REDES DE AGUA POTABLE

1.- Presentacin 2.- Referencias Bibliogrficas 3.- Definiciones 4.- Materiales 4.1.- Materiales a usar en Redes de Agua Potable 4.2.- Especificaciones Tcnicas de Materiales 4.2.1.- Tubera de PVC 4.2.2.- Tubera de Asbesto Cemento 4.2.3.- Tubera de Polietileno de Alta Densidad (HDPE) 4.2.4.- Tubera de Acero Comercial 4.2.5.- Tubera de Fierro Dctil con unin Tyton 5. DISEO 5.1 Anlisis de la Resistencia ante Acciones Externas 5.1.1 Cargas sobre tubera 5.1.2 Temperaturas (dilatacin y contraccin) 5.1.3 Corrosin 5.2 Estudios de Materiales 5.2.1 Materiales de tuberas 5.2.2 Campos de utilizacin de tuberas segn material 5.2.3 Anlisis comparativo del comportamiento por tipo de material 5.3 Proposicin de Metodologa para la Seleccin de Material de Tuberas desde el punto de Vista de la Corrosin 5.3.1 Introduccin 5.3.2 Corrosin interna 5.3.3 Corrosin externa 5.3.4 Proposicin de Metodologa para la seleccin de material de tuberas desde el punto de vista de la corrosin 5.3.5 Conclusiones

5.4 Dimensionamiento y Diseo de Redes de Distribucin de Agua Potable

5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 5.4.5

Generalidades Solicitamos de una red de distribucin de Agua Potable Tipos de redes Dimensiones de una red Clculo de redes de distribucin de Agua Potable

5.5 Anclaje para Piezas Especiales 5.5.1 Anclajes tipo para piezas especiales 5.5.2 Anclajes especiales para piezas especiales 5.6 Recomendaciones Tcnicas 5.6.1 Bases de clculo de consumo 5.6.2 Presiones de servicio 5.6.3 Diseo y dimensionamiento 5.6.4 Dimetros mnimos 5.6.5 Materiales 5.6.6 Trazado 5.6.7 Cmaras 5.6.8 Cuarteles 5.6.9 Topografa 5.6.10 Presentacin de proyectos 5.6.11 Elaboracin de planos y documentos del proyecto

ANEXO 1 DEL CAPITULO 5 6. ATRAVIESOS, TIPOS DE UNIONES Y ELEMENTOS AUXILIARES EN UNA RED DE AGUA POTABLE

6.1 Atraviesos e Interferencias 6.1.1 Atraviesos en puntos especiales 6.1.2 Interferencias entre redes de A.P. y red de Gas Natural 6.2 Tipos de Uniones

6.3 Elementos Auxiliares de una red de Distribucin 6.3.1 Piezas especiales sin mecanismo 6.3.2 Piezas especiales con mecanismo

6.4

Obras

6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.4.4 6.4.5 6.4.6

Excavaciones Camas de Apoyo Rellenos Compactados Retiro de Excedentes Soluciones Constructivas Especiales Cruce Bajo otras Matrices Existentes de Agua Potable

7.- Aseguramiento de Calidad 7.1.- Generalidades 7.2.- Forma de asegurar la calidad de los materiales empleados 7.3.- Ensayos necesarios para la Recepcin de la Obra 7.4.- Criterios de aceptacin 7.5.- Seguimiento de Calidad

8.- Planos Tipo

9.- Proveedores 9.1.- Caeras de Fierro Fundido 9.2.- Caeras de PVC 9.3.- Caeras de Cemento Comprimido 9.4.- Caeras de Acero 9.5.- Caeras de Asbesto Cemento

10.- Bibliografa

11.- Anexo 1 ESPECIFICACIN TCNICA GENERAL MOVIMIENTO DE TIERRAS

2

REFERENCIAS

Listado de normas chilenas estudiadasNCh43.Of61 NCh44.Of78 NCh184.Of80 NCh191.Of80 Seleccin de muestras al azar. Inspeccin por atributos tablas y procedimientos de muestreo. Tubos de hormign simple para alcantarillo. Requisitos generales. Tubos de asbesto - cemento para la conduccin de fluidos a presin. Requisitos. Tubos de policloruro de vinilo (PVC) rgido, para la conduccin de fluidos a presin. Requisitos. Tubos de polietileno (PE) para agua potable. Requisitos. Tuberas y accesorios de fundicin gris para canalizaciones sometidas a presin. Agua potable - Conduccin, regulacin y distribucin. Arquitectura y construccin - Designacin grfica de elementos para instalaciones sanitarias. Ingeniera sanitaria - Agua potable - Tubos de acero - Manejo transporte y almacenamiento. Tuberas de acero, fierro fundido y asbesto cemento para conduccin de agua potable - Pruebas en obras

NCh399.Of94

NCh398.Of80 NCh402.Of83

NCh691.Of78 NCh711.Of71

NCh996.Of73

NCh1360.Of84

3

DEFINICIONES

Para una mejor comprensin de cada tema, cada captulo define sus propios conceptos.

4

MATERIALES

4.1

Materiales a usar en redes de agua potable

El siguiente corresponde a un listado de los materiales normalmente utilizados en redes de agua potable: PVC Asbesto Cemento (En estudio su eliminacin) Polietileno de Alta Densidad (HDPE) Acero Comercial Fierro Dctil con unin Tyton

4.2

Especificaciones Tcnicas de Materiales

A continuacin se entregan las especificaciones tcnicas de los materiales utilizados en las redes de agua potable: 4.2.1.- Tubera de PVC 4.2.2.- Tubera de Asbesto Cemento 4.2.3.- Tubera de Polietileno de Alta Densidad (HDPE) 4.2.4.- Tubera de Acero Comercial 4.2.5.- Tubera de Fierro Dctil con unin Tyton

NDICE Captulo 55 DISEO.......................................................................................................................................................5-1 5.1 ANLISIS DE LA RESISTENCIA ANTE ACCIONES EXTERNAS .......................................................................5-1 5.1.1 Cargas sobre la tubera...................................................................................................................5-1 5.1.2 Temperaturas (dilatacin y contraccin) ......................................................................................5-13 5.1.3 Corrosin.......................................................................................................................................5-14 5.2 ESTUDIOS DE MATERIALES .....................................................................................................................5-20 5.2.1 Materiales de tuberas ...................................................................................................................5-20 5.2.2 Campos de Utilizacin de Tuberas segn el Material..................................................................5-25 5.2.3 Anlisis comparativo del comportamiento por tipo de material. ..................................................5-26 5.3 PROPOSICIN DE METODOLOGA PARA LA SELECCIN DE MATERIAL DE TUBERAS DESDE EL PUNTO DE VISTA DE LA CORROSIN .................................................................................................................................5-28 5.3.1 Introduccin ..................................................................................................................................5-28 5.3.2 Corrosin Interna ..........................................................................................................................5-31 5.3.3 Corrosin Externa .........................................................................................................................5-35 5.3.4 Proposicin de Metodologa para la Seleccin de Material de Tuberas desde el punto de vista de la corrosin.................................................................................................................................................5-36 5.3.5 Conclusiones..................................................................................................................................5-46 5.4 DIMENSIONAMIENTO Y DISEO DE REDES DE DISTRIBUCIN DE AGUA POTABLE .................................5-47 5.4.1 Generalidades................................................................................................................................5-47 5.4.2 Solicitaciones de una Red de Distribucin de Agua Potable.........................................................5-47 5.4.3 Tipos de Redes...............................................................................................................................5-48 5.4.4 Dimensionamiento de una Red ......................................................................................................5-50 5.4.5 Calculo de Redes de Distribucin De Agua Potable .....................................................................5-59 5.5 ANCLAJE PARA PIEZAS ESPECIALES ........................................................................................................5-71 5.5.1 Anclajes Tipo Para Piezas Especiales...........................................................................................5-71 5.5.2 Anclajes Especiales Para Piezas Especiales .................................................................................5-71 5.6 RECOMENDACIONES TCNICAS ...............................................................................................................5-83 5.6.1 Bases de Clculo de Consumo.......................................................................................................5-83 5.6.2 Presiones de Servicio.....................................................................................................................5-84 5.6.3 Diseo y dimensionamiento...........................................................................................................5-85 5.6.4 Dimetros mnimos........................................................................................................................5-85 5.6.5 Materiales......................................................................................................................................5-85 5.6.6 Trazado..........................................................................................................................................5-86 5.6.7 Cmaras ........................................................................................................................................5-86 5.6.8 Cuarteles .......................................................................................................................................5-86 5.6.9 Topografa .....................................................................................................................................5-88 5.6.10 Presentacin de proyectos ........................................................................................................5-88 5.6.11 Elaboracin de planos y documentos del proyecto ...................................................................5-89 ANEXO 1 DEL CAPITULO 5

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5

DISEO

5.1

Anlisis de la Resistencia ante Acciones Externas

Para una mejor comprensin en la siguiente figura de la pgina siguiente se muestra un modelo de carcter conceptual de las distintas solicitaciones del tipo mecnicas y fsico-qumicas, como tambin de las propiedades intrnsecas de las tuberas.

5.1.1

Cargas sobre la tubera

Las tuberas de cualquier tipo de material al ser colocadas enterradas, quedan sometidas a esfuerzos derivados del peso del terreno que acta sobre ellas y del eventual trfico vehicular o cargas uniformemente repartidas. La magnitud de las cargas y esfuerzos a que queda sometida una tubera es influenciada por una serie de factores entre los que se destacan: Ancho de la zanja Profundidad de la zanja Dimensiones de la tubera Condiciones del suelo Relleno de la zanja Condiciones de encamado de la tubera Tipo de trfico

5.1.1.1 Tipos de conducto Los conductos se pueden agrupar segn el grado de rigidez. Generalmente se conocen tres clases de tubos. 1) Conductos rgidos, cuyas formas transversales no pueden distorsionarse lo suficiente como para cambiar sus dimensiones verticales en ms de 0,1% sin causar dao. Conducto semirgido, cuyas formas transversales pueden distorsionarse lo suficiente como para cambiar sus dimensiones horizontales o verticales ms de 0,1%, pero no ms de 3,0%, sin causar dao material.

2)

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3)

Conducto flexible, cuyas formas transversales pueden distorsionarse lo suficiente como para cambiar sus dimensiones vertical u horizontal ms de 3,0% antes de causar dao.

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MODELO CONCEPTUAL DE SOLICITACIONES EN UNA TUBERA SOLICITACIONES MECANICASSOLICITACIONES FISICO-QUIMICAS CONSTRUCCION AIREACION CARGAS EXTERNAS TEMPERATURA CORROSION GALVANICA EXTERNA ELECTROLISIS CARACTERISTICAS DEL SUELO AGUAS SUBTERRANEAS HUMEDAD DEL SUELO FILTRACION TIERRA TRANSITO HELADAS VEHICULAR

CARGAS DEBIDAS A LACONSTRUCCION

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d

PRESION

ESPESOR PARED

ESFUERZO DE ARCO TRACCION ESFUERZOS COMPRESION COEFICIENTE SEGURIDAD FLEXION

RESISTENCIA TUBERIA

Se usar los trminos rgidos y flexibles para diferenciar entre las clases (1), por una parte y las clases (2) y (3) por la otra. Un tubo debe ser considerado flexible o rgido no en forma aislada, sino considerando siempre su relacin con el terreno que lo rodea. Para determinar la rigidez relativa de la tubera se aplica el criterio de WOELLMY.

n=

Es r Ep e

3

DONDE:

Es Ep r e

= = = =

mdulo de elasticidad del suelo mdulo de elasticidad del tubo radio medio del tubo espesor de la tubera

Slo si n > 1 el tubo se deformar ms que el relleno y el tubo podrn ser considerado elstico con respecto a aquel. 5.1.1.2 Tipos de zanja La magnitud de la carga de terreno depende de las condiciones de instalacin de la tubera, las que en forma general pueden ser: Zanja angosta Zanja ancho o terrapln

En el caso de zanja ancha se tiene las variantes de proyeccin positiva, proyeccin negativa y zanja imperfecta, de las cuales solamente se estudiar la condicin de zanja ancha, con proyeccin positiva, por ser los otros casos muy especiales y de poca ocurrencia en la prctica. Un tubo est en condicin de zanja angosta si cumple con una de las siguientes relaciones: a) b) B < 2D : 2D < B < 3D : H > 1,5 B H > 3,5 B

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donde: B H D = = = ancho de zanja sobre la clave del tubo altura de zanja sobre la clave dimetro del tubo

Tipos de zanja

B B D H D D H

a) Angosta

b.1) Ancha

b.2) Terrapln

5.1.1.3 Determinacin de las cargas de terreno 5.1.1.3.1 Condicin de zanja angosta La magnitud de la carga est dada por:

We = CtxWxB 2 (1)donde: We W B Ct = = = = carga vertical del relleno (kg/ml) peso especfico del suelo (kg/m3) ancho de la zanja sobre la clave del tubo coeficiente de carga para tubera en condicin de zanja, dada por la siguiente expresin:

We =

1 e 2 k tg ' xH / B ( 2) 2k tg '

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donde: k = coeficiente de empuje activo del terreno dado por RANKINE

k = tg 2 (45 ) (3) 2

' = =

ngulo de friccin entre el relleno y las paredes de la zanja ngulo de friccin interno del relleno

El ngulo ' es igual o menor que por lo que se supone para efecto de clculo que = ' 5.1.1.3.2 Condicin de zanja ancha La magnitud de la carga est dada por: Wew = Ce x W x D2 (4) donde: D = W = Ce = dimetro exterior del tubo (m) peso especfico del relleno (kg/m3) coeficiente de carga para la condicin de zanja ancha, que depende del tipo de suelo; pero fundamentalmente en la razn de proyeccin pj y la razn de asentamiento rs y cambia con la relacin H/D.

La razn pj representa el grado de penetracin del tubo en el suelo. La carga vertical disminuye con un menor valor de pj por encontrarse entonces la tubera con mayor soporte de suelo slido (mayor ngulo de encamado). Tabla para valores de pj

Angulo de Encamado Pj

30 0,98

60 0,93

90 0,85

120 0,75

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Valores de rs La norma ISO recomienda los siguientes valores rs para tubos rgidos:

rs rs rs

= 1 tubos en roca o suelo fundacin. Incomprensible. = 0,5 - 0,8 tubos colocados en suelo de fundacin normal. = 0 - 0,5 tubo colocado en suelo de fundacin blando asentable.

En el caso de tubos elsticos o semi-rgidos pueden tomarse los menores valores detallados en rs en funcin del tipo de suelo de fundacin. Determinacin de la carga de un tubo flexible La determinacin de la carga de un tubo flexible con respecto al relleno en condiciones de Zanja est dada por: Wet = Ct x W x B x D (5) Donde: Ct W B D = = = = factor de carga frmula de zanja angosta peso especfico del suelo (kg/m3) ancho de zanja sobre la clave de la tubera dimetro exterior del tubo

5.1.1.4 Cargas vehiculares La frmula de BOUSSINESQ para la determinacin de las cargas vehiculares est dada por la siguiente expresin: Pvc = pv x D x (kg/ml) (6) donde: pv D = = = factor de carga. dimetro exterior del tubo. factor de impacto 1 + 0,3/H para calles y autopistas. 1 - 0,6/H para cruces de FFCC.

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5.1.1.5 Factor de encamado La resistencia al aplastamiento de la tubera est fijada por las normas y NCh a travs de ensayos normalizados de dos apoyos. La resistencia al aplastamiento de una tubera enterrada es muy superior a su resistencia en condiciones de ensayo de dos apoyos y depende del tipo de encamado realizado. El factor de encamado k es la relacin entre estas dos cargas de aplastamiento.

k=

Wt Wi

(7 )

donde: Wt = Wi = carga de aplastamiento en terreno carga de aplastamiento en laboratorio

5.1.1.6 Coeficiente de seguridad Los coeficientes de seguridad respecto a las cargas de aplastamiento, varan segn el tipo de tubera; se acepta lo siguiente: Tubera a presin Tubera sin presin Luego: F.S. = Carga de ruptura dada por Norma x factor de encamado Carga real : : factor de seguridad 2,5 factor de seguridad 1,3 1,5

Para los casos extremos de tubera de presin sometidas a grandes cargas de aplastamiento deben verificarse stas a los esfuerzos combinados.

5.1.1.7 Tuberas flexibles

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Los criterios de diseo estructural para tuberas enterradas consideradas flexibles, son los del mtodo de WATKINS mediante la frmula de SPANGLER. Un tubo flexible bajo la carga de suelo tiende a deflectarse, desarrollando de esa manera un soporte pasivo del suelo ubicado a los costados del tubo. Al mismo tiempo, la deflexin anular alivia al tubo de la mayor parte de la carga vertical del suelo que es soportada entonces por el suelo envolvente a travs de un mecanismo de accin de arco sobre el tubo. Debido a esta interaccin entre un tubo flexible y el suelo que lo rodea para soportar las cargas externas, las propiedades del suelo son muy importantes. De la misma manera, el encamado es importante en limitar concentraciones de presiones del suelo en los tubos rgidos, la compactacin o densidad es un parmetro importante para limitar las deflexiones anulares de los tubos flexibles.

1)

Carga Total Para el clculo de la carga total (Wf) se utiliza la frmula: Wf = (We + Pvc) donde: We = Pvc = est definido en la ecuacin (5) est definido en la ecuacin (6) (8)

Las cargas vivas (Pvc) tienen influencia hasta 1,50 mts. en calles y autopistas y es pequea a mayores profundidades. Si la carga viva es de tipo impacto puede llegar a ser el doble de la carga esttica. A profundidades extremadamente pequeas, un tubo flexible puede deflectarse y rebotar bajo cargas dinmicas lo que puede ocasionar roturas en la superficie del camino.

2)

Clculo de deflexiones Para el clculo de deflexiones se utiliza la frmula de SPLANGER, modificada por WATKINS,

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s x =

KR 3 ( DiWe + Pvc) (9) EI + 0,061E ' R 3

donde

x =K Wf R I = = = =

flexin horizontal en tubo flexible. factor encamado, dependiente del ngulo de apoyo. carga total (8) (kg/cm). radio del tubo (cm). momento de inercia de la pared del tubo por unidad de longitud (cm3) (

e3 ). 12

E E Di

= = =

mdulo de elasticidad. mdulo de reaccin del suelo. factor de deformacin diferida (1,25-1,50)

3)

La deflexin x

Hablando estrictamente, x es la deflexin horizontal del tubo, pero dentro del rango de utilizacin de experiencia ha demostrado que puede considerarse como la deflexin vertical. La deflexin permitida por un tubo de acero o de hierro dctil revestido con mortero es del orden de un 2% en tanto que, un tubo de acero o de hierro dctil revestido en esmalte de alquitrn est dentro de un rango de 3-5%.

4)

Factor de deformacin diferida

El aumento gradual de la deflexin es una accin que se asemeja algo al asentamiento de las cimentaciones y la consolidacin de los suelos a lo largo del tiempo. El aumento se hace, sin embargo, cada vez ms lento y con los aos se alcanza una estabilidad virtual. El factor Di relaciona la deflexin inicial con la deflexin final. Los valores observados por SPANGLER vara de 1,38 a 1,46. Se sugiere un valor de diseo de 1,25 a 1,50. Algunos autores no aplican este factor a la deflexin causada por la carga viva.

5)

Factor de encamado k

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El factor de encamado vara con el ngulo de encamado segn la siguiente tabla:

TABLA G.1 (Norma AWWA C-900) Angulo de encamado 0 30 45 60 90 120 180 K 0,110 0,108 0,105 0,102 0,096 0,090 0,083

6)

Mdulo de reaccin del suelo (E)

Los valores de E tienen mucha importancia para una adecuado diseo. Se puede apreciar en la Tabla 3.1, la gran importancia del tipo de suelo y de la compactacin que se de al encamado y el material que rodea al tubo flexible, en esos valores.

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TABLA 3.1 - Valores promedio de E Tipos de suelo, material de encamado del tubo. Suelo de grano fino (LL 50) suelo c/mediana a alta plasticidad. CH, MH, CH-MH Suelo de grano fino (LL 50) suelos plasticidad medio o sin plasticidad. CL, ML, ML-CL, con menos de 25% de partculas de grano grueso. Suelo de grano fino (LL 50) suelos con plasticidad GL. ML, ML-CL con ms de 25% de partcula de grano grueso. Suelo de grano grueso con fino, GM, GC, SM, SC contiene ms de 12% finos. Suelo de grano grueso con poco o sin finos GW, GP, SW, SP contiene menos de 12% finos Chancado (#) precisin en trminos de deflexin E para grado de compactacin del encamado en kg/cm2 Vaciado Ligera Moderada 85% Alta 95% Suelto 85% proctor 85% Proctor Proctor (1 y 2) (1 y 2) (1 y 2) (1 y 2)

Sin datos disponibles. Recomendable E = 0

3,5

14

28

70

7,0

28

70

140

14 70

70 210

140 210

210 210

+2

+2

+1

+ 0,5

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#

Para + 1 % de precisin y una deflexin calculada de 3% la deflexin verdadera estar entre 2% y 4%. Para disminuir esta imprecisin la Norma AWWA recomienda tomar un valor de E de la Tabla x 0.75

NOTAS: 1.2.Si el encamado cae en el lmite entre dos categoras de compactacin debe elegirse el menor valor de E o bien un promedio entre los valores. Porcentaje de proctor determinado segn ASTM D-698 o AASHTO 99.

5.1.2

Temperaturas (dilatacin y contraccin)

En general los materiales con uniones del tipo semi - flexibles o flexibles no tienen problemas en cuanto a deformaciones longitudinales por temperatura diferencial; por ejemplo cemento asbesto, uniones super simplex o gibault; fundicin dctil, uniones junta automtica o junta mecnica, y acero junta alvenius, dresser y W. Jonhson, todas estas uniones permiten absorber las dilataciones en longitudes estndares de 6 m por tubo aproximado. Solamente podr producirse problemas en el uso de caeras de acero soldadas de tope y en el uso de caeras de acero y fundicin dctil, cuando la unin sea brida; en otras palabras, cuando se use caeras metlicas con unin rgida. En este caso se deber proceder al clculo e instalacin de junta de dilatacin apropiadas. En resumen, el clculo de las juntas de dilatacin o construccin de la tubera por diferencial de temperatura ser necesario efectuarlo cuando el diseo, dada las condiciones generales de proyecto, obligue al uso de caeras metlicas con unin rgida. El clculo en el caso de tuberas metlicas con unin rgida deber efectuarse para la temperatura diferencial mxima que pueda producirse. En el caso de acoples flexibles indicados ms arriba, deber verificarse la capacidad de absorcin de esta dilatacin de cada uno de ellos, de acuerdo a la diferencial de temperatura.

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5.1.3

Corrosin

5.1.3.1 Corrosin en Tuberas Metlicas Fundamentos tericos de corrosinEN EL CASO DE TUBERAS METLICAS SE EXPONDR LA TEORA ELECTROQUMICA, COMO FENMENO UNIVERSALMENTE ACEPTADO PARA EXPLICAR EL PROCESO CORROSIVO. EN CAMBIO, EN LAS TUBERAS NO METLICAS, SE DEBER ANALIZAR PROCESOS BSICAMENTE QUMICOS PARA DESCRIBIR LOS FENMENOS CORROSIVOS.

5.1.3.1.1

Teora Electroqumica

Est hoy universalmente aceptada la teora electroqumica como explicacin satisfactoria de las reacciones bsicas responsables de la corrosin de los metales ferrosos y no ferrosos. Debido a la complejidad de dicha teora se explicar en la forma ms simple utilizando para ello el mecanismo de corrosin del fierro. El mecanismo bsico de la corrosin puede ser asimilado al funcionamiento de una celda o pila que cumpla con las siguientes condiciones. a) b) c) Es necesario la presencia de un nodo y de un ctodo. Es necesario que exista un camino metlico que conecte elctricamente el nodo y el ctodo (este camino est constituido por la caera) El nodo y el ctodo deben estar sumergidos en un electrolito ionizable conductor de la electricidad.

En nuestro caso, la humedad natural del suelo o el agua conducida por la tubera cumple con dicha condicin, es decir, la molcula del agua (H2O) puede separarse en iones hidrgenos con carga positiva (H+) e iones hidrxilos (OH-), a travs de la siguiente reaccin de disociacin. H2O H+ + OH(1)

UNA VEZ QUE SE CUMPLAN LAS CONDICIONES SEALADAS, SE PRODUCIR UN FLUJO DE CORRIENTE ELCTRICA Y HABR CONSUMO DE METAL EN EL NODO.

Todos los metales en contacto con el agua tienen una tensin especfica de solucin, es decir cierta capacidad de entrar en solucin, cuando se realiza esta reaccin, el Pgina 5-14 de 92

metal que se ha disuelto en agua est en forma de iones. As cada tomo de hierro Fe en disolucin, forma en el nodo un ion Fe++ cargado positivamente cediendo 2 elementos cargados negativamente a travs de la reaccin.

Fe

Fe++ + 2e-

(2)

Estos electrones, debido a la diferencia de potencial existente entre el nodo y el ctodo, fluyen a travs de la conexin metlica existente entre ellos, desde el nodo hacia el ctodo.

Esto hace que el nodo se desprendan tomos de hierro cargados positivamente (Fe++), que son atrados por los iones hidrxilos (OH-) cargados negativamente, presente en la cercana para formar normalmente un hidrxido ferroso (Fe(OH)2) a travs de la ecuacin. 2OH- + Fe++ Fe (OH)2 (3)

Este hidrxido ferroso, que es relativamente insoluble, puede depositarse en las superficies metlicas en forma de pelcula permeable. En presencia de oxgeno, el hierro que ha entrado en solucin para formar iones ferrosos con el agua en contacto con el metal, es rpidamente oxidado formando un compuesto de hidrxido frrico (Fe(OH)3), que no es otra cosa que el xido de color pardo caracterstico que se llama herrumbre. Es decir, los iones ferrosos producidos en el nodo (reaccin primaria), presencia de iones hidrxilos, originan la formacin de hidrxido ferroso (reaccin secundaria), el cual en presencia de oxgeno puede transformarse total o parcialmente en hidrxido frrico (reaccin secundaria).5.1.3.1.2 POLARIZACIN Y EFECTOS DESPOLARIZANTES

Las pelculas de polarizacin son un factor importante en el control de la intensidad de la corriente. En cierto sentido, la pelcula de hidrgeno que se forma en la superficie del ctodo constituye una resistencia intercalada en el circuito reduciendo la intensidad de corriente.

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En realidad, el asunto no es tan sencillo, aunque el efecto es similar. Cuando esta pelcula se desarrolla sobre el ctodo, se introduce una cada de voltaje y el potencial de esa polarizacin queda en oposicin con el potencial de la celda causante de la corriente de corrosin. En condiciones ideales, habra posibilidades de que el potencial de polarizacin se acerque bastante al valor del potencial de la celda de corrosin. Ello significa que el potencial neto disponible para generar la corriente tendera a una pequea fraccin del voltaje original de la celda existente antes que se produjera la polarizacin. De esta manera la intensidad de la corriente y la cantidad de metal perdido, se reducen a un a cada de voltaje y el potencial de esa polarizacin queda en oposicin con el potencial de la celda causante de la corriente de corrosin. En condiciones ideales, habra posibilidades de que el potencial de polarizacin de acerque bastante al valor del potencial de celda de corrosin. Ello significa que el potencial neto disponible para generar la corriente tendera a una pequea fraccin del voltaje original de la celda existente antes que se produjera la polarizacin. De esta manera la intensidad de la corriente y la cantidad de metal perdido, se reducen a un valor bastante bajo, tal como sucedera si se intercalara en el circuito planteado otro material con una resistencia hmica alta. Apoyados en lo que se ha dicho hasta el momento, podra decirse que las pelculas de polarizacin hacen reducir la intensidad de la corriente de la corrosin a un mnimo insignificante. Sin embargo, como anteriormente se dijo, frecuentemente tienen lugar efectos despolarizantes que tienden a remover la pelcula polarizante de hidrgeno. Entre ellos pueden mencionarse los siguientes: Efectos mecnicos, tal como el que tiene su origen en la velocidad del agua en una tubera comparable al que ejercera una escobilla. As, con bajas velocidades el efecto podra ser mnimo, mientras que con velocidades altas, la remocin podra ser total. Oxgeno disuelto en el electrlito, caso que podra presentarse en la superficie de una tubera instalados en un suelo bien aireado o el oxgeno disuelto en el agua a conducir. El oxgeno disuelto se combina con el hidrgeno de polarizacin, formando agua, removiendo la pelcula y continuando la corrosin. Pgina 5-16 de 92

-

-

Presencia de bacterias reductoras de sulfatos que tienen lugar en condiciones bien adecuadas y cuyo efecto es el de remover el hidrgeno.

En todo caso cualquiera que sea el mecanismo despolarizante, ste permitir que la celda de corrosin permanezca activa en un grado de actividad que ser funcin de la tasa de remocin del hidrgeno. Los factores principales de corrosin en las tuberas metlicas de conduccin de agua potable, estn continuamente sujetos a diferentes formas de acciones corrosivas, basadas principalmente en factores de tipo electroqumico. Existe un gran nmero de factores que influyen en la corrosin de una tubera metlica, asociados ya sea a la tubera propiamente tal, al medio exterior (suelo) o al medio interior (agua). Estos efectos se podran definir como los siguientes: a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) Accin galvnica Corrientes vagabundas Accin microbiolgica Humedad y composicin qumica del suelo Tensiones Pelculas protectoras Cavitacin Oxgeno disuelto Composicin qumica del agua Velocidad del flujo

5.1.3.2 Corrosin en tuberas no metlicas Como se ver a continuacin, la resistencia de los tubos de cemento y asbesto cemento, dependen fundamentalmente de su afinidad qumica con el medio, tanto interior como exterior. Como fue planteado anteriormente, todo proceso corrosivo resulta esencialmente de una reaccin qumica o electroqumica entre el material y su medio circundante. En las reacciones qumicas se produce un simple intercambio de iones, en tanto que el proceso electroqumico queda caracterizado por la formacin de celdas

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galvnicas compuestas de un ctodo y un nodo, entre los cuales a travs de un electrolito, circular una corriente de corrosin. Este par galvnico, obviamente generar una mayor o menor accin corrosiva, dependiendo de la conductividad del material, es decir, de la capacidad que tenga de transportar corriente elctrica. Sin embargo, si se copara la conductividad elctrica del acero (2,2 x 106 mho/h) con la del cemento asbesto (0,7 mho/m) se observa que este ltimo posee una capacidad prcticamente nula para conducir corriente elctrica, por lo que se deduce que su comportamiento corrosivo slo lo podemos encontrar al analizar fenmenos netamente qumicos. Adems, debido a que los compuestos de calcio son mucho ms vulnerables que los compuestos de magnesio, el estudio de la corrosin se reduce an ms, bastando el anlisis de los elementos que sean agresivos al cemento, ya que cualquier compuesto susceptible de atacar el asbesto, ataca primeramente al cemento constituyente. Reacciones qumicas principales Siendo el cemento el material que produce la vulnerabilidad del cemento asbesto, es necesario conocer las reacciones y compuestos principales que se presentan en las etapas de fraguado y endurecimiento. Al respecto se tiene: 1) 2 (3CaOSiO2) + 6H2OSILICATO TRICLCICO DE CALCIO

3CaO2SiO23H20

+ 3Ca (OH)2HIDRXIDO

DISILICATO TRICLCICO

(C3S) 2) 2 (2CaOSiO2 ) + 4H2O

hidrato (tobermorita) 3CaO2SiO23H2O

(cal apagada) + Ca (OH)2

Silicato diclcico 3) Ca(OH)2 Cal + CO2

Tobermorita CaCO3

Cal + H2O

Anhdrico Carbonato de Calcio Carbnico (presente en agua o en el aire de curado)

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4)

CaOAl2O3 + Aluminato Triclcico (C3A)

3CaSO4 + 31H2O Sulfato de Calcio (Yeso)

3CaOAl2O3 3CaSO431H2O Ettringita

Algunos de estos compuestos se forman de inmediato en la primera etapa de fraguado y otros se van formando a medida que transcurre el largo perodo de endurecimiento. Por lo dicho anteriormente, los tubos de cemento asbesto pueden ser atacados qumicamente tanto desde el interior por el lquido que se portea, como desde el exterior por el suelo hmedo, pudiendo ser el primero ms peligroso, por cuanto adems de acortar la vida til puede llegar a modificar la calidad del agua conducida. El hecho que la dureza de la superficie interior o exterior disminuya, permite muchas veces constatar la corrosin del tubo de asbesto-cemento. Esta prdida de dureza es el resultado de la accin qumica sobre los componentes del cemento que contienen calcio. Estos compuestos, transformados por la accin qumica dejan de pertenecer a la composicin del cemento-asbesto, quedando solamente la base flexible de las fibras de asbesto. Lo interesante es analizar lo que pasa con los productos resultantes de la accin corrosiva. Si dichos productos son insolubles, ellos llenarn los vacos que quedaron como consecuencia del ataque. En cambio, si son solubles, ellos sern arrastrados y el lquido agresivo penetrar en los vacos antes sealados. Sin embargo, al contrario de lo que se pudiera pensar, estos productos, resultantes de las reacciones qumicas, no hacen que el proceso corrosivo se desarrolle linealmente. Es decir, la velocidad de las acciones qumicas que se desarrollan a nivel de la pared del tubo, ya sea del interior o exterior de l, no es una funcin que crezca con el tiempo, sino ms bien decreciente. Esto se origina debido a que, a medida que la corrosin del cemento progreso, las capas de las fibras de asbesto descubiertas comienzan a formar un fieltro muy fino con los mismos productos de la corrosin creciendo en espesor y protegiendo las capas internas del material an intactas, oponindose as, al avance del fenmeno. Esta autoproteccin de los tubos de cemento asbesto contra la corrosin, que se ha constatado en ensayos tanto en laboratorio como en terreno, es una caracterstica muy

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importante de este material. Se supone que la corrosin decrece progresiva hasta que una situacin de equilibrio es alcanzada al cabo de un corto tiempo. En todo caso la literatura especializada no da ninguna respuesta definitiva al respecto. En algunos casos se ha observado el citado equilibrio la disminucin de la corrosin, mientras que en otros casos no se ha podido aportar prueba alguna. Al parecer el fenmeno depende probablemente del tipo de elemento agresivo de que se trate. Otra caracterstica muy importante es la impermeabilidad del material por cuanto impide la penetracin de sustancias agresivas bajo la superficie y el ataque actuara solamente en la superficie y no a travs de ella.

5.2

Estudios de Materiales

5.2.1

Materiales de tuberas

5.2.1.1 Caeras de asbesto cemento Su fabricacin se encuentra normalizada por norma INN Nch 191; los dimetros comerciales son: Dimetros (mm) 50-75-100-125-150-175-200-250-300-350-400-450-500-600-700-800-900-1000 Se fabrican en tres tipos o clases segn sea la presin de prueba a que se sometan. As, tenemos las siguientes clases:

Clase AU-10 (baja presin) AV-15 (media presin) AW-20 (alta presin)

Presin de Trabajo (kg/cm2) 5 7.5 10

Presin de Prueba (kg/cm2) 10 15 20

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Los largos comerciales de las caeras de asbesto cemento son de 4 y 5 metros. 5.2.1.2 Caeras de acero. Su utilizacin ms general es en tuberas de gran dimetro lo que la hace poco utilizada redes de distribucin; debido a que soportan grandes presiones en comparacin con otros materiales. La fabricacin de este tipo de caera est normalizada por Normas NCh 303 o NCh 705. Tiene el inconveniente que debido a su gran facilidad de corrosin sea preciso protegerlo interior y exteriormente.

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5.2.1.3 Caeras de P.V.C. (Cloruro de Vinilo) Su fabricacin en nuestro pas se efecta segn norma INN NCh 399. Se fabrican en tres tipos o clases segn sea la presin de trabajo. As, tenemos las siguientes clases: Clase 4 6 10 Presin de Trabajo (kg/cm2) 4 6 10

5.2.1.3.1

Caractersticas Mecnicas de las tuberas de PVC

Las caractersticas de estas tuberas, similares a las restantes de material plstico, pueden resumirse en los siguientes puntos: Son ligeras. El peso especfico 1.4 g/cm3 Inertes a las aguas agresivas y a la corrosin de las No existe peligro de obstruccin en los tubos, como resultado de la formacin de residuos y xidos. En consecuencia, podemos decir que la seccin tal de los tubos permanece prcticamente invariable. La superficie interior "hidrulicamente lisa". de los tubos puede considerarse como

-

-

Los roedores y las termitas no atacan a los tubos de PVC rgido. Excelente comportamiento a las sobrepresiones momentneas, tales como el golpe de ariete. Mejor comportamiento que los tubos tradicionales bajo los efectos de la helada. Inertes a los efectos de las corrientes vagabundas .

-

-

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-

No favorecen el desarrollo de algas ni hongos, segn ensayos de larga duracin (5 aos).

5.2.1.3.2

Caractersticas mecnicas de los tubos de PVC en funcin de la temperatura

Estas caractersticas se ven adems fuertemente afectadas por la temperatura. As resulta que la tensin de rotura en traccin, para una duracin aproximada de 1 minuto, es del siguiente orden: Error! Marcador no definido.C 20 30 40 50 60 kg/cm2

500 440 370 300 230

La resistencia a 50C se reduce al 60% , y a 60C no llega al 50% de la resistencia mecnica. Bien entendido que estos valores dependen de la forma de la probeta y de la velocidad de traccin. En compresin se llega a iguales valores y para esfuerzo cortantes se mantienen tambin las proporciones, si bien en valor absoluto los esfuerzos son del orden de los 4/5 de la traccin o compresin. El mdulo de elasticidad, que es el del orden de 30.000 kg/cm2 a 20C, disminuye rpidamente a partir de los 80C. De todos modos, este valor mximo de 30.000 kg cm2, es demasiado pequeo para que puedan realizarse canalizaciones suspendidas, que deban soportar esfuerzos importantes de flexin. 5.2.1.3.3 Fluencia del PVC

La mayor parte de las propiedades mecnicas del PVC dependen adems de la duracin del esfuerzo. En una primera aproximacin puede decirse que, en traccin, por ejemplo, el PVC pierde un 14% de su resistencia a la rotura, cuando la duracin del esfuerzo es multiplicado por 10.

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Esta ley aproximada puede escribirse:

R = R 1 x t -0.66en la cual: R R1 t = = = es la resistencia a la rotura en un ensayo durante t minutos, es la resistencia a la rotura en un ensayo durante 1 minuto. tiempo en minutos

Se encuentra as, que la resistencia a la rotura en un minuto de duracin debe multiplicarse por 0.37 para un esfuerzo aplicado durante 20 aos. As como para los metales la previsin de las deformaciones en funcin de los esfuerzos a que estn solicitados es un problema relativamente fcil, el comportamiento "elastoplstico" del PVC hace este problema sumamente complejo, ya que el mdulo de elasticidad, para una temperatura dada, vara con las tensiones a que se somete y con las deformaciones que de ellas resultan. Puede admitirse, sin embargo, que por debajo de 200 kg cm2, no hay deformacin permanente. Este valor de 200 kg/cm2 se define como lmite de solidez del PVC. Se llama coeficiente de seguridad a la relacin: Lmite de solidez Tensin lmite5.2.1.3.4 DILATACIN

Los tubos de PVC presentan un coeficiente de dilatacin lineal aproximadamente siete veces mayor que el del hierro. Su valor es de 0,06 a 0,08 mm/C m. Un tendido de 200 metros, realizado a pleno sol en verano, puede durante la noche experimentar una bajada de temperatura de 20C, y sufrir una contraccin de 24 a 32 cm. Si en aquellas condiciones de elevada temperatura se enlaza rgidamente a los elementos fijos de la canalizacin, vlvulas o ts, por ejemplo, el tubo sufrir fuertes esfuerzos de traccin, que conviene evitar. Por esta otra razn es aconsejable hacer el tendido de los tubos un poco ondulado, no cubrir las zanjas con fuertes calores, as como utilizar uniones con junta elstica que absorban dichos esfuerzos.

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Caractersticas hidrulicas El coeficiente n de las frmulas de KUTTER y MANNING, se establece en:Superficie Interna Condiciones de la tubera Optimas PVC 0,008 Buenas 0,009 Aceptables 0,010 Malas 0,012

5.2.2

Campos de Utilizacin de Tuberas segn el Material

Una conduccin debe proyectarse para que transporte un determinado caudal con el mnimo costo posible, compatible con un coeficiente de seguridad adecuado. Entendindose por mnimo coste posible no slo el costo de primera inversin, sino tambin los costes de mantenimiento y explotacin durante su perodo de vida til. El dimetro de la conduccin es uno de los factores que influyen ms claramente en la eleccin del tipo de material a utilizar. Producindose una seleccin natural inicial que hace que no se fabriquen determinados dimetros de tuberas en ciertos materiales por razones fundamentalmente econmica, que tcnicamente, haciendo abstraccin del costo, si resultara factible su fabricacin. As, no se plantea la utilizacin de tubera de hormign armado con camisa de chapa en una conduccin de 100 mm ni de tubera de PVC de 1.500 mm; aunque resultara factible la fabricacin de ambas tuberas. Teniendo ello en cuenta, en la figura siguiente se representan los campos de utilizacin de tuberas de distintos materiales teniendo en cuenta los aspectos tcnicos y econmicos.

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5.2.3

Anlisis comparativo del comportamiento por tipo de material.

5.2.3.1 Caeras metlicas

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POR REGLA GENERAL LAS TUBERAS METLICAS (ACERO, HIERRO DCTIL), PRESENTAN MEJORES CARACTERSTICAS QUE LAS TUBERAS NO METLICAS ANTE LAS SIGUIENTES SOLICITAMOS:

a)

Presiones internas: Las tuberas metlicas con espesores de paredes no exageradas (12 a 16 mm), pueden alcanzar resistencias de 40 a 60 bar. en forma normal. No tiene limitaciones de resistencia a solicitaciones de presin, sino aquella que est determinada por el factor econmico (espesores desmesurados).

b)

Solicitaciones externas de carga, impacto y flexin: Dada la elasticidad del material, no sufre roturas por solicitaciones de carga externa y excepcionalmente deformaciones permanentes.

5.2.3.2 Caeras no metlicas Las caeras no metlicas presentan como inconvenientes, su fragilidad ante esfuerzos externos, resistencia limitada ante presiones internas y una casi nula resistencia a la flexin, sin embargo tienen una caracterstica importante en el transporte de fluido y utilizacin en terrenos agresivos y es su gran resistencia ante el ataque de agentes qumicos externos.

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5.3

Proposicin de Metodologa para la Seleccin de Material de Tuberas desde el punto de Vista de la Corrosin

5.3.1

Introduccin

Entre los factores ambientales que tienen una incidencia importante en la calidad y vida til de una red de agua potable, este consultor piensa que tanto el suelo como los fluidos transportados son los mas importantes. El principal resultado de la accin de estos agentes es la corrosin. En este captulo se propone una metodologa sencilla de aplicar que considera los fenmenos de corrosin externa e interna, a travs de la evaluacin de parmetros que caracterizan el agua, el suelo y el material de la tubera. Los parmetros necesarios para usar esta metodologa son sencillos y de uso comn en la prctica de la Ingeniera. Se estima que la corrosin tiene un costo importante en la economa mundial. Estudios internacionales indican que dicho costo asciende a valores que oscilan entre un 2,5% a un 5% del PGB, como costos generales de los distintos sectores, correspondindole aproximadamente un 11% al sector gubernamental donde se ubican, en general, los sistemas de agua potable. En EE.UU se ha estimado que la corrosin tiene un costo para la industria del suministro del agua de US$ 700 millones al ao. En la industria del suministro de agua, a los problemas de costo se agregan los potenciales riesgos a la salud que la corrosin implica. En los costos, hay que considerar adems de la inversin, los relativos a prdida de agua (fugas), aumento de rugosidad, seguridad, etc. Con respecto a la salud en el agua potable se pueden encontrar, como productos de corrosin, metales txicos como plomo o cadmio; metales como cobre, hierro y cinc que producen manchas en los artefactos sanitarios y/o sabores metlicos o ambos efectos En tabla N 1 se entregan antecedentes sobre los contaminantes potenciales asociados a los materiales usados en distribucin de agua.

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Los productos de la corrosin en los sistemas de distribucin pueden tambin proteger bacterias, levaduras y otros microorganismos, incentivar su crecimientos y promover la generacin de olores, sabores y sedimentos. Estos organismos pueden llegar a causar corrosin por si mismos. En corrosin se deben distinguir las interacciones que se producen entre el material del tubo, tanto con el fluido transportado como con el suelo por el cual se desarrolla el trazado. Se identifican as los ataques internos (por efecto del lquido porteado) y los externos (suelo), que actan cobre la lnea de conduccin. Tambin habra que distinguir el ataque sobre los metales, corrosin, de aquel que ocurre sobre el hormign, que ms propiamente debiera denominarse degradacin. Para efectos de este estndar, el uso tcnico del trmino corrosin incluye los dos casos.

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TABLA N 1 PROPIEDADES CORROSIVAS DE LOS MATERIALES FRECUENTEMENTE USADOS EN LOS SISTEMAS DE DISTRIBUCION DE AGUAS MATERIAL de DISTRIBUCION Cobre RESISTENCIA A LA CORROSION Buena resistencia general a la corrosin; sujeto a ataques corrosivos por altas velocidades aguas blandas, cloro oxgeno disuelto, y bajo pH.. CONTAMINANTES POTENCIALES ASOCIADOS Cobre y posiblemente hierro zinc, estao, arsnico, cadmio y plomo proveniente de las tuberas de plomo y de las soldaduras

Plomo Acero Blando

Se corroe en aguas blandas Plomo (puede estar muy por encima con bajo pH del MCL*) arsnico y cadmio. Sujeto a corrosin uniforme; Hierro, que resulta en turbiedad y en afectado principalmente por reclamos por aguas rojas. niveles altos de oxgeno disuelto

Hierro fundido dctil Puede estar sujeto a erosin Hierro, que resulta en turbiedad y en (sin revestir) superficial por aguas agresivas reclamos por aguas rojas Hierro Galvanizado Sujeto a corrosin galvnica del zinc por aguas agresivas; la corrosin se acelera por contacto con materiales de cobre; la corrosin se acelera altas temperaturas como el caso los calentadores Zinc y hierro; cadmio y plomo (las impurezas en el proceso de galvanizado pueden exceder las normas).

Asbesto Cemento

Buena resistencia a la Fibras de asbesto. corrosin inmune a la electrlisis; las aguas agresivas pueden disolver el calcio del cemento. Resistente a la corrosin

PlsticoFuente : MCL :

Environmental Science and Engineering, Inc. 1981. Niveles mximos de contaminacin

Corrosin es el deterioro de una sustancia o de sus propiedades debido a reacciones con su ambiente. En la industria del agua la sustancia que se deteriora puede ser una tubera metlica, el cemento de recubrimiento de la tubera metlica, la tubera de asbesto-cemento, etc.

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En corrosin interna el ambiente es el agua. La tendencia corrosiva de un agua depender de sus caractersticas fsicas, qumicas v bacteriolgicas. Tambin es importante la naturaleza del material con el cual el agua entra en contacto. Para el caso de corrosin externa, el medio es el suelo y su efecto sobre la caera depende de sus caractersticas fsicas, qumicas y microbiolgicas. Influye tambin la composicin qumica, la resistividad elctrica, la presencia de napa subterrnea y su configuracin geolgica. Se ve que el problema es interdisciplinario, requiriendo la participacin de distintos especialistas, como ser Ingenieros, Qumicos, Bilogos, Metalurgistas, Elctricos, etc. El problema de corrosin se debe abordar en dos etapas diferentes, en la fase de diseo y durante operacin de sistemas existentes.

5.3.2

Corrosin Interna

En el interior de las tuberas, los fenmenos de corrosin y deterioro son controlados por la calidad del agua, las condiciones de trabajo de la conduccin, contenido de oxgeno disuelto, la naturaleza de los materiales en contacto con el agua, etc. En la Tabla N 2 se indica en forma resumida, el efecto que tienen en corrosin de tuberas, los distintos parmetros de calidad de aguas.

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TABLA N 2 FACTORES QUIMICOS DE CALIDAD DE AGUA QUE INFLUYEN EN LA CORROSION Y EN EL CONTROL DE LA CORROSION FACTORPH

EFECTO Bajo pH puede incrementar la corrosin, alto pH puede proteger las tuberas y disminuir las tasas de corrosin Puede ayudar a formar revestimientos protectores de CaCO3, ayuda a controlar los cambios de pH, reduce corrosin. Incrementa las tasas de muchas reacciones de corrosin Incrementa la corrosin metlica Altos contenidos incrementan la conducti-vidad y las tasas de corrosin. El Calcio se precipita como CaCO3 y esto provee proteccin y reduce las tasas de corrosin. Altos niveles aumentan la corrosin del hierro, el cobre y el acero galvanizado Aumenta las tasas de corrosin Pueden formar pelculas protectoras Puede disminuir la corrosin Puede reaccionar con compuestos en el interior de la tubera de asbesto-cemento para formar un revestimiento protector.

Alcalinidad

Oxgeno Disuelto Cloro residual Slidos disueltos totales

Dureza (Ca y Mg)

Cloruro, Sulfato Sulfuro de Hidrgeno Silicatos, Sulfatos Color natural, materia orgnica Hierro, zinc, o manganeso.

Se considera que los tubos que transportan agua estarn protegidos, internamente, cuando se precipita CaCO3 en su superficie. Se cree que el CaCO3 inhibe la corrosin obstruyendo reas reactivas y proporcionando una matriz que retiene los productos de corrosin sellando as la superficie. Hay muchos ndices considerados tiles para predecir la tendencia a formar incrustaciones o disolver CaCO3: Indice de Langelier, Indice de agresividad de la AWWA, Indice de Ryznar, Indice de Fuerza Motriz (DFI) e Indice CCPP (Precipitacin Potencial de Carbonato de Calcio). Pgina 5-32 de 92

Hay dos categoras de ndices: aquellos que estiman la cantidad de CaCO3 que puede precipitarse o disolverse, y aquellos que determinan la tendencia del agua a precipitar o disolver CaCO3. Desafortunadamente no hay un ndice nico que, satisfactoriamente, prediga el comportamiento del CaCO3 o sus efectos bajo todas las condiciones. En la Tabla N 3, se indican los ndices de uso ms frecuente. TABLA N 3 SUMARIO DE LOS INDICE DE CORROSION IError! Marcador no definido.NDICE PARAMETROS Alcalinidad CaCO3 total mg/L como

ECUACION

Indice de Saturacin de Langelier LSI = pH pHs (LSI).

Calcio, mg/L como CaCO3 Dureza, mg/L como CaCO3 Slidos totales disueltos mg/L. pH en el sitio. Temperatura en el sitio. Indice de Agresividad (AI) (Para AI=pH + Log(A)(H) uso con asbesto-cemento) Alcalinidad total, mg/L como CaCO3 Dureza mg/L como CaCO3PH EN EL SITIO

Indice de Estabilidad de Ryznar RSI = 2pHs-pH (RSI).

Salinidad CaC03

total,

mg/L

como

Calcio, mg/L como CaCO3 Dureza, mg/L como CaCO3 Total slidos disueltos mg/L pH en el sitio. Temperatura en el sitio. En cuanto a las condiciones de trabajo, se puede decir que la velocidad de flujo del agua al igual que la temperatura, tambin pueden influir en la corrosin. Velocidades altas dispersan los precipitados impidiendo o destruyendo eventuales pelculas protectoras. Velocidades bajas tambin contribuyen a la corrosiones especial los flujos estancados, por crecimientos biolgicos. Pgina 5-33 de 92

Los efectos de la temperatura en la corrosin son complejos, destacndose tres efectos bsicos: variacin en las tasas de corrosin, influencia en disolucin del CaCO3 y cambios en la naturaleza de la corrosin. Desde el punto de vista biolgico los microorganismos ms comunes asociados a este problema son las bacterias fierro-oxidantes y sulfato-reductoras, en muchos casos stas constituyen un factor importantsimo porque se encuentran en reas de flujo lento o en terminales de red, en las cuales no se puede mantener un residual de cloro. Cada tipo de material experimenta un fenmeno diferente.

5.3.2.1 Caeras Metlicas Ferrosas Los principales fenmenos causantes de la corrosin acuosa en tuberas compuestas de hierro, son del tipo electroqumico. Se produce una ionizacin andica (oxidacin), en la cual el metal pierde electrones y se convierte en un in positivo que pasa a la solucin (electrlito). En el ataque del hierro por un agua desgasificada, el principal factor de intensidad inicial es el pH. Cuanto ms bajo es el pH, ms rpido e importante ser el ataque. En medios aireados, se produce una reaccin de oxidacin del hierro. Las aguas poco mineralizadas, oxigenadas y carbnicas disuelven el hierro en forma de bicarbonato ferroso. Segn las condiciones, puede precipitar carbonato ferroso, hidrxido ferroso e hidrxido frrico. Algunos productos pueden moderar o detener la corrosin del hierro, formando una capa protectora sobre el metal. El ms importante es el bicarbonato clcico, el cual puede precipitarse desde el agua al desaparecer el CO2 libre equilibrante que lo mantena en solucin. Se aprecia aqu la importancia del CO2 libre en el agua en el proceso de corrosin. En la prctica, los parmetros cuantificables de calidad de aguas ms importantes a considerar son conductividad, dureza, cloruros. sulfatos y la relacin cloruro/bicarbonato.

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5.3.2.2 Caeras de Cemento En las caeras de cemento, cemento-asbesto, o recubiertas con cemento, se puede producir un fenmeno de corrosin por ataque y disolucin de alguno de los componentes del cemento, producto de la "agresividad" del agua a dichos compuestos, principalmente por efecto del CO2 libre sobre la cal. Los componentes del cemento son, sin excepcin solubles en cidos. Por ello, no puede esperarse que sean estables en presencia de cidos orgnicos o inorgnicos. En presencia de determinadas soluciones salinas, por intercambio entre los iones de las sales y la cal y almina del cemento, se originan recristalizaciones con aumento de volumen, que pueden degradar el cemento. Hasta las aguas muy blandas pueden llegar a disolver los compuestos calcreos de los cementos permeables, aunque los perjuicios que este hecho origina son de poca importancia. Finalmente, los agregados inertes pueden contener componentes solubles en cidos, como ser calcreos, diabasas, basalto, etc., los que pueden contribuir a los daos emergentes del ataque por los cidos. Como se dijo, el fenmeno de degradacin o corrosin del cemento, es aplicable a tuberas de cemento en cualquiera de sus tipos, incluyendo las de cemento-asbesto, formadas por un 87% de cemento y un 13% de fibras de asbesto. Por el proceso de fabricacin de las tuberas de cemento-asbesto, se obtienen relaciones agua-cemento que pueden llegan hasta 0,27 por lo tanto, el cemento-asbesto es altamente impermeable y justamente por su impermeabilidad, impide o retarda la penetracin de las sustancias agresivas por debajo de la superficie, siendo ms resistente a los ataques por penetracin de sustancias. Los ataques al cemento pueden ser por integracin de nuevos compuestos, por desintegracin qumica o por una combinacin de ambos. Las caractersticas del agua que inciden en los procesos de degradacin del cemento se relacionan con acidez, dureza, presencia de sulfatos, Mg, Zn, Mn y H2S.

5.3.3

Corrosin Externa

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La corrosin externa o ataque a la pared exterior de los tubos enterrados, es producida o facilitada por la accin de los suelos en los cuales se desarrolla el trazado. Segn se trate de tuberas metlicas o de cemento, el fenmeno es diferente.

5.3.3.1 Ataque a tuberas metlicas ferrosas

La agresividad de un suelo a la tubera metlica est definida por su habilidad de engendrar celdas de corrosin capaces de producir corrientes elctricas que causen dao a la estructura del metal. Estas corrientes transportan o extraen los iones metlicos componentes de la tubera desde sectores catalogados como nodos hacia otros denominados ctodos, unidos por un medio apropiado: el electrlito. Puede darse el caso que los electrodos sean de distinto metal en un mismo electrlito, o de igual metal en electrlitos distintos. El primer caso se presenta en la prctica, por ejemplo, con piezas especiales de distinto material intercaladas en la tubera o trozos de caera de distinta edad. Los electrlitos distintos pueden ser debidos a mezcla de suelos, compactacin desigual del relleno, porosidad desigual de suelos diferentes o de un mismo suelo en diferentes puntos, distribucin no uniforme de humedad y restriccin del movimiento de aire y humedad del suelo por la presencia de obstculos, vegetacin, etc. Se conoce que hay varios parmetros de calidad de suelos que influyen en la agresividad: resistividad, potencial redox, tipo de suelo, configuracin del terreno, contenido de carbn, humedad, contenido de oxgeno , etc. 5.3.3.2 Ataque a Tuberas de Cemento

Los parmetros de calidad de suelos que tienen relacin con la agresividad de ste sobre las caeras de cemento son: pH, humedad, sales solubles, sulfato, magnesio, acidez, tipo de suelo y presencia de agua. Uno de los parmetros ms importantes en el deterioro por efecto del suelo es el in sulfato, el que favorece la formacin de sal de Candlott al degradar el Portland.

5.3.4

Proposicin de Metodologa para la Seleccin de Material de Tuberas desde el punto de vista de la corrosin.

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5.3.4.1 Introduccin La seleccin del material debe considerar los antecedentes de calidad de aguas, suelos, material de la canalizacin y recubrimientos de sta. 5.3.4.2 Calidad del Aqua

Para caracterizar la calidad del agua y su comportamiento dentro del proceso corrosivo, se propone emplear los ndices tradicionales que evalan la estabilidad del agua: Indice de Langelier y de Ryznar, aplicables a cualquier material, y el Indice de Agresividad de la AWWA, segn el standard C-400, aplicable a las tuberas de cemento. Estos ndice sealan la tendencia del agua a formar precipitados de CaCO3 o disolverlo. El Indice de Langelier slo puede ser usado dentro de un rango de pH de 6,5 a 9,5. En las tablas siguientes se entrega la clasificacin de las aguas segn estos ndices. Esta informacin debe complementarse con otros parmetros, de acuerdo al material que se est evaluando.

TABLA N 4 CLASIFICACION DE LAS AGUAS SEGUN EL INDICE DE LANGELIER Error! Marcador no Agua en equilibrio Ligeramente corrosiva Corrosiva Fuertemente corrosiva I.L. 0,00-0,19 0,20-0,90 1,00-1,90 >2,00 VALOR POSITIVO Agua en equilibrio Ligeramente incrustante Incrustante Fuertemente incrustante

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TABLA N 5 CLASIFICACION DE LAS AGUAS SEGUN EL INDICE DE RYZNAR AGRESIVIDAD Muy incrustante Dbilmente incrustante Dbil incrustacin o corrosin Corrosiva Muy corrosiva Fuertemente corrosiva I.R 4,0 - 5,0 5,0 - 6,0 6,0 - 7,0 7,0 - 7,5 7,5 - 9,0 >9,0

TABLA N 6

CLASIFICACION DE LAS AGUAS SEGUN EL INDICE DE AGRESIVIDAD AGRESIVIDAD Alta Moderada No agresiva 10 10 - 11,9 12 I.A.

5.3.4.2.1.- Evaluacin de Caeras Metlicas Ferrosas ante Ataque Interno El agua ser corrosiva a las tuberas metlicas si presenta las siguientes caractersticas: Conductividad: Dureza: Cloruros: Sulfatos: Cl /HCO3-1

6 100 mg/kg 0 -1

12.

Contenido de Sulfato 200 mg/kg 200-500 mg/kg. 500-1000 mg/kg 1000 mg/kg 0 -1 -2 -3

5.3.4.3.2

Caeras de Cemento

Para el caso de caeras de cemento se propone aplicar el siguiente indic que considera el efecto de las distintas caractersticas del suelo (o).

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i=8 I.S. =

Ki

i=1

donde Ki son los valores asignados al grado de influencia de cada parmetro valorado entre O y 4,de acuerdo a la siguiente clave: 0 1 2 3 4 No agresivo Probablemente agresivo Dbilmente agresivo Agresivo Fuertemente agresivo

La clasificacin del suelo segn este ndice es

TABLA N 9 GRADO DE AGRESIVIDAD DEL SUELO A CAERIAS DE CEMENTO

I.S 0 13 4 12 > 13

AGRESIVIDAD DEL SUELO Probablemente no agresivo Dbilmente agresivo Agresivo Fuertemente agresivo

En la tabla N 10 se entrega la valoracin del grado de agresividad atribuible a las distintas caractersticas del suelo.

5.3.4.3.3

Aclaracin

Para el clculo del I.S. aplicable a caeras metlicas y de cemento, si todos los parmetros no pueden ser obtenidos, el rango de incerteza tiene que ser acertado, esto es calculado agregando a la suma de los nmeros de los parmetros conocidos, el mayor y

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menor nmero de los parmetros no conocidos. El rango de incertidumbre da entonces una estimacin del significado prctico de los parmetros determinados. En ciertos casos el establecimiento de un parmetro especfico es suficiente para identificar la agresividad del suelo.

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TABLA N 10 VALORACION DEL GRADO DE AGRESIVIDAD ATRIBUIBLE A LAS DISTINTAS CARACTERISTICAS DEL SUELO ()

CARACTERISTICAS VALORACION

1.

Clase de suelos:

Arenas Limos ligeros Limos porosos Limos arenosos Limos de barro Limos de arcilla Limos arcillosos Arcilla Fango Turba Marisma Arcilla y suelos orgnicos Arcilla de adobes 2. Agua Subterrnea a nivel del trazado No presente Presente - variable 3. Humedad 30% 4. Valor pH a extracto acuoso: > 8,5 8,5 - 4,0 < 4,0

0 0 0 1 1 1 3 3 4 4 4 4 4

0 1

0 2

0 2 3

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5.

Sales solubles totales 1000 0 2

6.

Contenido de sulfatos 3000 0 1 2 3

7.

Contenido de magnesio 20.000 0 1

8.

Acidez hasta pH 7 =250 0 1

5.3.5

Conclusiones

La metodologa propuesta para seleccionar materiales de tuberas es sencilla de aplicar, porque requiere el conocimiento de parmetros simples de calidad de agua y suelos. La necesidad de contar con una herramienta como la propuesta se basa en las implicancias que tiene la corrosin en la economa de la industria del agua y en la salud de la poblacin. El problema de corrosin debe ser abordado desde el diseo mismo, considerando corrosin interna y externa. Este captulo expone ideas generales para caracterizar el ataque por tipo de caeras. Distintas aleaciones, tipo de materiales, condiciones de fabricacin, etc. se comportarn mejor o peor frente al fenmeno de la corrosin, debiendo analizarse estos aspectos separadamente, indicando ventajas y desventajas, con respecto al comportamiento Pgina 5-46 de 92

general. As tambin debern estudiarse las protecciones adecuadas, que aumenten su resistencia. As en muchos casos ser necesario completar la seleccin del material especificando recubrimiento de l, proteccin catdica e incluso con adicin al agua de inhibidores de corrosin o modificacin de su calidad.

5.4

Dimensionamiento y Diseo de Redes de Distribucin de Agua Potable

5.4.1

Generalidades

El objetivo fundamental que se persigue en el dimensionamiento de una red de distribucin de agua potable, es el de dotar a todos los habitantes por servir, del agua que ya ha sido producida, purificada, si ha sido necesario, y conducida, en todo caso, hasta un estanque de regulacin, que constituye el punto de origen de la red. Esta agua ser entregada por un sistema de caeras cerradas y a una presin tal que en cualquier punto de la red pueda derivarse un ramal domiciliario desde donde se conduzca a todos los artefactos sanitarios de una vivienda familiar o de un conjunto habitacional, en cantidad suficiente y de modo que esos artefactos funcionen correctamente. Tal sistema de caeras y piezas especiales que permite la entrega del agua potable a las zonas pobladas en forma constante, en calidad, cantidad y presin, es lo que constituye una red de distribucin de agua potable. Debido a que el costo de la red incide en el costo total del sistema de agua potable en un 50 a 70%, es necesario que esta cumpla con las caractersticas indicadas ya citadas, aparejadas con un criterio de costo mnimo.

5.4.2

Solicitaciones de una Red de Distribucin de Agua Potable

Las solicitaciones que debe satisfacer una red son, exceptuando los consumos domsticos, las siguientes: - proteccin contra incendio. - usos pblicos. - uso comercial e industrial. - no controlados.

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Los usos pblicos comprenden los gastos producidos por edificios pblicos, establecimientos educacionales pblicos y privados, regimientos, riego de parques y reas verdes, campos recreativos, lavado de calles, hospitales, etc. El uso industrial se refiere en general a la artesana, pequea y mediana industria, ya que por lo general, la gran industria cuenta con fuentes propias de abastecimiento por razones de seguridad por el consumo de grandes caudales. Los gastos no controlados se refieren a prdidas por filtraciones visibles e invisibles, inevitables en una red con cierto tiempo de explotacin.

5.4.3

Tipos de Redes

Las caeras que conforman la red, se pueden disponer segn dos tipos bsicos de configuracin: Redes ramificadas o abiertas Redes de malla

5.4.3.1 Redes ramificadas: Las redes ramificadas o abiertas se caracterizan por estar constituidas por una matriz principal, desde la cual se alimentan los diversos sectores mediante derivaciones. En este tipo de redes, conocemos todos los tramos por su dimetro y longitud y adems los gastos en los nudos, cuya suma debe ser igual al gasto mximo horario. Es muy fcil por lo tanto conocer el gasto que corresponde a cada tramo. Por medio de las formulas se calcula y el J para cada tramo, JL y las cotas piezomtricas en cada nudo, partiendo desde un estanque o de alguna cota piezomtrica conocida. Para cada nudo tenemos la cota piezomtrico y la cota del terreno. diferencia nos da la carga. Su

Desde el punto operativo, en este tipo de red, el agua puede llegar a un punto cualquiera de ella, slo a travs de una trayectoria, lo que implica que al producirse una avera el servicio queda interrumpido aguas abajo del punto daado. 5.4.3.2 Redes de mallas o cerradas: Las redes de mallas o cerradas, denominadas tambin reticuladas, estn constituidas por un sistema de caeras interconectadas entre s por ambos extremos. Esta Pgina 5-48 de 92

disposicin permite que a cada tramo pueda escurrir el agua en cualquier sentido, dependiendo esto de las solicitaciones del consumo en esos instantes. Este tipo de redes, permite aislar un sector del sistema en caso de una falla, sin perjudicar el suministro de agua potable del resto del sistema de agua potable. En trminos generales, para el clculo de mallas existen varios mtodos computacionales que permiten el clculo de redes de gran tamao y con todas las complicaciones posibles. Sin embargo, las redes pequeas se siguen calculando por el mtodo de Cross ayudados por el amplio software estndar disponible. El problema consiste en determinar los gastos de cada tramo y las presiones en los nudos conociendo las longitudes, materiales, dimetros y otros elementos como estanques, bombas booster, etc. En el siguiente cuadro podemos comparar ambos sistemas de disposicin: TABLA: ANALISIS COMPARATIVO ENTRE REDES RAMIFICADAS Y MALLAS REDES RAMIFICADA Cada consumo tiene un solo camino desde el estanque. Se aleja un tanto de la realidad, pues usualmente las caeras se interconectan. REDES CERRADAS O MALLAS Cada consumo tiene infinidad de caminos desde la alimentacin. En la prctica, este tipo de configuracin es la ms frecuente ya que corresponde a situaciones ms reales. El dimensionamiento es indirecto, generalmente es por tanteos que requieren de verificacin.

-

-

El dimensionamiento es directo y sencillo.

-

En la practica se adopta casi siempre una combinacin de los sistemas, lo que se denomina Red Mixta.

En las figuras siguientes se muestran los esquemas que caracterizan ambos tipos de redes.

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Red Ramificada o Abierta

Redes Cerradas O Mallas

Independientemente del mtodo de dimsensionamiento adoptado, el proyectista en la memoria del proyecto deber indicar el mtodo de diseo y dimensionamiento elegido y deber presentar: a) Las planillas finales de clculo o verificacin de presiones.

b)

Un esquema de la red que contenga los gastos en los nudos, las curvas de nivel de terreno de 5 rn 5 metros, con la indicacin expresa de los puntos ms altos, las curvas isopiezomtricas de 5 en 5 m y adems, el rango de velocidades por dimetros. Estos antecedentes debern presentarse tanto para las solicitaciones de consumos mximos como para la superposicin de consumo e incendio.

5.4.4

Dimensionamiento de una Red

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5.4.4.1 Bases de clculo.

En cuanto a las bases generales de un proyecto, dotacin y poblacin, stas fueron analizadas en el Anexo N1 de este Captulo. Por tanto, slo nos referimos a diversos aspectos de estas bases generales inherentes a los proyectos de redes de grandes ciudades, donde se hacen distinciones entre las caractersticas de diferentes reas; es lo que en urbanismo se denomina Zonificacin.

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As, por ejemplo, en cuanto a los habitantes por unidad habitacional se suelen dar, eventualmente, los siguientes valores mnimos :

Tipo y Superficie en m2 de Propiedades Propiedades menores de 250 m2 de 250 a 500 500 a 1.000 1.000 a 3.000 Superior a 3.000

Habitantes 6 6,5 7 9 10

La dotacin a su vez, depende de diferentes factores para cada zona entre las cuales se destacan las condiciones socio-econmicas de la poblacin y la incidencia de consumos no domsticos (riego de jardines, etc) Dimensionadas las Obras Generales para el gasto mximo diario y efectuada la regulacin en el estanque, la red se debe calcular para suministrar los gastos correspondientes a la hora de mximo consumo. Los factores de consumo mximo horario a mximo diario de ciudades pequeas, se han normalizado segn la tabulacin de la tabla siguiente :

Poblacin (hab) menos de 1.000 1.000 a 2.000 2.000 a 5.000 superior a 5.000

Factor 3,0 2.5 2,0 1.5

Las dems bases de clculo propias de una red son las siguientes: a) Las presiones necesarias expresadas en metros de columna de agua sobre la cota de terreno, para vencer las prdidas de carga que representa la instalacin interior de manera de permitir un gasto conveniente para el artefacto ms alto. El gasto que se considere es suficiente para atacar un incendio.

b)

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c)

La presin mnima de incendio en los grifos, suponiendo que la presin del chorro se alcanzar con la utilizacin de bombas de incendios. Las condiciones ms desfavorables en que se supone la superposicin de consumo e incendio.

d)

Las presiones en la red deben ser tales que permitan por una parte suministrar agua a edificios de alturas normales, recomendndose que no sea inferior a 15 m., y por otra no sobrepasar valores cercanos a 60 m. con un mximo de 65 m. En casos calificados se acepta para la presin mnima, valores algo menores de los 15 m. La presin mnima en grifos de incendio es calculada por la superposicin de consumo medio horario del da de mximo consumo, con el correspondiente al incendio, que ms adelante se detallar. Esta no debe ser menor a los 4 metros de columna de agua. En cuanto al gasto de incendio, ste se considerar relacionando la poblacin, nmero de grifos en uso simultneo y la disposicin de stos, segn tabulacin normalizada que se cita en el cuadro siguiente :

Poblacin (Hab.) 1.000 a 6.000 16.000 a 30.000 30.000 a 60.000 60.000 a 120.000 120.000 a 180.000 180.000 a 600.000

N de Grifos 1 1 2 3 4 2 2

Gasto Lts/seg. 16 24 24 24 24 60 24

Disposicin

1 en zona densamente poblada 1 en periferia 2 en zona densamente poblada 1 en periferia 2 en zona densamente poblada 2 en periferia Sistema de dos ciudades

Es comn que se apliquen las normas anteriores a cada sistema; esto es, a cada conjunto de estanques y redes. Igualmente se aplican estas normas a las ciudades con varios sistemas.

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5.4.4.2 Condiciones de escurrimiento El escurrimiento de lquido en una tubera est afectado por condiciones variables que pueden dividirse en condiciones impuestas en el diseo y condiciones de caractersticas propias del material de las tuberas de la red de distribucin. Las caractersticas de diseo son las impuestas en el proyecto, de acuerdo a los resultados que se deben obtener y estn representados principalmente por el caudal a conducir y la presin disponible en todos los puntos en la red de distribucin. 5.4.4.3 Caractersticas hidrulicas de una caera. Las complejidades del clculo de una red exigen simplificar lo ms posible las caractersticas de cada tramo de caeras entre nudos, esto es, entre cruces de caeras, puntos de arranques para grifos u otros puntos interesantes. Mediante una expresin matemtica que relacione los valores que determinan el comportamiento hidrulico de una caera, podemos definir un trmino caracterstico para un tramo dado. Basndonos en la expresin general de las frmulas clsicas (ver Nota *), para caeras en presin: J = K Qn / Db Si J es la prdida de carga unitaria, tenemos para un largo L determinado una prdida de carga total H: H=JL * Nota : Frmulas Clsicas Cada investigador estudi en ciertas condiciones, un problema especfico de una caera con un determinado dimetro, un cierto gasto y caractersticas bien definidas del fluido a conducir; esto trajo consigo la aparicin de diversas expresiones o frmulas que se aplicaron hasta hace poco tiempo e incluso an se utilizan para solucionar algunos casos, pero debido a que son experimentales slo tienen validez dentro del mbito para el cual fueron experimentados. Las frmulas anteriores denominadas clsicas, se expresan en ecuaciones monomias que relacionan gasto, dimetro y prdida de carga unitaria, apareciendo como factor un coeficiente ya sea fijo o variable, determinado por las caractersticas del fluido de la caera.

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As, son de la forma: J : K Qn/Db Donde: J Q D n K = = = = = prdida de carga unitaria gasto dimetro interior de la tubera exponente caracterstico de la frmula constante referida a condiciones de la caera

As, introduciendo el concepto de carga total en la frmula general tenemos : H = K Qn L Db Las caractersticas inherentes a una caera podemos definirlas como el trmino que reune las variables K, el dimetro D con su respectivo exponente y el largo L. A este trmino lo denominaremos caracterstica hidrulica (r) de una caera y queda definido por la siguiente expresin : r=K L Db As, la expresin de la prdida de carga total es : H = r Qn Adems, definiremos como Resistencia caracterstica por unidad de longitud", el trmino "" : = r L = K Db

FORMULAS USUALES DE PRDIDAS DE CARGA

Antiguamente se tena como regla general el uso de diferentes frmulas para cada tipo de material, de esta manera para el asbesto-cemento se usaba la frmula de

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Ludin, para fierro fundido la frmula de Scobey y para acero indiferentemente las frmulas Hazen Williams y de Darcy. La expresin del clculo de J (prdida de carga unitaria) en cada una de ella es la siguiente: LUDIN

J = 0,00095

Q1,85 D 4,90

SCOBEY

J = 28 J 0,526 D 2,579

HAZEN Y WILLIAMS

V J = 6,815 C Q J V D C = = = = =

1,852

D 1,167

caudal (m3/s) prdida de carga velocidad de escurrimiento m/s dimetro interior (m) coeficiente sin unidad, depende de la rugosidad de la superficie interior de la tubera=

DARCY

J

D

V 2 2 g

= 0,0398 +

0,001015 D

5.4.4.4 Anlisis Comparativo de las Frmulas de Hazen-Williams y Colebrook Actualmente se aceptan y son de uso general dos frmulas para el clculo de tuberas, sin hacer distincin de materiales, ellas son frmulas de Hazen y Williams, y Colebrook para acero, hierro dctil y asbesto-cemento. Siendo la frmula de Colebrook la siguiente:

COLEBROOK

J=

D

V2 2gPgina 5-56 de 92

1

KD 2,51 = 2 log 10 3,71 + Re

Es interesante hacer notar que la variacin del coeficiente de rugosidad en cada material no tiene una preponderacin total como lo hacen notar cada fabricante, ya que por regla general tanto las caeras de acero como las de fundicin dctil se protegen interiormente, obtenindose una textura similar en los tres materiales que se estudian. Adems, como todas estas instalaciones tienen un plazo de previsin sobre los 25 aos, es prcticamente imposible pretender que las condiciones interiores de la tubera sean las mismas que nuevas.

La frmula de Colebroock usa el coeficiente que depende del coeficiente de rugosidad K. En experiencias realizadas, se determin un valor K= 0,03 mm, sin embargo, de acuerdo a los antecedentes sobre tuberas de fundicin dctil lo aumentan a 0,1 mm, an cuando se use recubrimiento interior de mortero o centrifugado. En la frmula de Williams y Hazen, el coeficiente C, recomendado por el Comit Technique au Congres International de 1955, tiene un valor de 152 para superficies lisas nuevas.

Como resultado de ensayos realizados en Estados Unidos para tubos con revestimiento de mortero, se recomienda el uso de C = 136 para plazos de previsin de 25 a 30 aos.

Un ejemplo entre ambas frmulas, se puede ver en el siguiente cuadro estudiado para la Aduccin Calama-Antofagasta.

DE LA CONDUCCION mm 500 600 700

CAUDAL seg/1

800 800 800

FORMULA UTILIZADA COLEBROOK WILLIAMS-HAZEN C = 136 K= 0,03 mm K= 0,05 mm J en m por m J en m por m 0,0219 0,024 0,02315 0,00912 0,00958 0,0095 0,00425 0,00442 0,0045 Pgina 5-57 de 92

El anlisis anterior, estudiado para las condiciones reales de un proyecto de gran envergadura, demuestra que la frmula de Williams y Hazen con C = 136, da valores similares que la frmula universal de Colebroock, con el coeficiente experimental 0,03 mm. y con el coeficiente terico 0.05 (Water and Water Engineering). Como conclusin se puede establecer que se puede usar indiferentemente las frmulas de Williams y Hazen con C = 136 y Colebroock con coeficiente K = 0,05 mm, con un plazo de previsin de 25 a 30 aos. Como ya se ha generalizado el uso de proteccin de mortero en las caeras metlicas, podra suponerse, tal como se explic anteriormente, que las caeras de asbestocemento, se comportaran en las mismas condiciones que las primeras. Debe hacerse notar, que si bien tcnicamente los coeficientes de rugosidad son similares, el coeficientes C, al ser un coeficiente de dimensionamiento, involucra la durabilidad de la proteccin interior y por ende la rugosidad propiamente tal. En el caso de las tuberas metlicas la proteccin interior es diferente en constitucin al material propio de la tubera, en tanto que en la caera de asbesto-cemento la proteccin es parte integral del material de la tubera. En otras palabras, existe ms posibilidad de desprendimiento de la proteccin o alteraciones de ellos en las tuberas metlicas que en las de asbesto-cemento. Por esta razn podra usarse para la frmula de Williams y Hazen un coeficiente C = 150 o en Colebroock K = 0,01 mm. Por condiciones prcticas se ha normalizado un coeficiente C = 140 para Williams y Hazen y K = 0,025 mm para Colebroock. Deber aclararse que tanto los coeficientes indicados son vlidos para condiciones de aguas normales, en cuanto a corrosivas o incrustantes. De hacerse un clculo ms afinado en el cual involucrarse en estos coeficientes la ponderacin correspondiente (por lo general emprica) a la durabilidad de la proteccin.

5.4.4.5 Velocidad lmite

Como se trata de transportar agua potable, es innecesario considerar velocidades lmites que puedan afectar el interior de la tubera por erosin del material; solamente podra tener cierta importancia en el caso de transporte de agua cruda de captaciones superficiales.

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En este ltimo caso, puede penetrar arena que se comportara como abrasivo. Por regla general las velocidades lmites estn fijadas por la condicin econmica, tanto en aducciones como en impulsiones, adems es conveniente hacer notar que velocidades excesivas pueden provocar vibraciones en la tubera y, an ms, principios de cavitacin en las discontinuidades producidas por las uniones. Las velocidades lmites que se aplican son empricas llegndose para aducciones a velocidades del orden de 2 a 2,8 m/s. Los norteamericanos aceptan el lmite superior y los franceses recomiendan el inferior, es decir, 2 m/s. En consecuencia un buen diseo puede ser conseguido con una velocidad media de 2,5 m/s. Tomando en cuenta que, no debe perderse la altura de velocidad en forma total, se debe dejar un exceso de carga para que se pierda por estrangulamiento de vlvula (o aparato diseado para este fin) en el estanque final de la aduccin a proyectar. Esta recomendacin se basa en que durante la explotacin de la lnea, aumenta la rugosidad de la tubera y por lo tanto, en un plazo determinado de uso no podra conducir el gasto de diseo, al no tener una carga residual que pueda ajustarse al aumento de la prdida de carga unitaria. La posible abrasin que se producira, afecta a los tres materiales en estudio, ya que en general la tendencia actual es que tanto el acero como la fundicin dctil, se recubren interiormente con mortero de cemento centrifugado, que tendra las mismas caractersticas que el asbesto-cemento. En este ltimo caso debera fijarse una velocidad mnima, que evitar la sedimentacin en los materiales de suspensin y que depende del tipo de material a conducir.

5.4.5

Calculo de Redes de Distribucin De Agua Potable

5.4.5.1 Introduccin

Es posible simular el comportamiento de una red de distribucin de agua si se adoptan algunas hiptesis simplificatorias respecto a su funcionamiento. Entre stas se puede distinguir las siguientes:

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Slo se consideran las caeras principales de la red. Las demandas se suponen concentradas en los puntos de interseccin de las caeras principales. Se supone un determinado rgimen de consumo constante en el tiempo. Se suponen vlidas las ecuaciones de la hidrulica bsica. Las ecuaciones de la hidrulica bsica permiten determinar exactamente el comportamiento de una red de distribucin para una determinada situacin de demandas y suministros. Aunque el planteamiento de las ecuaciones es bastante sencillo, su resolucin se complica al existir relaciones no lineales entre la prdida de carga y el caudal en una caera. No obstante existir esta dificultad, se han desarrollado mtodos de resolucin de las ecuaciones bastantes sencillos de aplicar, como es el mtodo de Cross. Se debe aclarar que en general los mtodos ganan en sencillez lo que pierden en eficiencia. Ultimamente como resultado del uso generalizado de computadores, se ha hecho uso extensivo de mtodos de resolucin de ecuaciones ms eficientes y complejos que el mtodo de Cross, en especial el mtodo de Newton-Raphson. El uso de estos mtodos ofrece varias ventajas, al utilizar un computador, siendo las siguientes las ms importantes: a) Al ser ms eficientes permiten reducir los costos de computacin y por lo tanto posibilitan la resolucin de redes muy complejas con un grado de simplificacin tan pequeos como se desee. Por ser ms generales permiten la resolucin de redes con elementos de mayor complejidad que las caeras, tales como bombas, estanques, vlvulas reductoras de presin, etc.

b)

5.4.5.2 Sistema de Ecuaciones que Determinan el Funcionamiento de una Red

5.4.5.2.1 Relaciones entre el nmero de elementos en una red En forma topolgica diremos que una red consiste en serie de puntos o nodos, algunos de ellos unidos por tramos que representan a las caeras. Si un conjunto de nodos puede ser recorrido a travs de los tramos y de esta manera se puede llegar al nodo de partida, diremos que el conjunto de nodos y los tramos Pgina 5-60 de 92

que los unen constituyen un bucle. Si ningn tramo queda contenido dentro del bucle diremos que se trata de un bucle primario. Generalmente se habla de bucle para referirse a un bucle primario. En una red el nmero de tramos (T), el nmero de nodos (N) y el nmero de bucles (B), estn en la siguiente relacin:

T = N + B 1Una forma de demostrar esta relacin es por induccin. Este mtodo consiste en comprobar que la relacin se cumple para un bucle y luego demostrar que si la relacin es vlida para B bucles, ello implica que tambin debe ser vlida para B + 1 bucles.

5.4.5.2.2 INCGNITAS Y ECUACIONES QUE DETERMINAN UN SISTEMA TPICO

En general, en una red existente se conoce la configuracin topolgica, los largos de las caeras, los dimetros de las caeras, las entradas y salidas de caudal en los nodos. En el diseo de nuevas redes, la metodologa tradicional consiste en prefijar estas caractersticas y luego verificar que se satisfacen las restricciones de presin en la red. En caso contrario se realizan las modificaciones adecuadas. Las incgnitas son: a) b) Los T caudales Q Las N-1 alturas piezomtricas H (una de las N es de referencia) Total: T + N 1 Las ecuaciones son:A) EN CADA NODO:

La suma de los caudales que entran es igual a la de los caudales que salen. Se puede demostrar que de estas N ecuaciones solo N-1 son independientes, es decir, cualquiera de ellas puede ser derivada de las N-1 restantes. Si llamamos Qji al caudal que va del nodo j al nodo i y Qi al caudal que se incorpora al sistema en el nodo i se puede escribir para cada nodo i la siguiente ecuacin de balance de caudales.

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Qi +

j =1, n

Qi

ji

=0

i = 1, n

en que:

los nodos i y j estn ji = {01sisino estn conectados conectados }

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Consideramos un subsistema formado por todos los nodos excepto uno, por ejemplo el de orden l, como se indica en figura siguiente:

Qi

QlQji i

Qj ll

Comentario:

LA SUMA DE LAS ECUACIONES DE TODOS LOS NODOS EXCEPTO EL NODO l DA LO SIGUIENTE:

il

j =1, n

Qji ji + il

Qi = 0

La doble suma involucra trminos que se cancelan y que corresponden a los caudales de un mismo tramo, los que son contabilizados dos veces (una por cada nodo que delimita al tramo) y con signo contrario cada vez. Los trminos que corresponden al nodo l no se cancelan ya que aparecen slo caudales de la forma Qli . Los trminos de la forma

Q jl no aparecen porque se ha omitido la ecuacin que corresponde al nodo l.Luego se tiene que:

il

j =1, n

Qji ji + il

Qli li = Qli li = Qil ili i

Por otra parte, se debe tener que la suma algebraica de los caudales que entran a todos los nodos del sistema debe ser igual a cero, para satisfacer la condicin de equilibrio del flujo. Esta ecuacin no se contabiliza en el sistema porque en ella participan slo los caudales Qi que no son incgnitas.

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Adems, esta ecuacin se puede derivar de las N ecuaciones de modo simplemente sumando todos los trminos y cancelando todos los caudales de tramos. Luego:

i l

Qi = Ql

Finalmente, combinando las tres ltimas relaciones, se puede escribir:

Ql + Qil il = 0i

Esta es la ecuacin que corresponde al nodo l y ha sido obtenida a partir de las N-1 ecuaciones restantes. Por lo tanto, slo N-1 de las N ecuaciones de nodos son independientes. b) En cada tramo existe la relacin:

Q = Q(H inicial H final )= Q (H i H f )Total : T + N 1 relaciones

Una red queda determinada por un sistema de T+N-1 ecuaciones con T+N-1 incgnitas. De estas ecuaciones. N-1 son lineales, y T son no lineales Es evidente que el sistema de T+N-1 ecuaciones queda fcilmente resuelto si se conocen las N-1 cotas piezomtricas o los T caudales, ya que en este caso el resto de las incgnitas se calcula en forma directa. Esto sugiere que una forma de reducir el nmero de ecuaciones e incgnitas es tratar de formar sistemas independientes con N-1 ecuaciones incluyendo solo las N-1 alturas piezomtricas, o bien, T ecuaciones incluyendo solo los T caudales.

5.4.5.2.3 Reduccin del sistema a N-1 ecuaciones con alturas piezomtricas como incgnitas

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Supongamos que numeramos los nodos de 1 a N de tal manera que

Qij representa el caudal que va del nodo I al nodo J y tal quede I a J, y negativo en caso contrario.

Qij &g