Tema 4. Conducciones forzadas. Materiales.

Cátedra de Ingeniería Rural
Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Agrícola de Ciudad Real
Tema 4. Conducciones forzadas. Materiales.
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8.
9.
Definición y conceptos previos
Tuberías de policloruro de vinilo (PVC)
Tuberías de polietileno (PE)
Tuberías de fibrocemento
Tuberías de fundición
Tuberías de aluminio
Tuberías de acero
Tuberías de hormigón
Tuberías de poliéster reforzado con fibra de vidrio (PRFV)
1. Definición y conceptos previos.
Recordamos (tema 3) que las conducciones forzadas o tuberías a
presión son aquéllas que funcionan a plena sección y en las que el movimiento
del líquido se debe a la presión reinante en el interior, pudiendo presentar, por
tanto, pendientes y contrapendientes.
Una tubería es un conjunto de tubos y accesorios unidos mediante
juntas para formar una conducción cerrada.
Un tubo es un elemento de sección circular.
Los accesorios pueden ser:
• Piezas especiales: Unidades que posibilitan los empalmes, cambios
de dirección (codos), derivaciones, variaciones de sección, etc.
• Dispositivos auxiliares: Aparatos que protegen y facilitan el buen
funcionamiento de la red. Los más importantes son las válvulas y
las ventosas.
Las juntas son unidades que se emplean para unir tubos entre sí y con
los accesorios.
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2. Tuberías de policloruro de vinilo (PVC).
El PVC es un material termoplástico, es decir, que se reblandece por
efecto del calor. Se fabrica a partir de resinas de PVC, lubricantes,
estabilizantes y colorantes para evitar su deterioro, debiendo estar exentos de
plastificantes y cargas. Se comercializa en los colores azul, gris y crema.
El empleo de tuberías de PVC ha alcanzado una amplia difusión en
cualquier tipo de red de distribución de agua debido principalmente a su bajo
coste y su gran resistencia, a su ligereza y facilidad de acoplamiento, con lo
que se simplifica el montaje.
Las tuberías de PVC no deben instalarse a la intemperie, especialmente
las de color crema, dado que es un material fotosensible, es decir, la luz solar
lo degrada. La protección de la tubería de la luz solar se puede lograr mediante
pinturas que impidan el paso de la luz o simplemente enterrándolas.
Las características que definen los tubos y accesorios de PVC son:
El diámetro nominal, que coincide teóricamente con el diámetro exterior
de los tubos y con el interior de las zonas de acoplamiento con los accesorios.
El espesor nominal (e) es el espesor calculado a partir de la expresión:
e=
PN ⋅ DN
2 ⋅ σ + PN
donde σ es el esfuerzo tangencial admisible a 20º C (MPa). Las
presiones van en MPa y el diámetro en mm. El valor de espesor así obtenido
se redondea al 0.1 mm inmediatamente superior, fijándose unos valores
mínimos de espesor para cada presión.
Cuanto mayor sean las presiones que pueda soportar la tubería, mayor
será el espesor, por lo que, para un mismo diámetro nominal, el diámetro
interior será más pequeño.
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La presión nominal (PN) coincide con la presión de trabajo a 20º C. En
PVC, es la presión admisible medida en bares para el transporte de agua a
20ºC durante 50 años.
La presión de funcionamiento admisible (PFA) coincide con PN a
temperaturas de hasta 25ºC. Para temperaturas superiores, PFA = ft⋅ PN,
tomando el coeficiente ft distintos valores en función de la temperatura del
agua.
T (ºC)
25
30
35
40
45
ft
1.00
0.90
0.80
0.70
0.63
A continuación se muestra la serie de tubos comerciales de PVC.
También se fabrican diámetros superiores bajo pedido.
PN (Presiones de trabajo a 20ºC)
0.4 Mpa (4 atm)
0.6 Mpa (6 atm)
1.0 Mpa (10 atm)
1.6 Mpa (16 atm)
φ EXTERIOR Longitud Espesor Peso tubo Espesor Peso tubo Espesor Peso tubo Espesor Peso tubo
tubo (mm) (mm)
(kg)
(mm)
(kg)
(mm)
(kg)
(mm)
(kg)
(mm)
16
5
1.0
0.4
1.2
0.5
1.2
0.5
1.2
0.5
20
5
1.0
0.5
1.2
0.6
1.5
0.7
1.5
0.7
25
5
1.2
0.7
1.2
0.7
1.5
0.9
1.9
1.1
32
5
1.2
1.0
1.4
1.1
1.8
1.3
2.4
1.7
40
5
1.4
1.4
1.8
1.7
2.0
1.9
3.0
2.7
50
5
1.4
1.7
1.8
2.1
2.4
2.8
3.7
4.1
63
6
1.8
3.3
1.9
3.4
3.0
5.2
4.7
7.8
75
6
1.8
3.9
2.2
4.8
3.6
7.4
5.6
11.1
90
6
1.8
4.7
2.7
6.9
4.3
10.6
6.7
15.9
110
6
2.2
7.1
3.2
10.0
5.3
15.9
8.2
23.7
125
6
2.5
9.0
3.7
13.0
6.0
20.3
9.3
30.5
140
6
2.8
11.2
4.1
16.2
6.7
25.5
10.4
38.2
160
6
3.2
14.7
4.7
21.0
7.7
33.4
11.9
49.8
180
6
3.6
18.4
5.3
26.6
8.6
41.9
13.4
63.1
200
6
4.0
22.5
5.9
32.7
9.6
51.9
14.8
77.3
250
6
4.9
34.4
7.3
50.6
11.9
80.1
315
6
6.2
55.0
9.2
80.1
15.0
127.0
-
Las PN de la tabla son ciertas siempre que se trabaje con agua sin
atacar y a 20º C. Los tubos PN–4 no resisten presiones negativas, por lo que
debe evitarse su colocación en aquellos lugares donde sea probable que se
produzcan (salida de una bomba, tras un elemento de cierre brusco como
válvulas de bola o hidráulica) o instalar elementos que eviten las subpresiones.
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Los tubos de PVC pueden ser de dos tipos:
1.- Con extremo abocardado para unión por encolado
2.- Con extremo abocardado para unión con junta de anillo de caucho
(unión por junta elástica)
La unión por encolado es la más utilizada. Se emplean piezas
machihembradas y adhesivos especiales en las zonas de unión que producen
una auténtica soldadura en frío, pudiendo trabajar a tracción. La serie PN–4
sólo existe para unión por encolado.
La unión por junta elástica se realiza también con tubos y piezas
especiales machihembradas. El extremo hembra tiene una forma especial que
permite el alojamiento en su interior de un anillo de goma elástica que
proporciona la estanqueidad. El montaje de tubería de PVC con junta elástica
es mucho más sencillo que la realización de uniones encoladas.
Además de este tipo de uniones, en los tubos de PVC se pueden usar
otros acoples distintos para conectarlos a otros tipos de tuberías o para
intercalar válvulas y accesorios en las mismas.
Norma aplicable: UNE-EN 1452
Marcado de los tubos
De acuerdo con las prescripciones de la norma UNE-EN 1452, los tubos
deben marcarse como mínimo cada 2 m con los siguientes datos:
Norma – Fabricante – Material - DNxe – PN –Año fabricación – Línea extrusión
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3. Tuberías de polietileno (PE).
El polietileno es un material que procede del etileno sometido a procesos
de polimerización, es decir, es un polímero del etileno (de ahí su nombre), al
que se añaden productos que aumentan su resistencia a la oxidación y a los
rayos UVA, concretamente negro de carbono y antioxidantes. El negro de
carbono proporciona al material su color negro humo característico.
Las tuberías de PE se emplean mucho en conducciones hidráulicas y en
instalaciones de riego por su ligereza, flexibilidad, resistencia al paso del
tiempo y a la formación de incrustaciones, así como por la posibilidad de su
instalación a la intemperie. Como contrapartida, el PE suele ser más caro que
el PVC para los mismos diámetros y presiones de funcionamiento.
El PE del que están constituidas las tuberías puede ser de tres tipos
diferentes en función de su densidad:
1. PE de baja densidad, conocido como LDPE, PEBD o PE 32. Su
densidad es menor o igual a 930 kg/m3. Utilizado en riego por goteo,
en tuberías terciarias y laterales portagoteros.
2. PE de media densidad, conocido como MDPE, PEMD o PE 50B.
Tiene una densidad entre 931 y 940 kg/m3. Es el más utilizado en
conducciones hidráulicas.
3. PE de alta densidad, conocido como HDPE, PEAD o PE 50A. Tiene
una densidad mayor de 940 kg/m3.
Los tubos de PE para agua a presión vienen caracterizados por las
siguientes definiciones:
1. Diámetro nominal (DN). Es un número convencional que coincide
teóricamente con el diámetro exterior de los tubos y forma parte de la
identificación de los diversos elementos acoplables entre sí en una
instalación.
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2. Presión nominal (PN). Es un número convencional que coincide con
la presión de trabajo a 20ºC.
3. Presión de trabajo (PT). Es el valor de la presión interna máxima para
la que se ha diseñado el tubo con un coeficiente de seguridad que
tiene en cuenta las fluctuaciones de los parámetros que se pueden
producir normalmente durante el uso continuado en 50 años, de
acuerdo con los siguientes valores: PE 32: 1.37, PE 50A y PE 50B:
1.6.
En ramales de microirrigación, por temperaturas de funcionamiento y
manipulación, PT ≤ 0.25 MPa ≅ 2.5 kg/cm2 = 25 mca.
Para tuberías a presión, PN = PT a 20ºC. La presión se ve afectada
por la temperatura del agua, y por esta razón se debe utilizar un
factor de corrección para obtener la presión de trabajo a
temperaturas superiores a 20ºC.
PE 50
PE 32
0/20 20/25 25/30 30/35 35/40 40/45
1
0.8
0.63 0.50 0.40 0.32
1
0.75 0.56 0.44 0.36
-
4. Espesor nominal (e). Es el espesor calculado a partir de la misma
expresión y con las mismas aclaraciones que para tuberías de PVC.
Las uniones de tubos y piezas pueden ser a presión, mecánica (a
rosca) y termosoldadura.
Codo para unión a presión
Unión a rosca
Normas aplicables:
UNE 53.367: Tubos de PEBD para ramales de microirrigación.
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UNE 53.131: Tubos de PE para conducciones de agua a presión.
Marcado de tubos
La norma indica que los tubos de PE deben ir marcados, como mínimo,
cada metro, con los siguientes datos:
Fabricante – Material - DN - e – PN –Año fabricación –Norma
4. Tuberías de fibrocemento.
El material de construcción de este tipo de tuberías es el fibrocemento o
amianto de cemento, que se obtiene por la mezcla homogénea de agua,
cemento y fibras de amianto.
Actualmente están en desuso por incluir amianto en su composición.
Las tuberías de fibrocemento son bastante resistentes a la formación de
incrustaciones y presentan una amplia gama de piezas especiales y medios de
unión para facilitar el montaje y reparación. El coste, en comparación con otros
tipos de tuberías, es aceptable, resultando más barato que el PVC y el PE. El
principal inconveniente es su relativa fragilidad. Una de las ventajas es su
resistencia a elevadas temperaturas. No se debe utilizar para la conducción de
aguas con sulfatos, muy duras o totalmente dulces, ni en terrenos con mucho
yeso.
El diámetro nominal es el diámetro interior.
PT =
PN
2
Las tuberías han de dimensionarse de tal forma que la presión máxima
en funcionamiento sea menor que la presión de trabajo del tubo.
El fibrocemento se utiliza para diámetros mayores que el PVC y el PE,
pudiéndose unir los tubos mediante uniones Gibault y juntas RK y RTK
(tracción)
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Normas aplicables:
Tuberías a presión: Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para
Tuberías de Abastecimiento del MOPU (1974), ISO 160, Norma IRYDA, UNE
88.212.
Tuberías de saneamiento: UNE 88.212, ISO 881.
Marcado de tubos
Como mínimo debe figurar la marca del fabricante, diámetro nominal, clase
(para DN>500 mm, se marcará la presión mínima de rotura y la carga mínima
de rotura al aplastamiento) y la fecha de fabricación.
5. Tuberías de fundición.
Se fabrican a partir de una aleación de hierro fundido, carbono y silicio
con distintos estados del grafito y de la estructura metálica, existiendo varios
tipos. Los de uso más frecuente son los siguientes:
-
Fundición gris (grafito laminar).
-
Fundición dúctil (grafito esferoidal). Es más resistente a la tracción y
al impacto que la fundición gris.
Para evitar incrustaciones y corrosiones suelen ir recubiertos interior y
exteriormente de sustancias protectoras, como betunes asfálticos, pinturas o
cementos.
La principal ventaja de este tipo de tuberías es su elevada resistencia y
duración del material, mientras que entre sus inconvenientes cabe destacar su
elevado coste y el riesgo de incrustaciones y corrosiones en las paredes de la
tubería, si no están convenientemente protegidas.
El diámetro nominal no coincide con los diámetros exterior ni interior.
Normas aplicables:
UNE-EN 545: Tubos y accesorios de fundición dúctil y sus uniones para
canalizaciones de agua.
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ISO-2531: Tubos,
canalizaciones a presión.
uniones
y
piezas
en
fundición
dúctil
para
ISO 4633: Juntas de canalizaciones de abastecimiento y evacuación de
aguas, alcantarillados incluidos.
6. Tuberías de aluminio.
Se fabrican con aleación de aluminio y magnesio o aluminio y
manganeso. Son tuberías ligeras, de gran duración y resistentes a oxidaciones
e incrustaciones, y se utilizan fundamentalmente en instalaciones de riego por
aspersión móviles y semifijas.
El principal inconveniente que presentan estas tuberías es su elevado
coste con respecto a las termoplásticas.
Los diámetros comerciales más utilizados son los comprendidos entre 2
y 4 pulgadas (’’), siendo 1” = 25.4 mm.
La unión entre tubos más frecuente se realiza en uno de estos sistemas:
- Sistema mecánico, mediante una palanca.
- Sistema hidráulico, en que la misma presión del agua es la que
proporciona estanqueidad.
En tubos de aluminio, el diámetro nominal es el diámetro exterior.
7. Tuberías de acero.
Proceden de la aleación de hierro y carbono. Se fabrican con chapas de
acero laminado que se remachan longitudinalmente, dando lugar a tubos
roblonados, o se sueldan longitudinalmente, obteniéndose tubos soldados.
Los tubos de acero deben protegerse tanto interior como exteriormente,
siendo común en ingeniería rural la utilización de tuberías de acero
galvanizadas o con pintura negra protectora cuando deben permanecer a la
intemperie.
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Se caracterizan por soportar altas presiones, pero resisten mal las
cargas externas porque trabajan mal a compresión.
Su utilización principal en la ingeniería del riego es en columnas de
impulsión para unir bombas buzo con la conducción en superficie, tubos
portaaspersores en riego por aspersión y para piezas especiales como
hidrantes, reducciones, etc. Se utilizan también frecuentemente en sifones e
instalaciones hidroeléctricas.
En estas tuberías, el diámetro nominal no coincide con el diámetro
exterior ni con el interior.
8. Tuberías de hormigón.
Los tubos de hormigón pueden ser de tres tipos:
1.
Hormigón en masa: Se emplean en tuberías de gravedad, sin
presión interior ni carga exterior, en regadíos, alcantarillado,
drenajes, etc.
2.
Hormigón armado: Son tubos provistos de armadura metálica
longitudinal a base de redondos de acero y armadura transversal.
Resisten altas presiones y soportan bien las cargas exteriores,
siendo de gran duración. Se emplean frecuentemente para grandes
caudales de agua, puesto que los tubos se fabrican en grandes
diámetros.
3.
Hormigón pretensado: Se utiliza para altas presiones, ya que el
hormigón pretensado resiste mejor las presiones que el hormigón
armado.
9. Tuberías de poliéster reforzado con fibra de vidrio.
Las más utilizadas se fabrican a partir de resinas de poliéster
centrifugado reforzado con fibra de vidrio y cargas inertes (arena, carbonato
cálcico, etc.). Son tuberías flexibles, con gran aplicación en el ámbito de las
conducciones enterradas.
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Se caracterizan por su gran solidez y flexibilidad, ser ligeros y resistentes
a las corrosiones.
Están indicados para saneamientos con y sin presión, conducciones de
aguas limpias, plantas hidroeléctricas, conductos industriales, plantas de
tratamiento de aguas, tuberías de impulsión, revestimientos de sondeos,
conductos y chimeneas de ventilación, cisternas de almacenamiento de aguas,
drenaje y registros, etc.
El diámetro nominal de estas tuberías no coincide con el diámetro
interior ni con el exterior.
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