TERMOFUSIÓN

INTRODUCCIÓN

El polietileno de alta densidad es uno de los materiales más versátiles desde su descubrimiento; en la actualidad sus usos varían desde bolsas plásticas, juguetes, envases de alimentos hasta aplicaciones mayores como tuberías para gas, agua potable, aguas residuales entre otros. El polietileno de alta densidad es un excelente material para ser usado en sistemas de tuberías para desagües, abastecimientos da aguas blancas, gas, petróleo, entre otros, ya que posee características que favorecen el traslado de estas sustancias, sin que se produzcan alteraciones químicas en el mismo, debido a la variación de la temperatura y presión en el trayecto.En los sistemas de tuberías, uno de los inconvenientes más comunes es en el momento de realizar una junta, el proceso de soldadura de las tuberías de PEAD, es un proceso simple pero delicado, en cuanto a su ejecución, ya que una pequeña falla, podría generar pérdidas en el sistema de aducción; generalmente para verificar la soldadura se realizan pruebas hidrostáticas en una soldadura modelo de escala real; este proceso se puede realizar de diferentes formas, sin embargo la base de todo los ensayos esta en presurizar la tubería y someterla a una presión mayor a la de diseño, según se establezca en el diseño original de la tubería, este proceso debe ser vigilado periódicamente para verificar si hay algún tipo de fugas en el sistema.En este manual, se establece como objetivo principal el montaje de la prueba hidrostática para la verificación de las soldaduras, para ello es necesario seleccionar el método de ensayo adecuado, soldar la tubería según las especificaciones de la tubería, colocar los sistemas de medición correctos y vigilar la tubería durante el proceso de ensayo para detectar posibles fallas en el sistema.

POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD (PEAD)El polietileno de alta densidad es un polímero de cadena lineal no ramificada.

Se obtiene por polimerización del etileno a presión relativamente bajas (1-200 atm), con catalizador alquilmetálico (catálisis de Ziegler) o un óxido metálico sobre sílice o alúmina (procesos Phillips y Stardard Oil). Su resistencia química y térmica, así como su opacidad, impermeabilidad y dureza son superiores a las del polietileno de baja densidad. Se emplea en la construcción y también para fabricar prótesis, envases, bombas para gases y contenedores de agua y combustible. Los objetos fabricados con HDPE se identifican, en el sistema de identificación americano SPI (Society of the Plastics Industry), con el siguiente símbolo en la parte inferior.

VENTAJAS Y CARACTERISTICAS DEL PEADSegún “performance pipe” las características más resaltantes de las tuberías PEAD son las siguientes:

- Alta resistencia y dureza para resistir presión interna por períodos prolongados y cargas externas.- Resistencia a largo plazo para duración y rendimiento prolongados.- Elasticidad para intensificar resistencia a oleada y martilleo del agua recurrente e intermitente.- Flexible, duro, ligero y resistente al impacto para un menor costo de instalación, zanjas más angostas (reducir excavación).- Se requieren menos accesorios – La tubería de PE Flexible puede ser doblada en frío en el campo para seguir el perfil del terreno, reduciendo la necesidad de accesorios.- La tubería DriscoPlex® 4000 y DriscoPlex® 4100 PE 3408 es el material de preferencia para perforación direccional horizontal, arado, cruces de ríos y cuerpos de agua, rotura de tubo, revestimiento deslizante y otras tecnologías de instalación sin zanjas.- Resistencia química para resistir químicos corrosivos (pH de 1 a 14) y suelos agresivos.- No se oxida, pudre, corroe, no forma tubérculos ni apoya crecimiento biológico. Resistente a degradación ultravioleta y térmica.- Puede ser conectado usando fusión por calor, electro fusión, sillas de fusión por calor, conexiones mecánicas, collarines, adaptadores de junta mecánicos y servicio mecánico y tapping saddles.- Las juntas de fusión por calor herméticas a fugas están completamente restringidas y tan fuertes como el mismo tubo.- Mantiene flexibilidad aún en temperaturas por debajo del congelamiento – el agua se puede congelar en la tubería sin dañarla.- Mantiene baja resistencia a flujos líquidos para reducción de costos de bombeo y operación.

USOS DEL PEADLos tubos de PEAD son de gran aplicación en diferentes áreas tales como:• Aducciones y redes de distribución para:

Agua potable en el sector municipal e industrial.Agua residuales en el sector Industrial y complejos petroquímicos.

• En construcciones próximas a áreas corrosivas como las cercanas al mar y/o instalaciones mar adentro, utilizada ampliamente en tuberías submarinas como acueductos y aguas negras.• En proyectos de irrigación por goteo o aspersión y riego por pivote central.• Para alcantarillados sanitarios, pluviales, combinados y descargas industriales.

• El gas doméstico urbano se distribuye a baja presión con el valor máximo de 4 bar (60 psi) y la tubería es fabricada para un diseño hidrostático de 10 bar (150 psi), dando un factor de seguridad de más del doble para las zonas densamente pobladas.• La facilidad de conexiones herméticas con la soldadura de termo-fusión permite garantizar un sistema con 100% de estanqueidad, premisa primordial para este tipo de aplicaciones.• Por su resistencia a la corrosión y a las incrustaciones se elimina el efecto de pérdida de capacidad de la red por disminución de su diámetro interno, evitando así la necesidad de mantenimiento y el uso de sistemas de protección catódica, disminuyendo de esta manera los costos.

GRÁFICA DE VIDA ÚTIL DEL TUBO PEADExtrapolación grafica para 50 años de la curva de resistencia en función del tiempo para 20º C, en la cual, se muestra la gran resistencia que posee el material al ser sometido a diferentes temperatura.

Grafica N°1 Vida Útil Del Tubo PEAD

IDENTIFICACIÓN DE LA TUBERÍA DE PEADSe establecen las siguientes definiciones.

Diámetro Nominal (DN): Es el diámetro declarado por el fabricante, y se expresa en mm.Diámetro Exterior Cualquiera (D): Es el valor del diámetro externo del tubo, medido en una sección cualquiera.Diámetro Exterior Medio (Dm): Es el coeficiente resultante de dividir la circunferencia del tubo entre (_=3,1416), y se expresa en mm.

Presión Nominal (PN): Es la presión máxima a la que deben trabajar los tubos en servicio continuo a 20ºC, se expresa en bar (1bar=1,02 kgf/cm2)Espesor Teórico (S): Es el espesor que resulta de aplicar la fórmula que se da a continuación, en función de la presión nominal y del diámetro nominal del tubo.

Donde:S: Espesor Teórica de pared, expresado en mmPN: Presión nominal, expresada en KPa.DN: Diámetro nominal, expresado en mm.

: Solicitación máxima de trabajo a 20ºC. Para el polietileno de alta

densidad : 5*103 KPa (50 kgf/cm2).

TuberíaEn las tuberías generalmente, se identifica el fabricante de la tubería, el diámetro nominal en mm, si la tubería es PE80 o PE100, el SDR de la tubería.

METODOLOGÍASOLDADURA A TOPE O TERMOFUSIÓNEl procedimiento de soldadura se realiza según las instrucciones recomendada por el fabricante de la máquina de soldar. Según el fabricante McElroy el procedimiento a seguir es el siguiente:

General• Se procede a realizar el corte, el cual se debe efectuar de forma recta, teniendo en cuenta que ambos cortes deben quedar paralelos entre sí; se deben alinear ambos extremos, esto se realiza ajustando la prensa.• Colocar los tubos uno en frente del otro colocando la biseladora en medio de ambos extremos (se debe presionar ambos extremos de la tubería).• Se debe tener una separación entre las caras del tubo es de 2mm.

• Verificar el alineamiento de uniendo suavemente los extremos de la tubería. Se constata la perpendicularidad del corte controlando que la separación entre las caras no sea mayor al 0.2% de espesor.• Limpiar con una toalla impregnada de alcohol las superficies o extremos de la tubería evitando tocar las superficies o ser unidas (no se utiliza solventes).

La soldadura se realiza de acuerdo a las características de la tubería, de ello depende la temperatura que se va aplicar para cada tipo de tubo.

Procedimiento de soldadura para tuberías PE80

Diagrama general de soldadura para PE80

• FASE 0: Se calcula la presión de arrastre (pt), necesaria para vencer la fricción de la máquina. Esta presión se calcula abriendo los carros al máximo, en donde se va aumentando la presión hasta que ésta pueda mover la tubería.• FASE 1: La presión de acercamiento de ambos extremos de la tubería, va a ser igual a la presión uno (p1) más la presión de arrastre (pt), la cual es mantenida hasta que se forme una rebaba del ancho indicado en las tablas anexadas en el instructivo.

Diagrama de Fase 1• FASE 2: Una vez transcurrido el tiempo de la primera fase, se disminuye la presión hasta que se alcance una presión (p2) indicadas en las tablas, la cual es suficiente para mantener el contacto del elemento térmico con la tubería.

Diagrama de Fase 2

• FASE 3: Se retira el elemento térmico en el tiempo pre-establecido en las tablas.

Diagrama de Fase 3

• FASE 4: Seguidamente, se unen ambos extremos de la tubería en un tiempo menor al indicado en las tablas, a objeto de evitar la acumulación de aire en la unión de los tubos.

Diagrama de Fase 4• FASE 5: Después se debe aumentar a una presión (pt+p5), la misma debe de ser igual a la primera presión (p1+pt), posteriormente, se libera lentamente la palanca de la central, y se espera un tiempo t5 indicado en tablas.

Diagrama de Fase 5• FASE 6: Luego sigue la fase de enfriamiento, ésta consiste en descargar la presión hasta cero, dando una vuelta completa a la válvula de descarga de presión y se espera el tiempo t6 para que se enfrié la unión.

Diagrama de Fase 6

Procedimiento de soldadura para tuberías PE100

Diagrama general de soldadura para PE 100

• Se aplica el procedimiento de la tubería PE80 hasta la fase 4.

• FASE 5: Esta fase consiste en unir la tubería con una presión (p5+pt), mientras se mantiene la palanca de la central sostenida, por un tiempo t5 indicado en las tablas, una vez transcurrido dicho tiempo se libera lentamente la palanca

Diagrama de Fase 5• FASE 6: En ésta fase se debe descargar la presión hasta el valor p6, girando hacia la izquierda la válvula de descarga de presión y esperar el tiempo (t6) estipulado en las tablas.

Diagrama de Fase 6

• FASE 7: Finalmente se debe descargar la presión hasta que ésta llegue a cero, abriendo completamente la válvula de descarga de presión, esta fase es la de enfriamiento.

Diagrama de Fase 7

Consideraciones Generales de Tablas y Procedimiento

• Las superficies a soldar deben comprimirse contra el termo-elemento, con una fuerza o presión que es proporcional al diámetro de la tubería; luego se debe disminuir dicha presión hasta un valor igual a 0.05NW/mm2., esto con el fin de absorber el calor necesario para la poli-fusión (las tablas).• El tiempo de calentamiento, está en función del espesor del tubo y la presión en el momento de la soldadura no debe ser menor de 0.02 NW/mm2.• Una vez transcurrido el tiempo de calentamiento de las superficies a soldar, se retira rápidamente el termo-elemento (máximo 1 segundo) sin tocar el material blando.• Se inspecciona que exista fusión uniforme.• No se debe acelerar el enfriamiento.• El reborde debe estar contra el tubo.• La unión del tubo debe permanecer inmóvil de 10 a 60 minutos adicionales.

INSPECCIÓN DE SOLDADURAPara aprobar la soldadura esta debe tener un aspecto visual, que cumpla con las siguientes condiciones:

• Apropiada alineación.• No debe presentar grietas ni discontinuidades.

• La soldadura no debe presentar altibajos.• No debe presentar fundición excesiva.

Tubería correctamente soldada

Tubería con soldadura rechazada por discontinuidad en la soldadura

Tubería con soldadura rechazada por excesiva fundición.

PRUEBA HIDROSTÁTICA

En un ensayo de presión hidrostática en tuberías de PEAD, es necesario seguir los procedimientos existentes que sean confiables y controlados, en los cuales se tomen en consideración las normas COVENIN, ASTM, e ISO para su elaboración. A continuación REVINCA, señala dentro de sus manuales los siguientes:

• Longitud de la sección de la prueba (1000 ft. vs. 10.000 ft. Por volumen de agua de relleno total).

• Diámetro de la tubería (2” vs. 24”).• Cambios de temperatura (alta-baja o baja-alta).• Taza de intensificación de presión.• Presencia de cualquier aire en la tubería.• El grado de cualquier fuga o fuga total de la tubería.• Movimiento axial o desprendimiento mecánico de accesorios /

conexiones.

• Eficiencia de la compactación del suelo de la fundación, del relleno de la zanja.

• La exactitud y eficiencia del aparato de comprobación de ensayo, instrumentación y hardware.

Procedimiento

La proporción de presurización debe ser lo suficiente para alcanzar designando un espacio de tiempo mayor a 5min y menor de 10 min aproximadamente. Esto seguido de la expansión diametral del PEAD debido a que la tensión periférica se intensifica para alcanzar 1.5 veces la presión de la prueba.

Prueba de presión hidrostática fuera de la trinchera (método a utilizar en el ensayo)

1. Una vez unida los extremos de las tuberías, se procede a llenar ésta con agua, asegurándose de expulsar todo el aire que se encuentre dentro de la tubería.

2. Luego se somete a la tubería a una presión 150% o 1,5 veces la presión de diseño del sistema, por un periodo máximo de 3 horas. Durante este tiempo se agrega agua periódicamente, con el fin de mantener la presión de prueba, este proceso compensa el estiramiento inicial que sufre la tubería.

3. No es necesario tomar registro de la cantidad de agua que es agregada para mantener la presión en la tubería.

Prueba de presión hidrostática dentro de la trinchera

1. Cuando la tubería ha sido enterrada, se debe llenar la tubería con agua y asegurarse de que no quede aire atrapado en la tubería.

2. La presión de prueba debe ser 1.5 veces la presión de diseño del sistema, ajustado a la temperatura del ensayo, además se debe revisar si existen fugas en la sección de prueba, (una ligera caída de presión no solo indicara una fuga, estas se deben también a los cambios de temperatura durante la prueba.)

Este proceso consta de dos partes

• Gradualmente se presuriza la sección de prueba con la presión de prueba, la cual se mantiene por 3 horas. Durante este proceso la tubería de aumentará ligeramente, y para mantener la presión será necesario añadir agua en intervalos de una hora por 3 horas.

• Después de que ocurra la primera fase, es decir, 4 horas desde que se presurizo la tubería, tiempo para el cual la expansión inicial ha terminado, se puede comenzar la fase de prueba, la tubería se llena para estabilizar la presión en la tubería.

• En la fase de prueba la tubería se debe tener la presión establecida, se apaga la bomba y se debe mantener máximo por 3 horas, después del cual toda deficiencia en el agua puede ser remplazada y medida.

• Durante el periodo de comprobación es necesario agregar agua en relleno la cual no excederá a las expuestas en la tabla.

• Si se detecta una fuga esta debe ser reparada y re-probada después que han ocurrido 24 horas desde su recuperación.

• Otra alternativa para la detección de fuga consiste en mantener la presión de prueba, por un periodo de 4 horas, y dejar caer la presión en 10psi (0.69 MPA). Si la presión sigue siendo a continuación, dentro del 5% del valor objetivo de 1 hora, esto indica que no hay fugas en el sistema.

METODO 2

La prueba consiste en colocar la tubería bajo presión hidrostática interior durante al menos doce (12) horas, la presión de la prueba es 30% sobre la presión nominal (1.3 veces la PN) de la tubería. Este método de prueba se ha usado durante los últimos 15 años con resultados satisfactorios.

Se ha probado en tuberías con longitudes hasta de 3.000 m y diámetros hasta 800 mm. En todos los casos las tuberías han sido probadas conforme al criterio de aceptación y rechazo de la ecuación.

Procedimiento de la prueba de presión hidrostática.

• Se comienza a bombear al agua de relleno tratando de que la temperatura sea la misma con la cual descarga en la tubería. (Tolerancia de la temperatura ±3º C). Durante el bombeo, para conseguir la presión de la prueba, todos los rebordes de las uniones serán tensadas en breves intervalos; Esto con el fin de evitar que las fuerzas originen deformaciones por fuera en las soldaduras.

• Se eleva la presión a la presión de la prueba, el volumen de agua debe ser moderado. Después de haber alcanzado la presión de la prueba esta debe permanecer constante durante 5 horas, bombeando consecutivamente en una cantidad suficiente de agua.

• El volumen de agua ΔV*(3H - 2H) necesario para mantener el volumen de agua constante entre la segunda y tercera hora tiene que ser medido, de la misma manera el volumen de agua entre la cuarta y quinta hora (ΔV*(5H - 4H). Esto quiere decir que en intervalos irregulares de dos (2) horas deben restaurarse la presión de la prueba para el sucesivo bombeo. Así de este modo se puede determinar el aumento de volumen, midiendo la cantidad de agua que se ha introducido seguidamente.

• Es necesario prestar atención al hecho de que, debido al aumento brusco de temperatura, pueden presentarse algunas variaciones de presión. Contrariamente a las tuberías en metal, un aumento de temperatura provoca una caída de presión y viceversa.

• Después de cada bombeo los controladores y los bordes de la unión se deben verificar.

• En caso de realizar una inspección en una tubería submarina, sujeta a los cambios extensos de presión hidrostática externa debido a las variaciones en la marea, la presión de prueba interior tiene que ser regulada, de modo de no encontrar variaciones durante el periodo de prueba y mantenerla siempre constante.

Consideraciones1. La longitud de la tubería de ensayo varía entre 2640 ft a 5280 ft.2. Se debe colocar una superficie acondicionada (tipo colchones) para

prevenir el movimiento axial de la tubería3. La temperatura de ensayo debe ser controlada, para evitar variaciones

en la presión, ya que un aumento de temperatura indicaría una caída en la presión.

4. La velocidad del flujo debe ser menor a 2 pies/s, para evitar el fenómeno de golpe de ariete.

5. Se recomienda colocar el medidor de presión en la parte más baja de la tubería.

6. Las válvulas de extracción de aire se deben colocar en los extremos de la tubería.

7. Se recomienda inclinar un poco la tubería para que el aire se acumule en el punto más alto de la misma.

8. Se debe realizar un pre-ensayo, en el que se verifiquen las uniones y tubería cuando están sometidos a la presión de diseño.

9. La cantidad de agua agregada admisible para la expansión durante la prueba deberá ser conforme de acuerdo a una tabla.

10.Si no hay fugas visibles ni caídas de presión significativas la tubería pasa la prueba.

MATERIALES Y EQUIPO

• Soldadora marca McElroy• Planta eléctrica• Tubería PEAD

Partes Del Equipo McElroy

Como se mencionó anteriormente la soldadura utilizada en el ensayo es la McElroy, dicha maquina está compuesta por el cuerpo de la máquina, la fresadora, el elemento térmico, el sostén de la fresadora y elemento térmico, central hidráulico y temporizador.

Cuerpo De La Máquina1. Carro móvil2. Carro fijo3. Tornillo amarre mordaza extraíble4. Mordaza superior5. Mordaza inferior6. Vástago superior7. Vástago inferior8. Acoplamientos rápidos9. Manguito de ajuste de mordazas

10. Puntos de enganche para desplazamiento

Cuerpo de la Maquina

Fresadora

1. Empuñadura2. Interruptor para el encendido del motor y pulsador de bloqueo3. Empuñadura para el movimiento4. Asiento del micro-interruptor de seguridad5. Bloqueo6. Tope de sujeción al vástago superior7. Hoja8. Tope de apoyo al vástago inferior9. Asiento del fusible10.Cable de Alimentación

FresadoraElemento Térmico

1. Clavija de alimentación.2. Conector del control eléctrico ciclo de soldadura.3. Luz amarilla indicadora alcance de temperatura introducida (centella

cuando alcanza la temperatura).4. Potenciómetro introductor de temperatura de soldadura.5. Luz verde indicadora de presencia de tensión.6. Disyuntor térmico.7. Placa.

8. Termómetro de control de temperatura de soldadura (independiente del termorregulador).

9. Empuñadura.

Elemento Térmico

Sostén Fresador Térmico

1. Manilla de levantamiento2. Espacio para elemento térmico.3. Espacio para fresadora.4. Orificios de fijación termorregulador.

Sostén Fresadora / Elemento Térmico

Central Hidráulica

1. Manilla de levantamiento2. Palanca del distribuidor3. Manómetro de presión de aceite 4. válvula de máxima presión

5. Válvula de descarga presión 6. Tapa de tanque de aceite7. Enchufe.8. Temporizador.

Central Hidráulica

Temporizador

1. Tecla para selección del primer conteo hacia atrás (timer 1)2. Tecla para la selección del segundo conteo hacia atrás (timer 2)3. Tecla para la selección del reloj4. Tecla regulación horas/minutos/segundos/puesta en cero5. Tecla de encendido/interrupción conteo hacia atrás y para traer la memoria.

Tecla de encendido/interrupción conteo hacia atrás progresivo (en modo “timer” con el tiempo puesto en cero).

PRUEBA HIDROSTATICA

Materiales y equipo

Bomba manualManómetros con una apreciación de hasta 0.1 barPlacas para la presurización (Tapa Ciega de Fo. Fo.)Válvula de extracción de airea

CONCLUSIONESLa unión de tuberías, es un proceso muy común en la construcción de sistemas de acueductos; siempre que este proceso sea llevado a cabo, se debe tener en cuenta todas las consideraciones necesarias que se indiquen en los instructivos de soldadura, la unión a tope o termo- fusión en tuberías de PEAD, requiere de mucha habilidad y conocimientos por parte del operador, para que la junta

quede sin fisuras, irregularidades que puedan generar pérdidas de las sustancias a través de dichas fisuras.

Es por ello, que se elaboran las pruebas hidrostáticas, el cual es un proceso que se adapta a las condiciones de ubicación de la tubería, en una prueba hidrostática se debe tener en cuenta las pérdidas de presiones, las cuales pueden significar una fuga en la tubería o un cambio en la temperatura, lo cual originaria una pérdida de presión.

El proceso de ensamblaje de la tubería es importante, pues las fugas pueden provenir por el sistema de medición que se instale. Además se observa que las tuberías de PEAD son altamente a las presiones internas, soportando hasta 200 psi. Asimismo es importante destacar que el seguimiento adecuado de las instrucciones, proporcionara que el ensayo realizado no genere fallas en el sistema, igualmente se recomienda que las soldaduras sean realizadas por técnicos especialistas en el área, evitando así posibles errores por manipulación de los equipos.