Soluciones sostenibles en redes hidráulicas enterradas (I)
Martes, 11 Agosto, 2020¿Cuándo un producto puede ser considerado sostenible? Cuando satisface las necesidades de las generaciones presentes sin comprometer las posibilidades de las del futuro para atener sus propias necesidades. En este sentido, es importante que dicho producto tenga un ciclo de vida largo (que sea duradero), pero, al mismo tiempo, que durante ese ciclo de vida, el consumo de recursos sea mínimo, en particular el gasto energético, igual que mínima deber ser su repercusión en el entorno social y medioambiental.
La creciente preocupación por el consumo energético y el respeto al Medio Ambiente nos encamina a desarrollar materiales con una serie de características que contribuyan a una alta sostenibilidad del producto. Con este criterio, Adequa trabaja en la fabricación de tuberías para sistemas de redes enterradas que, en su ciclo de vida (materias primas, fabricación, transporte, diseño hidráulico, instalación y manipulación), aporten soluciones que favorezcan el ahorro energético y la reducción de emisiones de CO2, contribuyendo así a la mejora del Medio Ambiente y consiguiendo una mayor eficiencia energética en las redes hidráulicas, tanto para abastecimiento como para saneamiento.
El desarrollo de las instalaciones hidráulicas debe tener en cuenta determinadas exigencias sociales y medioambientales. Un sistema hidráulico debe estar diseñado y ejecutado para conseguir los niveles de durabilidad, de ahorro energético y de protección del Medio Ambiente que demanda nuestra sociedad actual, aunque, al mismo tiempo, debe contribuir a preservar al máximo los recursos disponibles para las generaciones futuras.
Estos requisitos han influido de forma muy significativa en el desarrollo de nuevos sistemas de tuberías, en los que la composición, la estructura y la morfología de los tubos, como el diseño de los diferentes componentes de la red tienen por objetivo conseguir instalaciones más seguras, más duraderas, más estancas y con menores costes de explotación.
Esta optimización de las características de la instalación se puede conseguir, además, con materiales que producen un menor consumo energético y, por tanto, una menor emisión de CO2 a la atmósfera durante todo el ciclo de vida de dicha instalación.
En definitiva, la elección de los materiales empleados en las redes hidráulicas debe contribuir también a un desarrollo sostenible de cara a las necesidades futuras. En este sentido, los materiales plásticos presentan numerosas ventajas que inciden positivamente en los requisitos mencionados y que detallamos a continuación.
Características de las conducciones plásticas en redes enterradas
El uso de materiales plásticos en las tuberías hidráulicas tiene múltiples ventajas:
- Resistencia química. Las tuberías plásticas poseen resistencias muy altas frente a los terrenos agresivos y frente a los productos presentes en las aguas que transportan.
- Ausencia de corrosión. Los plásticos en general son inertes a los efectos de la corrosión. Esto supone una ventaja importante, ya que el material de las conducciones no debe oxidarse por corrosión aerobia ni sufrir corrosión anaerobia provocada por componentes de las aguas circulantes y de los terrenos circundantes.
- Resistencia a la abrasión. Las conducciones deben ser resistentes a la abrasión del agua. Los menores valores de rugosidad interna de las tuberías plásticas repercuten de forma favorable en su comportamiento frente a la abrasión.
- Deposiciones e incrustaciones. La falta de porosidad de la superficie interna de las tuberías plásticas evita que se produzcan incrustaciones de materiales que el agua contiene o arrastra.
- Rendimiento y costes de instalación. Las tuberías plásticas son, en general, muy ligeras. Esta característica redunda en cotes de manipulación y montaje muy bajos, ya que se obtiene un importante ahorro tanto en la maquinaria como en el personal necesario durante la instalación. Además, el bajo peso incrementa muy considerablemente el rendimiento de la obra, lo que produce una reducción del plazo y, por tanto, de los costes fijos, lo que puede ser determinante para la viabilidad económica del proyecto.
- Seguridad en el montaje. Otra ventaja del bajo peso de estas tuberías es la mayor seguridad del personal que realiza la instalación. Para tuberías profundas, donde es necesario realizar la entibación de las paredes de la zanja, el tiempo de permanencia de los operarios en la misma es crítico para la seguridad en la obra.
- Flexibilidad de la conducción. Con frecuencia, las conducciones de una red se ven sometidas a esfuerzos y deformaciones producidos por asentamientos diferenciales del terreno, lo cual no debe ser causa de roturas o de fugas. Una conducción plástica de uniones elásticas se adapta a los asentamientos, absorbiendo fácilmente las tensiones producidas.
- Golpe de ariete. La sobrepresión generada por el golpe de ariete depende directamente del módulo de Young o módulo elástico del material. En los materiales plásticos, el valor del módulo elástico es sensiblemente más bajo que en otros materiales, por lo que el efecto del golpe de ariete es menor. Se reduce así la posibilidad de roturas en la aperturas y cierres delas redes y en los arranques de las impulsiones.
Además de las características anteriores, en una conducción hidráulica se deben tener en cuenta otros factores que repercutirán muy decisivamente en el funcionamiento y ahorro económico de la red y en la vida de la instalación, tales como la resistencia mecánica del material de la conducción, la capacidad hidráulica de la tubería o la estanqueidad del sistema de unión entre tubos.
A continuación, describimos dos soluciones desarrolladas desde hace ya tiempo por la empresa Adequa, ambas de aplicación en instalaciones de riego. Una para conducciones con presión interior, de aplicación en redes de distribución e impulsiones, y otra para conducciones por gravedad, como en las tuberías que se utilizan como sustitución de las acequias convencionales.
En ambos casos, se consigue una mejora importante de los factores mencionados, al tratarse de productos de muy alta sostenibilidad que optimizan el funcionamiento, el coste y la durabilidad de la instalación.
Optimización de redes de agua con presión. Tuberías de PVC-O
El PVC es un polímero de estructura amorfa constituido por macromoléculas dispuestas de forma aleatoria. Si al PVC se le somete a un estiramiento controlado bajo determinadas condiciones de presión, temperatura y velocidad, es posible ordenar las macromoléculas en la dirección en la que se ha producido dicho estiramiento.
Se consigue, de esta forma, la orientación molecular del polímero, lo que proporciona un incremento muy considerable dela resistencia mecánica, dando lugar además a otras mejoras importantes en el comportamiento del material, como más adelante se detalla.
El nuevo material se denomina PVC-O para distinguirlo del material original, PVC, también llamado PVC-U. Según sea el valor del estiramiento producido, mayor o menor será la orientación molecular, por lo que pueden obtenerse diferentes niveles de comportamiento del material en función del llamado grado de orientación.
En el caso de las tuberías, en la normativa correspondiente a las tuberías de PVC-O, el diferente grado de orientación molecular da lugar a distintas “clases de material” que se clasifican según su MRS (Resistencia Mínima Requerida).
La clase 500, que es la clase de material más alta contemplada en la norma del producto, se corresponde con las propiedades del material de mejor comportamiento de entre todas las posibles.
Con el proceso de orientación, la tubería adquiere unas extraordinarias propiedades físicas y mecánicas, manteniendo las ventajas químicas del PVC. Ello da lugar a una vida útil casi interminable.
Resistencia mecánica
- Resistencia a tracción. Si consideramos la curva Esfuerzo-Deformación de los materiales termoplásticos, podemos observar el diferente comportamiento que tienen unos respecto a otros (ver gráfica en artículo completo de Cimbra online).
La orientación molecular produce una transformación del comportamiento del material en su cuerva Esfuerzo-Deformación. En el extremo, con una orientación máxima como la que corresponde a la tubería de la clase 500, las diferencias se acentúan al máximo, dando lugar a un comportamiento en el que el material prácticamente trabaja solo en la fase elástica y el límite elástico se sitúa casi en el propio límite de rotura, siendo éste de un valor del orden del doble del que corresponde al PVC-U.
El comportamiento es muy parecido al de los metales. Pese a estar fabricada en un material plástico, su comportamiento es casi 100% elástico, lo que la convierte en una solución de una garantía altísima (al combinar la excepcional resistencia mecánica con un magnífico comportamiento químico e hidráulico, propio de los materiales plásticos).
- Resistencia hidrostática a largo plazo. Los materiales plásticos poseen el efecto llamado de fluencia, en el cual un esfuerzo constante aplicado sobre el material produce una caída en el tiempo de su resistencia mecánica, de acuerdo con la curva de regresión del material.
Las tuberías orientadas presentan unas curvas de regresión más plana fque las que presentan otros materiales plásticos como el PE100 o el PVC-U, tanto más planas cuanta más alta es la clase de material del PVC-O.
En el PVC-O clase 500, la fluencia es muy pequeña y la resistencia mecánica es la más alta. Podemos asegurar que estamos ante una tubería capaz de soportar las presiones de trabajado durante más de 100 años.
- Resistencia al impacto. Una de las propiedades más espectaculares de las tuberías fabricadas en PVC-O es su elevada resistencia al impacto. Esta es una característica fundamental de cara a la fiabilidad de la conducción, ya que permite asegurar que no se producen daños durante la fase de instalación.
Con unos niveles de resistencia muy superior al os requeridos en cualquier normativa, la tubería Adequa Uratop es prácticamente irrompible frente a los golpes e impactos que puedan producirse durante la ejecución de la obra.
Capacidad hidráulica
La reducción de espesores en las tuberías de PVC-O supone incrementar los diámetros interiores y, por tanto, las secciones de paso de dichas conducciones. La reducción del espesor es tanto mayor cuanto mayor sea el grado de orientación y, por tanto, las tuberías de la clase 500 son las que tienen mayor diámetro interior, optimizando de esta manera la capacidad hidráulica de la conducción.
Por otro lado, la superficie interior del tubo es extremadamente lisa, incluso más que la del PVC-U por el efecto de alisado que produce el estiramiento del material. Esto hace que se reduzcan las pérdidas de carga por el rozamiento del agua con la tubería y, además, se dificulta mucho la formación de deposiciones o incrustaciones en las paredes de la misma.
Por los motivos expuestos, la capacidad hidráulica se mantiene en los niveles más altos, superando en eficiencia a cualquier otra solución alternativa. Esto supone que la tubería sea la que mayor caudal transporte o bien que, para el mismo caudal, la solución PVC-O clase 500 podrá reducir el diámetro del tubo, optimizando la rentabilidad y el coste de inversión de la instalación.
Por otro lado, para un mismo caudal, la menor pérdida de carga indica que la instalación tiene una menor altura manométrica a efectos de cálculo hidráulico y, por ello, de consumo (en el caso de conducciones forzadas).
Golpe de ariete
El golpe de ariete en una conducción se produce cuando la vena de agua que circula por la misma se genera o se detiene de forma brusca, lo que puede deberse al arranque o parada de una bomba, a la apertura o cierre súbito de una válvula, al desplazamiento del aire ocluido en la tubería, etc. Este hecho se manifiesta mediante una sobrepresión que puede llegar a ser de gran magnitud y reventar la tubería, sobre todo si ésta lleva ya tiempo en servicio o está dañada.
Debido al tipo de material y al espesor del tubo, la celeridad de la onda del golpe de ariete en la tubería PVC-O clase 500 es menor que en el resto de los materiales, pudiendo ser de hasta cuatro menos si la comparamos con la tubería de fundición dúctil. Ello da lugar a que las sobrepresiones por golpe de ariete sean mucho menos con PVC-O clase 500. Este hecho, unido a la altísima resistencia mecánica del material, nos permite asegurar que esta tubería es prácticamente irrompible ante este fenómeno.
Estanqueidad
La estanqueidad de la conducción es un factor determinante para asegurar, por un lado, un correcto funcionamiento de la red sin sobrecostes por fugas de agua y, por otro, una elevada vida útil de la instalación. Los sobrecostes asociados a las fugas de agua pueden llegar a ser muy importantes.
Cuando hay fugas, no solamente se pierde agua, sino también toda la energía consumida en los tratamientos previos, y la cual se necesita para llevar el agua hasta el punto en el que se ha producido la incidencia.
Para asegurar una correcta estanqueidad, no solo la unión entre los tubos debe ser fiable, sino que el procedimiento para conseguir una correcta conexión debe ser sencillo y depender lo menos posible de la pericia del operario que realiza el montaje.
En el caso de la tubería PVC-O clase 500, la unión entre tubos se realiza mediante un anillo compuesto por una junta elastomérica y un arillo autoblocante. Una vez que en la fábrica se ajusta dicho anillo a la embocadura del tubo, después es prácticamente imposible moverlo de su alojamiento.
El sistema de unión se realiza mediante la introducción del extremo macho del tubo en la embocadura del otro y la especial configuración de la junta asegura una total estanqueidad.
Autor: Juan Pastor Martín, Gerente de Productos de Infraestructuras de Adequa.
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