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TUBERIAS Y ACCESORIOS

I NG . LUIS GOMEZ QUISPE

TUBERIAS PARA INSTALACIONES HIDRAULICAS

Las instalaciones de agua potable, fría y caliente, precisan de materiales muy resistentes al impacto y a la vibración, entre los cuales se encuentran el P.V.C., hierro fundido y el Hierro galvanizado, entre otros.

TUBERIA DE ACERO GALVANIZADO La tubería de fierro galvanizado, no es mas que una placa de acero negro pero con el proceso de galvanizado en sus dos vistas, El tubo galvanizado se cubre con un material de zinc para hacer que el tubo de acero sea más resistente a la corrosión. Existen con costura y sin costura y se utiliza para transportar agua potable, gases, aceites o vapores a alta y baja presión. El uso de acero galvanizado en las instalaciones hidráulicas es, fundamentalmente, en tuberías exteriores. Esto es por la alta resistencia a la intemperie, a los golpes, rotura, aplastamiento, proporcionada por su propia estructura interna y por las gruesas paredes de los tubos y conexiones hechas con este material.

TUBERIA DE ACERO GALVANIZADO

para las redes de agua potable se utilizan diámetros desde 1 ½” hasta 4” pulgadas tiene una longitud de 6.40 m y existen lisas en sus extremos que se une por medio de soldadura o con cuerda para unirse por medio de coples que es lo mas común. Esta tubería se le divide por cedulas algunas son cedula 40 para bajas presiones (10.5 Kg/cm2) y cedula 80 para altas presiones (21.2 Kg/cm2 ),

TUBERIA DE ACERO GALVANIZADO DESVENTAJAS: • El zinc del tubo galvanizado se va desprendiendo con el

tiempo, obstruyendo la tubería. La descamación puede hacer que el tubo estalle. La utilización del tubo galvanizado para transportar gas puede crear un peligro.

• A diferencia del PVC es de un peso y costo considerado.

APLICACIÓN DE LA TUBERÍA GALVANIZADA CÉDULA 40

• Para servicio de agua caliente y fría en instalaciones de construcciones.

• Dada su característica de alta resistencia a los esfuerzos mecánicos, se puede utilizar para instalaciones a la intemperie.

• En algunos sistemas de riego o suministro de agua potable en donde es necesario que por razones de su aplicación esté en contacto directo y en forma continua con el agua y la humedad. En estas aplicaciones es necesario que se proteja la tubería con un buen impermeabilizante.

TUBERIA DE ACERO GALVANIZADO

TUBERÍA DE HIERRO FUNDIDO

Su aplicación en las instalaciones sanitarias es muy extensa, ya que posee las siguientes características: VENTAJAS • La rigidez de este material, le da una alta resistencia a la

instalación contra golpes. • No se ve afectada, ni su estructura interna ni su

composición química, cuando es sometido a temperaturas someramente altas.

• Su acoplamiento es perfecto, ya sea por uniones espiga campana o con juntas de neopreno y abrazaderas de acero inoxidable.

TUBERÍA DE HIERRO FUNDIDO

DESVENTAJAS • Su alto costo (comparado con el del P.V.C), lo hace,

en muchos de los casos, antieconómico.

• El peso por metro lineal de estas tuberías es alto, y esto se puede reflejar en robustos soportes si la instalación fuera aérea.

TUBERÍA DE P.V.C. (POLICLORURO DE VINILO)

El policroruro de vinilo (PVC) es un material plástico sintético, clasificado dentro de los termoplásticos, materiales que arriba de cierta temperatura se convierten en una masa moldeable, a la que se puede dar la forma deseada, y por debajo de esa temperatura se convierten en sólidos. Es utilizado en el interior de las viviendas y/o edificaciones, ideales para la conducción de agua potable, agua caliente (C.P.V.C.), drenaje pluvial, drenaje sanitario y energía. Para instalaciones domiciliarias, existen tuberías con un diámetro de ½” hasta 4”.

TUBERÍA DE P.V.C.

Debido a sus propiedades de material de construcción de alta calidad, durabilidad y facilidad de instalación, el P.V.C. es el material mas usado en instalaciones hidráulicas, el cual pesa la mitad de lo que pesa el aluminio y un sexto de lo que pesa el acero, por lo tanto es fácil de instalar y manipular y no requiere soporte estructural pesado, es fácilmente maniobrable por equipo liviano y requiere menos personal para su instalación. A pesar de su liviano peso, el P.V.C. ofrece alta resistencia a la tensión y al impacto. Probablemente una de las ventajas mayores del P.V.C. es su alta resistencia a la corrosión y a los químicos. El P.V.C. no se corroe, lo que elimina la necesidad de Mantenimiento y le da larga vida.

TUBERÍA DE P.V.C.

El P.V.C. resiste el ataque por ácidos, soluciones de sal, alcoholes, álcalis y otros muchos químicos. Es también químicamente inerte, lo que elimina la posibilidad de que actúe como catalizador, promoviendo cambios en procesos químicos como decoloración, floculación, manteniendo de la integridad del fluido. El P.V.C. no genera ni produce chispa, ni está sujeto a ninguna acción de galvanizado o electrolítica, ya sea por sí mismo o en la presencia de metales. Esta propiedad hace al P.V.C. un aislante perfecto.

TUBERÍA DE P.V.C.

Debido al extraordinario acabado de su superficie interior (paredes lisas), hay prácticamente muy baja pérdida de carga. La resistencia al flujo es aproximadamente 30% menos que la del hierro fundido nuevo, en los mismos tamaños. Debido a que no existe corrosión ni se forman escamas que reduzcan el diámetro interno, la eficiencia se mantiene en altos niveles. La vida real práctica del P.V.C. todavía es desconocida, pero innumerables ensayos han indicado que hay muy poca o ninguna degradación física a lo largo del tiempo, reteniendo sus propiedades originales, siempre que se encuentre debidamente protegido. Existen estabilizadores especiales que permiten el uso de este producto expuesto a la intemperie.

VENTAJAS • Ligereza: el peso de un tubo de P.V.C es aproximadamente la

mitad del peso de un tubo de aluminio, y alrededor de la quinta parte del peso de un tubo de hierro galvanizado de las mismas dimensiones.

• Flexibilidad: su mayor elasticidad con respecto a las tuberías tradicionales, representa una mayor flexibilidad, lo cual permite un comportamiento mejor frente a éstas.

VENTAJAS • Paredes Lisas: con respecto a las tuberías tradicionales, esta

característica representa un mayor caudal transportable a igual diámetro, debido a su bajo coeficiente de fricción; además, la sección de paso se mantiene constante a través del tiempo, ya que la lisura de su pared no propicia incrustaciones ni tuberculizaciones.

• Resistencia a la corrosión: las tuberías de P.V.C son inmunes a los tipos de corrosión que normalmente afectan a los sistemas de tuberías.

DESVENTAJAS • La resistencia al impacto del P.V.C se reduce

sensiblemente a temperaturas inferiores a 0oC.

• Las propiedades mecánicas de la tubería se afectan cuando se expone por períodos prolongados de tiempo a los rayos del sol.

• El P.V.C puede sufrir raspaduras durante su manipulación para el trabajo.

CLASES DE TUBERÍA

Las clases de tubería a seleccionarse estarán definidas por las máximas presiones que ocurran en la línea representada por la línea de carga estática.

Para la selección se debe considerar una

tubería que resista la presión mas elevada que pueda producirse, ya que la presión máxima no ocurre bajo condiciones de operación, sino cuando se presenta la presión estática, al cerrar la válvula de control en la tubería.

CLASES DE TUBERÍA PVC

Los tubos de agua fría, comercialmente se fabrican de cuatro clases:

15 (presión= 200 libras/pulg2), 10 (presión= 150 lbs/pulg2), 7.5 (presión= 105 lbs/pulg2) y 5 (presión= 75 lbs/pulg2) La Norma Técnica Peruana exige que para los diámetros de 1/2" y 1" los tubos deben ser en CLASE 10.

CLASES DE TUBERÍA PVC

PRESIONES MAXIMAS DE TRABAJO PARA DIFERENTES CLASES DE TUBERIAS PVC

CLASES DE TUBERÍA

Cuando las presiones sean mayores a las que soporta la tubería PVC, cuando la naturaleza del terreno haga antieconómica la excavación y donde sea necesaria la construcción de acueductos, se recomienda utilizar tubería de fierro galvanizado.

UNIÓN ESPIGA-CAMPANA O SIMPLE PRESIÓN

Todos los tubos se fabrican con sistema de empalme espiga - campana (EC) ó simple presión (SP)

UNIÓN ESPIGA-CAMPANA O SIMPLE PRESION

ACCESORIOS AGUA A PRESIÓN

UNIÓN ROSCADA

Las tuberías en medidas desde 1/2" hasta 2" para una presión de trabajo de 10 bares (145 psi), viene roscadas.

CARACTERISTICAS TUB. UNION ROSCADA

ACCESORIOS UNIÓN ROSCADA

VÁLVULAS Y ACCESORIOS La elección de las válvulas se realizará, de acuerdo con la

función que desempeñan y las condiciones extremas de funcionamiento (presión y temperatura).

Las piezas de empalme, derivación y demás accesorios serán del mismo material que los tubos (PVC), o de polipropileno aptas para soportar una presión igual o mayor que las de las tuberías. Según los casos se podrán usar accesorios para roscar, soldar o pegar.

Las válvulas podrán ser de bronce, los accesorios de PVC y de F°G°. En la instalación se deben utilizar niples de diferentes dimensiones a fin de garantizar un buen acoplamiento.

Para todo caso, las válvulas deben ser de fácil desmontaje y totalmente herméticas.

VÁLVULAS

Una válvula es un elemento instalado en los sistemas de tuberías para controlar el flujo de un fluido dentro de tal sistema, en una o más de las formas siguientes: 1. Para permitir el paso del flujo. 2. Para no permitir el paso del flujo. 3. Para controlar el flujo.

VÁLVULA DE COMPUERTA Son válvulas en la que existe una compuerta que se desliza verticalmente obstruyendo el paso del fluido. Las válvulas de compuerta son de las más usadas en las instalaciones hidráulicas. No se utilizan para regular flujo sino para aislarlo, o sea, abiertas o cerradas totalmente.

VÁLVULA DE GLOBO El mecanismo de esta válvula consiste en un disco, accionado por un tornillo, que se empuja hacia abajo contra un asiento circular. Estas válvulas sí se utilizan para regular o controlar el flujo de una tubería, aunque producen pérdidas de carga muy altas.

VÁLVULA DE BOLA Las válvulas de bola son de ¼ de vuelta, en las cuales una bola taladrada gira entre asientos elásticos, lo cual permite la circulación directa en la posición abierta y corta el paso cuando se gira la bola 90° y cierra el conducto

VÁLVULA DE RETENCION (CHECK) Y DE DESAHOGO (ALIVIO)

Son válvulas de accionamiento automático, funcionan sin controles externos y dependen para su funcionamiento de sentido de circulación o de las presiones en el sistema de tubería. Como ambos tipos se utilizan en combinación con válvulas de control de circulación, la selección de la válvula, con frecuencia, se hace sobre la base de las condiciones para seleccionar la válvula de control de circulación.

VÁLVULA CHECK Las válvulas de retención, también llamadas check y de no retorno, tienen el fin de evitar la descarga del agua en dirección a la bomba, esto evita daños por la rotación inversa de la bomba, además de impedir el vaciado de la tubería permitiendo que la puesta en marcha del sistema sea más rápida y

segura.

VÁLVULA DE AIRE Las válvulas de aire o ventosas, tienen la finalidad de extraer el aire que puede disminuir considerablemente el caudal cuando se producen bolsas de aire, también permiten la entrada de aire cuando se crean presiones de vacío, como ocurre con la parada repentina de una bomba o cuando se cierra una válvula.

VÁLVULA DE ALIVIO Las válvulas de alivio también llamadas de seguridad, tienen

la función de abrir el sistema a la atmósfera cuando la presión supera ciertos límites preestablecidos, reduciendo de esta forma las sobrepresiones subsiguiente.

En la figura se puede apreciar una válvula de alivio. Éstas son de gran utilidad ya que protegen las tuberías y equipos de la red de una operación anormal del sistema o una avería.

HIDROSTATICA El sistema esta en

equilibrio estático y las presiones que se miden son iguales en cualquier punto.

Es decir, que si en cualquier punto del sistema insertamos un tubo piezómetro, la columna de agua que ascendería por dicho tubo se elevaría hasta justamente la línea de carga estática del sistema.

PA= 10 m.c.a ó 1 kg/cm2

suponiendo que el tanque se rellena a la misma velocidad a la que va perdiendo el agua, de tal manera que el nivel de la superficie permanezca constante

HIDRODINÁMICA

Se abre la válvula

Los niveles de agua en cada tubo disminuyen un poco, formando una nueva línea (piezometrica). Para un flujo constante, la línea formada por las columnas de agua tendrá que permanecer estable, entonces el sistema está en equilibrio dinámico.

suponiendo que el tanque se rellena a la misma velocidad a la que va perdiendo el agua, de tal manera que el nivel de la superficie permanezca constante

L.G.H La LGH representa el perfil hidráulico del sistema, específicamente cuando ambas tomas (inicio y fin) están abiertas. Naturalmente, habrá un perfil diferente si solamente la toma No. 1 esta abierta, o si solamente la toma No. 2 esta abierta, o si ambas tomas están cerradas (es decir, el perfil estático). Normalmente no es necesario calcular los perfiles LGH para las distintas combinaciones de llaves abiertas o cerradas en un sistema. La LGH solamente deberá ser trazada para los dos extremos: todas las tomas abiertas y todas las tomas cerradas. Esto permite al diseñador determinar fácilmente cuales son los puntos de presión alta y baja en el sistema, para-poder así asegurarse de que estén dentro de los limites, permisibles.

HIDRODINÁMICA

L.G.H La LGH representa los nuevos niveles de energía en cada punto a lo largo de la tubería. Para cualquier flujo constante a través del tubo hay una LGH constante, especifica. La distancia vertical desde un punto de la tubería hasta la LGH es su medida de carga de presión (es decir, energía), y la diferencia entre la LGH y el nivel estático, es la cantidad de perdida de carga por fricción del flujo.

L.G.H Conforme el agua fluye a través de las tuberías, acoplamientos, tanques, etc., hay una cierta cantidad de energía que se pierde para siempre, disipada por fricción. Según cambie el perfil topográfico del sistema, habrá ciertos puntos en que la cantidad de energía será mínima (ej. presión baja), mientras que en otros puntos puede haber una cantidad excesiva de energía (ej. presión alta). Un sistema deficientemente diseñado o construido no conservara la cantidad de energía suficiente para mover la cantidad necesaria de agua a través de las tuberías.

PRESION RESIDUAL: EXCESO DE ENERGIA

Presión residual es la cantidad da energía remanente en el sistema en el momento en que el caudal deseado alcanza su punto de descarga. Representa el exceso de energía gravitacional. Si se instala una válvula de control en el punto de descarga, se disipara la presión residual (para este fin hay que usar una válvula de globo, no una válvula de compuerta).

PRESION RESIDUAL: EXCESO DE ENERGIA

Cuando trazamos la línea de gradiente hidráulica para un caudal que se descarga libremente a la atmósfera, se busca que la presión residual sea positiva. La existencia de presión residual positiva garantiza que existe un exceso de energía gravitacional lo que nos indica que existe energía suficiente para mover el flujo, la existencia de presión residual negativa implica que la cantidad deseada de agua no fluirá, se debe recalcular la línea en diseño, usando un menor caudal y/o un diámetro de tubo mas grande.

PRESION RESIDUAL POSITIVA

PRESION RESIDUAL NEGATIVA

Recalcular la línea en diseño, usando un menor caudal y/o un diámetro de tubo mas grande.

CAUDAL NATURAL Cuando la presión residual de una tubería que descarga libremente en la atmosfera es cero, es porque el caudal máximo se esta moviendo a través del tubo. Este es el caudal natural del tubo, y es el caudal máximo absoluto que se puede mover por gravedad. El caudal natural del tubo se puede controlar seleccionando el diámetro del tubo.

DISEÑO DE TUBERIAS Por consiguiente, la finalidad de diseñar las tuberías, es para manipular de manera correcta las perdidas de energía por fricción de manera de poder desplazar a través del sistema, el flujo deseado; conservando la energía en determinados puntos y disipándola (por fricción) en otros. Esto se consigue con una cuidadosa selección de los diferentes tamaños de tubos y la ubicación estratégica de las válvulas de control, tanques interruptores de presión, reservorios, Líneas de conexión, etc.

PERDIDA DE CARGA La perdida de carga es la perdida de energía necesaria para vencer las resistencias que se oponen al movimiento del fluido de un lugar a otro dentro de la tubería. Las pérdidas de carga pueden ser lineales o de fricción o singulares o locales, las primeras son ocasionadas por las fuerzas de rozamiento en la superficie de contacto entre el fluido y la tubería; y las siguientes son producidas por las deformaciones de flujo, cambio en sus movimientos y velocidad, como son cambios de sección, existencia de válvulas, grifos, codos y demás accesorios.

PERDIDA DE CARGA En conductos largos, las perdidas secundarias tienen poca importancia, a veces pueden despreciarse o se tienen en cuenta al final sumando un 5% o 10% de las perdidas principales halladas. En el caso de que las perdidas menores superasen el 10% de las perdidas por fricción a la tubería se le denomina corta y se toma en consideración estas pérdidas para el cálculo.

FORMULAS EMPIRICAS Para resolver los problemas corrientes de flujos en conductos cerrados se dispone de varias formulas empíricas. Entre las cuales podemos mencionar las siguientes considerando que el diámetro del tubo se selecciona en razón de la perdida de carga por fricción. ECUACIÓN DE DARCY WEISBACH

ECUACIÓN DE HAZEN WILLIAMS

ECUACIÓN DE MANNING:

PERDIDAS DE CARGA POR FRICCION DARCY WEISBACH

La ecuación de Darcy es válida tanto para flujo laminar como turbulento de cualquier líquido en una tubería. Sin embargo, puede suceder que debido a velocidades extremas la presión corriente abajo disminuya de tal manera que llegue a igualar la presión de vapor del líquido, apareciendo el fenómeno conocido como cavitación y los caudales obtenidos por cálculo serán inexactos (Se obtienen valores sobredimensionados).

PERDIDAS DE CARGA POR FRICCION

HAZEN & WILLIAMS

Una de las mas usadas en conductos a presión, es la de Hazen y Williams. Esta formula es valida únicamente para tuberías de flujo turbulento, con comportamiento hidráulico rugoso y con diámetros mayores a 2 pulg.

PERDIDAS DE CARGA POR FRICCION

MANNING

Usado en para dar solución a problemas de flujos en conductos cerrados (tuberías) y canales abiertos, esta es considerada exacta para tuberías de 1 metro de diámetro, siendo muy fiable para la gama de diámetros comprendidos entre 0.40 y 1.30 m.

OTRAS FORMULAS

Las Normas del Ministerio de Salud, para el calculo hidráulico recomiendan el empleo de la formula de Fair-Whipple para diámetros menores a 2 pulg.; sin embargo se puede utilizar la formula de Hazen y Williams, con cuya ecuación los fabricantes de nuestro país elaboran sus nomogramas en los que incluyen diámetros menores a 2 pulg.

ECUACION DE FAIR-WHIPPLE

Para una tubería donde el valor de (Coef. De Hazem y W. para tub. PVC) C=140, el caudal, la perdida de carga unitaria y el diámetro quedan definidos como:

ECUACION DE FAIR-WHIPPLE PERDIDA DE CARGA POR TRAMO La perdida de carga por tramo (Hf) se define como: Para determinar la perdida de carga por tramo es necesario conocer los valores de carga disponible, el gasto de diseño y la longitud del tramo de tubería. Con dicha información y con el uso de nomogramas o la aplicación de formulas se determina el diámetro de tubería. En caso de que el diámetro calculado se encuentre entre los rangos de dos diámetros comerciales se selecciona el rango superior o se desarrolla la combinación de tuberías. Con el diámetro o los diámetros seleccionados se calculan las perdidas de carga unitaria para finalmente estimar la perdida de carga por tramo.

Monograma para la formula de Hazen y Williams (para tuberia con C = 140)

DIÁMETROS MÍNIMOS

En la selección del diámetro de la tubería, deben analizarse las presiones disponibles, las velocidades de escurrimiento y las longitudes de tubería. En líneas de conducción si el sistema es por gravedad el diámetro está completamente definido, si está alimentada por bomba, la elección estará basada en un estudio técnico económico.

ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE

1. Mencione las principales características las tuberías HDPE, ventajas y desventajas, diámetros comerciales, etc. Pegue una figura de esta tubería en su cuaderno.

2. Deducir la formula para perdida de carga por fricción de Hazen & Williams