Diseño por Presión Interna de Tuberías de Acero para el Abastecimiento de Agua

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Diseño por Presión Interna de Tuberías de Acero para el Abastecimiento de Agua

Las Tuberías de Acero son las más utilizadas para la construcción de aducciones en los Sistemas de Abastecimiento de Agua, ya que presentan las siguientes ventajas:

  • Su colocación es relativamente sencilla, ya que pueden ser unidas mediante soldadura en la mayoría de los casos. Favoreciendo así su colocación en pendientes muy pronunciadas.
  • Las piezas especiales, como Codos, Yees y Tees, pueden ser confeccionadas en el sitio de forma relativamente sencilla.
  • No existen mayores restricciones en cuanto a los diámetros disponibles.
  • No tienen restricción, dentro de rangos normales, para absorber las presiones de la aducción.

Una de las principales desventajas de las Tuberías de Acero es su necesidad de contar con la protección anticorrosiva adecuada a fin de garantizar su durabilidad y resistencia ante la corrosión.

Para prevenir la corrosión externa en Tuberías de Acero enterradas, se recubren en planta con resinas cuyo elemento base es la brea epoxídica asegurándose que, en obra, se debe restituya en la zona de la junta soldada el recubrimiento respectivo antes de tapar el tubo, a fin de no dejar espacios no protegidos.

En el caso de colocación enterrada de las Tuberías de Acero en zonas costeras, o donde el suelo circundante represente un riesgo alto para su corrosión, la consideración de espesores adicionales de la lámina de acero con la que se fabrica la tubería es importante a fin de garantizar su durabilidad en el tiempo.

Cuando las Tuberías de Acero se colocan de forma aérea (sobre soportes o apoyos) la protección externa requerida es menor siendo suficiente por lo general la colocación de una pintura a base de aluminio, permitiendo a la vez reducir la incidencia de los cambios de temperatura del día, que tienden a dilatar o contraer al Acero.

Internamente la protección de las Tuberías de Acero dependerá de las características del agua que transporta, por ello se debe conocer, a través de un análisis físico-químico del agua, su nivel de agresividad (bacterias, PH), a fin de prever la necesidad de recubrimientos especiales que permitan la durabilidad de la aducción. En general las tuberías son recubiertas internamente con pinturas especiales o con mortero de cemento.

Diseño de Tuberías de Acero por Presión Interna

En el caso de las Tuberías de Acero, la Presión Interna es el factor que en la mayoría de las condiciones determina el espesor de la tubería. La Ecuación de Barlow:

Ecuacion-de-Barlow-Presion-Interna-Tuberia-de-Acero

permite determinar el espesor requerido (e[mm]) por Presión Interna, conociendo los factores:

  • Presión Interna (P[Kg/cm2]), la cual está asociada al término P/γ obtenido del diseño hidráulico.
  • Diámetro Externo (D[mm]), proveniente también del diseño hidráulico en función de la demanda o caudal de diseño asociado a la tubería en cuestión.
  • Esfuerzo de Trabajo del Acero σt[Kg/cm2], el cual se determina a través de la expresión:

Esfuerzo-de-Trabajo-Tuberia-de-Acero

En donde,σf[Kg/cm2] Es el Esfuerzo de Fluencia del Acero utilizado en la fabricación de la Tubería y FS Es el Factor de Reducción para el Esfuerzo de Fluencia.

De acuerdo a la Norma de Fabricación de la Tubería, encontraremos que el Esfuerzo de Fluencia está prefijado, como en el Caso de la Norma del Instituto Americano del Petróleo (API, por sus siglas en Inglés):

Esfuerzo-de-Fluencia-Tuberia-de-Acero-Norma-API

Igualmente, el Factor de Reducción (FS) dependerá de la normativa vigente en cada país en lo relativo al diseño de Tuberías de Acero. Algunas normas recomiendan el uso del factor 0,60 cuando el diseño se está enfocando a condiciones de Presión Interna en Régimen Permanente (Condiciones típicas o normales en la operación del Sistema) mientras que sugieren un Factor de Reducción de 0,72 cuando se está realizando la Evaluación con la Presión Interna obtenida para Régimen No Permanente (Golpe de Ariete)

Veamos cómo determinar el Espesor con la Ecuación de Barlos en el siguiente ejemplo:

Se calculará el espesor de pared de una aducción en Tubería de Acero para la cual se ha determinado una Presión Interna máxima de 15 Kg/cm2. La tubería será fabricada según los requerimientos de la Norma API 5L-X-Grado X-52 siendo su diámetro externo igual a 1.350 mm.

Esfuerzo de Fluencia para Acero 5LX Grado X-52 = 3.660 Kg/cm2.

El esfuerzo de trabajo será entonces:

Ejemplo-Calculo-Esfuerzo-de-Trabajo-Tuberia-de-Acero

y sustituyendo en la Ecuación de Barlow, el espesor requerido por Presión Interna será de:

Ejemplo-Calculo-espesor-Tuberia-de-Acero-por-presion-Interna