Diseño, fabricación e instalación de las tuberías de PRFV de la planta desalinizadora del Prat de

Llobregat, Barcelona Xavier Arasanz Corominas

Director Comercial de PROTESA

xarasanz@protesa.es

Introducción La aplicación del PRFV en una Planta de Desalinización de agua de mar, abarca un amplio abanico de posibilidades, englobando la totalidad del sistema (sistema captación, planta de tratamiento, sistema de vertido y distribución del agua producto a la red).

El PRFV, tanto por sus excelentes propiedades anticorrosivas, como por sus propiedades mecánicas, comparables inclusive a las proporcionadas por un acero, ha ayudado a que éste sea uno de los materiales más nobles y solicitados en los sectores de tratamiento de aguas.

Tomando como caso práctico la emblemática Planta de Desalinización del Prat de Llobregat, con una producción máxima de 200.000 m3/día de agua desalada, mediante el sistema de Osmosis Inversa (correspondiendo una de las mayores de Europa, destinadas al abastecimiento humano de los más de 4 millones de habitantes del área metropolitana de Barcelona.), en los siguientes puntos se expondrá los pasos necesarios y parámetros ha determinar en el desarrollo de un proyecto de dicha envergadura.

Para ello, PROTESA, empresa líder en el sector de la Desalación, entre otros, dispone de un

amplio y experimentado equipo técnico en el desarrollo de proyectos de PRFV.

Figura 1. Vista general de la planta desalinizadora del Prat de Llobregat

.

Diseño de tuberías A la hora de diseñar una conducción en PRFV, se han de tener en cuenta una serie de aspectos que afectarán en gran manera a la hora de fabricar el tipo de tubo idóneo para cada aplicación.

Todas las variables o parámetros que afectan directa o indirectamente a una conducción hidráulica, deben de tenerse en consideración a la hora de diseñar el tubo que se ha de prescribir en un proyecto y que posteriormente se ha de fabricar por un determinado método.

En nuestro caso, PROTESA sólo fabrica por el procedimiento denominado”‘Filament Winding Cruzado” que además de ser el que mejores propiedades mecánicas puede dotar a un tubo de PRFV es el sistema que mejor se puede adaptar a las necesidades de un proyecto, ajustándose en cada caso si es necesario.

 

Definición Proyecto de Lanzamiento

Las principales características a tener en cuenta a la hora de diseñar un tubo de PRFV fabricado por el método de “Filament Winding Cruzado“son:

‐ Presión Nominal (PN)

‐ Rigidez Nominal (SN)

‐ Ángulo de Enrollamiento

De esta manera, una vez conocidas las necesidades reales del proyecto, todo el equipo técnico de PROTESA colabora en el diseño y determinación de las líneas de PRFV a instalar en el mismo.

Diseño de los parámetros mecánicos

Condiciones de servicio

CÁLCULO 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:

FSD

t20HDBPN                    

Siendo:

H.D.B. base hidrostática de diseño (N/mm2)

t espesor mecánico (mm.)

D diámetro medio (mm.)

FS factor mínimo de diseño 1,8

De esta manera, teniendo en cuenta las condiciones de la instalación, se determinó una presión Nominal de 6 bar para la totalidad de las líneas, siendo ésta en cualquier caso, superior a la de servicio u operación.

CÁLCULO RIGIDEZ NOMINAL

La rigidez es un parámetro que mide la respuesta elástica de la tubería respecto a la carga en dirección transversal. La Rigidez Circunferencial Específica (SN) de un tubo se calcula mediante la expresión:

Siendo:

3D

IESN

E módulo elástico a flexión circunferencial (N/mm2)

I momento de inercia por unidad de longitud de pared de la tubería, t3/12 (mm3)

D diámetro medio (mm)

En función de la capacidad mecánica para soportar todas las cargas exteriores (cargas del terreno, cargas por tráfico, cargas por vacío interno, cargas estáticas, etc.), la rigidez nominal podrá tener valores desde 500 N/m2 hasta superiores a 10.000 N/m2.

En el caso de las tuberías, discurrentes en tramos enterrados, de la Planta de Desalinización del Prat de Llobregat, la Rigidez Nominal de las mismas se correspondía a 5.000 N/m2 (siendo este un valor muy común en instalaciones con terrenos poco cohesivos y profundidades variables).

 

DETERMINACIÓN ÁNGULO DE ENROLLAMIENTO

El ángulo de enrollamiento es un parámetro fundamental, en toda tubería de PRFV fabricada mediante ‘Filament Winding Cruzado’. Dicho ángulo es el que regula directamente la relación entre características circunferenciales y axiales de la tubería diseñada, es decir, la relación entre Presión Circunferencial (resistencia a tracción circunferencial) y Presión Axial (resistencia a tracción axial).

El cálculo del ángulo idóneo, de las tuberías fabricadas mediante el proceso de “Filament Winding Cruzado”, no es inmediato si no que requiere un estudio exhaustivo de la relación de los esfuerzos en todas direcciones.

Estudio tensional en tuberías a presión

Las tuberías deben resistir tensiones circunferenciales (C) y tensiones longitudinales/axiales (L) debidas a:

a) Los esfuerzos originados por el líquido conducido (presión, peso, velocidad).

b) Las cargas externas del terreno, del tráfico o la presión exterior (tuberías sumergidas).

c) La discontinuidad de los apoyos si las tuberías son aéreas.

Figura 2. Tensiones circunferenciales y longitudinales que actúan sobre la pared del tubo

Por lo expuesto, el trenzado de la fibra de vidrio (material responsable de la resistencia mecánica) debe orientarse debidamente en el sentido de los esfuerzos o en las direcciones convenientes para lograr la máxima efectividad resistente. Para calcular la carga estructural se han de cuantificar los esfuerzos a que están sometidos los tubos.

La relación de dichos esfuerzos según su eje de aplicación corresponderá al siguiente:

o Valores del ángulo de enrollamiento

En función del tipo de instalación, el valor del ángulo óptimo corresponderá a:

N1

N1 N 

 

1 

 

N1 = N 1 = - 

L

D1

C

2-2

1

L

C

L

C2 arctgtg

        

 

En el caso de tubería aérea:

Para tubería enterrada:

º552arctg2

arctg

2

L

L

LC

º701

1

1

L

C

L

LL

C

LL

CC

E

Earctg

E

E

arctg

E

E

                

Condiciones de instalación

De lo descrito en los puntos anteriores se concreta que para la tubería aérea el ángulo óptimo es el de 55º y en el caso de tubería enterrada y los accesorios anclados, el ángulo puede variar de entre 59º y 76º (dependiendo del módulo de elasticidad en sentido circunferencial y longitudinal y del coeficiente de Poisson que, a su vez, son función de la proporción de porcentaje de fibra de vidrio en ambos sentidos).

En la práctica, para instalaciones enterradas, PROTESA propone un ángulo de enrollamiento cercano a 60º para asegurar una mayor resistencia a los esfuerzos transversales debido a las cargas del terreno, sobrecargas verticales y presión interna (tubería denominada ALPHACOR FW 70º - ALPHASAND FW 70º). En cambio, para instalaciones aéreas o autoportantes, el ángulo de enrollamiento será de 55º, ya que hay que dotar a la tubería de mejores características en el sentido axial (tubería denominada ALPHACOR FW 55º - ALPHASAND FW 55º).

 

Figura 3. Resistencia a Tracción en función del ángulo de enrollamiento

De esta manera, las tuberías correspondientes a las líneas de captación y redes conexión terrestre, instaladas en la Desalinizadora del Prat de Llobregat, se diseñaron y fabricaron con ángulo próximo a 60º, garantizando así las propiedades circunferenciales de las tuberías. Y en cambio, las tuberías de proceso discurrentes en tramos aéreos, fueron creadas con un ángulo de 55º, dotando así a las estructuras de una elevada resistencia axial.

DETERMINACIÓN SISTEMA DE UNIÓN

Otro de los parámetros fundamentales a la hora de diseñar una instalación hidráulica es definir los sistemas de unión de la misma. No solo es importante diseñar el tubo de PRFV óptimo y adecuado a todas las solicitaciones del proyecto, sino también definir exactamente los tipos de unión válidos a utilizar en la conexión de cada tramo de PRFV así como la distribución de dichas conexiones.

En nuestro caso, los sistemas de unión empleados fueron los siguientes:

INSTALACIÓN ENTERRADA: Unión Campana Espiga (unión flexible), con doble junta elastomérica y válvula de comprobación de estanqueidad.

Definido el tipo de conexión y el trazado de la línea, se determinará el despiece e incorporación de tubos biela (tubos de longitud menor).

s.

Debido a los esfuerzos surgidos en los cambios de dirección, es necesario restringir los mismos, generalmente, mediante incorporación de bloques de hormigón. Sin embargo, este hecho implicará la necesidad de ubicar uniones flexibles, próximas a las salidas y entradas de las estructuras rígidas, en aras a garantizar el correcto funcionamiento de la línea, facilitando así la absorción de

los esfuerzos surgidos de los posibles asentamiento

Por ello, en este tipo de instalaciones resultará necesario realizar un exhaustivo estudio del trazado de la línea.

Tubería AéreaTubería Enterrada 

α = 65º α = 55º

σAXIAL

σCIRC

σAXIAL

σCIRC

α=65º α=55º

       

 

Instalación enterrada en la Desalinizadora del Prat de Llobregat:

INSTALACIONES AÉREAS:

Uniones Químicas, de gran resistencia axial.

Uniones bridadas, para conexión con equipos externos y otros materiales.

En el caso de líneas aéreas se procederá de la siguiente forma:

Definición de la distancia entre soportes

Para impedir una deflexión excesiva, debida al peso del tubo y del fluido, los tramos horizontales de tubería se soportarán a intervalos determinados de acuerdo al valor inferior obtenido de los siguientes criterios:

-Que la tensión axial no supere el valor admisible.

-Que la flecha máxima entre soportes sea inferior a un valor predeterminado (para las tuberías de PRFV de PROTESA está establecido 1/500 de la longitud del vano).

fmax

Se elegirá la longitud más restrictiva de las dos hipótesis planteadas anteriormente.

La hipótesis a plantear para el correcto dimensionamiento de la distancia entre soportes está basada en la longitud máxima de vano para un tramo analizado como una viga simplemente apoyada y uniformemente cargada,

A. Basado en la tensión axial admisible:

adm

Lmax

 

Dónde:

LS1 Longitud máxima del vano (m)

Pt Carga térmica (kg/cm2)

Wres Módulo resistente (cm3)

P Peso unitario de la tubería llena de agua (kg/m)

σrem Resistencia axial remanente (kg/cm2)

axialadmrem

σadm: Tensión axial admisible (kg/cm2)

)kg/cm axiales, esfuerzos de caso (en t4

DP 2maxial

)kg/cm lares,perpendicu esfuerzos de caso (en

t8

DP 2maxial

P: Presión de trabajo (kg/cm2)

Dm: Diámetro medio de la tubería (cm)

t: Espesor mecánico (cm)

q Peso de unitario de la tubería llena de fluido (kg/m)

ft PPq :

Pt: Peso del Tubo (kg/m)

Pf: Peso del fluido (kg/m)

B. Basado en la flecha admisible:

siendo:

LS2 Longitud máxima del vano (m)

Ef Módulo elástico flexión circunferencial (N/mm2)

FS Factor de Seguridad (adimensional)

I Momento de inercia de la sección de la tubería (cm4)

44

64: ie DDI

De: Diámetro exterior (cm)

Di: Diámetro interior (cm)

 

q Peso unitario de la tubería llena de fluido (kg/m)

ft PPq :

Pt: Peso del Tubo (kg/m)

Pf: Peso del fluido (kg/m)

Ejecución Análisis de stress

Mediante programas de elementos finitos, se efectuará:

a) Análisis estáticos de flexibilidad

b) Análisis dinámicos de flexibilidad (cargas de viento, movimientos sísmicos, etc.)

c) Análisis de conexiones con equipos mecánicos

d) Diseños estructurales de soportes

e) Selección y colocación de soportes

f) Cálculos de cargas por empuje y aumento de presiones

g) Combinación de cargas dinámicas y estáticas

Instalación aérea en la Desalinizadora del Prat de Llobregat:

Figura 4. Ejemplo de uniones bridadas en la nave de ósmosis. Figura 5. Ejemplo de brida de conexión con equipo

externo. Figura 6. Ejemplo de uniones químicas en los frentes de filtros de cartucho

Condiciones químicas

Las resinas que PROTESA utiliza en sus productos son generalmente resinas de poliéster y viniléster. Su aplicación depende del tipo de servicio de la conducción, naturaleza y concentración del fluido a vehicular, ambiente y condiciones de trabajo, etc. dotando de una resistencia adecuada al grado de corrosión del sistema.

En ambientes corrosivos, como en caso de la Desalinizadora de Barcelona, la resina a emplear en cada una de las capas corresponderá a la siguiente:

LINER

Resina Viniléster: Utilizada para usos industriales, con involucración de severas condiciones de servicio: Cloro húmedo-caliente, ácidos oxidantes, hipoclorito sódico, ácidos orgánicos concentrados, ácido clorhídrico contaminado con hidrocarburos aromáticos, etc., siendo la máxima temperatura de servicio los 100ºC dependiendo de las condiciones químicas.

Como norma general, dada la existencia de diversos aditivos químicos durante el proceso de tratamiento del agua de mar, PROTESA, como mínimo, siempre empleará una resina de poliéster (Isoftálica). Sin embargo, en caso de las desalinizadoras, está corresponderá a resina viniléster (para la totalidad del proceso).

 

CAPA ESTRUCTURAL

Resina Isoftálica: de elevada resistencia mecánica y química.

CAPA PROTECTORA EXTERIOR

Top Coat: componente químico,con base de resinas de poliéster, con incorporación de inhibidores específicos para los agentes externos como, rayos UV, agua de mar,..

Verificación diseño

Tubería enterrada

Una vez definida la estructura de las tuberías y accesorios, se procederá a validar las mismas mediante el programa de cálculo de tubería enterrada, basado en el Manual AWWA M45.

Para ello, se deberá disponer de la totalidad de los datos de la instalación resumidos a continuación;

DATOS TUBERÍA DE PRFV

Diámetro nominal DN mm

Presión nominal PN bar

DATOS DE SERVICIO

Presión trabajo Pw bar

Sobrepresión Estimada / Calculada Ps bar

Depresión interna o Vacío (0 <= Pv <= 1) Pv bar

CARACTERISTICAS DE LA INSTALACION

Zanja: Tipo talud T (-)

Recubrimiento sobre clave del tubo (mín. - máx.) H m

Altura nivel freático sobre la clave de la tubería Hw m

Carga tráfico (carga por rueda) P kg

Sobrecargas estáticas qst N/m2

Tipo de colocación (tabla 4.11) (-)

Terreno nativo (tabla 4.9) (-)

PARAMETROS DEL TERRENO

Terreno de relleno SC (-)

Grado de compactación SPD (-)

Peso específico del terreno δs kg/m3

Resultados obtenidos en las líneas de captación de la desalinizadora del Prat de Llobregat:

 

Tubería aérea

Análisis de stress

 

Ingeniería de detalle

SOPORTE CUNA

Nomenc. Soporte y fijación Restricción Aplicación

D

CUNA (Saddle)

Diseñados para aguantar el peso de la tubería

SOPORTE GUÍA

Nomenc. Soporte y fijación Restricción Aplicación

G

GUÍA (GUIDE)

Ejerce una restricción lateral y

vertical. Como norma general

son utilizados en tramos intermedios

de la instalación y diseñados

para absorber los esfuerzos

o movimientos transversales de la

línea.

 

SOPORTE FIJO

Nomenc. Soporte y fijación Restricción Aplicación

F

FIJO (FIX) Ejerce una

restricción lateral, vertical y axial.

Son utilizados en los cambios de

dirección y puntos donde los esfuerzos

existentes se distribuyen en todas

las direcciones.

Producción, Sistema de fabricación FW PROTESA está especializado en el sistema de fabricación de tuberías de PRFV mediante la aplicación de fibra de vidrio continua, tanto en sentido circunferencial como helicoidal, sobre un molde metálico (o mandril). Como principales ventajas de este procedimiento podemos indicar la consecución de muy buenas características mecánicas (derivadas del gran porcentaje de fibra en el material compuesto y su orientación en el sentido de los refuerzos), no tener grandes limitaciones en cuanto a las dimensiones de las tubos a fabricar (se pueden fabricar piezas de hasta 4 m de diámetro y tubos de 12 metros de longitud), existe la posibilidad de realizar una producción flexible y además al estar la producción muy mecanizada es muy fiable y repetitiva y con poca necesidad de mano de obra.

Filament Winding Cruzado

El proceso de fabricación de tuberías de PRFV mediante el sistema de ‘Filament Winding Cruzado’ o enrollamiento de hilos continuos sobre un molde es un sistema que consiste en la superposición de unos materiales, concretamente como refuerzo, fibra de vidrio continua (roving directo) y como ligante o matriz, resinas termoestables. Una vez polimerizado el composite y después de los trabajos necesarios sobre el propio tubo, se extraerá el molde, quedando el tubo para su posterior manipulación.

 

Control de Calidad

El sistema de control de calidad implantado en Protesa está basado en la Norma UNE-EN 1796, garantizándose así el control exhaustivo tanto de las materias primas utilizadas como del proceso de fabricación del producto acabado.

Programa de Puntos de Inspección

CONTROL BÁSICO

El Plan de Control de Calidad del producto acabado abarca la inspección unitaria del 100% de los tubos y accesorios fabricados, realizándose las siguientes verificaciones:

Control visual Control dimensional Identificación de producto Especificaciones de materia primera y certificados de materias primas Revisión certificado Autorización de envío Control de dureza barcol CONTROL A NIVEL OPCIONAL

Con una frecuencia marcada de mutuo acuerdo entre PROTESA y el cliente, con la finalidad de poder hacer un control más específico de los elementos producidos, se pueden realizar, entre otros, los siguientes ensayos:

RIGIDEZ CIRCUNFERENCIAL ESPECÍFICA

Mediante este ensayo se determina la resistencia de las paredes de la tubería a soportar las cargas externas existentes por unidad de superficie y es realizado en un anillo completo de la tubería a estudiar mediante una prensa de compresión,

 

DEFLEXIÓN CIRCUNFERENCIAL

Mediante este ensayo se determina la capacidad de los tubos de plástico termoestables reforzados con fibra de vidrio (PRFV), para resistir los niveles de deflexión circunferencial inicial especificados, sin la aparición de daños superficiales y/o fallos estructurales.

DEFLEXIÓN Rigidez nominal (Nw/m2) TRACCIÓN CIRCUNFERENCIAL INICIAL

Se realiza en tuberías de diámetro nominal superior a DN600 en base a la norma UNE EN 1394. En él se determinará la resistencia a la tracción inicial aparente por unidad de longitud, en dirección circunferencial.

TRACCIÓN LONGITUDINAL INICIAL

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.

PRUEBA DE ESTANQUEIDAD A PRESIÓN

Se realiza en base a la norma UNE EN 1229 con la finalidad de comprobar la estanqueidad a corto plazo de la pared y el sistema de unión, a una presión interna de 1.5 X PN.

DETERMINACIÓN DE MATERIALES

Ensayo recogido en la norma UNE EN 637 para determinar tanto los materiales constituyentes de un fabricado como su proporción. El método será por calcinación.

Las probetas deberán cumplir las especificaciones en cantidad y dimensiones establecidas en normativa.

ABSORCIÓN DE AGUA

Se realiza en base a la norma UNE EN ISO 62:2000 para determinar la propiedad de absorción de agua en ambientes húmedos.

Las probetas deberán cumplir las especificaciones en cantidad, acondicionamiento y dimensiones recogidas en normativa.

Ejecución Obra La ejecución de la totalidad de los trabajos desarrollados en la Planta de Barcelona, en plazos muy ajustados, implicó la necesidad de movilizar a diferentes equipos de trabajo (llegando a un total de 40 operarios en obra, con sus correspondientes responsables de equipo y de obra).

Para ello, se distribuyeron diferentes equipos por zonas de trabajo, abarcando:

‐ Las líneas de Captación de DN 2.000 mm, PN 6 bar y SN 5.000 N/m2. (Abarcando una longitud total próxima a……………….., instalados en su totalidad en zanjas entibadas y con existencia de nivel freático).

Líneas enterradas a chimenea de Captación

 

Líneas de captación

Edificio de Flotación tapa de filtros abiertos

Etapa de Filtros Cerrados

Edifico de Tratamiento (Ósmosis inversa)

 

Figuras 5 y 6. Vista general de la planta de Ósmosis Inversa

Figuras 7 y 8. Frentes filtros de cartucho

Figura 9. Zona limpieza de químicos