• Author / Uploaded
• EdwinTorres

Citation preview

Tuberías forzadas. DISPOSICIÓN GENERAL Y ELECCIÓN DE MATERIALES. Transportar un cierto caudal de agua (este es el objetivo de las tuberías forzadas) desde la cámara de carga hasta la casa de máquinas no parece tarea difícil, y sin embargo, el diseño de una tubería forzada no es asunto fácil. Las tuberías forzadas pueden instalarse sobre o bajo el terreno, según sea la naturaleza de éste, el material utilizado para la tubería, la temperatura ambiente y las exigencias medioambientales del entorno. Por ejemplo, una tubería de pequeño diámetro en PVC se puede instalar, extendiéndola simplemente sobre el terreno y siguiendo su pendiente, con un mínimo recubrimiento de tierra para su aislamiento. Estas pequeñas tuberías no necesitan ni bloques de anclaje, ni juntas de dilatación. Las grandes tuberías en acero deberán enterrarse siempre que el terreno no sea muy rocoso. La arena y la grava que rodean una tubería enterrada, constituyen un buen aislante, lo que permitirá eliminar un buen número de juntas de dilatación y de bloques de anclaje. Una tubería enterrada, debe ser previamente pintada y protegida exteriormente mediante, por ejemplo, una cinta enrollada que garantice su resistencia a la corrosión. Si se hace así y la cinta no sufre daños durante el montaje, la tubería necesitará un mantenimiento mínimo. Desde un punto de vista ambiental, la solución es óptima, pues una vez recubierta no representará ningún obstáculo al paso de los animales Una tubería forzada instalada sobre el terreno puede diseñarse con o sin juntas de dilatación. Las variaciones de temperatura son especialmente importantes si las turbinas funcionan intermitentemente o cuando la tubería se vacía para proceder a su reparación o mantenimiento. En estos casos la tubería está sometida a dilataciones y contracciones. En general las tuberías forzadas en acero, se conciben como una serie de tramos rectos, simplemente apoyados en unos pilares, y anclados sólidamente en cada una de sus extremidades, que en general coinciden con cambios de dirección. Entre cada dos anclajes consecutivos se intercala una junta de dilatación fig 1

Figura 1: Tubería forzada con juntas de dilatación

Los anillos de soporte se diseñan basándose en el comportamiento elástico de los cilindros de débil espesor. La pared del tubo debe resistir las tensiones combinadas, correspondientes a su trabajo como viga y como recipiente cilíndrico sometido a presión interna. El momento de flexión será el correspondiente a una viga continua. Las reacciones sobre los apoyos, propias de una viga continua, se transmiten, por esfuerzo cortante, entre chapa y anillo. Para ello los anillos se sueldan a la chapa con soldaduras continuas en rincón, y se rigidizan mediante diafragmas (figura 2).

Figura 2: Sistema de apoyo con junta de dilatación Los bloques de anclaje tienen que resistir la componente longitudinal del peso de la tubería llena de agua, más las fuerzas de fricción correspondientes a los movimientos de expansión y contracción; por eso se recomienda cimentarlos, siempre que sea posible, sobre roca. Si dada la naturaleza del terreno los bloques de anclaje requieren el empleo de grandes volúmenes de hormigón, y resultan por lo tanto muy costosos, puede estudiarse la eliminación de uno de cada dos anclajes y de todas las juntas de dilatación para que la tubería se deforme en el codo que queda libre. Para ello se recomienda apoyar los tramos rectos de tubería en soportes en los que la zona de contacto cubra un ángulo de unos 120º. Los

apoyos fabricados por soldadura de chapas y perfiles, se pueden recubrir, para reducir la fricción, con una placa de amianto grafitado Existen multitud de tipos de juntas de dilatación, pero la más utilizada es la de la figura 2. La empaquetadura de cierre está formada por anillos de cordones de lino de sección cuadrada, comprimidos mediante una pieza deslizante en acero que se atornilla a una brida fijada a la tubería. Hoy en día existe una gran variedad de materiales para tuberías forzadas. Para grandes saltos y grandes diámetros, la tubería fabricada en acero soldado, con juntas longitudinales y circunferenciales, sigue siendo la solución preferida, porque es relativamente barata y porque puede conseguirse con el diámetro y espesor requeridos por el proyectista. Sin embargo, si se encuentra en el mercado tubería espiral, soldada por arco sumergido o incluso por inducción, del tamaño apropiado para el caudal de diseño, muy utilizada en gaseoductos y oleoductos, esa será, sin duda, la solución más económica. El acero, a medida que disminuye el salto, va resultando menos competitivo, porque el espesor requerido para compensar la corrosión, interna y externa, no disminuye con el espesor de pared, y porque se necesita un espesor mínimo para poder manipular los tubos en obra sin que se deformen. Para diámetros más pequeños hay un gran abanico de opciones: tubo de acero estirado, con uniones de enchufe y cordón y anillos de cierre, o con bridas para atornillar tuberías de hormigón, centrifugadas o pretensadas y tuberías de amianto-cemento. Los tubos con juntas de enchufe y cordón, construidos en acero, fundición dúctil o PVC, con empaquetaduras flexibles no necesitan juntas de dilatación, ya que estas absorben los pequeños movimientos longitudinales; tuberías reforzadas con fibra de vidrio (GRP), de PVC o de polietileno (PE). Las tuberías de PVC resultan muy atractivas para saltos de altura media (una tubería PVC de 0,4 m de diámetro puede utilizarse en saltos de hasta 200 metros) porque son más baratas y más ligeras que las de acero y no necesitan protección contra la corrosión. Las tuberías de PVC15 son fáciles de instalar porque vienen con uniones de enchufe y cordón. Debido a su baja resistencia a los rayos UVA no pueden instalarse al aire a no ser que estén pintadas o recubiertas de cinta protectora. Por el contrario las tuberías de PVC solo admiten radios de curvatura muy grandes (100 veces el diámetro del tubo), su coeficiente de dilatación térmica es cinco veces la del acero, y son bastante frágiles. Las tuberías de polietileno de alto peso molecular, como el PE16, pueden ser colocadas sobre el terreno y admiten un radio de curvatura de 20 a 40 veces su diámetro (existen piezas especiales para radios más pequeños) y flotan en el agua pero solo pueden unirse por soldadura de fusión en obra, para lo que se requieren maquinas especiales. También pueden utilizarse tuberías de hormigón con revestimiento interior de chapa de acero, para prevenir fugas, armadas si es necesario con redondos de

acero, incluso de acero de alta resistencia pretensado, y provistas de uniones de enchufe y cordón. Desgraciadamente y debido a su elevado peso, resultan difíciles de transportar y manejar en obra, aunque por el contrario no exijan ningún tratamiento de protección contra la corrosión. En países en vías de desarrollo, las tuberías construidas con dovelas de madera creosotada zunchadas con flejes de acero, pueden ser una solución atractiva ya que permite alcanzar 50 metros de altura de salto para diámetros de 5,5 metros (que puede llegar a 120 metros si se reduce el diámetro a 1,5 metros). Entre las ventajas que ofrece esta solución pueden mencionarse, la flexibilidad que tienen para adaptarse al perfil del terreno, la facilidad de colocación que casi no exige movimiento de tierras, la eliminación de juntas de dilatación y soportes de anclaje y su resistencia a la corrosión. Como desventajas hay que contar con la presencia de fugas, sobre todo hasta que la madera se hincha, la necesidad de conservar el tubo siempre lleno de agua (para que la madera no se reseque) y el entretenimiento periódico (cada cinco años hay que creosotarla mediante pulverización). En la Tabla siguiente se detallan las propiedades mecánicas más relevantes de los materiales antes citados. Los valores del coeficiente Hazen Williams varían según sea el estado de la superficie interior del tubo.

Tabla Materiales utilizados en tuberías forzadas

DISEÑO HIDRÁULICO Y REQUISITOS ESTRUCTURALES Una tubería forzada se caracteriza por el material empleado en su construcción, su diámetro y espesor de pared y el tipo de unión previsto para su instalación. • El material se escoge de acuerdo con las condiciones del mercado, teniendo presente su peso, volumen, sistema de unión y coste. • El diámetro se escoge para que las pérdidas por fricción se mantengan dentro de límites razonables • El espesor de pared se calcula para resistir la máxima presión hidráulica interna incluido, cuando sea previsible, el golpe de ariete y eventualmente los esfuerzos inherentes a su trabajo como viga.

DIÁMETRO DE LA TUBERÍA. El diámetro es el resultado de un compromiso entre costo y pérdida de carga. La potencia disponible para un caudal Q y un salto H viene dada por la ecuación:

P  QH  3 En la que Q es el caudal en m

s

, H la altura de salto neta en metros, γ el peso

específico del agua en kN

y η el rendimiento global del conjunto. El salto neto m2 se obtiene deduciendo del bruto la suma de todas las pérdidas de carga, incluidas las generadas por fricción y turbulencia en la tubería forzada, ambas proporcionales al cuadrado de la velocidad de la corriente. Para transportar un cierto caudal, una tubería de pequeño diámetro necesitará más velocidad de corriente que otra de mayor diámetro, y consecuentemente las pérdidas serán más elevadas. Escogiendo un diámetro pequeño se reducirá el coste de la tubería pero las pérdidas de energía serán mayores y viceversa. En el estudio de la hidráulica se utilizan las ecuaciones más empleadas para el cálculo de las pérdidas por fricción, haciendo especial énfasis en la representación gráfica de las ecuaciones de Colebrook (el diagrama de Moody y las cartas de Wallingford) y en la fórmula de Manning. En el presente capítulo se hace uso de aquellos fundamentos y se desarrollan una serie de ejemplos, que facilitarán la aplicación de los conocimientos teóricos a los casos reales. Un criterio simple para determinar el diámetro de una tubería, es el de limitar las pérdidas de carga a un determinado porcentaje. Una pérdida del 4% de la potencia es un valor generalmente aceptable. Un enfoque más riguroso exigiría considerar varios diámetros posibles, calcular la pérdida anual de energía en cada uno de ellos, y actualizarlas a lo largo de la vida del aprovechamiento De esta forma se puede dibujar un gráfico con la curva diámetros pérdidas actualizadas, al que se superpone el coste para cada diámetro. Se suman gráficamente ambas curvas y el diámetro óptimo será el mínimo de la curva resultante (figura 3).

Figura 3: diámetro optimo de la tubería

En la práctica, en una tubería forzada, las pérdidas fundamentales son las de fricción; las pérdidas por turbulencia en la tubería, al paso por la rejilla, a la entrada de aquella, en los codos, expansiones, concentraciones y válvulas, son pérdidas menores. Bastará pues en una primera aproximación calcular las pérdidas por fricción, utilizando por ejemplo la ecuación de Manning.

n 2Q 2 h f  10.3 5.333 D Analizando la ecuación anterior se aprecia que, al dividir por dos el diámetro, las pérdidas se multiplican por 40. Basta despejar D, en la (5.14) para poder calcular el diámetro de la tubería que limite las pérdidas por fricción a los valores requeridos

 10.3n Q L  D   hf   2

2

0.1875

Si limitamos las perdidas al 4% de la potencia bruta, por

h f =0.04H y D viene dado

n Q L D  2.69   H   2

2

0.1875

ESPESOR DE PARED. El espesor es función de la carga de rotura y limite elástico del material escogido, y del diámetro de la tubería y de la presión interna. En un régimen de caudal constante, la presión interna en un punto dado, equivale a la carga hidráulica en dicho punto. En una tubería de acero soldado sometida a una presión estática Pi el espesor de pared se calcula con arreglo a la ecuación:

e

PD 1 2 f

En donde:

e = espesor de la pared del tubo en mm. P1 = Presión hidrostática en kN/mm2

D = Diámetro interno del tubo en mm

 f = Resistencia a la tensión admisible en kN

mm 2

En tuberías de acero, la formula anterior se modifica

e

PD 1  es 2 f k f

En la que: es = sobres pesor para tener en cuenta la corrosión (1 mm.) k f = la eficacia de la unión: k f = 1 para tubos sin soldadura k f = 0,9 para uniones soldadas y radiografiadas k

f

= 1.0 para uniones soldadas, radiografiadas y con aliviado de tensiones.



f

= resistencia a la tracción (1400 KN /mm2)

En todo caso, la tubería deberá tener la rigidez necesaria para poder manejarla en obra sin deformarse. ASME recomienda para ello un espesor mínimo en milímetros, igual a 2,5 veces el diámetro en metros más 1,2. Otras normas recomiendan como espesor mínimo t =(D+508)/400 donde todas las dimensiones están en mm. En centrales con gran altura de salto puede resultar económico utilizar, en función de la carga hidráulica, tuberías del mismo diámetro interno y diferentes espesores. Si cualquier punto de la tubería quedase por debajo de la línea de gradiente hidráulico, la tubería podría romperse por vacío. En este caso la depresión de colapso viene dada por:

e Pc  882500   D

3

En la que e y D son, respectivamente, el espesor de pared y el diámetro del tubo en mm. La presión negativa se evita instalando un tubo de aeración cuyo diámetro en cm. Viene dado por la ecuación:

d  7.47 Supuesto que Pc ≤ 0.49 kgN

mm2

Q PC

; en otro caso d = 8,94 Q

Cuando el operador, o el sistema de control automático, cierran rápidamente la válvula de entrada a la turbina para evitar que se embale al desconectarse el interruptor de salida de la corriente eléctrica, el régimen hidráulico varía bruscamente. Un cambio brusco de régimen en la tubería, afecta a una gran masa de agua y genera una onda de presión importante, conocida como golpe de ariete, que aun siendo transitoria, da lugar a sobrepresiones tan altas que revienten la tubería o a depresiones que la aplasten. Las sobrepresiones o depresiones producidas por el golpe de ariete llegan a alcanzar una magnitud, de un orden superior a la correspondiente a la altura del salto, y hay que tenerlas en cuenta para calcular el espesor de pared de la tubería. la velocidad de la onda de presión c (m/s) depende de la elasticidad del agua y del material de la tubería, de acuerdo con la ecuación:

103 k c  kD  1   Et   En donde: k = módulo de elasticidad del agua: 2,1x109 N/m2 D = diámetro interior de la tubería (mm.) E = módulo de elasticidad del material de la tubería (N/ m 2 ) t = espesor de pared de la tubería (mm.) y el tiempo que tarda la onda de presión en efectuar el recorrido de ida y vuelta, desde la compuerta ubicada en la extremidad inferior de la tubería, a la cámara de presión, o tiempo crítico es:

T

2L c

Si la válvula se cierra por completo antes de que el frente de la onda de presión llegue a ella en su camino de retorno (tiempo menor que el crítico T), toda la energía cinética del agua contenida en el tubo será convertida en sobrepresión, y su valor vendrá dado, en m de columna de agua, por:

P

cV g

En donde ΔV es el cambio de velocidad. Como se ve, el incremento de presión por golpe de ariete en tuberías de acero, debido a la mayor rigidez de este material, supera en tres veces y media al correspondiente a las tuberías de PVC. Si, por el contrario, el tiempo de cierre supera en diez veces al valor crítico T, el fenómeno puede ignorarse por que las sobrepresiones serán mínimas. Para tiempos de cierre superiores al crítico pero inferiores a diez veces el crítico, la sobrepresión no llega a alcanzar el valor calculado más arriba porque la onda negativa reflejada por la válvula compensará parcialmente la subida de la presión. En estos casos la fórmula de Allievipermite calcular la sobrepresión:

N  N2 P  P0   N 2  4   En la que P0 es la presión estática del salto y

 LV  N  0   gP0t 

2

En donde V0 = velocidad del agua en m/seg,

L = longitud total de la tubería en m, P0 = presión estática bruta en metros de columna de agua y

t = tiempo de cierre en segundos. La presión total en la tubería es PI = P0 + ΔP El problema del golpe de ariete es mucho más crítico cuando, en un aprovechamiento, se utiliza una tubería forzada, desde la toma de agua a las turbinas, prescindiendo del canal de derivación. En este caso se necesita un enfoque más riguroso, para el que habría que tener en cuenta, no solo la elasticidad del material y del agua, como se ha hecho más arriba, sino también las pérdidas de carga hidráulicas en el propio golpe de ariete y el tiempo real de cierre. El enfoque matemático es complicado y requiere la utilización de un ordenador muy potente. Para los lectores que puedan estar interesados, Chaudry19, Rich, y Streeter20 y Wiley21 exponen varios métodos de cálculo acompañados de ejemplos que ayudarán a aclarar los conceptos. Para determinar el espesor mínimo de pared, requerido en cualquier punto de la tubería, habría que tomar en consideración dos hipótesis de golpe de ariete: el golpe de ariete normal y el golpe de ariete de emergencia. El golpe de ariete normal tendrá lugar cuando la turbina se cierre comandada por el regulador. En estas condiciones la sobrepresión en la tubería podría alcanzar el 25% de la altura de salto bruta en el caso de una turbina Pelton, y entre el 25% y el 50% en el caso de una turbina de reacción (dependiendo de las constantes de tiempo del regulador). Habría que tomar en consideración las recomendaciones del constructor de la turbina. En el caso del golpe de ariete de emergencia, causado por ejemplo por una obstrucción de la válvula de aguja en una turbina Pelton o un malfuncionamiento del sistema de control de la turbina, el espesor de pared deberá calcularse con arreglo a la formula utilizada en los ejemplos.

En las tuberías forzadas de acero, el esfuerzo combinado (cargas estáticas más transitorias) es una función de la carga de rotura y del límite elástico del acero empleado. En el caso del golpe de ariete normal, el esfuerzo combinado debe ser inferior al 60% del límite elástico y al 38% de la carga de rotura. En el caso del golpe de ariete de emergencia, el esfuerzo combinado no debe superar el 96% del límite elástico ni el 61% de la carga de rotura. Si un esquema tiene tendencia a producir fenómenos de golpe de ariete vale la pena instalar algún dispositivo que reduzca sus efectos. El más simple de todos es la chimenea de equilibrio, una especie de conducto de gran diámetro, conectado en su extremidad inferior a la tubería y abierto a la atmósfera en la superior. La chimenea de equilibrio, al poner muy cerca de la turbina un gran volumen de agua en contacto con la atmósfera, equivale a reducir la longitud de la columna de agua (Fig. 5.35).

Figura 4: Chimenea de equilibrio

Algunos autores consideran que la chimenea de equilibrio resulta innecesaria si la longitud total de la tubería forzada es inferior a 5 veces la altura del salto bruto. Conviene también tener en cuenta a estos efectos la constante de aceleración del agua t0en la tubería:

th  Donde

VL gH

V = velocidad del agua en la tubería en m/s L = longitud total de la tubería en m H = altura de salto bruto en m. Si t h es inferior a 3 segundos no es necesario pensar en una chimenea de equilibrio, pero si supera los 6 segundos, la chimenea - o el mecanismo corrector equivalente – es indispensable, para evitar fuertes oscilaciones que el regulador de la turbina no podrá corregir.

Figura 5: onda golpe de ariete – tiempo Con la válvula abierta y un régimen uniforme en la tubería forzada, el nivel de agua en la torre será el correspondiente a la presión del agua en la tubería – equivalente al salto neto. Cuando se cierra rápidamente la válvula de entrada a la turbina, la gran masa de agua existente en la tubería tiende a subir por la chimenea, elevando el nivel del agua por encima del de la toma. El nivel de agua en la torre comienza enseguida a descender hasta alcanzar un mínimo. El ciclo se repite, al oscilar la masa de agua en la tubería y en la chimenea hasta que, amortiguada por las fuerzas de fricción, termina por desaparecer. El gráfico de la figura 5 correlaciona la altura del agua en la chimenea, con el tiempo transcurrido desde el cierre de la válvula. La máxima altura corresponde al golpe de ariete. La amortiguación inducida por un orificio restringido reducirá la amplitud de la onda en un 20 a 30 por ciento. El tiempo th juega un papel importante en el diseño del regulador de la turbina. En un sistema mal diseñado, la torre de equilibrio y el regulador pueden actuar en sentidos opuestos, dando lugar a problemas de regulación de velocidad demasiado importantes para poder ser resueltos por el propio regulador

La sobrepresión por golpe de ariete puede también aliviarse mediante el uso de una válvula de descarga síncrona, en paralelo con la turbina, de forma que ésta abra cuando se cierra la de entrada a la turbina5. En la fotografía 5.28 puede verse el chorro de salida de una de estas válvulas en el momento del disparo. En las turbinas de acción, provistas de un deflector que desvía el chorro no se necesita cerrar la válvula para evitar que la turbina se embale, y el fenómeno del golpe de ariete no llega a plantearse