua , sistemas contra incendio
alcantarillado y aguas residuales, generación de energía y muchas otras aplicaciones.
Esta tubería está disponible en el mercado con varios tipos de junta, múltiples accesorios y
elementos de aplicación, por lo que el interesado podrá tener amplia información de los
fabricantes directamente.
La gran mayoría de los tubos que suministramos son de junta espiga-campana ( push-on), la cual
corresponde a la junta de empaque American Fastite que se patentó hace más de 30 años y sigue
siendo el estándar de nuestra empresa. Esta junta auto centrable y hermética es efectiva desde
bajas a muy altas presiones internas, así como en condiciones de vacío (presión negativa) y bajo
presión hidrostática externa.
Quizá más importante, es el hecho de haber instalado este tipo de tubería en miles de obras de
localidades de todo el mundo por más de tres décadas con excelentes resultados.
La junta Fastite continúa siendo la preferida de nuestros clientes y la creciente experiencia y
confianza en su aplicación en válvulas y accesorios ha ido desplazando las juntas convencionales
de pernos.
Existe tubería de hierro dúctil muy especializada como la Flex-Lok que es una junta de rótula que
permite una deflexión hasta de 15° en cada tramo. Tiene gran aplicación para instalaciones
complicadas.
Se puede ensamblar en la margen de un río y jalarla para cruzar al otro lado, ó flotarla y con
ayuda de una barcaza tenderla en el fondo de un lago o zona pantanosa.
La flexibilidad y fortaleza de su diseño, hacen de esta tubería un producto excelente para dichas
condiciones de instalación adversas.
En relación a sistemas contra incendio, la ANSI / AWWA C-600 y la U.S. National Fire Protection
Norma NFPA 24 recomiendan un mínimo de 6” de diámetro ( 150 mm ). Un beneficio adicional de
instalar redes de este diámetro es que permiten ampliar la red con nuevos usuarios sin pérdidas
de carga mayores.
RECUBRIMIENTOS Y REVESTIMIENTOS
La norma preferida para el material de revestimiento interior para el manejo de agua potable en
EEUU. corresponde a mortero de cemento y es la número ANSI / AWWA C 104 / A 21.4 o la ISO
4179.
La tubería de fierro fundido con revestimiento interior de mortero de cemento se suministró por
primera vez, por parte de ACIPCO, a la ciudad de Charleston, South Carolina en 1922. Desde
entonces el uso continuo y la investigación de campo de este material ha probado su capacidad
sin precedente para evitar la corrosión y su alta eficiencia en la conducción hidráulica. El
centrifugado a alta velocidad en planta da como resultado un espesor uniforme y una superficie de
mínima rugosidad. Para cálculos hidráulicos se considera un número de Manning de .010 y Hazen
Williams = 145.
Para uso en alcantarillado, cuando se considera que el proceso séptico puede generar corrosión
en el cemento, el tubo de hierro dúctil se puede proporcionar con un revestimiento especial, que
puede ser alquitrán de hulla-epoxy o un producto aún superior a base de polietileno fusionado con
calor sobre la superficie interior del tubo, que es completamente inerte y se produce con el nombre
Polybond en la planta de ACIPCO. Este revestimiento se ha usado e investigado durante más de
treinta años lo cual ha permitido la mejoría constante de sus características.
En relación a la durabilidad del hierro dúctil, en medios externos como suelo y agua, en análisis de
la historia de sus aplicaciones habla por sí solo : el recubrimiento normal de planta de tipo asfáltico
conforme a ANSI / AWWA C151 ó ISO-2531 proporciona un servicio muy bueno en la mayoría de
los suelos comunes. En suelos agresivos que pueden corroer el hierro dúctil, la tubería se puede
proporcionar con una manga de polietileno según ANSI / AWWA C 105 / A 21.5. Un apéndice de
esta norma contiene un sistema de 10 puntos como procedimiento de evaluación del suelo en
cuanto a su potencial corrosivo.
Esta protección se coloca en la obra envolviendo cada tubo con la manga y adhiriendo segmentos
vecinos con una cinta adhesiva que se suministra con el polietileno. Este tipo de protección es
pasiva, muy económica y ha sido probada durante más de 30 años en suelos sumamente
agresivos, con estupendos resultados que han sido monitoreados en campo por la DIPRA
(Asociación de fabricantes de tubería de hierro dúctil).
Periódicamente se realizan sondeos en presencia del dueño o del operador del sistema y de
terceros interesados para evaluar el tubo y la envoltura de polietileno, comprobando que el
procedimiento es plenamente confiable y efectivo contra la corrosión.
A diferencia de la protección catódica, en este caso la protección es pasiva y no requiere
mantenimiento.
COMPORTAMIENTO DE TUBERÍAS ENTERRADAS EN ZONAS SÍSMICAS
Las siguientes conclusiones están basadas en diversos análisis de redes de tuberías en zonas
sísmicas en América y Japón. Los datos se compilaron en zonas afectadas por sismos y permiten
establecer algunas líneas generales de comportamiento.
Nota: Índice de falla = número de fallas por Km de tubería.
1.El número de fallas en tubería disminuye conforme el diámetro aumenta. Esto se cumple en
todos los sismos registrados y para todos los distintos materiales.
2.Los índices más altos de falla ocurren en áreas de suelo inestable. Esto se cumple en todos los
temblores registrados. Los suelos “malos” tienen una tendencia a licuarse durante la agitación del
suelo. El diseño debe prestar particular atención a las áreas de transición de suelo inestable a
suelo firme.
3.Los tubos flexibles como el hierro dúctil, presentan menor índice de falla que los rígidos como el
fierro fundido, el asbesto Cemento ó el concreto. Todos los datos disponibles son muy
consistentes en este sentido.
4.El hierro dúctil con junta flexible tiene un comportamiento muy superior al del acero con junta
rígida soldada. Los movimientos relativos entre el eje del tubo y el del suelo generan esfuerzos
axiales que debe resisitir el tubo de acero puesto que la junta es rígida con soldadura continua.
En cambio la junta flexible del tubo de hierro dúctil permite que se presenten deformaciones en los
extremos y en las juntas y sólo una pequeña parte de la deformación se transfiere al cuerpo de
tubo.
En todos los casos analizados el acero con junta rígida soldada tiene el índice más alto de fallas y
el hierro dúctil con junta flexible, el más bajo.
5.Las líneas de conducción formadas por tubos cortos sufren menor deformacion axial y menor
desplazamiento de junta que las de tubos largos.
6.La vibración del suelo debida a los temblores no es una causa de fallas en tubería de hierro
dúctl. En cambio sí lo es en el caso de tubos de acero soldado. La falla normalmente se presenta
en la soldadura de la junta entre los tubos ó bien en la soldadura longitudinal, helicoidal ó de
circunferencia realizada en planta.
BIBLIOGRAFIA.
1. American Pipe Manual. 16th Edition, 1986, published by American
Cast Iron Pipe Company (17th Edition now edited),
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by NSF International, Ann Arbor, Michigan U.S.A.
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general requirements, 1985, published by.......(see above)
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working group 3 of TC5-Subcommittee 2 of the international
organization of Standardization (ISO), Geneva, Switzerland
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ANSI/AWWA C105/A21.5, Polyethylene Encasement for Ductile
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ANSI/AWWA C150/A21.50, Thickness Design of Ductile Iron
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ANSI/AWWAC151/A21.51, Ductile-Iron Pipe, Centrifugally Cast
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1991
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(All of above copyrighted and published by the American Water
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