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En tuberías…somos la mejor opción.

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CONSIDERACIONES DE DISEÑO TUBERÍA SADMX 3408

Los métodos para diseñar un sistema de tuberías son muy diversos. A continuación les presentamos una guía de consideraciones. Se selecciona una tubería con la capacidad de presión correcta con base a los requerimientos de operación del proyecto. Después se escoge un tamaño designado para transportar el fluido requerido. El diseño se completa evaluando la capacidad de la tubería para funcionar cuando es instalada correctamente. CONSIDERACIONES:

• Determinar el espesor de la pared del tubo (RD) para cumplir con los requerimientos de presión del proyecto.

• Si se requiere reevaluar la tubería (RD) en base a las condiciones de operación del sistema.

• Evaluar los requerimientos de flujo del sistema para determinar el diámetro de la tubería.

• Verificar la capacidad de la tubería para funcionar bajo las condiciones de instalaciones planeadas. Por ejemplo calcular la profundidad a enterrar el tubo, efectos térmicos, etc.

• Ajustar el espesor de la tubería de acuerdo a las cargas externas. • Revisar el tamaño y espesor de la pared de la tubería para cumplir con

los requerimientos de flujo, presión y carga externa cuando el sistema esta instalado y operando como se diseño.

PRESION DEL SISTEMA La mayoría de los sistemas de tubería están diseñados para un de tres tipos de servicios: 1.- Flujo presurizado, 2.- Flujo por gravedad y 3.- Flujo a vació. Cuando se diseña un sistema de tubería presurizado, la tubería seleccionada debe de contener la presión interna de una manera segura. En un sistema no presurizado, como un drenaje, la selección de la tubería depende de los factores de flujo y estructurales. Los sistemas de tubería de vació deben resistir colapsos. Para cada instalación el ingeniero de diseño debe utilizar criterios y cálculos diferentes.

El diseño de una tubería de polietileno esta basado en el RD de la tubería; por definición, el radio dimensional (RD) es la razón del diámetro exterior de la tubería a su mínimo espesor de pared.

OD RD= ______ t


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Donde: RD= Radio Dimensional estándar. OD= Diámetro exterior de la tubería. t= Mínimo espesor de la pared de la tubería. Para un RD dado, la razón del diámetro exterior al espesor mínimo de la pared queda como una constante. El diámetro exterior de una tubería RD 11 es once veces el grosor de la pared. Esto es cierto para todos los diámetros. Las bases del diseño hidrostático se establecen utilizando los procedimientos definidos en el ASTM D 2837 el Esfuerzo de Hidrostático de diseño (S) es calculado dividiendo la Base de Diseño hidrostático (HDB) por un factor típico de seguridad de 2.0 para cuando se maneja agua. Este factor de seguridad es un estándar aceptado por la industria, que ha sido diseñado para preservar la integridad de la tubería así como para proteger al público. Los factores de seguridad usados para calcular la tensión hidrostática del diseño pueden variar según la industria y las agencias reguladoras. Base de Diseño hidrostático 1,600 psi. (23° C @ 100,000 horas). Esfuerzo hidrostático de Diseño. 800 psi. Factor de Seguridad. 2.0 El uso de una presión de diseño mayor puede reducir el factor de seguridad y acortar la vida de servicio del sistema. Por lo que se tendrá que revisar dos veces el Esfuerzo hidrostático de Diseño de acuerdo a la formula industrial aceptada como se define en el ASTM D 2837. 2St P = ______ (D – t) Donde: P = presión de Trabajo (WPR). D = Diámetro exterior promedio. S = Esfuerzo hidrostático de Diseño. t = Espesor mínimo de la pared.


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Tuberías para Presión Positiva La clasificación de la presión de la tubería termoplástica se calcula usando el RD y el esfuerzo hidrostático de diseño. La tubería de polietileno con un valor numérico alto de RD tiene una clasificación de presión más baja que una tubería con un RD bajo. La formula relacionada al RD y el esfuerzo hidrostático de diseño ha sido adoptada por la ISO Organización Internacional de Estándares), la ASTM (Sociedad Americana de Pruebas y Materiales), y el PPI (Instituto de Tuberías Plásticas) como estándares de la industria. La formula es: 2St 2S P = _______ o P = _______ OD - t RD – 1 Donde: P = presión de Trabajo, psi o Kg/cm2. OD = Diámetro Exterior de la tubería, Pul o cm. S = Esfuerzo hidrostático de diseño, psi o Kg/cm2. t = Espesor mínimo de la pared, pul. o cm. RD = OD / t. Todas las tuberías del mismo RD –sin importar el diámetro- tienen la misma clasificación de presión para una presión de diseño dada. Las clasificaciones de presión para materiales PE 3408 se muestran en la siguiente tabla. Estos valores están basados en las condiciones estándar de diseño en la industria, utilizando agua a 23° C y un esfuerzo hidrostático de diseño de 800 psi. RD 7 9 11 13.5 15.5 17 21 26 32.5 Presión psi. 267 200 160 128 110 100 80 64 51 Presión Kg / cm2. 19 14 11.2 9 7.8 7 5.6 4.5 3.6 Golpe de Ariete El liquido que fluye tiene un impulso (momento) y una inercia. Cuando el flujo es detenido súbitamente, la inercia de la masa del flujo se convierte en una onda de choque. Se genera una columna estática alta dentro de la tubería presurizada. Algunas de las causas más comunes de los cambios hidráulicos son abrir y cerrar –total o parcialmente- válvulas arranquen y paro de bombas, variaciones de velocidad en turbinas, oleaje en depósitos, separación de líquidos de una columna y el aire atrapado en la línea.


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Las ondas de presión rápidas son ondas de choque conocidas como “Martillo de Agua” o golpe de ariete. Debido al martillo de agua, la presión de las ondas de choque corre de un lado a otro de la tubería haciéndose más débil progresivamente cada martilleo. La presión de onda máxima resulta cuando el tiempo requerido para cambiar la velocidad de flujo de una cantidad determinada es igual o menor a 2 L / S como se muestra en la siguiente formula: 2L t ≤ _____ S Donde: L = Longitud de la tubería, pies. S = Velocidad de la presión de la ola, pies / s. t = Tiempo, s. S se determina: K x E S = 12x _____________________ (w / g) x {E + (K x RD)} Donde: S = Velocidad de la presión de la ola, pies / s. K = Modulo de masa del liquido, psi = 300,000 psi para agua. E = Modulo de elasticidad del material de la tubería, psi = 100,000 (corto plazo). RD = Radio Dimensional. w = Peso unitario del fluido. g = Aceleración de la gravedad = 32.2 pies / s2. El exceso de presión originado por el matillo de agua es w S Vc Ps = ________ 144 g


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Donde: Ps = Cambio en la presión, psi. Vc = Cambio en la velocidad, pies / s durante un tiempo critico 2L / S w, g y S, tal como se muestran arriba. Ejemplo: Hay agua fluyendo en una tubería con un RD de 32.5 a una velocidad de 10 pies/s. Determinar el incremento máximo de presión cuando se cierra una válvula en un tiempo igual o menor a 2L/S. Donde: RD = 32.5 K = 300,000 psi E = 100,000 psi (300,000 x 100,000) S = 12x ______________________________________ = 476 pies/s. (62.4 / 32.2) x {100,000 + (300,000) (32.5)} 62.4 x 476 x 10 Ps = _______________ = 64.1 psi. 144 x 32.2 Cuando el tiempo para detener el flujo es mayor que 2L/S, el cambio en la presión puede ser minimizado. Se debe dar particular atención a la porción final del cierre de la válvula. Es en este tiempo cuando se tiene el máximo efecto en la velocidad del líquido que fluye. El incremento actual de la presión causado por el cierre de la válvula es difícil de determinar, pero un tiempo de cierre de 10 veces 2L/S para una válvula de compuerta con características lineales de cierre debe reducir la onda de presión a un rango de 10% a 20% de la onda causada por el cierre en un tiempo igual o menor de 2L/S. En general, un buen diseño de sistema eliminara las válvulas de abertura / cierre rápido. El ingeniero de diseño debe tomar en cuenta las presiones de onda cuando selecciona el espesor de la tubería. Las siguientes reglas de dedo pueden ser de utilidad:

• Las presiones de onda en las tuberías de polietileno son significativamente menores que aquellas encontradas en tuberías rígidas bajo las mismas condiciones.

• Las ondas de golpe ocasionales pueden ser consideradas dentro del factor de seguridad del diseño. Debido al corto tiempo de duración de la


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• presión de onda, se puede aceptar presiones de onda de choque

ocasionales de 2.0 veces el rango de presión RD a 23°C • Si se espera una presión de onda o un martillo de agua en el sistema, se

debe de mantener la velocidad de flujo del sistema en un nivel conservador.

• Si se espera una presión de onda o un martillo de agua se debe maximizar el tiempo para cerrar una válvula o reducir el fluido. Se sugiere ciclo de corte 6-10 veces el tiempo de 2L/S para minimizar las presiones de onda mediante la desaceleración gradual del flujo. Si se presentan presiones de ondas constantes y repetitivas, se debe agregar el exceso de presión a la presión nominal de operación cuando se seleccione el RD de la tubería.

Tensión Longitudinal Cuando una tubería esta totalmente presurizada, se desarrollan tensiones longitudinales en la pared del tubo. La tensión longitudinal se calcula de la siguiente manera: μ P (OD – t) SL = ____________ 2 t Donde: SL = Esfuerzo de tensión longitudinal, psi. P = presión interna de operación, psi. μ = Radio de Poisson (= 0.45 para HDPE). OD = Diámetro exterior de la tubería, pulgadas. La mayoría de los sistemas de tubería presurizadas operan bajo un doble estado de tensión perimetral y tensión longitudinal. El factor de tensión longitudinal ya esta incluido en la clasificación de presión de la tubería. Flujo del fluido La tubería de polietileno tiene excelentes propiedades de flujo. Como la tubería de polietileno tiene menos arrastre y menos turbulencia en flujos altos, puede transportar un mayor volumen de fluido que una tubería de acero, hierro fundido o concreto del mismo diámetro. La tubería SADMX 3408 es resistente a la corrosión y menos susceptible a los depósitos y crecimiento de bacterias. A diferencia de otros materiales, el polietileno mantendrá estas características de flujo a lo largo de toda su vida de servicio.


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Estimaciones de Flujo Inicial Cuando se conoce el diámetro interior de una tubería en particular y se escoge la velocidad nominal, el rango de flujo (gpm) puede ser calculado utilizando: 1.- Q = 2.449 V (ID)2

Q 2.- ID = 0.639 ___ V Q 3.- V = (_____) x 0.408 ID2

Donde: Q = Galones por minuto, gpm. V = Velocidad, pies/s. ID = Diámetro Interior, pulgadas. Utilizando estas formulas, el ingeniero puede calcular un diámetro interior aproximado, el rango de flujo o la velocidad de flujo cuando las otras dos variables son conocidas o estimadas. Fluido Presurizado Existen varias ecuaciones que muestran la relación entre el flujo del fluido y la caída de presión en una tubería determinada. Las ecuaciones generalmente contienen un factor de fricción basado en el material de la tubería. La ecuación Darcy-Weisbach es comúnmente utilizada. Esta ecuación requiere del diagrama de factor de fricción de Moody o de una ecuación para calcular el factor de fricción de la tubería basado en su rugosidad relativa. El factor para tuberías SADMX PE 3408 es ε = 7 x 10–5 pies ó ε = 8.4 x 10-4 pulgadas. La ecuación de Darcy-Weisbach y la expresión Colebrook-White para el factor de fricción se muestra a continuación. El diagrama Moody no se muestra en esta publicación.


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Darcy-Weisbach: L V2 hf = f ___ ____ d 2g Colebrook-White: 1 2.51 ε / d

______ = -2 log {____________ + _______} f Re f 3.7 Donde: hf = Perdida de fricción. d = Diámetro interior. V = Velocidad. g = Aceleración gravitacional. f = Factor de fricción. ε = Factor de rugosidad. Re = Numero de Reynolds. L = Longitud. Para obtener una solución más simple de flujo, generalmente se utiliza la formula Hazen-Williams. Hazen Williams 452 Q1.85 ∆P100 = __________ C1.85 D4.86


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Donde: ∆P100 = Perdida de presión por fricción, psi por 100 pies de tubería. Q = Flujo del fluido, U.S. gpm. C = Coeficiente de la tubería (150 HDPE). D = Diámetro interior, pulgadas. La siguiente información puede ser de utilidad:

• Una tubería con mayor diámetro tendrá una velocidad mas baja y menor caída de presión a un rango de fluido dado.

• Una tubería con menor diámetro tendrá una velocidad mayor y una caída de presión mayor a un rango de fluido dado.

• La perdida por fricción es menor en tuberías con mayor diámetro que en las más pequeñas con flujo a la misma velocidad.

El coeficiente C es esencialmente un factor de fricción.

Valores C Hazen Williams

Material de Tubería

150 Tuberías de polietileno PE 3408. 140 Tubería de Acero nueva.

Tubería de Vidrio. Asbesto Cemento.

130 Tubería de Cobre. Fierro Colado nuevo.

125 Tubería de Acero vieja. 120 Tubería de Madera.

Tubería de Concreto. Tubería de Fierro colado, 4-6 años.

110 Tubería de Fierro colado 7-12 años. Acero galvanizado.

100 Tubería de Fierro colado 13-20 años. Acero Galvanizado 5 años.

90 Tubería de Fierro colado 26-30 años. 60 Tubería de Acero Corrugado.

Caída de Presión por Accesorios Las conexiones incrementan las perdidas de presión en un sistema. Para calcular el efecto de las conexiones en el flujo de un sistema, estas son convertidas en pies de tubería equivalentes. El diámetro interior de la conexión (pies) se multiplica por el valor apropiado para calcular una longitud de tubería


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Equivalente (en pies de tubo). Este valor se añade al total de pies del sistema de tuberías cuando se calcula la perdida de presión total del sistema. Estas longitudes equivalentes pueden ser consideradas como una aproximación aceptable para la mayoría de las instalaciones.

Conexión Fabricada Longitud Equivalente Tee recta. 20 D Tee ramal (con silleta). 50 D Codo de 90°. 30 D Codo de 60°. 25 D Codo de 45°. 18 D Yee de 45°. 60 D Válvula Globo (abertura total). 350 D Válvula en ángulo (abertura total). 180 D Válvula para compuerta de entrada (abertura total). 15 D Válvula de mariposa (abertura total). 40 D Válvula Check. 100 D Las conexiones fabricadas son elaboradas de segmentos de tubo utilizando el método de fusión a tope. Debido a las consideraciones geométricas, el rango de presión de tee´s Yee´s y codos fabricados es aproximadamente 75% del rango de presión de la tubería utilizada para hacer la conexión. Para obtener un sistema de rango de presión completo, las Tee´s, Yee´s y codos fabricados deben ser fabricados de una tubería de pared más gruesa. La conexión puede ser reforzada externamente como una manera alternativa para obtener el rango de presión total. La necesidad de refuerzos, encofrados o cualquier otro tipo de soporte, debe ser evaluada para cada instalación. PERDIDA DE PRESION PARA FLUIDOS VISCOSOS Fluidos con base agua

Para fluidos con base de agua con viscosidad diferente al agua pura, se puede calcular un estimado de la perdida de presión al multiplicar la perdida de presión por fricción de Hazen Williams por la gravedad especifica del fluido.

Fluidos que no son base Agua Cuando en las tuberías el numero de Reynolds del fluido es menor que 1200, existe un fluido viscoso. El número de Reynolds puede ser calculado de la siguiente manera:


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50.7 Q p Re = __________ d μ Donde: Q = Rango del fluido, gpm. d = Diámetro interior, pulgadas. p = Densidad del fluido, lb / pies3. μ = Viscosidad absoluta (dinámica). La perdida de presión para un fluido viscoso, típica de algunos aceites y líquidos distintos que el agua, puede ser calculada de la siguiente manera: 0.0237 x Q μ ∆P100 = ____________ d4

FLUJO POR GRAVEDAD Los sistemas de flujo por gravedad transportan fluido sin bombeo. Son sistemas típicos sin presión. En algunas instalaciones la columna de agua puede causar presión en un sistema de flujo por gravedad. Algunas pueden operar con flujo total (tubo lleno) y algunas pueden operar parcialmente. Flujo lleno Un sistema de gravedad a flujo lleno requiere: 1.- El requerimiento de rango de flujo en galones por minuto, 2.- La pendiente de la tubería y 3.- La identificación de un diámetro interno apropiado. Basado en una situación de flujo lleno, el rango de flujo en galones por minuto puede ser calculado con la ecuación de Manning. El flujo volumétrico en un sistema de gravedad puede ser determinado con la formula de manning: Q = 98.3 A Rh2/3 S1/2 Donde: Q = Flujo, gpm. Rh = Radio hidráulico, pulgadas (área de flujo de la sección transversal dividida entre el perímetro húmedo).


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Rh = ID / 4 para flujo lleno. S = Pendiente, pies/pies. V = Velocidad, pies / s. A = área de la sección transversal de la tubería, pulgadas2. La formula anterior es una derivación de la formula de manning e incluye un valor “n” de 0.009. La velocidad, el diámetro interior y la pendiente pueden ser calculados con las siguientes ecuaciones: 0.320 Q V = ________ A 0.03279 Q ID = 2.67 __________ S1/2 0.001075 Q2 S = ___________ ID5.34

Flujo Parcialmente lleno Una línea por gravedad conducirá mas liquido cuando trabaja al 85% - 95% de su capacidad que cuando lo hace al 100%.


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% Lleno Velocidad (como un % de flujo

lleno)

Capacidad de Flujo (como un % de flujo lleno)

100 100 100 95 111 106.3 90 115 107.3 80 116 98 70 114 84 60 108 67 50 100 50 40 88 33 30 72 19 20 56 9 10 36 3

Comúnmente, la tubería a gravedad a flujo parcial se evalúa como una tubería a flujo lleno de un diámetro equivalente diferente, pero mas pequeño. El diámetro equivalente cumple con todas las características hidráulicas de una tubería a gravedad de flujo parcial mas grande. La velocidad, el rango de flujo gpm y la pendiente son idénticos en cada caso. El diámetro equivalente es cuatro veces el radio hidráulico (DE = 4 x Rh). El radio hidráulico para tuberías de flujo a gravedad parcialmente lleno se define como el radio del área de flujo de la sección transversal dividido entre el perímetro húmedo. Ejemplo: En una pendiente de 0.01 pies / pies, una tubería de 20” de diámetro interior conducirá aproximadamente 9000 gpm a una velocidad de 9.0 pies / s a flujo lleno. Según la tabla a flujo por gravedad, ¿Qué flujo transportara si se tiene un tirante de agua de 15”? Dp 15” ___ = _____ = 0.75 DF 20” Qp = QF x 0.91 = 9000 x 0.91 = 8190 gpm


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Vp = VF x 1.15 = 9.0 x 1.15 = 10.35 pies / s En los sistemas de flujo a gravedad no son tuberías sujetas a presión interna. La línea debe ser capaz de soportar cualquier carga originada por el nivel freático a largo plazo a largo plazo. si existen áreas donde se prevén efectos de sifón (vació), el vació interno (en pies de agua) debe añadirse a la columna hidrostática externa como una presión externa aparente. Cuando la línea principal opera bajo presión, frecuentemente la presión interna excede cualquier columna hidrostática. Suspensiones Una suspensión es una mezcla de dos fases de partículas sólidas en una fase acuosa donde las dos fases no reaccionan químicamente y pueden ser separadas por medios mecánicos. Los sistemas de suspensión se dividen en dos tipos:

• Sedimentables. • No Sedimentables.

Las suspensiones no sedimentables adoptan en su flujo las características de un fluido viscoso. Dichas suspensiones se diseñan de acuerdo a procedimientos estándar con tolerancias para viscosidades mas altas. La mayoría de las aplicaciones de suspensiones son del tipo ´sedimentables´. Los sólidos tienden a sedimentarse al paso del fluido. Cuando la velocidad del fluido se reduce, el flujo pasa por fases de sedimentación. Las tendencias de sedimentación frecuentemente se contrarrestan con incrementos en la velocidad del flujo.

Flujo de fases Los cambios en la velocidad del flujo de una suspensión afectan el tipo de flujo. Si la velocidad inicial del flujo es alta después se disminuye gradualmente, la suspensión pasara por cuatro formas de flujo:

• Flujo Homogéneo: Este término describe un sistema en el que los sólidos están distribuidos en el líquido de manera uniforme. Esta es la más deseable de todas las formas de flujo por que las partículas no tienen contacto con la pared de manera frecuente, lo que reduce la abrasión.

• Flujo Heterogéneo: Los sólidos tienden a fluir más cerca del fondo de la tubería pero no se desliza sobre este. Esta es la forma de flujo mas económica y es comúnmente utilizad para sólidos del tamaño de arena.

• Flujo de Salto: En esta forma, las partículas sólidas tienden a rebotar en el fondo de la tubería. Este flujo es particularmente agresivo en la abrasión de la tubería. Debido a la resilencia de la tubería de polietileno, las partículas tienden a saltar y rebotar. En


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una tubería de acero, las partículas se endurecen en la superficie de la pared y cincelan el acero.

• Flujo de cama Deslizable: Esta forma de flujo es generalmente no

satisfactoria. Los sólidos se deslizan y ruedan sobre el fondo de la tubería. La erosión excesiva a lo largo de la tubería ocurre de manera rápida. Frecuentemente pueden ocurrir bloqueos.

Las Formas de flujo de cama deslizable y de salto pueden ser transformadas en formas homogéneas o heterogéneas incrementando la velocidad del flujo, aunque el costo de operación (como ejemplo requerimientos de potencia) puede aumentar de manera significativa. Velocidad Crítica Cuando la velocidad de flujo de una suspensión esta por debajo de la velocidad critica, las partículas sólidas tienden a caerse de la suspensión y asentarse en el fondo de la tubería. La velocidad crítica se determina por el tamaño y forma de las partículas, la distribución de tamaños de partícula y la densidad del fluido de transporte. Velocidad de Transición Crítica Algunos sólidos (por ejemplo ceniza fina volátil) forman un fluido viscoso con el fluido del transporte. Cuando la velocidad de flujo de dichos fluidos hace una transición de una región de flujo turbulento a una región de flujo laminar, la viscosidad de un fluido homogéneo cambia de una mezcla suave a una mezcla separada. Cuando se detiene la turbulencia y se desarrolla un flujo laminar, la forma de flujo homogénea termina y comienza la forma de salto o la cama deslizable. El flujo turbulento es necesario para mantener los sólidos en suspensión. Las siguientes reglas pueden ser de utilidad al diseñar un sistema de tubería para este tipo de suspensión:

• Conforme aumenta la viscosidad de la suspensión, la velocidad del flujo debe ser incrementada para prevenir sedimentaciones.

• Conforme aumenta la concentración de sólidos, la velocidad de flujo debe ser incrementada para prevenir sedimentaciones.

• Conforme aumenta el tamaño de las partículas, la velocidad de flujo debe ser incrementada para prevenir sedimentaciones.

• Las suspensiones con alta concentración de partículas finas pueden ser más abrasivas que las suspensiones con partículas de mayor tamaño. La razón básica es el contacto partícula / pared es mayor y mas frecuente con una suspensión fina.

Velocidad Crítica de Depositacion Algunas partículas sólidas formaran una suspensión heterogénea en vez de un fluido homogéneo y viscoso. En el fluido horizontal la inercia y el peso de


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las partículas son predominantes. Aun en flujo total, las concentraciones de sólidos a lo largo del fondo de la tubería son mayores que en la parte superior. A la velocidad critica, el peso de las partículas excede la capacidad del fluido de mantener la suspensión y el sólido comienza a formar depósitos en el fondo de la tubería. Entonces la velocidad crítica es la velocidad de depositacion. La velocidad de depositacion, comúnmente turbulencia, es una función del tamaño de las partículas, su densidad y la concentración de sólidos. Por ejemplo, las altas concentraciones de grava grande y pesada en agua deben ser mantenidas a una velocidad muy alta para prevenir sedimentaciones. Las siguientes reglas pueden ser de utilidad al diseñar un sistema de tubería para dicho tipo de suspensiones:

• Conforme aumenta la velocidad de caída de las partículas, la velocidad de depositacion debe ser incrementada para mantener un flujo heterogéneo.

• Hablando en general, conforme aumenta el tamaño de las partículas, la velocidad de depositacion debe incrementarse.

• Conforme aumenta la densidad de los sólidos, la velocidad de depositacion debe incrementarse.

• Conforme aumenta la concentración de sólidos en el fluido, la velocidad debe incrementarse.

• Conforme aumenta el diámetro de la tubería, la velocidad de depositacion debe ser incrementada para mantener la turbulencia y prevenir la sedimentación.

• La velocidad crítica de depositacion representa el limite mas bajo de seguridad de operación debido al incremento de abrasión, sólidos, sedimentos y obturaciones.

Suspensiones de Carácter Dual Muchas suspensiones comerciales son de carácter mixto y muestran un comportamiento de ambas sedimentaciones, de depositacion y de transición. La distribución del tamaño de los sólidos puede permitir que las partículas finas se unan al fluido para formar un patrón de fluido viscoso y homogéneo, mientras que los sólidos gruesos están suspendidos de manera heterogénea. Una suspensión de carbón es un buen ejemplo de este comportamiento dual. Para estas aplicaciones, así como las líneas de suspensión para largas distancias, el ingeniero de diseño debe considerar el flujo turbulento para toda la longitud de la línea. Estas reglas adicionales y tips de diseño pueden ser de utilidad en una aplicación específica:

• En general, entre mas pequeña sea la partícula, es mas fácil de transportar en una suspensión.

• La formula de la partícula afecta el rango de sedimentación (velocidad de caída) de la misma en el fluido.

• Mientras más esférica es la partícula, mas rápido se sedimenta. • Las partículas más pesadas requieren velocidades de transporte mas

altas.


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• Los fluidos de transporte mas pesado, como el agua salada, reducen el peso de la partícula través de la flotabilidad y reducirá las velocidades de sedimentación y transportación.

• El uso de fluidos viscosos, como en suspensiones finas o de aceites, reduce la velocidad de sedimentación. Por lo tanto, se pueden utilizar velocidades de transportación mas bajas para sólidos pesados.

• En general, las suspensiones son bombeadas a una concentración de menos de 25% en volumen.

• Las suspensiones son comúnmente especificadas en términos de concentración por peso. Dichas especificaciones deben seguir los criterios previos normalmente, tomando en cuenta la densidad a granel de los sólidos.

Aplicaciones de Suspensión La tubería SADMX PE 3408 es excelente para transportar diferentes tipos de suspensiones. Las aplicaciones de suspensiones mas comunes incluyen líneas de dragado, suspensión de carbón o piedra caliza, astillas de madera, arena, desechos de minas y muchas otras. Las líneas de suspensión se instalan usualmente sobre el suelo. Esto da como resultado un acceso más fácil a las líneas si ocurre alguna obstrucción. Además, la tubería se puede girar para distribuir el desgaste en forma mas uniforme en la totalidad del diámetro interior de la tubería. Los cambios de inclinación en líneas de suspensión deben de ser graduales. Hay que tomar precauciones cuando los declives son excesivos. Frecuentemente la turbulencia incrementa la abrasión. Con frecuencia se utilizan cajas para reducir la turbulencia. También son utilizadas para disminuir la presión causada por los gradientes de la superficie. Las cajas son usadas generalmente en líneas de gravedad. Sin embargo, las líneas de presión también pueden descargar en dichas cajas. El diseño de la caja debe permitir que la suspensión caiga libremente en el fluido del fondo de la caja o utilizar un forro de goma en la pared opuesta de la entrada de la tubería. Es difícil predecir las características del desgaste actual cuando se utilizan tuberías de polietileno para transportar suspensiones. Cada aplicación tiene parámetros diferentes. Cuando se transportan suspensiones en tuberías PE 3408, ocurrirá un mínimo desgaste cuando la velocidad es baja y los sólidos son mantenidos en suspensión. Es preferible una velocidad máxima de 12-15 pies por segundo. Generalmente se recomienda que los abrasivos muy agresivos, como las colas de cenizas, no excedan de 10 pies por segundo. Una concentración de sólidos menor de 25% por volumen con un tamaño de partícula de ¼” o menos es muy recomendable. Son preferibles las temperaturas del sistema cerca o igual a la del ambiente. Si se utilizan codos de radio largo y adaptadores tipo brida moldeados en la instalación, se obtendrá mejores resultados en las propiedades del flujo y menor desgaste.


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Los sólidos turbulentos pueden ser dañinos para la tubería de polietileno cuando los sólidos chocan directamente contra la pared interior o con ángulos muy agudos. Por ejemplo, en una operación de dragado, la sección de la tubería a la salida de la bomba puede experimentar un desgaste excesivo debido al incremento de la turbulencia y la vibración. TUBERÍAS DE VACIO O SUCCION LA TUBERÍA SADMX PE 3408 puede estar sujeta bajo presión o vacíos internos. Los sistemas de vació pueden ser catalogados dentro de una de las tres situaciones generales aplicables a la mayoría de las instalaciones. Esas son líneas de vació sobre el suelo, líneas de vació submarinas (sumergidas) y líneas subterráneas (enterradas). Las aplicaciones más comunes para la tubería de vació sobre el suelo pueden ser:

• líneas de succión removedoras de humedad (en secadoras) en fábricas de papel.

• líneas de succión para barcos de dragado. • La parte colina debajo de una línea de sifón de una línea de diámetro

grande a gravedad.

Cuando existen condiciones de vació en una línea, la pared de la tubería debe ser seleccionada para resistir las fuerzas de colapso. El RD gobierna la cantidad de vacio que una línea puede soportar con bases de largo a corto plazo. La selección de una tubería de pared mas gruesa permitirá que el sistema opere bajo condiciones de vació mas altas.

Continuamente se realizan pruebas extensivas para desarrollar datos de instalaciones practicas en instalaciones industriales para el servicio de vació a largo plazo con un alto grado de confiabilidad. En las pruebas se examinaron secciones de varios RD´s de tuberías en un ambiente controlado y monitoriado. Los datos obtenidos incorporan el RD de la tubería, la redondez, tolerancias aceptables en el espesor de pared y el tiempo de duración de varios niveles de tensión. Las capacidades de vació de las líneas sobre el suelo que se dan son, en la practica, los niveles máximos que una tubería PE 3408 con un RD dado puede soportar.


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Capacidad de presión diferencial (fluido externo o de vacío) para tuberías no suspendidas @ 23°C.

Vida de Servicio

Unidades RD 7

RD 9.3

RD 11

RD 17

RD 19

RD 21

RD 26

RD 32.5

1 Día psi 189 146 87 28 21 16 8 4 1 Día pies de Agua 437 337 202 65 48 36 18 10 1 Día pulgadas de

mercurio 386 298 178 57 42 32 16 9

1 Mes psi 108 83 64 15 12 11 4 2 1 Mes pies de Agua 249 192 147 34 28 25 10 6 1 Mes pulgadas de

mercurio 220 170 130 30 25 22 9 5

1 Año psi 100 78 48 14 9 8 4 2 1 Año pies de Agua 232 182 111 32 23 19 10 5 1 Año pulgadas de

mercurio 205 159 98 28 19 17 9 4

50 Años psi 88 69 42 13 10 7 4 2 50 Años pies de Agua 204 159 97 29 22 17 9 4 50 Años pulgadas de

mercurio 180 140 86 26 20 15 8 4

• Esta tabla se extrapola de datos de pruebas de colapso critico en ejemplos

actuales de tubería. • El vació total es de 14.7 psi, 34 pies de agua ó 30 pulgadas de mercurio.

Nota: los valores de esta tabla representan las presiones diferenciales máximas de seguridad que pueden ser aplicadas a la tubería de polietileno sin doblar o colapsar la tubería. Estos valores se calculan utilizando limites bajos de tolerancia basados en extensos datos de prueba de presión diferencial a largo plazo en tramos de tubería. La temperatura afecta la resistencia a corto y a largo plazo de la tubería de polietileno. Los siguientes múltiplos aplican a la tabla para reclasificar por temperatura.

Multiplicadores para Reclasificación por Temperatura

10° C 23° C 38° C 50° C 60° C 1.14 1.00 0.79 0.62 0.50

Nota: El enterrar o cubrir directamente una tubería provee un soporte adicional para la misma y puede incrementar su capacidad estructural de presión diferencial hasta cuatro veces. Es difícil de cuantificar el grado de incremento. El soporte estructural depende de las prácticas de instalación. Se debe tomar precauciones si los diseños están basados en este factor.


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Si se exceden estos rangos de vació, el colapso de la línea puede acelerarse. Bajo vació excesivo, la falla no es colapso o cerramiento inmediatos, pero se puede tener una deflexión oval progresiva. Se considera que puede ocurrir una falla en una línea de vació cuando el diámetro máximo de la tubería en un tubo deformado es de 120% del diámetro original de la tubería (por ejemplo, Dmax = 1.2 x Do). Tubería con Deflexión Dmax Do Dmin Dmin

% Deflexión del Anillo = (1- _______ ) x 100% Do Dmax

% Ovalacion = ( ______ -1) x 100% Dmin


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En el limite de deflexión, el área de flujo de la sección transversal de la tubería se reduce aproximadamente al 98% del área de la tubería perfectamente redonda y el flujo se restringe ligeramente. La ovalacion del anillo ha este nivel ha sido aceptada como limite. Una deflexión que vaya mas haya del limite puede ocurrir muy rápido, dando como resultado el colapso y cerramiento de la línea. INSERCIÓN EN LINEAS EXISTENTES La inserción de tubería SADMX PE 3408 es un método económico y efectivo para reparar sistemas de drenaje deteriorados. A pesar de que un tubo mas pequeño es deslizado dentro de una línea existente, las propiedades de flujo del tubo de polietileno pueden restaurar la capacidad del sistema mientras que las uniones por fusión eliminan la infiltración del agua del suelo al drenaje. Al eliminar esta infiltración se reduce la cantidad de aguas negras que deben ser transportadas y tratadas. Capacidad de Funcionamiento Cuando se utiliza la tubería como forro tubular, no presurizado, el ingeniero debe diseñar un sistema que resista cualquier fuerza hidrostática externa la tubo de largo o corto plazo, sin el apoyo del soporte de la circunferencia del subsuelo. El manto freático externo se puede infiltrar en el espacio entre la línea vieja y la nueva tubería. La tubería del forro del polietileno debe ser capaz de soportar esta fuerza hidrostática externa. Capacidad de Forro Como la mayoría de las aguas negras son un flujo por gravedad, la formula de manning puede ser aplicada a varias situaciones de rehabilitado de líneas. Utilizando esta formula, un forro tubular puede ser seleccionado para reparar el drenaje y volverlo a su capacidad original. Una buena regla empírica para determinar el tamaño del forro es permitir un claro del 10% entre la tubería existente y el nuevo tubo deslizable. Depolietileno = 90% DIexistente. Utilizando el coeficiente de rugosidad de manning para polietileno, arcilla y concreto, se puede demostrar que para la misma pendiente, el diámetro interior de la tubería SADMX PE 3408 necesita ser solo 82.6% del DI de la tubería de concreto y 89.8% del DI de la tubería de arcilla para proveer la misma capacidad de flujo. Si se requiere de información adicional sobre el diseño e instalación del sistema con forro tubular, esta se encuentra disponible en ASTM F 585, “Practicas de inserción de tubería flexible PE en drenajes existentes” y en la


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publicación del Instituto de Tuberías Plásticas, “Rehabilitación de líneas con tubería de polietileno”. Nota: cuando se lleva a cabo el método de inserción de tubería en un drenaje, se debe permitir al tubo que se estabilice con la temperatura del suelo y que recobre cualquier dilatación impuesta (usualmente 8-10 horas) antes de cortar el tubo a la longitud necesaria entre registros. Si la tubería no se asegura en sus extremos, esta puede contraerse o encogerse dentro del albañal existente. Lechada La tubería que corre a través de la pared de un registro puede ser anclada fusionando una silleta de ramaleo en la pared lateral y encofrando en la pared de concreto del registro. Los sellos de goma expansibles y la lechada han probado ser excelentes en el sellado del espacio anular entre la tubería envolvente y una tubería de polietileno en la entrada de un registro. La sección anular entre la tubería interna de polietileno y la tubería externa es llenada con lechada, algunas veces. El aplicar lechada continuamente sin dejar huecos para dar un soporte estructural a la tubería del forro. Si existe un hueco en el espacio anular, los beneficios estructurales potenciales se perderán. En los procedimientos actuales de lechada, es extremadamente difícil lograr una sección anular sin huecos. Los rellenos de lechada localizados pueden ser utilizados en las conexiones de registro y para estabilizar el movimiento de la tubería de forro. Se debe tomar precauciones durante el proceso de lechada para no exceder la presión de colapso de la tubería de polietileno. En las instalaciones con forros deslizables, se debe tomar en consideración los siguientes puntos:

1. Anclar la tubería de polietileno dentro de la tubería envolvente para eliminar la expansión y contracción si dichos problemas existen.

2. Sellar la sección anular para prevenir infiltraciones y/o contaminación. Flujo de Gas La formula Mueller calcula la capacidad de flujo de tuberías de polietileno que transportan gas. 2826 P12 – P22

0.575

Q = ________ [ ___________ ] x D2.725 G0.425 L Donde: Q = Rango de flujo del gas, pies cúbicos estándar por hora. G = Gravedad especifica (Aire = 1.0; Gas Natural = 0.65)


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P1 = Presión de entrada, psia (presión absoluta; Pabsoluta = Pmanometrica + Patmosférica). P2 = Presión de salida, psia. L = Longitud de línea, pies. D = Diámetro interior, pulgadas. Nota: El polietileno es un excelente aislante eléctrico. La carga eléctrica estática generada en la pared de la tubería debido al flujo de gas no se disipa de manera total. Se deben tomar las precauciones de seguridad apropiadas para prevenir descargas accidentales de electricidad estática. Adicionalmente, en aplicaciones de líneas de gas expuestas al sol, los productos SADMX de un color negro pueden dar como resultado una elevación de la temperatura del producto gaseoso y un subsecuente aumento en la presión. CONSIDERACIONES TÉRMICAS Las pruebas llevadas a cabo en la tubería SADMX HDPE han definido su respuesta a la temperatura con un rango práctico de por debajo de la congelación hasta 140° F. Esta información permite al ingeniero evaluar la expansión y contracción sobre el rango de temperatura de operación de los sistemas y, al mismo tiempo, diseñar el anclaje cuando sea necesario. RANGOS DE PRESIÓN DE TRABAJO (WPR) El rango de presión es una función del DR y la temperatura. El rango de presión de la resina PE 3408 puede ser obtenido de la tabla 11. Se puede hacer una interpretación lineal entre las temperaturas mostradas.

TABLA 11: TUBERÍA SADMX PE 3408 – CLASIFICACION DE PRESIÓN (PSI) CONTRA TEMPERATURA (°F)

Temperatura

°F Diseño

hidrostático Bases, psi

DR de la tubería

32.5 26 21 19 17 15.5 13.5 11 9 7 50 1,820 58 73 91 101 114 126 146 182 228 303 60 1,730 55 69 87 96 108 119 138 173 216 288

73.4 1,600 51 64 80 89 100 110 128 160 200 267 80 1,520 48 61 76 84 95 105 122 152 190 253 90 1,390 44 56 70 77 87 96 111 139 174 232 100 1,260 40 50 63 70 79 87 101 126 158 210 110 1,130 36 45 57 63 71 78 90 113 141 188 120 1,000 32 40 50 56 63 69 80 100 125 167 130 900 29 36 45 50 56 62 72 90 113 150


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140 800 25 32 40 44 50 55 64 80 100 133 TABLA 12: MODULOS INSTANTÁNEOS DE ELASTICIDAD (psi) CONTRA

TEMPERATURA (°F)

140° F 50,000 psi 100° F 100,000 psi 73.4° F 130,000 psi 50° F 165,000 psi 32° F 200,000 psi 0° F 260,000 psi

-20° F 300,000 psi

CONDUCTIVIDAD TERMICA La conductividad térmica es baja comparada con la de los metales. El coeficiente de la conductividad térmica es 2.7 BTU pulg/pies2 hr °F. EXPANSION Y CONTRACCIÓN TERMICAS Todos los materiales se expanden y se contraen como resultado de los cambios de temperatura. El polietileno tiene un coeficiente de expansión más alto de la mayoría de los materiales usados en tubería. Las fuerzas generadas por las tensiones térmicas son mucho más bajas debido al bajo módulo de elasticidad del polietileno y su capacidad de relajar tensiones. Las características de expansión y contracción del polietileno deben ser consideradas en el diseño e instalación de los sistemas. El coeficiente de expansión térmica lineal para tubería SADMX HDPE es 1.2 x 10-4 pulg/pulg/°F. La expansión y contracción lineal para una tubería de polietileno sin restricción puede ser calculado con la siguiente ecuación:

∆L = α ( T2 – T1 ) L Donde: ∆L = Cambio teórico de longitud, pulgadas. α = Coeficiente de expansión lineal, 1.2 x 10-4 pulg/pulg/°F T2 = Temperatura final, °F. T1 = Temperatura inicial, °F. L = Longitud de la tubería, pulgadas a T1. RELAJACION DE LA TENSION TERMICA Cuando cambia la temperatura de un sistema SADMX, se desarrolla tensión interna conforme la tubería se


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expande o se contrae. Esto no afecta de forma adversa o causa una tensión excesiva en la tubería. El polietileno es un material viscoelástico y neutraliza los esfuerzos internos realineando lentamente su estructura molecular hasta lograr el equilibrio. Esta es una propiedad de ingeniería muy valiosa pues disipa la mayor porción de tensión desarrollada cuando la tubería trata de expandirse o contraerse. Las fórmulas de ingeniería utilizadas para calcular las fuerzas que resultan de expansión y la contracción asumen un cambio instantáneo de temperatura. Es físicamente imposible cambiar la temperatura de un objeto instantáneamente. En los experimentos de laboratorio estructurados para crear un cambio “instantáneo” de temperatura en la tubería, se midió la tensión térmica y se descubrió que era aproximadamente la mitad del valor teórico calculado. Cuando ocurre un cambio de temperatura sobre un largo período, la tensión térmica se reduce conforme ocurre la disipación de la tensión. Comúnmente, los sistemas SADMX están diseñados utilizando la mitad de la tensión calculada debido a un cambio de temperatura “instantáneo”. CONSIDERACIONES TERMICAS PARA TUBERÍAS CON SOPORTES Si es posible, instalar la tubería cuando su temperatura es cercana a la temperatura máxima de operación del sistema. Cuando la tubería se enfría, se desarrolla un esfuerzo a tensión y la mantiene lo más recta posible entre los soportes. Cuando la tubería se calienta a su temperatura de instalación ésta regresa a su condición de instalación y a su estructura recta. De esta forma se minimiza el riesgo combarse entre los soportes. CONSIDERACIONES TERMICAS PARA TUBERÍA SIN SOPORTE SOBRE EL TERRENO Cuando se instalan tuberías en tierra con un patrón ligeramente serpenteante, los cambios en la longitud de la tubería pueden ser controlados con la deflexión lateral. A medida que la tubería se calienta la configuración en forma de “S” se hace ligeramente más pronunciada. Cuando la tubería se enfría, la línea se hace más recta. Las líneas superficiales que son operadas continuamente llenas de fluido, normalmente experimentan pequeñas variaciones de temperatura y son fáciles de controlar. El peso del fluido también incrementa la fricción entre la tubería y el suelo y, por lo tanto, reduce la reflexión. Puede ser necesario anclar la línea en intervalos para dirigir y limitar la deflexión en los puntos seleccionados. En casos extremos toda la deflexión puede ocurrir en un área donde la fricción es baja. Esta condición ocurre generalmente en líneas vacías a donde ocurren grandes cambios repentinos de temperatura.


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DEFLEXIÓN LATERAL DEBIDO AL MOVIMIENTO TERMICO El siguiente formulario permitirá al diseñador calcular la deflexión lateral de la línea y el espacio entre los puntos de encaje. ∆Y = L 0.50 α ∆ T ∆Y L = --------------------

0.50 α ∆ T D 96 α ∆ T L = -------------------------- є Donde: ∆Y = Deflexión lateral, pulgadas. L = Longitud de la tubería entre anclas, pulgadas. α = Coeficiente de expansión térmica. D = Diámetro exterior de la tubería, pulgadas. Є = Esfuerzo tangencial, pulg/pulg. FIGURA3: DEFLEXIÓN LATERAL DEBIDO AL MOVIMIENTO TERMICO EN TUBERÍAS SOBRE TIERRA. L L

∆Y ∆Y Anclaje de la tubería

Para cualquier conjunto de condiciones térmicas, un incremento en el espacio entre anclas aumentará la deflexión y viceversa. Aumentar el espacio entre anclas, L, al máximo reducirá el número de puntos en anclaje necesarios pero puede incrementar el desgaste en la tubería por el movimiento e incluso


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aumentar la posibilidad de torcimiento de la línea si el movimiento lateral no ocurre de manera uniforme. Una propuesta práctica es calcular el espacio entre anclas limitando el esfuerzo, є1, en la pared de la tubería entre 1% y 5%. El espaciar a 5% del esfuerzo dará una distancia mínima entre los puntos de anclaje al máximo esfuerzo permitido ( єmax). El espaciamiento debe ser tan amplio como sea posible considerando otros factores como el derecho de vía disponible y la inclinación del suelo. Los valores más altos para L significan menos esfuerzo y pocos puntos de anclaje. Ejemplo: Una línea instalada sobre el suelo en una condición recta y anclada a intervalos de 50 pies aguanta y se somete a un cambio de temperatura de 50°F. ∆Y = 50 pies x 12 pulg/pies 0.50 x 0.00012 x 50 F ∆Y = 33 pulgadas. CONSIDERACIONES TERMICAS PARA TUBERÍAS ENTERRADAS En instalaciones enterradas directamente en el suelo, la fricción de este normalmente restringe el movimiento de la tubería causada por los cambios de temperatura de esas estaciones del año. Los requerimientos de anclaje se minimizan debido a la relajación de tensión que ocurre en la tubería. En algunas ocasiones se utilizan collares o “atraques” de concreto para transferir la fuerza térmica a la tierra que está alrededor de la tubería. La fuerza en la tubería debe ser transferida de manera efectiva al atraque de concreto, Esto se hace comúnmente fusionando silletas de ramaleo o un collarín de polietileno a la tubería y empotrándola en el atraque de concreto. Los “amarres” finales en un sistema se deben realizar lo más cerca posible de la temperatura de operación. Cuando se instala una tubería de polietileno que está más caliente que el suelo, se necesitará una longitud ligeramente mayor para compensar la contracción de la tubería cuando ésta se enfríe a temperatura del suelo. El serpenteo en la cepa que ocurre naturalmente con diámetros de tubería de 4” y menores, es suficiente para compensar la contracción térmica. Durante una instalación en invierno, se debe utilizar la longitud exacta de la tubería. La tubería que es muy corta o no está alineada, no debe ser estirada usando los pernos de una conexión tipo brida. El tensionar excesivamente un adaptador tipo brida puede dar como resultado una falla.


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Cuando el relleno es suave o se hace fluido, como el los pantanos o en el fondo de los ríos, el movimiento de la tubería puede no ser restringido por el relleno. Bajo está condición la tensión de la tubería se transmite a las conexiones de los extremos. Esto puede dañar las conexiones más débiles. Si existe esta posibilidad, se deben instalar atraques justo delante de la terminación del tubo para aislar y proteger la conexión. La fuerza calculada debido al cambio de temperatura es el producto de la tensión en la pared de la tubería y el área de la sección transversal de la misma. La longitud de la tubería que se requiere para anclar la línea contra esta fuerza calculada depende de la circunferencia de la tubería, el promedio de presión de contacto entre la tierra y la tubería, y el coeficiente de fricción entre el relleno de tierra y la tubería. La tensión y la fuerza que se desarrollan debido a un cambio de temperatura en una línea restringida son independientes de la longitud y las condiciones de enterrado de la tubería. Si el movimiento de la tubería en las secciones finales no es aceptable, la tubería debe ser anclada. Los atraques diseñados apropiadamente transfieren las fuerzas al suelo. Si la tubería no está anclada para resistir el movimiento, las secciones finales se expandirán y contraerán con los cambios de temperatura. Este cambio en la longitud se extenderá en la cepa hasta que la resistencia de fricción del relleno sea igual a la fuerza térmica. Estos movimientos deben ser considerados en el diseño de las características físicas como las conexiones a las bombas, cisternas de desagüe, registros de drenajes, etc. CONSIDERACIONES TERMICAS PARA TUBERÍAS MARINAS En la mayoría de las aplicaciones marinas, la temperatura del agua es relativamente constante. Los cambios de temperatura en el agua debido a las estaciones del año ocurren durante muchos meses. La tensión térmica en aplicaciones marinas es normalmente controlada por disipación de la tensión y deflexión vertical entre los puntos de anclaje. CONEXIONES DE TRANSICIÓN Si los extremos de la tubería no están anclados para resistir el movimiento, la parte del tubo cerca de cada extremo se expandirá o contraerá con los cambios de temperatura. Esta zona se extenderá a la tubería enterrada en la cepa hasta un punto en que la resistencia a la fricción del relleno sea igual a la fuerza térmica. Estos movimientos deben ser considerados en el diseño. El “anclar” la tubería debe ser utilizada cuando ésta va a ser conectada a un tanque, registro, válvula, etc. La figura 16 ilustra diversos sistemas de anclaje para conexiones comunes en los extremos.


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Una línea de polietileno también está sujeta a la expansión y contracción de su circunferencia. El diseñador puede tener la necesidad de considerar lo anterior en ciertas aplicaciones. El siguiente ejemplo puede ser de utilidad. EJEMPLO: Una tubería SADMX PE 3408 4” RD 15.5 es enterrada a cinco pies de profundidad en un suelo de arena densa con un manto freático alto. La temperatura del suelo es de 60° F. Ocasionalmente se transporta agua de 40° F. La línea corre en forma recta y tiene 1000 pies de longitud. Calcular lo siguiente:

• El cambio de temperatura • El esfuerzo teórico • El cambio de longitud teórico • La tensión instantánea en la pared de la tubería • La fuerza de tensión • Diseñe un atraque para aislar la conexión terminal de los efectos de la

contracción térmica. DATOS: Diámetro exterior de la tubería. D = 4.5” Área de la sección transversal de la pared de la tubería. A = 3.84 pulg2 Coeficiente lineal de expansión térmica. α = 1.2 x 10-4 pul/pul/°F. Modulo instantáneo de elasticidad. E = 180,000 psi@40°F. Cambio de temperatura. ∆T = 20°F. Coeficiente de fricción del suelo / tubería HDPE. μ = 0.10. Longitud de la tubería en línea recta. L = 1000 pies. Densidad del suelo. у = 130 libras/pies3. Profundidad. h = 5 pies. CALCULOS: Esfuerzo térmico, є: є = (α) (∆T)= (1.2 x 10-4 pulg/pulg/°F)(20°F)= 0.0024pulg/pulg.

Contracción teórica instantánea no restringida, ∆L:

∆L = (є) L

∆L = (0.0024 pulg/pulg) (1000 pies) (12 pulg/pies) = 28.8 pulg. Nota: Como el suelo restringe el movimiento de la tubería, ésta no cambiará de longitud pero desarrollará tensión debido a la contracción.


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Esfuerzo teórico a tensión, σ: σ

E = є

σ = E x є = (180,000 psi) x (0.0024 pulg/pulg) = 432 psi. Nota: El módulo instantáneo de elasticidad fue tomado en la temperatura más baja (por ejemplo, E40° es aproximadamente 180,000); referirse a la tabla 12. Esfuerzo de tensión actual, σA: σA = 432/2 = 216psi tensión (“relajación de la tensión térmica”, p.24). Fuerza de tensión actual, F: F = (σA) (A). F = (216 psi)(3.84 pulg2) F = 829.4 lbs (tensión) Resistencia de fricción del suelo, f: f = μN Donde: Presión del suelo = уh = (130 lbs/pies3)(5 pies) = 650 psf = 4.5 psi Fuerza normal (N) = Fuerza ejercida por la presion del suelo en la circunferencia del anillo de la tubería de una pulgada de ancho. N = (πD) x (anillo 1”) x (presión del suelo) N = (πx 4.5”)(1”) x (4.5 psi) N = (14.14pulg2) x (4.5psi) N = 63.62lbs f = μN = (0.10)(63.62 lbs) f = 6.362 lbs (por pulgada de tubería debido a la fricción del suelo) Más allá de las 130.4 pulgadas (10.86 pies), la fricción del suelo superará la fuerza de tensión desarrollada por la contracción térmica de la línea. Esto se calcula dividiendo la fuerza de tensión de la tubería entre la resistencia de la fricción del suelo (por ejemplo, 829.4 lbs / 6.362 lbs por pulgada de tubería = 130 pulgadas). Movimiento teórico en los extremos no restringidos, ∆L:

∆L = (longitud de la zona no restringida)( є)


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∆L = (130 pulg)(0.0021 pulg/pulg) = 0.312 pulgadas. Diseño de un atraque de restricción (atraques): El movimiento en los extremos de la tubería puede ser restringido por medio de anclajes o atraques. En instalaciones subterráneas comúnmente se utiliza un bloque de concreto para transferir la carga del esfuerzo de la tubería a la tierra que la rodea. La carga del esfuerzo en la tubería debe ser transferida en primer lugar al concreto. Como el concreto no se “adhiere” a la superficie lisa de la tubería, se coloca una silleta de ramaleo o un anillo de polietileno y se vacía sobre estos en el concreto. Esto transfiere las fuerzas al concreto y a la tierra circundante. La tubería SADMX HDPE tiene un esfuerzo de corte de aproximadamente 1,500 psi. La medida del bloque de concreto se basa en la fuerza de compresión del suelo. Suponiendo que se tiene un collarín cuadrado de 12 pulgadas x 12 pulgadas 6 pulgadas de ancho. La superficie del collarín es: Área de red del atraque = (12”x12”) – (π x (4.52/4))= 144 pulg2 – 15.9 pulg2 = 128.1 pulg2 El esfuerzo de compresión sobre el suelo debido a la transferencia de carga por el collarín es: S = F/A S = 829.4 lbs / 128 pulg2 = 6.5 psi. SUMARIO DEL EJEMPLO DE DISEÑO: Bajo un cambio de temperatura de 20°F, una línea 4” RD 15.5 de 1000 pies de longitud enterrada a 5 pies de profundidad tratará de cambiar su longitud en 0.312” en cada uno de sus extremos. La tubería está anclada para prevenir una contracción futura por la fricción del suelo. El atraque de concreto con una cara cuadrada de 12” x 12” absorberá la fuerza tensión de 827.3 lbs debida a la contracción térmica, y la distribuirá en el suelo con un esfuerzo de compresión del suelo de 6.5 psi. DISEÑO DE TUBERÍAS ENTERRADAS TUBERÍAS ENTERRADAS Las líneas enterradas están sujetas a cargas externas. El efecto de la presión externa en las líneas SADMX es más complejo que el efecto de la presión interno solamente. Para propósitos de diseño se hace una distinción entre tuberías rígidas y flexibles. Una tubería rígida (como el concreto) se considera como la estructura total y debe ser diseñada para soportar todas las cargas externas, así como la presión interna. Como La tubería de polietileno es flexible, ésta se considera sólo un componente del sistema “tubería-suelo”.


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En una tubería enterrada, el RD de la tubería y la resistencia del terreno envolvente deben ser especificados para mantener los tres parámetros de diseño de un tubo flexible enterrado fractura en la costilla (“wall crushing”), colapso de la pared (“wall buckling”) y deflexión anular (“ring deflection”) con límites aceptables. El diseño correcto se basa en dos parámetros clave. El primero es que el espesor de la pared soporte la presión externa del suelo. El segundo es hacer un análisis de cómo la tubería SADMX HDPE y la tierra que la rodea aceptan la carga del relleno y la transfieren al terreno que no fue perturbado con la zanja. CONSIDERACIONES DE DISEÑO DE TUBERÍA ENTERRADA Cuando se entierra una tubería de polietileno, la tierra que la rodea se comprime y deflexiona ligeramente bajo ambas cargas, estática y dinámica. Estas cargas incluyen el paso del relleno sobre la tubería, el peso del manto freático que satura el suelo, el tráfico vehicular, las estructuras cercanas, o cualquier combinación de estas cargas. En un sistema flexible de “tubería-suelo”, se asume que la deflexión de la tubería sea la misma que la del suelo. Después que se pone la tubería en la cepa, el relleno se coloca en capas de una elevación sobre el “lomo” de la tubería. Este se compacta de una densidad Proctor específica. Cuando se colocan capas adicionales, el peso del suelo sobre el relleno primario compactado se incrementa. Esto comprime ligeramente la tierra alrededor de la tubería. Como la tierra no es un material elástico, la compresión, por ejemplo el esfuerzo es permanente. En su estado más denso, el suelo desarrolla una mayor resistencia a la presión vertical de la tierra hasta que alcanza el equilibrio estático sin ninguna compresión o esfuerzos futuros. LIMITES DE LA TUBERÍA ENTERRADA DEBIDO A LA PRESION EXTERNA DEL TERRENO La deflexión anular de la tubería SADMX HDPE puede ser calculada utilizando las propiedades de la tubería y la capacidad de compresión del terreno. Como la tubería sufre una deflexión con el terreno, forma una elipse muy ligera al decrecer en un diámetro vertical una cantidad, y al incrementar en el diámetro horizontal una cantidad casi igual (pero un poco menor), x. El incremento del diámetro horizontal compacta el relleno a los lados de la tubería desarrollando una presión vertical del terreno y fuerza al suelo a soportar la mayor parte de la carga vertical al ejercer una acción de arco o bóveda sobre la tubería. El módulo del Terreno, E’, es la relación de presión del terreno (tensión) a l a deflexión del terreno (deformación) a una compactación del terreno dada. Referirse a la tabla 13 para consultar los valores de E’.


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TABLA 13: VALOR DE E’ BASADO EN EL TIPO DE TERRENO (ASTM D 2321) Y GRADO DE COMPACTACIÓN

E’ (psi) para grado de compactación (Densidad Estándar Proctor, %)

Tipo del

suelo del material de relleno inicial

Suelta >70%

Ligera (70-85%)

Moderada (85-95%)

Alta >95%

I Materiales granulares y angulares fabricados (piedra fracturada, o roca, coral quebrado, escoria, etc.)

1,000 3,000 3,000 3,000

II Suelos de granulación gruesa con poco o ningún material fino

No recomendado

1,000 2,000 3,000

III

Suelos de granulación gruesa con material fino

No recomendado

No recomendado

1,000 2,000

IV Suelos de granulación fina

No recomendado

No recomendado

No recomendado

No recomendado

V Suelos orgánicos (musgos, abono, barro etc)

No recomendable

No recomendable

No recomendable

No recomendable

Nota: Este sumario de ASTM D 2321 se provee para la conveniencia del ingeniero de diseño. Esta especificación debe ser revisada en detalle antes de especificar las condiciones de enterrado.


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COBERTURA MINIMA No existen reglas firmes referentes a profundidad mínima de enterrado. Las variables cambian para cada instalación y el diseñador debe revisar cada diseño para prevenir la fractura de costilla, el colapso de la pared y la deflexión anular. Sin embargo, las siguientes guías pueden ser de utilidad.

• Considerar una profundidad por debajo de la línea de congelación local. (para climas fríos)

• Cuando no existe tráfico superficial, el diseñador puede considerar una cobertura de 18” o un diámetro, lo que sea mayor.

• En los sitios donde existe tráfico de camiones, el diseñador puede considerar una profundidad de 36” o un diámetro, lo que sea mayor.

• Donde existe un tráfico de camiones pesados tipo fuera del camino (por ejemplo, camiones mineros) o tráfico de locomotoras, el diseñador puede considerar una cobertura mínima de 5 pie o más.

CALCULO POR COMPONENTES DE LA PRESION TOTAL DEL TERRENO El diseño adecuado del sistema de “suelo-tubería” de polietileno balancea la respuesta de la tubería y el terreno circundante contra la presión total externa del terreno. El diseño de la tubería enterrada por los conceptos de fractura de la costilla, colapso de la pared y deflexión anular, requiere del cálculo de la presión total del terreno, PT, en la pared alta (“lomo”) de la tubería, Existen muchas fuentes de presión del terreno sobre la tubería. Es de utilidad analizar la presión total del terreno sobre la suma de sus componentes. La presión externa total del terreno sobre la tubería incluye la suma del: PT = PS + PL + PI

Donde: PS = Presión total de “carga estática” o presión de la carga muerta PL = Presión total de la “carga viva” PI = Presión externa efectiva total debido a la presión de operación Interna negativa (vacío) Cada uno de estos componentes de la presión del suelo es discutido y los ejemplos están calculados para utilizarlos en problemas de diseño típicos. PRESION TOTAL DE CARGA ESTATICA, PS Existen tres fuentes de presión de carga estática es la suma de estos componentes: PS = PDE + PWE + PB

Donde: PDE = Presión de carga estática de la tierra seca o ligeramente húmeda


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PWE = Presión de carga estática del terreno mojado y saturado Bajo el manto freático máximo PB = Presión de carga estática debido a las estructuras Estacionarias en la superficie, como edificios o Cimentaciones. PRESION DEL TERRENO SECO, PDE El peso del terreno seco es aproximadamente 100-120 libras por pie cúbico (pcf). Cada pie de tierra “seca” sobre la tubería ejerce una presión de 100 a 200 libras por pie cuadrado en la corona de la tubería. El componente de la tierra seca de la presión total de carga estática, PDE, es el producto de la densidad de la tierra seca y la profundidad del terreno (en pies) desde la superficie del suelo hasta la parte más alta del manto freático sobre la tubería. PRESION DEL TERRENO SATURADO DE AGUA, PWE El componente de terreno saturado de agua de la presión de carga estática es el producto de la densidad de la tierra mojada, aproximadamente 120-140 pcf, y la altura de la misma sobre la tubería. PRESION ESTATICA DEL TERRENO POR ESTRUCTURAS, PB En algunas aplicaciones la tubería puede ser instalada debajo o cerca de un edificio o cualquier otra estructura. Si la estructura está localizada directamente sobre la línea, la presión debido al peso de la estructura es más concentrado e intenso que si ésta estuviera localizada a unos metros. La distribución de la presión vertical en el terreno bajo una carga estática se representa por una superficie en forma de campana o bulbo. Referirse a la figura 4. La presión máxima ejercida por una estructura estática está localizada en la línea central de bulbo. La presión decrece hacia a bajo en todas direcciones y hacia a fuera desde el centro. La presión externa del terreno, que es ejercida por una estructura sobre la tubería HDPE, es mayor cuando la tubería está enterrada cerca de la estructura y es poco profunda. La presión externa del terreno es menor cuando la tubería está enterrada a mayor profundidad o más lejos de la estructura estática. La teoría de Boussinesq se recomienda para determinar la presión de una carga concentrada. Según esta teoría, la carga en la parte superior de la tubería, causada por una carga estática superpuesta, se evalúa como sigue: 3WZ3 PB= 2πR5 Donde: PB = Presión estática del terreno por estructuras, lbs / pies2 W = Carga de superficie superpuesta, lbs


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Z = Distancia vertical desde el punto de carga a la parte superior de la tubería R = Distancia en línea recta desde el punto de carga hasta la Parte superior de la tubería, pies R = X2 + Y2 + Z2 X y Y son las distancias horizontales a 90° de cada una desde el punto de carga hasta la parte superior de la tubería (en pies). Utilizando esta teoría se puede usar una gráfica simplificada para mostrar la distribución de la presión subterránea causada por una superficie de carga superpuesta de 1000 lbs (Figura 4). Las presiones subterráneas para otras superficies de carga superpuesta pueden ser calculadas multiplicando el valor de la tabla por el radio de carga según el ejemplo en esta sección. Si la presión en la tubería es causada por una superficie de carga distribuida de manera uniforme como puede ser una cimentación, una base flotante o el relleno de apoyo, la presión del terreno sobre la tubería puede ser determinada dividiendo el área de carga entre un grupo de áreas individuales más pequeñas. La carga para cada área incremental se calcula y se suma para obtener la presión total del terreno sobre la tubería causada por la cimentación. Esta técnica se ilustra en el siguiente ejemplo. Una mayor discusión sobre este método se encuentra en Mecánica del suelo en la Ingeniería práctica por Terzaghi y Peck. FIGURA 4: UNIDAD DE PRESIÓN EJERCITADA POR EL TERRENO, POR UNA CARGA DE 1000 LBS Ejemplo: encontrar a presión estática del suelo de un peso de 72,000 lbs sobre una tubería enterrada a 10 pies de profundidad y a 6.5 pies de distancia.

72,000 PB = X 2.0 psf

1,000 PB = 144 psf = 1 psi.


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TABLA Ejemplo: Se debe colocar una línea de drenaje de 24” de diámetro a través de un área de planta con la parte superior de la tubería a 10 pies bajo el firme del terreno. El manto freático de la estación de lluvias se eleva a una altura máxima de 7 pies bajo la superficie del suelo (en el ejemplo, 3 pies sobre la tubería). En un punto, la línea de centro de la tubería enterrada está a cuatro pies y paralelo al lado largo de una cimentación de un equipo, la cual mide 6 pies de ancho y 10 pies de largo y tiene una carga de 3000 psf a una profundidad de 3 pies por debajo del firme del terreno. Determinar la presión total de carga estática sobre la tubería en el punto ‘A’. El punto ‘A’ está localizado en la tubería directamente a través de la línea media de la estructura estática (en el ejemplo, 5 pies). Referirse al diagrama que aquí se muestra. Dados: Densidad del terreno seco = 100 lbs / pies3

Densidad del terreno saturado = 130 lbs / pies3

Profundidad del tubo enterrado, H = 10 pies Altura del nivel del terreno saturado sobre la altura, h, = 3 pies Altura del terreno seco sobre la altura, (H – h) = 7 pies Carga de la cimentación = 3000 psf 3 pies de profundidad Diagramas: Formula: PS = PDE + PWE + PB Donde: PDE = (H – h)(ΡWe) PWE = (h)(ΡDE) i 3WZ3

PB = Σ O 2πR5 Z = Altura Vertical R = X2 + Y2 + Z2


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Nota: Utilizar la figura 4 para calculo simplificado de PB Cálculos: PDE = (10 pies – 3 pies)(100 pcf) 0 700 psf PWE = (3 pies)(130 pcf) 0 390 psf PB = 300 psf (ver Tabla 14) Resumen: PS = PDE + PWE + PB PS = 700 +390 300 = 1390 psf PS = 9.65 psi en el punto ‘A’ de la tubería El área de carga de la estructura estática se divide en quince cuadros. Cada cuadro mide 2 pies x 2 pies para un área total de 60 pies2. El peso total de cada cuadro es el equivalente a 12,000 lbs (4 pies2 x 3000 psf = 12,000 lbs) TABLA 14: DETERMINACIÓN DE LA PRESION DEL TERRENO A PARTIR DE UNA CARGA ESTATICA Cuadro Peso Profundidad

Vertical Distancia de la presión horizontal

(de la Fig 4) por carga 1000#

Carga 12000 # por cuadro

1-1 12,000 7 pies 6.4 2.1 psf x 12 = 25.2 psf 1-2 12,000 7 pies 8.1 1.2 psf x 12= 14.4 psf 1-3 12,000 7 pies 9.8 0.6 psf x 12 = 7.2 psf 2-1 12,000 7 pies 5.4 3.0 psf x 12 = 36.0 psf 2-2 12,000 7 pies 7.3 1.5 psf x 12 = 18.0 psf 2-3 12,000 7 pies 9.2 0.8 psf x 12 = 9.6 psf 3-1 12,000 7 pies 5.0 4.0 psf x 12 = 48.0 psf 3-2 12,000 7 pies 7.0 1.7 psf x 12 = 20.4 psf 3-3 12,000 7 pies 9.0 0.9 psf x 12 = 10.8 psf 4-1 12,000 7 pies 5.4 3.0 psf x 12 = 36.0 psf 4-2 12,000 7 pies 7.3 1.5 psf x 12 = 18.0 psf 4-3 12,000 7 pies 9.2 0.8 psf x 12 = 9.6 psf 5-1 12,000 7 pies 6.4 2.1 psf x 12 = 25.2 psf 5-2 12,000 7 pies 8.1 1.2 psf x 12 = 14.4 psf 5-3 12,000 7 pies 9.8 0.6 psf x 12 = 7.2 psf PB = 300 psf PRESION TOTAL DE LA CARGA VIVA, PL El tráfico sobre o cerca de las líneas enterradas ocasiona que la tierra se mueva ligeramente bajo su peso. Las cargas vivas también son evaluadas por la teoría Boussinesq. El peso de


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una rueda o de un eje debe ser incrementado en 50% para proveer un diseño de tubería con una fuerza y resistencia extras contra el impacto de estas fuerzas dinámicas. La carga en la parte superior de la tubería causada dinámica superpuesta en un punto dado se evalúa con: 3WZ3 PB = 2πR5 Donde: W = 1.5 x superficie de carga superpuesta, libras Z = Distancia vertical desde el punto de carga hasta la parte Superior de la tubería, pies R = Distancia en línea recta desde el punto de carga hasta la La parte superior de la tubería, pies R = X2 + Y2 + Z2 Donde X y Y = distancias horizontales a 90° de cada una desde el punto de carga hasta la parte superior de la tubería en pies. Las presiones subterráneas unitarias causadas por una carga estática superpuesta de 1,000 libras se muestran en la figura 4. Las presiones unitarias para cargas vivas superpuestas pueden obtenerse multiplicando los valores en la Figura 4 por 1.5. La presión unitaria reajustada se multiplica por el rango de carga. El rango de carga fue doce en el ejemplo previo. La figura 5, carga viva H20 para una carretera en Los Estados Unidos, y la figura 6, Carga viva de una locomotora Cooper E-80, resumen la presión total que resulta del peso del terreno y el peso del vehículo rodante. Se incluye una tolerancia de impacto en cada una de estas figuras. Por debajo de una profundidad óptima, la presión total sobre la tubería aumenta primeramente como resultado de la presión del terreno. Este efecto se puede ver en las figuras 5 y 6. A profundidades superficiales, la carga se intensifica por que la tubería está más cerca del equipo rodante y la carga viva no está tan bien distribuida en el terreno. Si la presión de carga viva excede la capacidad del DR de una tubería específica para una situación especial del tráfico, el diseñador debe considerar algunos métodos para proteger la línea.


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FIGURA 5: CARGA DE CARRETERA H20 Nota: La carga viva H20 asume dos cargas concentradas de 16,000 lbs aplicadas a dos áreas de 18” x 20”, un localizada sobre el punto en cuestión y la otra localizada a una distancia de 72”. De este modo se simula un camión de carga de 20 toneladas. FIGURA 6: CARGA VIVA DE COOPER E-80 Nota: La carga viva Cooper E-80 asume 80,000 libras aplicadas a tres áreas de 2’ x 8’ en centros de 5’ como se puede encontrar a través de la carga viva de una locomotora con tres ejes de carga de 80,000 libras. PRESION EXTERNA APARENTE DEBIDO AL VACIO INTERNO, PI El vacío genera una tensión en la compresión en la periferia de cada pared de la tubería y actúa para colapsar la línea. Bajo condiciones de vacío, el valor de PI se suma a los otros dos componentes de presión externa, PS y PL, para obtener la presión externa total, PT, que está actuando sobre la tubería. Un vacío interno genera una presión igual al valor absoluto del vacío. La máxima presión externa aparente debido al vacío dentro de la tubería es 14.7 psi (2,117 psf). GUIAS DE DISEÑO PARA ENTERRAR TUBERÍA El ingeniero de diseño debe seleccionar el DR de la tubería adecuado y especificar las condiciones del relleno para obtener el desempeño deseado del sistema de “tubería-suelo”. DISEÑO POR FRACTURA EN LA COSTILLA (WALL CRUSHING) La fractura en las costillas aparece cuando la presión vertical externa causa el esfuerzo de compresión en la pared de la tubería y excede la resistencia de compresión a largo plazo del material de la tubería. Para diseñar un sistema y evitar la fractura en las costillas (Wall crushing), se debe hacer la siguiente revisión:

SDR-1 SA = PT 2


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Donde: SA = Esfuerzo de compresión actual SDR = Radio dimensional estándar PT = Presión externa total en la parte superior de la tubería, psi Factor de seguridad = 1500 psi / SA (donde 1500 psi es el esfuerzo a compresión de la tubería SADMX HDPE) DISEÑO POR COLAPSO DE LA PARED (WALL BUCKLING) El colapso local de una pared es una arruga longitudinal de la pared de la tubería. El colapso puede ocurrir en un plazo largo sobre una tubería no presurizada si la presión externa total del terreno, PT, excede la presión de colapso crítica del sistema tubería-suelo, Pcb. Sin embargo, el colapso de la pared es raramente el factor limitante en el diseño de un sistema SADMX, se puede hacer una revisión de las líneas no presurizadas de acuerdo a los siguientes pasos para asegurar PT<Pcb. Todos los diámetros de la tubería con el mismo DR en las mismas condiciones de enterrado tiene la misma resistencia al colapso o pandeo críticos.

1. Calcular o estimar la presión total del terreno, PT, en la parte superior de la tubería.

2. Calcular el esfuerzo, Sa, en la pared de la tubería:

SDR-1

Sa = PT 2

3. Con base en el fuerzo Sa y en el tiempo estimado de no presurización, encontrar el valor del módulo de elasticidad de la tubería, E, en psi (El valor aproximado para E es 35,000 psi).

4. Calcular la presión hidrostática diferencial crítica de colapso de la

tubería, PC

2E (t / D)3(DMIN / DMAX)3 2.32 (E) PC = o PC = (1 – μ2) SDR3

Donde: (DMIN/DMAX) = 0.95 μ = Radio de posición = 0.45 para tubería de polietileno E = Tensión y tiempo dependiente del módulo de tensión de Elasticidad , psi


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E = 35,000 psi (aproximadamente) D = Diámetro externo, pulgadas t = Espesor, pulgadas

5. Calcular el módulo del terreno, E’, representando gráficamente la presión total externa del terreno, PT, encontrar una densidad específica del terreno para derivar el esfuerzo del terreno como se muestra en el problema de ejemplo bajo la figura 7.

6. Calcular la presión crítica del colapso de la pared en la parte superior de

la tubería con la fórmula.

Pcb = 0.8 (E’) (Pc) Donde: Pcb = Presión crítica de colapso del terreno en la parte superior de la Tubería, psi E’ = Módulo del terreno, psi Pc = Presión diferencial hidrostática crítica de colapso, psi

7. Calcular el factor de seguridad: SF = Pcb / PT. 8. Los procedimientos mostrados anteriormente pueden ser invertidos para

calcular el RD mínimo de la tubería requerido para una presión del terreno dada y una densidad del terreno estimada.

Cuando se entierra una línea presurizada, la presión interna es, generalmente, lo suficientemente alta como para exceder la presión crítica de colapso ejercida por el terreno. Cuando una línea presurizada va a ser serrada por algún tiempo, se debe examinar el pandeo de la pared. FIGURA 7: REPRESENTACIÓN GRAFICA DE LOS DATOS DE TENSIÓN-ESFUERZO VERTICAL PARA EL RELLENO DE UNA CEPA TIPICA (EXCEPTO BARRO) SEGÚN PRUEBAS ACTUALES Ejemplo: Encontrar: E’ @ 2000 psf y densidad 80% Formula: PT / ƐS Cálculos: E’ = 2000psf / (0.18*144) = 771 psi


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Nota: Las curvas mostradas en esta gráfica son curvas de ejemplo para un suelo granular. Si se utilizan como relleno otros tipos de suelo, como la arcilla o el barro, las curvas deben ser desarrolladas con los datos de pruebas de laboratorio para los materiales utilizados. Las presiones del terreno mayores de 4000 psf deben ser extrapoladas con la pendiente de la curva es aproximadamente la mitad de la distancia entre las líneas adyacentes. DISEÑO POR DEFLEXIÓN ANULAR La deflexión anular, por definición, es el radio del cambio vertical en el diámetro contra el diámetro original de la tubería. Frecuentemente se expresa como un porcentaje. La tubería SADMX HDPE está diseñada para ser “flexible” Esto asume que la tubería tendrá una deflexión igual a la compresión vertical del terreno a su alrededor. El diseño por deflexión anular iguala la capacidad de la tubería de acomodarse a la compresión vertical del terreno circundante sin sufrir esfuerzos estructurales. El diseño por deflexión anular calcula el esfuerzo vertical del terreno y lo compara con la deflexión anular permitida de la tubería. TABLA 15: DEFLEXIÓN PERMITIDA DEL ANILLO DE LA TUBERÍA DE POLIETILENO SADMX BASADA EN EL DR

RD Deflexión permitida del anillo 32.5 8.1% 26 6.5% 21 5.2% 19 4.7% 17 4.2%

15.5 3.9% 13.5 3.4% 11 2.7%

La deflexión anular permitida por la tubería de polietileno está limitada para crear no más de 1 a 1.5% de esfuerzo tangencial en la superficie externa de la pared de la tubería. Cuando la pared de la tubería se hace más gruesa (un valor RD “mas bajo”), se incrementa la distancia desde el eje neutral hasta la superficie exterior, como resultado, se requiere una menor deflexión para general la tensión tangencial permitida. La deflexión del


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sistema tubería-suelo se controla por medio de las especificaciones adecuadas de la compactación del relleno. FUGURA 8: CALCULO DE DEFLEXIÓN DEL ANILLO DMAX DO DMIN DMIN

% Deflexion del anillo = ( 1 ) x 100% DO

El porcentaje de la deflexión anular basado en la tensión para un RD de tubería dado, puede ser calculado de la siguiente manera: Donde: = Deflexión vertical, pulgadas = OD de la tubería, pulgadas = Esfuerzo tangencial en la superficie del anillo de la tubería, pulg/pulg = Radio dimensional estándar


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SADMX recomienda limitar la tensión tangencial de la superficie a 0.01. Este valor está basado en los siguientes criterios:

• La mayor parte de la deflexión de una tubería ocurre durante pocos días después que el relleno se completa. El desarrollo de un arco de tierra sobre la tubería la libera de gran parte de la carga vertical del terreno por la acción del arco del terreno envolvente y por el desarrollo de resistencia del terreno a los lados de la tubería.

• Un valor permitido de esfuerzo de 0.01 permitirá una deflexión adicional razonable debido al movimiento del terreno por temblores, fluctuaciones del manto freático, etc.

• Un valor de esfuerzo de 0.01 permitido en el diseño permite una desviación normal de la temperatura encontrada durante la instalación.

En resumen, se puede especificar una densidad para el material de la cama y el relleno inicial para que la presión total del terreno en la parte superior de la tubería, PT, no cause que el RD de tubería dado exceda su máxima deflexión anular permitida. INSTALACIÓN DE SISTEMAS SADMX Los productos SADMX han sido instalados en diversas aplicaciones sobre y debajo del suelo. La tubería de polietileno ha sido utilizada para cruzar terrenos, lagos, desiertos, pantanos y tundra ártica. Cada instalación requiere hacer una consideración dentro del entorno en el que se está instalando la tubería. Las instalaciones de tuberías típicas pueden ser catalogadas como una de siete tipos. En las páginas siguientes se discuten los detalles de diseño para cada tipo de instalación. TIPO 1: Líneas colgantes o suspendidas TIPO 2: Líneas por tierra TIPO 3: Líneas marinas TIPO 4: Líneas en la superficie del agua TIPO 5: Líneas en pantanos TIPO 6: Líneas encaminadas TIPO 7: Líneas enterradas TUBERÍAS COLGANTES O SUSPENDIDAS


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Las tuberías horizontalmente se ven afectadas entre los soportes por el peso de la tubería y su contenido. Cuando se minimiza el pandeo o deflexión entre los soportes, la tensión en la pared de la tubería puede ser controlada, los soportes deben especificarse para limitar aprox. A ¼”, en el centro de los soportes de deflexión del tubo, esto se hace utilizando un análisis de viga simple continua. Los soportes deben sostener a la tubería por lo menos 4” ó 1.5 veces el diámetro de la misma, lo que sea mayor. Un mínimo de 120° de la circunferencia de la tubería debe ser soportado. Los soportes deben estar libres de extremos afilados. Frecuentemente, las líneas colgantes son instaladas en exteriores. Estas instalaciones estás expuestas a cambios de temperatura debido al clima. Si es posible, una línea colgante o suspendida debe ser instalada lo más cercano posible a su temperatura máxima de operación (o en el clima más cálido). Cuando un sistema colgante está mas caliente que la temperatura de su instalación, la tubería se expande. Cuando la tubería incrementa su longitud ocurre una deflexión lateral o “serpenteo” entre los soportes. La expansión total depende de la longitud de la tubería y del incremento de temperatura sobre la temperatura de instalación del sistema. Como la cantidad total de expansión en una tubería no puede ser cambiada, el diseñador puede limitar la deflexión una sección de l tubería seleccionando los puntos de anclaje adecuados. La tubería debe estar sujeta en todas las conexiones y puede ser restringida también en cada soporte. Se recomienda asegurar la tubería a cada soporte para limitar las deflexiones por expansión. Si el soporte está diseñado como un punto de anclaje, éste debe ser capaz de restringir la tubería. Si la línea está diseñada para moverse durante la expansión, los soportes deben proveer una guía sin restricción en la dirección del movimiento y sin salientes o puntos que puedan dañar la tubería. ESPACIAMIENTO DE LOS SOPORTES DE LA TUBERÍA Las figuras 9 a la 13 muestran el diseño del espaciamiento requerido entre soportes para Tubería SADMX en varios RD y diámetros de tubería. La distancia entre soportes está basada en un análisis de viga continua y en una deflexión al centro de soportes de 0.25” cuando la tubería está llena de agua.


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Existen algunas recomendaciones adicionales concernientes al espaciado entre soportes para tuberías de polietileno. Si se espera que la temperatura ambiental o de operación sea 5.5° C (10° F) más alta que la temperatura de instalación, se recomiendan soportes continuos para controlar la expansión térmica y prevenir un colgamiento excesivo. Cuando se esperan temperaturas de operación sobre los 37.7° C (100° F) y existe una posibilidad de un cambio rápido de temperatura, se puede utilizar el siguiente RD más bajo a un espaciamiento de un tubo RD-32.5. Para aplicaciones de salidas en suspensiones, multiplicar el espaciamiento por 0.90. Se requiere de un anclaje apropiado en los extremos de entrada y descarga de la línea. Las tuberías verticales deben estar soportadas en su base y se deben utilizar ganchos tipo resorte o collarines a intervalos verticales de 12 pies. Se deben evitar “omegas” o curvas de expansión y tratar de diseñar la línea completa para que sea capaz de cuidarse por si misma de la expansión siguiendo las prácticas apropiadas de espacios entre soportes y montaje. TUBERÍAS SOBRE EL TERRENO La tubería SADMX HDPE negra resiste los daños causados por la radiación ultravioleta. Los colores distintos al negro tienden a deteriorarse bajo la constante exposición al sol y no deben ser instalados en aplicaciones sobre el suelo. Generalmente, los productos SADMX, son para instalaciones subterráneas. Sin embargo, existen diversas situaciones en las que las instalaciones sobre el suelo tienen ventajas. Algunas de estas ventajas son:

• Las líneas para sólidos en suspensión (slurry) o desechos de minas que frecuentemente son reubicadas y pueden ser rotadas para distribuir el desgaste en la tubería.

• La dureza y flexibilidad del polietileno permiten hacer instalaciones a través de pantanos y lodazales, sobre áreas congeladas y en otras condiciones ambientales difíciles.

• Las instalaciones sobre roca sólidas a través de agua son algunas veces los métodos más económicos de instalación.

• La tubería de polietileno SADMX es ligera y fácil de ensamblar lo que da como resultado una disponibilidad inmediata de una línea temporal.

Las líneas sobre el suelo están expuestas a los cambios de temperatura

ambiental. La línea se expandirá y contraerá. También tenderá a


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“serpentear” o rotar ligeramente. Se deben dejar provisiones para la expansión térmica. La tubería de polietileno debe ser anclada a intervalos predeterminados para limitar el movimiento.

Otro método para controlar el movimiento debido a la expansión

/contracción térmica es permitir que la línea se mueva con libertad entre dos hileras de postes colocados en tierra. Una hilera se instala a cada lado de la línea. Algunas líneas han sido instaladas sobre el suelo en cepas superficiales para limitar el movimiento. Cuando se encuentra una pendiente significativa, se recomienda utilizar atraques o cepas. Los atraques, postes y cepas minimizan la posibilidad de que la línea se mueva hacia debajo de la pendiente.

CLIMAS CALIENTES Cuando sea posible, la línea debe instalarse

buscando la mayor parte de sombra contra los rayos directos del sol. La expansión térmica también puede ser minimizada si el flujo del fluido puede ser mantenido en forma continua o, por lo menos, durante la porción más caliente del ciclo térmico.

CLIMAS FRIOS No se puede utilizar una flama para deshielar una tubería

de polietileno congelada. Se deben utilizar otros métodos. En los productos SADMX se pueden usar trazas de calor, pero la temperatura de la cinta debe estar limitada a 60° C (140° F). Se recomiendan las cintas térmicas que limitan su propia temperatura. Cuando se utiliza el trazado térmico en una tubería de polietileno, la temperatura de diseño del sistema debe estar basada en la temperatura de la pared de la tubería expuesta a la cinta.

Cuando se congelan las tuberías sobre la tierra se deben tomar precauciones contra la obturación de la línea. El flujo constante reducirá las posibilidades de congelación. Además se deben incluir en el diseño las provisiones para drenar la tubería.

El congelamiento no ocasiona que la tubería estalle. La mayoría se expandirá al expanderse el fluido. Cuando el agua se descongela, la tubería regresa a sus dimensiones originales sin sufrir ningún daño.

TUBERÍAS MARINAS

La tubería HDPE puede ser enterrada, soportada en el fondo, o puesta a flotar en la superficie del agua. Los criterios del diseño primario para líneas sumergidas y con peso son (a) la presión crítica de colapso para líneas vacías o parcialmente llenas, (b) el peso del lastre de concreto y (c) el espaciado entre los lastres de concreto. Aún cuando algunas veces una línea marina es


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enterrada en una cepa submarina, cualquier soporte del material de relleno que reciba la línea se ignora generalmente para propósitos de diseño, dada la baja capacidad de carga del lecho marino.

Para aplicaciones marinas, los lastres pueden ser de concreto prefabricados o colados en el lugar de trabajo. Los lastres pueden ser diseñados para mantener la tubería lejos del fondo utilizando pesos como piernas o puestos en una cepa o directamente en el fondo. Para tuberías más grandes de 12” se deben utilizar pesos con acero reforzado para tener mayor fuerza. También se recomienda que se envuelva la tubería con 2 ó 3 vueltas de una hoja de polietileno de 10 milésimos o con una vuelta de un empaque de goma para que actúe como amortiguador entre el tubo y el lastre , y prevenga daños.

PRESION CRÍTICA DE COLAPSO Una línea marina no recibe soporte estructural del agua que la rodea. A menos que se diseñe apropiadamente, una tubería vacía o parcialmente llena puede colapsarse. Una línea marina que está llena de agua todo el tiempo minimiza el potencial de un colapso porque la presión interna es similar a la presión externa a cualquier profundidad en el agua. Referirse a las Tablas 9 y 10 para consultar los rangos diferenciales de presión permitidos para varios DR. PESOS DE LOS LASTRES El peso seco de las anclas de concreto, puede ser calculado con la siguiente ecuación. El peso del concreto varía entre 140-155 libras por pie cúbico. El valor K es una constante del ancla. La flotabilidad neutral se logra cuando K = 1.0 Para anclar una línea en lagos, estanques y arroyos adecuadamente, se debe utilizar un valor K de 1.3 Cuando se tienen corrientes o mareas, el diseñador debe incrementar el valor K a cerca de 1.5 dependiendo de los factores de diseño. L(WtSADMX +Wt prWt Concreto=

oducto) – (k x Den Agua x V SADMX (externo) X L)

K+ Den Agua - 1 Den Conc


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Donde: WtConcreto = Peso seco del concreto, libras Wtproducto = Densidad de fluido interno x volumen interno de la tubería libras WtSADMX = Peso de la tubería, lbs/ pies K = Constante del ancla (1.0 a 1.5) L = Espaciado del peso, pies (10 a 15 se recomienda) VSADMX (externo) = Volumen externo de la tubería(agua desplazada), pies cúb./pies Den Agua = Densidad del agua lbs/pies cúbicos DenCon = Densidad del concreto, lbs/pies cúbicos Den = Densidad del producto transportado, lbs/pies cúbicos ESPACIAMIENTO DE LASTRES El peso de los lastres desarrolla un movimiento estructural de pandeo en la tubería durante la instalación. El tramo de intervalo debe estar limitado para prevenir la deflexión excesiva de la tubería entre los lastres (o el esfuerzo de la tubería en los puntos de anclaje). El espacio entre las anclas puede ser calculado para una tubería de RD dado utilizando la deflexión o el esfuerzo como el factor limitante. En este cálculo, la tubería se examina como una serie integrada de vigas simples entre las anclas. Una línea SADMX 16” RD 15.5 transportará una solución salada con una densidad de 72.9 libras por pie cúbico a través de un lago de agua dulce. Se utilizará concreto, que pesa 150lbs/pies, para fabricar los lastres. El espacio máximo entre los pesos para un DR 16” 15.5 es de 30 pies. Es común un espaciamiento de diez a quince pies entre anclas. Si los pesos se separan cada 10 pies, cada uno pesará 10 x 32.2 = 323 lbs. Si hay pesos de 400 libras disponibles el espacio será 400 libras disponibles, el espacio será 400/32.3 = 12.38 pies. Los pesos deben ser espaciados a intervalos de 12 pies. Si el aire logra entrar en la tubería, entonces se debe considerar un peso extra y los pesos deben ser colocados más cerca uno del otro. Las líneas de gas deben ser diseñadas para tener una estabilidad submarina cuando están llenas


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de gas a una presión cero y de este modo tener un diseño ‘K’ mayor que 1.0. En esta situación se necesitan flotadores para instalar la línea. Si se presenta una corriente, el movimiento de la tubería no es dañino por sí mismo. Sin embargo, las rocas afiladas o cualquier otro objeto pueden dañar la tubería. Si las olas o las corrientes constituyen un problema, la mejor solución es cavar cepas y enterrar la línea lastrada. INSTALACIÓN DE TUBERIAS MARINAS Las tubería de polietileno SADMX es comúnmente puesta en posición flotando en la superficie del agua y después sumergida lentamente en una configuración de “S” muy suave. Para las aplicaciones donde la tubería no estará siempre llena de líquido o donde el producto será más ligero que el agua, se requerirán lastres muy pesados. Si se necesita una flotabilidad adicional cuando se realiza la instalación, los flotadores deben estar adheridos a intervalos antes de remolcar la línea sobre la superficie del agua. Dependiendo de las condiciones del lugar, se han d utilizado diversos procesos para ensamblar la línea. Algunos de los más comunes son:

• Unir la tubería en tierra en longitudes continuas. • Ensamblar los lastres a la tubería en tierra después de la unión y antes

de que la tubería sea puesta en el agua. • Unir la tubería en tierra y jalarla o empujarla al agua como el

procedimiento anterior. • Ensamblar los pesos a la tubería desde una barca. • La tubería puede ser unida en tierra con conexiones bridadas en cada

extremo. Los extremos bridados son sellados y las secciones se colocan en el agua para después ser ensambladas. Dichas líneas flotantes son usadas comúnmente en operaciones de dragado.

La instalación de los lastres se realiza frecuentemente en tierra. Para minimizar el arrastre y ayudar el movimiento de la tubería lastrada en el agua, se puede fabricar una rampa de madera o acero a la orilla del agua. Los lastres también pueden ser instalados desde una barca o una balsa. Cualquier tubería que esté almacenada temporalmente en un cuerpo de agua debe ser protegida del tráfico marítimo y de la acción de las olas. Las olas podrían dañar la tubería al empujarla contra las rocas o cualquier objeto cortante.


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BOTADURA Y HUNDIMIENTO Cada extremo de la línea debe ser sellado para permitir que el aire dentro de la tubería ayude a que flote hasta que esté lista para su instalación. Esto se hace típicamente con un ensamble tipo brida y una brida ciega de metal. Entonces la línea se coloca en la posición adecuada para el hundimiento por medio de embarcaciones. La transición de la línea desde la orilla hasta el agua debe ser hecha en una cepa antes de que comience la operación de hundimiento. Es importante proteger la línea del daño causado por escombros, hielo, tráfico de barcos y la acción de las olas. La operación de hundimiento es controlada por medio de la adición de agua en un extremo y la evacuación del aire encapsulado por el extremo opuesto. El agregar agua en la línea con un flujo controlado asegurará que la tubería descanse en la cepa o ajuste al perfil del fondo. La velocidad de hundimiento debe ser también controlada para prevenir un radio de pandeo excesivo. Durante el proceso de hundimiento, se debe evitar que el agua corra en toda la longitud de la tubería. Esto se puede lograr induciendo una bolsa de agua en el extremo que da a tierra levantando la tubería que está sobre el agua. El agua se introduce en la línea lo más cerca de la orilla permitiéndole sumergirse. Una vez que la tubería logra un equilibrio, se puede añadir más agua gradualmente para sumergir la línea completamente. Después que la línea instalada en el fondo o en una cepa, se debe realizar una inspección de la instalación de la tubería. Todos los lastres deben estar colocados apropiadamente y la tubería debe estar posicionada en el centro de la cepa o en el lugar correcto. El área de la cepa donde la tubería deja la orilla y entra en el agua debe ser adecuada para protegerla de daños. Cuando se utiliza un relleno se debe hacer una inspección para comprobar que la instalación es correcta y que se cumplió con la profundidad requerida. Para una tubería marina es mejor que ésta sea más larga que muy corta. Nunca se debe tratar de ajustar una tubería muy corta usando los pernos de las bridas. Esto coloca la conexión bridada en una tensión severa y puede causar escurrimientos o una falla en la conexión de transición. Frecuentemente se puede acomodar una longitud extra haciendo serpentear la tubería en el fondo marino. DIFUSORES DE ENTRADA Y SALIDA SADMX puede proveer ensambles especiales para difusores para succiones o descargas de líneas marinas. Algunas veces se requieren medidas especiales de hundimiento para exponer


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el difusor verticalmente mientras se protege éste de la mayoría de los peligros navales posibles. TUBERÍAS EN LA SUPERFICIE DEL AGUA Las líneas en la superficie del agua pueden ser flotantes en la superficie o se sumergen justo debajo de la superficie del agua. La tubería de polietileno flota naturalmente. Cuando se llena con agua, flota en la superficie del agua. TUBERÍAS EN PANTANOS En áreas pantanosas, la ruta de la línea debe ser supervisada para determinar las condiciones del suelo. En los lugares donde el suelo es sólido, se puede tratar como una línea enterrada. Donde hay un fondo firme, la instalación puede ser tratada como una línea marina anclada. Donde el área es cenagosa, la línea puede ser lastrada a una flotabilidad neutral para que ni se hunda ni flote, y después enterrada a la profundidad requerida para mantener la alineación en toda la línea. Las condiciones variables del terreno pueden requerir un reajuste en el RD de la tubería para concuerde con las características de funcionamiento de la tubería de polietileno con el tipo de terreno. Por ejemplo, en áreas con sedimientos donde el terreno es fluido, el diseño de la tubería puede ser examinado considerando el terreno como un fluido de gravedad específica alta que ejerce una presión hidrostática externa más fuerte que la del agua limpia. TUBERÍAS DESLIZABLES O ENCAMISADAS La tubería de polietileno se utiliza comúnmente para renovar líneas viejas y deterioradas. El proceso de encamisado tiene muchas ventajas porque sólo existe una mínima interrupción del tráfico en las calles y en las líneas de servicio municipal. El daño a la propiedad privada se reduce en comparación a las aplicaciones que requieren abrir cepas para enterrar la tubería y como el polietileno tiene una superficie muy lisa, se mantiene la capacidad de flujo de diseño con la tubería más pequeña, comparativamente a tuberías de concreto o acero usadas. Hay siete paso básicos en el proceso de encamisado. Primero, La línea existente debe ser inspeccionada. Se utiliza un equipo de vídeo para examinar l línea existente y ver cuál es el problema: escurrimientos, obstrucciones, incrustación de raíces o segmentos colapsados o torcidos. Segundo, la línea debe ser limpiada y despejada. Se puede introducir un pequeño segmento de tubería de polietileno en la tubería existente para asegurarse de que la línea


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vieja está completamente despejada para insertar el tubo nuevo. La tubería de polietileno se une mediante un proceso de fusión por calor. Se abren cajas de registro al inicio y al final de la línea a renovar. El PPI y el ASTM tienen guías para las dimensiones de la boca de entrada. Se requiere fabricar un cabezal para jalado y el forro se jala o empuja (o una combinación de los dos) a través de la tubería existente. La tubería experimentará un esfuerzo de tensión durante la inserción al igual que por la tensión térmica por los cambios de temperatura. Se recomienda un período de relajamiento de 24 horas antes de hacer las conexiones laterales y de servicio a la tubería de polietileno. Después del período de estabilización y de que las conexiones de servicio están hechas, el paso final en el proceso de encamisado es hacer las conexiones terminales y estabilizar el espacio anular cuando sea necesario. Se puede encontrar información adicional sobre el proceso de encamisado en el ASTM F585, “Prácticas estándar para inserción de tubería flexible de polietileno en drenajes existentes” y el documento del Instituto de Tuberías Plásticas, “Rehabilitación de líneas con tuberías de polietileno”. TUBERÍAS ENTERRADAS PREPRACIÓN DE CEPAS Y CAMAS El ancho de la cepa varía con su profundidad y el tipo de terreno. El ancho de la cama debe permitir una adecuada compactación alrededor de la tubería. El material excavado, si está libre de rocas o piedras, o la máquina excavadora lo hace pedazos, puede proveer un material adecuado para las base. El tamaño máximo de las partículas de los materiales Clase I y Clase II utilizados como base o relleno inicial, debe ser mantenido en para tuberías pequeñas (<8”) y un tamaño de agregado máximo de 1” para diámetros de tubería mayores que 8”. Consultar PPI Reporte técnico TR-31 para mayor información concerniente a la instalación subterránea de tuberías de polietileno. El fondo de la cepa debe ser relativamente liso y libre de rocas. Los objetos que puedan originar puntos de carga en la tubería deben ser removidos y el fondo de la cepa rellenado utilizando una base apisonada de 4-6 pulgadas. Si existe una condición de inestabilidad en el terreno, el fondo de la cepa debe ser retirado y rellenado hasta la profundidad adecuada con un material de banco. A menos que se especifique, el nivelar el fondo de la cepa de manera precisa es innecesario para la mayoría de los sistemas presurizados. La inclinación debe ser gradual incluso en sistemas de flujo de gravedad. Cuando se une por el método de fusión por calor, la tubería de polietileno es un sistema monolítico y hermético. Comúnmente, las líneas de polietileno no


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requieren de atraques (con una buena compactación del terreno en accesorios como “Tes” y codos es normalmente suficiente). Si se utilizan atraques de concreto en el terreno, estos darán una protección adecuada. Los atraques deben ser construidos con concreto reforzado y actúan como un anclaje entre la tubería o la conexión y las paredes de la cepa. La siguiente información sobre tuberías enterradas se encuentran en le ASTM D 2321, “Prácticas recomendadas para instalación subterránea de tubería termoplástica flexible de drenaje”.

• El fondo de la cepa debe ser liso, seco y estabilizado cuando sea necesario.

• Si se requiere de un material de base, éste debe ser de un material adecuado como se indica en ASTM D 2321. El material debe ser nivelado y compactada un mínimo de 85% de la Densidad estándar Proctor.

• Colocar el material de relleno debajo de los huecos de la tubería. • Se requiere apisonar el material alrededor de los huecos utilizando

herramientas adecuadas.

• El relleno primario y secundario debe ser colocado de manera equivalente en las diferentes capas sin exceder 12 pulgadas, y cada capa debe ser compactada a un mínimo de 85% de la Densidad estándar Proctor.

• El relleno primario debe extenderse normalmente a una altura igual al 75% del diámetro de la tubería. Si la tubería se va a colocar debajo del manto freático, consultar al ingeniero del proyecto para determinar la altura de esta zona.

• El relleno secundario debe estar normalmente de 12 a 18 pulgadas sobre la corona de la tubería. Consultar al ingeniero del proyecto para determinar si se requiere material adicional.

• El relleno final de la cepa debe ser de un material libre de piedras grandes o cualquier otra materia extraña.

• Se debe obtener una compactación adecuada antes de que algún equipo pase sobre la tubería.

Consultar al ingeniero del proyecto antes de enterrar cualquier tubería para determinar las especificaciones del relleno y las condiciones especiales. COLOCACIÓN DE TUBERÍAS La tubería de polietileno puede ser unida a nivel de piso después bajada a la excavación. La tensión o el esfuerzo excesivos se deben evitar durante la instalación. Las conexiones bridadas deben ser utilizadas para unir tramos de una longitud adecuada y facilitar el manejo de la tubería y las conexiones dentro y fuera de la máquina de fusión así como durante la instalación.


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La longitud de la tubería que puede ser jalada y puesta en posición depende del tamaño del tubo y del espesor de la pared. La fuerza de jalado que puede ser aplicada a una tubería a nivel del suelo pude ser calculada con la siguiente fórmula: F = SA Donde: F = Fuerza máxima de jalado, libras S = Tensión máxima permitida (conservadoramente 1000 – 1600 psi) A = Área de sección transversal de la pared de la tubería, pulgadas Cuando se jala una tubería se debe tener cuidado de que los cables de jalado no causen daños. ¡Jamás se jale la tubería con extremos ya bridados! INSTALACIÓN DE CONEXIONES Cuando las conexiones se conectan a estructuras rígidas, el movimiento o “doblado” debe ser prevenido. El relleno debe ser compactado para proveer un soporte total, o se debe construir un soporte de concreto debajo de la tubería y la conexión. Se debe dar particular atención a la compactación lograda alrededor de las conexiones y extender varios diámetros de tubería después de los extremos de la conexión. S e recomienda una compactación de 90% o mayor de la Densidad Proctor. Si se utiliza una base de concreto como soporte, ésta debe ser rígida y extenderse un diámetro de tubería o un mínimo de 122 desde la unión tipo brida. Los pernos en la conexión tipo brida, así como las mordazas en un soporte, deben ser apretados nuevamente antes de enterrar la tubería. Las conexiones en la superficie pueden ser observadas mientras están en operación. La tubería o las conexiones de polietileno no pueden ser encapsuladas en concreto si así lo requiere el diseño. El concreto reforzado puede ser utilizado para incrementar el rango de presión de las conexiones, para estabilizar las válvulas pesadas o las conexiones y para controlar la expansión y contracción térmicas. PRECAUCION: Las conexiones SADMX y Pipe fabricadas son elaboradas por la fusión de segmentos de tubería para obtener la conexión deseada. En la


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mayoría de los casos el rango de presión de una conexión fabricada es el 75% del rango de una conexión moldeada con el mismo espesor. Se deben tomar precauciones cuando se instalan en un sistema de tubería. Consultar la nota técnica #43 de SADMX y Pipe. Las conexiones fabricadas, después de ser fundidas a la tubería, pueden ser dañadas por el esfuerzo excesivo creado por el manejo inapropiado. Las resinas que usa SADMX son muy duras; sin embargo, la fuerza de tensión del polietileno es mucho menor que la del acero y no soportará fuerzas excesivas de levantamiento y empuje que puedan ser ejercidas por el equipo pesado de la tubería, la “T” se puede desprender. ¡Las conexiones fabricadas no deben cargar el peso de la tubería! Los procedimientos de instalación deben minimizar el levantamiento y movimiento de la tubería ensamblada y de las conexiones fabricadas. Si es necesario jalar el ensamble para colocarlo en posición, la conexión para una línea que se va a jalar. Es difícil unir por fusión una “T” con una “Y” fabricadas a un sistema porque la unión es complicada por el tercer lado. El manejo se convierte en un problema cuando la tubería se une al tercer lado. El manejo y la colocación final de estas uniones requieren de precauciones especiales. METODO ALTERNATIVO RECOMENDADO POR EL FABRICANTE El potencial de daño a una “T” o “Y” fabricadas puede ser minimizado incluyendo una conexión tipo brida en el lado del ramal de la conexión fabricada. Esto permite que el posicionamiento final se lleve a cabo antes de que el ramal se conecte. Es sumamente recomendable que las conexiones tipo brida se utilicen en el lado del ramal de las “Tes” y las “Yes” fabricadas y en un extremo de los codos, especialmente en tamaños mayores de 24”. PRUEBA DE PRESION DE LOS SISTEMAS SADMX Los sistemas de tubería SADMX deben ser probados bajo presión antes de ser puestos en servicio l medio de prueba preferido es el agua. Después de que todo el aire es eliminado de la sección de prueba, se aumenta y estabiliza la presión hasta llegar a la presión requerida. La presión en la sección debe ser


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medida tan cerca como sea posible del punto más bajo de la sección de prueba. La prueba de presión no debe de exceder 1.5 veces el rango de presión de operación de la tubería o el componente de rango de presión más bajo en el sistema. Inicialmente, la tubería debe ser llevada la presión de prueba sin suministrar más presión para permitir la expansión de la tubería. Esto ocurre comúnmente en 2-3 horas. Después que establece el equilibrio, la sección de prueba es presurizada hasta 1.5 veces la presión de operación, se apaga la bomba y la prueba final de presión se mantiene durante 1,2 ó 3 horas. La tubería de polietileno mantiene la presión desarrollando tensión en sus paredes. Este proceso continúa a través del período de prueba y la tubería incrementa su diámetro ligeramente. La caída de presión ocurrirá debido a la expansión continua de la tubería durante la segunda fase de la prueba. Es común una caída de presión durante esta fase de prueba y esto no garantiza con absoluta certeza que existan fallas o escurrimientos en el sistema. La tubería de polietileno es probada midiendo la cantidad de agua requerida para volver a llevar la sección la presión de prueba. Las cantidades permitidas de agua requerida en esta tercera fase de la prueba de presión se muestran en la Tabla 16 de PPI Reporte técnico TR 31. Si la presión de prueba no se restablece con el volumen de agua permitido, la prueba falla. Si no existen fugas visibles o caídas de presión significativas durante el período final de la prueba, la línea pasa la prueba.

TABLA16: TOLERANCIA DE EXPANSION BAJO PRESION DE

PRUEBA

TOLERANCIA DE EXPANSION (GALONES U. S. / 100 PIES DE TUBERÍA)

Tubería Nominal

Medida (pulgadas) Prueba 1 hora

Prueba 2 horas

Prueba 3 horas

3 0.10 0.15 0.25 4 0.13 0.25 0.40 6 0.30 0.60 0.90 8 0.50 1.0 1.5 10 0.75 1.30 2.10 11 1.0 2.0 3.0 12 1.1 2.3 3.4 14 1.4 2.8 3.2 16 1.7 3.3 5.0 18 2.2 4.3 6.5


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20 2.8 5.5 8.0 22 3.5 7.0 10.5 24 4.5 8.8 13.3 28 5.5 11.1 16.8 32 7.0 14.3 21.5 36 9.0 18.0 27.0 40 11.0 22.0 33.0 48 15.0 27.0 43.0

Las pruebas de tuberías de flujo por gravedad no presurizadas, ya sea sobre o debajo del suelo, pueden ser realizadas cerrando todas las aberturas debajo de la parte superior de la sección que va a ser sujeta a prueba. Para propósitos de la prueba, se debe proveer un medio para elevar el nivel del agua a por lo menos 3-5 pies sobre el punto más alto de la línea a prueba. El nivel del agua debe mantenerse por un tiempo suficiente para determinar si se presentan fugas. Si resulta poco práctico elevar el nivel del agua como se sugiere, la línea puede ser presurizada con agua o aire baja presión. Normalmente, la presión no excede 5-10 psi en un período de 5-10 minutos. PRECAUCION: Los cambios en la temperatura incrementarán o reducirán la presión aparente de prueba en cualquier sistema de tubería. El efecto depende del rango de expansión de la pared de la tubería comparado con el agua en la misma. El polietileno tiene un rango más alto de expansión y contracción que el agua. Cuando un sistema SADMX se calienta (por ejemplo, en un día soleado), la presión del sistema decrecerá. Cuando un sistema SADMX sellado se enfría, la presión del sistema se incrementará. Si es posible se deben hacer pruebas durante períodos de temperaturas atmosféricas relativamente estables. Muy temprano por la mañana, o ya entrando la noche son buenos períodos para probar la tubería cuando ésta no ha sido enterrada. Bajo ninguna circunstancia el tiempo total de la prueba debe exceder ocho (8) horas a 1.5 veces el rango de presión del componente de rango más bajo del sistema. Si la prueba no se completa debido a escurrimientos, falla del equipo, etc., se debe permitir que la sección bajo prueba se “relaje” por ocho (8) horas antes de la siguiente prueba. TÉCNICAS DE REPARACION REPARACIÓN PERMANENTE Las reparaciones se pueden llevar a cabo en tuberías de diámetro pequeño abriendo el espacio suficiente en l cepa y


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cortando el defecto. Reemplazar la sección dañada con un segmento nuevo de tubería. Las reparaciones en tuberías de diámetro mayor pueden realizarse con un carrete bridado. La sección dañada es eliminada. Después, la máquina de fusión se baja a la excavación. Las conexiones tipo brida se fusionan a cada extremo abierto y el carrete bridado se coloca en posición por medio de pernos. El carrete bridado debe ser hecho exactamente para acoplarse dentro del espacio resultante de retirar la tubería dañada. REPARACIÓN MECANICA Se pueden poner coples de reparación con empaque integral alrededor de la tubería, pero esto no es tan permanente como la reparación con bridas o fusión. Este tipo de reparación es utilizado principalmente en aplicaciones enterradas porque el terreno compactado restringe a la tubería del movimiento térmico y las fuerzas de “desprendimiento” del cople causadas por la presión interna. Un cople de reparación largo generalmente provee una mayor capacidad de sello en la tubería termoplástica. Se recomienda un mínimo de longitud del cople de 1.25 – 2 veces el diámetro nominal de la tubería. Después que la tubería es limpiada de todo material extraño, el cople debe ser apretado. Cuando el cople está instalado se debe colocar el relleno y compactarlo alrededor y sobre la tubería antes que ésta sea presurizada. REPARACIÓN DE CONEXIONES Las conexiones que fallan son comúnmente reemplazadas colocando una nueva conexión en el sistema. No se recomiendan las reparaciones en las que se utiliza aire caliente o soldadura por extrusión. REPARACIÓN BAJO EL AGUA Para llevar a cabo reparaciones en una línea submarina, los extremos de la tubería deben ser levantados sobre el agua y se debe fusionar un ensamble tipo brida a cada extremo. Después los extremos son bajados a su posición en el fondo y unidos por pernos bajo el agua. En algunos casos se debe fabricar un carrete para volver a unir la línea. Se debe utilizar el equipo de levantamiento apropiado para asegurar que la tubería no se tuerza y qué el radio mínimo de doblado no sea excedido. Normalmente, no es necesario remover los pesos antes de levantar la tubería. Sin embargo, se debe tener extremo cuidado cuando se levanta la tubería sobre el nivel del agua cuando ésta tiene lastres. METODOS VARIOS DE REPARACIÓN Bajo ciertas situaciones, se puede utilizar un collarín de encogimiento por calor o un parche de


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reparación por electrofusión para sellar una perforación o una unión que presenta fugas. Existen muchos tipos de collarines disponibles. El interior de los collarines está cubierto con un sellador especial. Cuando se calienta, el sellador entra en la perforación o a la junta y previene fugas futuras. El uso de coples de electrofusión, para realizar reparaciones, nos garantiza uniones monolíticas y en consecuencia reparaciones definitivas. ENVIO, MANEJO Y DESCARGA ENVIO El método normal de envío es por camión. El empaque estándar de la tubería industrial SADMX se muestra a continuación. TABLA 17: EMPAQUE ESTÁNDAR PARA TUBERÍA INDUSTRIAL SADMX Carga del camión Carga del camión Carga Tubería Diámetro Paquete 40 pies (Empaquetado) 40 pies Suelta Medida O. D Número Pies Número Pies Número Pies nominal pulgadas de tramos lineales de paquetes lineales de uniones lineales 1” 1.315 116 2,320 48(paquetes de 20 pies) 111,360 _ _ _ _ _ _ 1-1/4” 1.660 153 3,060 28(paquetes de 20 pies) 85,680 _ _ _ _ _ _ 1-1/2” 1.900 129 2,580 28(paquetes de 20 pies) 72,240 _ _ _ _ _ _ 2” 2.375 88 3,250 14(paquetes de 40 pies) 49,280 _ _ _ _ _ _ 3” 3.500 50 2,000 14(paquetes de 40 pies) 28,000 _ _ _ _ _ _ 4” 4.500 29 1,160 14(paquetes de 40 pies) 16,240 _ _ _ _ _ _ 5” 5.563 15 600 14(paquetes de 20 pies) 8,400 _ _ _ _ _ _ 6” 6.625 13 520 14(paquetes de 40pies) 7,280 _ _ _ _ _ _ 7” 7.125 11 440 12(paquetes de 40 pies) 5,280 _ _ _ _ _ _ 8” 8.625 9 360 10(paquetes de 40 pies) 3,600 _ _ _ _ _ _

10” 10.750 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 85 3,400 12” 12.750 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 56 2,240 14” 14.000 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 48 1,920 16” 16.000 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 39 1,560 18” 18.000 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 27 1,080 20” 20.000 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 20 800 22” 22.000 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 18 720

24” 24.000 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 14 560 28” 27.953 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 10 400 32” 31.496 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 8 320 36” 36.000 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 6 240 42” 42.000 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 48” 47.496 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 54” 54.000 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 2 80


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Trailer de 102” de ancho con un espacio de carga de 96.25” con estacas de tubería. El polietileno, como la mayoría de los plásticos, es más suave que el acero. El transporte, la descarga y la instalación de los productos SADMX deben realizarse con los cuidados necesarios para prevenir daños en la tubería. E l manejo deficiente puede dar como resultado rayaduras, cortes, ranuras y perforaciones. La tubería enrollada está disponible en medidas de ⅛ a 6”. Las longitudes de 500’,1000’ y 1500’ son los más comunes, aunque también están disponibles otras medidas mayores y menores. Para mayor información de contactar a distribuidor local o a SADMX. MANEJO Toda tubería debe ser examinada cuidadosamente antes de su instalación. Cualquier tubería dañada debe ser eliminada. Los cortes y las ranuras que reducen el grosor de la pared más del 10% pueden deteriorar la vida de servicio a largo plazo. SADMX recomienda que estas áreas deben ser cortadas y desechadas. Los raspones o el desgaste menor no tendrán efectos adversos sobre la capacidad de servicio de los productos SADMX. La tubería dañada puede ser reparada por cualquiera de los métodos de unión discutidos previamente. La fusión por calor es preferible para todas las aplicaciones donde las condiciones lo permitan. Algunos métodos de unión (por ejemplo, extrusión de soldadura) no son satisfactorios para los sistemas de presión continua. Los tramos deben ser manejados cerca del centro con un soporte ancho y separadores. Los rollos pueden ser manejados de una manera similar. El uso de cadenas, ganchos o cables de soporte no se recomienda. Los siguientes procedimientos deben ser utilizados cuando se manejan productos SADMX:

• Cuando se envíe o se almacene tubería de polietileno siempre se debe poner la tubería más pesada al fondo.

• Proteger la tubería de orillas filosas cuando sobresalga de la base del camión o trailer poniendo un soporte suave y redondeado en la orilla de la base.

• La tubería de polietileno tiene una superficie interior y exterior muy lisa. Anclar la carga de forma segura para prevenir que se resbale.

• Las longitudes de diámetro pequeño y la tubería de bajo peso pueden ser descargadas manualmente.


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Los siguientes procedimientos son comúnmente implementados cuando se manejan productos SADMX antes y durante el proceso de fusión por calor.

• La tubería se apila a un lado de la unidad de fusión, se fusiona y se jala

a la posición requerida para su instalación. Se debe tener cuidado par prevenir el daño causado por las rocas o la abrasión excesiva durante el proceso de jalado. • Para prevenir una carga excesiva en el sistema hidráulico de la

máquina de fusión, se colocan uniones adicionales de tubería no fusionada en la mordaza movible de la máquina de fusión. La mordaza fija sostiene los tramos largos de tubería de polietileno previamente fusionada.

• Poner la tubería “sobre un soporte” y mover la máquina de fusión es ineficiente y no es típicamente utilizado durante la construcción.

DOBLADO El radio mínimo de doblado varía con el RD de la tubería de pared delgada puede ser doblada a un radio mínimo de 40 veces el diámetro de la tubería. La tubería de pared gruesa puede ser doblada a 25 diámetros de la tubería.

OVALAMIENTO El que la tubería deje de ser redonda debido a la carga excesiva durante el transporte o el almacenamiento no impide el servicio de la tubería. La tubería no debe considerarse dañada menos que las mordazas de la máquina de fusión o la herramienta usada no puedan devolver exitosamente la redondez a la sección para una buena unión por fusión o electrofusión. Ocasionalmente la tubería puede ser colocada en una condición sin presión para que se relaje y vuelva a su forma redonda gradualmente.

DESCARGA

Las siguientes recomendaciones se dan para la descarga de la tubería SADMX:

• Asegurarse de que el equipo de descarga tiene la capacidad para manejar el peso de la tubería.

• El equipo para descargar debe tener el espacio adecuado en ambos lados del trailer. Advertir a todas las personas alejarse del trailer.

• Descargar un pallet, un paquete o una hielera de carga cada vez. Las bandas del camión que aseguran un paquete o una hielera de carga deben ser soltados cuando ese paquete o hielera va a ser descargado.

• Nunca parase sobre un paquete de tubería.


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ALMACENAMIENTO

Si la tubería tiene que apilarse para almacenarla, evitar las alturas excesivas de estiba y apilar la tubería en filas rectas. La tubería puede ser deformada si no se almacena correctamente. Las alturas de estiba generales desarrolladas por el Instituto de Tuberías Plásticas para tubería de polietileno se muestran en la tabla 18.

Como la tubería SADMX contiene más del 25 de negro de humo, resistirá el daño causado por la luz del sol. La expansión y contracción causadas por un calentamiento inesperado en el sol puede causar que la tubería se arquee si no está restringida por bastidores. Esto no daña a la tubería pero puede ser inconveniente cuando la tubería se saca del almacén para su instalación. Cuando la tubería está colocada directamente sobre el piso, las rocas y otros objetos que puedan raspar o desgastar la tubería deben ser evitados.

TABLA 18. ALTURAS DE ESTIBA PERMITIDAS PARA TUBERÍA SADMX

Número de filas (altura) Medida Nominal SDR * 18 SDR> 18 SDR> 26 de tubería, pulgadas y menor hasta SDR 26 hasta SDR 32.5 4 45 26 14 6 31 17 10 8 24 13 8 10 17 10 6 12 13 8 5 14 12 7 4

16 11 6 4 18 10 6 4 20 9 6 3 22 8 5 3 24 7 4 3 28 6 4 3

32 _ _ _ 3 2 36 _ _ _ 3 2 40 _ _ _ _ _ _ 2 48 _ _ _ _ _ _ 2


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Diámetro Exterior Nota: SDR = Radio Dimensional estándar = Espesor Mínimo de la Pared

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