INTRODUCCIÓN

La estimación de la vida útil de un conducto, independientemente del material del que esté hecho, es un desafío puramente estimativo. Calcular cuánto tiempo puede funcionar satisfactoriamente una tubería de agua mediante fórmulas exactas o procedimientos precisos para evaluar el desgaste por abrasión es extremadamente difícil. En los últimos años, las industrias petroquímicas han experimentado un rápido desarrollo, con notables avances en los métodos y ensayos de laboratorio destinados a este sector, así como en las normativas técnicas correspondientes.

Hay pocos ensayos de laboratorio documentados sobre abrasión en comparación con otros tipos de pruebas realizadas en tuberías de PRFV (Poliéster Reforzado en Fibra de Vidrio) o GRP (Fiberglass Reinforced Polyester). Replicar las condiciones típicas de campo de una zona geográfica e hidrológica específica en un entorno de laboratorio es muy complicado.

En nuestros estudios de laboratorio, hemos medido la resistencia relativa al efecto de la abrasión causada por soluciones de agua con materiales abrasivos como arena sílice, que se aplica cíclicamente a una misma muestra de tubo durante un periodo determinado. Esto nos permite obtener datos clave sobre el desgaste promedio de estos materiales bajo condiciones específicas, considerando el tiempo y otras variables relevantes.

La velocidad del agua y el tamaño y tipo de partículas que transporta son las principales causas del fenómeno de abrasión en tuberías. Sin embargo, garantizar mediante un documento la velocidad de desgaste que puede experimentar una tubería sigue siendo un desafío, ya que no se pueden controlar todas las variables que podrían afectarlo.

A pesar de estas dificultades, este artículo propone una metodología para estimar la vida útil de tuberías de PRFV utilizando nuevos compuestos químicos descubiertos para el revestimiento interior, basándose en resultados de laboratorio y nuestra experiencia en el campo. Esta propuesta busca proporcionar a los usuarios suficiente información técnico-económica para tomar decisiones informadas sobre la viabilidad de utilizar tuberías semirrígidas de PRFV en sus proyectos.

MATERIALES Y ANÁLISIS DEL MÉTODO DARMSTADT

La Figura 1 sobre el desgaste en tubos de PRFV fue construida y ajustada después de analizar los resultados tabulados obtenidos en el Instituto de Hidromecánica y Estructuras Hidráulicas de la Universidad Técnica de Darmstadt, Alemania descrito en ^{PVC Pipe Asociation (2012}, pp. 3-42). Conocido como el Método de Darmstadt, la prueba está ahora definida en varios estándares. Consiste en colocar tuberías de sección semicircular conteniendo una mezcla específica de arena de río y grava con agua sobre una mecedora, que cíclicamente se ladea hacia arriba y abajo, simulando las características del flujo.

Fuente: University of Darmstadt (2012)

Figura 1 Ajuste desgaste PRFV a una ecuación de tercer grado^. 

Con estos valores se obtiene la Figura 1 y se genera la ecuación 1, que relaciona el desgaste en milímetros con respecto al número de ciclos para la tubería de PRFV. la ecuación fue ajustada en base a los valores encontrados en un polinomio de tercer grado con coeficiente de regresión R= 0.9995, es decir, una buena aproximación.

Ec. (1)

Donde:

ƴ = desgaste de la pared del tubo de PRFV en mm

X = número de ciclos, es una variable reducida.

Ej. 100.000 ciclos (evento de lluvia) es x=1, 200000 ciclos es X=2

Reemplazando esta variable reducida obtenemos la ecuación 2:

Ec. (2)

Para determinar el desgaste que ocasionarían 100.000 ciclos de lluvia, y producir, por ejemplo, un desgaste de ƴ (mm), se puede calcular esta variable utilizando la ecuación 1 o la Figura 1. De este modo, para X = 100.000 ciclos o eventos de lluvia, se obtiene un desgaste de ƴ = 0.1 mm. El tiempo requerido para que estos 100.000 eventos de lluvia produzcan un desgaste de 0.1 mm equivaldría, en el peor de los casos, a suponer 6 aguaceros diarios durante 360 días, resultando en:

Tiempo = 100.000 ciclos/ (360*6) ciclos/año = 46 años.

Esta prueba demostró que la tubería vitrificada de PRFV presenta un mejor comportamiento frente a la abrasión en comparación con otros tipos de material de tubería probados: hormigón simple, hormigón armado y PVC (^{Torres, 1997}, p. 322). Este rendimiento superior se mantuvo hasta los 400.000 ciclos, a partir de los cuales el desgaste se vuelve exponencial una vez que se pierde el revestimiento interno (liner) en la tubería de PRFV.

RESULTADOS

Método DIN 19595 o Darmstadt

El experimento de laboratorio realizado en 2011 por el grupo Petroplast en el Instituto Argentino de Normalización y Certificación (^{IRAM, 2020}) determinó la resistencia al desgaste por abrasión en tuberías de PRFV con nuevos liners endurecidos consistentes en anti-abrasivos de carburo de silicio, diseñados para proteger la pared interna del tubo de GRP. Para evaluar la resistencia del denominado liner endurecido, que es la primera capa de resina en contacto con el agua y el material abrasivo, se utilizaron dos muestras de tubería de 600 mm de diámetro y un metro de longitud, fabricadas con esta nueva formulación de liner anti-abrasivo, según el método del Test de Resistencia de la ^{DIN 19595 (1989)}.

Las muestras fueron sometidas a la abrasión producida por un material granular especificado, compuesto de grava mezclada con agua (2,45 mm a 8,43 mm), durante un número definido de ciclos, con el objetivo de medir la pérdida de espesor de la pared del tubo durante el ensayo. El proceso consistió en cortar las muestras paralelamente al tubo para formar una canaleta, en la cual se vertió la mezcla abrasiva estandarizada. Los extremos de la canaleta se sellaron con gomas para evitar filtraciones de agua y se colocaron en un dispositivo especialmente diseñado para este ensayo, conforme a la norma mencionada.

El dispositivo ensayo resistencia abrasión (Figura 2) desarrolla un movimiento alternativo en sentido angular de ± 22.5°, de modo que la carga abrasiva, se desliza desde un extremo del tubo al otro, generando un desgaste en la superficie interna de la canaleta, el cual depende del tipo de liner sometido a esta acción.

Fuente:^{DIN 19595 (1989)}

Figura 2 Dispositivo ensayo resistencia abrasión 

El desgaste se midió utilizando un comparador o micrómetro con una precisión de 0,001 mm en 20 puntos diferentes. Las mediciones se realizaron a intervalos de 50.000, 100.000, 150.000 y 200.000 ciclos de trabajo. El valor promedio de los 20 puntos, medido después de los 100.000 ciclos, se utilizó como el resultado de este ensayo. A continuación, se describen los resultados obtenidos después de completar los 100.000 ciclos:

Valor promedio de desgaste muestra 1: 0,097 mm

Valor promedio de desgaste muestra 2: 0,087 mm

Desgaste promedio de las dos muestras = 0,092 mm

El ensayo de Darmstadt se centra en simular las condiciones mecánicas de abrasión, específicamente aquellas generadas por el desgaste en la cara interior de un tubo. Aunque es importante considerar que las condiciones de abrasión causadas por agentes químicos pueden ser significativas, este estudio no abordó exhaustivamente dichos aspectos. Dado que el material es inerte a la mayoría de los ataques químicos, esta área debería ser objeto de investigaciones futuras.

En las dos muestras de tubería, el espesor del liner endurecido fue de 0,1 mm, lo que indica un desgaste aproximado del 8,3 % tras 100.000 ciclos. Aunque los resultados fueron ligeramente inferiores a los proyectados por la Universidad de Darmstadt, se mantuvieron bastante consistentes. Por lo tanto, se puede prever que la extrapolación del desgaste en función del tiempo también será menor.

RESULTADOS Y DISCUSION PARA VELOCIDADES MAXIMAS EN TUBOS PRFV

Con estos antecedentes, se puede abordar otro aspecto crucial en el diseño de tuberías, especialmente para flujos que transportan sedimentos suspendidos y material granular. Se sabe que la velocidad máxima del agua depende del material de la tubería; a medida que aumenta la granulometría del material abrasivo, es recomendable reducir las velocidades máximas para mitigar la abrasión potencial.

Para las tuberías de PRFV, la empresa austríaca ^{HOBAS (2024)}, la colombiana OTEK (2021), y la ecuatoriana Plásticos RIVAL (2023), fabricantes de tubos PRFV, sugieren en sus publicaciones y manuales trabajar con velocidades máximas de hasta 4 m/s para flujos con sedimentos suspendidos y 3 m/s para flujos con material granular. Estos valores de velocidad se derivan de las evaluaciones realizadas mediante el método de Darmstadt, cuyos resultados en la prueba de abrasión indican un promedio de desgaste de hasta 0,34 mm, verificado a los 100.000 ciclos.

Ninguna de estas tuberías utilizó el "liner endurecido". El desgaste obtenido es casi tres veces mayor en comparación con las tuberías fabricadas con la nueva formulación química patentada por Petroplast, conocida como "liner endurecido". Para el mismo número de ciclos o eventos de lluvia, el desgaste promedio medido fue de 0,091 mm. Este nuevo material endurecido, gracias en parte a su estructura, posee una dureza casi comparable a la del diamante, alcanzando valores de 9 a 9,5 en la escala de Mohs.

Otro estudio, realizado en el Saskatchewan Research Council de Canadá sobre tuberías de GRP y otros materiales (^{Haas y Smith, 1995}), verificó una prueba de laboratorio con velocidades máximas de desgaste. La Figura 3, construida a partir del análisis de los resultados tabulados, muestra estos datos. Las ecuaciones obtenidas por regresión proporcionan una referencia relativa sobre la vida útil de una tubería semirrígida de PRFV cuando transporta agua con contenido específico de sedimentos. El experimento evaluó el fenómeno con dos niveles de velocidad (2,1 m/s y 4,6 m/s) y dos tamaños de partículas.

Fuente:^{Haas and Smith (1995})

Figura 3 Prueba de abrasión 

Las ecuaciones resultantes de predicción del desgaste son (ecuación 3 y ecuación 4):

Ec. (3)

Donde:

v es la velocidad en m/s.

La ecuación 3 es válida para partículas de arena con D₁₀=2,95mm (3mm)

Ec. (4)

La ecuación 4 válida para partículas de arena con D₈₀ =8,43mm (8 mm).

A continuación, presentamos dos ejemplos de aplicación en tuberías de PRFV, utilizando partículas de entre 3 y 8 mm. Proyectamos el desgaste no solo en función de la abrasión, sino también de la velocidad del flujo en el conducto.

Ejemplo 1: Tubería PRFV de 1,20 m de diámetro interno; fabricada con liner endurecido; con espesor de pared liner wt = 3,0 mm; velocidad del agua v = 5,0 m/s; partículas de tamaño 3 mm.

Solución aplicando la ecuación 3:

Y, t (mm/año) = 0,0109 (5) - 0,0023 = 0,053 (mm/año)

Vida útil según método: VU = 3,0/0,053 = 56 años

Ejemplo 2: Tubería PRFV de 1,20 m de diámetro interno; fabricada con liner endurecido; con espesor de pared wt = 3,0 mm; velocidad del agua v= 5,0 m/s; partículas de tamaño 8,4 mm.

Solución aplicando la ecuación 4:

Y, t (mm/año) = 0,0494 (5) - 0,0695 = 0,18 (mm/año)

Vida útil según método: VU = 3,0/0,18 = 17 años.

CONCLUSIONES

La innovación del producto mediante el uso del liner endurecido permite alcanzar velocidades de hasta 5 m/s para aguas residuales con material granular moderado. Para fluidos con cantidades no significativas de sedimentos suspendidos (coloides), las velocidades pueden llegar hasta 10 m/s, según las proyecciones realizadas con ecuaciones para partículas de material granular fino. Los resultados muestran que, además de mejorar y aumentar el espesor de la primera capa del tubo (denominado liner), el compuesto químico utilizado, carburo de silicio, hace que el liner endurecido sea mucho más resistente a la abrasión a nivel molecular. Esto representa una nueva contribución para los usuarios de tuberías, que han estado utilizando este producto en nuestro país desde 2010, con resultados positivos.

Del análisis de resultados se espera una velocidad de diseño de 5,0 m/s si el agua llevara partículas abrasivas cuyo tamaño estén entre 3 mm y 8 mm, la vida útil esperada para una tubería de PRFV que tenga el liner endurecido o anti abrasivo objeto de este artículo, esta disminuye a medida que aumenta la granulometría de las partículas, valores proyectados para el caso particular bajo con una operación exigente y continua a través del método indicado, situación que en la realidad no ocurre y las descargas no son tan recurrentes.

En los últimos 7 años, las tuberías de PRFV con liner endurecido han demostrado mínimos desgastes operando a velocidades de flujo superiores a 5 m/s. Estas tuberías son fabricadas en el país por la empresa P Rival, cumpliendo con la normativa AWWA C-950-20 (AWWA, 2020). A pesar de que la normativa establece un rango de velocidad entre 0,5 y 3 m/s para el liner normal, las tuberías con liner endurecido han sido utilizadas con velocidades superiores, y la mayoría de las observaciones de campo indican que no han sufrido el desgaste proyectado. Esto sugiere que en el futuro cercano podrían desarrollarse compuestos y materiales que permitan recomendar velocidades aún mayores.

Actualmente, fabricantes de otros materiales como el PVC recomiendan velocidades de hasta 10 m/s para alcantarillado pluvial, basándose en información recopilada de la literatura técnica existente y en pruebas con agua que contiene fragmentos de arena y grava.

Los antecedentes y pruebas expuestos pueden ser considerados para tomar decisiones técnico-económicas sobre la viabilidad de utilizar tuberías semirrígidas de PRFV en proyectos de alcantarillado sanitario y pluvial. Con esta metodología y las conclusiones expuestas, esperamos que los diseñadores puedan contar con una herramienta adicional para evaluar la vida útil de sus proyectos en función del fenómeno de la abrasión. Finalmente, es importante señalar que siempre es recomendable introducir un factor de seguridad en las estimaciones.