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Instalación experimental para estudio
del golpe de ariete en tubería de
polietileno de alta densidad (PEAD)
Eduardo Rodal Canales*
Alejandro Sánchez Huerta*
Germán Carmona Paredes*
Jonathan Iván Guadarrama Orozco**
Proyecto 9125
Patrocinador
Policonductos SA de CV
La tubería de polietileno de alta densidad ofrece
diversas ventajas sobre otras tuberías para la
conducción de fluidos.
Una de las más importantes tiene que ver con su
gran capacidad de deformación, lo que le implica
tener una baja celeridad (velocidad de propagación
de perturbaciones de presión en una conducción) y
dado que el fenómeno de golpe de ariete, depende
directamente del valor de la celeridad, este material
experimentará menores sobrepresiones y/o
depresiones debidas a maniobras bruscas.
Polietileno de Alta Densidad
Gas Natural
Etano (C2H6)
Etileno (C2H4)
C C
Polietileno (-CH2-C-H2) n
Extrusión y corte
“Pellets”
La Tubería de Polietileno (PEAD) se produce
por extrusión a partir de la fusión de una
resina plástica
Resina
o
“Pellets”
Fusión
210°C
Extrusión
Enfriamiento
Corte a
medida
La tubería se clasifica con base en el diámetro
exterior De y el parámetro denominado como
relación dimensional RD.
El RD se define como el cociente del De y el
espesor e de la pared del tubo.
De esta manera al variar el RD existira un cambio
en el espesor y por tanto una distinta resistencia a
la presión de trabajo.
Diseño para flujo establecido
EDH = 56 kg/cm2 (800 psi) esfuerzo de diseño
para la resina PE 3608
(ASTM D 33350)
Ejemplo: Si RD = 17
Pd = 7 kg/cm2 (100 psi)
Tabla de Presiones nominales para tubos
fabricados comercialmente para la resina PE 3608
en función de RD
RD
7
9
11
13.5
15.5
17
19
21
26
32.5
41
P nom
P nom
P nom/γ
[psi]
[kg/cm ]
[mca]
267
200
160
128
110
100
89
80
64
51
40
18.8
14.1
11.3
9.0
7.8
7.0
6.3
5.6
4.5
3.6
2.8
188
141
113
90
78
70
63
56
45
36
28
2
Diseño recomendado según norma para Flujo
Transitorio
Para eventos recurrentes
Pd1 = 1.5 Pnom
Para eventos ocasionales o
accidentales
Pd2 = 2.0 Pnom
Epe, para eventos de corta duración
105,000 T/m2
Epe (LD), para eventos de larga
duración
22,100 T/m2
Esto se debe a que el polietileno es un material
viscoelástico y su resistencia a la deformación es
inversamente proporcional al tiempo en que se aplica
el esfuerzo que la provoque.
Entonces se buscó determinar experimentalmente
que tan conservador es el Diseño recomendado
según la norma para Flujo Transitorio.
Con base en este objetivo se diseñó una
instalación experimental para someter a flujo
transitorio de manera controlada un tramo de
tubería fabricado por la propia empresa.
La instalación propuesta consiste en formar un
circuito de recirculación en el cual podamos medir
el caudal y al que se pueda provocar un cierre
brusco provocando el efecto conocido como golpe
de ariete.
Descripción de la Instalación
experimental
L = 110 m
D nominal = 4”
D ext = 114 mm
2 Tanques hidroneumáticos (de 1000 lts) en los extremos
2 válvulas de mariposa de cierre manual
1 Cárcamo de bombeo
2 bombas centrífugas de 15 HP (11 kw), con arreglos en
serie o en paralelo
Mediciones realizadas
Caudal Q
Placa orificio y manómetro de mercurio
Presiones
iniciales
Manómetros tipo Bourdon
Presiones
transitorias
Transductores de presión:
0 – 200 psi (0 – 140 m)
0 – 1000 psi (0 – 700 m)
Frecuencias de muestreo:
200 Hz
1000 Hz
2000 Hz
Posibilidades de la instalación
Presión inicial (bombas en
serie):
8 kg / cm2 (80 m)
Caudal máximo (bombas en
paralelo):
20 lt / s
Velocidades para 20 lt/s:
2.50 m/s
2.15 m/s
RD 17
RD 41
Los transitorios se producen mediante el cierre
manual de una de las válvulas que se encuentran al
inicio o al final de la conducción
Primeras mediciones RD 17
Verificación del coeficiente de fricción para
flujo establecido (valor típico n = 0.009)
Serie
v
m/s
n
ManningGauckler-Strickler
f
DarcyWeisbach
1
1.4 – 2.1
0.0079
0.0167
2
1.1 – 1.9
0.0083
0.0182
3
1.1 – 1.9
0.0083
0.0181
Registro típico para Cierre Aguas Abajo
Primeras Mediciones
Celeridad de las ondas
presión
de
Celeridad de la onda de presión no
confinada en el agua, 1425 m/s
C, para ν = 0.45
0.8 (valor ajustado para tubería
sujeta al piso)
c = 4 L/Tm
Tm = Período de seis ciclos de
oscilación consecutiva medida
Cierres de válvulas se efectuaron manualmente (ejem
para RD 17, el tiempo de arribo es = 2 L/c = 0.47seg)
Celeridad medida en función de
RD
RD
c
[m/s]
7
9
11
492 423 377
17
21
26
32.5
41
296
264
236
210
186
Nota: Para realizar estas pruebas se cuidó, que en
ningún momento, se alcanzara la presión de vapor en
la tubería.
Celeridad en función de RD
Presiones máximas alcanzadas
(cierre rápido tc < 2L/c)
Cierre aguas abajo
P máx = P0 + Δh Joukowsky
Cierre aguas arriba,
con separación de
columna
P máx = resultante de la
reunión de columnas de
agua
Registro adimensional para el Cierre Aguas
Abajo
Registro adimensional para el Cierre
Aguas Arriba
Resultados para RD 17
Objetivo: Alcanzar sobrepresiones
relativas a más altas que en ensayos
anteriores
Serie 1:
Tubería con RD constante en todo el modelo.
Serie 2:
Tubería con RD 7 (c = 492 m/s) en la parte
central del modelo (86 m) y RD de prueba (17
a 41) en tramos de 12 m en los extremos.
Serie 3:
Tubería de acero (D/e = 67, c = 1120 m/s) en
la parte central del modelo (86 m) y RD de
prueba (32.5 a 60) en tramos de polietileno de
12 m en los extremos.
Resultados para RD 32.5
Presiones máximas alcanzadas para RD 41 y RD 60*
Serie
RD
[mca]
Q
[lt/s]
V
[m/s]
hmáx
[mca]
Veces
Pnom
2
41
28
8.3
0.89
91.4
3.26
2
41
28
14.3
1.54
138.8
4.96
3
60
19
7.6
0.79
45.8
2.41
3
60
19
11.2
1.17
56.8
2.99
3
60
19
15.2
1.59
71.5
3.76
3
60
19
18.1
1.89
74.9
3.94
3
41
28
14.5
1.56
108.8
3.89
3
41
28
16.0
1.72
114.5
4.09
3
41
28
17.7
1.91
127.6
4.56
3
41
28
18.9
2.04
132.3
4.72
3
41
28
20.0
2.15
138.8
4.96
3
41
28
20.7
2.23
140.9
5.03
*El RD 60 se fabricó especialmente para las pruebas
Presiones mínimas
alcanzadas
Presión de vaporización en
el lugar de los
experimentos (San Luis
Potosí, 1900 msnm)
Presión de colapso
- 7.8 m
RD cr = 33 (San Luis Potosí)
RD cr = 31 (Nivel del mar)
Se logró la presión de vaporización sin cambios
dimensionales notables para RD 17, 26 y 32.5
Para RD 41 se consiguió un ovalamiento extremo de
la tubería, que se fue atenuando. Al final del
transitorio, la tubería recuperó su sección original.
Tubería Colapsada
Tubería Recuperada
Conclusiones
1. Se probaron en modelo físico, tuberías
de polietileno de alta densidad, de 114 mm
de diámetro exterior, en varios espesores,
encontrando que las celeridades de las
ondas de presión se ajustan a las
expresiones clásicas del golpe de ariete.
Conclusiones
2. Se alcanzaron presiones máximas de 2, 3,
4 y 5 veces las presiones de diseño para
tuberías con relaciones dimensionales RD
(diámetro exterior /espesor) comerciales e
hipotéticas, para cierres aguas abajo, sin
daño alguno para las tuberías.
Conclusiones
3. Se lograron presiones instantáneas de
reunión de columna de 2 a 5 veces la
presión nominal, sin daño alguno para las
tuberías.
Conclusiones
4. Las presiones máximas alcanzadas son
muy superiores a las permitidas para
eventos ocasionales o accidentales, iguales
a dos veces la presión de diseño.
Conclusiones
5. Se alcanzaron presiones de vaporización
y su consecuente separación de columna,
sin daños a la tubería, y con recuperación
de la sección original al final del transitorio,
en los casos en que las presiones de
vaporización provocaron el colapso u
ovalamiento extremo de la tubería.
Conclusiones
6. Se demostró que el polietileno es un
material confiable para la conducción de
agua potable, que resiste sin problemas las
presiones máximas y mínimas más severas
que puede producir el fenómeno del golpe
de ariete, y que estos efectos transitorios
en la tubería de polietileno son, por la
flexibilidad de ésta y por su baja
deformación ante esfuerzos transitorios,
menores y de más fácil manejo que en el
acero y otros materiales tradicionales.