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Gestión eficaz de tuberías de gran diámetro con tecnologías basadas en evaluación de la condición

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Xylem Water Solutions España aporta soluciones globales de transporte y tratamiento en cada etapa del ciclo del agua.

La gestión de los activos de la infraestructura hídrica será cada vez más crítica en los próximos decenios. Con el envejecimiento de los activos que están roturando a un ritmo cada vez mayor, y una industria que está sujeta a un escrutinio cada vez mayor de los clientes y de la reglamentación, las empresas de agua y aguas residuales se ven obligadas a replantearse cómo optimizar su inversión en activos.

Para abordar este desafío, las empresas de servicios públicos están buscando cada vez más prácticas avanzadas de gestión de activos y tecnologías asociadas. La evaluación de la condición ayuda a las empresas de servicios públicos a hacer frente a este desafío identificando con mayor precisión dónde invertir mejor su dinero, manteniendo tuberías que tengan una integridad adecuada y evitando las roturas innecesarias de otras.

Este enfoque permite elaborar estrategias de intervención selectivas, eficaces y justificables, en contraposición a la planificación tradicional de las inversiones, que se basaba predominantemente en factores poco sólidos como la antigüedad de los activos y presuponer una cierta condición de las tuberías. Dado que la evaluación del estado de las tuberías de agua es relativamente nueva, hay escasez de material autorizado y revisado por expertos para orientar a los servicios públicos. En este documento se presentan los resultados y conclusiones más recientes de la experiencia acumulada por organizaciones prestigiosas como la Asociación Americana de Obras Hidráulicas (AWWA), la Fundación de Investigación del Agua (WRF) y la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA). Estos hallazgos se basan en la experiencia de las empresas de servicios públicos que han estado utilizando estas tecnologías con éxito en algunos casos durante más de quince años.

La rotura de las espiras de pretensado es una advertencia de que la tubería está funcionando con un margen de seguridad reducido

El enfoque de este documento son los tubos de hormigón, un tipo de material que es más frecuente en tubos de mayor diámetro (superior a 400 mm) y, aunque por lo general es muy buen material para determinadas aplicaciones, causa un tipo de roturas bastante virulentas y catastróficas. Por ejemplo, recientemente en España hemos sido testigos de roturas de este tipo bastante impresionantes en Madrid (2018) y en Tarragona (2019). En ambos casos, las empresas de servicios públicos (Canal Isabel II y Consorcio de Aguas de Tarragona) realizaron una evaluación del estado de las tuberías después de los eventos de rotura para determinar a) la ubicación de otros posibles puntos de rotura a lo largo de sus líneas y b) ayudar a equilibrar las mejores opciones para rehabilitar estas líneas sin necesidad de reemplazar la línea completa. Esos resultados se presentarán en otra ocasión a la espera de la aprobación de los respectivos propietarios de las tuberías.

Cómo revientan los tubos de hormigón pretensado (PCP)

En el PCP, las espiras de acero postesadas de alta tensión son el principal componente estructural. A medida que estas espiras empiezan a deteriorarse y a romperse debido a la corrosión, a la fragilidad del hidrógeno y a la tensión, se debilitan secciones específicas de la tubería y es más probable que se rompan de forma catastrófica.

Cómo revientan los tubos de hormigón pretensado con camisa de chapa (PCCP)

La hipótesis más común de la rotura de espiras de la PCCP es el resultado de la redistribución de la tensión tangencial en la zona de ausencia o ineficacia de las espiras de postesado con la camisa de chapa. A medida que el núcleo se libera de la tensión cuando las espiras adyacentes a la zona deteriorada se rompen bajo la carga extra, comienza a agrietarse. La inspección interna normalmente puede detectar este progreso a partir de las grietas longitudinales visibles. El revestimiento de mortero, si no está ya agrietado, se agrieta en tensión a medida que la delgada camisa se expande radialmente bajo la tensión tangencial. La camisa está expuesta al agua a través de las grietas, y la corrosión de la camisa progresa a un ritmo que es diferente para cada tubo.

Xylem Water Solutions tiene una experiencia acumulada de más de 9.000 kilómetros de evaluación de tuberías de gran diámetro

Las razones de las roturas del PCCP son muchas. Entre ellas, la ruptura o rotura, con espiras rotas encontradas después de la rotura, fugas en las juntas, grietas en el núcleo por muchas causas incluyendo la reactividad álcali-sílice del conglomerado, baja calidad del núcleo por la baja resistencia del hormigón, H2S (colectores de agua residual), camisa deformada debido a fabricación y construcción excesivo zunchado de las espiras con un postesado total inadecuado, al igual que el empalme de espiras y refuerzos metálicos, delaminación del revestimiento, la fragilización por hidrógeno de la espira ―exceso en la protección catódica aplicada que afecta a las espiras que son muy propensas, un postesado inadecuado, cuando las espiras rotas y empalmadas no se vuelven a tensar, lo cual provoca una baja compresión del núcleo, asentamiento, sobrepresión imprevista y por encima de la presión de diseño, clase de tubo, cuando el tubo montado está fuera de especificaciones de servicio, grietas en las soldaduras de las juntas o exceso de carga externa― mayor que la validez del diseño, entre otras.

Metodología

En el efecto de cascada descrito anteriormente, las roturas de espiras y las fugas son, sin duda, el indicador más claro de los posibles daños. En particular, la rotura de las espiras de pretensado, y especialmente cuando hay un número importante de ellas que están muy fatigadas, debe reconocerse como una advertencia justa de que la tubería está funcionando con un margen de seguridad significativamente reducido y que su vida útil restante es finita.

Las mejores prácticas demostradas para la evaluación de la integridad utilizan herramientas acústicas para la detección de fugas y bolsas de gas en tuberías en servicio, las inspecciones electromagnéticas (EM) para detectar espiras rotas y un análisis de elementos finitos no lineales (FEA) para entender el impacto de las espiras rotas en los límites de resistencia de las tuberías.

La detección de fugas ha desmostrado ser un buen indicador del estado de las tuberías, ya que la mayoría pueden considerarse defectos

Aunque se desconoce si las tuberías de hormigón con camisas de chapa tienen altas tasas de fugas, la detección de fugas ha demostrado ser un buen indicador del estado de las tuberías, ya que la mayoría de las fugas pueden considerarse como defectos, debido a que la línea permanece en servicio hasta que se repara. Las fugas en las paredes de las tuberías pueden ser importantes, porque es probable que indiquen una perforación en la pared de la tubería, que en algunas tuberías se considera que conduce a un fallo estructural. Se sabe que las fugas detectadas en tuberías de hormigón sin camisas de chapa son de particular importancia.

La inspección EM proporciona un método no destructivo para evaluar la condición existente de las espiras de pretensado. Las inspecciones EM determinan una señal magnética para cada sección de la tubería para identificar las anomalías que se producen por las zonas de daño por rotura de espiras. Se evalúan diversas características asociadas a una anomalía (longitud, magnitud, desplazamiento de fase, etc.) para proporcionar una estimación del número de espiras rotas. También es relevante en este proceso el hecho de que la inspección puede realizarse mientras la línea permanece en servicio, minimizando el impacto en los clientes y las operaciones.

Con FEA se modelizan todas las propiedades de los materiales constituyentes de los tubos, incluyendo la no linealidad del hormigón. El análisis se realiza después de la inspección EM para cada uno de los tubos de la tubería que muestran signos de fatiga. Hay que considerar no solo el número y la posición de las roturas de espiras, sino también el diseño y la carga de la sección individual del tubo, así como las condiciones de funcionamiento de la misma. Los diversos componentes se calculan y comparan con los criterios del estado límite estándar de la industria. La evaluación de ingeniería resultante cuantifica el riesgo potencial asociado a cualquier tubo que se considera crítico por su elevado número de espiras rotas y establece las prioridades de reparación.

Resultados y conclusión

El análisis integrado de la evaluación tanto de la criticidad como de la integridad ha permitido a muchos clientes, a lo largo de los años, comprender sus activos de una manera que les ha permitido desarrollar un conjunto óptimo de intervenciones, que lograron una mitigación eficaz de los riesgos con importantes ahorros en el costo de capital.

Los beneficios de este enfoque integrado se han hecho realidad en varios sistemas estratégicos a nivel global. La inspección y el análisis FEA de los activos de PCCP en todo el mundo ha revelado que la mayoría de los tubos de hormigón están en buenas condiciones estructurales, con menos de un 5% de los tubos que van a requerir reparación o medidas adicionales. En base a estos resultados, la mayoría de los clientes han aplazado con éxito una importante inversión de reposición mientras gestionan el riesgo de forma eficaz.

Con FEA se modelizan todas las propiedades de los materiales constituyentes de los tubos, incluyendo la no linealidad del hormigón

Los resultados obtenidos en servicios públicos del agua y en la industria, junto con la experiencia acumulada por Xylem (más de 9.000 km) en la evaluación de tuberías similares corroboran estos hallazgos. Las tuberías de presión de gran diámetro típicamente no se deterioran o rompen sistemáticamente a lo largo de toda su longitud. Más bien, el estado de las tuberías suele estar relacionado con problemas localizados debido a factores de diseño, fabricación, instalación, ambientales, operativos o de mantenimiento. A menudo, es una combinación de varios de estos factores lo que conduce a las roturas.

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