Selección de Materiales

UNED

22/II/13

(TO) TRABAJO OBLIGATORIO INDIVIDUAL: SELECCIN DE MATERIALES.

TRABAJO DESCRIPTIVO SOBRE LA SELECCIN DE LOS MATERIALES MS ADECUADOS PARA UNA DETERMINADA APLICACIN, EN FUNCIN DE UNA PROPIEDAD DETERMINANTE DEL DISEO DE UN COMPONENTE.

MANUEL FRANCISCO ROMERO CALDERN.

NDICE: 1. Portada ............................................................................................................................... 1 2. ndice .................................................................................................................................. 2 3. Objetivos ............................................................................................................................ 3 4. Desarrollo ........................................................................................................................... 4

4.1. Materiales 1) Materiales a usar en Redes de Agua Potable 2) Especificaciones Tcnicas de Materiales

4.1.2.1. Tubera de PVC 4.1.2.2. Tubera de Polietileno de Alta Densidad (HDPE) 4.1.2.3. Tubera de Acero Comercial 4.1.2.4. Tubera de Fierro Dctil con unin Tyton

4.2. DISEO 1) Anlisis de la Resistencia ante Acciones Externas

4.2.1.1. Cargas sobre tubera 4.2.1.2. Temperaturas (dilatacin y contraccin) 4.2.1.3. Corrosin

2) Estudios de Materiales 4.2.2.1. Materiales de tuberas 4.2.2.2. Campos de utilizacin de tuberas segn material 4.2.2.3. Anlisis comparativo del comportamiento por tipo de material

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

4.2.3.1. Introduccin 4.2.3.2. Corrosin interna 4.2.3.3. Corrosin externa 4.2.3.4. Proposicin de Metodologa para la seleccin de material de tuberas

desde el punto de vista de la corrosin 4.2.3.5. Conclusiones

5. Datos personales .............................................................................................................. 30

4. DESARROLLO.

4. 1 MATERIALES

4.1.1 Materiales a usar en redes de agua potable El siguiente corresponde a un listado de los materiales normalmente utilizados en

redes de agua potable: PVC Polietileno de Alta Densidad (HDPE) Acero Comercial Fierro Dctil con unin Tyton

4.1.2 Especificaciones Tcnicas de Materiales A continuacin se entregan las especificaciones tcnicas de los materiales utilizados

en las redes de agua potable: 4.1.2.1.- Tubera de PVC 4.1.2.2.- Tubera de Polietileno de Alta Densidad (HDPE) 4.1.2.3.- Tubera de Acero Comercial 4.1.2.4.- Tubera de Fierro Dctil con unin Tyton

4.2 DISEO

4.2.1 Anlisis de la Resistencia ante Acciones Externas Para una mejor comprensin en la siguiente figura de la pgina siguiente se muestra

un modelo de carcter conceptual de las distintas solicitaciones del tipo mecnicas y fsico-qumicas, como tambin de las propiedades intrnsecas de las tuberas.

4.2.1.1 Cargas sobre la tubera Las tuberas de cualquier tipo de material al ser colocadas enterradas, quedan

sometidas a esfuerzos derivados del peso del terreno que acta sobre ellas y del eventual trfico vehicular o cargas uniformemente repartidas.

La magnitud de las cargas y esfuerzos a que queda sometida una tubera es influenciada por una serie de factores entre los que se destacan:

Ancho de la zanja Profundidad de la zanja Dimensiones de la tubera Condiciones del suelo Relleno de la zanja Condiciones de encamado de la tubera Tipo de trfico

4.2.1.1.1 Tipos de conducto Los conductos se pueden agrupar segn el grado de rigidez. Generalmente se

conocen tres clases de tubos. 1. Conductos rgidos, cuyas formas transversales no pueden distorsionarse lo

suficiente como para cambiar sus dimensiones verticales en ms de 0,1% sin

causar dao. 2. Conducto semirgido, cuyas formas transversales pueden distorsionarse lo

suficiente como para cambiar sus dimensiones horizontales o verticales ms de 0,1%, pero no ms de 3,0%, sin causar dao material.

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

MODELO CONCEPTUAL DE SOLICITACIONES EN UNA TUBERA

SOLICITACIONES MECANICAS

TIERRA TRANSITO VEHICULAR

HELADAS CONSTRUCCION

SOLICITACIONES FISICO-QUIMICAS

AIREACION

TEMPERATURA

CARGAS DEBIDAS A LACONSTRUCCION

d

CARGAS EXTERNAS

ELECTROLISIS

CORROSION GALVANICA EXTERNA

PRESION

CARACTERISTICAS DEL SUELO AGUAS SUBTERRANEAS

HUMEDAD DEL SUELO

FILTRACION

ESPESOR PARED ESFUERZO DE ARCO

RESISTENCIA TUBERIA

COEFICIENTE SEGURIDAD

ESFUERZOS

TRACCION

COMPRESION

FLEXION

Se usar los trminos rgidos y flexibles para diferenciar entre las clases (1), por

una parte y las clases (2) y (3) por la otra. Un tubo debe ser considerado flexible o rgido no en forma aislada, sino

considerando siempre su relacin con el terreno que lo rodea. Para determinar la rigidez relativa de la tubera se aplica el criterio de WOELLMY.

=

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DONDE:

mdulo de elasticidad del suelo

mdulo de elasticidad del tubo

radio medio del tubo espesor de la tubera

Slo si n > 1 el tubo se deformar ms que el relleno y el tubo podrn ser considerado elstico con respecto a aquel.

4.2.1.1.2 Tipos de zanja La magnitud de la carga de terreno depende de las condiciones de instalacin de la

tubera, las que en forma general pueden ser: Zanja angosta Zanja ancho o terrapln

En el caso de zanja ancha se tiene las variantes de proyeccin positiva, proyeccin negativa y zanja imperfecta, de las cuales solamente se estudiar la condicin de zanja ancha, con proyeccin positiva, por ser los otros casos muy especiales y de poca ocurrencia en la prctica.

Un tubo est en condicin de zanja angosta si cumple con una de las siguientes relaciones:

a. B < 2D H > 1,5 B

b. 2D < B < 3D H > 3,5 B

donde: = ancho de zanja sobre la clave del

= altura de zanja sobre la clave = dimetro del tubo

Tipos de zanja

B B D H

D H D

a) Angosta b.1) Ancha b.2) Terrapln

4.2.1.1.3 Determinacin de las cargas de terreno

4.2.1.1.3.1 Condicin de zanja angosta La magnitud de la carga est dada por:

We = CtxWxB2 (1) Donde:


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

siguientes expresiones:

We = 12` /

2` donde:

k = coeficiente de empuje activo del terreno dado por RANKINE.

K = tg2 (45-

2) ' = ngulo de friccin entre el relleno y las paredes de la zanja = ngulo de friccin interno del relleno

El ngulo ` es igual o menor que por lo que se supone para efecto de calculo que `= .

4.2.1.1.3.2 Condicin de zanja ancha La magnitud de la carga est dada por:

Wew = Ce x W x D2 donde:

D dimetro exterior del tubo (m) W Ce

peso especfico del relleno (kg/m3) coeficiente de carga para la condicin de zanja ancha, que depende del tipo de suelo; pero fundamentalmente en la razn de proyeccin pj y la razn de asentamiento rs y cambia con la relacin H/D.

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

Tabla para valores de pj

Angulo de Encamado 30 60 90 120

Pj 0,98 0,93 0,85 0,75 Valores de rs

La norma ISO recomienda los siguientes valores rs para tubos rgidos: Rs 1 tubos en roca o suelo fundacin. Incomprensible. Rs 0,5 - 0,8 tubos colocados en suelo de fundacin normal. Rs 0 - 0,5 tubos colocado en suelo de fundacin blando asentable.

En el caso de tubos elsticos o semi-rgidos pueden tomarse los menores valores

detallados en rs en funcin del tipo de suelo de fundacin. Determinacin de la carga de un tubo flexible La determinacin de la carga de un tubo flexible con respecto al relleno en

condiciones de Zanja est dada por:

Wet = Ct x W x B x

Donde: Ct factor de carga frmula de zanja angosta W B D

peso especfico del suelo (kg/m3) ancho de zanja sobre la clave de la tubera dimetro exterior del tubo



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4.2.1.1.4 Cargas vehiculares La frmula de BOUSSINESQ para la determinacin de las cargas vehiculares est

dada por la siguiente expresin:

Pvc = pv x D x (kg/ml) donde: pv = factor de carga. D = dimetro exterior del tubo. = factor de impacto 1 + 0,3/H para calles y autopistas y 1 - 0,6/H para cruces de FFCC.

4.2.1.1.5 Factor de encamado La resistencia al aplastamiento de la tubera est fijada por normas a travs de

ensayos normalizados de dos apoyos. La resistencia al aplastamiento de una tubera enterrada es muy superior a su

resistencia en condiciones de ensayo de dos apoyos y depende del tipo de encamado realizado.

El factor de encamado k es la relacin entre estas dos cargas de aplastamiento.

K = WtWi

donde:

Wt = Carga de aplastamiento en terreno Wi = Carga de aplastamiento en laboratorio

4.2.1.1.6 Coeficiente de seguridad Los coeficientes de seguridad respecto a las cargas de aplastamiento, varan segn

el tipo de tubera; se acepta lo siguiente:

Tubera a presin : factor de seguridad 2,5 Tubera sin presin : factor de seguridad 1,3 1,5 Luego: F.S. = Carga de ruptura dada por Norma x factor de encamado

Carga real

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

4.2.1.1.7 Tuberas flexibles Los criterios de diseo estructural para tuberas enterradas consideradas flexibles,

son los del mtodo de WATKINS mediante la frmula de SPANGLER. Un tubo flexible bajo la carga de suelo tiende a deflectarse, desarrollando de esa

manera un soporte pasivo del suelo ubicado a los costados del tubo. Al mismo tiempo, la deflexin anular alivia al tubo de la mayor parte de la carga vertical del suelo que es soportada entonces por el suelo envolvente a travs de un mecanismo de accin de arco sobre el tubo.

Debido a esta interaccin entre un tubo flexible y el suelo que lo rodea para soportar las cargas externas, las propiedades del suelo son muy importantes. De la misma manera, el encamado es importante en limitar concentraciones de presiones del suelo en los tubos rgidos, la compactacin o densidad es un parmetro importante para limitar las deflexiones anulares de los tubos flexibles.

1) Carga Total Para el clculo de la carga total (Wf) se utiliza la frmula:

Wf = (We + Pvc)



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donde: We = est definido en la ecuacin Pvc = est definido en la ecuacin

Las cargas vivas (Pvc) tienen influencia hasta 1,50 mts. en calles y autopistas y es pequea a mayores profundidades.

Si la carga viva es de tipo impacto puede llegar a ser el doble de la carga esttica. A profundidades extremadamente pequeas, un tubo flexible puede deflectarse y rebotar bajo cargas dinmicas lo que puede ocasionar roturas en la superficie del camino.

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

WATKINS

x = R(DiWe+Pvc)

+0.06`K donde

x = flexin horizontal en tubo flexible. K = factor encamado, dependiente del ngulo de apoyo. Wf = carga total (8) (kg/cm). R = radio del tubo (cm). I = momento de inercia de la pared del tubo por unidad de longitud E = mdulo de elasticidad. E = mdulo de reaccin del suelo. Di = factor de deformacin diferida (1,25-1,50)

3) La deflexin x

Hablando estrictamente, x es la deflexin horizontal del tubo, pero dentro del rango de utilizacin de experiencia ha demostrado que puede considerarse como la deflexin vertical.

La deflexin permitida por un tubo de acero o de hierro dctil revestido con mortero es del orden de un 2% en tanto que, un tubo de acero o de hierro dctil revestido en esmalte de alquitrn est dentro de un rango de 3-5%.

4) Factor de deformacin diferida El aumento gradual de la deflexin es una accin que se asemeja algo al

asentamiento de las cimentaciones y la consolidacin de los suelos a lo largo del tiempo. El aumento se hace, sin embargo, cada vez ms lento y con los aos se alcanza una estabilidad virtual. El factor Di relaciona la deflexin inicial con la deflexin final. Los valores observados por SPANGLER vara de 1,38 a 1,46. Se sugiere un valor de diseo de 1,25 a

1,50. Algunos autores no aplican este factor a la deflexin causada por la carga viva.

5) Factor de encamado k El factor de encamado vara con el ngulo de encamado segn la siguiente tabla:

TABLA G.1 (Norma AWWA C-900) Angulo de encamado K

0 0,110 30 0,108 45 0,105 60 0,102 90 0,096

120 0,090 180 0,083



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6) Mdulo de reaccin del suelo (E) Los valores de E tienen mucha importancia para una adecuado diseo. Se puede

apreciar en la Tabla 3.1, la gran importancia del tipo de suelo y de la compactacin que se de al encamado y el material que rodea al tubo flexible, en esos valores.

TABLA - Valores promedio de E Tipos de

suelo, material de encamado del

tubo.

E para grado de compactacin del encamado en kg/cm2 Vaciado Suelto (1 y 2)

Ligera 85% proctor

(1 y 2)

Moderada 85% 85% Proctor

(1 y 2)

Alta 95% Proctor

(1 y 2) Suelo de grano

fino (LL 50) suelo

c/mediana a alta plasticidad.

Sin datos disponibles. Recomendable E = 0

Suelo de grano fino

(LL 50) suelos plasticidad medio o

sin plasticidad. CL, ML, ML-CL,

con menos de 25% de partculas de grano

3,5

14

28

70

Suelo de grano fino

(LL 50) suelos con plasticidad GL.

ML, ML-CL con

ms de 25% de partcula de grano

grueso. Suelo de grano grueso con fino, GM,

GC, SM, SC

7,0

28

70

140

Suelo de grano

grueso con poco o sin finos GW, GP, SW, SP contiene menos de

14

70

140

210

Chancado 70 210 210 210 (#) precisin

en trminos

+ 2

+ 2

+ 1

+ 0,5 # Para + 1 % de precisin y una deflexin calculada de 3% la deflexin verdadera

estar entre 2% y 4%. NOTAS: 1.- Si el encamado cae en el lmite entre dos categoras de compactacin debe

elegirse el menor valor de E o bien un promedio entre los valores. 2.- Porcentaje de proctor determinado segn ASTM D-698 o AASHTO 99.

4.2.1.2 Temperaturas (dilatacin y contraccin) En general los materiales con uniones del tipo semi - flexibles o flexibles no tienen

problemas en cuanto a deformaciones longitudinales por temperatura diferencial; por ejemplo cemento asbesto, uniones super simplex o gibault; fundicin dctil, uniones junta



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automtica o junta mecnica, y acero junta alvenius, dresser y W. Jonhson, todas estas uniones permiten absorber las dilataciones en longitudes estndares de 6 m por tubo aproximado.

Solamente podr producirse problemas en el uso de caeras de acero soldadas de tope y en el uso de caeras de acero y fundicin dctil, cuando la unin sea brida; en otras palabras, cuando se use caeras metlicas con unin rgida. En este caso se deber proceder al clculo e instalacin de junta de dilatacin apropiadas.

En resumen, el clculo de las juntas de dilatacin o construccin de la tubera por diferencial de temperatura ser necesario efectuarlo cuando el diseo, dada las condiciones generales de proyecto, obligue al uso de caeras metlicas con unin rgida.

El clculo en el caso de tuberas metlicas con unin rgida deber efectuarse para la temperatura diferencial mxima que pueda producirse. En el caso de acoples flexibles indicados ms arriba, deber verificarse la capacidad de absorcin de esta dilatacin de cada uno de ellos, de acuerdo a la diferencial de temperatura.

4.2.1.3 Corrosin

4.2.1.3.1 Corrosin en Tuberas Metlicas

Fundamentos tericos de corrosin. EN EL CASO DE TUBERAS METLICAS SE EXPONDR LA TEORA ELECTROQUMICA,

COMO FENMENO UNIVERSALMENTE ACEPTADO PARA EXPLICAR EL PROCESO CORROSIVO. EN CAMBIO, EN LAS TUBERAS NO METLICAS, SE DEBER ANALIZAR PROCESOS BSICAMENTE QUMICOS PARA DESCRIBIR LOS FENMENOS CORROSIVOS.

4.2.1.3.1.1 Teora Electroqumica Est hoy universalmente aceptada la teora electroqumica como explicacin

satisfactoria de las reacciones bsicas responsables de la corrosin de los metales ferrosos y no ferrosos.

Debido a la complejidad de dicha teora se explicar en la forma ms simple utilizando para ello el mecanismo de corrosin del fierro.

El mecanismo bsico de la corrosin puede ser asimilado al funcionamiento de una celda o pila que cumpla con las siguientes condiciones:

a) Es necesario la presencia de un nodo y de un ctodo. b) Es necesario que exista un camino metlico que conecte elctricamente el

nodo y el ctodo (este camino est constituido por la caera) c) El nodo y el ctodo deben estar sumergidos en un electrolito ionizable

conductor de la electricidad. En nuestro caso, la humedad natural del suelo o el agua conducida por la tubera

cumple con dicha condicin, es decir, la molcula del agua (H2O) puede separarse en iones hidrgenos con carga positiva (H+) e iones hidrxilos (OH-), a travs de la siguiente reaccin de disociacin.

H2O H+ + OH- UNA VEZ QUE SE CUMPLAN LAS CONDICIONES SEALADAS, SE PRODUCIR UN

FLUJO DE CORRIENTE ELCTRICA Y HABR CONSUMO DE METAL EN EL NODO. Todos los metales en contacto con el agua tienen una tensin especfica de

solucin, es decir cierta capacidad de entrar en solucin, cuando se realiza esta reaccin, el metal que se ha disuelto en agua est en forma de iones. As cada tomo de hierro Fe en disolucin, forma en el nodo un ion Fe++ cargado positivamente cediendo 2 elementos cargados negativamente a travs de la reaccin.

Fe Fe++ + 2e-

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



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

2OH- + Fe++ Fe (OH)2 Este hidrxido ferroso, que es relativamente insoluble, puede depositarse en las

superficies metlicas en forma de pelcula permeable. En presencia de oxgeno, el hierro que ha entrado en solucin para formar iones

ferrosos con el agua en contacto con el metal, es rpidamente oxidado formando un compuesto de hidrxido frrico (Fe(OH)3), que no es otra cosa que el xido de color pardo caracterstico que se llama herrumbre.

Es decir, los iones ferrosos producidos en el nodo (reaccin primaria), presencia de iones hidrxilos, originan la formacin de hidrxido ferroso (reaccin secundaria), el cual en presencia de oxgeno puede transformarse total o parcialmente en hidrxido frrico (reaccin secundaria).

4.2.1.3.1.2POLARIZACIN Y EFECTOS DESPOLARIZANTES Las pelculas de polarizacin son un factor importante en el control de la

intensidad de la corriente. En cierto sentido, la pelcula de hidrgeno que se forma en la superficie del ctodo

constituye una resistencia intercalada en el circuito reduciendo la intensidad de corriente. En realidad, el asunto no es tan sencillo, aunque el efecto es similar. Cuando esta

pelcula se desarrolla sobre el ctodo, se introduce una cada de voltaje y el potencial de esa polarizacin queda en oposicin con el potencial de la celda causante de la corriente de corrosin.

En condiciones ideales, habra posibilidades de que el potencial de polarizacin se acerque bastante al valor del potencial de la celda de corrosin. Ello significa que el potencial neto disponible para generar la corriente tendera a una pequea fraccin del voltaje original de la celda existente antes que se produjera la polarizacin.

De esta manera la intensidad de la corriente y la cantidad de metal perdido, se reducen a una cada de voltaje y el potencial de esa polarizacin queda en oposicin con el potencial de la celda causante de la corriente de corrosin.

En condiciones ideales, habra posibilidades de que el potencial de polarizacin de acerque bastante al valor del potencial de celda de corrosin. Ello significa que el potencial neto disponible para generar la corriente tendera a una pequea fraccin del voltaje original de la celda existente antes que se produjera la polarizacin.

De esta manera la intensidad de la corriente y la cantidad de metal perdido, se reducen a un valor bastante bajo, tal como sucedera si se intercalara en el circuito planteado otro material con una resistencia hmica alta.

Apoyados en lo que se ha dicho hasta el momento, podra decirse que las pelculas de polarizacin hacen reducir la intensidad de la corriente de la corrosin a un mnimo insignificante.

Sin embargo, como anteriormente se dijo, frecuentemente tienen lugar efectos despolarizantes que tienden a remover la pelcula polarizante de hidrgeno.

Entre ellos pueden mencionarse los siguientes: Efectos mecnicos, tal como el que tiene su origen en la velocidad

del agua en una tubera comparable al que ejercera una escobilla.

As, con bajas velocidades el efecto podra ser mnimo, mientras

que con velocidades altas, la remocin podra ser total.

Oxgeno disuelto en el electrlito, caso que podra presentarse en la superficie de una tubera instalados en un suelo bien aireado o

el oxgeno disuelto en el agua a conducir.

El oxgeno disuelto se combina con el hidrgeno de



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polarizacin, formando agua, removiendo la pelcula y

continuando la corrosin.

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

hidrgeno.

En todo caso cualquiera que sea el mecanismo despolarizante, ste permitir que la celda de corrosin permanezca activa en un grado de actividad que ser funcin de la tasa de remocin del hidrgeno.

Los factores principales de corrosin en las tuberas metlicas de conduccin de agua potable, estn continuamente sujetos a diferentes formas de acciones corrosivas, basadas principalmente en factores de tipo electroqumico.

Existe un gran nmero de factores que influyen en la corrosin de una tubera metlica, asociados ya sea a la tubera propiamente tal, al medio exterior (suelo) o al medio interior (agua).

Estos efectos se podran definir como los siguientes: a) Accin galvnica b) Corrientes vagabundas c) Accin microbiolgica d) Humedad y composicin qumica del suelo e) Tensiones f) Pelculas protectoras g) Cavitacin h) Oxgeno disuelto i) Composicin qumica del agua j) Velocidad del flujo

4.2.1.3.2 Corrosin en tuberas no metlicas

Como se ver a continuacin, la resistencia de los tubos de cemento y asbesto cemento, dependen fundamentalmente de su afinidad qumica con el medio, tanto interior como exterior.

Como fue planteado anteriormente, todo proceso corrosivo resulta esencialmente de una reaccin qumica o electroqumica entre el material y su medio circundante.

En las reacciones qumicas se produce un simple intercambio de iones, en tanto que el proceso electroqumico queda caracterizado por la formacin de celdas galvnicas compuestas de un ctodo y un nodo, entre los cuales a travs de un electrolito, circular una corriente de corrosin.

Este par galvnico, obviamente generar una mayor o menor accin corrosiva, dependiendo de la conductividad del material, es decir, de la capacidad que tenga de transportar corriente elctrica.

Sin embargo, si se copara la conductividad elctrica del acero (2,2 x 106 mho/h) con la del cemento asbesto (0,7 mho/m) se observa que este ltimo posee una capacidad prcticamente nula para conducir corriente elctrica, por lo que se deduce que su comportamiento corrosivo slo lo podemos encontrar al analizar fenmenos netamente qumicos.

Adems, debido a que los compuestos de calcio son mucho ms vulnerables que los compuestos de magnesio, el estudio de la corrosin se reduce an ms, bastando el anlisis de los elementos que sean agresivos al cemento, ya que cualquier compuesto susceptible de atacar el asbesto, ataca primeramente al cemento constituyente.

Reacciones qumicas principales Siendo el cemento el material que produce la vulnerabilidad del cemento asbesto,

es necesario conocer las reacciones y compuestos principales que se presentan en las



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etapas de fraguado y endurecimiento. Al respecto se tiene: 1) 2 (3CaOSiO2) + 6H2O 3CaO2SiO23H20 + 3Ca (OH)2

Silicato de triclcio Disilicato Triclcico Hidrxido de calcio (C3S) hidrato (tobermorita) (cal apagada) 2) 2 (2CaOSiO2 ) + 4H2O 3CaO2SiO23H2O + Ca (OH)2

Silicato diclcico Tobermorita Cal

3) Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O Cal

Carbonato de Calcio Anhdrico Carbnico (presente en agua o en el aire de curado) 4) CaOAl2O3 + 3CaSO4 + 31H2O 3CaOAl2O3 3CaSO431H2O Aluminato Sulfato de Ettringita Triclcico Calcio (C3A) (Yeso)

Algunos de estos compuestos se forman de inmediato en la primera etapa de fraguado y otros se van formando a medida que transcurre el argo perodo de endurecimiento.

Por lo dicho anteriormente, los tubos de cemento asbesto pueden ser atacados qumicamente tanto desde el interior por el lquido que se portea, como desde el exterior por el suelo hmedo, pudiendo ser el primero ms peligroso, por cuanto adems de acortar la vida til puede llegar a modificar la calidad del agua conducida.

El hecho que la dureza de la superficie interior o exterior disminuya, permite muchas veces constatar la corrosin del tubo de asbesto-cemento. Esta prdida de dureza es el resultado de la accin qumica sobre los componentes del cemento que contienen calcio. Estos compuestos, transformados por la accin qumica dejan de pertenecer a la composicin del cemento-asbesto, quedando solamente la base flexible de las fibras de asbesto.

Lo interesante es analizar lo que pasa con los productos resultantes de la accin corrosiva. Si dichos productos son insolubles, ellos llenarn los vacos que quedaron como consecuencia del ataque. En cambio, si son solubles, ellos sern arrastrados y el lquido agresivo penetrar en los vacos antes sealados.

Sin embargo, al contrario de lo que se pudiera pensar, estos productos, resultantes de las reacciones qumicas, no hacen que el proceso corrosivo se desarrolle linealmente. Es decir, la velocidad de las acciones qumicas que se desarrollan a nivel de la pared del tubo, ya sea del interior o exterior de l, no es una funcin que crezca con el tiempo, sino ms bien decreciente.

Esto se origina debido a que, a medida que la corrosin del cemento progreso, las capas de las fibras de asbesto descubiertas comienzan a formar un fieltro muy fino con los mismos productos de la corrosin creciendo en espesor y protegiendo las capas internas del material an intactas, oponindose as, al avance del fenmeno.

Esta autoproteccin de los tubos de cemento asbesto contra la corrosin, que se ha constatado en ensayos tanto en laboratorio como en terreno, es una caracterstica muy importante de este material. Se supone que la corrosin decrece progresiva hasta que una situacin de equilibrio es alcanzada al cabo de un corto tiempo.

En todo caso la literatura especializada no da ninguna respuesta definitiva al respecto. En algunos casos se ha observado el citado equilibrio la disminucin de la corrosin, mientras que en otros casos no se ha podido aportar prueba alguna. Al parecer el fenmeno depende probablemente del tipo de elemento agresivo de que se trate.

Otra caracterstica muy importante es la impermeabilidad del material por cuanto



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impide la penetracin de sustancias agresivas bajo la superficie y el ataque actuara solamente en la superficie y no a travs de ella.

4.2.2 Estudios de Materiales

4.2.2.1 Materiales de tuberas

4.2.2.1.1 Caeras de asbesto cemento Su fabricacin se encuentra normalizada; los dimetros comerciales son: Dimetros (mm): 50-75-100-125-150-175-200-250-300-350-400-450-500-600-700-

800-900-1000 Se fabrican en tres tipos o clases segn sea la presin de prueba a que se sometan.

As, tenemos las siguientes clases:

Clase Presin de Trabajo (kg/cm2)

Presin de Prueba (kg/cm2)

AU-10 (baja presin) 5 10 AV-15 (media presin) 7.5 15 AW-20 (alta presin) 10 20

Los largos comerciales de las caeras de asbesto cemento son de 4 y 5 metros.

4.2.2.1.2 Caeras de acero. Su utilizacin ms general es en tuberas de gran dimetro lo que la hace poco

utilizada redes de distribucin; debido a que soportan grandes presiones en comparacin con otros materiales.

La fabricacin de este tipo de caera est normalizada por Normas NCh 303 o Tiene el inconveniente que debido a su gran facilidad de corrosin sea preciso protegerlo interior y exteriormente.

4.2.2.1.3 Caeras de P.V.C. (Cloruro de Vinilo) Su fabricacin en nuestro pas se efecta segn norma INN NCh 399. Se fabrican en tres tipos o clases segn sea la presin de trabajo. As, tenemos las

siguientes clases:

Clase Presin de Trabajo (kg/cm2)

4 4 6 6 10 10

4.2.2.1.3.1 Caractersticas Mecnicas de las tuberas de PVC Las caractersticas de estas tuberas, similares a las restantes de material plstico,

pueden resumirse en los siguientes puntos: Son ligeras. El peso especfico 1.4 g/cm3 Inertes a las aguas agresivas y a la corrosin de las No existe peligro de obstruccin en los tubos, como resultado

de la formacin de residuos y xidos. En consecuencia, podemos

decir que la seccin tal de los tubos permanece prcticamente

invariable.

La superficie interior de los tubos puede considerarse como



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"hidrulicamente lisa".

Los roedores y las termitas no atacan a los tubos de PVC rgido. Excelente comportamiento a las sobrepresiones momentneas,

tales como el golpe de ariete.

Mejor comportamiento que los tubos tradicionales bajo los efectos de la helada.

Inertes a los efectos de las corrientes vagabundas . No favorecen el desarrollo de algas ni hongos, segn ensayos de

larga duracin (5 aos).

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

Estas caractersticas se ven adems fuertemente afectadas por la temperatura. As resulta que la tensin de rotura en traccin, para una duracin aproximada de 1 minuto, es del siguiente orden:

Error! Marcador no definido.C kg/cm2

20 30 40 50 60

500 440 370 300 230

La resistencia a 50C se reduce al 60%, y a 60C no llega al 50% de la resistencia mecnica. Bien entendido que estos valores dependen de la forma de la probeta y de la velocidad de traccin.

En compresin se llega a iguales valores y para esfuerzo cortantes se mantienen tambin las proporciones, si bien en valor absoluto los esfuerzos son del orden de los 4/5 de la traccin o compresin.

El mdulo de elasticidad, que es el del orden de 30.000 kg/cm2 a 20C, disminuye rpidamente a partir de los 80C. De todos modos, este valor mximo de 30.000 kg cm2, es demasiado pequeo para que puedan realizarse canalizaciones suspendidas, que deban soportar esfuerzos importantes de flexin.

4.2.2.1.3.3 Fluencia del PVC La mayor parte de las propiedades mecnicas del PVC dependen adems de la

duracin del esfuerzo. En una primera aproximacin puede decirse que, en traccin, por ejemplo, el PVC

pierde un 14% de su resistencia a la rotura, cuando la duracin del esfuerzo es multiplicado por 10.

Esta ley aproximada puede escribirse:

R = R1 xt -0.66 en la cual:

R es la resistencia a la rotura en un ensayo durante t minutos,

Rl es la resistencia a la rotura en un ensayo durante 1 minuto. t tiempo en minutos

Se encuentra as, que la resistencia a la rotura en un minuto de duracin debe multiplicarse por 0.37 para un esfuerzo aplicado durante 20 aos.

As como para los metales la previsin de las deformaciones en funcin de los



17

esfuerzos a que estn solicitados es un problema relativamente fcil, el comportamiento "elastoplstico" del PVC hace este problema sumamente complejo, ya que el mdulo de elasticidad, para una temperatura dada, vara con las tensiones a que se somete y con las deformaciones que de ellas resultan.

Puede admitirse, sin embargo, que por debajo de 200 kg cm2, no hay deformacin permanente. Este valor de 200 kg/cm2 se define como lmite de solidez del PVC.

Se llama coeficiente de seguridad a la relacin: Lmite de solidez

Tensin lmite

4.2.2.1.3.4DILATACIN Los tubos de PVC presentan un coeficiente de dilatacin lineal aproximadamente

siete veces mayor que el del hierro. Su valor es de 0,06 a 0,08 mm/C m. Un tendido de 200 metros, realizado a pleno sol en verano, puede durante la

noche experimentar una bajada de temperatura de 20C, y sufrir una contraccin de 24 a 32 cm. Si en aquellas condiciones de elevada temperatura se enlaza rgidamente a los elementos fijos de la canalizacin, vlvulas o ts, por ejemplo, el tubo sufrir fuertes esfuerzos de traccin, que conviene evitar. Por esta otra razn es aconsejable hacer el tendido de los tubos un poco ondulado, no cubrir las zanjas con fuertes calores, as como utilizar uniones con junta elstica que absorban dichos esfuerzos.

Caractersticas hidrulicas El coeficiente n de las frmulas de KUTTER y MANNING, se establece en:

Superficie Interna

Condiciones de la tubera

Optimas Buenas Aceptables Malas

PVC 0,008 0,009 0,010 0,012

4.2.2.2 Campos de Utilizacin de Tuberas segn el Material Una conduccin debe proyectarse para que transporte un determinado caudal con

el mnimo costo posible, compatible con un coeficiente de seguridad adecuado. Entendindose por mnimo coste posible no slo el costo de primera inversin, sino tambin los costes de mantenimiento y explotacin durante su perodo de vida til.

El dimetro de la conduccin es uno de los factores que influyen ms claramente en la eleccin del tipo de material a utilizar. Producindose una seleccin natural inicial que hace que no se fabriquen determinados dimetros de tuberas en ciertos materiales por razones fundamentalmente econmica, que tcnicamente, haciendo abstraccin del costo, si resultara factible su fabricacin.

As, no se plantea la utilizacin de tubera de hormign armado con camisa de chapa en una conduccin de 100 mm ni de tubera de PVC de 1.500 mm; aunque resultara factible la fabricacin de ambas tuberas.

Teniendo ello en cuenta, en la figura siguiente se representan los campos de utilizacin de tuberas de distintos materiales teniendo en cuenta los aspectos tcnicos y econmicos.



18

4.2.2.3 Anlisis comparativo del comportamiento por tipo de material.

4.2.2.3.1 Caeras metlicas. POR REGLA GENERAL LAS TUBERAS METLICAS (ACERO, HIERRO DCTIL),

PRESENTAN MEJORES CARACTERSTICAS QUE LAS TUBERAS NO METLICAS ANTE LAS SIGUIENTES SOLICITAMOS:

a) Presiones internas: Las tuberas metlicas con espesores de paredes no exageradas (12 a 16 mm), pueden alcanzar resistencias de 40 a 60

bar. en forma normal. No tiene limitaciones de resistencia a

solicitaciones de presin, sino aquella que est determinada por el

factor econmico (espesores desmesurados).

b) Solicitaciones externas de carga, impacto y flexin: Dada la elasticidad del material, no sufre roturas por solicitaciones de carga externa y

excepcionalmente deformaciones permanentes.

4.5.2.3.2 Caeras no metlicas Las caeras no metlicas presentan como inconvenientes, su fragilidad ante

esfuerzos externos, resistencia limitada ante presiones internas y una casi nula resistencia a la flexin, sin embargo tienen una caracterstica importante en el transporte de fluido y utilizacin en terrenos agresivos y es su gran resistencia ante el ataque de agentes qumicos externos.

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

4.2.3.1 Introduccin Entre los factores ambientales que tienen una incidencia importante en la calidad y

vida til de una red de agua potable, este consultor piensa que tanto el suelo como los fluidos transportados son los ms importantes. El principal resultado de la accin de estos agentes es la corrosin.

En este captulo se propone una metodologa sencilla de aplicar que considera los fenmenos de corrosin externa e interna, a travs de la evaluacin de parmetros que



19

caracterizan el agua, el suelo y el material de la tubera. Los parmetros necesarios para usar esta metodologa son sencillos y de uso

comn en la prctica de la Ingeniera. Se estima que la corrosin tiene un costo importante en la economa mundial.

Estudios internacionales indican que dicho costo asciende a valores que oscilan entre un 2,5% a un 5% del PGB, como costos generales de los distintos sectores, correspondindole aproximadamente un 11% al sector gubernamental donde se ubican, en general, los sistemas de agua potable.

En EE.UU se ha estimado que la corrosin tiene un costo para la industria del suministro del agua de US$ 700 millones al ao.

En la industria del suministro de agua, a los problemas de costo se agregan los potenciales riesgos a la salud que la corrosin implica.

En los costos, hay que considerar adems de la inversin, los relativos a prdida de agua (fugas), aumento de rugosidad, seguridad, etc.

Con respecto a la salud en el agua potable se pueden encontrar, como productos de corrosin, metales txicos como plomo o cadmio; metales como cobre, hierro y cinc que producen manchas en los artefactos sanitarios y/o sabores metlicos o ambos efectos

En tabla N 1 se entregan antecedentes sobre los contaminantes potenciales asociados a los materiales usados en distribucin de agua.

Los productos de la corrosin en los sistemas de distribucin pueden tambin proteger bacterias, levaduras y otros microorganismos, incentivar su crecimientos y promover la generacin de olores, sabores y sedimentos. Estos organismos pueden llegar a causar corrosin por si mismos.

En corrosin se deben distinguir las interacciones que se producen entre el material del tubo, tanto con el fluido transportado como con el suelo por el cual se desarrolla el trazado. Se identifican as los ataques internos (por efecto del lquido porteado) y los externos (suelo), que actan cobre la lnea de conduccin.

Tambin habra que distinguir el ataque sobre los metales, corrosin, de aquel que ocurre sobre el hormign, que ms propiamente debiera denominarse degradacin.

Para efectos de este estndar, el uso tcnico del trmino corrosin incluye los dos casos.

TABLA N 1 PROPIEDADES CORROSIVAS DE LOS MATERIALES FRECUENTEMENTE

USADOS EN LOS SISTEMAS DE DISTRIBUCION DE AGUAS MATERIAL de

DISTRIBUCION RESISTENCIA A LA

CORROSION CONTAMINANTES POTENCIALES

ASOCIADOS Cobre Buena resistencia general a la

corrosin; sujeto a ataques corrosivos por altas velocidades aguas blandas, cloro oxgeno disuelto, y bajo pH..

Cobre y posiblemente hierro zinc, estao, arsnico, cadmio y plomo proveniente de las tuberas de plomo y de las soldaduras

Plomo Se corroe en aguas blandas con bajo pH

Plomo (puede estar muy por encima del MCL*) arsnico y cadmio.

Acero Blando Sujeto a corrosin uniforme; afectado principalmente por niveles altos de oxgeno disuelto

Hierro, que resulta en turbiedad y en reclamos por aguas rojas.

Hierro fundido dctil (sin revestir)

Puede estar sujeto a erosin superficial por aguas

Hierro, que resulta en turbiedad y en reclamos por aguas rojas



20

Hierro Galvanizado Sujeto a corrosin galvnica del zinc por aguas agresivas; la corrosin se acelera por contacto con materiales de cobre; la corrosin se acelera altas temperaturas como el caso los calentadores

Zinc y hierro; cadmio y plomo (las impurezas en el proceso de galvanizado pueden exceder las normas).

Asbesto Cemento Buena resistencia a la corrosin inmune a la electrlisis; las aguas agresivas pueden disolver el calcio del cemento.

Fibras de asbesto.

Plstico Resistente a la corrosin Fuente : Environmental Science and

Engineering, Inc. 1981. MCL : Niveles mximos de contaminacin

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

En corrosin interna el ambiente es el agua. La tendencia corrosiva de un agua depender de sus caractersticas fsicas, qumicas v bacteriolgicas. Tambin es importante la naturaleza del material con el cual el agua entra en contacto.

Para el caso de corrosin externa, el medio es el suelo y su efecto sobre la caera depende de sus caractersticas fsicas, qumicas y microbiolgicas. Influye tambin la composicin qumica, la resistividad elctrica, la presencia de napa subterrnea y su configuracin geolgica.

Se ve que el problema es interdisciplinario, requiriendo la participacin de distintos especialistas, como ser Ingenieros, Qumicos, Bilogos, Metalurgistas, Elctricos, etc.

El problema de corrosin se debe abordar en dos etapas diferentes, en la fase de diseo y durante operacin de sistemas existentes.

4.2.3.2 Corrosin Interna En el interior de las tuberas, los fenmenos de corrosin y deterioro son

controlados por la calidad del agua, las condiciones de trabajo de la conduccin, contenido de oxgeno disuelto, la naturaleza de los materiales en contacto con el agua, etc.

En la Tabla N 2 se indica en forma resumida, el efecto que tienen en corrosin de tuberas, los distintos parmetros de calidad de aguas.

TABLA N 2

FACTORES QUIMICOS DE CALIDAD DE AGUA QUE INFLUYEN EN CORROSION Y EN EL CONTROL DE LA CORROSION

FACTOR EFECTO

PH Bajo pH puede incrementar la corrosin, alto pH puede proteger las tuberas y disminuir las tasas de corrosin

Alcalinidad Puede ayudar a formar revestimientos protectores de CaCO3, ayuda a controlar los cambios de pH, reduce corrosin.

Oxgeno Disuelto Incrementa las tasas de muchas reacciones de corrosin



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Cloro residual Incrementa la corrosin metlica Slidos disueltos totales Altos contenidos incrementan la conductividad

y las tasas de corrosin.

Dureza (Ca y Mg) El Calcio se precipita como CaCO3 y esto provee proteccin y reduce las tasas de corrosin.

Cloruro, Sulfato Altos niveles aumentan la corrosin del hierro, el cobre y el acero galvanizado

Sulfuro de Hidrgeno Aumenta las tasas de corrosin Silicatos, Sulfatos Pueden formar pelculas protectoras Color natural, materia orgnica Puede disminuir la corrosin Hierro, zinc, o manganeso. Puede reaccionar con compuestos en el in-

terior de la tubera de asbesto-cemento para formar un revestimiento protector.

Se considera que los tubos que transportan agua estarn protegidos,

internamente, cuando se precipita CaCO3 en su superficie. Se cree que el CaCO3 inhibe la corrosin obstruyendo reas reactivas y proporcionando una matriz que retiene los productos de corrosin sellando as la superficie.

Hay muchos ndices considerados tiles para predecir la tendencia a formar incrustaciones o disolver CaCO3: Indice de Langelier, Indice de agresividad de la AWWA, Indice de Ryznar, Indice de Fuerza Motriz (DFI) e Indice CCPP (Precipitacin Potencial de Carbonato de Calcio).

Hay dos categoras de ndices: aquellos que estiman la cantidad de CaCO3 que puede precipitarse o disolverse, y aquellos que determinan la tendencia del agua a precipitar o disolver CaCO3.

Desafortunadamente no hay un ndice nico que, satisfactoriamente, prediga el comportamiento del CaCO3 o sus efectos bajo todas las condiciones.

En la Tabla N 3, se indican los ndices de uso ms frecuente.

TABLA N 3

SUMARIO DE LOS INDICE DE CORROSION

IError! Marcador no definido.NDICE

ECUACION PARAMETROS

Indice de Saturacin de Langelier (LSI).

LSI = pH pHs Alcalinidad total mg/L como CaCO3 Calcio, mg/L como CaCO3 Dureza, mg/L como CaCO3 Slidos totales disueltos mg/L. pH en el sitio. Temperatura en el sitio.

Indice de Agresividad (AI) (Para uso con asbesto-cemento)

AI=pH + Log(A)(H) Alcalinidad total, mg/L como CaCO3 Dureza mg/L como CaCO3 PH EN EL SITIO



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Indice de Estabilidad de Ryznar (RSI).

RSI = 2pHs-pH Salinidad total, mg/L como CaC03 Calcio, mg/L como CaCO3 Dureza, mg/L como CaCO3 Total slidos disueltos mg/L pH en el sitio. Temperatura en el sitio.

En cuanto a las condiciones de trabajo, se puede decir que la velocidad de flujo del

agua al igual que la temperatura, tambin pueden influir en la corrosin. Velocidades altas dispersan los precipitados impidiendo o destruyendo eventuales pelculas protectoras. Velocidades bajas tambin contribuyen a la corrosiones especial los flujos estancados, por crecimientos biolgicos.

Los efectos de la temperatura en la corrosin son complejos, destacndose tres efectos bsicos: variacin en las tasas de corrosin, influencia en disolucin del CaCO3 y cambios en la naturaleza de la corrosin.

Desde el punto de vista biolgico los microorganismos ms comunes asociados a este problema son las bacterias fierro-oxidantes y sulfato-reductoras, en muchos casos stas constituyen un factor importantsimo porque se encuentran en reas de flujo lento o en terminales de red, en las cuales no se puede mantener un residual de cloro.

Cada tipo de material experimenta un fenmeno diferente.

4.2.3.2.1 Caeras Metlicas Ferrosas Los principales fenmenos causantes de la corrosin acuosa en tuberas

compuestas de hierro, son del tipo electroqumico. Se produce una ionizacin andica (oxidacin), en la cual el metal pierde

electrones y se convierte en un in positivo que pasa a la solucin (electrlito). En el ataque del hierro por un agua desgasificada, el principal factor de intensidad

inicial es el pH. Cuanto ms bajo es el pH, ms rpido e importante ser el ataque. En medios aireados, se produce una reaccin de oxidacin del hierro. Las aguas poco mineralizadas, oxigenadas y carbnicas disuelven el hierro en

forma de bicarbonato ferroso. Segn las condiciones, puede precipitar carbonato ferroso, hidrxido ferroso e hidrxido frrico.

Algunos productos pueden moderar o detener la corrosin del hierro, formando una capa protectora sobre el metal. El ms importante es el bicarbonato clcico, el cual puede precipitarse desde el agua al desaparecer el CO2 libre equilibrante que lo mantena en solucin.

Se aprecia aqu la importancia del CO2 libre en el agua en el proceso de corrosin. En la prctica, los parmetros cuantificables de calidad de aguas ms importantes

a considerar son conductividad, dureza, cloruros. sulfatos y la relacin cloruro/bicarbonato.

4.2.3.2.2 Caeras de Cemento En las caeras de cemento, cemento-asbesto, o recubiertas con cemento, se

puede producir un fenmeno de corrosin por ataque y disolucin de alguno de los componentes del cemento, producto de la "agresividad" del agua a dichos compuestos, principalmente por efecto del CO2 libre sobre la cal.

Los componentes del cemento son, sin excepcin solubles en cidos. Por ello, no puede esperarse que sean estables en presencia de cidos orgnicos o inorgnicos.

En presencia de determinadas soluciones salinas, por intercambio entre los iones de las sales y la cal y almina del cemento, se originan recristalizaciones con aumento de volumen, que pueden degradar el cemento.

Hasta las aguas muy blandas pueden llegar a disolver los compuestos calcreos de los cementos permeables, aunque los perjuicios que este hecho origina son



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de poca importancia. Finalmente, los agregados inertes pueden contener componentes solubles en

cidos, como ser calcreos, diabasas, basalto, etc., los que pueden contribuir a los daos emergentes del ataque por los cidos.

Como se dijo, el fenmeno de degradacin o corrosin del cemento, es aplicable a tuberas de cemento en cualquiera de sus tipos, incluyendo las de cemento-asbesto, formadas por un 87% de cemento y un 13% de fibras de asbesto.

Por el proceso de fabricacin de las tuberas de cemento-asbesto, se obtienen relaciones agua-cemento que pueden llegan hasta 0,27 por lo tanto, el cemento-asbesto es altamente impermeable y justamente por su impermeabilidad, impide o retarda la penetracin de las sustancias agresivas por debajo de la superficie, siendo ms resistente a los ataques por penetracin de sustancias.

Los ataques al cemento pueden ser por integracin de nuevos compuestos, por desintegracin qumica o por una combinacin de ambos.

Las caractersticas del agua que inciden en los procesos de degradacin del cemento se relacionan con acidez, dureza, presencia de sulfatos, Mg, Zn, Mn y H2S.

4.2.3.3 Corrosin Externa La corrosin externa o ataque a la pared exterior de los tubos enterrados, es

producida o facilitada por la accin de los suelos en los cuales se desarrolla el trazado. Segn se trate de tuberas metlicas o de cemento, el fenmeno es diferente.

4.2.3.3.1 Ataque a tuberas metlicas ferrosas La agresividad de un suelo a la tubera metlica est definida por su habilidad de

engendrar celdas de corrosin capaces de producir corrientes elctricas que causen dao a la estructura del metal. Estas corrientes transportan o extraen los iones metlicos componentes de la tubera desde sectores catalogados como nodos hacia otros denominados ctodos, unidos por un medio apropiado: el electrlito. Puede darse el caso que los electrodos sean de distinto metal en un mismo electrlito, o de igual metal en electrlitos distintos.

El primer caso se presenta en la prctica, por ejemplo, con piezas especiales de distinto material intercaladas en la tubera o trozos de caera de distinta edad. Los electrlitos distintos pueden ser debidos a mezcla de suelos, compactacin desigual del relleno, porosidad desigual de suelos diferentes o de un mismo suelo en diferentes puntos, distribucin no uniforme de humedad y restriccin del movimiento de aire y humedad del suelo por la presencia de obstculos, vegetacin, etc.

Se conoce que hay varios parmetros de calidad de suelos que influyen en la agresividad: resistividad, potencial redox, tipo de suelo, configuracin del terreno, contenido de carbn, humedad, contenido de oxgeno , etc.

4.2.3.3.2 Ataque a Tuberas de Cemento Los parmetros de calidad de suelos que tienen relacin con la agresividad de ste

sobre las caeras de cemento son: pH, humedad, sales solubles, sulfato, magnesio, acidez, tipo de suelo y presencia de agua.

Uno de los parmetros ms importantes en el deterioro por efecto del suelo es el in sulfato, el que favorece la formacin de sal de Candlott al degradar el Portland.

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

4.2.3.4.1 Introduccin La seleccin del material debe considerar los antecedentes de calidad de aguas,

suelos, material de la canalizacin y recubrimientos de sta.



24

4.2.3.4.2 Calidad del Aqua Para caracterizar la calidad del agua y su comportamiento dentro del proceso

corrosivo, se propone emplear los ndices tradicionales que evalan la estabilidad del agua: Indice de Langelier y de Ryznar, aplicables a cualquier material, y el Indice de Agresividad de la AWWA, segn el standard C-400, aplicable a las tuberas de cemento.

Estos ndice sealan la tendencia del agua a formar precipitados de CaCO3 o disolverlo. El Indice de Langelier slo puede ser usado dentro de un rango de pH de 6,5 a 9,5.

En las tablas siguientes se entrega la clasificacin de las aguas segn estos ndices. Esta informacin debe complementarse con otros parmetros, de acuerdo al material que se est evaluando.

TABLA N 4

CLASIFICACION DE LAS AGUAS SEGUN EL INDICE DE LANGELIER Error! Marcador no I.L. VALOR POSITIVO

Agua en equilibrio 0,00-0,19 Agua en equilibrio Ligeramente corrosiva 0,20-0,90 Ligeramente incrustante Corrosiva 1,00-1,90 Incrustante Fuertemente corrosiva >2,00 Fuertemente incrustante

TABLA N 5

CLASIFICACION DE LAS AGUAS SEGUN EL INDICE DE RYZNAR AGRESIVIDAD I.R

Muy incrustante 4,0 - 5,0 Dbilmente incrustante 5,0 - 6,0 Dbil incrustacin o corrosin 6,0 - 7,0 Corrosiva 7,0 - 7,5 Muy corrosiva 7,5 - 9,0 Fuertemente corrosiva >9,0

TABLA N 6 CLASIFICACION DE LAS AGUAS SEGUN EL INDICE DE

AGRESIVIDAD AGRESIVIDAD I.A.

Alta 10 Moderada 10 - 11,9 No agresiva 12

4.2.3.4.2.1.- Evaluacin de Caeras Metlicas Ferrosas ante Ataque Interno El agua ser corrosiva a las tuberas metlicas si presenta las siguientes

caractersticas: Conductividad:



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PARAMETRO DEL AGUA

GRADO DE CORROSION

DEBIL INTENSO MUY INTENSO PH 6,5 - 5,5 5,5 - 4,5 4,5

CO2 agresivo (mg/l) 15 - 30 30 - 60 60 NH4 (mg/l) 15 - 30 30 - 60 60 Mg (mg/l) 100 - 300 300 - 1500 1500 SO4 (mg/l) 200 - 600 600 - 3000 3000 Sales (mg/l) 200 - 600 600 - 3000 1000 Dureza (mg/l CaCO3) 50 5 0

4.2.3.4.3 Evaluacin de la Agresividad de los Suelos Aunque existen varias metodologas para evaluar la agresividad del suelo

(Steinrath, CIPRA, mtodo francs). las confrontaciones prcticas no han dado buenos resultados.

Se reconoce que hay varios parmetros preponderantes en la agresividad del suelo, como ser: Resistividad, Potencial Redox, Tipo de Suelo, Configuracin del terreno, Contenido de carbn, Humedad, Contenido de Oxgeno.

4.2.3.4.3.1 Caeras metlicas Para el caso de caeras metlicas se prepone aplicar el siguiente ndice, que toma

en cuenta distintos parmetros:

donde Ki son los valores asignados al grado de influencia de cada parmetro, valorado entre -4 y + 2.

La clasificacin del suelo segn este ndice es la indicada en la Tabla N 7.

TABLA N 7

GRADO DE AGRESIVIDAD DEL SUELO A CAERIAS METALICAS I.S AGRESIVIDAD DEL SUELO

0 Prcticamente no agresivo 0 a 4 Dbilmente agresivo -5 a 10 Agresivo

< -10 Fuertemente agresivo En la Tabla N 8 se entrega la valoracin del grado de agresividad atribuible a

las distintas caractersticas del suelo. TABLA N 8

VALORACION DEL GRADO DE AGRESIVIDAD A ESTRUCTURAS METALICAS ATRIBUIBLE A LAS DISTINTAS CARACTERISTICAS DEL SUELO

TIPO CARACTERISTICAS VALORACIN 1 Clases de suelo Tiza +2 Arena +2 Greda 0 Arena gredosa 0 Arena Arcillosa 0 Arcilla -2 Tierra vegetal -2 Cieno -2 Fango -4 Suelo pantanoso -4



26

2 Condicin de Suelo 2.1 Aguas subterrneas a nivel de la estructura No Presente 0 Presente -1 Variable -1 2.2 Alteracin del suelo Suelo sin alteracin (arado, apisonado) 0 Suelo mecnicamente alterado -2 2.3 Uniformidad del suelo Suelo uniforme alrededor de la estructura 0 Suelo no uniforme alrededor de la estructura -3 3 Resistencia especifica del suelo (resistividad) 10000 Ohm - cm 0 10000-5000 Ohm - cm -1 5000-2300 Ohm - cm -2 2300-1000 Ohm cm -3 >1000 Ohm - cm -4 2001-3000 2 >3000 3 4 Contenido de Agua 20 0 >20 -1 5 Valoracin de ph 6 0 100 mg/kg -1 12 Contenido de sulfato 1000 mg / kg -3



27

2.3.4.3.2 Caeras de Cemento Para el caso de caeras de cemento se propone aplicar el siguiente indic que

considera el efecto de las distintas caractersticas del suelo (o).

donde Ki son los valores asignados al grado de influencia de cada parmetro valorado entre O y 4,de acuerdo a la siguiente clave:

0 No agresivo 1 Probablemente agresivo 2 Dbilmente agresivo 3 Agresivo 4 Fuertemente agresivo

La clasificacin del suelo segn este ndice es:

TABLA N 9

GRADO DE AGRESIVIDAD DEL SUELO A CAERIAS DE CEMENTO I.S AGRESIVIDAD DEL SUELO 0 Probablemente no agresivo

1 3 Dbilmente agresivo 4 12 Agresivo > 13 Fuertemente agresivo

En la tabla N 10 se entrega la valoracin del grado de agresividad atribuible a las

distintas caractersticas del suelo.

2.3.4.3.3 Aclaracin Para el clculo del I.S. aplicable a caeras metlicas y de cemento, si todos los

parmetros no pueden ser obtenidos, el rango de incerteza tiene que ser acertado, esto es calculado agregando a la suma de los nmeros de los parmetros conocidos, el mayor y menor nmero de los parmetros no conocidos. El rango de incertidumbre da entonces una estimacin del significado prctico de los parmetros determinados.

En ciertos casos el establecimiento de un parmetro especfico es suficiente para identificar la agresividad del suelo.

TABLA N 10

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

TIPO CARACTERISTICAS VALORACIN 1 Arenas 0 Limos ligeros 0 Limos porosos 0 Limos arenosos 1 Limos de barro 1



28

Limos arcillosos 1 Arcilla 3 Fango 4 Turba 4 Marisma 4 Arcilla y Suelo Organico 4 Arcilla de adobe 4 2 Aguas subterrneas a nivel

del trazado

No Presente 0 Presente-Variable 1 3 Humedad 30% 2 4 Valor de Ph a extracto

acuoso

>8.5 0 8.5-4 2 1000 2 6 Contenido de sulfatos 1000 0 1001-2000 1 2001-3000 2 >3000 3 7 Contenido de Magnesio 20000 0 >20000 1 8 Acidez hasta ph 7



29

Datos personales. Nombre y apellidos: Manuel Francisco Romero Caldern. Correo electrnico: [email protected] Centro Asociado: Mrida. Grado en Ingeniera Mecnica. Fundamento de Ciencia y Tecnologa de Materiales II.

4. DESARROLLO.4. 1 MATERIALES4.1.1 Materiales a usar en redes de agua potable4.1.2 Especificaciones Tcnicas de Materiales

4.2 DISEO4.2.1 Anlisis de la Resistencia ante Acciones Externas4.2.1.1 Cargas sobre la tubera4.2.1.1.1 Tipos de conducto4.2.1.1.2 Tipos de zanja4.2.1.1.3 Determinacin de las cargas de terreno4.2.1.1.3.1 Condicin de zanja angosta4.2.1.1.3.2 Condicin de zanja ancha

4.2.1.1.4 Cargas vehiculares4.2.1.1.5 Factor de encamado4.2.1.1.6 Coeficiente de seguridad4.2.1.1.7 Tuberas flexibles1) Carga Total2) Clculo de deflexiones3) La deflexin x4) Factor de deformacin diferida5) Factor de encamado k6) Mdulo de reaccin del suelo (E)

4.2.1.2 Temperaturas (dilatacin y contraccin)4.2.1.3 Corrosin4.2.1.3.1 Corrosin en Tuberas MetlicasFundamentos tericos de corrosin.4.2.1.3.1.1 Teora Electroqumica

4.2.1.3.1.2POLARIZACIN Y EFECTOS DESPOLARIZANTES4.2.1.3.2 Corrosin en tuberas no metlicasReacciones qumicas principales

4.2.2 Estudios de Materiales4.2.2.1 Materiales de tuberas4.2.2.1.1 Caeras de asbesto cemento4.2.2.1.2 Caeras de acero.4.2.2.1.3 Caeras de P.V.C. (Cloruro de Vinilo)4.2.2.1.3.1 Caractersticas Mecnicas de las tuberas de PVC4.2.2.1.3.2 Caractersticas mecnicas de los tubos de PVC en funcin de la temperatura4.2.2.1.3.3 Fluencia del PVC4.2.2.1.3.4DILATACINCaractersticas hidrulicas

4.2.2.2 Campos de Utilizacin de Tuberas segn el Material4.2.2.3 Anlisis comparativo del comportamiento por tipo de material.4.2.2.3.1 Caeras metlicas.4.5.2.3.2 Caeras no metlicas

4.2.3 Proposicin de Metodologa para la Seleccin de Material de Tuberas desde el punto de Vista de la Corrosin4.2.3.1 Introduccin

4.2.3.2 Corrosin Interna4.2.3.2.1 Caeras Metlicas Ferrosas4.2.3.2.2 Caeras de Cemento

4.2.3.3 Corrosin Externa4.2.3.3.1 Ataque a tuberas metlicas ferrosas4.2.3.3.2 Ataque a Tuberas de Cemento4.2.3.4 Proposicin de Metodologa para la Seleccin de Material de Tuberas desde el punto de vista de la corrosin.4.2.3.4.1 Introduccin4.2.3.4.2 Calidad del Aqua4.2.3.4.2.1.- Evaluacin de Caeras Metlicas Ferrosas ante Ataque Interno4.2.3.4.2.2 Evaluacin de Caeras de cemento ante ataque interno4.2.3.4.3 Evaluacin de la Agresividad de los Suelos

4.2.3.4.3.1 Caeras metlicas2.3.4.3.3 Aclaracin

4.2.3.5 Conclusiones

Caeras de Cemento2.3.4.3.2

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