Este documento presenta los resultados de una investigación experimental sobre el comportamiento dinámico de las fugas de las ranuras longitudinales en tuberías de polietileno de densidad media (MDPE). Los resultados muestran que el área de fuga y la tasa de flujo aumentan con el tiempo bajo presión constante, destacando la naturaleza dependiente del tiempo y la presión de este tipo de fuga. Se estableció una relación lineal entre el área de fuga y la deformación del material medida, lo que permitirá cuantificar el área de fuga utiliz

1. Disponible en línea en www.sciencedirect.com
ScienceDirect
Ingeniería de Procesos 89 (2014) 286 - 289
16a Conferencia sobre Análisis de Sistemas de Distribución de Agua, WDSA 2014
Fuga dinámica: estudio físico del comportamiento de fuga de
hendiduras longitudinales en tubería de MDPE
S. Foxa,∗, R. Collinsa, J. Boxalla
aUniversidad de ellafficampo, Mappin Street, Ellaffield, S1 3JD, Reino Unido
Resumen
El uso de tuberías de plástico en los sistemas de distribución de agua se considera un factor altamente effmedios efectivos para reducir nuestros niveles insostenibles de
fugas. Sin embargo, se requiere atención para comprender el complejo comportamiento de las fugas que ocurren en este material de tubería viscoelástica. En este artículo
se presentan los resultados de una nueva investigación experimental sobre el comportamiento dinámico de las fugas de las ranuras longitudinales en tuberías de MDPE,
que informan sobre la relación entre la altura de presión, la tasa de flujo de la fuga, el área de la fuga y la deformación del material. La
r©
Los resultados muestran el importante comportamiento de fuga dependiente del tiempo, destacando también la correlación entre la deformación medida y el área.
rrmetroesopagnorteos.norteosrIgramoB/IllIICtyenosFesth/BmiyO
- nrCgramo-anortenorteDiz/3en.0gramo/)C. comité de WDSA 2014.
©
C 22001144PAGTtuhBmiliAshtumithDoBrys.miPAGltuseBvliIsmihrmiLDtdB.yTmihlIssmiIvses decirarnorteLotpagDmi.n acceder al artículo bajo la licencia CC BY-NC-ND
(PAGhmitmitpr-:r/mi/CvrImimiawtivtuminorteCDomimetro
Revisión por pares bajo la responsabilidad del Comité Organizador de WDSA 2014
Palabras clave: Gestión de fugas; Medición de la presión; viscoelasticidad
1. Introducción
Para hacer frente a presiones como el cambio climático, el crecimiento de la población y el envejecimiento de la infraestructura, es
importante que mejoremos nuestra comprensión y gestión de las fugas de los sistemas de distribución de agua (WDS). La gestión de
fugas dentro de la industria del agua es una operación en continuo desarrollo a medida que se reevalúan los objetivos de
rendimiento, lo que conduce a un modelo mejorado de redes y activos. Para mejorar la precisión de los modelos de fuga de red, es
necesario un conocimiento detallado de la hidráulica de fuga individual. Los cálculos de la hidráulica de fugas se basan típicamente en
la aplicación del teorema de Torricelli, asumiendo un área de fuga constante. Los estudios han resaltado las limitaciones de tal
enfoque, al demostrar el área de fuga dependiente de la presión para diffdiferentes tipos de fugas y en diferentesffdiferentes
materiales de tubería [1]. Una variedad de diffSe han propuesto diferentes enfoques para tener en cuenta el área de fuga dependiente
de la presión observada, incluido el modelo FAVAD ampliamente utilizado (descarga de área fija y variable [2]) que offers un medio
para demostrar la sensibilidad a la presión de difffugas actuales, y trabajo reciente para cuantificar el cambio de área de fugas
deformables elásticamente sujetas a carga de presión hidráulica [3].
Las tuberías de polietileno (PE) se perciben como un material de tubería del sistema de distribución confiable y sin fugas. Sin
embargo, estas tuberías no son impermeables a las fugas, y se han registrado fallos de tubería en muchos sistemas de distribución en
vivo con un valor máximo de 65 fallos por 1000 km notificados por una empresa de agua individual en el Reino Unido en 2005 [4].
Cuantificar el comportamiento de las fugas en tuberías de PE es un problema complejo basado en la interacción entre hidráulica
∗ Autor correspondiente. Tel .: + 44-114-222-5416; fax: + 44-114-222-5700.
Dirección de correo electrónico: sam.fox@sheffield.ac.uk
1877-7058 © 2014 Publicado por Elsevier Ltd. Este es un artículo de acceso abierto bajo la licencia CC BY-NC-ND (
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/).
Revisión por pares bajo la responsabilidad del Comité Organizador de WDSA 2014 doi:
10.1016 / j.proeng.2014.11.189

2. S. Fox y col. / Ingeniería de Procesos 89 (2014) 286 - 289 287
Fig. 1. (a) Esquema de laboratorio de ingreso de contaminantes a los sistemas de distribución; (b) Configuración del laboratorio.
condiciones y comportamiento material. En este estudio nos centramos en las hendiduras longitudinales en tuberías viscoelásticas, un
mecanismo de falla asociado con la dirección de extrusión de la tubería fabricada. Los estudios físicos han demostrado la importancia de
considerar el comportamiento del material viscoelástico, lo que resulta en fugas dependientes del tiempo y la presión [5,6]. Tales investigaciones
han subrayado la necesidad de cuantificar todos los parámetros rectores importantes que definen el comportamiento de fugas de las rendijas
longitudinales en las tuberías de PE. Este trabajo tiene como objetivo cuantificar físicamente, utilizando condiciones representativas del sistema,
el comportamiento dinámico de apertura de la fuga de este tipo de falla para desarrollar un modelo de fuga refinado dependiente del tiempo y
la presión, considerando la relación entre la deformación del material y el área de la fuga.
2. Metodología
Se llevó a cabo una nueva serie de experimentos que registraron la altura de presión síncrona, la tasa de flujo de fuga, el área de fuga y la
deformación del material en condiciones pseudoestables para cortes longitudinales de ingeniería en tuberías de polietileno de densidad media
(MDPE). La investigación de laboratorio aprovechó la instalación existente de Ingreso de contaminantes en los sistemas de distribución (CID) en
la Universidad de Shefficampo, que consta de un bucle de tubería de MDPE de 140 m de longitud y 50 mm de diámetro nominal con agua
alimentada desde un depósito de retención aguas arriba a través de una bomba de velocidad variable Wilo MVIE de 3,5 kW. La sección de prueba
de MDPE que contiene una hendidura longitudinal fabricada de 60x1 mm se ubicó dentro de un tanque de sección de prueba aguas abajo
(artículogramo en la figura 1) con un panel de visualización que permite obtener imágenes del cambio en el área de la abertura de la fuga a lo
largo del tiempo utilizando una cámara de alta velocidad SVSI GIGAview. Se conectaron dos galgas extensométricas TML GFLA-3-50; uno en la
dirección axial cerca del centro de la hendidura y otro en la dirección circunferencial cerca de la punta de la hendidura. Una válvula aguas abajo
(artículoI Figura 1) se cerró para que la tasa de flujo de fuga pudiera medirse utilizando el medidor de flujo del sistema (elemento C figura 1). Los
cabezales de presión en la sección de prueba se registraron utilizando transductores de presión Gems serie 2200 con el caudal, los cabezales de
presión y la deformación del material registrados a 100 Hz, y la captura de imagen se estableció en 3 fotogramas por segundo para permitir un
largo tiempo de grabación continuo.
El procedimiento de prueba consta de dos etapas; 1) presurización y posterior fluencia, y 2) despresurización y posterior recuperación. La
etapa 1 proporcionó datos sobre el comportamiento de la fuga dependiente del tiempo después de la presurización instantánea supuesta y las
consiguientes condiciones pseudoestables (cambio lento) a una altura de presión de 20 m, y la etapa 2 proporcionó datos sobre el
comportamiento del área de apertura de la fuga después de la presurización instantánea supuesta y recuperación de material. Se realizaron
cinco repeticiones, cada una de las cuales incluyó una fase de presurización de 8 horas y una fase de recuperación de 16 horas.
3. Resultados y discusión
La investigación tuvo como objetivo cuantificar el comportamiento dinámico de las hendiduras longitudinales en tubería viscoelástica
presurizada en condiciones pseudoestables. Aquí se dan los resultados de una única prueba de 24 horas que muestra el comportamiento de la
fuga durante las etapas de presurización y despresurización.
La Figura 2 muestra los resultados de una sola prueba con una cabeza de presión interna de 20 m, excluidas las mediciones de deformación
circunferencial. Se presenta un período de tiempo de 16 horas que abarca el tiempo máximo de grabación para la cámara, con otras 6 horas de
datos de deformación del material disponibles pero que no se muestran aquí. El área medida y la deformación axial destacaron la dependencia
del tiempo del área de apertura de la fuga en condiciones de estado pseudoestacionario, donde se puede ver claramente que el

3. 288 S. Fox y col. / Ingeniería de Procesos 89 (2014) 286 - 289
Fig. 2. Datos de área de fuga, deformación axial, caudal de fuga y presión para una única prueba, incluidas las etapas de presurización (altura de presión de 20 m) y despresurización, para
una hendidura longitudinal de 60x1 mm en tubería de MDPE.
La hendidura longitudinal todavía se está abriendo cuando se alcanza el final de la etapa de presurización. El área de fuga creciente se combina con una tasa
de flujo de fuga creciente durante la duración de la prueba, donde se observó un aumento del 40% en la tasa de flujo de fuga desde la presurización inicial
hasta el final de la etapa de presurización de 8 horas. El aumento en el área de la fuga y la consiguiente tasa de flujo de la fuga se acompañan de una
pérdida de carga relativamente pequeña durante el transcurso de la prueba debido al aumento de las pérdidas de carga por fricción.
El área de fuga registrada y la deformación axial demuestran la respuesta viscoelástica de la abertura de la fuga a una presión interna
aplicada. Una respuesta elástica instantánea caracterizada por la naturaleza vertical del área graficada y los datos de deformación es seguida por
una respuesta de fluencia viscosa, después de la presurización, caracterizada por un perfil de datos curvos. Al retirar este cabezal de presión
interno, se puede ver que se produce una respuesta elástica instantánea similar a medida que se cierra la abertura de la fuga, seguida de una
respuesta de recuperación viscosa. El análisis preliminar ha demostrado que este comportamiento puede modelarse con precisión utilizando
una representación matemática calibrada de la respuesta viscoelástica. La aplicación de un modelo Kelvin-Voight generalizado se considera
como la más effEnfoque efectivo para describir el comportamiento observado, con los componentes del resorte y del amortiguador que explican
la respuesta elástica y viscosa del material, respectivamente.
El desarrollo del modelo analítico propuesto que define el comportamiento de apertura de la fuga para una gama de diff
Los diferentes tamaños de fuga proporcionan una ayuda para detallar el comportamiento de fuga de las ranuras
longitudinales en las tuberías de PE considerando todas las variables dependientes significativas. Una variable adicional que
debe investigarse mientras se desarrolla un modelo tan representativo son las condiciones externas de las tuberías, es decir,
los medios porosos que rodean la tubería averiada. Se estableció una relación lineal entre el área de fuga sincrónica y la
deformación axial a partir del análisis de todas las pruebas realizadas, donde también se concluyó que los datos de
deformación circunferencial no eran necesarios para definir con precisión el modelo de área dependiente de la deformación.
Esta relación es significativa ya que proporciona un medio directo para cuantificar el área de apertura de fugas de las ranuras
longitudinales en tuberías de MDPE presurizadas cuando se entierran en un medio poroso utilizando únicamente datos de
galgas extensométricas.
El modelo de fuga propuesto tiene como objetivo offer avance en la comprensión de los programas de gestión de fugas teniendo
en cuenta la dependencia del tiempo y la presión de las fugas en materiales viscoelásticos. Se prestará especial atención a los
beneficios dentro de los esquemas de gestión de la presión en comparación con un enfoque de modelado FAVAD tradicional, así como
a las tecnologías de fugas activas, como la detección y localización de fugas.
4. Conclusión
Este artículo presenta una nueva serie de experimentos, que registraron por primera vez la altura de presión síncrona, la tasa de flujo de
fuga, el área de fuga y la deformación del material en condiciones representativas de estado pseudo-estable para hendiduras longitudinales
diseñadas en tuberías de MDPE. Los datos mostraron la naturaleza significativa dependiente del tiempo y la presión de este tipo de fuga,
destacando la correlación entre la deformación del material y el área de la fuga. Estos datos proporcionan la plataforma para calibrar un

4. S. Fox y col. / Ingeniería de Procesos 89 (2014) 286 - 289 289
modelo viscoelástico que define el cambio dinámico del área de fuga para un rango de diffVariables diferentes, incluidas las cabezas de presión en estado
estable y parámetros geométricos seleccionados (longitud y ancho de la rendija).
Referencias
[1] B. Greyvenstein, JE van Zyl, una investigación experimental sobre la relación de fuga de presión de algunas tuberías de agua averiadas, Journal of Water
Supply: Research and Technology AQUA 56 (2006) 117-124.
[2] J. May, Leakage, pressure and control, en: BICS International Conference on Leakage Control, Londres, Reino Unido, 1994.
[3] JE van Zyl, AM Cassa, Modelado de fugas de deformación elástica en tuberías de distribución de agua, Journal of Hydraulic Engineering (2014).
[4] UKWIR, Water Mains and Services: Understanding pipe failures, UKWIR News Issue 66 44 (2013) 4.
[5] C. Massari, M. Ferrante, B. Brunone, S. Meniconi, ¿Es la relación cabeza-descarga de fuga en tuberías de polietileno una función biyectiva ?, Journal of
Hydraulic Research 50 (2012) 409–417.
[6] S. Fox, R. Collins, J. Boxall, Área dependiente del tiempo de fugas en tuberías de MDPE durante eventos transitorios, en: XI Conferencia Internacional sobre Aumentos de
Presión, Lisboa, Portugal, 2012, págs. 113–125.