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Diseño de piezas especiales en grandes conducciones de acero

María Domínguez Domínguez

Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos

Servicio de Obras Hidráulicas. Dirección Técnica. DRAGADOS

mdominguez@dragados.com

Conducciones de acero

Conceptos básicos

La tubería metálica es una buena solución para conducciones con altas presiones y diámetros medios a grandes, ya que, dado el elevado módulo de elasticidad del acero y su resistencia a la tracción, estos tubos tienen un excelente comportamiento frente a la presión hidráulica interior. Su campo habitual de aplicación es el de los tubos de diámetros medios y grandes (por encima de 500 mm y hasta 2500 mm) y elevadas presiones interiores (hasta incluso 10 N/mm2 en tubos de diámetro inferior a 1000 mm, dependiendo del acero utilizado).

Lo más habitual es que los tubos de acero para el transporte de agua a presión sean soldados helicoidalmente, por inducción o por arco sumergido. Las piezas especiales se suelen obtener por soldadura a partir de trozos de tubo o de chapas de acero iguales a las utilizadas en los tubos.

En general se comportan como tubos flexibles, salvo en el caso de espesores de chapa muy elevados, que pasan a tener un comportamiento mecánico equivalente a los tubos rígidos. Las uniones de los tubos de acero pueden ser de diferentes tipos:

Uniones rígidas: uniones con bridas o uniones soldadas, que a su vez pueden ser: A tope: los extremos del tubo están biselado en función del espesor, con una preparación en V; si la tubería

es de pequeño espesor, los extremos son planos.

Con embocadura (junta abocardada): esta soldadura se puede realizar por el interior o el exterior, en función del diámetro, y en algún caso excepcional tanto interior como exteriormente.

Uniones flexible: uniones con enchufe y anillo elastomérico. Tiene muy poco uso en la práctica.

Pueden emplearse otros tipos de uniones, como juntas con manguito o juntas de expansión y contracción. La junta con bridas solo se emplea en diámetros pequeños (inferior a 400 mm). En diámetros medios, lo habitual es utilizar uniones soldadas a tope, pero en diámetros grandes son utilizadas tanto la unión soldada a tope como la abocardada, ya que esta última facilita mucho la correcta alineación de los tubos. La longitud de solape suele ser de unos 150 mm para cualquier diámetro.

En cuanto a su instalación, al ser tubos flexibles, exigen una cuidadosa compactación de los rellenos de las zanjas. Además, las uniones empleadas suelen ser soldadas, operación que siempre requiere controles adicionales. En grandes diámetros hay que realizar bien los cálculos mecánicos, por los posibles problemas de ovalización. Debe comprobarse que las tuberías elegidas para la presiones de cálculo, son también válidas para soportar las cargas externas debidas a las condiciones de instalación y tráfico.

Tipos de piezas especiales

En toda tubería de presión se precisan dispositivos o piezas especiales para conseguir la forma geométrica requerida (codos, bifurcaciones) o simplemente para facilitar las pruebas o las labores de vigilancia y mantenimiento (bocas de hombre, dispositivos de inyección o de medición).

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Dentro de los elementos necesarios para dar continuidad, enlazar, derivar o reforzar una tubería de acero, se pueden citar los siguientes (algunos de ellos se amplían en los apartados siguientes):

Codos: Permiten los cambios de dirección de las tuberías. Bifurcaciones o pantalones, y derivaciones. Refuerzos en bifurcaciones y derivaciones. Rigidizadores de tuberías. Compensador de dilatación: Elementos que compensan las diferencias de longitud producidas por

dilataciones. Tapones: Elementos terminales de ramales ciegos o para pruebas de presión, o en espera de posibles

ampliaciones. Tes: Elementos que se utilizan para la derivación de las conducciones. Reducciones: Permiten cambiar las secciones de las tuberías. Bridas: Elementos desmontables que permiten unir tuberías entre si, o con otros mecanismos necesarios

en las instalaciones, como válvulas, carretes, etc. Carretes de montaje: Accesorios para la instalación de mecanismos susceptibles de ser desmontados

durante la explotación de la instalación. Manquitos de unión: Elementos que permiten enlazar tramos de tubería. Pueden ser fijos o desmontables. Elementos de fijación: Utilizados para fijar las tuberías en instalaciones no enterradas. Collarines de toma: Permiten realizar tomas de agua de la red principal. Su aplicación más destacable es

el realizar tomas en tuberías instaladas. Existe una variante que permite realizar la toma con la instalación en carga.

Codos Los codos, en las tuberías de acero, se construyen soldando piezas mitradas formando un tubo curvo cuya directriz describe una poligonal circunscrita a un arco de circunferencia, cuyo radio suele estar comprendido entre 2,0 y 5,0 diámetros de la tubería; las piezas mitradas se construyen con un ángulo en el centro de 5-8º, provistos ocasionalmente con anillos para aumentar la rigidez o facilitar el empotramiento en el hormigón de los macizos de anclaje.

Bifurcaciones Son piezas complicadas, especialmente si son múltiples, forman ángulos pequeños, son asimétricas o están sujetas a presiones elevadas. Se deben evitar, en la medida de lo posible, las bifurcaciones con ángulos menores a 45º, y se prefieren las bifurcaciones simétricas o las derivaciones a 60º de un tubo rectilíneo.

Las bifurcaciones interrumpen la continuidad circunferencial de los tubos y reducen la resistencia de la sección, por lo que precisan refuerzos que compensen esta disminución y que absorban los esfuerzos que, sin bifurcación, resistirían los trozos de chapa eliminados.

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Refuerzos en derivaciones En tuberías de acero en presión de grandes diámetros, en las derivaciones, puede no ser suficiente con la soldadura de los tubos para su unión. Se debe comprobar si es necesario colocar un refuerzo en la unión de las tuberías.

Tipos de refuerzos

Si la bifurcación tiene un diámetro pequeño con relación al de la tubería principal, basta con un refuerzo de tipo babero adosado al tubo principal rodeando el arranque del ramal.

Refuerzo tipo babero o collar

Si los diámetros de los ramales y de la tubería principal son comparables, o iguales como en el caso de las bifurcaciones simétricas, no basta el refuerzo de tipo collar, sino que hay que armar la pieza con elementos estructurales situados en los planos bisectores de los ejes de la tubería principal y de los ramales. Estos refuerzos pueden ser externos o internos.

Los refuerzos internos, en forma de medias lunas, solo se pueden colocar si no se interrumpe el flujo. Para reducir las pérdidas de carga en la bifurcación y facilitar la disposición de los refuerzos internos sin interrumpir el flujo, se suele aumentar el diámetro del tubo principal en un 10-20%, disponiendo una expansión poco pronunciada a la entrada y una contracción más fuerte a la salida.

Los refuerzos externos, en forma de alero, o de Y en las bifurcaciones no perpendiculares, son los llamados refuerzos en alero, plato o ala de monja. Pueden llegar a requerir espesores considerables, (de hasta 20 cm), por lo que resulta difíciles de acomodar o soldar.

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Refuerzo en alero o ala de monja

Cálculo de los refuerzos

Los refuerzos se pueden calcular siguiendo la metodología incluida la Guía para el diseño e instalación de tuberías de acero, Manual 11 de la “American Water Works Association” (AWWA), en función de las características y presiones de la tubería principal y de derivación.

A continuación se incluye un resumen de esta metodología.

Todas las fórmulas y tablas de esta publicación están en unidades americanas.

Primeramente, dadas las características y presiones de las tuberías, se calcula el número PVD, y en función de su valor, entrando en la tabla 13.2se determina el tipo de refuerzo necesario en las derivaciones, de tipo babero o ala de monja.

PVD = P . d2 / D . sen2(∆)

P = presión de diseño (psi = libras / pulgadas2)) d = diámetro de salida (in=pulgadas) D = diámetro principal (in=pulgadas) ∆ = ángulo ente ejes de tubería principal y de derivación

Refuertos tipo babero o collar:

Si PVD<6000 y d/D<0,7, el refuerzo necesario es de tipo babero.

Se determina el factor M:

- para PVD < 4000: M = 1,0 - para 4000 < PVD < 6000: M = 0,00025 PVD

Los denominados espesores teóricos de los tubos serían los siguientes:

- Espesor requerido en tubería principal (in): Tr = P . D / 2.fs

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- Espesor requerido en tubería de derivación (in): tr = P . d / 2.fs

siendo fs la mitad de la tensión elástica del acero empleado (fs = fy/2 en (psi)).

El área teórica necesaria en la unión y el exceso de área real serían:

- Área teórica (in2): Ar = M. [Tr. (d-2ty) / sen∆] - Área real (in2): Aa = ((d – 2.ty).(Ty-Tr) / sen∆) + 5.ty.(ty-tr)

siendo Ty y ty los espesores reales de la tubería principal y de derivación respectivamente en (in).

Una vez calculados estos valores, el área y dimensiones del refuerzo tipo babero necesario serían:

- Área del refuerzo (in2): Aw = Ar – Aa - Ancho total del refuerzo (in): W = d / 2.sen∆ - Espesor del refuerzo (in) T = Aw / 2W

Las variables son el ancho y el espesor (W y T). Se suele fijar un espesor de chapa (10-20 mm) y calcular el ancho del refuerzo para dicho espesor.

Refuertos tipo alero o ala de monja (crotch plate):

Si PVD>6000, el refuerzo necesario es de tipo ala de monja

En este caso, primeramente se determina el ancho inicial del ala del refuerzo “d” a partir del diámetro de la tubería principal y la presión de diseño, mediante la tabla adjunta.

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Una vez obtenido el valor del ancho inicial “d”, se corrige en función de diversos factores.

En función del ángulo entre tubería principal y de derivación, se corrige el ancho multiplicando por los factores Nw y Nb, obtenidos de la tabla adjunta.

Después, en función de la relación entre radios de la tubería principal y de derivación, se corrige multiplicando por los factores Qb y Qw obtenidos de la tabla adjunta.

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Con esto, se obtienen los anchos que serían necesarios para un espesor de chapa de refuerzo de una pulgada (t1=1 in):

- Ancho según la bisectriz del ángulo agudo: dw1 = Nw . Qw . d - Ancho según la bisectriz del ángulo agudo: db1 = Nb . Qb . d

Si el espesor de la chapa de refuerzo no es 1 pulgada, sino un espesor t(in), los anchos necesarios serán:

- Ancho según la bisectriz del ángulo agudo: dw = dw1 . (t1/t)(0,917-∆/360) - Ancho según la bisectriz del ángulo agudo: db = db1 . (t1/t)(0,917-∆/360)

Por último, el ancho necesario en el plano perpendicular a ambos ejes “dt”, se obtendría del gráfico adjunto., en función del ancho calculado db.

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Compensadores de dilatación Toda tubería sujeta a cambios térmicos sufre contracciones y dilataciones que pueden dañar el sistema al que está conectada si no se tiene especial cuidado. Lo mismo ocurre con las vibraciones mecánicas producidas por compresores, bombas, motores o turbinas. Los compensadores de dilatación son una solución a este problema.

Un compensador de dilatación es un dispositivo que, formado por uno o más fuelles, se utiliza para absorber los movimientos causados por la expansión o contracción térmica y las vibraciones en sistemas de tuberías.

Los movimientos básicos para los cuales se diseñan los compensadores de dilatación son:

Movimiento axial. Extensión o compresión del compensador de dilatación a lo largo de su eje longitudinal.

Movimiento lateral. Desplazamiento perpendicular de un extremo del compensador de dilatación con respecto a su eje longitudinal.

Movimiento angular. Doblado o curvado de un compensador de dilatación con respecto a su eje longitudinal.

Los compensadores circulares se fabrican en diámetros de 15 a 7000 mm, con una sola lámina o multilámina.

La característica principal de un compensador de dilatación está en la flexibilidad de su fuelle, que viene dada por el diseño de su onda y por el material utilizado en su fabricación. Los materiales más utilizados son los aceros austeníticos y las aleaciones de niquel. Requieren poco espacio para su instalación, su flexibilidad les permite absorber movimientos en múltiples direcciones, prácticamente no requieren mantenimiento, y producen unas pérdidas de carga mínimas.

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En la instalación, para su correcto funcionamiento, es importante evitar dañar el fuelle con golpes que puedan producir abolladuras en las ondas, realizar el montaje de acuerdo con las instrucciones de la pieza, e instalar los compensadores en la en la longitud calculada, sin ser estirados o comprimidos para absorber otras deficiencias.

Compensadores de dilatación en estructuras

En las tuberías de acero enterradas, la variación de temperatura es mínima; sin embargo, cuando estas tuberías pasan a ser aéreas, por ejemplo en el caso de estructuras de paso sobre ríos o carreteras, se ven afectadas por la variación de temperatura de la zona.

En el caso de las tuberías de acero, este material tiene un coeficiente de dilatación elevado (α=0,0117 mm/m/ºC) por lo que los cambios térmicos producen deformaciones mayores que en otros materiales. Para absorber estos movimientos horizontales o verticales producidos por las variaciones térmicas, se pueden disponer en el tramo aéreo de la tubería de unos compensadores de dilatación. La tubería se coloca sobre unos apoyos “móviles”, fijándola con unas bridas que permiten el desplazamiento longitudinal, salvo en unos puntos o apoyos “fijos” cuyo objeto es dividir la tubería en tramos y no acumular los efectos de las dilataciones y contracciones térmicas; en cada uno de estos tramos iría un compensador. En los apoyos “móviles” se suele colocar una lámina de poliuretano entre tubo y apoyo, que permite el desplazamiento de la tubería.

En el caso de puentes de vigas, se debe procurar que las juntas de dilatación del tablero coincidan con los compensadores de dilatación.

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Compensador de dilatación

Apoyo móvil

Apoyo fijo

Compensadores de dilatación en juntas

Otro caso en el que es necesaria la colocación de un compensador de dilatación es en los desagües de fondo de las presas de hormigón, cuando dichos desagües atraviesan una junta entre bloques de las presas.

Estos bloques pueden tener ciertos movimientos entre ellos, debido a asientos diferenciales del cimiento, y a los movimientos de contracción y dilatación de la presa.

Para evitar que estos movimientos rompan las tuberías de los desagües de fondo, se colocan los compensadores de dilatación en la junta. Evidentemente, aunque el resto del desagüe se encuentre hormigonado, la zona del compensador debe estar libre y accesible.

Tapones de prueba Las tuberías a presión, una vez instaladas, deben probarse para comprobar su estanqueidad y resistencia a la presión.

Para realizar estas pruebas es necesario conseguir que el tramo de tubería a probar este perfectamente sellado en ambos extremos.

Los tapones de prueba son los elementos terminales que se colocan en los extremos del tramo en los que se realice la prueba de presión. Estos tapones deben ser capaces de resistir la presión de prueba (STP).

La presión de prueba se debe medir en el punto bajo del tramo, por lo tanto, en el punto alto la presión será algo menor. Asimismo, conviene situar la bomba de presión también en el punto bajo, ya que es donde se está midiendo la presión. Por tanto, en el tapón del punto bajo se debe prever una derivación para la conexión con la

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bomba y para colocar el manómetro. Esta misma derivación se puede usar para vaciar la tubería y pasar el agua al siguiente tramo de prueba.

El tapón situado en el punto alto también debería tener una derivación de entrada de agua, para llenar el tramo en caso de necesidad, y es imprescindible un grifo de purga, para permitir la salida de aire durante el llenado y la entrada durante el vaciado.

Durante el llenado del tramo, las ventosas y el grifo de purga del tapón deben estar abiertos para permitir la salida de aire. Y durante el vaciado, las ventosas y el grifo de purga también deben estar abiertos, para permitir la entrada de aire, y evitar las presiones negativas en el interior de la tubería.

Rigidizadores de la tubería En tuberías de acero, el condicionante principal para el cálculo del espesor es la presión interior. Sin embargo, en tuberías de grandes diámetros, el cálculo del espesor necesario para evitar la ovalización debida a cargas externas o a presiones internas negativas, podría dar lugar a un espesor de acero considerable, que encarecería excesivamente la tubería.

Una solución a este problema es colocar rigidizadores en la tubería. Estos elementos aumentan la rigidez de la tubería, y por tanto su resistencia frente a cargas externas y presiones negativas, con una cantidad mucho menor de acero que si se aumentara el espesor de toda la tubería.

Estos rigidizadores pueden ser de distintas formas, pero lo más usual es la utilización de cartelas en L soldadas al tubo anularmente.