Propiedades

PEPE3 PE 8

10

0

80

1970

1980

1990

2000

Tiempo

Grfico N 1

HDPE Tuberas para la conduccin de aguasPor Carlos Quezada F., Ing.Centro de Ingeniera de Polmeros, CIP Chile

a) Ignorancia tcnica desde el punto de vista de "disear con materiales no tradicionales cuyo comportamiento es vizcoelstico y cuya estructura interna es de carcter estadstico (no hay fusin, no hay punto de fusin, no hay cristales, etc.) b) Mal uso del material durante su uso ( se sobrepasan las propiedades del material como temperatura, dureza, resistencia qumica, etc.) c) Por carencia de informacin y soporte tcnico debidamente validado. d) Finalmente, por un enfoque que permtanme denominar" xenofbico" (se suele decir "esto es de plstico", rebajando la calidad sin el menor argumento tcnico). Esta normalizacin, adems de darnos la posibilidad de "aplicar con menor riesgo" es indispensable para un mercado del agua que est muy reglamentado, que es de alto contenido tcnico y nos permite intercambiar competencias a nivel interno y externo. Las normas de inters son : ISO 4427: Especificaciones de Tuberas de PE para el suministro de agua. ISO 9080: Clculo de curvas de regresin y determinacin de MRS. ISO 12162: Clases de MRS Los estndares para el agua segn ISO 4427 y pr EN 12201 se muestran en Tabla 1.

Desde que, en la dcada del 70, se inici el desarrollo de Polietilenos con aplicacin prctica al rea industrial con valor agregado tcnico "mucha agua ha pasado por las tuberas", y hoy este material es ampliamente utilizado en el rea del transporte y conduccin de aguas sanitarias. Haciendo un poco de historia, el desarrollo de nuevos tipos de Polietileno de Alta Densidad ( HDPE ) ha sido vertiginoso y seguir creciendo en trminos casi exponenciales, como se observa en el grfico N 1

DESARROLLO DE TIPOS DE POLIETILENOAl inicio de los aos 70, aparece la 1a Generacin de PE 63, en los 80 la 2a Generacin PE 80 y en 1988 SOLVAY fabrica por primera vez el PE 100. A medida que se desarrollan nuevos tipos se observa una mejora sustancial en las propiedades del material ( resistencia mecnica / rigidez ) debido a cambios en la estructura molecular (distribucin de PM, copolimerizacin y otros.) que logran diferentes fabricantes. Lo anterior se ha traducido en un resultado tcnicoeconmico ampliamente favorable a la utilizacin de Polietileno en la fabricacin de tuberas para la conduccin de agua como se muestra en el grfico N 2. Como buen material y que se precie de tal, lleva asociado a su desarrollo un soporte tcnico que avala sus caractersticas ( buenas y malas ). Ello se traduce en una normalizacin especfica de alto contenido tecnolgico respaldada por una innumerable cantidad de experiencias, ensayos y aplicaciones prcticas de xito. Los fracasos, en general, corresponden a situaciones de:

NORMA ISO 4427Por su amplia aplicacin, haremos un anlisis general de los alcances de la norma ISO 4427. Esta norma establece parmetros de aplicacin para el Polietileno en la fabricacin de tuberas para el suministro de agua.

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Del Material: Las tuberas sern fabricadas desde PE, que solamente contenga estabilizadores anti UV, antioxidantes y pigmentos requeridos en conformidad a especificaciones y uso. Las tuberas debern ser negras, azules o negras con lneas azules. El material de las lneas azules deber ser del mismo tipo de resina de la tubera (coextrusin). El contenido de negro (carbn) deber estar en el rango de 2 y 2.5 % en peso medido de acuerdo a ISO 6964. La dispersin del carbn deber ser igual o menor al grado 3 de acuerdo a ISO 11420. La dispersin del pigmento azul ser igual o menor al grado 3 de acuerdo a ISO 13949.

PE 80

Costo / m instalado

Acero

PE 100

160 aprox.

250 aprox.Dimetro (mm)

400 aprox.

Grfico N 2

De la estabilidad trmica: El tiempo de induccin para PE 63, 80 y 100 ser a lo menos de 20 minutos cuando se testea a 200 C determinado segn ISO/TR 10837. Del material reprocesado (reciclado): Puede utilizarse material reprocesado generado de la fabricacin propia de tuberas y que responda a las especificaciones de esta norma (caracterizacin). De los efectos sobre la calidad del agua de consumo humano: La concentracin de sustancias, agentes qumicos y biolgicos emanados de materiales en contacto con agua de beber, no debe sobrepasar los valores mximos recomendados por "World Health Organization" en su publicacin "Guidelines for drinking water quality", Volumen 1: Recomendaciones o lo requerido por la EEC Council Directive de 15 Julio de 1980 sobre la calidad del agua para consumo humano.DESIGNACIN Clasificacin MRS ISO/TR 9080 OIT (200 C) Notch (80 C) EN 13479 Ensayos de presin(20 "C) EN 921 Ensayos de presin (80 C) EN 921 RCP (S4 - 0 C) para dimetros mayor a 250 mm y/o presiones mayores a 10 bar Factor Mnimo de Seguridad 125 125 PC mayor o igual a 20/24 Pc mayor o igual a 25/24 PE 30 8 PE 100 10

Mayor o igual a 20 minutos (despus del envejecimiento) 4.0 Mpa / 165 hrs 10 Mpa / 100 hrs 4.6 Mpa / 165 hrs 4.0 Mpa / 1000 hrs 4.6 Mpa / 165 hrs 12.4 Mpa / 100 hrs 5.5 Mpa / 165 hrs 5.0 Mpa / 1000 hrs

Estndares para el agua

TABLA 1

De la designacin y clasificacin: Los compuestos (resinas) de PE sern designados por el tipo de material segn el nivel mnimo de resistencia requerido que sea aplicable y que se especifica en la Tabla 2, cuando el lmite mas bajo sLCL sea determinado por ISO/TR 9080 y ste sea clasificado de acuerdo con ISO 12162 para obtener el MRS La validez de la designacin ser certificada por el fabricante de la resina o en el caso de "master bach" por el fabricante de tuberas. La resistencia de diseo sS de la tubera, se debe obtener aplicando un coeficiente de diseo C no inferior a 1.25 para el valor del MRS del material.DESIGNACIN PE 32 PE 40 PE 63 PE 80 PE 100 MRS 50 aos a 20 'C Mpa 3.2 4 6.3 8 10 Resistencia Hidrosttica de Diseo Mxima Mpa 2.5 3.2 5 6.3 8

Designacin de Material para el Polietileno (PE )

TABLA 2

De la densidad e ndice de fluidez: El fabricante de resina proveer de informacin sobre la densidad e ndice de fluidez del material. Cuando se mida segn ISO 1133 el ndice de fluidez (MFI) deber responder a: a) El MF) no se desviar en +- 30 % del valor especificado por el fabricante. b) El cambio en MFI causado por procesamiento del material deber ser menor al 25 %.

De las dimensiones de las tuberas: Las dimensiones de las tuberas sern medidas de acuerdo a ISO 3126. El dimetro nominal externo estar de acuerdo a ISO 161-1. Las tolerancias sobre el dimetro externo estarn de acuerdo a ISO 11922-1 y sern grado A para tuberas con tolerancias normales (NT) y grado B para tuberas con tolerancias cerradas (CT).

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El espesor nominal se mide de acuerdo a ISO 4065 y estar en correspondencia con la presin nominal seleccionada (considerando que por razones de soldaduras de unin el espesor est limitado a un mnimo de 2.3 mm). La tolerancia sobre el mnimo espesor de pared aceptable en cualquier punto estar en conformidad con ISO 119221 segn grado T para emin menor o igual a 16 mm y en grado u para emin mayor a 16 mm. La ovalidad de tuberas despus de la extrusin pero antes del enfriamiento, deber estar conforme a ISO 11922-1 y ser grado K para PE 32 y PE42 y grado N para PE 63. PE 80 y PE 100. La longitud de las tuberas rectas y enrolladas no sern menor a lo acordado entre proveedor y cliente.

DESIGNACIN PE 32 PE 40 PE 63 PE 80 PE 100

100 hrs a 20 C 6.5 7.0 8.0 9.0 12.4

Solicitacin (Mpa) 165 hrs a 80 C 2.0 2.5 3.5 4.6 5.5

1000 hrs a 80 C 1.5 2.0 3.2 4.0 5.0

Resistencia hidrosttica de tuberas de (PE) TABLA

3

De la compatibilidad de soldadura De las caractersticas mecnicas: La resistencia hidrositica determinada bajo ISO 1167 debe estar conforme a la Tabla 3. Si ocurre una fractura frgil en menos de 165 horas esto constituir una falla. Si en el test de 165 horas se produce una fractura dctil antes de la 165 horas un nuevo test debe realizarse a menor solicitacin. De la caractersticas fsicas: En la determinacin de la estabilidad trmica del PE, el tiempo de induccin para muestras tomadas de tuberas en base a PE 63, 80, 100 deben ser a lo menos de 20 minutos cuando determina en base a ISO/TR 10837. La muestra debe tomarse desde la superficie interna de la tubera. La reversin longitudinal determinada de acuerdo a ISO 2505-1, mtodo A o B, no ser mayor al 3 %. Los tiempos del test se dan en ISO 2505-2 y las temperaturas sern: 98 - 102 C para PE 32 y PE 40,108 - 112 C para PE 63, PE 80 y PE 100. Para tuberas de dimetro externo mayor a 200 mm se pueden usar segmentos cortados. Para determinar el efecto de la humedad, las tuberas debern ser expuestas a las condiciones que explica la ISO 4427 en Anexo A. Una vez expuesta a una energa solar de a lo menos 3.5 Gj/m2 la tubera deber soportar los siguientes requerimientos: a) La resistencia hidrosttica determinada segn lo dicho anteriormente a 80 C ser de a lo menos 165 horas. b) La elongacin a rotura determinada de acuerdo a ISO 6259-1 e ISO 6259-3 ser de a lo menos 350 %. c) El tiempo de induccin medido de acuerdo a ISO/TR 10837 con muestra tomada desde la superficie externa de la tubera ser de a lo menos 10 minutos a 200 C. (Plastificacin) Si las tuberas fabricadas de PE 63, PE 80 o PE 100 se unen con soldadura por placa calefactora o usando accesorios de electro-fusin utilizando diferentes tipos, la unin deber estar de acuerdo a los requerimientos de la Tabla 3. Materiales designados PE 63, PE 80 o PE 100 que tengan un ndice de Fluidez (190 C / 5 kg) entre 0-2 y 1.3 gr/10min se considerarn compatibles para efectos de plastificacin De la marcacin: Todas las tuberas sern marcadas en forma indeleble mximo cada 1 m.

Las marcas debern indicar a lo menos: - Nombre del fabricante y/o marca comercial. - Dimetro nominal externo x espesor de pared nominal. - Tolerancia de dimetro externo (A o B). - La designacin del material de la tubera. - La presin nominal. - La serie de la tubera (S o SDR). - Perodo de fabricacin (fecha o cdigo). - El nmero del International Standard. - La palabra "water" puede ser incluida si la tubera conduce agua para beber.

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HDPE Emisarios submarinos de PolietilenoPor Carlos Quezada F., Ing.Centro de Ingeniera de Polmeros, CIP Chile

SELECCIN DEL DIMETRO DE LA TUBERA La seleccin del dimetro de la tubera para emisarios submarinos de HDPE se hace con la misma serie de determinaciones como para otro material de tubera. Usualmente, se utiliza el balance de la reduccin de prdida de friccin contra las velocidades de flujo necesarias para mantener el suficiente arrastre que evitar la deposicin de residuos o el crecimiento de bacterias. La tubera de HDPE tiene excelentes caractersticas de flujo debido a su pared excepcionalmente suave; tiene una constante de la frmula de HazenWilliams de C = 155 para agua y C = 140 para aguas servidas. Esto permite una seleccin de mayor velocidad y menor dimetro para la mayora de otros materiales de la tubera. Para emisarios submarinos que utilizan tubera de HDPE y que transportan desages tratados con militamices, tanques spticos u otros tratamientos ms completos, la velocidad de flujo que ha probado ser satisfactoria desde el punto de vista tanto de friccin como de limpieza, usualmente est dentro de los rangos presentados en el cuadro1.Cuadro 1 Rangos de velocidad de flujo para emisarios submarinos de HDPETamao nominal de la tubera (cm) Rangos satisfactorios de velocidad (metro/segundo) 0,7-2 1,2-3 2-4

submarino para un flujo proyectado de 25 aos es importante revisar las velocidades de los flujos mximos actuales para ver si se obtienen velocidades suficientes de arrastre en los primeros aos de operacin. Si no fuera as, se debe implementar un programa de limpieza con un dispositivo limpiador hasta que los flujos alcancen las velocidades de limpieza. Se recomienda instalar facilidades para remover arena y grasa del fluente antes de su descarga en el emisario submarino para ayudar a minimizar los problemas ocasionados por su deposicin. Esta remocin de grasa y de elementos flotantes tiene el propsito de mantener las condiciones estticas aceptables. Los nomogramas de las figuras 1 (unidades mtricas) y 2 (unidades inglesas) basadas en la frmula de Hazen-Williams, pueden usarse para determinar las prdidas de presin y velocidades para diversas tasas de flujo en diferentes dimetros internos de tubera.Figura 1 NOMOGRAMA PARA SOLUCIN (unidades mtricas) Tomado de F.E. McJunkin, 1969

Las tuberas de polietileno estn dimensionadas por un dimetro exterior controlado y por el espesor mnimo de la pared a fin de obtener la presin deseada por el mtodo de razn de dimensin estndar (SDR) o por las normas de la Organizacin Internacional de Normalizacin, (ISO, acrnimo en ingls). Los cuadros 2 y 3 presentan los dimetros externos e internos y el peso promedio por unidad de longitud (kg/m) de las tuberas fabricadas de acuerdo de los mtodos de SDR y de la ISO,respectivamente.Figura 2 NOMOGRAMA PARA SOLUCIN (unidades inglesas) Tomado de F.E. McJunkin, 1969

10-30 25-50 40-75

Es importante que se obtengan las velocidades de limpieza por lo menos una vez al da durante un tiempo suficiente para conseguir un lavado completo de la tubera. Si este no fuera el caso, se presentaran deposiciones de slidos o grasa y crecimiento de bacterias en las paredes y sera necesario usar un dispositivo limpiador ("chancho") dentro del emisario submarino para prevenir su contriccin o cierre. Cuando se disea un emisario

CONSIDERACIN DE MAREAS Y DENSIDAD DEL AGUA MARINA Es importante advertir que las pequeas comunidades deben mantener sus costos de operacin tan bajos como sea posible. Esto significa que el diseador del emisario submarino deber tratar de usar la carga hidrulica esttica de gravedad y evitar bombear las aguas residuales que se van a descargar.

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Se debe recordar que el tiempo de fluctuaciones de las mareas cambia diariamente y que la magnitud de los cambios vara durante el ao y fases de la luna. Se puede asumir que la marea ms alta y que el flujo pico de las aguas residuales probablemente ocurran simultneamente. El emisario submarino y sus accesorios, tales como ecualizadores de flujo o bombas, deben disearse en concordancia, a fin de evitar una sobrecarga indeseable del desage que tiene conexiones de servicio. Tambin debe recordarse que el agua marina tiene una densidad de aproximadamente 2,5% ms que la de las aguas residuales. Esta carga hidrulica esttica debe ser superada por la carga de gravedad disponible o por las instalaciones de bombeo. Esta carga hidrulica puede ser significativa, especialmente en emisarios submarinos profundos. Por ejemplo, un emisario submarino de 60 metros de profundidad tiene una carga hidrulica esttica de "diferencia de densidad" de uno y medio metros.

SELECCIN DE LAS RESINAS DE POLIETILENO Existen distintas clases de resinas de polietileno que se utilizan en la fabricacin de tuberas. Algunas no son apropiadas para emisarios submarinos porque se requiere resina de alta calidad con propiedades especficas a fin de asegurar que la tubera resista los esfuerzos durante la construccin, las presiones internas y externas, as como los esfuerzos hidrodinmicos del ocano. Se debe seleccionar una tubera de resina de alta densidad con un peso molecular alto o extra alto. Es imprescindible evitar la tubera fabricada con polietileno de media densidad porque se ha demostrado sus fallas. La Sociedad Americana de Pruebas de Materiales (The American Society for Testing Materials, ASTM) ha elaborado la norma ASTM D3350-84 que

describe el material por medio de un sistema de clasificacin por celda. El sistema identifica especficamente el compuesto de polietileno mediante lmites de clasificacin de celda para cada una de las propiedades consideradas. El cuadro 4 resume este sistema. Una resina con peso molecular extra alto tiene una clasificacin de celda 345434C. Una resina con peso molecular alto tiene la clasificacin de celda 325434C. Es importante destacar las diferentes caractersticas de las tuberas fabricadas con resinas de peso molecular alto y extra alto. Las de peso molecular extra alto son superiores en cuanto a su resistencia a la rudeza, al impacto, a la abrasin, al agrietamiento por esfuerzo ambiental y durabilidad. El peso molecular extra alto facilita tambin los procedimientos de fusin de extremos de la tubera.

Clasificacin de las celdas segn la ASTM D3350-84Propiedad Densidad, (g/cm3) Indice de fusin Condicin E (gms/10 min) Mdulo de flexin Mpa, (psi) Mtodo de prueba D1505 D1238 1 2 3 4 5 6

0,910-0,925 >1,0

0,926-0,940 1,0-0,4

0,941-0,955 0,4 - 0,15

>0,955