TUBERAS DE PRESIN 3.7
TUBERAS DE PRESIN Tuberas de presin
Son tuberas que transportan agua bajo presin hasta la turbina.
Los principales componentes de una estructura de tubera de presin
pueden ser apreciados en la figura 330.Debido a que el costo de
esta tubera puede representar gran parte del presupuesto de toda la
micro- central, es prioritario, pues, optimizar su diseo para
reducir no slo los costos de mantenimiento sino la inversin
inicial.Para que los costos de mantenimiento sean bajos hay que
colocar los soportes y los anclajes de la tubera en pendientes
estables y encontrar buenos cimientos. No deber haber peligro de
erosin por desprendimientos en las laderas, pero s acceso seguro
para hacer los trabajos de mantenimiento y reparacin (por ejemplo,
repintado).Al momento de hacer la proyeccin de los costos de la
tubera es fcil subvalorar los gastos de diversas operaciones
secundarias como uniones y pintura. Decidir entre un material para
tubera de presin y otro puede implicar grandes diferencias en el
costo total si es que se incluyen todos estos factores. Por
ejemplo: una tubera de plstico puede ser barata pero las uniones
pueden ser caras o de poco fiar. La tabla 3.8 da pautas generales
para seleccionar una tubera de presin. Las siguientes secciones
tratarn con mayor detalle lo referente a materiales, uniones,
tamaos, anclajes y soportes para tuberas de presin.
Pautas para seleccionar una tubera de presin1. Considerar las
diferentes clases de material disponible, tipos de uniones;
comparar formas y costos de mantenimiento. Anotar tambin los
dimetros de tubera y los espesores de pared disponibles.2. Calcular
la prdida de altura por friccin del 4-10% para una serie de
materiales y dimetros. Tabular los resultados.3. Calcular la
probable presin adicional por golpe de ariete en caso de un cierre
brusco del paso de agua a la tubera, y sumarla a la presin esttica.
Calcular espesores de pared adecuados para los tamaos de tubera que
se prefieran tabular.4. Disear los soportes, anclajes y uniones
para la tubera de presin.5. Preparar una tabla de opciones
calculando el costo total de cada una y ver si los componentes estn
disponibles en el mercado.6. La seleccin del dimetro se har
tratando de obtener el menor costo y las menores prdidas de
energa.
Materiales para tuberas de presin: Al decidir el material que se
emplear para un proyecto tienen que ser considerados los siguientes
factores: Presin de diseo Tipo de unin Dimetro y prdida por friccin
Peso y grado de dificultad de la instalacin Accesibilidad al sitio
Terreno y tipo de suelo Mantenimiento y vida esperada de la
instalacin Condiciones climticas Disponibilidad Costo relativoLos
materiales frecuentemente utilizados en las tuberas de presin son:
Acero comercial Polidoruro de vinilo (PVC) Polietileno de alta
densidad Hierro dctil centrifugado Asbesto-cemento Resina poliester
con fibra de vidrio reforzado
A continuacin nos referiremos brevemente a estos materiales.
a)Acero comercialEl acero comercial ha sido uno de los
materiales ms usados para tuberas de presin. Estas tuberas pueden
ser fabricadas con maquinaria comn en la mayora de talleres de
regular tamao que trabajen con acero. Se fabrican con planchas de
acero roladas y soldadas. Sus dimetros y espesores son variados.
Tienen un factor de prdida por friccin regular y si estn protegidas
por una capa de pintura u otra capa de proteccin pueden durar hasta
20 aos. Adems, en resistencia a impactos son relativamente pesadas,
pero en caso de ser necesario pueden ser fabricadas en longitudes
adecuadas para su transporte e instalacin. Se unen mediante bridas,
soldadura o juntas mecnicas. Las tuberas de presin de acero que son
enterradas corren el riesgo de corroerse.b)Policloruro de vinilo
(PVC)La tubera de PVC es una de las ms empleadas en las
microcentrales hidrulicas. Es relativamente econmica, se produce en
dimetros que van hasta cerca de 400 mm, y es adecuada para
presiones elevadas (100 a 150 m). Ay variar el espesor de la pared
de la tubera se obtienen diferentes niveles de presin. Es liviana y
fcil de transportar e instalar. Tiene un factor de prdidas por
friccin bajo y es resistente a la corrosin.No obstante, es
relativamente frgil y puede ser daada por golpes o impactos de
rocas, especial-mente a bajas temperaturas. La principal desventaja
es que el PVC se deteriora cuando se expone a la luz ultravioleta,
la cual raja la superficie afectando seriamente la resistencia de
la tubera. Por ello, siempre debe estar protegida de la luz solar
directa ya sea enterrndola, cubrindola con vegetacin, envolvindola
o pintndola. Las tuberas de PVC tienen uniones tipo espiga y
campana, las cuales unen empleando mediante pegamento o tambin con
un anillo flexible de sellado.c)Hierro dctil centrifugadoEl hierro
dctil ha reemplazado en gran medida al hierro fundido, aunque este
ltimo todava se utiliza en sistemas antiguos. En ocasiones, las
tuberas de hierro dctil estn revestidas en su interior con cemento,
lo que las dota de proteccin contra la corrosin y de una baja
prdida por friccin. Es un material pesado, de all que sea difcil de
instalar adems de costoso. Estas tuberas por lo general son unidas
mecnicamente (casquillo empernado), con espiga campana y un sello
flexible, o bien pueden ser embridadas.d)Asbesto-cementoLas tuberas
hechas de cemento reforzado con fibra de asbesto son frgiles y
adecuadas para trabajar a una presin moderada. Su transporte e
instalacin requiere de cuidado. Son ms pesadas que las de PVC y
tienen una apreciable prdida por friccin. El polvo producido al
cortar estas tuberas puede ser daino para la salud; por tal razn
quienes trabajan con ellas tienen que usar ropa de proteccin
adecuada adems de mscaras.e)Resina de poliester con fibra de vidrio
reforzadoLas tuberas hechas de resina reforzada con fibra de vidrio
insertada en forma de espiral son livianas y poseen bajo
coeficiente de friccin. Son frgiles y hay que instalarlas con
bastante cuidado.Pueden ser utilizadas con presiones elevadas a
condicin de que estn bajo tierra y se rellene el espacio donde se
colocan con material fino seleccionado. Se unen con una espiga
campana y un sello flexible. Dependiendo de su disponibilidad y
costo relativo, estas tuberas pueden ser una buena alternativa,
pero an no tienen mayor aceptacin.f)Polietileno de alta densidadLas
tuberas fabricadas con este material son una buena alternativa
frente a las de PVC. Son particularmente tiles para pequeos
sistemas debido a su fcil instalacin. Tienen un coeficiente de
prdidas de friccin bajo, son resistentes a la corrosin y no se
deterioran cuando estn expuestas a la luz solar. Estas tuberas con
frecuencia se unen calentando los extremos y fusionndolos a presin
utilizando un equipo especial, lo cual es una desventaja.Tipos de
unionesLas tuberas, por lo general, vienen en longitudes estndar y
deben ser unidas in situ. Hay muchas maneras de hacerlo. Al escoger
el mejor mtodo de unin para un sistema determinado, hay que
considerar los siguientes aspectos:1.Adecuacin al material de
tubera seleccionado.2.Grado de destreza del personal que instala
las tuberas.3.Grado de flexibilidad requerido en las
uniones.4.Costos relativos.5.Grado de dificultad de la
instalacin.
Tabla 3.8 Comparacin de los diferentes materiales para tuberas
de presin
MateriaPrdida por friccinPesoCorrosinCostoPresin de trabajo
Hierro dctil43215
Asbesto cemento33444
PVC55444
Acero comercial33325
Polietileno55534
Rango: Malo = 1Excelente = 5Tabla 3.9 Propiedades fsicas de
materiales para tuberas
MaterialMdulo de Young GN/m2Coef. exp. lineal m/mCEsfuerzo de
rotura MN/m2DensidadkN/m3
Acero bajo %C20712 x 10 -635078.6
PVC2.7554x10-62814
Polietileno0.19-0.78140 x10-65.9-B.89.4
Hierro dctil17011 x 10-6310-52070
Los tipos de uniones de tuberas pueden clasificarseen 4
categoras:1.Embridada2.Espiga y campana3.Mecnica4.Soldadaa)Uniones
con bridas (embridada)Al fabricar las tuberas individuales se
colocan bridas en sus extremos y despus cada una de las bridas es
empernada a la otra durante la instalacin. Se necesita poner una
empaquetadura de caucho entre cada par de bridas. Las tuberas
unidas con bridas son fciles de instalar, pero estas pueden
aumentar el costo de la tubera. Las uniones embridadas con
frecuencia se utilizan en tuberas de acero pero tambin
ocasionalmente de hierro dctil. Las bridas deben fabricarse de
acuerdo a normas establecidas (fg. 3.31).b)Espiga y campanaLas
uniones de espiga y campana vienen prepa-radas de fbrica, de manera
que el dimetro interno de la campana es igual al dimetro externo de
la tubera. El extremo de cada tubera puede as ser empujado en la
campana de la siguiente. Se necesita sellar cada seccin de tubera,
lo que se logra empleando un buen sello de caucho o un pegamento
especial (fig. 3.32).Las uniones con sello de caucho son de dos
tipos; sellos de anillo "O" y sellos de labio V simples o mltiples.
Estas uniones permiten generalmente unos pocos grados de
deflexin.Hay que tomar algunas precauciones cuando se realiza este
tipo de unin;1.El sello debe estar limpio y seco al realizar la
unin. Es mejor no intentar instalar tuberas cuando est
lloviendo.2.Se debe utilizar un lubricante especial. Nunca emplear
aceite a base de grasa puesto que pudrira el sello. Si no se
consigue el lubricante especial, se puede usar jabn.3.Para realizar
la unin de tuberas de gran dimetro (mayor de 200 mm) se necesitar
usar un templador tipo "ratchet", ya que esta no se podr hacer slo
con las manos.4.Asegurarse de que la unin est correctamente
alineada antes del acoplamiento final. Las uniones con sello de
anillo V son extremada-mente difciles de separar.
Las uniones de espiga y campana soldadas con pegamento se
utilizan en tuberas de PVC. Se recomienda consultar con los
fabricantes y hacer el pedido especificando el uso que se dar a la
tubera.5.Los gases del pegamento disolvente son altamente txicos.
Evitar una exposicin prolongada a ellos y asegurarse de que haya
una adecuada ventilacin.c)Uniones mecnicasLas uniones mecnicas rara
vez son usadas en las tuberas de presin debido a su costo. Su
principal aplicacin es para unir tuberas de diferente material (p.
ej. acero y PVC), o cuando se necesita una ligera deflexin en una
tubera que no garantiza la colocacin de un codo. Algunos tipos de
unin mecnica no pueden tolerar fuerzas en la direccin de la tubera
y tienen que ser fijados con bloques de anclajes (fig. 3.3).
Foto 3.35: Tubera de presin de acero comercial. Unin con
bridas.
Fig. 3.32: Unin espiga-campana.
d)Uniones soldadasSe emplea uniones soldadas en tuberas de acero
y apelando a tcnicas especiales en el caso de las de polietileno.
Se trata de un mtodo relativamente barato, pero tiene la desventaja
de que requiere personal especializado, sin contar con los
problemas que presenta el llevar un soldador de arco y una fuente
de energa (que puede ser un generador) a un terreno remoto y de
difcil acceso. Es imprescindible contar con una persona competente
para realizar la soldadura a fin de asegurar una buena unin. Con
este tipo de unin se pueden aceptar pequeas desalineaciones.Foto
3.6:Instalacin de una tubera de presin PVC de 8" de dimetro.
La soldadura de una tubera de polietileno requiere tambin de
alguna capacitacin. El hecho de tener que comprar equipo especial
resulta algo costoso, aunque a menudo es posible alquilrselo al
fabricante de tuberas.Los dos extremos de la tubera que sern unidos
son fijados en una plantilla especial, colocando luego moldes
calientes en ambos extremos. La temperatura del molde y el tiempo
en que se aplica son decisivos para lograr una buena unin. Cuando
el material al extremo de la tubera est en estado semilquido, se
juntan con fuerza los dos extremos lo que hace que ambos se
"fusionen". El proceso se llama "soldadura por fusin", y con un
poco de prctica puede hacerse muy rpidamente.
Juntas de expansinEn las tuberas de presin de acero tiene que
haber juntas de expansin o dilatacin (fig. 3.34). Generalmente
existe una inmediatamente debajo de la cmara de carga o del anclaje
superior. La dilatacin de la tubera debe ser calculada como sigue:E
= x T x LEn donde:E= dilatacin en metros: coeficiente de dilatacin
del acero tomado como: 1.5 x 10'5 m/m (C)T: cambio de temperatura
experimentada por la tubera (C)L = Longitud de la tubera (m).Del
ejercido 3.4 se concluye en ese caso que es recomendable usar una
junta de dilatacin capaz de aceptar un desplazamiento longitudinal
de 50 mm para asegurar un factor de seguridad.Vlvulas para tuberas
de presinLas vlvulas controlan el paso de agua en la tubera de
presin y las hay de diferentes tipos. Para el caso de los micros
centrales hidrulicos nos limitaremos tan slo a las vlvulas de
compuerta y de mariposa. De stas dos, las de compuerta son las ms
usadas.Por lo general, las vlvulas estn instaladas inmediatamente
antes de la turbina pero en ciertos casos se encuentran a la
entrada de la tubera de presin.a)Vlvula de compuertaUna vlvula de
compuerta consiste bsicamente de un disco metlico que sube y baja a
voluntad y que est ubicado en el cuerpo de la vlvula. A presiones
elevadas o con vlvulas de gran dimetro se precisa de una fuerza
importante para operarlas y vencer las fuerzas de friccin en la
vlvula. Por esta razn, cuando se coloca una vlvula de compuerta
grande en la parte inferior de la tubera de presin se coloca tambin
una pequea vlvula de by pass para conectar el lado de alta presin
con el de baja presin. Si el lado de baja presin no est abierto a
la atmsfera, habr un aumento de presin que eventualmente igualar a
la presin a ambos lados de la vlvula, facilitando su apertura (fig.
3.35).
Fg. 3.35: Vlvula de compuerta
b)Vlvula de mariposaBsicamente se trata de una extensin de la
tubera dentro de la cual se coloca un disco en forma de lente
montado en un eje central. Para operar este tipo de vlvulas se
requiere de poca fuerza, ya que la presin de contra corriente en
cada mitad del disco est prcticamente balanceada. Debido a su
diseo, una vlvula de mariposa puede ser cerrada con facilidad. Es
importante que sea cerrada lentamente, a fin de originar un golpe
de ariete en la tubera (fig. 3.36).
Fig. 3.36: Vlvulas da mariposa con diferentes mecanismos de
apertura y cierre.
Fig. 3.37: Prdidas debido a turbulencias.
Tabla 3.10Coeficientes de prdidas en curvas
0r/d
1235
200.360.250.200.15
45'0.450.380.300.23
90*0.600.500.400.30
Tabla 3.11Coeficientes de prdidas en contracciones
d1/d211.5 2 2.5 5
K00.250.35 0.40 0.50
Seleccin del dimetro de tubera de presin A continuacin se ofrece
un mtodo para seleccionar una tubera con un espesor de pared y
dimetro adecuados.Este proceso de optimizacin puede ser completado
rpidamente mientras se considera la factibilidad de un sistema
obteniendo informacin de un mapa si es que ste existe.Tambin se
utiliza para la seleccin final de la tubera, en cuyo caso es una
buena prctica trazar el perfil de la ruta de la tubera sobre la
base de una cuidadosa inspeccin del sitio. Debe tomarse nota
detallada de estructuras rocosas y del tipo de suelo, de los
obstculos, cambios de direccin horizontal y del gradiente.Estas
observaciones permitirn que codos, anclajes y soportes sean
incluidos en el anlisis de costos y en el clculo de prdidas en la
tubera.La figura 3.37 y las tablas 3.10 y 3.11 muestran los
factores de prdida asociados con codos y otras fuentes de
turbulencia en el caudal de agua.El diagrama de Moody para prdidas
por friccin en tuberas de aceroEste diagrama (figura 3.38), se usa
para hallar la prdida de carga producida por friccin a lo largo de
las paredes internas de una tubera. Como se aprecia, el diagrama
slo se aplica al agua en tuberas y no a otros fluidos, y nicamente
si la tubera est llena. La rugosidad (K) de la pared interior de
una tubera se expresa en trminos de la profundidad de las
irregularidades en la superficie (se les puede imaginar cmo granos
de arena pegados a la superficie interna de una tubera). Una tubera
de acero que no haya sido pintada interiormente durante varios aos
tendr aproximadamente un valor de rugosidad absoluta de 0.5 mm
(equivalente a granos de arena de 0.5 mm de dimetro), "d" es el
dimetro interior de la tubera (L).Para usar este diagrama primero
hay que calcular la rugosidad relativa, cerciorndose de que "d" (el
dimetro interior de la tubera) y K (la rugosidad) estn en las
mismas unidades. Por ejemplo, si la rugosidad absoluta es 0.5 mm y
el dimetro interno de una tubera es de 0.25 m, K/d es 0.5/250
mm/mm.Calcular luego 1.27 Q/d en unidades ISO. (Q en m3/s y d en
m). Luego, leer el factor de friccin f en el diagrama. Si d es 250
mm, Q es 3001/s, y K es 05 mm; luego 1.27 Q/d ser 1.524, K/d es
0.002, y f es 0.0236. Ahora se podr calcular la prdida de carga por
friccin conociendo la longitud total de la tubera (L).f = factor de
friccin L = longitud de tubera (m)Q = caudal m3/s d = dimetro (m)En
vista de que las tuberas se fabrican en dimensiones estndar y en
espesores que dependen de la presin a soportar, es conveniente
consultar a los fabricantes, quienes suelen brindar esta informacin
a pedido del cliente.
Clculo de las prdidas por friccin y dimetro de tubera de
presin:1.Establecer la cada bruta y el valor del caudal de diseo de
turbina,2.Seleccionar un material, tomar un dimetro tentativo d,
determinar un dimetro interno consultando los catlogos de
fabricantes.3.Medir o calcular la longitud de la tubera. En caso de
no poder hacer las mediciones directamente, esta se puede
determinar a travs de mapas y relaciones trigonomtricas.4.Elegir un
valor para la rugosidad utilizando la tabla 3.12. Calcular K/d y
luego calcular 1.27 Q/d, empleando unidades ISO. Leer en el
diagrama de Moody el valor del factor de friccin (f).5.Calcular la
prdida de carga debida a la friccin de la pared en la tubera
(hf).hf = 0.08 ^ d'"16.Calcular la velocidad del agua en la tubera
(v):v = iQJtd27.Con los coeficientes de la figura 3.38, calcular
las prdidas por turbulencia (h) en las secciones de entrada, codos,
vlvulas y otros accesorios. ht=
