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Nueva tubería electrosoldada de PE hasta 4 m de diámetro. Ventajas y aplicaciones
César Lorido
Ingeniero Técnico Industrial. Responsable de Producto – Tubería KRAH
Introducción Históricamente, la elección de los materiales adecuados para las obras de infraestructura ha sido uno de los principales problemas de los ingenieros encargados del diseño de instalaciones fiables y duraderas en el tiempo.
En concreto y para sistemas de conducciones hidráulicas, se intentó durante muchos años resolver el problema de materiales frágiles o demasiado sensibles a la agresión química y condiciones del suelo que acaban provocando la rotura o corrosión de la tubería y por consiguiente, el final de la vida útil de la instalación.
El descubrimiento de los plásticos, considerado uno de los hitos más importantes del siglo XX, junto con el desarrollo continuado de la tecnología asociada a estos nuevos materiales ha dado como resultado un nuevo concepto en la búsqueda del bienestar de la sociedad actual.
Gracias a la facilidad de procesamiento, a las mejores resistencias frente a los agentes químicos y a la nobleza de comportamiento durante la instalación y vida útil de las tuberías, el empleo de los materiales plásticos se ha visto incrementado de forma exponencial durante las últimas décadas.
Sólo después de un largo estudio y conjunto de experiencias acumuladas, nuestra empresa alemana Krah GMBH, uno de los líderes mundiales en el campo de la innovación en la tecnología relacionada con el mundo de los plásticos, desarrolló en 1.968 un nuevo concepto en el diseño de sistemas de tuberías de gran diámetro basado en la optimización del material, dando lugar al nacimiento de la tubería corrugada helicoidal de PEAD. Del mismo modo, la conexión entre tuberías, que siempre fue uno de los principales puntos críticos de este tipo de instalaciones fue resuelto gracias a un sistema 100% fiable y extremadamente rápido en la instalación, del tipo campana-espiga, complementado con la soldadura por Electro-Fusión.
Valiéndose de estos avances tecnológicos, PPA & KRAH es capaz de ofrecer soluciones óptimas en un amplio rango de aplicaciones como se demostrará más adelante.
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Proceso de fabricación de la tubería KRAH
Planteamiento general
El proceso de extrusión es de la siguiente manera: el polietileno de alta densidad (PEAD) funde en el extrusor principal (1) y en el coextrusor de polietileno amarillo (2). Normalmente, el PE que llega al extrusor principal es de color negro para dotar a la tubería de la resistencia UV requerida mientras que el PE que funde el coextrusor (2) es de color amarillo con objeto de facilitar la inspección de la tubería.
El flujo de material del extrusor principal se divide en dos sentidos, un sentido por cada doble cabezal. La relación entre ambos cabezales es regulada por el computador central.
En el primer cabezal (3), el material negro proveniente del extrusor principal se unirá con el material amarillo proveniente del coextrusor y el resultado será una banda sólida de dos colores que conformará el interior liso del tubo.
En el segundo cabezal (4) el caudal de PE recubre a una tubería corrugada de pequeño diámetro de Polipropileno que deberá conformar la sección helicoidal aligerada de la tubería. La razón por la cual se utiliza un molde perdido de Polipropileno para conformar la corruga helicoidal es debido a que el punto de Fusión del PP es superior al del PE por lo que el PE fundido puede recubrir el tubo corrugado de PP sin riesgo de colapso.
Estas dos bandas ya conformadas se unirán en el molde durante su movimiento de rotación para finalmente conformar la tubería. La unidad de extrusión se mueve con una velocidad especificada (V1) a lo largo de la herramienta rotacional de producción (V2).
1 – Extrusor principal. 2 – Co-Extrusor PE amarillo. 3 – Cabezal sección sólida. 4 – Cabezal sección aligerada (corruga). V1 – Movimiento de traslación del extrusor. V2 – Movimiento de rotación del molde.
Principales características de la tuberías KRAH
Los tubos KRAH están actualmente disponibles en España desde Dint 800 mm hasta Dint 4.000 mm. Los tubos son producidos en PEAD o PP en función de la aplicación a la que vayan destinados. La longitud estándar de los tramos de tubería producidos es de 6 m
El diámetro nominal de los tubos KRAH coincide con el diámetro INTERIOR de la tubería de forma que, cualquier cambio en el diseño permitirá aumentar o reducir los espesores de pared o rigidez de la tubería manteniendo constante el diámetro interior y conservando de esta forma la capacidad hidráulica prevista de la instalación.
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La gran resistencia al ataque químico del PEAD posibilita su empleo en instalaciones conductoras de fluidos agresivos garantizando el excelente comportamiento de la tubería frente a la corrosión.
La superficie lisa interior de los tubos KRAH puede ser fabricada, si así se desea, en Polietileno de color amarillo gracias al método denominado “Co-extrusión”. De esta forma, se facilita enormemente la inspección del interior de la tubería.
La tubería KRAH conectada mediante el proceso de soldadura por Electro-Fusión genera un sistema de tuberías homogéneo y continuo, lo cual imposibilita el movimiento relativo de un tubo con respecto a otro debidos a esfuerzos axiales y garantiza una total estanqueidad de la instalación.
El tiempo necesario para llevar a cabo la soldadura por Electro-Fusión varía de 20 min. hasta 30 min., cualquiera que sea el diámetro de la tubería a instalar.
La unión de la tubería KRAH resulta muy sencilla, de forma que se hace innecesario el empleo de personal especializado para llevar a cabo dicha unión entre tubos.
Gracias a la elevada flexibilidad y elongación a la rotura del PE, los tubos KRAH son la mejor solución en los estudios de movimientos de tierra o cargas puntuales extraordinarias no consideradas en el cálculo, debido que la tubería no sufrirá fracturas ni perderá su estanqueidad por el hecho de estar soldada.
La baja rugosidad de pared de la tubería KRAH, unida a su óptimo comportamiento frente a la abrasión, hacen posible el incremento de la velocidad de trasiego del fluido, la reducción de las perdidas de carga en la instalación, el reducido mantenimiento y finalmente la optimización del diámetro de la tubería.
Las superficies redondeadas y suaves de la tubería KRAH no dan a los dientes de los roedores suficiente espacio para que puedan causar daño. Además, el PEAD no es medio nutriente para termitas, bacterias, hongos o esporas, por lo que el material es resistente a todo tipo de ataque microbiano.
La utilización de los tubos KRAH no genera ningún tipo de residuo sólido, ni durante el transporte ni en la instalación.
La completa gama de accesorios disponibles para la tubería KRAH, permite la adaptación de la tubería a cualquier proyecto y necesidades de la instalación.
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PPA & KRAH ofrece la opción de suministro de Pozos de registro en PEAD 100% estancos, de fácil y rápida instalación. Los pozos se sueldan al sistema mediante el mismo método de Electro-Fusión, como si se tratara de un tramo más de tubería.
Gracias a la alta adaptabilidad de la tubería KRAH en función de los diferentes tipos de perfiles disponibles, puede plantearse un estudio pormenorizado tramo a tramo para la obtención de la solución óptima, tanto desde el punto de vista técnico, como económico.
La tubería KRAH es 100% reciclable y no contamina ya que puede refundirse sin que su estructura se modifique sustancialmente, respetando siempre el medio ambiente y manteniendo un valor económico importante al final de su vida útil.
Materiales utilizados
La materia prima utilizada por PPA&KRAH para la aplicación tanto de tubería enterrada como de emisarios submarinos es el PEAD (PE 80 ó PE 100) suministrado íntegramente por Repsol IPF y cuyas propiedades principales, para el PE 80, quedan reflejadas en la tabla adjunta. Destacar la alta ductilidad y elongación a rotura propia de este material que hacen de él un material más noble y versátil que otros materiales más rígidos y por consiguiente más quebradizos y frágiles.
El compuesto negro de polietileno ALCUDIA T-80-N es un grado desarrollado para la extrusión de tubería, que cumple con los requerimientos de las normas UNE EN 12201 y UNE EN 1555, con la denominación PE 80.
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Este compuesto contiene antioxidante para protegerle de la degradación térmica que se produce, tanto en la extrusión, como en la exposición a la luz solar y además lleva un 2.25 ± 0.25 % de negro de carbono bien disperso y finamente dividido, para evitar la acción degradante de la radiación UV del sol.
La tubería fabricada con el compuesto negro de polietileno ALCUDIA T-80-N puede estar sometida a una presión de operación continua correspondiente a un esfuerzo tangencial de trabajo de 6.3 MPa, con un coeficiente de seguridad de 2.
El compuesto negro de polietileno ALCUDIA T-80-N se clasifica como MRS 8.0, es decir, como PE80, según la denominación ISO de los polietilenos para tubería.
Unión Electro-Soldada
La soldadura de los tubos se realizará por el procedimiento de Electro-Fusión. Para ello, las resistencias precisas se integran en el extremo de la campana (hembra) durante el ciclo de producción del tubo. El extremo de la espiga (macho) se fabrica mecanizado, de manera tal que encaje con la tolerancia requerida en el extremo de la campana. Así, los tubos se pueden ensamblar y soldar en obra sin problema. Antes del transporte a obra de las tuberías, los extremos de la tubería son protegidos por una película plástica gruesa para asegurarse que los tubos llegan limpios e indemnes a obra.
Los tubos se ensamblan en obra conectando las resistencias del sistema a una máquina de soldadura por Electro-Fusión (capacidad 50 V, 130 A, C.C). Las resistencias integradas en la campana se calientan. El material circundante se funde y la unión de las tuberías se completa por un proceso de fusión en masa. El ciclo de soldadura termina en un periodo de 20-30 minutos dependiendo del diámetro del tubo a soldar. Una vez dejado enfriar el tubo durante una hora, la unión esta lista para ser sometida a los esfuerzos normales de servicio.
La unión Electro-Soldada de PPA&KRAH ha sido también modelizada y probada, tanto por el método de elementos finitos como mediante ensayo de “pelado” llevado a cabo en laboratorio homologado Becetel en Belgica, demostrando que al ser sometida la unión a esfuerzos máximos de colapso, la probeta ensayada rompe siempre a nivel de tubería y nunca en la región de la unión soldada, que demuestra ser más resistente que la propia tubería.
Las principales ventajas de la soldadura por Electro-Fusión son las siguientes:
- Unión 100% estanca y permanente. - Rapidez en la soldadura. - Puede utilizarse el equipo de Electro-Fusión mientras la anterior soladura está aún en periodo de
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enfriamiento. - Ensamblaje rápido usando varios equipos de soldar al mismo tiempo.
Aplicaciones principales de la tubería KRAH
Tuberías enterradas - Pluviales / Saneamiento.
Dentro de esta definición encontramos aplicaciones más concretas como son las siguientes:
- Conducciones de aguas residuales. - Colectores para aguas pluviales. - Accesorios y Pozos de registros. - Sustitución de acequias. - Interconexión de equipos en EDAR. - Aplicaciones industriales. - Rehabilitación de colectores deteriorados.
Para todas las aplicaciones mencionadas arriba, el cálculo de la tubería óptima a instalar con total garantía estructural y de durabilidad se realiza mediante la aplicación de la norma de cálculo estructural ATV-A127 y cuyo software de cálculo Easy-Pipe permite obtener la rigidez circunferencial y el perfil de tubería apropiado para garantizar el cumplimiento de los coeficientes de seguridad marcados por norma, tanto a corto como a largo plazo.
Destacar que la norma ATV-A127 tiene en consideración la disminución del módulo de elasticidad del PEAD sometido a cargas con el paso del tiempo. De esta forma, podemos asegurar el correcto comportamiento de la tubería suministrada de acuerdo a norma para el proyecto específico estudiado.
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El concepto de la “rigidez” del tubo define la resistencia estructural del tubo frente a cargas estáticas como el propio peso del terreno o cargas dinámicas como las derivadas del transito de vehículos sobre la tubería instalada en zanja.
La rigidez circunferencial es una medición de la resistencia de un tubo a la deflexión circunferencial, determinada mediante ensayo.
La norma DIN 16961 es una norma específica de fabricación y ensayos de tuberías plásticas. Las principales particularidades de la norma DIN 16961 son las siguientes:
1 – Consideración de tuberías plásticas hasta Dint. 3.600 mm 2 - Consideración del efecto de fluencia característico de los materiales plásticos.
Destacar que al igual que la norma de cálculo ATV-A127, la norma DIN 16961 considera la regresión en el módulo de elasticidad de los materiales plásticos sometidos a cargas. De hecho, el ensayo de rigidez circunferencial, de acuerdo a DIN 16961, no se efectuará en tiempo prácticamente instantáneo como se realiza según norma ISO sino que se verificará únicamente a las 24 horas de someter a la tubería ensayada a la carga vertical pertinente, previamente calculada según norma para satisfacer la rigidez circunferencial prevista.
De acuerdo con la norma DIN 16961 la rigidez circunferencial SR24 se calcula según la ecuación:
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24r
IES C
R
×=
SR24 = Rigidez circunferencial a 24 horas. EC24 = Modulo de elasticidad del material a las 24 horas de su puesta en servicio. I = Momento de Inercia de la sección de la tubería. r = Radio a la línea neutra de la pared de la tubería.
SR24 es el parámetro empleado para definir la rigidez de una tubería flexible, según norma DIN 16961, que está también vinculada a la norma de cálculo ATV A127, cuyo software utilizado por PPA & KRAH, posibilita la selección de perfiles y espesores óptimos para cada proyecto en particular.
El perfil apropiado en cada caso se fabricará para satisfacer la rigidez circunferencial precisa, según norma DIN 16961.
Dicho perfil podrá contar con una o varias secciones aligeradas como se muestra en las ilustraciones expuestas abajo, de forma que las propiedades estructurales del perfil adecuado podrán ser mucho más elevadas para poder satisfacer solicitudes mayores de cargas y poder responder a la necesidad de fabricación de la rigidez apropiada, también para grandes diámetros, hasta de 4.000 mm Dint.
Una de las grandes ventajas de la tubería KRAH es la de poder adaptarse, gracias a la disposición casi ilimitada de diferentes perfiles, a cualquier obra singular pudiendo conseguir una mayor rigidez que las alcanzadas por los sistemas de tuberías plásticas tradicionales existentes en la actualidad.
PPA & KRAH dispone de la gama completa de accesorios que permiten y facilitan las interconexiones o derivaciones de ramales imprescindibles en cualquier tipo de conducción.
Una de las construcciones más destacables, llevadas fácilmente a cabo mediante la tubería KRAH son los pozos de registro. Cualquier diseño del pozo de registro puede ser desarrollada y resuelta por la tubería KRAH. De forma estándar, los pozos de registro se suministran incluyendo una longitud de 1 m de los tramos inferiores del tuberías horizontales de entrada / salida, con extremos macho-hembra y resistencia de Electro-Fusión incluida. De esta forma, los pozos de registro se sueldan a las tuberías adyacentes con el mismo método de Electro-Fusión, como si se tratara de un tramo más de tubo y generando de esta forma un sistema de tuberías totalmente homogéneo, continuo y estanco.
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PPA & KRAH suministra soluciones prácticas y económicas para cualquier componente especial que sea requerido en la instalación del sistema de tuberías. El material utilizado es siempre el mismo que el propio del tubo principal y el método de unión a ejecutar será preferencialmente la Electro-Fusión.
PPA & KRAH está en disposición de estudiar y realizar cualquier tipo de construcción especial con el fin de satisfacer las necesidades de una instalación en concreto.
Emisarios submarinos.
La realización de emisarios submarinos es otra de las principales aplicaciones para la tubería KRAH.
PPA & KRAH cuenta con el asesoramiento técnico del departamento de Puertos y Costas de Técnicas Reunidas, cuya experiencia en el campo de los emisarios submarinos de gran diámetro está más que probada.
De la misma forma, se ha llevado a cabo un estudio por elementos finitos en colaboración con la universidad Politécnica de Madrid para demostrar el óptimo comportamiento de la solución propuesta por PPA & KRAH a la hora de ser sometida a los esfuerzos máximos generados por el proceso típico de hundimiento en “S” durante la maniobra de tendido del emisario en el fondo marino.
La tubería KRAH, además de poseer el espesor de pared sólida necesario para cada proyecto concreto, cuenta con una rigidez circunferencial normalmente superior a la rigidez de las tuberías sólidas tradicionales, estando siempre del lado de la seguridad durante el proceso de fondeo en “S” del emisario y garantizando la resistencia de la tubería a largo plazo frente a la presión negativa o de succión intrínseca de la instalaciones de captación de agua de mar como ocurre en plantas desaladoras o piscifactorías.
Adicionalmente, los lastres de hundimiento tienen un diseño tal que permiten posicionarlos en la tubería en una sola pieza, sin el empleo de los tornillos de acero inoxidable de alta calidad normalmente requeridos, en las instalaciones de tierra y mediante colada de un mortero de hormigón dejarlos adheridos (embebidos) en la zona de unión de las tuberías, gracias al cambio de sección generado a la altura de la campana (hembra) de unión, garantizando así la ausencia de problemas por deslizamiento de los lastres durante el hundimiento en “S” y
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evitando la corrosión galvánica de la tornillería tradicional de amarre de lastres, inexistente en la solución con tubería KRAH.
Las cañas de tubería PEAD de 6 m de longitud se irán soldando en tierra y se irán colocando simultáneamente los lastres de hundimiento. Estos lastres se hormigonarán al final de la jornada de trabajo para permitir su fraguado durante la noche y posibilitar su arrastre hacia el agua al principio del día siguiente. Para ello se dispondrá un sistema de raíles según se muestra en las fotos y planos adjuntos. Los raíles terminarán en una rampa de lanzamiento que penetre en el agua y permita una “S” suave de transición entre el tramo de tierra y el
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tramo flotado ya en el agua.
Los lastres se colocarán sobre carros de acero que a la vez podrán desplazarse por los raíles citados anteriormente. Cada vez que se arrastre parte del colector hacia el agua, se tendrán que recuperar los carros que porten los lastres que van introduciéndose en el mar.
La tubería se irá soldando para formar tramos de longitud máxima aprox. 400 m y se dispondrán anclados en puerto hasta que se pueda proceder a su transporte y hundimiento en su ubicación definitiva.
Previamente en tierra y para tuberías específicas de captación de agua de mar, se deberán haber colocado en los tramos del colector PEAD el tubo de PEAD de pequeño diámetro para dosificación del hipoclorito, alojándolo entre el lastre y el tubo de captación, anclándolo a la corruga del tubo en varios puntos entre lastres y terminando los extremos en brida al igual que los diferentes tramos del colector de captación al que va adherido de tal manera que se puedan unir en el fondo marino mediante tornillos a la vez que se realice el atornillado de las bridas de la tubería de captación.
Las bridas locas y bridas ciegas de hundimiento serán realizadas en PRFV y la tornillería de apriete de dichas bridas será suministrada en material epoxy por lo que se evitará en cualquier caso el empleo de materiales metálicos y sus problemas inevitables de corrosión con el paso del tiempo. La resistencia de dichas bridas y tornillos será equivalente a la del acero que sustituye y será debidamente certificada por el Departamento de Puerto y Costas de Técnicas Reunidas.
Otra característica propia de las solución que ofrece PPA & KRAH para la realización de emisarios submarinos es la existencia en la de una pared interna de PEAD de color amarillo de alrededor de 1 mm de espesor, lo cual facilitará especialmente las labores de inspección de la tubería, una vez ya esté en servicio.
El SDR es un concepto muy generalizado y de claro contenido, aplicado en la normalización para definir clases de tuberías. Se define como la relación entre el diámetro exterior de un tubo y su espesor.
Los sistemas de tuberías KRAH donde las tuberías son denominadas por el diámetro interior (Dint) se puede calcular el SDR equivalente, en términos de rigidez circunferencial, por la fórmula:
Teniendo => 3 12×= xIs
Obtenemos finalmente el SDR equivalente, en términos de rigidez circunferencial, para la tubería KRAH:
s
DeSDR =
s
sDSDR
2int+=
112
13
×
×=
sIx
3
3
12
12int
×
×+=
x
x
I
IDSDR