BANCO DE ENSAYO DE PRESIÓN
HIDROSTÁTICA EN EL LABORATORIO CENTRAL
PARA ENSAYO DE MATERIALES Y EQUIPOS DE
RIEGO: DESCRIPCIÓN Y UTILIDAD
Sánchez de Ribera González, A1; Bajo López, G; Bernal Llorente, M; Cañada López, L; Madurga del Cura, C.
Resumen
El Centro Nacional de Tecnología del Regadío (CENTER), órgano dependiente del Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación (MAPA), pone a disposición del sector del riego a través de los servicios que ofrece el Laboratorio Central para Ensayo de Materiales y Equipos de Riego, un banco de ensayo de presión hidrostática con capacidad de realizar los protocolos de resistencia y estanquidad descritos en toda la normativa nacional e internacional vigente hasta la fecha.
El banco posee la instrumentación y el equipamiento para realizar ensayos con la precisión exigida a cualquier elemento sometido a presión en una red de riego con diámetros comprendidos entre 40 a 300 mm, aunque este rango puede ser ampliado.
Se exponen algunos ejemplos de ensayos realizados y se invita a todos los agentes involucrados en el sector del riego a utilizar los servicios del Laboratorio, así como a contribuir a su funcionamiento y mejora con sus colaboraciones y aportaciones.
ABSTRACT
The Ministry of Agriculture, Fishery and Food of Spain offers the services of the Central Laboratory for Testing of Irrigation Material And Systems located in the National Centre for Irrigation Tecnology instalations. These services include a testing bench of hidrostatic pressure able to perform the resistance and watertighting protocols described in the national and international reference standards.
Instalations have the apropiate devices and equipment to obtain the required accuracy to test all the elements of a pressure irrigation instalation between 40 mm and 300 mm conection size, although this range can be extend.
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Equipo Técnico del Laboratorio Central para Ensayo de Materiales y Equipos de Riego Centro Nacional de Tecnología de Regadíos
Tf: 91 347 93 02 Camino de la Vega s/n
28.830 San Fernando de Henares (Madrid) [email protected]
Several samples are exposed in order to show the capacity of the bench and we invite all the involved agents in the irrigation sector to use the laboratory services as well as to contribute to its performance and improvement through suggestions and proposals.
Introducción. Objetivos:
Una de las características más importantes en un elemento instalado en redes de riego presurizadas es su resistencia a la presión. Toda la normativa de calidad de cualquiera de estos elementos, recoge ensayos que permitan caracterizar la resistencia de ese elemento a presión hidrostática.
De todos es sabido que las maniobras que se realizan en las redes de riego muchas veces originan sobrepresiones que deben ser soportadas por los equipos instalados aunque sean superiores a las presiones de trabajo.
El Centro Nacional de Tecnología del Regadío (CENTER), órgano dependiente del Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación (MAPA) ha habilitado un banco de ensayo de presión hidrostática que permita caracterizar los elementos de riego en función de la resistencia a este parámetro. Este banco está ubicado en el Laboratorio Central para Ensayo de Materiales y Equipos de Riego, y supone un eslabón en los servicios del propio Laboratorio. En el presente documento se describen las características de este banco de ensayo.
Materiales y métodos.
El banco de presión hidrostática se ha construido para verificar que los elementos ensayados cumplen los requisitos mínimos que marque la normativa, así como la realización de trabajos que proporcionen más información sobre los equipos de riego y permitan mejorar los protocolos de ensayo.
Es un banco básico para el laboratorio al ser la resistencia a la presión una de las principales magnitudes que debe soportar un elemento de una red de riego y es un ensayo al que se deben someter antes de la realización de cualquier otro, comprobando que someter un elemento a una determinada presión durante un tiempo no afecta al resto de su funcionamiento.
Se pueden ensayar todo tipo de elementos sometido a presión de una red de riego como: válvulas, contadores, hidrantes, filtros, purgadores, ventosas, etc…
Fotografía 1: Banco de ensayo de presión hidrostática.
Debido al gran número de protocolos de ensayo que debe reproducir, el diseño ha permitido la creación de un banco muy versátil que está integrado por varios sistemas, eléctrico, hidráulico, oleoidráulico, neumático, que le dotan de la funcionalidad necesaria para realizar todos estos ensayos.
- Sistema de inmovilización y estanquidad del circuito.
El banco necesita un sistema que recoja el elemento a ensayar y que selle el circuito para someterlo a las presiones de ensayo. Para esto se ha diseñado un sistema de collarines estancos, de distintos tamaños, en función del diámetro, inmoviliza, gracias al empuje de un pistón oleohidráulico, el elemento que se va a ensayar.
La fuerza necesaria para sellar el circuito por presión la proporciona un sistema oleohihráulico: Es un sistema independiente tipo prensa, que inmoviliza el elemento a ensayar, con una presión de apriete constante durante todo el ensayo.
Debido a los distintos materiales que se ensayan, diámetros y presiones de trabajo, para cada caso particular se debe calcular la presión de apriete suficiente para mantener la estanquidad compensando la presión de ensayo y el diámetro del elemento a ensayar, y que no exceda los límites de resistencia del material
ELEMENTO A ENSAYAR VÁLVULA DE SEGURIDAD VÁLVULA DIRECCIONAL VÁLVULA REGULADORA DE PRESIÓN. M GRUPO ELECTROBOMBA OLEOHIDRÁULICA
- Red hidráulica de presión:
Figura 2. Esquema hidráulico
El ensayo debe permitir alcanzar presiones elevadas y controladas tanto aguas arriba como aguas abajo del elemento ensayado, o bien simultáneamente en ambos lados. Los componentes que aportan esta funcionalidad al banco son los siguientes:
Grupo de bombeo con bomba de presión de doble etapa, regulada por un variador de velocidad, y con caudales nominales entre 3,3 y 0,1 cc I revolución. Deposito de agua integrado en el propio banco, con regulación de la temperatura a través de una resistencia que permite calentar el agua, y controlándola con la lectura de una sonda de temperatura Pt-100 situada en el mismo depósito.
Dos calderines, que se cargan con nitrógeno en función de la presión de ensayo, permiten mantener mayor estabilidad en la presión y evitan la secuencia de arranque y parada de la bomba si el elemento ensayado tuviera fugas durante el ensayo.
La red hidráulica consta de dos ramales que alimentan el circuito aguas arriba y aguas abajo del elemento a ensayar. A través del accionamiento de electroválvulas se somete a presión cualquiera de los lados del ensayo y otras
electroválvulas permiten la despresurización de los circuitos una vez acabado el ensayo.
La presión se registra a través de los transductores de presión de la propia red.
- Circuito de vacío.
Uno de los protocolos a desarrollar exige la comprobación de la estanquidad del elemento, sometiéndolo a vacío.
Para este ensayo el banco dispone de una bomba de vacío de alto rendimiento, y de un transductor de presión absoluta que permite medir el nivel de vacío generado.
- Circuito de limpieza
El ensayo de vacío exige que el circuito y el elemento a ensayar estén libres de agua, por lo que una conexión con la red de aire comprimido del Laboratorio permite a través de descargas secuenciales eliminar los restos de fluido que queden en el circuito de ensayo. Es muy importante la limpieza en el banco debido a las obstrucciones que se pueden originar en las electroválvulas.
- Ensayos con aire comprimido:
La normativa permite realizar ensayos utilizando como fluido el aire. Para ello la misma red que alimenta el circuito de limpieza puede usarse para aportar la presión que requiere el ensayo. La máxima presión que puede generar la red es de 1000 kPa.
- Automatización:
El banco de ensayo de Pérdidas de Cargas constituye un banco autónomo, móvil que permite su ubicación en cualquier parte, en función de las necesidades de espacio del propio Laboratorio. Un cuadro eléctrico acoge todos los componentes eléctricos que protegen y alimentan al banco incluido el autómata programable que gobierna el banco.
Cada uno de los ensayos se configura a través de una aplicación en un ordenador portátil, que después es transferido al autómata para que lo ejecute. El seguimiento del ensayo se realiza a través de una pantalla táctil conectada con el autómata y los resultados y el registro de los parámetros de ensayo se descargan de nuevo en el ordenador portátil en formato de hoja Excel.
Los parámetros que permite controlar el ensayo, una vez cerrado el circuito con el elemento a ensayar son:
- Presión aguas arriba - Presión aguas abajo - Presión absoluta
- Tiempo del ensayo
- Temperatura del fluido de ensayo
Esto permite la configuración de distintas modalidades de ensayo:
Presión constante aguas arriba: Consiste en mantener una presión constante aguas arriba del elemento a ensayar durante un tiempo definido. Presión constante aguas abajo: Consiste en mantener una presión
constante aguas abajo del elemento a ensayar durante un tiempo definido. Presión constante aguas arriba y aguas abajo. Consiste en someter todo
el cuerpo del elemento a ensayar a la misma presión a ambos lados del mismo.
Caída de presión aguas arriba. Consiste en registrar la caída de presión que se produce en el elemento a ensayar debido a fugas, durante un tiempo determinado partiendo de una presión original definida por el ensayo. (Esta modalidad también se puede hacer con caída de presión aguas abajo, o a ambos lados).
NOTA: Los mismos ensayos se pueden llevar a cabo utilizando como fluido el aire.
Métodos
Los protocolos utilizados para el diseño del banco y que se pueden reproducir en la parte que de resistencia a la presión se refiere, son los que aparecen en la tabla 1.
Nº NORMA ELEMENTO A ENSAYAR EN 1074-2 Válvulas de seccionamiento EN 1074-3 Válvulas antiretorno EN 1074-4 Ventosas y purgadores EN 1074-5 Válvulas de control EN 14267 Hidrantes ISO 4064 Contadores prEN 13443 Filtros
Tabla 1 Normativa de referencia
Esta normativa marca las presiones de ensayo y los tiempos que el material debe soportar la presión de ensayo. Estas presiones generalmente están por encima de las presiones que el elemento debe aguantar en condiciones normales de funcionamiento.
Resultados y discusión.
A continuación se muestran los gráficos de ensayos realizados con los comentarios correspondientes a cada uno de ellos.
- Ensayo de resistencia a la presión hidrostática de un contador tipo woltman de 100 mm.
La norma establece que el contador debe soportar una presión de ensayo interior de:
Máximo
Pensayo PEA2 ó 1,5PFA3 La duración del ensayo es de 15 min.
En este caso según la norma sería: P Ensayo = 2,5 MPa o 25.6 bar.
Gráfico 1: Ensayo de resistencia a la presión hidrostática
Como se observa en el gráfico el banco mantiene durante todo tiempo de ensayo la presión mínima de ensayo.
La variación de presiones durante el ensayo es de ± 50 KPa como máximo.
El ensayo comienza cuando la presión sobrepasa el valor de referencia establecido por la norma y no debe bajar de él, el resto del tiempo que dura el ensayo para que sea válido.
2
PEA: Presión de ensayo admisible: Presión hidrostática máxima que un componente de nueva instalación es capaz de soportar por un tiempo relativamente corto.
3
PFA:Presión de funcionamiento admisible. Presión hidrostática máxima que un componente es capaz de resistir de forma permanente en servicio.
Ensayo de resistencia a la presión interior para un contador tipo woltman de 100mm.
La norma establece que el contador debe soportar una presión de ensayo interior de:
Máximo
Pensayo 20bar ó 2 x PN4
La duración del ensayo es de 1 min.
En este caso según la norma sería: 3,2 MPa ó 32 bar.
Gráfico 2: Ensayo de resistencia a la presión interior
Como se define en el gráfico durante la repetición 2 el banco mantiene la presión mínima que debe mantener el protocolo, con lo que se validaría el ensayo, cosa que no se puede hacer en la repetición 1 donde el ensayo no se daría como válido debido a que la presión de ensayo ha caído por debajo del mínimo exigido para este protocolo. En este último caso habría que repetir el ensayo.
La variación de presiones durante el ensayo es de unos 100 KPa como máximo.
4
PN: Presión Nominal. Se relaciona con una combinación de características mecánicas y dimensionales de un componente del sistema de tuberías.
- Ensayo de resistencia de la carcasa y de todos los componentes sometidos a la presión interior, para una válvula reguladora de presión y limitadora de caudal de 100mm.
La norma establece que la válvula debe soportar una presión de ensayo interior de: Máximo
Pensayo PEA ó 1,5PFA
La duración del ensayo es de 15 min.
En este caso según la norma sería: P Ensayo = 2,5 MPa o 25 bar.
Gráfico 3: resistencia de la carcasay de todos los componentes sometidos a la presión interior.
Como en los casos anteriores el banco cumple también con las especificaciones, manteniendo la presión mínima de ensayo por encima de lo que establece el protocolo.
Podremos decir que el banco responde con las exigencias para las que ha sido proyectado.
- Hidrantes
Ensayo estanquidad del asiento a una elevada presión diferencial, para un hidrante de 80mm.
La norma establece que el asiento de la válvula debe soportar una presión de ensayo interior de:
ensayo
P 1,1PEA
La duración del ensayo es de 15 min.
En este caso según la norma la presión de ensayo sería de 17,6 bar.
Gráfico 4: Estanquidad del asiento a una elevada presión diferencial
Se observa para las dos repeticiones (en azul y en rosa) que el banco mantiene la presión de ensayo por encima de lo que dicta el protocolo de ensayo. Las fugas medidas para el asiento del hidrante se han mantenido constantes en las dos repeticiones, son de 3 ml cada una.
De los valores obtenidos se puede ver la buena repetibilidad que tiene el banco. La variación de presiones durante el ensayo es de unos 200 KPa como máximo. Se observa que ha aumentado respecto a los ensayos mostrados anteriormente. Esto es debido a que la presión se está ejerciendo sobre el asiento del hidrante que es una membrana con cierta flexibilidad.
Conclusiones
El Centro Nacional de Tecnología del Regadío (CENTER), órgano dependiente del Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación (MAPA) pone a disposición del sector del riego a través del Laboratorio Central para Ensayo de Materiales y equipos de Riego, un banco de ensayo de presión hidrostática para todo tipo de elementos sometidos a presión en una red de riego, con capacidad para probar conexiones de 40 a 300 mm de diámetro, y de 50 KPa a 5000 KPa de presión aunque estos márgenes se pueden ampliar si fuera necesario.
El banco tiene la precisión, la capacidad y la repetibilidad necesaria para reproducir los ensayos de resistencia y estanquidad de toda la normativa aplicable a elementos de riego, tanto nacional como internacional.
Otras posibilidades del banco, de interés para el sector y que suponen líneas de trabajo del propio laboratorio, pueden ser:
- Mejora en los protocolos de ensayo referidos la presión hidrostática, junto con el equipo de normalización del laboratorio.
- Mejora de las características de los elementos ensayados en función de las datos obtenidos en los ensayos.
Con la capacidad descrita del banco de ensayo de presión hidrostática, el Laboratorio Central para ensayo de Materiales y Equipos de Riego invita a todos los interesados a aprovechar estos recursos y proponer nuevos estudios, líneas de trabajo, colaboraciones y encargos.
Agradecimientos
Al Instituto Tecnológico del Agua de la Universidad Politécnica de Valencia, que a través de varios convenios han participado desde el diseño de las instalaciones hasta la redacción de los protocolos de ensayo de los bancos y la puesta en marcha de los mismos.
Al departamento de Normalización del Centro Nacional de Tecnología de Regadíos por la asistencia prestada y al resto del equipo que conforma el Laboratorio con cuyo trabajo es posible desarrollar sus actividades.
