Tuberías de PRFV empleadas en centrales hidroeléctricas

Josep Aubeso Gassó

Director Técnico AMITECH Spain S.A.U.

josepaubeso@amitech.es

Introducción Los materiales compuestos con resina termoestable reforzados han sido utilizados en el sector industrial desde los inicios del siglo pasado. El crecimiento exponencial de estos materiales en la industria empezó, por lo tanto, en 1940 con el uso de fibras de vidrio. El denominado tubo de plástico reforzado con fibra de vidrio, PRFV, fue introducido en 1948 y llegó a ser bien aceptado y competitivo en todo el mundo entre los años 50 y 60.

La primera norma de producto para tubos de PRFV se publicó en 1959. Ahora, las tuberías de presión de PRFV están especificadas en reconocidos organismos de estandarización internacionales como ISO, CEN, BS, DIN, ASTM y AWWA. Hoy en día, se encuentran en servicio más de 200.000 Km. de tubos de PRFV en todo el mundo.

Figura 1. Tubería forzada en PRFV. Pendientes de instalación máximas de 47º

Tras décadas de exitoso servicio en centenares de conducciones forzadas, las tuberías de PRFV han confirmado su posición como un material competitivo y durable en el tiempo.

Inicialmente se empezó con conducciones de baja y media presión, pero el rango tanto en diámetros y presiones se han incrementado a medida que los proyectistas de conducciones hidroeléctricas han ido ganando experiencia y confianza con las soluciones propuestas. En los países nórdicos se han construido alrededor de 230 conducciones forzadas para minicentrales hidroeléctricas desde el año 1974, utilizando tubos Flowtite. Se disponen hoy en día de mediciones reales de caudales, pérdidas de carga y presión basadas en documentos oficiales procedentes de 120 minicentrales.

De acuerdo con estos datos, existen en la actualidad conducciones operando con cargas de hasta 320m.c.a. y caudales de hasta 17 m3/s. Algunas de ellas se encuentran en servicio desde hace más de 20 años.

Refuerzos más eficientes y el incremento del conocimiento estructural han allanado el camino hacia el desarrollo estructural mejorado de las tuberías de PRFV y sus accesorios. Las propiedades de resistencia estructural alcanzadas en materiales compuestos hoy en día resultan en un producto adecuado y competitivo. Los tubos de PRFV son resistentes a la corrosión, el cual se demuestra en la gran cantidad de conducciones instaladas y en funcionamiento que se encuentran hoy en día en todo el mundo, manteniendo su rugosidad interior y con ello la capacidad hidráulica a lo largo del tiempo.

El resultado de un producto altamente eficiente ha provocado un rápido incremento de la demanda. Desde el año 2003, AMITECH ha suministrado tubos y accesorios de PRFV en 120 conducciones para minicentrales hidroeléctricas en los países nórdicos.

La gama de tubería y accesorios en PRFV disponible se encuentra en diámetros de hasta 4000mm y presiones hasta 32 bares.

Figura 2. Conducción forzada en tubería de PRFV Flowtite DN700 PN32. Vangpollen (Noruega)

Figura 3. Conducción forzada en PRFV DN700-800 PN6. Kalvatrae (Noruega)

1. Propiedades mecánicas de las tuberías de PRFV Las propiedades mecánicas de los tubos de PRFV se asemejan en gran parte a los tubos termoplásticos. La Tabla 1 muestra el rango típico de propiedades mecánicas de los tubos de PRFV (Flowtite). Se muestran propiedades representativas de otros materiales como el acero o termoplástico a modo de comparación.

Las tensiones admisibles y el coeficiente de dilatación térmica en los tubos de PRFV son muy semejantes a los valores del acero mientras que el módulo elástico y la densidad muestra mayor semejanza al termoplástico. En otras palabras, los tubos de PRFV presentan la flexibilidad y durabilidad de un material termoplástico combinado con la resistencia del acero. La combinación de alta resistencia y baja densidad hace del tubo de PRFV el más ligero disponible para conducciones en minicentrales hidroeléctricas.

Termoplástico1) GRP (Flowtite) Acero1)

Módulo elástico en sentido circunferencial, GPa 1 10-39 210

Módulo elástico en sentido axial, GPa 1 6-13 210

Coeficiente de Poisson 0.44 0.22-0.30 0.3

Tensión admisible a largo plazo en sentido circunferencial, MPa

5-82) 40-1402) 150-220

Tensión admisible a largo plazo en sentido axial, MPa

5-82) 5-252) 150-220

Resistencia a presión a largo plazo. Factor de seguridad

1.25 1.8 1.5

Coeficiente de dilatación térmica. 10-6/°C 180 10-30 12

Densidad específica 0.95 1.7-2.0 7.8

1) Valores representativos 2) Las tensiones admisibles a corto plazo son significativamente superiores

Tabla 1. Propiedades mecánicas típicas de materiales para tuberías

Las propiedades mecánicas de los tubos de PRFV pueden ser confeccionadas de acuerdo con los requerimientos de cada conducción individualmente. Variando la cantidad de refuerzo, emplazamiento y orientación, los tubos pueden ser diseñados de acuerdo a la capacidad de presión, vacío y resistencia axial necesaria para conducciones forzadas. Incluso tubos con clase de presión baja, pueden ofrecer resistencia al vacío. La mayoría de fabricantes ofrecen tubos de PRFV en presiones y rigideces estandarizadas.

2. Instalación de tuberías de PRFV en conducciones forzadas Los tubos de PRFV utilizados en conducciones forzadas se instalan mayoritariamente de forma aérea. Es decir, por encima del nivel del suelo del terreno. El principal motivo que induce a este tipo de instalación es básicamente la orografía y elevadas pendientes por donde deben ir emplazadas dichas conducciones. Por lo tanto, este tipo de instalación requerirá unas características de soportado distintas a las de la tubería enterrada.

Figura 4. Instalación aérea de tubería de PRFV PN32

El sistema más común de unión del tubo Flowtite es el manguito basado en el diseño de junta Reka, es decir, que se trata de una unión flexible. Para este tipo de conducciones con unión flexible, Flowtite ha desarrollado un sistema para asegurar la estabilidad y buen funcionamiento de una conducción aérea en PRFV con junta flexible, sean cuales sean sus condiciones de carga, PN, cargas exteriores, vacío interior, etc.

El sistema consiste principalmente en asegurar la estabilidad en los extremos de la tubería y permitir que el conjunto de soportes y anclajes sea suficientemente flexible, y absorber las dilataciones propias de los elementos de PRFV en condiciones aéreas.

En la Figura 5 se muestra el esquema de soporte y anclado de la tubería de PRFV Flowtite. El número de soportes y distancia entre ellos, así como la necesidad de sujeción del manguito y otras consideraciones dependerán de las condiciones de instalación, DN, PN, etc.

Figura 5. Detalle tipo de sujeción y soporte de una tubería de PRFV

Los apoyos pueden ser de hormigón reforzado o de acero, según condiciones del proyecto. Entre los apoyos y la tubería de PRFV se colocan bandas elastoméricas de protección, para evitar la fricción directa entre materiales. Dependiendo de si se trata de un apoyo guía o un apoyo con anclaje, el tipo de material elastomérico variará para ofrecer un bajo o alto coeficiente de fricción entre el tubo y los apoyos o anclajes.

Es importante entender que los tubos de PRFV unidos mediante junta de manguito se comportarán como elementos independientes, por lo que se deberá proporcionar un apoyo con anclaje por tubo. Con esto quedan completamente controladas las dilataciones longitudinales inducidas en la tubería ya sean por variación térmica medioambiental o contracción/expansión longitudinal provocada por el efecto de Poisson.

Las dilataciones circunferenciales inducidas en la pared de la tubería por el efecto de la presión interior, podrán ser absorbidas mediante un sistema de anclaje en el que se dispone una batería de platos de compresión en los espárragos de conexión con la abrazadera metálica. Este sistema flexible de platos de compresión permite sujetar adecuadamente la tubería, a la vez que evita que se produzcan tensiones cortantes elevadas entre la pared de la tubería de PRFV y la abrazadera de acero. La cantidad de platos de compresión, así como sus dimensiones dependerán de las condiciones de trabajo de la conducción. Ver Figura 6 y 7

Figura 6. Detalle de la abrazadera de anclaje

Figura 7. Detalle del elemento flexible con platos de compresión para los anclajes

3. Unión mediante manguito de alta presión El sistema de unión más común entre los tubos de PRFV utilizados para conducciones en minicentrales hidroeléctricas es mediante manguito flexible de doble campana. La unión entre tubos con dichos manguitos es rápida fácil y no necesita elementos compensadores de dilatación lineal. El principio de sellado utilizado por los tubos de PRFV Flowtite está basado en la junta elastomérica de estanquidad tipo REKA, desarrollada originalmente para los sistemas de tuberías de fibrocemento en los años 30, la cual ha demostrado su fiabilidad durante 80 años. La construcción del manguito Flowtite con la junta Reka se muestra en la Figura 8.

Figura 8. Conjunto tubo/manguito/junta elastomérica multilabiada

El sellado a baja presión se asegura mediante el contacto de los múltiples labios que presionan contra la pared exterior de la tubería. Figura 9

Figura 9. Sistema de sellado del a junta estádar Flowtite sin presión

A medida que la presión aumenta, el sistema Reka actúa mediante dos vías para ofrecer la adecuada capacidad de estanquidad. Primeramente, la ranura donde queda emplazada la junta, realizada en el manguito de PRFV, tiene forma de cuña y la presión inducida en el interior de la tubería empuja la junta elastomérica hacia la sección menor, por lo tanto a medida que la presión interior se incrementa, aumenta la capacidad de sellado de la unión. En segundo lugar, ocurre que el manguito de PRFV está diseñado para que su alargamiento circunferencial sea inferior al inducido en el tubo, con lo cual a mayor presión, menor es el espacio entre la pared exterior de la tubería y la interior del manguito, aumentando el poder de sellado del sistema. Figura 10

Figura 10. Sistema de sellado del a junta estádar Flowtite en presión

Para poder dar respuesta a la gran demanda de sistemas de PRFV para altas presiones, nuestro centro tecnológico Flowtite ha trabajado activamente en el desarrollo de manguitos de alta presión desde el año 1990. Esto ha implicado una optimización estructural del manguito, ayudada por análisis mediante elementos finitos para la mejor comprensión de la respuesta estructural.

Mediante la cuidadosa selección y emplazamiento de los refuerzos, la capacidad estructural del manguito ha sido mejorada hasta permitir diseños de hasta PN32 para diámetros hasta DN1800 inclusive. Las aproximaciones de diseño a las deformaciones dominantes adecuadas y las tensiones cortantes interlaminares han sido las claves del éxito. En las las figuras 11 a 15 se muestran las deformaciones del manguito y las tensiones interlaminares de la sección de un manguito cuando se somete a presión.

Figura 11. Mallado del modelo manguito con las condiciones de carga mediante el criterio de anclaje axil simétrico

Figura 12. Deformaciones resultantes en el modelo después del análisis.

Figura 13. Diagrama de tensiones longitudinales

Figura 14. Diagrama de tensiones circunferenciales

Figura 15. Diagrama de tensiones cortantes

Ensayo y validación de la junta de manguito estándar Flowtite de PRFV

La primera fase del desarrollo Flowtite de manguitos de alta presión concluyó en 1992, mediante la exitosa calificación de una junta DN1400 PN20. La junta pasó todos los ensayos requeridos por reconocidas normas internacionales. Los diferentes ensayos realizados se resumen en la Tabla 2. Se realizó de forma adicional un ensayo de estanquidad a 3 veces la presión nominal, 60 bares. Figura 16

El mismo año, la minicentral hidroeléctrica de Hjelmeland en Noruega fue adjudicada con nuestro sistema de tubería. Dicha conducción era 1000m de longitud, y se instaló con una tubería de PRFV DN1400, unida con el nuevo sistema de unión. La conducción se encuentra actualmente operativa, trabajando a una carga estática constante de 148m.c.a. desde el 1992.

ASTM D4161 EN1796/14364

ISO 10639/10467

Desviación angular y separación

2xPN

10 minutos

2xPN

24 horas

Desalineación

(Carga cortante en N)

17.8DN & 2PN

10 minutos

20DN & 2PN

24 horas

Cargas cíclicas 0 a 1.5xPN

10 ciclos

Vacío -0.8 bar

10 minutos

-0.8 bar

1 hora

Tabla 2 Ensayo de calificación estandarizado de la junta de PRFV

En 1998 se calificó el diseño de un manguito DN800 PN32. Igual que en el realizado para el manguito DN1400 PN20 se realizó un ensayo adicional de estanquidad llegando hasta 96bar de presión de forma adicional a los ensayos marcados según norma.

Figura 16. Banco de ensayo del manguito a presión DN1400 PN20.

De acuerdo a esta calificación, se enviaron tubos para un proyecto de 78Km de longitud con juntas estándar Flowtite. El proyecto disponía de un rango de diámetros entre 630 hasta 860 para el trasvase de agua desde Pungwe hasta el parque nacional de la ciudad de Mutare en Zimbabwe. Más de la mitad de la conducción opera a presión estática con presiones de entre 25 y 32 bar. La línea sigue en funcionamiento desde el año 2000.

El logro más reciente en el desarrollo de manguitos de PRFV de alta presión realizados en Flowtite, fue la calificación de un manguito DN2000 PN25. Figura 17

Figura 17. Ensayo de calificación del manguito de DN2000 PN25

4. ACCESORIOS ESPECIALES DE PRFV

Para la fabricación de accesorios en PRFV, se han desarrollado diseños de laminación estructural más optimizados, utilizando resinas con propiedades mecánicas elevadas y tejidos de fibra de vidrio de alto rendimiento, dando como resultado elementos de fabricación más optimizados, basados en el criterio de fallo Tsai-Wu para laminados compuestos ortótropos.

A partir de estos criterios de diseño, y ya desde el año 1996, se ha desarrollado la gama completa de laminaciones en te para derivaciones concéntricas y tangenciales y uniones químicas rectas con diseños disponibles hasta PN32. Estos laminados han sido diseñados mediante un plan intensivo de ensayos estructurales destructivos, a corto y largo plazo, los cuales han sido verificados mediante análisis de prototipos utilizando programas informáticos de cálculo estructural por elementos finitos.

Análisis estructural de accesorios de PRFV

La compleja geometría de los accesorios para tubería es un reto para los diseñadores estructurales. Las propiedades ortotrópicas de los laminados de PRFV pueden afectar altamente la respuesta estructural de los accesorios. Afortunadamente, hoy en día hay programas de diseño de métodos de elementos finitos que contemplan la posibilidad de analizar materiales ortótropos. La geometría más complicada conjuntamente con las propiedades de material se puede simular de forma eficiente.

Figura 18. Modelo teórico

Figura 18. Modelo experimental de laminación en te, preparado para la realización del mallado y análisis estructural

Optimización estructural de los accesorios de PRFV

Los accesorios de PRFV para conducciones forzadas como tes y codos, se fabrican de forma general mediante la unión de segmentos de PRFV con laminaciones químicas, o laminando directamente en un molde. Debido al elevado coste de los moldes, los accesorios moldeados se suministran generalmente en diámetros pequeños.

El desarrollo de sistemas de tubería de PRFV hacia altas presiones y grandes diámetros ha conducido al desarrollo estructural y optimización de accesorios en PRFV. Recientes avances en refuerzos de fibra de vidrio y herramientas de análisis estructural han ayudado en dicho desarrollo.

La utilización de tejidos de fibra de vidrio más optimizados ayuda a incrementar la capacidad mecánica de las laminaciones químicas. Figuras 19a y 19b

Figura 19a Tejido trenzado WR 820 gr/m2 Figura 19b Tejido cosido multiaxial de 800 gr/m2

Un nuevo rango de tes concéntricas y tangenciales de PRFV de alta presión

Se ha finalizado el desarrollo de un nuevo rango de tes concéntricas y tangenciales. En el cual se incluyen diámetros desde 300 hasta 4000, con presiones nominales de diseño de hasta 32bar. Las laminaciones de refuerzo se realizan utilizando tejidos multiaxiales, mejorando la capacidad resistente a la presión y diámetro si lo comparamos con los primeros diseños de laminados en PRFV.

El proyecto comenzó en 1996 cuando se diseñaron tes tangenciales DN1200 y DN1400 en PN16 para desagües y salidas en ventosa para una conducción de agua potable de 30 Km. Las tes fueron diseñadas en base a un análisis estructural mediante elementos finitos. Después del exitoso ensayo, se fabricaron 45

tes en PRFV utilizando refuerzos de fibra de vidrio multiaxiales. La conducción lleva funcionando ininterrumpidamente desde hace ya una década.

Figura 20. Ensayo de presión de una laminación en te 1200_1200 PN6

Figura 21. Modelo de mallado final antes de someterlo al cálculo de tensiones mediante MEF

Figura 22. Modelo axilsimétrico con el diagrama de tensiones inducidas en la pared estructural.

La optimización estructural de las tes se ha basado en un extenso análisis mediante elementos finitos en varios centenares de modelos distintos. Los modelos realizados mediante elementos finitos y los fallos en los laminados actuando conjuntamente fueron calibrados utilizando bandas extensométricas de medida y realizando numerosos ensayos a corto y largo plazo en accesorios laminados en te. La Figura 23 muestra las fisuras causadas por la concentración de tensiones en sentido circunferencial en la unión entre el diámetro principal y la derivación conjuntamente con la gráfica correspondiente a las tensiones calculadas mediante métodos de elementos finitos. Este prototipo PN10 falló a 44bar de presión interna.

Figura 23. Prototipo de te DN600 con salida en DN500 PN10. Las tensiones inducidas en sentido circunferencial causan fisuras en el laminado a 44bar de presión de ensayo.

Fueron analizados otros numerosos modos de fallo como la separación interlaminar entre capas en los extremos del laminado, resistencia en los empalmes con las capas de refuerzo, realizando diferentes tipos de ensayos con prototipos mejorados. Los ensayos en los distintos tipos de prototipos nos muestran que pueden ser sustancialmente mejorados si se pone atención a los detalles de fabricación. Por lo tanto se desarrollaron especificaciones detalladas de fabricación específicas para cada producto individual. Estas especificaciones consisten en definir en cada capa de laminado la geometría de corte de tejido, marcado de las distintas capas de refuerzo mediante un software generador de plantillas automático.

Figura 24. Ensayo de una te tangencial DN1200_300 PN16. Presión de fallo = 56bar

Figura 25. Ensayo en te DN1200_500 PN32. Presión de fallo = 91bar

La Figura 25 muestra un prototipo de laminación en te DN1200 con salida DN500. Después de la satisfactoria prueba a presión, la primera fuga se detectó a 91bar. Con este mismo diseño se fabricó un accesorio en salida embridada para boca de hombre en una conducción forzada en la estación hidroeléctrica de Langfjord en Noruega. Dicha derivación lleva funcionando a carga estática de 258m.c.a. desde el año 2005.

5. Conclusiones La fiabilidad de funcionamiento a largo plazo en las estaciones hidroeléctricas es un factor crucial. Los tubos y accesorios de PRFV son el producto perfecto para este tipo de aplicaciones debido a sus propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión y nulo mantenimiento. A través de décadas de exitoso servicio en centenares de conducciones forzadas en estaciones hidroeléctricas en todo el mundo, Los tubos de PRFV han demostrado su posición como principal alternativa. Los tubos y accesorios de PRFV Flowtite están hoy en día disponibles en rangos de presión de hasta 320m.c.a. y diámetros de hasta 4000mm.