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tuberia de impulsion
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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS
(Universidad del Perú, DECANA DE AMÉRICA)
FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS
E.A.P DE INGENIERÍA MECÁNICA DE FLUIDOS
“Diseño Hidráulico de la Tubería de Presión de la Central
Hidroeléctrica La Koya”
KARLA CARQUIN CHAVEZBachiller en Ingeniería Mecánica de Fluidos
Monografía Técnica para optar el Título Profesional de Ingeniero Mecánico
de Fluidos en la Modalidad M-3
Lima – Perú
Año: 2014
1
PRESENTACIÓN
De acuerdo al Reglamento de Grados y Títulos que cumple la
Universidad Nacional Mayor de San Marcos y, habiendo culminado el
Cuso de Actualización Profesional N° VIII; se presenta la Monografía
técnica titulada “Diseño Hidráulico de la Tubería de Presión de la Central
Hidroeléctrica La Koya”.
Agradezco el apoyo de los docentes tanto del curso de
actualización profesional como el de los que guiaron mi carrera
universitaria durante mis años de estudio en la Escuela Académico
Profesional de Ingeniería Meánica de Fluidos.
2
Dedico este trabajo a mis padres que con
su abnegado apoyo han permitido que
realice mis estudios profesionales.
A mis profesores en la Escuela Académico
Profesional de Ingeniería Mecánica de Fluidos por sus
valiosas enseñanzas y dedicación a los alumnos.
3
INDICE
CAPITULO I: ASPECTOS GENERALES 4
1.1 GENERALIDADES 4
1.2 OBJETIVOS 4
1.2.1 Objetivo General 4
1.2.2 Objetivos Específicos 4
1.3 UBICACIÓN 4
1.4 CONDICIONES CLIMÁTICAS 6
1.5 VIAS DE ACCESO 6
CAPITULO II: FUNDAMENTOS TEORICOS Y TECNICOS DE LAS TUBERIAS
DE PRESION 7
2.1 TUBERÍA DE PRESIÓN 7
2.1.1 Materiales 8
2.1.2 Número de Tuberías 10
2.1.3 Diámetro de la Tubería 11
2.2 PÉRDIDA DE CARGA 12
2.2.1 Perdida por fricción 12
2.2.2 Pérdida en la Rejilla 15
2.2.3 Perdida por Ingreso 22
2.2.4 Perdidas por Cambio de Dirección (Codos) 23
2.2.5 Perdida por Bifurcación 24
2.2.6 Perdida por Válvulas 26
2.3 ESPESOR DE LA TUBERIA 31
2.3.1 Esfuerzos longitudinales y circunferenciales del conducto 31
2.3.2 Espesor Mínimo 33
2.4 JUNTAS DE DILATACION 33
2.5 PESO 35
2.6 COSTOS 36
2.7 APOYOS 36
1
2.8 CONTROL DE SOLDADURAS 37
2.9 ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS EN TUBERIAS (E.N.D.) 38
2.10 PRUEBA HIDRAULICA 41
2.11 PINTURA DE LA TUBERIA 44
CAPITULO III: DISEÑO HIDRAULICO DE LA TUBERIA DE PRESION PARA LA
C. H. LA KOYA 45
3.1 GENERALIDADES DEL PROYECTO 45
3.2 POTENCIA Y ENERGÍA 45
3.3. DESCRIPCIÓN DEL ESQUEMA HIDRAULICO 46
3.4. DISEÑO DE LA TUBERÍA DE PRESIÓN 47
3.4.1. Cálculo del Diámetro 48
3.4.2. Diámetro Económico 48
3.4.3. Cálculo de Pérdidas de Energía 50
3.4.4 Cálculo de la Altura Neta 52
3.4.5 Cálculo del Espesor de la Tubería 53
3.4.6 Análisis de Transitorios 56
3.4.7. Distancia entre Apoyos 57
3.4.8. Válvula de Emergencia 57
CAPITULO IV: CONCLUSIONE S Y RECOMENDACIONES 60
ANEXOS
2
INTRODUCCIÓN
Una tubería de presión es uno de los componentes de un proyecto de central
hidroeléctrica, el cual estará sometido a presiones del agua que circula hacia las
turbinas, también debe resistir las sobrepresiones o golpe de ariete debido a los
arranques y paradas de la central.
La presente monografía mostrará los cálculos realizados con el fin de realizar
el correcto diseño hidráulico de la tubería de presión de la Central Hidroeléctrica La
Koya, que operará con un caudal de diseño de 3.5 m3/s, con una caída bruta de
272.21m. y con una potencia instalada total de 7,662 KW. Como parte de los
estudios básicos, se realizaron los levantamientos topográficos, el estudio
hidrológico en los puntos de captación; y el estudio geológico-geotécnico del área
del proyecto.
El cálculo de la tubería se ha realizado según el código ASME sección VIII,
divisiones 1 y 2; y en base a acero ASTM A-36, sin embargo, se recomienda que de
acuerdo a las normas existentes, se deba hacer el replanteo en obra revisando el
diseño y la topografía del terreno.
3
CAPITULO I: ASPECTOS GENERALES
1.1 GENERALIDADES
El proyecto de la Central Hidroeléctrica LA KOYA, tiene una caída bruta de 267 m,
operando con un caudal de 3.5 m3/s, y con una potencia instalada total de 7,800
KW.
Se ha efectuado la evaluación y selección de la tubería de presión para unir la
cámara de carga y las turbinas Pelton diseñadas.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo General
Elaborar el diseño hidráulico de la tubería de presión de la Central Hidroeléctrica La
Koya ubicada en el Distrito de San Francisco de Asis de Yarúsyacan, Provincia de
Pasco, Departamento de Pasco.
1.2.2 Objetivos Específicos
Determinar el diámetro más adecuado de la tubería de presión.
Determinar el espesor de la tubería de presión considerando el efecto del golpe de ariete.
Determinar las Juntas de Dilatación que sean necesarias
1.3 UBICACIÓN
Ubicación Geográfica
Norte : 8’838,500 y 8’843,500
Este : 370,000 y 371,500
Altitud : 3,264 m.n.s.n.
Ubicación Política
Región : Pasco
Departamento : Pasco
Provincia : Pasco
Distrito : San Francisco de Asís de Yarusyacán
4
Foto N° 01: Ubicación del Proyecto (Mapa Provincial de Pasco)
5
UBICACIÓN DEL PROYECTO
UBICACIÓN DEL PROYECTO
1.4 CONDICIONES CLIMÁTICAS
La ciudad de San Francisco de Asis de Yarusyacán se encuentra aproximadamente
a 57 Km. de Cerro de Pasco y a 324 Km. de la capital Lima, sobre una altura de
2,941 m.s.n.m., su clima templado, varía entre los 6° C hasta 21° C con una
temperatura promedio anual de 12.2º C. Está ubicada en un valle formado por
pequeñas vertientes, constituyéndose áreas de cultivos en ladera. Las estaciones
del año son bien marcadas, las lluvias son abundantes durante el verano, de
Diciembre y Marzo, el estiaje se presenta de Mayo a Septiembre, con heladas entre
los meses de Junio a Agosto.
1.5 VIAS DE ACCESO
Se accede desde la ciudad de Lima, por la carretera Central con dirección a
Huánuco, vía asfaltada, pasando por la Oroya, Cerro de Pasco y continúa hasta el
distrito de Huariaca, y los distritos pasqueños de Ticlacayán y Yarusyacán, con un
recorrido total aproximado de 340 km.
6
CAPITULO II: FUNDAMENTOS TEORICOS Y TECNICOS DE LAS TUBERIAS DE PRESION
2.1 TUBERÍA DE PRESIÓN
Para centrales de generación hidráulica, las tuberías de presión son
estructuras que tienen por finalidad conducir el agua desde la cámara de
carga hasta las turbinas en la casa de máquinas.
Las tuberías de presión deben ser resistentes a la presión estática, a la sobre
presión por golpe de ariete y a la flexión sobre sus apoyos; deben ser
impermeable, no presentar fugas de agua, sobre todo para alta presión y
finalmente deben ser resistente a la comprensión y dilatación, por el peso
propio del tubo y por cambios de temperatura.
Gráfico N° 01: Central Hidroeléctrica Tipo (Imagen referencial)
7
2.1.1 Materiales
Una tubería de presión puede ser fabricada de diversos materiales,
tales como: madera, concreto, PVC, polietileno, planchas de acero
Tubería de PVC (Polivinil Chloride ó Policloruro de Vinilo )
Se utiliza para pequeñas Centrales Hidroeléctricas, en el Perú se
fabrican tubos de clase 5, 7.5, 10 y 15 (presiones de trabajo: 5
Kg/cm2,7.5Kg/cm2, 10 Kg/cm2, 15 Kg/cm2), se fabrican en tubos de 5m
y hasta 12” de diámetro, la unión de los tubos se hace con
pegamentos y por el sistema de campana y espiga, las pérdidas de
carga en tubos de PVC son inferiores a las de acero, y el costo de
una tubería de PVC es casi la tercera parte de una tubería de acero.
Tubería de acero
Es la tubería universalmente usada para Centrales Hidroeléctricas, es
un acero comercial que se fabrica en planchas y pueden durar como
mínimo 20 años, las planchas deben rolarse para ensamblarse
mediante bridas o soldadura, en general la tubería de acero es la
mejor solución para saltos elevados y grandes caudales. Los tubos
son más pesados, difíciles de transportar y su montaje requiere de
equipo especial y personal experimentado; requiere de un replanteo
topográfico cuidadoso a fin de tener un alineamiento exacto con los
apoyos y anclajes en caso contrario se tendrá que efectuar
excavaciones excesivas, reconstruir apoyos o cambiar los esfuerzos
por cambio de temperatura. En el Cuadro N° 01 se muestran las
propiedades de algunos materiales:
Cuadro N° 01: Propiedades de los Materiales
MATERIALMODULO YOUNG
E (Kgf/cm2)COEFICIENTE EXPANSION
LINEAL C1 (m/mºc)PESO ESPECIFICO
(Kgf/m3)
Acero
Fierro fundido
21 x 105
8 x 105
12 x 10-6
10 x 10-6
7,900
7,200
8
Fierro dulce
Concreto
PVC
17 x 105
2 x 105
0.28x105
11 x 10-6
10 x 10 –6
54 x 10-6
7,300
1800 a 2,500
1,400
Según la ASCE Manuals and Reports on Engineering Practice en el
libro Steel Penstocks, los materiales más usados se pueden ver en el
Cuadro N° 02.
9
Cuadro N° 02: Materiales más Usados
N° de
EspecificaciónGrado
Mínimo
Esfuerzo de
Fluencia (ksi)
Esfuerzo a
la Rotura
(ksi)
Observaciones
ASTM A36 - 36 58-80 Estructural
ASTM A53 B 35 60
Tipo E & S
especificación de
tubería
ASTM A516
55 30 55-75PVQ
Sobre 1½” es
normalizado
60 32 60-80
65 35 65-85
70 38 70-90
ASTM A283
A 24 45-60
EstructuralB 27 50-65
C 30 55-70
D 33 60-75
ASTM A537
CL-1 PVQ es
normalizado
CLS-2 es templado y
revenido
CL-1 50 70 2 ½” y menores
CL-1 45 65 Sobre 2 ½” hasta 4”
CL-2 60 80 2 ½” y menores
CL-2 55 75 Sobre 2 ½” hasta 4”
CL-2 46 70 Sobre 4” hasta 6”
50 50 65 Sobre ¾”
50(S81) 50 70 ¾” y menores
60 60 75 Máximo 1 ¼”
2.1.2 Número de Tuberías
Depende del número de turbinas a instalar y según la necesidad de
mantener independencia en el funcionamiento de la turbinas.
En el caso de la Central Hidroeléctrica Cañón del Pato, en Huaraz,
esta cuenta con 6 tuberías verticales y por cada una de ellas circula 8
10
m3/s, cada tubería alimenta a 2 turbinas Pelton de 12.5 MW cada una,
la central consume 48 m3/s para una caída útil de 400m.
2.1.3 Diámetro de la Tubería
El diseño de la tubería de presión es un proceso analítico, se inicia
considerando varios posibles diámetros para velocidades permisibles,
el análisis empieza calculando las pérdidas que cada diámetro
ocasionarían para cumplir la función de trasportar el caudal de diseño
y el costo que se obtendría por la venta de esta energía perdida,
luego calcular el costo de construcción y mantenimiento de toda la
tubería.
Para un diseño preliminar se emplea:
Dónde:
D diámetro de la tubería en m
Q Caudal de diseño en m3/s
H Altura bruta en m
Las velocidades del agua en la tubería deben estar entre 3 m3/s a 6
m3/s y las pérdidas de carga deben estar entre el 2% al 5% de la
altura bruta, sin embargo algunas veces estos valores pueden variar
pero por ningún motivo deben ser mayores al 10% de la altura bruta.
11
Para un diámetro económico se evalúa como sigue:
D = 0.85 * Q 0.43 * L 0.14 / H 0.2
Dónde:
D diámetro de la tubería en m
Q Caudal de diseño en m3/s
L Longitud de la tubería en m
H Altura bruta en m
2.2 PÉRDIDA DE CARGA
El cálculo de la pérdida de carga se efectúa considerando: perdida en la rejilla
de entrada, perdida por ingreso a la tubería, perdida por rozamiento o fricción
en la tubería y perdida por codos.
2.2.1 Perdida por fricción
De ellas, la más importante es la de fricción por longitud:
Dónde:
hf pérdida de carga por fricción, en m
f factor de fricción de Darcy, adimensional
12
L longitud de la tubería, en m
V velocidad promedio, en m/s
D diámetro de la tubería, en m
g aceleración de la gravedad, en m2/s
El valor de f se puede calcular resolviendo la ecuación de Colebrook-
White o también se puede obtener con la ayuda del Diagrama de
Moody, como se muestra en el Gráfico N° 01:
Dónde:
f factor de fricción de Darcy, adimensional
ع rugosidad absoluta, adimensional
D diámetro de la tubería, en m
Re Número de Reynolds, adimensional
Los diámetros más usuales son:
Cuadro N° 03: Diámetros usuales
D(mm) 152 203 254 304 355 381 457 482 558 711 914 1,219
D(pulg) 6” 8” 10” 12” 14” 15” 18” 19” 22” 28” 36” 48”
13
Gráfico N° 02: Diagrama de Moody
14
2.2.2 Pérdida en la Rejilla
En la cámara de carga se coloca una rejilla como elemento de
seguridad contra los elementos extraños que pueden ingresar a la
tubería pero a su vez esta rejilla produce una pérdida de carga que
puede ser cuantificada por diversos métodos y formulas:
Foto N° 02: Pérdida en la Rejilla
Las rejillas están formadas por paneles de platinas verticales ó con
una pequeña inclinación (75º con la horizontal 1:1/4), esto último
facilita la limpieza.
La separación entre platinas es de eje a eje, cuando el material es
fino la separación es de 3 cm. a 10 cm. y cuando el material es
grueso puede llegar hasta 20 cm., la de menor separación va en la
parte inferior y la mayor en la parte superior.
El número de barras se puede calcular como:
N = - 1
15
Dónde:
N número de barras de la rejilla
a ancho hidráulico de la ventana, en m
b espacio entre barras, en m
Para captación por una tubería o en el caso de Sifones, se coloca una
rejilla compuesta de barrotes verticales para impedir la entrada del
material flotante y de piedras mayores al espacio entre varillas.
Las varillas deben ser resistentes al impacto de troncos y otro
material flotante grueso que ocasionalmente es traído por las
avenidas, por tal motivo se fabrican de rieles, fierro de construcción,
con espaciamiento de 5 cm a 10 cm., espesor mínimo 1/8”, también:
3/8”, 1/2“, 5/8”, ¾”, 1”.
Foto N° 03: Rejilla con barrotes verticales Gráfico N° 03: Barrotes verticales
L = 4” = 10 cm. (también 5 cm) b = 4” = 10 cm. S = ½“= 1.27cm.
16
Para sostener los barrotes en la parte superior se diseña una viga o
una losa de concreto armado que debe resistir su peso propio, carga
móvil y el empuje horizontal de la corriente, esta losa apoya en sus
muros extremos o si es muy largo se construyen muros o pilares
intermedios dividiendo la rejilla en varios tramos.
La pérdida de carga que produce una rejilla depende de:
El ancho “S” de los barrotes
El espaciamiento “b” entre barrotes
La longitud “L” de los barrotes
La forma del perfil de la barra
El ángulo de inclinación “ de la rejilla
El tipo de material flotante
La magnitud o proporción del área de los paneles que hacen
rígida la rejilla (platinas para fijar los extremos).
Gráfico N° 04: Pérdida de carga en la Rejilla
a)
Formula de KIRSCHMER.- Para rejillas parcialmente sumergidas y flujo normal al plano de la rejilla:
= K K =
17
Dónde:
Coeficiente que depende de la forma de la barra
= ángulo de la rejilla con la horizontal
V = Velocidad de aproximación a la rejilla, en m/s
La velocidad V debe estar entre 0.60 m/s a 1.20 m/s, para obras
grandes se puede tener un máximo de 2.5 m/s
Cuando hay material flotante se corrige la velocidad con:
V0 = V
K
Gráfico N° 05: Velocidad de aproximación a la rejilla
b) Formula de HOUK (USBR)
18
Dónde:
Perdida de carga, en pulgadas
S espesor del barrote, en pulgadas
V velocidad de ingreso a través de la rejilla, se
recomienda V = 1 m/s, en pies/s
b espaciamiento entre ejes de cada barrote, en pulgadas
Ángulo de la rejilla con la horizontal
α Ángulo de ingreso o desviación frontal
V Velocidad de aproximación a la rejilla, en m/s
Para = 0 (sin desviación frontal)
c) Formula de CREAGER.- Se aplica para rejillas
completamente sumergidas
K = 1.45 – 0.45 ( ) –
Dónde:
An = área neta de paso entre las barras, en m2
19
Ab = área bruta de la estructura y los soportes que están
dentro del área hidráulica, en m2
Vn = Velocidad neta a través del área neta de la rejilla y
dentro del área hidráulica, en m/s
Esta ecuación no tiene en cuenta la forma de la barra y el
ángulo de la rejilla, es para rejillas parcialmente obstruidas,
sus resultados son más conservadoras que otras ecuaciones.
d) Formula del WES y LEVIN ( WES = Water Ways
Experiment Station del U.s. Army Engineers)
Dónde:
f (p) coeficiente de obstrucción
Coeficiente de forma la barra
p área neta / área total
Cuadro N° 04: Cálculos para formula de WES y LEVIN
p 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40
f(p)β 0.01 0.07 0.16 0.285 0.45 0.65 0.87 1.14
f(p)β 0.025 0.1 0.185 0.285 0.42 0.57 0.79 1.05
20
e) Formula de BEREZINSKI.- Es bastante completa
= 8 + 2.3 + 2.4
Dónde:
Kd = coeficiente que toma en cuenta el grado de
obstrucción.
Kp = coeficiente de forma de las barras.
p = coeficiente de obstrucción que es la relación entre el
área ocupado por las barras, vigas de apoyo y otros
elementos estructurales, además, de obstrucciones
propias de la reja (basura, ramas, troncos).
V = velocidad media a través de la reja V 1 m/s.
Cuadro N° 05: Coeficientes Kd y Kp
Kd Tipo de rejilla Kp Forma de las barras
1.1 a 1.2 Modernas y automáticas 0.51 Rectangulares
1.5 Rejillas antiguas 0.35 Circulares
2 a 4 Rejillas con limpieza manual 0.32 Alargadas y extremos semicirculares
f) Formula de MOSONYI.- Es similar a la fórmula de Kirschmer
pero afectado por
Cuando hay un ángulo de desviación frontal, la perdida por
rejillas es mayor que en el caso de flujo normal al plano de
rejillas.
21
= f ,
Gráfico N° 06: Velocidad de β para flujo inclinado (Mosony)
2.2.3 Perdida por Ingreso
Los ingresos a la tubería se efectúan de diversa manera; de acuerdo
a la forma del ingreso se tendrán diferentes pérdidas que afectan la
altura útil de la turbina. Si el ingreso es recto las pérdidas son
mayores, por tal motivo se recomienda ingresos redondeados
denominados Toberas de admisión.
Foto N° 04: Diseño de una tobera de admisión.
22
En general la pérdida de carga se calcula con la siguiente formula:
Los valores de son tomados de la siguiente tabla:
Gráfico N° 07: Coeficiente de forma.
Bordes Entrantes Bordes Agudos
Bordes Ligeramente
Redondeado
(r radio de curvatura)
Borde
Acampanado
(perfectamente
redondeado)
2.2.4 Perdidas por Cambio de Dirección (Codos)
Cuando un flujo llega a un codo, las partículas por su velocidad
tienden a conservar su dirección, debido a este fenómeno se crea
remolinos en el codo causando una reducción en el área de paso del
flujo y causando una pérdida de carga.
Se tiene la fórmula:
23
hc = pérdida de carga en codo (m)
= Ángulos de deflexión
Vs= velocidad del flujo en el Sifón (m/s)
2.2.5 Perdida por Bifurcación
Se llama bifurcación a la parte de la tubería donde se ramifica dos o
más tuberías con el propósito de dividir el caudal.
Gráfico N° 08: Forma de la bifurcación.
Foto N° 05: Bifurcación.
24
Las pérdidas ocasionadas por la diversificación del flujo en el
pantalón se pueden calcular mediante la siguiente formula:
El Coeficiente de pérdida por bifurcación se puede calcular mediante
la siguiente tabla:
Cuadro N° 06: Cálculo del coeficiente de bifurcación.
25
2.2.6 Perdida por Válvulas
En centrales hidroeléctricas se usan principalmente 3 tipos de
válvulas, la evaluación de la pérdida de carga que originan estas
válvulas se puede calcular con:
Donde los valores de varían dependiendo del tipo y diámetro de la válvula así también como el grado de apertura de la válvula.
26
a) Válvula tipo Compuerta.
El elemento de cierre de este tipo de válvula es una compuerta
de forma rectangular o circular, también en este tipo de válvula
están las válvula compuerta tipo cuña. Esta válvula se desliza
atreves de una ranura o guías practicadas en el cuerpo de la
válvula. En posición de cierre la compuerta garantiza una buena
estanqueidad y en completa apertura una pérdida localizada muy
baja, pero en posiciones intermedias las solicitaciones
estructurales son severas que pueden dañar el mecanismo de
cierre o sello hidráulico, por lo que su uso es en instalaciones de
no muy gran diámetro.
Gráfico N° 09: Tipos de Válvula Tipo Compuerta.
Cuadro N° 07: Coeficientes de pérdida para válvula tipo compuerta.
A B
0.1 0.05 0.05
0.2 0.06 0.09
0.3 0.17 0.39
0.4 0.44 0.95
0.5 0.98 2.08
0.6 2.06 4.02
0.7 4.60 8.12
27
A B
0.8 10.00 17.00
0.9 35.00 44.50
0.95 97.80 191.00
1.00 ∞ ∞
Foto N° 06: Válvulas Tipo Compuerta.
28
Gráfico N° 10: Esquema Válvula Tipo Compuerta.
b) Válvula tipo Mariposa.
Está constituido por una placa circular, la cual gira alrededor
de un eje que puede ser operado manual y/o de forma
automática por dispositivos eléctricos o hidráulicos, el rango
de operación de funcionamiento libre de vibración y cavitación
es relativamente estrecho por lo que esta válvula es utilizada
normalmente como una válvula de mantenimiento de otros
dispositivos por la baja relación diámetro – peso y la perdida
de carga de válvula completamente abierta es relativamente
abajo en comparación de otras válvulas.
Gráfico N° 11: Tipos de Válvula Mariposa.
29
Foto N° 07: Válvula Mariposa.
Gráfico N° 12: Esquema Válvula Mariposa.
Cuadro N° 08: Coeficiente de pérdidas para válvulas Mariposa.
5º 0.24 45º 18.70
10º 0.52 50º 32.60
20º 1.54 60º 118.00
30º 3.90 70º 751.00
40º 10.80 90º ∞
b) Válvula esférica.
Este tipo de válvulas el obturador es de forma esférica,
provisto de una perforación del mismo diámetro de la tubería
por lo que la válvula completamente abierta tiene baja perdida
30
de carga, también este dispositivo puede ser usado para el
control del caudal y de la presión. Una de las desventajas que
tiene esta válvula es que el peso se incrementa con el
diámetro, que tiene que ser tomada en cuenta para el tamaño
y disposición de flete en el proyecto.
Foto N° 08: Posiciones en Válvula Esférica
Cuadro N° 09: Coeficiente de perdidas Válvulas Esféricas.
5º 0.05 40º 17.30
10º 0.29 45º 31.20
15º 0.75 50º 52.60
20º 1.56 55º 106.00
25º 3.10 60º 206.00
30º 5.47 65º 486.00
35º 9.68 82º ∞
Gráfico N° 13: Válvula Esférica.
31
2.3 ESPESOR DE LA TUBERIA
2.3.1 Esfuerzos longitudinales y circunferenciales del conducto
Es común en el diseño de la tubería de presión establecer un
coeficiente de reducción de la resistencia del material para luego
proceder al análisis del espesor utilizando la máxima presión en la
tubería más el incremento de sobrepresión por golpe de ariete, de
esta forma se calcula el espesor de la tubería por tramos de acuerdo
a la altura.
El espesor de una tubería se diseña de tal forma que resista las
presiones máximas que se presenten. Para Centrales Hidroeléctricas
las tuberías se analizan como tubos de pared delgada: e < D/10
Las presiones de los fluidos producen tensiones en el material, las
cuales son de 2 tipos: Esfuerzos transversales y esfuerzos
longitudinales
Gráfico N° 14: Esfuerzos.
32
La carga principal que tiene que soportar la tubería forzada es la
presión interna y su análisis se lleva a cabo mediante el equilibrio de
fuerzas.
además se sabe
Se sabe que la suma de fuerzas debe ser igual
Resolviendo el sistema se tiene
Dónde:
e = espesor necesario para presión interna, en mm
P = carga de presión del agua, en m
D = diámetro de la tubería, en m
σ = Resistencia del material, en kg/mm2
Ks = eficiencia de la soldadura
C1 = por menor espesor (aproximadamente 0.50 mm)
C2 = por corrosión y desgaste (aproximadamente 1.00 mm)
P = H + h
h es la sobre presión debida al golpe de ariete, se calcula mediante la
expresión:
33
F FP
Dónde:
T = tiempo de cierre de la válvula en segundos (5 a 10 s.).
L = longitud de la tubería (m)
V = velocidad (m/s)
g = aceleración de la gravedad (m/s2)
2.3.2 Espesor Mínimo
Por consideraciones prácticas para facilitar el transporte y a fin que
los tubos presenten suficientes rigidez para el proceso de fabricación
y montaje, se recomienda verificar el diseño para un espesor mínimo,
con:
emin = D+ 1000 emin = (mm) 400 D = (mm)
A continuación se presenta algunos espesores más usuales:
Cuadro N° 10: Espesores.
e(pulg)
1/8” 3/16” ¼” 5/16” 3/8” ½” 5/8”
e(mm)
3.17 4.76 6.35 7.93 9.52 12.7 15.87
2.4 JUNTAS DE DILATACION
34
La unión de los tubos se efectúa mediante soldadura, sin embargo para
absorber los esfuerzos por cambios de temperatura se emplea Juntas de
Dilatación, la diferencia de temperatura dilata o contrae la tubería pudiendo
ocurrir ruptura de las uniones o deformaciones en los apoyos.
Para un cambio de temperatura, la dilatación térmica debe ser equilibrada
por la contracción elástica o viceversa.
Sea S el cambio de longitud por cambio de temperatura
Por cambio de temperatura aparece un esfuerzo unitario longitudinal:
Las juntas de expansión de colocan para reducir esfuerzos por
temperatura la nueva longitud por cambio de temperatura se puede
calcular con:
35
0LT = cambio de longitud por cambio de temperatura.
α = coeficiente de expansión lineal por temperatura.
T= cambio de temperatura.
= longitud de tubería.
Ɛ = fatiga unitaria (alargamiento por unidad de longitud).
E = módulo de elasticidad.
= esfuerzo unitario longitudinal.
Foto N° 09: Junta de dilatación en proceso de ensamblaje.
Foto N° 10: Junta de dilatación instalada.
2.5 PESO
El peso es proporcional a su diámetro y espesor, el peso específico del acero
comercial es en promedio 7,850 kg/m3
Por accesorios, apoyos y recubrimientos se agrega entre un 10% al 20%
36
W=29,594 D*e*l W=kg e=m
W=29.6 D*e*l W = Tn D=m l=m
2.6 COSTOS
La tubería de presión se puede estimar su costo en $/ kg. Incluyendo IGV,
montaje y pruebas: 2.5 $/kg a 5 $/kg.
2.7 APOYOS
Sirven como soporte de la tubería y permiten el movimiento longitudinal por
dilatación el flujo actuando sobre la tubería acciona sobre el terreno
pudiendo fracturarse la tubería, este efecto se incrementa en los cambios de
dirección y cambios de sección, para evitar fallas por dichos efectos, se
colocan apoyos y anclajes.
Los apoyos se construyen de concreto armado y su espaciamiento se estima
con:
Cuadro N° 11: Espaciamiento de apoyos.
D (m)
0.15 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.8 1.0 1.10 1.20
L (m)
3 3.5 4.20 4.80 5.30 5.7 6.0 6.4 6.9 7.20 7.40
También se tiene: Gráfico N° 15: Diagrama de Tuberías.
D = diámetro de la tubería (m)
t = espesor de la tubería (m)
p = carga
Ls = distancia entre apoyos (m)
37
Foto N° 11: Construcción de apoyo y Anclaje en una tubería de presión.
2.8 CONTROL DE SOLDADURAS
La soldadura de los tubos debe controlarse tanto en taller (rolado) como en
campo (montaje), se requiere soldadores calificados en diversas posiciones de
soldadura, todo ello de acuerdo a los requisitos del Código de Recipientes a
Presión ASME, Sección IX.
Metal base.- Es el material usado para la tubería, son planchas de acero que
se pueden rolar para darle forma, generalmente son acero
ASTM-A36 de espesores ¼”, 5/16”, 3/8”, ½” etc.
Soldadura.- Se usan electrodos AWS
Electrodo Cellocord : AWS E-6011 de 1/8” , para el primer pase
(pase de raíz) (a veces se usa AWS E-6010)
Electrodo Supercito: AWS E-7018 de 1/8” y luego con 5/32” para el
acabado (relleno y acabado)
Proceso de soldar.- Puede usarse: Arco eléctrico manual (SMAW) shield
metal arc welding, Arco sumergido, oxiacetileno, TIG, etc.
Procedimiento P-PX-02: para soldar tuberías de acero.
38
Procedimiento P-PX-01: para soldar tanques de almacenamiento.
Posición de soldadura.- Esta relacionado a la posición relativa del electrodo
y pieza a soldar, las posiciones son:
Posición Plana: 1G
Posición Horizontal: 2G
Posición Vertical: 3 G
Posición sobre cabeza: 4G
Posición 6G a 45º
En taller, el tubo se coloca sobre el piso entonces se soldara en posición
vertical y plana, 1G y 2G es suficiente o máximo 3G.
En obra se ejecuta soldadura de los cordones circunferenciales y la tubería
queda apuntalada para posiciones verticales y sobrecabeza e inclinadas por lo
tanto se requiere soldadores de mayor habilidad y experiencia. Para soldadura
de tuberías de presión se exige soldadores con calificación 6G a 45º.
La tubería de prueba para calificar soldadores exige que el espesor de la
tubería de prueba permite calificar para el doble de espesor en campo si un
soldador fue calificado para un espesor de 3/8” = 9.5 mm entonces puede (o
está calificado) para soldar en campo espesores hasta 19mm.
A medida que el diámetro de la tubería es menor el grado de dificultad para
soldar es mayor.
2.9 ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS EN TUBERIAS (E.N.D.)
Son ensayos que tienen por objeto detectar posibles defectos que se
presentan en las juntas soldadas.
39
Líquidos penetrantes
Partículas magnéticas
Radiografía industrial
Ultrasonido
Líquidos penetrantes.- Consisten en la detección de defectos sub-
superficiales que afloran a la superficie o solamente son superficiales. Se
realizan en el momento que se ejecuta el cordón de soldadura
Procedimiento.- En una tubería de una C.H se hizo un pase a raíz con
electrodos Cellocord PT 6010.
1º Pase de raíz y relleno (soldadura con cellocord E-6010 y supercito E-
7018)
2º Se limpia con un esmeril hasta dejar la superficie lisa-
3º Se aplica un líquido penetrante (de color guinda), se aplica un paño
seco para el exceso de líquido penetrante y se deja secar toda la
superficie de 10 a 15 minutos.
4º Se limpia con un líquido removedor o un líquido tipo thiner (aguarras).
5º Se aplica un líquido revelador (color blanco) según el ASTM E-165.
Este líquido revela fallas por falta de penetración (aparecen puntos
de color guinda).
6º Si aparece un punto guinda, se procede a reparar dicha zona y se
repite el proceso de tinte penetrante hasta que haya desaparecido
todo indicio de falta de penetración.
a) Liquido penetrante: “Dye Check Penetrant” Es de color guinda, es un
líquido de gran capacidad que ubica y señala las fallas de soldadura tiene un
40
alto grado de poder penetrante lo cual permite detectar fallas imperceptibles
en forma visual, las fallas aparecen de color guinda.
Procedimiento: Se aplica tipo Spray
Limpiar la superficie soldada con el líquido removedor (thiner) y luego
secar bien.
Dejar que el líquido penetrante permanezca unos 10 minutos mínimo
En climas cálidos se debe aplicar más líquido en los primeros minutos
para evitar que seque.
Pasado el tiempo necesario se retira el exceso de líquido penetrante con
un paño limpio y seco, de ser necesario usar liquido removedor o thiner,
luego dejar secar.
b) Liquido revelador: “Dye chek developer”, color blanco tipo spray es un
líquido que revela fallas en la superficie impregnados por el líquido
penetrante.
Procedimiento.
Todo el líquido penetrante debe ser removido, la zona debe estar
completamente seca.
Agitar bien antes de usar el líquido revelador a fin de dispersar el polvo
blanco absorbente.
Rociar una ligera capa de líquido revelador sobre el área a inspeccionar,
las fallas serán visibles cuando el líquido seque.
Equipo mínimo para montaje de tuberías:
Equipo de limpieza y pintura (a veces máquina de arenado).
Equipo de soldar 250 amp c.c
41
Tilfors de 2 TN como mínimo.
Abrazaderas de alineamiento de tubería.
Esmeriles para disco y escobillas circulares
Horno para electrodos.
Bomba para prueba hidrostática.
Camioneta y equipo de topografía.
Foto N° 12: Líquido penetrante (guinda) Foto N° 13: Aplicación del Líquido Revelador (blanco)
2.10 PRUEBA HIDRAULICA
Prueba Hidrostática en la tubería
Al término satisfactorio del montaje, de las pruebas no destructivas, la
tubería de presión será limpiada de desperdicios con chorros de agua
limpia.
El extremo más bajo de la tubería será convenientemente sellado
mediante brida ciega con su sistema para ventilación.
42
La tubería será llenada lentamente con agua limpia y todo el aire
atrapado será ventilados antes de proceder con la aplicación de la
sobrepresión de prueba.
Esta prueba de tubería llena, se verifica que todas las juntas no goteen.
Foto N° 14: Llenado de la tubería: Brida ciega con un manómetro en la parte baja
para medir la presión estática y sobrepresión por golpe de ariete.
Prueba de sobrepresión en la tubería:
Se efectúa después de aprobar la prueba hidrostática, consiste en aplicar
una sobrepresión de 50% de la presión estática por un tiempo mínimo de 4
horas.
Procedimiento:
43
Se coloca una brinda ciega en la parte superior de la tubería con sus
respectivas conexiones de purga de aire y conexiones a la bomba
manual ó eléctrica.
Colocar la bomba manual o motorizada y aplicar una sobrepresión de
50% de la presión estática, esta presión debe ser constante durante el
tiempo de prueba siendo verificada en el manómetro de la bomba. Se
procede a la inspección detallada de todas las juntas de soldadura que
deberán estar libres de goteo, y otros defectos.
Inspección de la tubería inmediatamente después de aplicar la sobre
presión, segunda inspección a las 2 horas y finalmente a las 4 horas en
cada inspección se verifica que no exista fugas.
Verificar que durante la prueba las presiones no aumenten en forma
excesiva como consecuencia de las variaciones de temperatura
ambiental.
Después de las 4 horas, si no se ha presentado fugas se da por
aprobado esta esta prueba, firmando el respectivo Protocolo de
Pruebas.
Se retira todas las conexiones temporales y se restablece la unión de la
tubería en condiciones operativas.
Se recomienda no efectuar las pruebas cuando se presenten lluvias ya
que impiden detectar goteras y fugas de sobrepresión.
Foto N° 15: Tubería llena, en la parte superior se coloca una brida y una bomba
manual para simular la sobrepresión por golpe de ariete.
44
2.11 PINTURA DE LA TUBERIA
Al inicio de soldar los tubos y antes de transportar a obra se procede a la
limpieza de todas las superficies por arenado y su pintura tanto en el interior
como exterior de la tubería.
La pintura a utilizar es un anticorrosivo epóxido rico en zinc, en el interior debe
tener una película como mínimo de 30 micrones en el interior y de 75 micrones
en el exterior.
Una vez concluida las pruebas hidráulicas se procede a pintar la parte exterior
con un esmalte epóxido con un espesor mínimo de 200 mm.
La pintura de una tubería de presión se ejecuta cuidando que la temperatura
del ambiente no esté por debajo de los +5ºC ni por encima de los +35ºC.
45
CAPITULO III: DISEÑO HIDRAULICO DE LA TUBERIA DE PRESION PARA LA C. H. LA KOYA
3.1 GENERALIDADES DEL PROYECTO
La Central Hidroeléctrica La Koya operará con un caudal de diseño de 3.5 m3/s,
con una caída bruta de 272.21m. y con una potencia instalada total de 7,662
KW.
Como parte de los estudios básicos, se realizaron los levantamientos topográficos,
el estudio hidrológico en los puntos de captación; y el estudio geológico-geotécnico
del área del proyecto.
En la parte topográfica, se hizo el levantamiento topográfico de la zona por donde se
trazaría la tubería de presión, en Planta a Esc: ½,000 y el trazo del perfil longitudinal
a Esc: 1/2,000.
3.2 POTENCIA Y ENERGÍA
La estimación de la potencia se estima para el caudal indicado de 3.5 m3/s, como
punto de partida se considera una altura de caída bruta de 272.21 m.
El cálculo de la potencia de diseño en KW se estima con la fórmula:
P= g x Qd x Hn x t x g
Dónde:
g = aceleración de la gravedad para una altitud de 3100 msnm.
Qd = caudal diseño m3/s
Hn = altura de caída neta en m.
t = eficiencia de la turbina
46
g = eficiencia del generador, adimensional
Las eficiencias consideradas para las unidades son t = 0.90 y g = 0.96.
Hn = Hb - hf
Hb = 272.21 m. y hf = 8.42 m
Hn = 272.21 – 8.42 = 263.79 m
P = 9.81 (3.5)(263.79)(0.90)(0.94) = 7,662.4 KW
P = 7.66 MW
3.3. DESCRIPCIÓN DEL ESQUEMA HIDRAULICO
La C.H. LA KOYA requiere de un grupo conformado por una turbina Pelton de dos
inyectores con potencia nominal de aproximadamente 7662 kW, acoplado
directamente a un generador síncrono, de eje horizontal de 400 RPM, sin embargo
esta velocidad puede ser modificada por el fabricante.
Tipo de turbina : Pelton eje horizontal
Cantidad de unidades : Una
Velocidad de rotación : 400 rpm
Caudal Nominal : 3.5 m3/s
Nivel de agua Máximo en cámara de carga : 3255.76 msnm
Nivel del eje de turbina en la Casa de Maquinas: 2983.55 msnm
Altura bruta Máxima : 272.21 m
Altura Neta Nominal : 263.79 m
Máxima presión incluyendo sobre presión : 308.82 m
Tubería de presión
Longitud : 487.60 m
47
Diámetro : 1.10 m
La tubería de presión consta de 10 tramos de tubería, entre anclajes, de diferentes
longitudes 7.60, 60, 60, 60, 60, 60, 60, 45, 30, y 45 m; totalizando una longitud de
487.6 m. El diámetro de la tubería es de 1.10 m y los espesores de la tubería son
de tres tipos 9, 13 y 18 mm.
Cada anclaje de tubería tiene una junta de dilatación aguas abajo, tal como se ve en
los planos.
3.4. DISEÑO DE LA TUBERÍA DE PRESIÓN
Será del tipo expuesta, embebida sobre bloques de anclaje y apoyos de concreto
armado. Estará comprendido el suministro por virolas de tuberías las cuales serán
soldadas y alineadas en sitio, las juntas de dilatación, la tubería de aireación y las
bridas de empalme con la válvula de emergencia y de admisión.
La tubería tendrá un diámetro de 1.10 m, y una longitud de 489.60 m, será
construida de planchas roladas y una única costura longitudinal. El material de la
plancha estará formara por acero estructural según la norma ASTM A36.
El trazo de la tubería ha traído como consecuencia la ubicación de 10 bloques de
anclaje de los cuales cinco son codos y los otros cinco son tubos rectos. Todos los
anclajes de tubos rectos y codos estarán embebidos en los bloques de anclaje y se
colocaran anillos de refuerzo de perfil laminado que a su vez servirán de anclaje a la
malla de acero corrugado del concreto. Las tuberías y codos que queden embebidos
en el concreto serán pintadas con un sistema igual al utilizado en las otras tuberías.
Las juntas de dilatación son elementos que deben ser construidos con precisión, por
lo cual los anillos de prensa estopa y los anillos deslizantes interiores deberán ser
maquinados en interior y exterior.
48
3.4.1. Cálculo del Diámetro
Para este caso el método nos sugiere una combinación económica
corresponde a dos variaciones de diámetro, un tramo con diámetro igual a
1.173 m y otro con 1.021 m.
Los diámetros económicos son evaluados como sigue:
D = 0.85 * Q 0.43 * L 0.14 / H 0.2
Siendo Q el caudal en m3/s, L la longitud en metros, H la altura bruta en
metros.
Constructivamente encontramos que para una solo empalme longitudinal el
diámetro posible a construir, debido a los tamaños de plancha existente, es
igual a 1.14 metros, por lo cual se decide que se asumirá un solo diámetro
para toda la tubería.
3.4.2. Diámetro Económico
La determinación del diámetro económico de la tuberías el resultado del
análisis técnico-económico que contempla los costos de pérdida de
energía y los costos de fabricación y montaje.
El método determina como diámetro óptimo a aquel que hace mínimo la
suma de la anualidad que comprende el interés del capital necesario para
la adquisición de la tubería y su amortización, más el valor de la energía
equivalente a las pérdidas de carga que se produce en la tubería.
Los parámetros tenidos en cuenta son los siguientes:
- Caudal: 3.5 m3/s
- Rango de diámetros sugerido, calculado con:
D = 0.85 * Q 0.43 * L 0.14 / H 0.2; D = (18.7 * Q3/H)1/7
49
- Peso de la tubería: evaluado con el espesor requerido asociado al
diámetro analizado y considerando una sobrepresión del 30%.
- Costo de inversión de la tubería: evaluado con el diámetro analizado e
incluye el costo de la obra civil.
- Perdida de energía: se ha evaluado considerando pérdidas por fricción e
los tramos rectos, perdidas en la reja de la cámara de carga, por salida de
cámara de carga, por válvula de ingreso a la tubería, por cambios de
dirección y por válvula de ingreso a turbina.
- Costo por perdida de energía: se evaluó considerando un costo de
energía de 0.04 US$kWh.
- Parámetros económicos: Vida útil de tubería 30 años, tasa de descuento
anual 12%.
Los resultados del análisis nos muestran que para un caudal de 3.5 m3/s el
diámetro económico corresponde a 0,95 metros según el valor del punto
más bajo de la curva. Desde este punto de vista constructivo el diámetro
óptimo será aquel que haga mínima la perdida de material durante la
fabricación de la tubería y que este próximo al diámetro económico, este
valor como ya se indico es 1.14 m.
El diámetro económico es:
D = 0.85 * Q 0.43 * L 0.14 / H 0.2
D = 1.13 m; V = 3.51 m/s
Otra forma:
50
D = 0.81 m; V = 6.75 m/s
Otra forma:
Para: hf = 0.03 HB y f = 0.03
D = 1.13 m; V = 3.51m/s
Se tomará: D = 1.10 m
Entonces la velocidad será: 3.6829 m/s
3.4.3. Cálculo de Pérdidas de Energía
Definido el diámetro se procede a recalcular la pérdida de energía sobre la
tubería para definir la altura neta final. El valor de esta altura finalmente
evaluada es de:
H neta = 263.79 m
51
a) Por fricción
hf = 5.52 m
b) Por rejilla
Ɵ = 75°; S = ½” ; b = 4 “
Se asume V = 1.5 m/s = 4.92126 pies/s
Δh = 0.483 pulg = 0.012 m
c) Por ingreso
he = 0.35 m
52
d) Por codos
Δh = 0.26 m
e) Por válvula mariposa
Para α = 30°; ζ = 3.90
hv = 2.70 m
Resumen:
Cuadro N° 12: Pérdida de Emergía.
Pérdida de Energía ΔhM
FricciónRejilla
IngresoCodosVálvula
5.0950.0120.3500.26
2.700
Total ∑ h 8.42
3.4.4 Cálculo de la Altura Neta
HB = 272.21 mHn = 270.21 – 8.42
Hn = 263.79 m
53
3.4.5 Cálculo del Espesor de la Tubería
El espesor de la tubería se calcula en función del golpe de ariete y la
tensión máxima permisible.
El espesor de la pared del tubo de acero se ve afectado por varios factores
correspondientes a la presión interna, externa y cargas físicas especiales
como los ocasionados por los soportes. Los factores que influyen en el
espesor de la tubería son:
a) Espesor mínimo de plancha.- independientemente de la presión,
el espesor mínimo recomendado de la tubería, para dar la rigidez
adecuada durante la fabricación y manipulación se usa:
emin = D+ 1000 / 400
Para nuestro caso corresponde 5.25 mm el mínimo espesor por
rigidez de manipulación.
b) Eficiencia de unión de la planchas.- la eficiencia de unión
depende del tipo de junta y grado de inspección, el código ASME
indica para las uniones de doble soldeo lo siguiente:
Cuadro N° 13: Pérdida de Energía.
Grado de Inspección Eficiencia de Unión (%)
Completo 100
Parcial 85
Ninguno 70
Para el presente estudio, se ha tomado como caso a aplicar el
correspondiente al grado de inspección parcial (0.85).
54
c) Espesor adicional.- en tuberías en las que no se lleva un
recubrimiento especial o aquellas en que el mantenimiento es
difícil, se tiene en cuenta un espesor adicional por corrosión, el
valor adicionado en este estudio ha sido 1.5 mm.
d) Esfuerzo admisible del material.- el tipo de acero usado para la
tubería conforme a la ASTM es el A36. El valor del esfuerzo de
fluencia, afectado por los valores del código ASME para
materiales soldados usados en recipientes a presión, es igual a
13.67 kg/mm2 siendo este el esfuerzo admisible de diseño.
e) Presión interna.- la presión interna usada interna en el diseño
debe ser la real aplicada al tubo a lo largo de la tubería y esta se
determina a partir de los desniveles con respecto al nivel máximo
de agua en la cámara de carga más la sobre presión por golpe de
ariete que se ha asumido igual a 30%.
Con esta información se ha evaluado cada 6 metros los espesores y
pesos de la tubería a lo largo de recorrido, como se muestra en la
siguiente tabla:
Cuadro N° 14: Tramos vs Espesor Final.
TRAMO COTALONGITUD
ACUMULADATIPO ALTURA DE PRESION ESPESOR
ESPESOR FINAL
m m Hidrostática Sobrepresión H (m) e (mm) e (mm)
I 3252.53 7.6 Anclaje 1 0.00 0.57 0.57 1.53 9.00II 3215.48 69.6 Anclaje 2 37.05 5.23 42.28 3.29 9.00III 3178.43 129.6 Anclaje 3 74.10 9.73 83.83 5.47 9.00IV 3139.35 189.6 Anclaje 4 113.18 14.24 127.42 7.53 9.00V 3100.27 249.6 Anclaje 5 152.26 18.74 171.00 9.59 9.00VI 3061.52 309.6 Anclaje 6 191.01 23.25 214.26 11.64 13.00VII 3022.76 369.6 Anclaje 7 229.77 27.75 257.52 13.69 13.00VIII 2993.70 414.6 Anclaje 8 258.83 31.13 289.96 15.23 18.00IX 2984.88 444.6 Anclaje 9 267.65 33.38 301.03 15.75 18.00X 2982.31 487.6 Anclaje 10 270.22 36.61 306.83 16.03 18.00
f) Golpe de Ariete
55
Cuando se abre o cierra una válvula o el distribuidor da lugar a la
variación del caudal y en consecuencia la velocidad del flujo
cambia muy rápidamente dando como resultado una onda de
sobre presión sobre las paredes de la tubería.
El golpe de ariete es mayor en tanto más rápido se cierre el
distribuidor o la válvula, por tal motivo se usará la fórmula de
ALLEVI – MICHAUD.
Las turbinas Pelton tienen una válvula mariposa con un cierre
automático de fabricación de 20 segundos de cierre mínimo, pero
se diseñará para un cierre de 5 segundos garantizando su
funcionamiento.
h = 36.61 m
H = 263.79 + 36.61
H = 308.82 m
g) Espesor de la Tubería
Se calcula para la parte inferior:
Dónde:
e = espesor de la tubería de acero, en mm
56
P = presión total en el interior de la tubería, en m
σ = esfuerzo de trabajo del acero ASTM – A36
13.67 Kg/cm2
Ks = factor de soldadura, igual a 0.85
e = 16.12 mm
Luego se calcula el espesor para cada tramo, el espesor ira
disminuyendo de abajo hacia arriba de acuerdo al valor de la presión
total.
3.4.6 Análisis de Transitorios
El análisis de los fenómenos transitorios a fin de estimar la sobrepresión
producida por el golpe de ariete, se ha efectuado utilizando métodos
simplificados, los mismos que para los fines de este estudio proporcionan
resultado aceptables.
Los casos analizados son:
- Sobre apertura de Inyectores
- Potencia Máxima
- Corte de caudal reducido
- Maniobra de Apertura.
Los resultados se muestran en los cuadros adjuntos y la sobrepresión
máxima obtenida en estas situaciones es de 10.35%.
57
3.4.7. Distancia entre Apoyos
DATOS
Diámetro D = 1.10 m
Espesor T = 9 mm
Carga P = 1201.6 Kg-f/m
Distancia Ls = 7.5 m
3.4.8. Válvula de Emergencia
El dispositivo será del tipo mariposa y especialmente diseñada para este
fin. Comprende el cuerpo, la mariposa de cierre, el contrapeso para cierre
automático y el sistema de detección de sobre velocidad. La válvula deberá
contar con un sistema de apertura y cierre remoto electrohidráulico.
La válvula de emergencia será del tipo mariposa y compacta tal que su
sistema electrohidráulico este montado sobre ella. El tiempo de apertura
deberá ser mínimo 10segundos.
Antes de la entrada de la tubería de presión se colocará una válvula de
cierre de emergencia con una pieza para desmontaje, ajustable. La válvula
será del tipo mariposa y se montará entre bridas, la válvula se encontrará
dentro de una caseta. Al fabricante de la tubería forzada se le deberá
proporcionar datos exactos sobre las dimensiones de la brida.
58
La válvula se utilizará para el corte del flujo de agua en caso de falla de la
tubería de presión cuando detecte una caída de presión por rotura de la
tubería. La válvula debe ser capaz de efectuar un cierre de emergencia
seguro bajo condiciones de máximo flujo.
Condiciones de Operación
La válvula operará en apertura y cierre normal con presión equilibrada en
ambos lados de la válvula, con la válvula by-pass abierta y los inyectores
cerrados. Sin embargo, el mecanismo de operación deberá ser diseñado
con la capacidad suficiente parar cerrar la válvula contra las condiciones de
máximo caudal y nivel máximo en la cámara, en un máximo de 10
segundos y no menor de 5 segundos. El tiempo de apertura de la válvula
no deberá ser menor a 5 segundos. El tiempo de apertura y de cierre será
ajustable independientemente entre sí, mediante dispositivos adecuados
para fijar dichos ajustes.
En el diseño se ha previsto el diámetro nominal de la válvula mariposa en
1.14 m. El diámetro exacto deberá ser proporcionado por el ofertante y la
presión de trabajo estática será de 10 bar incluida la sobre presión.
La válvula mariposa se diseñará de tal manera que funcione en “posición
abierta” a cualquier volumen de agua de funcionamiento sin vibraciones,
cavitaciones o ruidos; además, deberá ser posible cerrarla con cualquier
volumen de agua.
La válvula mariposa estará constituida por las siguientes partes:
Cuerpo de la válvula de acero forjado.
Mariposa de acero forjado.
Asientos de acero inoxidable soldados al cuerpo y con empaque de
caucho adicional.
Eje forjado en acero y de superficie maquinadas.
59
2 casquillos de cojinete de bronce.
2 prensaestopas.
Anillo de desmontaje.
Base de montaje con anclajes, tuercas, etc.
Además, corresponde al alcance del suministro todos los tornillos y
accesorios necesarios para las uniones de las bridas, sellos o-ring.
Antes de la puesta en marcha deberá someterse la válvula a una prueba de
presión. La presión de prueba deberá corresponder a 1,5 veces la máxima
presión de funcionamiento (presión hidrostática y dinámica).
Gráfico N° 16: Presión en la Tubería.
60
CAPITULO IV: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Conclusiones:
Se ha determinado que el diámetro de tubería es igual a 1.10 m, con una
velocidad de 3.68 m/s.
El espesor de la tubería varía desde 8 mm a 18 mm.
El diseño permite que el flujo de agua se adapte a la forma de los cuerpos
para evitar las condiciones de impacto. De manera especial en las curvas del
conducto, los macizos soportan los esfuerzos a los cuales se encuentran
sometidos; neutralizando las presiones internas.
Debido a especificaciones normadas de la SSPC, los ductos tendrán buena
resistencia a la corrosión, pues la preparación superficial y el acabado
seleccionado preverán este problema.
El sistema se construyó basándose en los planos de diseño, aquí realizados
funcionando hasta la actualidad.
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Recomendaciones:
Los componentes para su instalación deben ser transportados
correctamente con el fin de evitar daños en su forma por volteos imprevistos
se debe preparar la plataforma de transporte con tres apoyos circulares
cubiertos de neopreno en la superficie de contacto con los tubos para evitar
ralladuras en la pintura. Para la manipulación se usaran fajas especiales
para todos los componentes horizontales.
Para el montaje de todos los conductos y de manera especial
la chimenea de equilibrio se recomienda realizar una metodología para el
transporte y montaje, el mismo que debe ser efectuado por la asistencia
técnica de equipos especializados en montaje, debido a que las condiciones
de trabajo son riesgosas.
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ANEXOS
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