Linea de Conduccion y Aduccion

CURSO: ABASTECIMIENTOS DE AGUA Y ALCANTARILLADO

CAPITULO: V LINEA DE CONDUCCION Y ADUCCION

CAPITULO V: LINEA DE CONDUCCION Y ADUCCION

5.1 GENERALIDADES. La línea de conducción en un sistema de abastecimiento de agua potable por gravedad es el conjunto de tuberías, válvulas, accesorios, estructuras y obras de arte encargados de la conducción del agua desde la captación hasta el reservorio, aprovechando la carga estática existente. Debe utilizarse al máximo la energía disponible para conducir el gasto deseado, lo que en la mayoría de los casos nos llevara a la selección del diámetro mínimo que permita presiones iguales o menores a la resistencia física que el material de la tubería soporte. Las tuberías normalmente siguen el perfil del terreno, salvo el caso de que, a lo largo de la ruta por donde se debería realizar la instalación de las tuberías, existan zonas rocosas insalvables, cruces de quebradas, terrenos erosionables, etc. que requieran de estructuras especiales. Para lograr un mejor funcionamiento del sistema, a lo largo de la línea de conducción puede requerirse cámaras rompe presión, válvulas de aire, válvulas de purga, etc. Cada uno de estos elementos precisa de un diseño de acuerdo a características particulares. 5.2 CRITERIOS DE DISEÑO. a. CARGA DE DISPONIBLE. Es la diferencia de elevación entre la estructura u obra de captación y el reservorio.

Figura 5.1 Cargas estática y dinámica de la línea de conducción. b. CAUDAL DE DISEÑO. Se dimensiona para conducir el caudal máximo diario:

Qmad  K1 xQm Qm  Poblacion * Dotacion c. CLASE DE TUBERIA. Se realiza de acuerdo a diversos criterios: Msc Ing. Abel A. Muñiz Paucarmayta

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1. Tipo del material de la tubería. 2. Calidad del agua. 3. Resistencia mecánica del material. La resistencia de la tubería a la presión del fluido se denomina clase de tubería.

CARACTERISTICAS TECNICAS DE LA TUBERIA PARA PRESION NTP- ISO-4422 CLASE 5 7.5 10 15

PRESION MAXIMA DE PRESION MAXIMA DE PRUEBA (m) TRABAJO (m) A 20ºC 50 75 105 150

35 (3.5 bar) 50 (5 bar) 70 (7 bar) 100 (10 bar)

FACTOR DE SEGURIDAD 1.4 1.5 1.5 1.5

Cuadro 5.1 Características técnicas de las tuberías a presión NTP-ISO-4422.

Figura 5.2 Selección de la clase de tubería para las presiones máximas de trabajo. d. DIAMETROS. En la determinación del diámetro comercial se consideran diferentes soluciones y se evalúan diversas alternativas desde el punto de vista económico. Considerando el máximo desnivel en toda la longitud del tramo, el diámetro seleccionado deberá tener la capacidad de transportar el caudal de diseño con velocidades de 0.60 a 3.00 m/seg (ver Tabla de Ritcher y Reglamentos) y las pérdidas de carga por tramo calculado deberán ser menores o iguales a la carga disponible.

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VELOCIDAD MEDIA MAS ECONOMICA EN TUBERIAS (m/s) según Ritcher Tuberias de succion en bombas centrifugas de acuerdo con la carga de succion , longitud, temperatura del agua (menos de 70ºC)

0.5 a 1.00

Tuberias de descarga en bombas

1.5 a 2.0

Redes de distribucion para agua potable e industrial Tuberias principales

1.0 a 2.0

Tuberias laterales

0.5 a 0.7

Tuberias muy largas

1.5 a 3.0

Tuberias en instalaciones hidroelectricas con turbinas: Con inclinacion y diametro pequeño:

2.0 a 4.0

Con inclinacion y diametro grande.

3.6 a 8.0

Horizontales y gran longitud

1.0 a 3.0

Cuadro 5.2 Velocidad media más económica en tuberías. e. ESTRUCTURAS COMPLEMENTARIAS. VALVULAS DE AIRE. El aire acumulado en los puntos altos provoca la reducción del área del flujo del agua, produciendo un aumento de pérdida de carga y una disminución del gasto. Para evitar esta acumulación es necesario instalar válvulas de aire automáticas (ventosas) o manuales (figura 5.3). Son válvulas de expulsión o admisión de aire de funcionamiento automático, que deben ubicarse en puntos altos de la LC, siempre que la presión en dicho punto no sea alta o menor que la presión atmosférica. Cuando la topografía no sea accidentada se colocaran cada 2.5 Km como máximo y en los puntos altos. Si hubiera peligro de colapso de la tubería a causa del material de la misma y de las condiciones de trabajo se colocaran válvulas de doble acción (admisión y expulsión). El dimensionamiento de la válvula se determina en función del caudal y la presión de la tubería.

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Fuente: CEPIS 2004 Figura 5.3 Válvula de aire manual. CAMARA DE VALVULA DE PURGA. Los sedimentos acumulados en los puntos bajos de la línea de conducción con topografía accidentada, provocan la reducción del área de flujo del agua, siendo necesario instalar válvulas de purga que permitan periódicamente la limpieza de tramos de tuberías (figura 5.4). Son válvulas instaladas lateralmente en todos los puntos bajos teniendo en consideración la calidad del agua conducida y la modalidad de funcionamiento de la línea. La válvula de purga se dimensiona de acuerdo a la velocidad de drenaje siendo recomendable que el diámetro de la válvula sea menor que el diámetro de la tubería. La derivación se hace por medio de una “T” cuyo diámetro mínimo es de 2”.

Fuente: CEPIS 2004 Figura 5.4 Válvula de purga. CAMARAS ROMPE-PRESIONES. Al existir fuerte desnivel entre la captación y algunos puntos a lo largo de la línea de conducción, pueden generarse presiones superiores a la máxima que puede soportar la tubería. En este caso se sugiere la instalación de cámaras rompe-presión cada 50 m de desnivel. Las cámaras rompe presión deben construirse para evitar presiones elevadas, superiores a la capacidad de trabajo de las tuberías y accesorios. Para la localización de las cámaras rompe presión se deben seguir los siguientes criterios: 

Mantener la carga máxima estática de acuerdo a la presión de trabajo del material utilizado (tuberías y accesorios).



En lugares accesibles con condiciones de suelo adecuados para la construcción.

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Las condiciones que deben tomarse en cuenta para el diseño son: 

Debe estar constituida por dos cámaras interconectadas por un vertedero sumergido. La primera cámara de disipación de energía debe ser igual a 2/3 de la longitud total de la cámara rompe presión.



Las dimensiones de las cámaras deben ser calculadas para un tiempo de retención de 5 a 10 minutos.



La profundidad de agua respecto a la tubería de salida, debe determinarse en función a las pérdidas de carga, garantizando una abertura necesaria que permita la circulación del caudal de diseño.



El ingreso a la cámara se debe realizar mediante un chorro sumergido multidireccional.



Debe instalarse una válvula a la salida y otra de limpieza. Asimismo debe instalarse una tubería de rebose y otra de ventilación para evitar presiones negativas.

La tubería de ingreso estará por encima de nivel del agua (figura 5.4).

Fuente: CEPIS 2004 Figura 5.4 Cámara rompe presión.

CAMARAS VALVULAS DE CONTROL. Msc Ing. Abel A. Muñiz Paucarmayta

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Además de los elementos vistos anteriormente, se deberán instalar válvulas de control al comienzo de la conducción, al final y cada 1000 mts. Mediante estas válvulas se podrán aislar tramos de tubería en caso de rotura de estas.

CRUCES AEREOS. Son estructuras semejantes a los puentes colgantes compuestas por: pilares de soporte (CºAº o metal) y cables de sujeción de la tubería de F°G° mediante péndolas que permiten el paso del agua sobre alguna depresión natural o curso de agua (ver Figura 5.5). Estas estructuras de calculan considerando que el cable principal debe formar una catenaria. El principal estado de cargas (solicitación) en el puente, considerará los pesos propios de la tubería, cables y agua dentro de la tubería, debiéndose incrementar para prevenir el efecto de la vibración por el flujo del agua y la velocidad del viento.

Figura 5.5 Pases aéreos sobre accidentes topográficos

SIFORNES INVERTIDOS. Los sifones invertidos son conductos de agua que atraviesan depresiones topográficas por presión hidráulica. Esta estructura tiene aplicación para conducir el agua potable debajo de cursos de agua y quebradas (ver Figura 5.6).

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Figura 5.6 Sifón invertido para cruce de quebradas 5.3 DIMENSIONAMIENTO.

a. Línea de gradiente hidráulico. La LGH indica la presión del agua a lo largo de la tubería bajo condiciones de operación. La línea gradiente hidráulica estará siempre por encima del terreno. En los puntos críticos se podrá cambiar el diámetro para mejorar la pendiente. b. Perdida de carga.  Es la energía necesaria para transportar una caudal de un punto a otro y que disipa el fluido por fricción.  Las tuberías pueden clasificarse en largas y cortas (criterio L/D y 10% de pérdidas por fricción).  Las pérdidas por fricción pueden ser lineales o locales. Perdida de carga unitaria. Es la perdida de energía por unidad de longitud.

Ecuación de Hazzen y Williams (S):

Ecuación de Darcy y Weisbach (hf):

Perdida de carga por tramo. Hf = hf.L Donde: L = Longitud del tramo. Msc Ing. Abel A. Muñiz Paucarmayta

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c. Presión. En la línea de conducción, la presión representa la cantidad de energía gravitacional contenida en el agua. Se determina mediante la ecuación de Bernoulli.

Donde: Z

: Cota respecto a un nivel de referencia arbitraria.

P/Ɣ

: Altura e carga de presión “P es la presión y Ɣ el peso específico del fluido”.

V

: Velocidad media del punto considerado (m/s).

Hf

: Perdida de carga que se produce de 1 a 2.

Si V1=V2 y como el punto 1 está presión atmosférica, o sea P1=0. Entonces:

Fuente: CEPIS 2004 Figura 5.7 Equilibrio de presiones dispersas. d. Combinación de tuberías. Al dimensionar el diámetro de la LC puede no haber un único diámetro que proporcione la perdida de carga deseada por lo que se requiere una combinación de diámetros de tuberías y clases. Cuando se combinan los diámetros de las tuberías se pueden manipular las pérdidas de carga y reducir las presiones dentro de rangos admisibles, disminuyendo el diámetro y en algunos casos el número de cámaras rompe presión, por lo que resulta un proyecto menos costoso.

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Es posible diseñar la línea de conducción mediante la combinación de tuberías, tiene la ventaja de optimizar las pérdidas de carga, conseguir presiones dentro de los rangos admisibles y disminuir los costos del proyecto.

Se define lo siguiente: Hf

: Pérdida de carga total (m).

L

: Longitud total de tubería (m).

X

: Longitud de tubería de diámetro menor (m).

L-X

: Longitud de tubería de diámetro mayor (m).

hf1

: Pérdida de carga unitaria de la tubería de mayor diámetro.

hf2

: Pérdida de carga unitaria de la tubería de menor diámetro.

La pérdida de carga total deseada Hf, es la suma de pérdidas de carga en los dos tramos de tubería (figura 5.8).

Fuente: CEPIS 2004 Figura 5.8 Perfil de la combinación de las tuberías. 5.4 PROCEDIMIENTO DE DISEÑO HIDRAULICO DE LA LINEA DE CONDUCCION Los pasos a seguir en un diseño hidráulico son: 1. Proponer tipo de tubería y diámetro para transportar el flujo de diseño (Qmax diario generalmente). 2. Calcular el gasto teórico y compararlo con el gasto de diseño. Redimensionar la tubería en caso de ser necesario, hasta que el gasto calculado sea mayor que el gasto de diseño. Una de las ecuaciones más empleadas es la ecuación de Hazen-Williams. Esta es una ecuación empírica resultante del análisis estadístico de una gran cantidad de datos experimentales. Es Msc Ing. Abel A. Muñiz Paucarmayta

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aplicada satisfactoriamente para cualquier material entre 0.05 m y 3.50 mts de diámetro; y está dado por:

Q  0.2785C.D 2.63 J 0.54 Dónde: Q

: Caudal (m3/seg).

D

: Diámetro interno de la tubería (m).

J

: Perdidas de carga unitaria (m/m de conducción=.

C

: Coeficiente de rugosidad de Hazen-Williams.

3. Comparar las velocidades de flujo con los límites permisibles (Vmax y Vmin). Proponer nuevo diámetro hasta que Q y V sean apropiados.

Cuadro 5.4 Velocidades máximas permitidas.

4. Dibujar las líneas piezométricas y de gradiente hidráulico sobre el perfil del terreno. a. Verificar que la línea piezométrica se localice al menos 4.00 m por arriba del nivel del terreno. b. Las presiones máximas de operación deben ser menores a las que puede soportar la tubería. En caso de requerirse, se debe proponer otra tubería más resistente o construir cajas rompe presiones. c.

Identificar posible formación de vacios y el potencial “aplastamiento” de la tubería. Calcular el espesor critico ∂ = D/C, en donde:

d. Especificar la instalación de válvulas de admisión y expulsión de aire en los puntos más altos de la línea para la liberación del aire atrapado. e. Colocar válvulas de purga den los puntos bajos para eliminar los sedimentos acumulados. f.

Continuar con los cálculos complementarios por cada tramo según el formato propuesto en Excel.

5.5 CARACTERISTICAS HIDRAULICAS DE LA LINEA DE CONDUCCION Debido a las características de esta conducción, se considera ésta como una conducción a presión. Este tipo de conducción resulta ser más corta que una conducción por escurrimiento libre, ya que no requiere seguir una línea de pendiente determinada.

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Al estudiar el trazado de tubería, se debe tener en cuenta la posición de ésta en relación con la línea piezométrica. De acuerdo con la topografía existente, se obtendrán diferentes esquemas de trazados. Algunos de ellos son: TUBERIA POR DEBAJO DE LA LINEA PIEZOMETRICA (Conducción forzada). En esta conducción se deben instalar accesorios especiales como válvulas de purga en los puntos bajos para realizar las labores de limpieza periódica, y válvulas de expulsión de aire (ventosas) en los puntos altos.

Figura 5.9 Tubería por debajo de la línea piezometrica (Conducción forzada).

LAMINA DE AGUA COINCIDENTE CON LA LINEA PIEZOMETRICA (Conducción libre). En este caso se trata de una tubería fluyendo a tubo lleno o parcialmente lleno. Este caso no tiene tampoco problemas desde el punto de vista hidráulico pero es raro encontrar en este tipo de conducción.

Figura 5.10 Lámina de agua coincidente con la línea piezometrica (Conducción libre) TUBERIA POR ENCIMA DE LA LINEA PIEZOMETRICA. En este caso el tramo A-B, estará en condiciones de presión negativa, con lo cual sería difícil evitar la entrada de aire a la tubería. La presión entre los puntos A y B es menor que la presión atmosférica y por lo tanto no se puede instalar ventosas.

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Figura 5.11 Tubería por encima de la línea piezometrica TUBERIA POR ENCIMA DEL PLANO PIEZOMETRICO ESTATICO. Si la tubería se encuentra por encima del plano piezométrico estático y por debajo del plano piezométrico estático más la presión atmosférica total, se constituye un sifón y por lo tanto habrá la necesidad de la instalación del equipo necesario para cebar el sifón.

Figura 5.12 Tubería por encima del plano piezometrico estático

TUBERIA POR ENCIMA DEL PLANO ESTATICO DE PRESION ABSOLUTA. En este caso es imposible el flujo por gravedad y será necesaria la utilización del bombeo.

Figura 5.13 Tubería por encima del plano estático de presión absoluta Msc Ing. Abel A. Muñiz Paucarmayta

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