Hidráulica de los sistemas de tuberías (3ª PARTE)

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Cargas externas

Hay situaciones donde la carga externa es el factor de control determinando si la tubería colapsará. La magnitud de la carga externa depende del diámetro de la tubería, el material de la tubería, la ovalidad (desviación de lo redondeado) de la sección transversal de la tubería, la anchura de la zanja, la anchura de la cubrición, el peso específico del suelo, el grado de saturación del suelo, el tipo de material de relleno, el método usado para relleno, el grado de compactación, y las cargas vivas. La carga de la tierra se incrementa con la anchura y profundidad de la trinchera, y la carga viva se reduce con la profundidad de la cubrición. El efecto acumulado de todas estas fuentes de cargas externas requiere considerable estudio y análisis.

No hay guías simples para evaluar cargas de tuberías externas. Debido a la complejidad de este análisis, el fallo es asumir que el factor de seguridad es adecuado para tener en cuenta cargas y otros factores ya mencionados. Una opción para compensar parcialmente la falta de un análisis detallado es usar una clase de tubería de alta presión en áreas donde hay cargas vivas o donde la carga de tierra es inusualmente alta. Debemos considerar el coste de realizar un análisis detallado.

Limitaciones de velocidad

Tanto las velocidades altas como bajas son una preocupación. Si la velocidad es demasiado baja, se generan problemas como consecuencia de la sedimentación de sólidos y el aire que se atrapa en los puntos elevados de la tubería. El límite de velocidad inferior seguro será tal que no se colecte aire y sedimentos y depende de la cantidad y tipo de sedimento y del diámetro de la tubería y el perfil de la tubería. Velocidades por encima de 1 m/s son usualmente suficientes para mover el aire atrapado y mantener el sedimento en suspensión.

Los problemas asociados con las velocidades altas son (1) erosión de paredes o revestimiento de la tubería (especialmente si están presentes sedimentos gruesos suspendidos), (2) cavitación en válvulas de control y otras restricciones, (3) costes de bombeo incrementado, (4) retirada de aire en válvulas de liberación de aire, (5) tamaño del operador incrementado y preocupaciones sobre fallos del eje de la válvula debido a pares de caudal excesivos, y (6) riesgo incrementado de los transitorios hidráulicos. Todo ello debe considerarse antes de hacer la selección de diámetro de tuberías. Una velocidad superior típica para muchas aplicaciones es 6 m/s. Sin embargo, con un diseño de tuberías y análisis más apropiado, más una selección correcta de válvulas, pueden tolerarse velocidades mucho más altas.

a.      Selección de válvulas

Las válvulas sirven para una gran variedad de funciones. Algunas funcionan como válvulas de aislamiento o bloqueo estando totalmente abiertas o cerradas. Las válvulas de control se usan para regular caudal o presión y deben operar con un amplio rango de aperturas. Las válvulas de control permiten flujo inverso, y las válvulas de aire liberan aire durante el llenado inicial y el aire que es colectado durante la operación y admiten aire cuando la tubería es drenada.

Válvulas de control

Para muchas aplicaciones de control de caudales es deseable seleccionar una válvula que tenga características de control lineales. Esto quiere decir que si se cierra la válvula un 10 %. Lamentablemente, esto es raramente posible ya que la habilidad de una válvula para controlar el caudal depende tanto del sistema como del diseño de la válvula. La misma válvula que opera linealmente en un sistema puede no hacerlo en otro.

Selección de válvulas

Para seleccionar la válvula de control apropiado se considerarán los siguientes criterios:

1. La válvula no producirá una excesiva caída de presión cuando esté completamente abierta.
2. La válvula controlará alrededor del 5 % de su movimiento.
3. El par de operación no excederá la capacidad del operador o eje de la válvula y conexiones en cualquier conexión de caudal.
4. La válvula no estará sometida a una excesiva cavitación.
5. Los transitorios de presión causados por la operación de la válvula no excederán los límites de seguridad del sistema.
6. Algunas válvulas no serán operadas en aperturas muy pequeñas. Otras válvulas operarán cerca de su apertura completa.

b.      Transitorios

Las presiones transitorias pueden ocurrir durante el llenado y lavado de aire de la línea, mientras operan las válvulas, y cuando arrancan o paran las bombas. Si no se establecen provisiones de diseño y procedimientos operacionales, la presión transitoria puede exceder la presión de operación de la tubería. Un sistema será analizado para determinar el tipo y magnitud de posibles transitorios hidráulicos. La causa básica es el rápido cambio en la velocidad. Cuanto mayor es el cambio incremental de velocidad y más rápidos tienen lugar los cambios, mayor será la presión transitoria. Si el sistema de tuberías no está diseñado para resistir las presiones transitorias altas, o si los controles no están incluidos para limitar la presión, puede producirse la ruptura de la tubería o daño en el equipo. En contraste, las tuberías de acero y plástico admiten presiones transitorias relativamente altas sin fallo.

Los transitorios pueden ser causados por cambios lentos de velocidad, tales como la caída del nivel de agua en un tanque. Para analizar estos transitorios se requiere el uso de ecuaciones diferenciales ordinarias simples. La comprensibilidad del fluido y la elasticidad del conducto son ignorados, y la columna completa del fluido se asume se mueve como un cuerpo rígido.

Cuando ocurren rápidamente cambios en velocidad, tanto la comprensibilidad del líquido como la elasticidad de la tubería deben ser incluidas en el análisis. La solución requiere resolver ecuaciones diferenciales parciales.

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