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 DensidadEtano (C2H6)

Etileno (C2H4) C C

Polietileno (-CH2-C-H2) n

Extrusión y corte

“Pellets”

Gas Natural

La Tubería de Polietileno (PEAD) se produce por extrusión a partir de la fusión de una

resina plástica

Resina o

“Pellets”

Fusión210°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 diseñopara 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 RDRD P nom P nom P nom/γ

[psi] [kg/cm2] [mca] 7 267 18.8 1889 200 14.1 14111 160 11.3 113

13.5 128 9.0 9015.5 110 7.8 7817 100 7.0 7019 89 6.3 6321 80 5.6 5626 64 4.5 45

32.5 51 3.6 3641 40 2.8 28

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 mD 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 Hz1000 Hz2000 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 RD 172.15 m/s 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 17Verificación del coeficiente de fricción para

flujo establecido (valor típico n = 0.009)Serie v

m/sn

Manning-Gauckler-Strickler

fDarcy-

Weisbach

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 MedicionesCeleridad de las ondas de presión

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)

RD 7 9 11 17 21 26 32.5 41

c[m/s] 492 423 377 296 264 236 210 186

Celeridad medida en función de RD

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

anterioresSerie 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

Serie RD [mca] Q [lt/s]

V [m/s]

hmáx

[mca]VecesPnom

2 41 28 8.3 0.89 91.4 3.262 41 28 14.3 1.54 138.8 4.963 60 19 7.6 0.79 45.8 2.413 60 19 11.2 1.17 56.8 2.993 60 19 15.2 1.59 71.5 3.763 60 19 18.1 1.89 74.9 3.943 41 28 14.5 1.56 108.8 3.893 41 28 16.0 1.72 114.5 4.093 41 28 17.7 1.91 127.6 4.563 41 28 18.9 2.04 132.3 4.723 41 28 20.0 2.15 138.8 4.963 41 28 20.7 2.23 140.9 5.03

Presiones máximas alcanzadas para RD 41 y RD 60*

*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)

- 7.8 m

Presión de colapso

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.

Conclusiones6. 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.