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Limitaciones de las canalizaciones de fundición dúctil

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1. Introducción

Una de las cuestiones centrales durante el proceso de definición y diseño de las redes para transporte y distribución de agua reside en la selección de la tipología y material de las canalizaciones. Esta decisión, que debe prever todas los condicionantes que cada alternativa presenta, va a condicionar el funcionamiento de la red durante toda su vida útil, siendo de vital importancia conocer las limitaciones de cada una, y que, a la postre, acotarán los posibles campos de empleo.

El presente texto tiene por finalidad mostrar las limitaciones de las canalizaciones de fundición dúctil. Para ello se analizarán las variables básicas a estudiar en cualquier proyecto, fijando los valores característicos de este tipo de tuberías.

2. Limitaciones hidráulicas

La primera condición determinante para la selección de una tubería y su dimensión es que esta posea una capacidad suficiente para transportar el caudal de agua requerido por el proyecto. La magnitud que va a determinar la capacidad hidráulica de una tubería es, paradójicamente su opuesta. Es decir, la pérdida de carga distribuida que supone dicha tubería, pudiendo asumir que las pérdidas de cargas localizadas serán similares para los distintos tipos de tuberías en un trazado concreto.

La primera condición para la selección de una tubería es que posea una capacidad suficiente para transportar el caudal de agua requerido

2.1 Pérdidas de carga

Como bien es sabido, las pérdidas de carga que genera un conducto a presión son calculadas y estimadas en función de distintas expresiones matemáticas, alcanzadas de forma empírica. Pese a la variedad de expresiones disponibles, todas ellas comparten, como no podía ser de otra manera, las mismas variables, resultando para una tubería y caudal dado que las pérdidas de carga generadas quedan definidas por la rugosidad y el diámetro interior de las mismas.

2.1.1 Rugosidad

El valor de rugosidad está condicionado, en el caso de las tuberías de fundición dúctil, por el revestimiento interior de las mismas. Esta capa de revestimiento tiene por funcionalidad proteger a la pared de fundición del contacto con el agua, siendo esta la superficie que genera la mencionada pérdida de carga.

Son numerosas las tipologías de revestimientos interiores que se aplican en las tuberías de fundición dúctil, si bien es cierto que, en cuanto a rugosidad se refiere, podemos agruparlos en dos grandes familias que se diferencian por un valor distinto, los revestimientos de mortero de cemento y los revestimientos poliméricos.

2.1.2 Diámetro interior

El segundo factor que condiciona la capacidad hidráulica de las tuberías es el diámetro interior que, en el caso de las tuberías de fundición dúctil, queda definido por el diámetro nominal (DN), según los requerimientos de la norma de producto UNE EN 545:2011.

Esta característica de diseño confiere a las tuberías de fundición dúctil de una importante ventaja frente a otros productos en los que el DN tiene una equivalencia con el diámetro exterior, viendo su sección útil reducida, con respecto al DN, por el espesor de las paredes del propio tubo.

Ante el enorme abanico de variables y posibilidades que presentan, no ya las diferentes gamas de tuberías de fundición, sino de cualquier otro material, deberemos recurrir siempre a un cálculo concreto para cada caso de estudio, debiendo desechar teorías o planteamientos genéricos, que habitualmente resultan de análisis segmentados o interesados.

Publicado en iAgua Magazine 34 - Abril 2021
iAgua Magazine 34

2.2 Velocidad

Como se puede ver, las variables hasta ahora mencionadas, rugosidad y diámetro interior, limitan, en cierta manera, el uso de las tuberías. Sin embargo, no debemos olvidar que la capacidad hidráulica de cualquier material también tendrá un límite dado por la abrasión que el fluido puede generar en el mismo, quedando esta limitación ligada a la velocidad admisible.

En el caso de las tuberías de fundición dúctil, este parámetro también viene condicionado nuevamente por el tipo de revestimiento interno, pudiendo realizar la siguiente clasificación.

Lo cierto es que estos valores resultan elevados para el dimensionamiento de la mayoría de canalizaciones. Y es que el control de la velocidad en canalizaciones responde, habitualmente, a otros criterios más restrictivos que el límite de abrasión del material, dado que velocidades muy elevadas podrían ocasionar diversos problemas en la red, más ligados a las labores de explotación, como problemas en lectura, problemas de aireación, problemas de regulación, etc.

Existen numerosas recomendaciones sobre la velocidad límite que el diseño de una canalización no debe sobrepasar.

Como puede observarse, los valores de diseño recomendados quedan por debajo de los valores límite de que ofrece la tubería, no resultando estos una limitación de diseño en canalizaciones corrientes.

2.3 Presiones admisibles

La presión admisible de funcionamiento establece el límite de presión al que las tuberías de fundición dúctil pueden someterse, es decir, el límite para la presión de diseño.

PFA > DP

Presión Funcionamiento Admisible > Presión de Diseño de la Red

Y cuyo valor para los distintos tubos viene fijado según la siguiente expresión:

Donde,

emin: espesor mínimo

Rm: resistencia mínima a la tracción = 420MPa

D: Diámetro medio del tubo

Sf: Factor de seguridad = 3

La PFA, presión de funcionamiento admisible de la tubería, conlleva también una influencia directa sobre la capacidad para hacer frente efectos transitorios, golpe de ariete. Así, según el Anejo A de la norma UNE EN 545:2011, se establece que la Presión Máxima Admisible, PMA, un valor un veinte por ciento superior a la PFA.

PMA = 1,2·PFA > MDP

Presión Máxima Admisible > Presión Máxima de Diseño de la Red

Esta disposición de presiones afecta también y en último caso a la prueba de presión, que no deberá nunca sobrepasar la presión de ensayo admisible, STP, y cuyo valor será, según el mismo Anejo de la norma referenciada, 5 bares superior a la presión máxima admisible,

PEA = PMA + 5 > STP

Presión Ensayo Admisible > Presión Prueba de la Red

Como puede observarse, todas las presiones que marcan límites de uso sobre la tubería, ya sean límites de servicio, frente a transitorios, o frente a pruebas de presión, quedan condicionadas de forma directa por la PFA. El elevado valor de tracción admisible de la fundición dúctil proporciona presiones admisibles muy elevadas, capaces de hacer frente a las necesidades habituales de las redes de agua. En cualquier caso, la norma de producto UNE EN 545:2011, determina la posibilidad de fabricación de tuberías de distintas clases de presión para un mismo diámetro, posibilitando la fabricación y diseño de tuberías con mayores capacidades de presión cuando se requiera.

3. Limitaciones mecánicas

Las elevadas capacidades mecánicas son una de las características más conocidas de las tuberías de fundición dúctil, siendo habitual recurrir a su uso ante la presencia de grandes alturas de cobertura, valores de cargas existentes importantes o, en general, condiciones mecánicas exigentes. No obstante, conviene establecer unos valores de orientación que nos permitan definir qué condiciones de carga e instalación son apropiadas para cada caso. En ese sentido, el ANEXO F, de carácter informativo, de la norma de producto UNE EN545:2011 establece los valores límites, mínimo y máximo, de las alturas de cobertura admisibles para cada diámetro nominal de las tuberías de clase de presión preferente, para distintos criterios de tipología de relleno y tráfico.

Los valores ofrecidos presentan la posibilidad de hacer frente tanto a grandes alturas de cobertura, suponiendo grandes cargas de peso sobre la tubería, así como a alturas de cobertura baja, incluso para situaciones con tráfico importante.

Otra lectura destacable que evidencian tales datos es el bajo nivel de cuidado que requieren las zanjas para este tipo de tubería, tal y como muestran lo bajos valores de “arriñonamiento” requerido, que, en ningún caso, superan los 60°. Siendo habituales en otras tipologías de tubería recomendaciones de hasta 180°.

Cabe destacar, además, que la tabla solo muestra valores para tuberías de clases de presión preferente, siendo posible la fabricación de tuberías con clases de presión superior, con el consiguiente aumento de las prestaciones mecánicas y mejora de valores ofrecidos en la tabla.

La capacidad hidráulica de cualquier material también tendrá un límite dado por la abrasión que el fluido puede generar en el mismo

4. Limitaciones de uso

Quizás el punto que suele señalarse más a menudo como crítico para esta tipología de canalizaciones es su carácter metálico y, por consiguiente, su tendencia a la corrosión. Lo cierto es que, frente a la acción de agentes externos, agua y terreno, las tuberías de fundición dúctil incorporan revestimientos internos y externos que evitan tales efectos sobre la pared de fundición dúctil. Veamos, por tanto, las limitaciones de los distintos tipos de revestimiento.

4.1 Revestimientos internos

La tipología tradicional de revestimientos internos está conformada por mortero de cemento, portland o sulfato-resistente para el transporte de aguas de abastecimiento o riego, y aluminoso para la conducción de aguas residuales. Los valores límites de cada una de estas variantes de mortero son los siguientes:

No obstante, existen revestimientos internos especiales, confeccionado con polímeros, que conforman una capa de aislamiento pasivo sobre el tubo, que permite la conducción de cualquier agua sin limitación.

4.2 Revestimientos externos

La familia tradicional, y más habitual, de revestimientos externos es la conformada por los revestimientos metálicos. Estos han evolucionado a lo largo de la historia, pasando del cincado original a la aplicación de aleaciones de cinc con otros metales, hasta llegar a la configuración más aplicada hoy en día, la aleación de zinc-aluminio. La aplicación de este revestimiento ofrece la posibilidad de instalar las tuberías de fundición dúctil casi en cualquier terreno, quedando sus limitaciones establecidas por la norma de producto UNE EN 545:2011.

Limitaciones para revestimientos de aleaciones de zinc y aluminio con una masa de 400g/m2

  • Suelos turbosos ácidos.
  • Suelos que contengan desechos industriales, cenizas, escoria o contaminados por deshechos o efluentes de desperdicio industrial.
  • Suelos bajo la capa freática marina con resistividad a 500Ωcm.
  • Corrientes eléctricas vagabundas.

Como puede observarse, las limitaciones que ofrecen los revestimientos metálicos conformados por aleaciones de zinc-aluminio, suponen su posibilidad de uso en la inmensa mayoría de terrenos, descartándose únicamente aquellos con carácter excepcionalmente agresivo.

Al igual que ocurría con los revestimientos internos, existen también una serie de revestimientos especiales, poliméricos, que permiten el uso de la tubería de fundición dúctil en cualquier tipo de situación, eliminando toda limitación.

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5. Conclusión

Desde el punto de vista hidráulico, las características de las tuberías de fundición dúctil no le confieren ninguna limitación, a igualdad de DN, con respecto a cualquier otro tipo de tubería. Además, las limitaciones de velocidad quedan por encima de las habitualmente recomendadas. Por su parte, las elevadas presiones de diseño impuestas por la norma de producto confieren una capacidad y reserva muy elevada frente a presiones de funcionamiento y efectos transitorios.

En cuanto a su comportamiento mecánico, las características del material confieren a la tubería la capacidad de someterse a cargas externas muy elevadas, resultando más un punto a favor que una limitación.

Finalmente, los desarrollos e innovaciones realizados en el campo de los revestimientos han minimizado las limitaciones de aplicación de este tipo de tuberías. Pudiendo proyectarse canalizaciones en la inmensa mayoría de terrenos, sin necesidad de recurrir a revestimientos especiales.

Así, si bien es cierto que cada proyecto requiere de un estudio particularizado de los distintos aspectos tratados en el presente texto, podría concluirse que las limitaciones de las canalizaciones de fundición dúctil quedan por encima de los requerimientos habituales de cualquier instalación de agua, lo que posibilita su diseño en la inmensa mayoría de casos.