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Diseño e instalación de tuberías de acero Antonio Sandoval Zábal
Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos
Director Técnico de Abastecimientos y Regadíos. Sociedad Estatal de Aguas de la Cuenca del Guadalquivir S.A. (ACUAVIR)
Introducción El acero se encuentra presente en la mayor parte de las cosas que usamos todos los días, al menos ha sido utilizado en su fabricación y transporte, se puede afirmar rotundamente que, aunque conocido desde la antigüedad el proceso de calentar hierro con carbón vegetal para que absorbiese suficiente carbono y se transformase en acero, la capacidad de producción industrial del acero a mediados del siglo XIX ha cambiado el mundo de manera similar a las transformaciones que en la edad de hierro o del bronce revolucionaron la historia del hombre.
Así el acero se utiliza en barras corrugadas, perfilería metálica, toda clase de maquinaria, instrumentos quirúrgicos, puentes, electrodomésticos, etc… toda una variedad de aplicaciones en función del tipo de acero (al carbono, inoxidables, aleados, etc...) que surgen al modificar ligeramente el procedimiento de fabricación (aditivos, enfriado, etc...) o el tratamiento posterior y mecanizado.
Esta exposición se centra en los tubos de aceros al carbono, de más extendido uso la construcción de tuberías en obra civil, aunque últimamente con la construcción de desaladoras están empezando a ser de uso frecuente los aceros inoxidables y especiales (duplex, superduplex, etc...) .
El fluido que transportan también condiciona toda la definición del tubo, siendo usado en la industria petroquímica (uno de sus campos principales), fontanería e instalaciones (agua caliente, gas, etc…) y agua (para abastecimientos y regadíos fundamentalmente), desarrollando aquí únicamente los aspectos concernientes al transporte de agua.
Materiales para tuberías Con carácter general puede afirmarse que cada tipología de conducción tiene su campo de aplicación específico y que viene dado por sus condiciones técnicas específicas (diámetros, presiones, etc...), condicionantes externos (geotecnia, entornos urbanos, accesibilidad, etc...) y económicos (referidos no solo a su implantación sino a su mantenimiento y fiabilidad).
Aunque la elección de uno u otro material no siempre será una opción clara e inequívoca en base a estos condicionantes, sí al menos permite acotar la gama de materiales que son de aplicación en las diferentes situaciones, pudiéndose adoptar la decisión final en base a matrices multicriterio, apoyándose en la experiencia personal o usos de la zona, o simplemente identificando el condicionante más restrictivo.
Se adjunta una tabla en la que se reflejan algunos aspectos prácticos en la selección del material, en ella se comprueba como las tuberías de acero son apropiadas para altas prestaciones que compensen el elevado precio que comparativamente suponen.
Aunque pueden fabricarse en cualquier diámetro y presión, su campo más competitivo se puede señalar en diámetros medios y grandes, con presiones elevadas, en las que la utilización de un material de gran resistencia permite optimizar los espesores y asegurar la estanquidad, reservándose los pequeños diámetros para aplicaciones industriales e instalaciones que requieren grandes prestaciones.
La desventaja principal del acero (al margen de su precio y relativamente costosa puesta en obra) es la durabilidad, lo que implica la incorporación de una serie de revestimientos exteriores e interiores, complementados en ocasiones con otro tipo de protecciones activas.
Material Precio Colocación Estanquidad Resist. Corrosión Resist. Mecánica
Fundición Dúctil Medio-Alto
Velocidad colocación muy alta, aunque el peso es elevado
Muy buena, fallando muy raras veces la prueba de estanqueidad o presión
Regular, la protección interior se erosiona con el tiempo. Son frecuentes arañazos en la pintura exterior. .
Muy alta, idóneo para su empleo en ciudad y conducciones a presión.
Hormigón Armado Medio-Bajo
Media, por la ejecución de juntas y su gran peso, lo que implica un encarecimiento de la tubería montada
Regular, siendo frecuentes fallos en las pruebas que han de repasarse
Regular. Se puede mejorar esta característica con cementos sulforresistentes y con ventilación de la red, pero no se consideran adecuadas para aguas muy agresivas
Depende de la clase de tubo que se calcula específicamente para cada solicitación, En general resisten muy bien aunque si no se compacta bien el terreno que rodea el tubo, la conducción se fisura por la clave
PRFV Medio
Rápida y sin medios muy especial al ser de bajo peso
Muy buena
Magnífica. Se utiliza en instalaciones industriales y puede llegar a conducir sin problemas ácido sulfúrico
Regular y requiere la colaboración del terreno. Se pueden ajustar las especificaciones a las solicitaciones
PVC Económico
Rápida y sin medios muy especial al ser de bajo peso
Buena
Adecuada para casi todos los casos, aunque se vuelve frágil se rompe con el paso del tiempo.
Baja, aunque hay soluciones mixtas de PVC con hormigón (mas caras y difíciles de montar)
Polietileno Medio
Rápido y de poco peso aunque la unión termosoldada de juntas requiere un aparato especial
Inmejorable ya que la junta consiste en una soldadura y el resultado final es de un tubo completo
Adecuada para casi todos los casos excepto para aguas jabonosas
Media, para espesores de zanja elevados es necesario aumentar la resistencia y no el espesor ya que se producen fenómenos de fragilidad
Acero Elevado
La unión de juntas se realiza por soldadura lo que ralentiza la puesta en obra de la conducción
Inmejorable ya que la junta consiste en una soldadura y el resultado final es de un tubo completo
El acero por si mismo es bastante malo pero se emplean recubrimientos exteriores e interiores para garantizarla
Alta, pudiéndose emplear como tubería autoportante.
Material Condicionantes Externos
Coef. Rugosidad
Giros Planta y Alzado Comentarios
Fundición Dúctil
Precaución en terrenos muy arcillosos y yesíferos de mala calidad en que se utilizará manga de polietileno como protección
Medio si lleva recubrimiento de cemento, aunque lo pierde con el paso del tiempo
Bastante alta, aunque en función del diámetro.
Es una tubería fiable y de calidad que se desaprovecha en cierta medida en conducciones sin presión. Al existir pocos fabricantes pueden presentarse problemas en los plazos de entrega, sobre todo en diámetros superiores a 600 mm.
Hormigón Armado
Precisa de la colaboración del arriñonamiento y un apoyo firme. En diámetros muy grandes, es conveniente disponer una solera de hormigón
Alto
Dificultoso, además es bastante rígida una vez instalada
Económicamente es insustituible para diámetros grandes, pese al resto de inconvenientes. El plazo de entrega, para garantizar la resistencia del hormigón tras su fabricación, es de al menos tres semanas, lo que puede ser un inconveniente en obras de emergencia. El nivel freático alto puede hacer que entre agua en la red a través de las juntas que se pueden ejecutar mediante soldadura o enchufe de campana.
PRFV
En general exige terrenos competentes y rellenos muy cuidados (salvo instalaciones especiales o sin enterrar)
Bajo
Bastante alta, aunque en función del diámetro.
Con nivel freático es muy difícil conseguir la pendiente exacta, ya que la conducción tiene un peso mínimo y aparecen fenómenos de flotabilidad. Se fabrica en España, habiendo un número suficiente de fabricantes de calidad, pudiéndose especificar diámetro y rigidez. El plazo de entrega es corto ya que el proceso de fabricación es rápido.
PVC
Si no se prevén cargas altas se pueden disponer en cualquier situación. Al añadir hormigón aumenta el peso y disminuye su posibilidad de utilización óptima en terrenos blandos.
Bajo
Muy alta, existe un amplio catálogo de piezas especiales para todo tipo de situaciones
Usado en ciudad para pequeños diámetros. Con recubrimiento de hormigón se intenta crear un material mixto que resista mecánicamente y a la vez consiga una resistencia al efluente y un buen coeficiente de rugosidad.
Polietileno
Si no se prevén cargas altas se pueden disponer en cualquier situación, sin embargo su comportamiento con carga no es tan bueno..
Bajo
Muy alta, ya que se trata de una conducción totalmente flexible que incluso, para diámetros pequeños se sirve en rollos.
Usado en ciudad para pequeños diámetros. Últimamente han aparecido diámetros mayores en alta densidad que amplían el campo de aplicación. Puede montarse completo junto a la zanja y colocarse posteriormente. La unión por soldadura presenta inconvenientes de mantenimiento ya que no siempre el organismo encargado de éste dispone de la maquinaria adecuada. La flotabilidad de la conducción proporciona ventajas (colocación en acequias y emisarios), e inconvenientes (flotabilidad en zanjas). El elevado coeficiente de dilatación térmica hace necesaria su consideración en el montaje ya que puede provocar desplazamientos muy importantes.
Acero
Es necesario prever un correcto recubrimiento exterior que garantice la resistencia mecánica y química
El recubrimiento interior proporciona un buen coeficiente de rugosidad
La adaptación se consigue mediante piezas especiales soldadas que dan a la conducción la forma definitiva.
Es un material de altas prestaciones y elevado precio que lo hace muy indicado en impulsiones, o zonas con problemas específicos.Existen tres tipologías: - Acero helicosoldado, diámetros medios y grandes, también en tubería autoportante. - Acero con soldadura longitudinal, generalmente en pequeños diámetros . - Acero sin soldadura (elevado precio, en perfiles estructurales y por motivos estéticos). El elevado coeficiente de dilatación obliga a adoptar precauciones, máxime cuando se trata de un material que suele emplearse en la intemperie
Diseño Para el diseño de una tubería, independientemente del material que la constituya, han de abordarse dos cálculos: el hidráulico y el mecánico.
Cálculo hidráulico
Aunque como se ha descrito los tubos de acero pueden transportar cualquier fluido o gas, este caso se dedica únicamente al cálculo hidráulico, como la casuística es común a cualquier tipo de tubería (con la salvedad de los coeficientes propios del material), únicamente se recuerdan las fórmulas y procedimientos más utilizados para la determinación de las pérdidas de carga que inciden en el dimensionamiento del diámetro de la conducción:
- Fórmula de Darcy-Weisbach, la más ampliamente utilizada hoy en día, que considera la pérdida de carga lineal según la fórmula:
hf = (8 · f · L · Q2) / (p2 · g · D5)
siendo
hf : pérdida de carga por fricción
L : longitud del tramo
f: factor de fricción por unidad de longitud de la tubería (adimensional)
Q: caudal
D: diámetro
El factor de fricción f se determina a partir del número de Reynolds (Re= V·D/v) y la rugosidad relativa (e = k/D) que si se integran en la formulación darían lugar a la fórmula de White Colebrook:
(1/ f1/2) = -2 · log [ (e/3,71) + (2,51/ Re·f1/2) ]
Esta fórmula, cuya dificultad estriba en que f aparece implícitamente, fue representada en el ábaco de Moody y hoy en día no representa dificultad alguna con los potentes medios de cálculo disponibles.
Para el caso de agua, la viscosidad cinemática (v) es 1,007 · 10-6 m2s-1 y para los tubos de acero la rugosidad (k) iría desde 0,05 sin revestir a 0,07 en el caso de pinturas epoxi.
- Fórmula de Manning-Srickler, de carácter empírico y aplicable para una sección cualquiera:
hf = 2,87· n2 · (L·V2) / D1,33
siendo n = 0,011 el valor recomendado en el caso de tubos de acero.
- Fórmula de Hazen-Williams, muy popular en el cálculo de tuberías hidráulicas y recomendada por el manual de la AWWA
hf = (4,72 · Q1,852 · L) / (C1,852 · D4,87) siendo C el coeficiente de rugosidad de Hazen-Williams dependiente de la rugosidad y el diámetro y que adopta un valor entre 90 y 150 en tubos de acero.
Cálculo del golpe de ariete
Aunque dentro del cálculo hidráulico de la conducción, la determinación de los esfuerzos que induce el golpe de ariete en las conducciones influirán en el cálculo mecánico del tubo (además de los elementos de protección que puedan requerirse).
Para el cálculo es usual la utilización de la formulación de Allievi-Michaud, y hoy en día no representa dificultad alguna con la utilización de paquetes informáticos que simulan la onda de presiones y depresiones.
Siempre es posible sobredimensionar la conducción para soportar las presiones, si bien las depresiones que causan el vacío dentro de la tubería han de ser previstas con los sistemas más apropiados (ventosas, chimeneas de equilibrio, calderines, etc...)
Cálculo mecánico
El cálculo mecánico de la conducción de acero busca obtener el espesor necesario para soportar las cargas, internas y externas, pudiendo añadirse en este caso “con una deformación asumible” (puesto que se trata de un material elástico) ya que sería posible obtener paredes de la conducción muy delgadas mediante la utilización de un acero muy resistente pero muy flexible, que se deformaría con el uso (como la pared de un globo) lo que podría ser incompatible con otras limitaciones y perjudicar la durabilidad (mayor peligro de corrosión en paredes más finas).
En general hay una gran diferencia entre conducciones enterradas y exteriores, siendo en el caso de las tuberías de acero instaladas en zanja la profundidad de la misma y las cargas exteriores (tráfico) el condicionante más estricto para la determinación del espesor del tubo.
Esto es comprensible ya que los tubos circulares resisten de manera natural las presiones hidrostáticas internas repartidas homogéneamente al trabajar todas sus fibras a tracción. Son las condiciones de contorno que impone la zanja (anchura/altura, condiciones de apoyo, altura de tierras, etc...) las que provocan compresiones en el tubo y determinan la deformabilidad del mismo (relacionada íntimamente con la rigidez que le aporta su espesor) y la posible colaboración del terreno.
Con esta combinación de factores se pueden calcular (mediante tablas, formulación matemática o programas informáticos) los esfuerzos que el tubo ha de resistir y que considerando únicamente la presión interior (por equilibrio de esfuerzos) será e = (p·d ) / (2·s).
En el caso de conducciones exteriores no ha de considerarse la acción de las cargas exteriores pero si la concentración de esfuerzos que se localizan en los apoyos (y que puede requerir el uso de anillos rigidizadores), así como los momentos flectores y esfuerzos cortantes que se generan en la conducción al funcionar como una viga entre apoyos, tendiendo normalmente a localizar éstos tan cerca como sea posible del punto de momento flector nulo.
Normativa En primer lugar ha de destacarse la enorme variedad de normativa aplicable a los productos de acero, fruto de la amplísima gama de aplicaciones para las que puede ser utilizado, y de la internacionalización de su fabricación y distribución, lo que hace que con frecuencia se superpongan denominaciones de normas americanas (ASTM American Society for Testing and Materials y AWWA American Water Works Asociation), alemanas (DIN Deutsches Institut für Normung), españolas (UNE Una Norma Española) y europeas (EN), que en ocasiones están estandarizadas internacionalmente en las normas ISO International Organization for Standardization).
Dentro de las aplicables al campo de tuberías de transporte de agua podríamos clasificarlas en:
- Normativa referente al material de fabricación (acero al carbono, acero inoxidable, aceros especiales, etc....)
- Normativa referente a la propia fabricación de los tubos (procesos, soldaduras, dimensiones, revestimientos, etc...)
- Normativa referente a otros elementos (accesorios, juntas, etc...)
- Normativa referente a la conducción ya completada (pruebas de presión, etc...)
Material
Es en este apartado en el que suelen plantearse con mayor frecuencia las confusiones en la denominación o la elección del material, en el caso del acero la norma española que diferencia los distintos tipos (al carbono, inoxidables, aleados, etc...) es la UNE-EN10020:2001 (antigua norma UNE 36010).
La normativa de referencia en España para el acero estructural y en perfiles, que sería el utilizado en la fabricación de tubos es la UNE-EN-10025-94 sobre “Productos laminados en caliente, de acero no aleado, para construcciones metálicas de uso general, condiciones técnicas de suministro”, denominados según la norma UNE-EN 10027-1:1993 “Sistemas de designación de aceros”.
Esta norma utiliza una notación alfanumérica que comienza con la letra S segunda de tres dígitos que indican el valor mínimo del límite elástico expresado en N/mm² a los que se añaden otras letras y números que corresponden al grado y otras aptitudes.
A su vez la determinación de las propiedades especificadas para cada tipo de acero han de realizarse ensayos que están igualmente normalizados en la citada norma UNE-EN-10025-95 (composición química, límite elástico, resistencia a tracción, doblado, resiliencia), cuyo detalle estaría encuadrado en la sistemática de un laboratorio.
En ocasiones se pueden encontrar denominaciones procedentes de la industria petroquímica, en las que la normativa de referencia es la API (American Petroleum Institute).
En España por otra parte los tipos de acero tradicionalmente se habían denominado según la denominación UNE 36080-73, y que quedaron reflejadas en otras normativas ampliamente utilizadas como el PG-3 (pliego de obras de carreteras) y la NBE-EA-95 (norma básica de la edificación), actualizadas en sus revisiones posteriores aunque hoy en día siguen apareciendo en muchas ocasiones.
En la normativa EHE de hormigón estructural se aplica la norma UNE EN 10080 que establece aceros B 400 S y B 500 S (anteriormente la norma UNE 36068:94 para aceros AEH400, AEH 500, etc..) aunque este tipo de aceros no son de aplicación excepto en armaduras de arquetas y otros elementos de la conducción.
Aunque no forman parte de los tubos de acero al carbono, los aceros inoxidables se denominan frecuentemente según la norma AISI (American Iron and Steel Institute) (AISI 304, AISI 316, AISI 316L, etc...), estando regulados en la norma ASTM A-240 o en la DIN-11850.
Fabricación
Una vez definido el material de trabajo: acero al carbono, con composición, propiedades mecánicas establecidas, se transformará en perfiles, vías de ferrocarril, o tubos, a cada uno de ellos les será aplicable una normativa concreta (p.ej. la norma UNE 36522:2001 sobre “Productos de acero. Perfil U normal (UPN). Medidas”).
En el caso de los tubos para el transporte de agua es necesario contemplar una serie de normas que afectan a los diferentes elementos que lo constituyen (fabricación, dimensiones, soldaduras, revestimientos, etc...).
Tubos
En el apartado de fabricación, la normativa de referencia es la UNE-EN 10217 “Tubos de acero soldados para usos a presión. Condiciones técnicas de suministro” que a su vez se divide en 6 partes:
- UNE-EN 10217-1:2003/A1:2005 Parte 1: Tubos de acero no aleado con características especificadas a temperatura ambiente
- UNE-EN 10217-2:2003/A1:2005 Parte 2: Tubos soldados eléctricamente de acero aleado y no aleado con características especificadas a temperatura elevada
- UNE-EN 10217-3:2003/A1:2005 Parte 3: Tubos de acero aleado de grano fino
- UNE-EN 10217-4:2003/A1:2005 Parte 4: Tubos soldados eléctricamente de acero no aleado con características especificadas a baja temperatura
- UNE-EN 10217-5:2003/A1:2005 Parte 5: Tubos soldados por arco sumergido de acero aleado y no aleado con características especificadas a temperatura elevada
- UNE-EN 10217-6:2003/A1:2005 Parte 6: Tubos soldados por arco sumergido de acero no aleado con características especificadas a baja temperatura
Por otra parte para tubos que en el campo del agua se utilizan principalmente en instalaciones (pequeño diámetro (<150 mm.) normalmente), son de aplicación la norma UNE-EN 10255:2008 “Tubos de acero no aleado aptos para soldeo y roscado”, la norma UNE-EN 10305:2003 “Tubos de acero para aplicaciones de precisión” y la norma UNE-EN 10216 2008 “Tubos de acero sin soldadura para usos a presión”.
Son también utilizadas las normas americanas ASTM A53/A53M-99 “Standard Specification for Pipe, Steel, Black and Hot-Dipped, Zinc-Coated, Welded and Seamless” y la AWWA C200 para tubos de conducción de agua en general y el Manual M11 “Steel Pipe. A Guide for Design e Installation” de la AWWA, así como las normas DIN 1628, DIN 2440 y DIN 2448 para tubos sin soldadura y DIN1626, DIN 2394 o DIN 2458 para tubos de acero soldado.
Soldadura
Por otra parte han de considerarse las soldaduras que se utilizan para la fabricación del tubo (y las que posteriormente se ejecutarán en algunos tipos de junta para formar la conducción). Como quiera que las técnicas y materiales de soldadura son muy variadas y la normativa está en continua actualización, se pueden citar las siguientes normas de aplicación en la fabricación de tubos:
- Normas con requisitos de calidad: UNE-EN ISO 3834 2006 Requisitos de calidad para el soldeo por fusión de materiales metálicos (6 partes que se corresponden con al antigua norma UNE EN 729 1995); UNE-EN ISO 14554 2000 Requisitos de calidad para el soldeo. Soldeo por resistencia de materiales metálicos (2 partes).
- Normas con normas con definiciones, recomendaciones, etc...: UNE-CEN/TR 14599:2006 IN Términos y definiciones para soldeo en relación con la Norma EN 1792; UNE-CEN/TR 14633:2004 Soldeo. Posiciones de trabajo. Comparación entre las designaciones habituales internacionales, europeas y americanas; UNE-EN ISO 17659:2005 Soldeo. Relación multilingüe de términos con ilustraciones para uniones soldadas; UNE-EN ISO 9692-1:2004 Soldeo y procesos afines. Recomendaciones para la preparación de la unión (4 Partes); UNE-EN ISO 13916:1996 Soldeo. Guía para la medida de las temperaturas de precalentamiento, entre pasadas y de mantenimiento del precalentamiento.
- Normas con descripción de procedimientos de ensayo: UNE EN 10160 2000 Reconocimiento por ultrasonidos; UNE EN 571-1:1997Reconocimiento por líquidos penetrantes; UNE EN 13018 2001 Recomendaciones para inspección visual; UNE EN 1435 1998 Examen radiográfico de uniones soldadas; UNE EN 12517 1998 Calificación de soldaduras por rayos X (antigua UNE 14011:1957); UNE 14044:1988 1R Uniones soldadas en estructuras metálicas, inspección durante su ejecución y montaje; UNE EN ISO 6520 2000 Calificación de defectos en las soldaduras por fusión de metales; UNE EN 1290 1998 Examen mediante partículas magnéticas de uniones soldadas; UNE 14612:1980 Práctica recomendable para el examen de uniones Soldadas mediante la utilización de líquidos penetrantes; UNE 14613:1979 Examen por ultrasonidos de uniones soldadas.
Revestimientos
En el apartado de revestimientos la dispersión normativa es muy considerable, aplicándose normas alemanas, canadienses, francesas y americanas, siendo escasa aun la normativa española de aplicación.
Con carácter general pueden de diferenciarse dos aspectos:
- Normativa aplicable a cada uno de los materiales que pueden utilizarse como revestimiento, y que obviamente es tremendamente variable en función de éstos:
o Resinas epoxis: alemanas DIN 30670 y 30671; americanas AWWA C210 (Epoxis), AWWA C213 (FBE); canadiense CAN CSA-Z 245; francesas NFA 49709 y NFA 49710; TS EN 10289
o Polietileno: DIN 30670; NFA 49710; TS 5139
o Polipropileno: DIN 30678, NFA 49711
o Poliuretano: AWWA C222-99
o Bituminosas: TS 4356, DIN 30673, BS 534
o Mortero de cemento: AWWA C-205, BS 534
- Normativa sobre los ensayos al revestimiento aplicado, y que de una manera más general puede aplicarse a cualquier tipo de revestimiento, los ensayos más usuales son:
o Limpieza y perfil de anclaje del tubo: CSA Z245.20; ISO-8501-1
o Adherencia: ASTM D4541; CAN Z245.20
o Resistencia a la abrasión: ASTM D4060
o Desunión catódica: ASTM G95
o Resistencia química: ASTM D714
o Flexibilidad: ASTM D522; CSA Z245.20
o Resistencia a impactos: ASTM D2794
o Resistencia spray salino: ASTM B117
o Absorción de agua: ASTM D570
o Línea de recubrimiento: CSA Z245.20; NRF-026-PEMEX
Accesorios
La gran variedad de accesorios y piezas especiales genera una enorme variedad de normativa. Sin embargo, y dado que una gran parte de estas piezas, al menos para diámetros medios y grandes, se fabrica mediante calderería o se instala en otros materiales (como fundición), la mayor parte de las normas aplicables hacen referencia a tolerancias dimensionales y que suelen referirse a estandarizaciones para garantizar que elementos de instalaciones industriales sean compatibles.
Como referencia pueden citarse:
- Juntas y piezas especiales: AWWA 208 y BS 534
- Manguitos de acero DIN 2986.
- Accesorios DIN 2353
- Curvas DIN 2605 y DIN 2606
- Bridas ASME B16.5 y ASME B16.47
- Tornillería: normas DIN e ISO
Conducción
En general sobre la conducción ya montada habrán de realizarse dos tipos de inspección:
- Soldaduras ejecutadas en obra: para lo cual será de aplicación la normativa descrita para las soldaduras
- Pruebas de presión y estanquidad, descritas normativamente en el Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para Tuberías de Abastecimiento de Agua. Ministerio de Obras Públicas y Urbanismo (1974), sido actualizado técnicamente por la “Guía Técnica sobre Tuberías para el Transporte de Agua a Presión” elaborada por el CEDEX, el Mº de Fomento y el Mº Medio Ambiente en mayo 2003
Fabricación Los tubos de acero, precisamente por su amplio campo de aplicación, tienen varios procedimientos de fabricación que normalmente definen su uso más frecuente:
- Soldadura Longitudinal por Arco Sumergido (LSAW)
- Soldadura Helicoidal por Arco Sumergido (HSAW)
- Soldadura por Resistencia Eléctrica (ERW)
- Sin Soldadura
- Calderería
Soldadura Longitudinal por Arco Sumergido (LSAW)
La línea es alimentada con hojas de acero que entran en la cilindradora de tres rodillos, donde son conformadas a la medida requerida. Tanto la soldadura exterior como la interior, se efectúan por un proceso de soldado automático con aporte de material, manteniéndose el arco eléctrico protegido por un fundente. Finalmente, el tubo es expandido mecánicamente en frío, para lograr sus dimensiones definitivas.
1 Alimentación de hojas; 2 Corte de bordes; 3 Preformado de bordes; 4 Clindrado; 5 Soldadura preliminar; 6 Soldadura de solapes; 7 Soldadura interna; 8 Frenteado y biselado; 9 Expansión mecánica en frío; 10 Inspección por ultrasonido; 11 Soldadura Externa; 12 Inspección por rayos X; 13; Prueba hidráulica; 14 Inspección final por
ultrasonido; 15 Inspección final, medición y marcación
Este tubo se emplea tanto para tubos estructurales como para tuberías, generalmente de diámetros pequeños y medios, de espesor importante y no es muy habitual en tuberías en zanja.
Soldadura Helicoidal por Arco Sumergido (HSAW)
La chapa es cilindrada en forma espiralada por medio de rodillos de formación. Esto permite la obtención de distintos diámetros de tubo con un mismo ancho de bobina. Un cabezal de soldadura interna fijo suelda automáticamente la chapa y un cabezal de soldadura externa completa la costura. El proceso de soldadura es similar al SAW Longitudinal.
1 Debobinado; 2 Corte de bordes; 3 Soldadura interna; 4 Soldadura externa; 5 Inspección por ultrasonido; 6 Corte
del tubo; 7 Inspección por rayos x; 8 Frenteado y biselado; 9 Prueba hidráulica; 10 Inspección final, medición y marcación
Este método suele emplearse en diámetros medios o grandes, las presiones de uso están limitadas por la capacidad de la máquina conformadora de la chapa que, dependiendo del diámetro, tienen limitado el espesor máximo.
Soldadura por Resistencia Eléctrica (ERW)
El tubo adquiere forma mediante un tren continuo de rodillos y es soldado por resistencia eléctrica, sin aporte de material. Se aplica, simultáneamente compresión de recalque. A continuación un tratamiento térmico generando perfiles de gran uniformidad que suelen utilizarse para aplicaciones estructurales.
1 Debobinado; 2 Aplanado y corte de la bobina; 3 Corte de bordes; 4 Preformadora; 5 Formadora; 6 Soldadura por resistencia eléctrica; 7 Tratamiento térmico de soldadura; 8 Calibrado; 9 Inspección por ultrasonido; 10 Corte del
tubo; 11 Frenteado y biselado; 12 Prueba hidráulica; 13 Inspección final por ultrasonido; 14 Inspección final, medición y marcación
Sin Soldadura
El tubo sin soldadura se fabrica por extrusión y cuando sea necesario, laminado en frío posterior, para fabricar una determinada dimensión, así se parte de barras sólidas haciéndolas pasar entre un par de rodillos inclinados entre los que está situada una barra metálica con punta, llamada mandril, que perfora las barras y forma el interior del tubo mientras los rodillos forman el exterior.
Se utiliza principalmente en aplicaciones de la industria química y petroquímica, en el sector de mecanización o en perfiles estructurales de grandes exigencias estéticas.
Calderería
En general las piezas especiales (codos, “T”, reducciones, etc...), especialmente cuando la complejidad de la pieza es importante (piezas en S, injertos, elementos con blindajes y refuerzos, etc...), se han de realizar mediante calderería, a partir de planchas o utilizando tramos de tubo del diámetro deseado, aplicando las técnicas de corte y soldadura que resulten más apropiadas.
Cuando los diámetros son grandes y el transporte del tubo completo ya fabricado puede ser dificultoso o antieconómico, se pueden fabricar virolas (a partir de bobinas o planchas que se curvan y sueldan en tramos circulares relativamente cortos), realizando el montaje final del tubo mediante soldadura (a modo de juntas) en talleres de calderería cercanos a la obra.
Montaje
Puesta en obra
En general, y haciendo referencia a conducciones de medio y gran diámetro que centran el campo de aplicación del acero en obra civil, se puede establecer una clasificación entre tuberías enterradas y tuberías al aire, diferenciación que afecta obviamente a las tareas de colocación de la tubería y a los aspectos técnicos de diseño de la misma (cálculo mecánico, revestimientos, etc...)
Como aspectos comunes se han de considerar algunos elementos importantes a la hora de garantizar la correcta ejecución de la conducción:
Transporte
En el transporte ha de prestarse especial atención al transporte de los tubos para que el revestimiento no resulte dañado con arañazos o golpes y se preserve la integridad de los bordes y juntas evitando abolladuras.
En conducciones de cierto diámetro (> 1.000 mm) es importante prever la ovalización que provoca su propio peso disponiendo perfiles interiores en cruz, de esta manera se consigue que las juntas puedan ejecutarse correctamente.
En la descarga han de cuidarse igualmente estos aspectos, utilizando eslingas apropiadas y evitando su colocación sobre piedras o elementos que puedan dañar el tubo y asegurando su estabilidad (colocación sobre cuñas de madera).
Zanja
La ejecución de la zanja es similar al resto de tipologías de conducción y comienza por la preparación de la pista paralela para la excavación así como el acopio de material de excavación y de la tubería.
La anchura deberá ser suficiente para la ejecución de las soldaduras que sean necesarias y es necesario disponer una capa de regularización para evitar daños en el revestimiento y que el asiento sea uniforme, realizando el relleno hasta cubrir la conducción con material seleccionado.
El tendido de la conducción suele realizarse en tramos terminados de varios tubos ejecutados en el exterior, que reducen el número de soldaduras a realizar en la zanja.
Exterior
En los tramos exteriores la conducción suele colocarse sobre macizos de anclaje de manera que el tramo entre ambos es autoportante (pudiendo incluso salvar obstáculos a modo de puente), lo que genera unos esfuerzos en la tubería y el apoyo (abolladura) que se han debido considerar en el cálculo.
En este caso han de tenerse en cuenta las necesidades de dilatación del tubo que, expuesto cambios de temperatura muy importantes (sol, heladas, etc...) tendrá variaciones dimensionales muy importantes.
Por ello es necesario considerar mecanismos compensadores de dilatación, elementos de sujeción apropiados (protegidos con bandas de teflón para permitir movimientos), etc...
Igualmente han de estudiarse los revestimientos teniendo en cuenta la acción de los rayos UV del sol que pueden acelerar su envejecimiento.
La gran flexibilidad en el diseño de la conducción permite geometrías complicadas, pero han de tenerse en cuenta los esfuerzos que el líquido transmite para poder transmitirlos al terreno, teniendo en cuenta que los macizos de anclaje han de armarse para evitar su fisuración por la dilatación axial del tubo.
Pruebas
Una vez instalada la conducción (se ha de puntear antes del relleno si está colocada en zanja para evitar movimientos o flotación y poder localizar posibles fugas) se ha de proceder a las pruebas de estanquidad y presión, para lo que ha de contarse con el suministro de agua (que en ocasiones no es fácil), así como los sistemas de anclaje de los extremos del tramo de prueba.
Uniones y piezas especiales
Las juntas en tubos de acero se realizan generalmente por soldadura, si bien la definición de los extremos de los tubos puede suponer algunas diferencias:
Soldadura a tope
Es el tipo de unión más utilizado en tubos de acero, los extremos de los tubos se rematan con un bisel para una correcta ejecución de la soldadura.
Dependiendo del diámetro y las prestaciones requeridas puede ser exterior o requerirse también la interior (en el caso de tuberías autoportantes, grandes diámetros o presiones elevadas).
Junta Esférica
Los extremos del tubo han sido conformados con dos copas redondeadas que encajan una dentro de la otra, esta forma permite una cierta posibilidad de giro que reduce la necesidad de codos y piezas especiales (hasta 10º), sin perder el contacto.
Una vez establecida la posición la junta ha de soldarse aunque en este caso la soldadura se realiza en ángulo desde el exterior.
Junta “Enchufe-Campana”
En este caso solo uno de los extremos del tubo ha sido conformado con un abocardado que permite insertar el extremo liso del siguiente tubo, realizando posteriormente la soldadura (en solape).
Se suele utilizar en tubos con recubrimiento interno de mortero de cemento.
La conformación de la campana, sobre todo en grandes diámetros, se puede sustituir por un manguito de acero de diámetro ligeramente superior al del tubo soldándose en uno de los extremos de manera que el funcionamiento es similar y en obra no es necesaria la soldadura a tope sino a solape.
Existen otros tipos de juntas no soldadas, aunque en general requieren una preparación de los extremos que suele incluir la unión previa de algún elemento mediante soldadura.
Junta embridada
Se utiliza normalmente en conexiones con válvulas que ya disponen de bridas, aunque también pueden usarse para unir tubos.
Al final del extremo liso del tubo de acero se suelda una brida que posteriormente se une a otra (de un tubo o una válvula) mediante tornillería, requiriendo una pieza (de neopreno, cobre, papel o incluso acero) para garantizar la estanquidad. Existen otros tipos de bridas como la “brida deslizante” es la que tiene la propiedad de deslizarse hacia cualquier extremo del tubo antes de ser soldada, o la denominada “brida loca” en la que la brida puede girar alrededor del cuello (en incluso venir seccionada para una colocación a posteriori), lo que permite instalar los orificios para tornillos en cualquier posición sin necesidad de nivelarlos. En ambos casos requiere la ejecución en el extremo del tubo de un reborde para que no se desconecte la brida.
Otros tipos de juntas como los acoplamientos mecánicos (Victaulic, Viking Johnson, Helden, Klamflex, etc.), roscadas y acoplamientos flexibles (Straub, Tee Kay, Arpol, etc.), etc... son los mas utilizadas en instalaciones con tuberías de pequeño y medio diámetro.
En relación a las piezas especiales, una gran parte de ellas son comunes a cualquier conducción (codos, “T”, carretes de desmontaje, etc...) aunque con la particularidad de su ejecución mediante calderería para la mayor parte de los casos (excepto en pequeños diámetros usados para instalaciones) lo que hace común el uso de accesorios de fundición.
Sin embargo hay algunos elementos específicos de este tipo de conducciones que se utilizan para mejorar las características resistentes de la tubería (anillos rigidizadores), reforzar uniones (alas de monja) o permitir la dilatación que en este tipo de conducciones es considerable (compensadores de dilatación o liras (principalmente en diámetros pequeños).
Soldaduras
La soldadura es en si un campo suficientemente amplio y específico para dedicarle un manual, sin embargo, y puesto que es el medio de unión y fabricación más usual y uno de los puntos clave en el funcionamiento y durabilidad de la conducción, es conveniente realizar un breve recorrido por sus aspectos más importantes.
Métodos
La soldadura más utilizada es la de fusión (otros tipos como la soldadura por resistencia eléctrica, la de plasma y la de láser o ultrasonido son menos frecuentes en este campo), uniendo las dos piezas mediante con un cordón de metal fundido que proviene de un electrodo, protegiéndolo durante la fusión con una envoltura gaseosa evitar que se oxide en contacto con el aire. Esta protección determina distintos tipos de soldadura:
Soldadura Manual
Se realiza con electrodo revestido (Shielded Metal arc Welding SMAW) siendo la fusión del revestimiento la que crea la protección. Se usa normalmente en soldaduras de soldaduras de obra.
Soldadura Semi-Automática
La soldadura se protege bajo una atmósfera de gas inerte generada de manera independiente (Gas Metal arc Welding GMAW).
Soldadura Automática
Denominada también de arco sumergido en la que al atmósfera protectora se consigue con un polvo fundente o flux (Sumerged Arc Welding SAW).
Tipos
Aunque los cordones de soldadura pueden clasificarse por su posición (Cordón Plano, en Ángulo Horizontal; Horizontal, Vertical y de Techo) que en piezas de calderería de gran tamaño pueden presentarse aunque son más habituales en estructuras metálicas, es más habitual en conducciones el clasificar las soldaduras en función de la posición de los bordes que se unen:
Soldadura a tope
Los bordes se enfrentan completamente y se realiza el cordón de unión, este enfrentamiento en ocasiones es complicado (si se presentan ovalizaciones o el corte no es perpendicular) y los bordes han de prepararse en función del espesor de las piezas (en H 5-10 mm; en V 10-15 mm; en X 20-50 mm):
En caso de unir dos piezas de distinta sección dispuestas en prolongación, el espesor de la que posee mayor sección se reduce suavemente hasta hacerlo coincidir con el de la pieza más delgada en la zona de contacto.
La soldadura debe ser continua y con penetración completa a todo lo largo de la unión y aunque el cordón de soldadura a tope no necesita dimensionarse, en uniones requeridas por esfuerzos importantes debe realizarse el cordón de soldadura por ambas caras.
Soldadura en ángulo
Aunque en ocasiones el ángulo puede ser en esquina, en conducciones es habitual hablar de unión en solape, en la que los bordes no se enfrentan sino que se superponen y el cordón de soldadura une el frente de una pieza con la superficie de otra (en esquina son dos borden no enfrentados y en ángulo pueden ser dos superficies).
Se realiza con cordón continuo de espesor de garganta G, siendo G la altura del máximo triángulo inscrito en la sección transversal de la soldadura, debiendo definirse previamente a su ejecución el tipo, la preparación de los bordes y las medidas (longitud y garganta).
Se pueden indicar algunas normas de buena práctica como la ejecución en dos tramos con inicio en el centro si la longitud es de 500-1000 mm o cordones parciales si es superior, sin ejecutar una soldadura a lo largo de otra ya realizada y evitando el cruce de cordones.
Precauciones y buenas prácticas
Aunque la soldadura es un excelente medio de unión (sencillas, rápidas, estancas, con buena apariencia), es necesario adoptar una serie de precauciones en su ejecución, tanto en sus aspectos de calidad como en los de seguridad (protecciones).
Así se han de realizar los correspondientes controles de calidad y ensayos, en función de los cuales se clasificaran las uniones en función de los defectos que presenten, y definiendo desde una soldadura perfecta y homogénea o con algunas inclusiones gaseosas muy pequeñas; soldaduras buenas, regular o malas; hasta una soldadura muy mala en la que se pueda detectar una gran desviación de la homogeneidad en la que se pueden encontrar incluso grietas.
La ejecución de las soldaduras debe llevarse a cabo por personal cualificado, cuya capacidad debe ser acreditada a través de examen y calificación que definirán el tipo de soldaduras que el soldador es capaz de realizar. Estas homologaciones son válidas únicamente por un tiempo determinado, debiendo ser renovadas cuando caduca.
Las precauciones de seguridad que deben adoptarse están relacionadas con el riesgo de quemaduras (usar ropa de protección, guantes de cuero gruesos y chaquetas protectoras ), inflamación de la córnea y lesiones la retina por el brillo del área de la soldadura (lentes protectores y el casco de soldadura ) o gases peligrosos que a veces producen vapores y gases peligroso por inhalación o riesgo de explosión y fuego (ventilación ,limitación de la cantidad de oxígeno en el aire y materiales combustibles alejados).
Ensayos
La gama de ensayos que se pueden realizar para descubrir los defectos en las soldaduras es muy variada y dependerá de los requerimientos de la soldadura (que pueden aconsejar ensayos más exhaustivos), estando su ejecución e interpretación de resultados regulados en la normativa.
En general pueden realizarse ensayos mecánicos sobre probeta o catas en los cordones pero los métodos más habituales son los no destructivos que permiten evaluar la soldadura sin perjudicarla:
Líquidos penetrantes
Es un ensayo muy rápido y de fácil empleo en el que se cubre la soldadura con líquidos detectores, de muy diversa composición, en los que los defectos (grietas, fisuras superficiales o poros) resaltan visualmente.
Partículas magnéticas
También es un ensayo no destructivo que revela las líneas de fuerza de la energía magnética sobre limaduras de hierro, utilizándose normalmente como alternativa a los líquidos penetrantes.
Ultrasonidos
Este ensayo se realiza con un aparato emisor de ultrasonidos (con un emisor y un recetor) que puede ser transportado a obra El receptor registra las ondas que no se han perdido por reflexión o absorción de los defectos o cuerpos extraños que detecta. Es necesaria experiencia y capacitación para interpretar los resultados y apreciar los defectos ya que las posibilidades de detección son
más amplias (faltas de fusión, grietas, inclusiones no metálicas, porosidad, falta de penetración, mordeduras o proyecciones).
Rayos X
Está basado en la propiedad de penetración de los rayos X que permiten la impresión de una placa fotográfica situada al otro lado de la soldadura y manifiesta la mayor o menos absorción de los rayos por el material atravesado. Este control es actualmente el mejor que se dispone para juzgar la calidad de una soldadura detectando con precisión los posibles defectos, aunque su coste es elevado y el revelado de las placas y su interpretación requiere un cierto tiempo.
Se usa en espesores no mayores de 40mm utilizando los rayos gamma, de mayor penetración, para espesores superiores.
Revestimientos y protecciones Aunque el acero es un material muy resistente, que con espesores reducidos permite asegurar la estanquidad incluso con presiones elevadas, su durabilidad es bastante mala, siendo la corrosión es la principal causa de fallo de este tipo de tuberías.
La corrosión natural motivada por la oxidación que provoca la humedad o el agua puede verse favorecida por diversas circunstancias, como golpes en las conducciones, deterioros en los revestimientos, presencia de corrientes erráticas (naturales o artificiales) provenientes de puestas a tierra de equipos o líneas electrificadas, diferencias de pH en el entorno de las tuberías, etc...
Para combatir este efecto se puede (y de hecho se hace) proporcionar un sobreespesor a la conducción (se puede estimar que el espesor podría reducirse 1 mm en diez años), aunque esto supone un sobrecoste por lo que se utilizan diversos sistemas para limitarlo.
Estos sistemas de protección pueden clasificarse en sistemas activos y sistemas pasivos.
Protecciones activas
La protección activa de las tuberías, especialmente en las enterradas en las que la dificultad de localización de desperfectos aumenta, consiste en polarizar negativamente las conducciones en relación al medio en el que se encuentran, generando una protección catódica que requiere un mantenimiento conveniente (por lo que se llama activa).
Los métodos más utilizados son:
Corriente impresa
Está formado por un cuadro rectificador alimentado con corriente alterna o por células solares, con un lecho de ánodos unido al polo positivo y con los elementos a proteger unidos al polo negativo, regulando ese circuito automáticamente para mantener permanentemente el nivel de protección necesario. También se denomina de “trasiego de corriente”.
Ánodos de sacrificio
Consiste en unir eléctricamente la conducción a unos ánodos de material más ánodico (y más barato) que el acero, como el magnesio, el zinc y el aluminio, que generan la corriente necesaria de protección sin necesidad de una fuente externa de energía al estar en el mismo medio (al ser más electronegativos la corriente va consumiendo en primer lugar estos ánodos que por ello se denominan “de sacrificio”).
Protecciones Pasivas
Las protecciones pasivas consisten fundamentalmente en asilar dieléctricamente la conducción mediante revestimientos o algún otro tipo de revestimiento.
Estos pueden ser:
- Capa metálica (p.ej. galvanizado)
- Capa no metálica (p.ej. pinturas, barnices, etc...)
- Capa química (p.ej. fosfatado)
- Revestimientos inorgánicos (p.ej. cemento)
- Revestimientos orgánicos (p.ej. polietileno)
Los revestimientos se pueden aplicar externamente y/o internamente y han de considerarse sus características de aislante anticorrosión pero también otras como la durabilidad, resistencia a golpes y arañazos, a la abrasión, adherencia con el acero, resistencia a rayos UV, compatibilidad para uso alimentario, etc...
En sus inicios los revestimientos externos consistían fundamentalmente en revestimientos bituminosos, incorporándose posteriormente las pinturas epoxy (líquidos o FBE que es epoxy aplicado a partir de polvos), añadiendo como mejora posterior dos (y más tarde tres) capas de polietileno por encima del epoxy que se aplica normalmente mediante bandas adhesivas.
La pintura epoxy confiere gran adhesión al acero y las características del polietileno, un termoplástico incorporan una elevada resistencia eléctrica y aportan protección frente a arañazos e impactos.
También dentro de los materiales termoplásticos que se utilizan para revestimientos está el polipropileno, que puede resistir detergentes que pueden fragilizar el polietileno y que cuenta con un buen comportamiento frente al calor por lo que se aplica en aislamientos térmicos. Por el contrario el polipropileno, al igual que el polietileno tiene una resistencia débil a los rayos UV por lo que envejecerá más rápidamente en tuberías no enterradas.
Por último en el campo de los polímeros se ha de citar el revestimiento de poliuretano rígido que incorpora buenas características mecánicas
En cuanto a los revestimientos internos suelen realizarse mediante pinturas epoxi o con mortero de cemento, aunque también pueden utilizarse alguno de los polímeros descritos, habiendo de comprobar la certificación para uso alimentario en el caso de que la conducción se destine a abastecimiento.