Aplicaciones del PRFV en tuberías de gran diámetro Xavier Arasanz Corominas

Director Comercial de PROTESA

xarasanz@protesa.es

Definición

¿Qué son las tuberías de PRFV?

El Poliéster Reforzado con Fibra de Vidrio (PRFV) es un material que pertenece al grupo de los composites. Los composites están constituidos por una fase continua (matriz de resinas termoestables) y una fase fibrosa (fibra de vidrio), responsable de las características mecánicas.

El tubo de PRFV está constituido por una resina sintética a base de polímeros esterificados a los que simultáneamente se les han introducido fibras de vidrio según direcciones predeterminadas formando una matriz (resina) y un refuerzo (fibra de vidrio) que dan lugar al material compuesto. Esta estructura de composites también puede contener agregados, granulados, agentes tixotrópicos y pigmentos o colorantes.

Propiedades de las tuberías de PRFV

Propiedades Hidráulicas Propiedades Hidráulicas

Baja rugosidad (R=0,52µm., n=0,009)

Mayor caudal para el mismo diámetro

Menor incidencia del golpe de ariete

Hasta DN 4000

Resistencia química en ambientes agresivos

Ausencia de oxidación y corrosión

Inertes al Medio Ambiente

Inocuas (no altera las propiedades del fluido)

Propiedades Mecánicas Propiedades Físicas

Resistencia mecánica al aplastamiento

Deformación a flexión hasta el 25%

Garantía de Estanqueidad 100%

PN de hasta 32 bar.

Baja densidad (δ=1,80 g/cm3)

Flexibilidad y fácil instalación

Versatilidad de diámetros y rigideces

Ámbitos de aplicación

Abastecimiento • Impulsiones y distribución de agua potable

Saneamiento

• Colectores de aguas residuales urbanas e industriales • Colectores de aguas pluviales (urbanas y polígonos) • Sistema de colectores con pozos de registro • Depuradoras de aguas residuales (EDAR): Línea de aguas, recirculación de fangos, línea de cloruro férrico, tercario, etc.

Riegos

• Red de Impulsión • Redes de Distribución • Galería de embalses y balsas • Estaciones de bombeo • Tomas de fondo

Potabilización • Red integral en estaciones potabilizadoras (ETAP) Captación de agua • Encamisados y tuberías de captación

Centrales hidroeléctricas • Tubería forzada • Aliviaderos

Instalaciones submarinas

• Estaciones desalinizadoras/desalobradoras de agua de mar (EDAM) • Piscifactorías de agua de mar • Impulsiones de agua de mar y salmuera • Captaciones y retornos de agua de mar • Colectores submarinos • Construcción naval y plataformas marinas • Tuberías enterradas en zanja o lastradas

Plantas de energía

• Tuberías de proceso • Difusores de captación y retorno • Tuberías de captación y retorno de sistemas de refrigeración • Centrales térmicas, hidráulicas, biomasa, termosolar, cogeneración y de ciclo combinado • Tuberías enterradas, aéreas y en emisarios submarinos

Industria Química • Plantas de pasta papel, cloro sosa, petroquímicas, fertilizantes, fibras textiles, purificación de gases, conducción de gases, refinerías, etc.

Farmacéutica/ Hospitales • Sistemas de refrigeración y calefacción • Evacuación de residuos sólidos

Redes contra incendios • Instalaciones enterradas • Instalaciones aéreas (retardantes al fuego)

Fabricación de la tubería de PRFV

Estructura de un tubo de PRFV

Crossed Filament Winding

Gama de accesorios

Sistemas de unión

REQUISITO FLEXIBILIDAD REQUISITO RESISTENCIA

Uniones flexibles Uniones rígidas Uniones autotrabadas Uniones no autotrabadas

Campana-Espiga Unión Química Unión Química Campana-Espiga

Campana-Espiga con Anillo de Retención

Unión con Bridas

Mecánica Unión con Bridas

Campana-Espiga con Anillo de Retención

Mecánica

Unión “Campana-Espiga”

Unión “Campana-Espiga” con Anillo de Retención

Unión Química o soldada

Unión con Bridas

Unión mecánica

Diseño

Parámetros de diseño

PARÁMETROS HIDRÁULICOS PARÁMETROS FLUIDO

Saneamiento Impulsión Servicio Condiciones

Caudal Pendientes Velocidad fluido Diámetro nominal

Presión nominal Presión trabajo Sobrepresiones Precio vacío Velocidad fluido Alturas manométricas Presión de prueba Diámetro nominal

Agua potable Agua riego Agua mar Agua salobre Agua tratada Agua pluvial Agua residual Fluido específico

Tª máximas trabajo Tª normales trabajo Concentración sustancias Abrasión

PARÁMETROS INSTALACIÓN PARÁMETROS CONDUCCIÓN

Enterrada Aérea Submarina y Hormigonada

Hinca Diseño-Pliego

Datos zanja Relleno natural Terreno relleno Grado compactación Nivel freático Cargas tráfico Cargas puntuales Asentamientos

Tipología soportaje Vano admisible Equipos mecánicos Acabado exterior

Tipo zanja Tipo de instalación Longitud total

Tipo de unión Longitud total Tipo de instalación

Rigidez nominal Normas de diseño Factores de seguridad Con/ sin restricciones

Características de la tubería de PRFV

Definición Ángulo de Enrollamiento Espesor Tubería

DN (mm) PN (bar) SN (N/m2) Tipo Instalación

Presión Circunferencial (bar) Resist. Trac. Circunferecial (N/mm) Resist. Trac. Axial (N/mm)

Rigidez Nominal (N/m2)

Diseño de tubería enterrada de PRFV

Verificación de Tubería enterrada de PRFV

a) Comprobación de la presión nominal La presión nominal (PN) de una tubería, según el manual AWWA M45 2ª ed., está relacionada con la resistencia a largo plazo de la tubería HDB (Base de Diseño Hidrostático) como sigue:

b) Comprobación de la presión de trabajo En primer lugar, se trata de comprobar que la máxima presión de trabajo (PW) de la conducción en cada tramo es menor que la presión nominal de la misma:

c) Comprobación de la sobrepresión Se trata de comprobar, en los proyectos de impulsiones, que los esfuerzos por la posible sobrepresión (PS) están dentro de lo admitido por la norma; en nuestro caso, se considera que la posible sobrepresión que puede producirse, debiéndose controlar su magnitud en el diseño de la conducción (redes ramificadas, elementos anti-arietes, etc.), tiene carácter ocasional y por lo tanto puede aplicarse la condición que permite la norma para este caso:

d) Comprobación de la deflexión admisible por flexión circunferencial La deflexión vertical máxima de la tubería admisible a largo plazo no puede resultar de una deformación por flexión circunferencial más grande que la capacidad de alargamiento por flexión anular de la tubería reducida por un factor de diseño apropiado. El cumplimiento de este requisito queda garantizado por la siguiente fórmula:

e) Comprobación de la deflexión a largo plazo La tubería enterrada debe ir instalada de tal forma que se asegure que las cargas externas no provoquen una deflexión vertical prevista a largo plazo de la tubería (Δylp) más grande que la deflexión máxima permitida a largo plazo (δdmp) recomendada por el fabricante (PROTESA establece el 5%) y que la deflexión máxima admisible (Δyma):

Se trata de comprobar que la deflexión a largo plazo (Δylp) causada por las cargas exteriores (tráfico y carga de tierras) es inferior al 5% del diámetro medio. Para efectuar esta verificación utilizamos una variante de la fórmula de Iowa, publicada con anterioridad por Spangler:

f) Comprobación de las cargas combinadas Consiste en comprobar que el alargamiento máximo que resulta de los efectos de la presión interna y de la deflexión está dentro de los límites admisibles. Para ello, calcularemos: Alargamiento debido a la presión interna

Alargamiento debido a la deflexión vertical admisible a largo plazo

donde:

δymp: Deflexión vertical permitida a largo plazo (5% del diámetro medio) Con estos dos valores de alargamiento se procede a la comprobación de dos ecuaciones, una derivada de la presión y otra de la flexión, para verificar que los factores de seguridad obtenidos son superiores a los mínimos establecidos en el manual AWWA M45 (FSpr=1,8 y FSb=1,5). La tensión causada por las cargas combinadas debe satisfacer la siguiente ecuación:

g) Comprobación del colapso (estabilidad de la pared) Se trata de comprobar que la suma de cargas exteriores es igual o menor que la presión admisible de colapso. Para ello y en función de las condiciones de trabajo del tubo (altura de enterramiento, vacío interno, freático, etc.), se calcula una carga admisible de colapso mediante la expresión:

La comprobación del pandeo en instalaciones típicas se suele comprobar con la siguiente ecuación:

donde:

γw: Peso específico del agua (N/m3)

PV: Presión de vacío interno (bar)

RW: factor de reducción por freático. Este factor reduce el valor del peso específico del terreno seco cuando hay presencia de nivel freático, acercándose al valor del peso del terreno húmedo. Se calcula como:

donde:

hw: Altura de nivel freático sobre la clave de la tubería (m)

h: Altura de tierras sobre la clave de la tubería (m)

Si consideramos la presencia de cargas por tráfico, la comprobación del pandeo seguirá la siguiente expresión:

No se suelen considerar a la vez cargas por tráfico y vacío interno.

Tubería Certificada

• Certificado de Producto bajo las normas europeas: UNE-EN 1796 (2006) y UNE-EN 14364 (2007)

Plan de Puntos de Inspección (PPI)

Control de Calidad de Materia Prima

• ESPECIFICACIONES Y CERTIFICACIONES DE MATERIAS PRIMAS

La materia prima que se recibe en las instalaciones está sometida a una revisión de certificados de origen y a los controles de calidad y checks necesarios para comprobar su adecuación a las especificaciones. El material, una vez pasa el control de laboratorio en recepción y se acepta, es marcado para su control trazable en la aplicación final.

Las materias primas, así como sus especificaciones, están validados por un proceso interno que consiste en la prueba del material en nuestros laboratorios para garantizar su correcta aplicación y compatibilidad con el proceso, seguido de una producción industrial, cuyo producto resultante es sometido a los ensayos mecánicos que validan su incorporación en el almacén de productos acabados.

Control de calidad de producto acabado. Control standard de producto

• IDENTIFICACIÓN Y TRAZABILIDAD DE PRODUCTO Todos los productos son identificados mediante una etiqueta trazable, en la que constan, de forma legible y durable: la marca de fábrica, norma de referencia, tipo de artículo, fecha de fabricación, diámetro nominal (DN), presión nominal (PN), rigidez nominal (SN), referencia de identificación y tipo de material.

CONTROL VISUAL

Verificación del aspecto de los laminados en base a la Norma ASTM D 2563, haciendo especial hincapié en la barrera interior. Comprobación de que ésta esté exenta de fisuras, inclusiones de cuerpos extraños, burbujas de aire y áreas pobres en resina que por su naturaleza, grado o extensión pudieran ir en detrimento de las características de servicio de las tuberías.

De la misma manera se verifica el aspecto exterior y los dos extremos de las tuberías, siguiendo los aspectos que se destacan en la norma.

CONTROL DIMENSIONAL

En las mediciones realizadas se comprueba la longitud, espesor, diámetro interior y los extremos campana y espiga de cada uno de los productos fabricados, en base a sus especificaciones y con las tolerancias admisibles determinadas segú n normativa UNE-EN 1796.

• CONTROL DE DUREZA BARCOL

Para todos los accesorios y tuberías producidas, se realiza un control de la dureza mediante un durómetro portátil de tipo Barcol, para verificar el estado de polimerización del poliéster.

El ensayo consiste en colocar el durómetro sobre la pieza, se presiona manualmente y se lee directamente el valor de la dureza en el cuadrante del aparato, según establece la norma UNE 53270.

• CONTROL DE ESTANQUEIDAD

Para el 100% de las tuberías con extremos “Campana-Espiga”, se realiza la verificación de la correcta colocación y sellado de la válvula de comprobación de estanqueidad, que será utilizada en la instalación de las tuberías en obra.

Determinación de propiedades mecánicas

Ensayos a corto plazo a) RIGIDEZ CIRCUNFERENCIAL ESPECÍFICA

Este ensayo, basado en la norma UNE-EN 1228, permite determinar la rigidez circunferencial específica inicial (S0) que define la resistencia de las paredes del tubo a soportar las cargas externas (tierras y tráfico) y presiones negativas (presión de vacío).

b) DEFLEXIÓN CIRCUNFERENCIAL

Ensayo basado en la norma UNE-EN 1226, la cual especifica el método de ensayo para determinar la capacidad de los tubos de PRFV para resistir los niveles de deflexión circunferencial inicial especificados, sin la aparición de daños superficiales y/o fallos estructurales.

c) RESISTENCIA A TRACCIÓN CIRCUNFERENCIAL

Se realiza en base al método F de la norma UNE-EN 1394. En ella se determina la resistencia a la tracción inicial aparente por unidad de longitud (N/mm), en dirección circunferencial.

d) RESISTENCIA A TRACCIÓN LONGITUDINAL Este ensayo se realiza en base a la norma UNE-EN 1393 con la finalidad de determinar la máxima fuerza de tracción en la rotura, en dirección longitudinal, por unidad de circunferencia media, de tubos de plástico termoestable reforzado con fibra de vidrio (PRFV).

e) ABSORCIÓN DE AGUA

Se realiza en base a la norma UNE-EN ISO 62 para determinar la propiedad de absorción de agua en ambientes húmedos.

f) PRUEBA DE ESTANQUEIDAD A PRESIÓN

El ensayo para la comprobación de la estanqueidad de la pared sometida a una presión interna a corto plazo viene regido por la norma UNE-EN 1229. Éste se realiza cerrando una probeta (la probeta a ensayar puede ser un tubo con extremos lisos o puede ser un tubo con cualquier tipo de unión flexible o rígida) y tras llenarla de agua, se aplica un aumento de presión hidrostática de forma gradual, hasta alcanzar 1,5 veces la presión nominal (PN), con la finalidad de comprobar la estanqueidad a corto plazo de la pared y del sistema de unión.

Ensayos a largo plazo a) BASE HIDROSTÁTICA DE DISEÑO (HDB)

Este ensayo basado en la norma ASTM D 2992 y según el procedimiento B, permite determinar la base hidrostática de diseño (Hydrostatic Design Basis) para productos de fibra de vidrio (en base tensión o en base deformación), que se utiliza posteriormente para validar las PN de las tuberías de PRFV.

El ensayo se realizó en PROTESA con 49 probetas de DN 600, PN 6, SN 2.500 y el valor obtenido como extrapolación a largo plazo fue de 0,668%.

b) DEFORMACIÓN ANULAR A LARGO PLAZO (Sb)

Este ensayo basado en la norma ASTM D 5365, permite determinar la deformación anular a largo plazo (Long Term Ring Bending Strain) para productos de fibra de vidrio, que se utiliza posteriormente para comprobar la deformación admisible por flexión circunferencial y la comprobación de las cargas combinadas.

El ensayo se realizó en PROTESA con 20 probetas de DN 600 mm, PN 6 bar, SN 5.000 N/m2 y el valor obtenido como extrapolación a largo plazo fue de 1,388%.

c) ENSAYO DE RIGIDEZ CIRCUNFERENCIAL ESPECÍFICA A LARGO PLAZO

Este ensayo se realiza según la norma UNE-EN 1225, la cual permite determinar la rigidez ambiente químico

N/m , y los valores obtenidos como extrapolación a largo plazo fueron: α50,wet=0,72 (SN

circunferencial a largo plazo para una tubería sometida a deflexión constante en undeterminado.

El ensayo se realizó en PROTESA con 3 probetas de DN 900 mm: de SN 1.250 N/m2, de SN 2.500 N/m2 y de SN 5.000 2

1250), α50,wet=0,74 (SN 2500) y α50,wet=0,74 (SN 5000).

d) ENSAYO DE RESISTENCIA A CORROSIÓN BAJO DEFORMACIÓN

Basado en la norma UNE-EN 1120. Éste consiste en l terminación de las propiedades de resistencia

enido como extrapolación a largo

a dequímica en condiciones de deflexión para tubos y accesorios de PRFV.

El ensayo se realizó en los laboratorios de PROTESA con 25 probetas de DN 500 PN 10 SN 5.000 bajo una solución de ácido sulfúrico 0,5 M y el valor de la deformación obtplazo fue del 11,94% (superior al valor mínimo establecido en la ecuación 15 de la norma UNE-EN 14364 en base a una deformación máxima admisible a largo plazo del 5% que establece PROTESA).

Instalación de tubería de PRFV

Manipulación de la tubería de PRFV

Montaje de la Tubería de PRFV de DN 2600

Detalles Constructivos

HIPÓTESIS ESQUEMA DE LA CONFIGURACIÓN

ACTUACIONES RECOMENDADAS

Asentamiento despreciable

(1) Colocar un elemento flexible (banda EPDM, espuma, etc.) alrededor del tubo en la zona de transición para que absorba los pocos mm. de deformación circunferencial (en terrenos duros, poca altura de tierras y compactaciones altas).

Asentamiento leve

(2) Colocar un elemento flexible (ver punto 1). (3) En la sobreexcavación y justo por debajo del tubo saliente rellenar con material granular (SC1/SC2) y compactado para que haya deformaciones mínimas.

Asentamientodiferencial

Grado I

(4) Colocar un elemento flexible (ver punto 1) sólo si la unión C-E no está embebida en el hormigón y sobresale del elemento rígido. (5) Rellenar con SC1/SC2 y compactar (ver punto 3). (6) Instalar embebida (si puede ser) dentro del hormigón una unión flexible (“Campana-Espiga”) para hacer de rótula. (7) El siguiente tubo podrá ser de longitud convencional (Ltubo=12 m).

Grado II

(8) Colocar un elemento flexible (ver punto 1) sólo si la unión C-E no está embebida en el hormigón y sobresale del elemento rígido. (9) Rellenar con SC1/SC2 y compactar (ver punto 3). (10) Unión flexible embebida en el hormigón (ver punto 6). (11) El siguiente tubo (tubo biela) deberá tener una longitud especial (PROTESA recomienda 4 m) para dotar a la instalación de otra rótula cerca de la primera.

Grado III

(12) Colocar un elemento flexible (ver punto 1) sólo si la unión C-E no está embebida en el hormigón y sobresale del lemento rígido. (13) Rellenar con SC1 / SC2 y compactar (ver punto 3). (14) Unión flexible embebida en el hormigón (ver punto 6) (15) En casos excepcionales (terrenos muy inestables) el siguiente tubo (tubo biela) deberá tener una longitud muy corta (PROTESA recomienda 2 m) y el DN determinará si la unión será “Campana-Espiga u otro tipo de junta flexible.

Ejemplos constructivos

Referencias de obras de tubería de grandes diámetros

Modernización de las Infraestructuras de la Zona Regable del Valle Inferior del Guadalquivir, Sevilla

hasta DN 1.500 - PN 6

Modernización de la Comunidad General de Riegos de Levante, Alicante

hasta DN 1.600 - PN 8

Modernización de la Comunidad de Babilafuente, Salamanca

hasta DN 1.600 - PN 10

Abastecimiento de Agua a Zaragoza

DN 2000 - PN 6-10

Central de Ciclo Combinado de Escombreras, Murcia (800MW)

1.600 m.l. – DN 2.400 y 3.200 – PN 6

Centrales Hidroeléctrica de Pando y Monte Lirio, Panamá (85 MW)

4.200 m.l. – DN 2.600, 2.700 y 2.800 – PN 10-12-16-20

Mini Central Hidroeléctrica de El Diuto, Chile (3,2 MW)

488 m.l. – DN 2.600 – PN 6

Central Hidroeléctrica de Bocalatún, Panamá (13,2 MW)

2.500 m.l. – DN 2.600, 2.800 y 3.000 – PN 6-10-16

Regasificadora de GNL de El Puerto de El Musel, Gijón (800.000 m3 de emisión)

1.000 m.l. – DN hasta 1.800 – PN 6

Tubería de captación y vertido de DN 2.400 – PN 6

Central Térmica de Ciclo Combinado de Koudiet, Argelia

2.200 m.l. – DN 800 a 3.200 – PN 6

Linternas de captación DN 4.500