En el diseño de líneas de conducción, específicamente en lo que solemos definir como el diseño de tuberías a presión, el concepto de presión nominal o clase de la tubería aparece como principal elemento de control.
Básicamente la presión nominal es la máxima presión que, en condiciones de operación normal, es capaz de resistir la tubería en función a sus propiedades físicas (material) y geométricas (diámetro, espesor).
Si por ejemplo hablamos de tuberías de acero, es común determinar la presión máxima admisible, o el espesor nominal de tubería, utilizando la fórmula de Barlow tal como explicamos en este tutorial.
Tuberías de otros materiales, como en el caso de la Tubería de Hierro Dúctil o el PVC, al ser tuberías prefabricadas, suelen salir al mercado con una presión nominal estándar, definida en función a la norma o reglamento utilizado por el fabricante.
Por ejemplo, las normas ISO[1] para tuberías de hierro fundido dúctil (HFD) presentan las siguientes clases:
Así, si en el diseño tuberías para una aducción de 900 mm de diámetro y conformada por tubería de Hierro Dúctil fabricada bajo esta norma, se tiene que en determinado punto de su recorrido la presión máxima de operación es de, por ejemplo, unos 235 metros de columna de agua (23,5 Bar) podrás ver, de la tabla anterior, lo siguiente:
De la cual podemos concluir:
Si bien es algo que habrás intuido, te queremos destacar el hecho de que, en la medida que la tubería es capaz de resistir mayores presiones, su costo, para el mismo diámetro, se incrementa y, obviamente, parte del diseño de conducciones consiste en minimizar los costos totales.
En este caso observa en la tabla de referencia que el espesor de pared de la tubería, siempre para el mismo diámetro nominal, se incrementa conforme aumenta la clase o presión nominal resistida. Esto no sólo se traduce en mayor costo de fabricación y suministro de la tubería (más material por metro lineal de tubería) sino también en incremento en el costo de colocación pues, como imaginas, es más pesada, disminuyendo los rendimientos de construcción y, por ende, incrementando los costos respectivos.
En el ejemplo previo alguien pudiera pensar que es “más seguro” utilizar tubería clase K9 pero, en términos prácticos, y aceptando que se han realizado los cálculos hidráulicos necesarios para determinar cuál es la presión máxima (estática o dinámica) en el punto en consideración bajo condiciones normales de operación, no se justifica ir más allá del uso de la clase K8.
En el Diseño de Tuberías: ¿Qué se considera como “Condición Normal de Operación”?
Claro, hemos resaltado un par de veces en el texto anterior que la presión de operación a ser comparada con la presión nominal o la clase de la tubería es la que se debe a las condiciones normales de operación de la línea de conducción de agua que estamos diseñando por presión interna.
Recuerda: el diseño de tuberías por presión interna se orienta a que seleccionemos u optimicemos (el tema de los costos que ya referimos) la ubicación de cada clase de tubería a lo largo de la línea de conducción.
Así, se considera como condiciones normales de operación aquéllas que predominarán la mayor parte de la vida operativa de la conducción. Diríamos que son aquéllas condiciones bajo las cuales realizamos el diseño del sistema utilizando conceptos hidráulicos y ecuaciones asociadas al régimen permanente de flujo.
La idea entonces es seguir una secuencia similar a la que definimos a continuación:
1. Realizar el diseño hidráulico de la aducción.
El diseño hidráulico tiene como objetivo principal el determinar el diámetro de la tubería que permite cumplir con el objetivo de la aducción. Como objetivo secundario, el obtener las presiones de operación correspondientes.
Podríamos mencionar las actividades principales para realizarlo:
2. Realizar el diseño por Presión Interna del Sistema.
Aquí el objetivo es definir, ya en función a las presiones calculadas en la etapa previa, cuáles son las clases de tubería a colocar.
Así, el procedimiento pasa por las siguientes etapas:
En este caso, tal como hemos referido al inicio, debes recurrir a catálogos de fabricantes de tuberías en tu país a fin de que puedas obtener tablas similares a la mostrada al inicio de este artículo y desde las cuales puedas, en función a la presión en cada punto, escoger la clase correspondiente.
En el ejemplo utilizado en el referido curso, se presenta el diseño por presión interna de una aducción abastecida por gravedad (cuyo perfil longitudinal ves en línea azul clara en la figura).
En ese diseño se establecen 4 clases de tuberías en función a presiones nominales de 70, 105, 140 y 175 mca (tabla en la parte superior).
Y, de acuerdo a las presiones estáticas calculadas, se define la ubicación de las clases de tubería en el referido perfil (flechas en colores sobre el gráfico y última columna de la tabla a la izquierda).
Observa que en este ejemplo, la presión máxima es del orden de los 152 metros de columna de agua (mca) la cual se registra en el punto de menor cota del perfil longitudinal (progresiva 3+000 aproximadamente).
Si nos fuéramos por la vía “más segura”, podrías pensar que con seleccionar la tubería clase 4 (que resiste hasta 175 mca) para todos los 4027 metros de la aducción sería una solución.
¿Pero te parece la solución más económica?
¿Piensas que se justifica colocar esta clase de tubería en puntos de la aducción en donde la presión de operación máxima es de tan sólo 12 mca?
Ciertamente la respuesta a ambas preguntas es NO.
Es por ello que verás que el diseño de tuberías por presión interna resultante en el ejemplo, concluye con la colocación de los 4 tipos disponibles a lo largo de la aducción:
Claro, todo el proceso se ha realizado utilizando hojas de cálculo que permitan precisamente obtener las presiones máximas en la mayor cantidad de puntos posibles del perfil longitudinal de la aducción, con miras a definir adecuadamente la ubicación de cada clase de tubería.
Y después del diseño por presión interna de la aducción ¿Qué falta por hacer?
Si bien te hemos hablado de las condiciones de operación normal como punto de referencia para el diseño por presión interna de aducciones, hay un último paso a realizar.
Este paso involucra realizar la revisión de la aducción para condiciones de operación de emergencia o atípicas.
Un ejemplo de este tipo de operación atípica, es la ocurrencia del fenómeno del golpe de ariete en la aducción.
El golpe de ariete en términos básicos puede generarse por operación inadecuada de válvulas que pudieran existir en la línea de aducción o, más frecuentemente, en aducciones abastecidas por bombeo en las cuales, ante la falla de energía eléctrica, los equipos se detienen de forma inesperada.
Al sucederse el golpe de ariete (un fenómeno que se estudia utilizando conceptos de la hidráulica aplicables al régimen no permanente) pueden generarse presiones mucho mayores a las que hemos estimado para condiciones de operación normal en la aducción lo cual, como imaginarás, excedería eventualmente la presión nominal de las tuberías que hemos colocado como parte de nuestro diseño por presión interna.
Esto podría hacer colapsar físicamente al sistema, con las consecuencias correspondientes.
Así, una última tarea a necesaria en nuestro diseño por presión interna de la aducción es la de realizar el cálculo de las presiones máximas que se generarán en la aducción ante la aparición del golpe de ariete.
Esta tarea, al menos en forma preliminar, puede ser realizada de forma manual, tal como explicamos en el curso de diseño de redes de abastecimiento de agua, y está orientada a que determinemos, nuevamente para cada punto característico del perfil longitudinal de la aducción, cuál es la presión máxima bajo esta condición.
Así, al compararla con la presión nominal, se determinaría si hay que implementar alguna modificación al diseño, como podría ser:
En realidad esto ya es un tema bastante complejo del cual te sugerimos investigues un poco a fin de conocer los métodos manuales existentes para el cálculo.
¿Y ahora?
Pues hemos realizado un esquema de los aspectos involucrados en el diseño por presión interna de tuberías para el abastecimiento de agua.
La ventaja de todo esto es que la mayor parte del trabajo involucra cálculos que pueden ser realizados fácilmente con el apoyo de hojas de cálculo y ecuaciones relativamente simples de la hidráulica de tuberías.
Nuestra recomendación, si deseas ahondar en este tema, es que te matricules en el curso de Diseño de redes de abastecimiento de agua potable, en el cual, en su módulo 5 cubrimos en detalle, con cinco vídeos, este tema del diseño por presión interna de aducciones:
Verás que no sólo estudiamos el caso de aducciones por gravedad sino que también analizamos los cambios que encontrarás si el diseño es para una aducción abastecida por bombeo.
En todo caso quedamos atentos a tus comentarios.
- Manual Internacional de Tubería. ACIPCO. 2da. Edición. 1.999.
- Curso de Diseño de Diseño de Redes de Abastecimiento de Agua del Aula Virtual de Tutoriales al Día publicado en Cursos Ingeniería Civil, Octubre 2020.
interesante y bueno