Instalación experimental para estudio

Presentación del tema: "Instalación experimental para estudio"— Transcripción de la presentación:

1 Instalación experimental para estudio
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

2 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.

3 Polietileno de Alta Densidad
Etano (C2H6) Gas Natural C Etileno (C2H4) Polietileno (-CH2-C-H2) n Extrusión y corte “Pellets”

4 La Tubería de Polietileno (PEAD) se produce por extrusión a partir de la fusión de una resina plástica Resina o “Pellets” Fusión 210°C Extrusión Enfriamiento Corte a medida

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6 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.

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8 Diseño para flujo establecido
EDH = 56 kg/cm2 (800 psi) esfuerzo de diseño para la resina PE 3608 (ASTM D 33350) Ejemplo: Si RD = 17 Pd = 7 kg/cm2 (100 psi)

9 Tabla de Presiones nominales para tubos fabricados comercialmente para la resina PE en función de RD RD P nom P nom/γ [psi] [kg/cm2] [mca] 7 267 18.8 188 9 200 14.1 141 11 160 11.3 113 13.5 128 9.0 90 15.5 110 7.8 78 17 100 7.0 70 19 89 6.3 63 21 80 5.6 56 26 64 4.5 45 32.5 51 3.6 36 41 40 2.8 28

10 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.

11 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.

12 Descripción de la Instalación experimental
D 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

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15 Mediciones realizadas
Caudal Q Placa orificio y manómetro de mercurio Presiones iniciales Manómetros tipo Bourdon Presiones transitorias Transductores de presión: 0 – psi (0 – 140 m) 0 – psi (0 – 700 m) Frecuencias de muestreo: 200 Hz 1000 Hz 2000 Hz

16 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 17 2.15 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

17 Primeras mediciones RD 17
Verificación del coeficiente de fricción para flujo establecido (valor típico n = 0.009) Serie v m/s n Manning- Gauckler-Strickler f Darcy-Weisbach 1 1.4 – 2.1 0.0079 0.0167 2 1.1 – 1.9 0.0083 0.0182 3 0.0181

18 Registro típico para Cierre Aguas Abajo

19 Primeras Mediciones Celeridad 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)

20 Celeridad medida en función de RD
7 9 11 17 21 26 32.5 41 c [m/s] 492 423 377 296 264 236 210 186 Nota: Para realizar estas pruebas se cuidó, que en ningún momento, se alcanzara la presión de vapor en la tubería.

21 Celeridad en función de RD

22 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

23 Registro adimensional para el Cierre Aguas Abajo

24 Registro adimensional para el Cierre Aguas Arriba

25 Resultados para RD 17

26 Objetivo: Alcanzar sobrepresiones relativas a más altas que en ensayos anteriores
Serie 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.

27 Resultados para RD 32.5

28 Presiones máximas alcanzadas para RD 41 y RD 60*
Serie RD [mca] Q [lt/s] V [m/s] hmáx Veces Pnom 2 41 28 8.3 0.89 91.4 3.26 14.3 1.54 138.8 4.96 3 60 19 7.6 0.79 45.8 2.41 11.2 1.17 56.8 2.99 15.2 1.59 71.5 3.76 18.1 1.89 74.9 3.94 14.5 1.56 108.8 3.89 16.0 1.72 114.5 4.09 17.7 1.91 127.6 4.56 18.9 2.04 132.3 4.72 20.0 2.15 20.7 2.23 140.9 5.03 *El RD 60 se fabricó especialmente para las pruebas

29 Presiones mínimas alcanzadas
Presión de vaporización en el lugar de los experimentos (San Luis Potosí, 1900 msnm) - 7.8 m Presión de colapso

30 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.

31 Tubería Colapsada

32 Tubería Recuperada

33 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.

34 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.

35 Conclusiones 3. Se lograron presiones instantáneas de reunión de columna de 2 a 5 veces la presión nominal, sin daño alguno para las tuberías.

36 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.

37 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.

38 Conclusiones 6. 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.