Abastecimiento tuberías

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE CAP VIII.- MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
CAPITULO VIII
MATERIALES DE CONSTRUCCION
8.1 TUBERÍAS
La tubería es un medio de transporte de agua de un determinado punto a otro. Los
esfuerzos que debe resistir la tubería son producidos por la presión estática del agua, por
fuerzas centrífugas causadas por los cambios en la dirección del flujo, cargas externas
cambios de temperatura y cambios repentinos en velocidad (golpe de ariete).
8.1.1 CLASES DE TUBERÍAS
De acuerdo al material empleado en su fabricación, las tuberías frecuentemente utilizadas
para la construcción de sistemas de abastecimientos de agua son:
a) Tuberías de Hierro Fundido (H.F.).
b) Tuberías de Hierro Fundido Dúctil (H.F.D.).
c) Tuberías de Acero Galvanizado (H.G.).
d) Tuberías de Asbesto-Cemento a Presión (A.C.P.).
e) Tuberías de Policloruro de Vinilo (P.V.C.).
8.1.1.1 Tuberías de Hierro Fundido (H. F.)
La tubería de hierro fundido es fabricada mediante la fundición de lingotes de hierro,
carbón cocke y piedra caliza. La presencia de láminas de grafito en la tubería le da cierta
resistencia a la oxidación y a la corrosión, pero asimismo, la hace frágil.
Estas últimas características limitan el uso de tuberías de H.F., a ser utilizada enterrada,
pues su poca o ninguna resistencia a los impactos la hace inadecuada para su colocación
sobre soportes. La figura 8.1 nos muestra como se debe colocar en el terreno.
UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA
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FIG 8.1 POSICIÓN CORRECTA DE COLOCACIÓN DE LA TUBERÍA DE HIERRO FUNDIDO
Es un material de gran durabilidad bajo condiciones de instalación apropiadas. Su
condición de material frágil limita su utilización, principalmente en redes de distribución,
donde la colocación de tuberías en zanjas es indispensable. Puede estimarse hasta en un 5
por 100 las pérdidas por rotura. Generalmente, en el diseño con esta clase de tubería se usa
un valor de C =100 para obtener el coeficiente de rugosidad de la expresión de Hazen -
Williams. La foto 8.1 nos muestra como se deben manipular las tuberías de hierro fundido.
FOTO 8.1 MANIPULANCION Y COLOCADO DE LAS TUBERÍA DE HIERRO FUNDIDO
8.1.1.2 Tuberías de Hierro Fundido Dúctil (H. F. D.)
Es también fabricada por la fundición de hierro en presencia de cocke y piedra caliza, pero
mediante métodos especiales se le adiciona magnesio, ocasionando que el grafito adopte
formas granulares, con lo cual se logra mantener mayor continuidad u homogeneidad del
metal. Esta característica del material lo hace menos frágil que el H.F., permitiendo mayor
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versatilidad en su uso, al poder ser utilizado tanto enterrado como superficialmente, lo que
permite utilizar una sola clase de tubería en el caso de diseño de líneas de aducción en
terrenos rocosos y terrenos blandos.
Dependiendo de los costos iniciales, puede resultar una alternativa más económica que otra
tubería (H.F., por ejemplo) en razón de su menor peso y menores porcentajes de pérdidas
por roturas durante el transporte, carga, descarga y colocación.
Los coeficientes de rugosidad pueden considerarse similares a los de H. F. La foto 8.2 nos
muestra tuberías de hierro fundido dúctil.
FOTO 8.2 TUBERÍAS DE HIERRO FUNDIDO DÚCTIL
8.1.1.3 Tuberías de Hierro Galvanizado (H. G.)
Es también llamado Acero Galvanizado, pues su fabricación se hace mediante el proceso
de templado de acero, sistema este que permite obtener una tubería de hierro de gran
resistencia a los impactos y de gran ductibilidad.
En razón de que su contenido de carbón es menor que el del H.F. su resistencia a la
oxidación y a la corrosión es menor. Mediante el proceso de galvanizado se da un
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recubrimiento de zinc tanto interior como exteriormente, para darle protección contra la
corrosión.
En base a sus características, esta tubería es recomendable para instalarse superficialmente,
ya que presenta una resistencia a los impactos mucho mayor que cualquier otra, pero no
resulta conveniente su instalación enterrada en zanja debido a la acción agresiva de suelos
ácidos y el establecimiento de corrientes iónicas por la presencia de dos metales, Fe y Zn.
Puede considerarse una superficie interior un poco más lisa que H.F., aunque
generalmente, para efectos de diseño, se usan valores de C similares (100-110). Su
utilización está indicada principalmente en líneas de aducción, con terrenos accidentados o
rocosos donde los costos de excavación pueden hacer prevalecer la utilización de tubería
colocada sobre la superficie (soportes).
8.1.1.4 Tuberías de Asbesto-Cemento a Presión (A. C. P.)
La tubería A.C.P. se fabrica por enrollado a presión de una mezcla de asbesto y cemento
portland en capas múltiples, siendo sometidas a fraguado mediante procesos especiales. La
tubería presenta interiormente una superficie muy lisa, lo cual permite usar coeficientes de
rugosidad menores y consecuentemente mayor capacidad de transporte (C = 120).
La tubería de asbesto-cemento es una tubería más frágil que la de H.F., por lo cual, su uso
está limitado exclusivamente cuando sea factible su colocación enterrada. Por otra parte, es
un material inerte a la corrosión, lo cual resulta ventajoso respecto a las otras clases de
tuberías mencionadas.
Por su fragilidad, las pérdidas por rotura durante la carga, descarga, colocación y
transporte son mayores (7 a 10 por 100).
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8.1.1.5 Tuberías de material plástico (P. V. C.)
Las tuberías de material plástico se fabrican mediante la plastificación de polímeros,
siendo el policloruro de vinilo en forma granular, la materia prima utilizada para la
fabricación de la tubería conocida como P.V.C..
La característica más importante de la tubería plástica (P.V.C.) es su considerable menor
peso, respecto a cualquier otra (H.F., H.F.D., A.C.P., H.G.), lo cual reduce grandemente
costos de transporte e instalación.
En general, la tubería de plástico tiene poca resistencia relativa a impactos, esfuerzos
externos y aplastamiento, por lo cual su utilización es más conveniente enterrada en zanjas.
Es un material inerte a la corrosión, por lo cual su utilización no se ve afectada por la
calidad del agua. Ofrece ventajas en cuanto a capacidad de transporte en base a
coeficientes de rugosidad menores ( C = 140). Las fotos 8.3 y 8.4 nos muestran tuberías
PVC con sus distintos tipos de uniones, que se explicarán mas adelante.
FOTO 8.3 TUBERÍA DE PVC DE UNIÓN CAMPANA O RÍGIDA FOTO 8.4 TUBERÍAS DE PVC DE UNIÓN FLEXIBLE
[Ref. Elaboración Propia PLASMAR]
En la tabla 8.1 se muestra las características para distintos tipos de tuberías
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Tabla 8.1 Características de las tuberías para conductos a presión
Material Diámetro [mm] Ventajas Desventajas
Hierro fundido 100 a 600 - Buena resistencia a carga exterior - Peso elevado
o más a pedido - Muy buna resistencia a la corrosión - Frágil
- Poca elasticidad, no admite
presiones elevadas (máx. 100m.c.a)
- Costo elevado
Hierro ductil 100 a 600 - Muy buena resistencia a la corrosión - Poca elasticidad
o más a pedido - Buena resistencia a carga exterior (pero mayor que el HF)
- Más liviana que el hierro fundido - Frágil (menos que el HF)
- Costo elevado
Plástico 12.5 a 150 - Excelente resistencia a la corrosión - Solo puede funcionar hasta
(PVC y PE) - Liviana y de fácil manipuleo temperatura 50° C máximo
- Costo hasta 50 mm favorable - Baja resistencia a la flección
- No sujeta a electrólisis - Puede perforarse fácilmente
- Mínima pérdida de carga por fricción - Antieconómico para diámetros
mayores a 150 mm
Asbesto 500 a 600 - Muy buena resistencia a la corrosión - Se deterioran en suelos ácidos
- No sujeta a electrólisis - Baja resistencia a la flección
- Liviana y de fácil manipuleo - Puede perforarse fácilmente
- Costo inicial bajo - Se requiere D16:D19
- Mínima pérdida de carga por fricción - Requiere sumo cuidado en la
preparación de la base
y relleno de zanja
- Frágil
Hormigón 250 a 1500 - Buena resistencia a la corrosión - Se deterioran en suelos
(tubo con cilindro - Buena resistencia a cargas externas notablemente alcalinos
de acero y - Util para grandes caudales - Peso excesivo, requiere de grúas
refuerzo para su colocación
pretensado - Difícil de preparar
Acero * Desde 50 - Liviana - Resistencia a la corroción: pobre **
a pedido - Alta resistencia a la fricción - Costo elevado
- Adaptable a zonas donde - Está sujeta a electrólisis
puede haber asentamientos - Corrosión externa en suelos
- Soporta grandes presiones ácidos o alcalinos
- En diámetros grandes su
resistencia exterior es baja
- Es necesario instalar válvulas
de aire (ventosas) para evitar
el aplastamiento de la tubería
- Está sujeta a la tuberculización
cuando no está revestida
* La utilización de esta tubería para el proyecto, debe ser realizada con justificación técnico-económico
** Si la tubería está bien protegida, la resistencia a la corrosión puede ser buena
Fuente: Norma Boliviana para sistemas de agua potable NB 689 pag. 52
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8.2 JUNTAS
Son sistemas de acoples en tuberías y los tipos más importantes se detallan a continuación:
8.2.1 Junta a rosca
Es un sistema de unión práctico y rápido y adecuado a las uniones de accesorios finales o
intermedios y para acometidas. La resistencia a la torsión del PVC es menor que la de los
tubos metálicos, por lo tanto debe tenerse cuidado en el uso de herramientas para los
ajustes. Unión roscada existen desde ½” hasta 2”.
8.2.2 Junta o unión espiga - campana
Es una unión con un extremo expandido llamado campana, es un sistema de unión que se
requiere de un limpiador y pegamento adecuado antes de su colocación, por las
condiciones en que ambas tuberías quedan soldadas, esta unión es conocida como una
unión rígida. Unión soldada con pegamento existen desde ½” hasta 6”. La foto 8.3 y 8.5
nos muestra una unión campana o rígida.
FOTO 8.5 UNION CAMPANA O RIGIDA [Ref. 24]
8.2.3 Junta flexible
Consiste en una campana en la que se incrusta una empaquetadura de goma reforzada con
alma de acero. Este tipo de unión permite desplazamientos axiales y un margen de
desplazamiento lateral, lo que reduce al mínimo los riesgos de un mal acoplamiento.
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La instalación puede ser puesta en funcionamiento inmediatamente después de concluido
el trabajo y también puede ser instalada en sitios inundados o bajo el agua. La instalación
requiere solo de un lubricante adecuado, y una previa vicelación de la tubería a acoplar
para que no dañe la arandela de goma. La unión flexible con arandela de goma reforzada
con acero existen desde 1 ½” hasta 12”. Como se puede observar en la figura 8.2 nos
muestra un corte de tuberías de una unión flexible, y la foto 8.4 tuberías con este tipo de
unión.
FIG. 8.2 UNION FLEXIBLE
8.3 ACCESORIOS
Los accesorios se utilizan en conducciones de tuberías en donde estas pueden sufrir un
cambio de dirección, estrechamientos, ensanchamientos, ramificaciones; en fin, todo lo
que sea necesario para el proceso.
Existen accesorios muy diversos cuyos diámetros y roscas coinciden con los nominales de
las tuberías comerciales pudiendo ser estas macho o hembra.
Es importante mencionar también que las tuberías están sometidas a variaciones de
temperatura lo que lleva a que el material se dilate y se requieran utilizar juntas que
precisen arandela de goma.
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Los accesorios son elementos complementarios para la instalación de tuberías como ser:
uniones, codos, reducciones, tees, válvulas, etc. A continuación mostraremos los distintos
tipos de accesorios que existen para distintos tipos de uniones, foto 8.6, 8.7 y 8.8.
FOTO 8.6 ACCESORIOS DE P.V.C.
PARA UNIONES FLEXIBLES: TEE, TEE 45, CODO 45, CODO 90 [Ref. Elaboración Propia PLASMAR]
FOTO 8.7 ACCESORIOS DE P.V.C. PARA UNIONES TIPO RIGIDA:
CODO 45, CODO 90, CRUZ, TEE, COPLA, COLLAR DE DERIVACIÓN, TAPON, REDUCCIÓN [Ref. 24]
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FOTO 8.8 ACCESORIOS DE ACERO GALVANIZADO PARA UNIONES A ROSCA:
CODO 45, CODO 90, CRUZ, TEE, COPLA, REDUCCIÓN, TAPON, TAPAGORRO
8.3.1 VÁLVULAS
Las válvulas se consideran como accesorios que sirven ya sea para regular el flujo o para
aislar equipos o tuberías para su mantenimiento. El diseño de una válvula debe evitar
deformaciones así como cambios de presión y temperatura para que estos no establezcan
una mala alineación en las superficies de sellado.
Existen dos grandes grupos de válvulas:
- Las de corte de flujo en donde sus dos posiciones extremas (totalmente abiertas y
totalmente cerradas) es su función principal.
- Válvulas de regulación en donde su función principal es poder regular el flujo de
acuerdo con las necesidades del proceso.
8.3.1.1 Válvula de retención (check)
Permiten que el agua fluya en una sola dirección. Estas válvulas se usan con el objeto de
retener la masa de agua que se encuentra en la tubería, cuando las bombas suspenden su
operación y con el fin de evitar esfuerzos excesivos en las bombas debido al fenómeno del
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golpe de ariete. Esto no quiere decir que estas válvulas eliminan el efecto de este
fenómeno, sino que únicamente lo atenúan.
8.3.1.2 Válvula Compuerta
La válvula de compuerta se emplea con el objeto de aislar en un momento dado algún
elemento o sección del sistema para poder efectuar una reparación, inspección o dar
mantenimiento, sin que se interrumpa totalmente el servicio.
Es importante señalar que la válvula de compuerta está diseñada propiamente para ser
operada cuando se requiera un cierre o abertura total, y no se recomienda para usarse como
regulador de caudal. En la foto 8.9nos muestra algunas de estas válvulas.
FOTO 8.9 VÁLVULAS COMPUERTAS
8.3.1.3 Válvula Globo
La principal función que desempeñan estas válvulas es la regulación del caudal, las
válvulas globo ocasionan una gran perdida de carga, por lo que se emplean generalmente,
solo en tuberías de pequeños diámetros y para pequeños caudales y se utilizan
generalmente en uso doméstico, donde su bajo costo importa más que sus pobres
características hidráulicas. En la figura 8.3 se muestra una válvula globo.
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FIG. 8.3 VÁLVULA GLOBO
8.3.1.4 Válvula Mariposa
Son muy usadas tanto en aplicaciones de baja como de alta presión, en grandes tamaños
son sustancialmente más económicas, más compactas, más fáciles de operar y menos
sujetas a desgaste que las de válvulas de compuerta. Sin embargo, no son convenientes
para líquidos que contienen materiales sólidos, los cuales podrían impedir su cierre total.
El diseño hidrodinámico de esta válvula permite emplearla como reguladora de caudal y en
ciertos casos para estrangular la descarga de una bomba. Las fotos 8.10 se muestra dos
válvulas mariposa.
FOTO 8.10 VALVULA MARIPOSA (izq.) VÁLVULA MARIPOSA (SEMAPA) (der.) [Ref. Elaboración propia SEMAPA ]
318

8.3.1.5 Válvula reguladora y reductora de presión
En el diseño de los abastecimientos de agua, válvulas automáticas de alivio, tienen la
función de proteger a las tuberías de sobrepresiones, estas válvulas al reducir la presión
producen en su interior una pérdida de carga constante, cualquiera que sea la presión de
entrada y el caudal, del mismo modo regulan la presión manteniendola constante en la
descarga, aunque en la entrada varié el flujo o la presión.
Al aumentar la presión de entrada, la fuerza que se produce en la parte inferior del
diafragma vence la fuerza del sistema hidráulico, abriéndose el disco de cierre, permitiendo
el escape de cierta cantidad de agua y disminuyendo la presión en la tubería. El cierre del
disco interesa que sea lento para aminorar el golpe de ariete (actúa también como válvula
de retención). En la foto 8.11 se muestra una válvula con dichas características.
Corte Transversal
FOTO 8.11 DETALLE DE UNA VÁLVULA REGULADORA Y REDUCTORA DE PRESIÓN DE CONTROL AUTOMÁTICO
[Ref. Cortesía Empresa Constructora EQUIMAQ]
8.4 CONTROL EN OBRA
El control en obra contempla la ejecución de la prueba hidráulica sobre el tendido de la
tubería, accesorios, válvulas y conexiones domiciliarias de un sistema de agua potable, a
objeto de verificar si los materiales empleados y su ejecución son adecuados.
319

Procedimiento para el control en obra
Se rellenarán parcialmente los tubos con tierra cernida compactada, dejando libres las
juntas y accesorios, para posteriormente iniciar la prueba. Es importante asegurar en el
terreno, los accesorios, codos, tees, válvulas, etc., de tal manera que el tendido resista la
presión hidráulica para no provocar dificultades.
Presión de Prueba.- La prueba se efectuara con una presión 1.5 veces mayor a la presión
nominal (máxima) de servicio. En caso de redes de distribución ésta es normalmente de
100 m.c.a. o 10 Kg/cm2
.
La prueba se efectuará en tramos no mayores a 400 mts., manteniendo la presión de prueba
especificada durante por lo menos una hora. Al final de este periodo, se inspecciona el
tendido a objeto de detectar defectos de ejecución o materiales inadecuados.
El llenado de la tubería deberá hacerse lentamente y por el punto más bajo del tramo a
probar, permitiendo la purga de aire por el punto mas alto del mismo. En caso de tubería de
asbesto cemento, ésta debe llenarse 24 horas antes de la prueba.
La bomba y el manómetro con precisión de 0.1 kg/cm2
, se instalarán en el punto más bajo
y en el extremo libre de la tubería. Se bloqueará el circuito o tramo a probar, cerrando
completamente todas las válvulas o colocando tapones si fuese necesario, para luego
introducir el agua. Se deberá purgar completamente el aire de la tubería antes de someterla
a presión.
En seguida se elevará la presión mediante una bomba manual o motobomba tomando el
agua necesaria de un tanque auxiliar hasta alcanzar en el manómetro la presión de prueba
prescrita.
320

Todas las juntas, tubos, campanas, válvulas, accesorios, etc., que presentasen fugas serán
reacondicionados. Una vez efectuadas las reparaciones se realizará la prueba nuevamente
hasta que esta sea satisfactoria.
El tiempo de ensayo no será menor a 1 hora; se observará que al cabo de los primeros 15
minutos de la prueba no se presente una disminución de la presión mayor a 0.1 Kg/cm2
, y
al final del periodo señalado, esta presión no deberá haber disminuido en mas de 0.3
Kg/cm2
.
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