Tubos de Cilindro de Acero
con Refuerzo de Varilla y
Revestimiento de Mortero
de Cemento (CCP)
Water Transmission Group — Tubos de Cilindro de Acero con Refuerzo de Varilla y
Revestimiento de Mortero de Cemento (CCP)
Introducción
CCP, ES UNA TUBERÍA CUYA ESTRUCTURA
COMPUESTA COMBINA LA ADAPTABILIDAD
DEL ACERO CON LA DURABILIDAD Y LAS
PROPIEDADES DE INHIBICIÓN DE LA
CORROSIÓN DEL CONCRETO Y DEL MORTERO
DE CEMENTO, DISEÑADA DE FORMA
ESPECIFICA PARA LAS NECESIDADES DE LOS
SISTEMAS DE TUBERIA DE LOS CLIENTES.
Los Tubos de Cilindro de Acero con Refuerzo de Varilla y Revestimiento de Mortero de Cemento (CCP) consisten de un cilindro de acero revestido de concreto o mortero de cemento que se envuelve helicoidalmente con varillas de acero con bajo contenido carbónico y se recubren con un mortero de cemento denso. En la siguiente página se muestran varias juntas herméticas de fácil ensamble.
Desde la presentación del producto en 1942, el WTG de Ameron ha suministrado más de 9600 kilómetros de Tubos tipo CCP para sistemas de tubería en los Estados Unidos y el resto del mundo. Sus principales usos han sido para la transmisión y distribución de agua en sistemas municipales, industriales y agrícolas. La tubería CCP se puede utilizar para transportar cualquier líquido no corrosivo para el concreto, incluyendo agua de mar y aguas residuales en tuberías de impulsión.
Los Tubos CCP están diseñados y fabricados conforme a la norma C303 de American Water Works Association (AWWA) y al Manual M9 de AWWA y generalmente se suministran en diámetros estándar de 18” a 72” para presiones de trabajo de hasta 400 psi. Los Tubos CCP se han fabricado en mayores diámetros y para presiones más altas, con base en los conceptos de este estándar.
Aseguramiento de la Calidad
La norma americana para Tubos CCP es la C303 de AWWA. Esta norma requiere que cada fabricante mantenga un programa de aseguramiento de la calidad y que todos los materiales utilizados para fabricar la tubería cumplan con normas de la American Society for Testing and Materials (ASTM). Los procedimientos para soldar y la inspección de las soldaduras, así como también los operadores de soldadura y los soldadores deben estar calificados bajo normas reconocidas internacionalmente. Deben realizarse controles de aseguramiento de la calidad en cada proceso de fabricación, incluyendo pruebas en el acero, las soldaduras, los revestimientos y los recubrimientos de las tuberías y pruebas hidrostáticas de los cilindros de acero.
Los clientes de Ameron requieren normas bien desarrolladas y productos consistentes de alta calidad. Por lo tanto, además de mantener su propio departamento de aseguramiento de la calidad, Ameron solicita que Lloyd’s Register, la sociedad de clasificación de primera clase a nivel internacional, audite anualmente cada una de nuestras plantas, certificando que cumplan con normas internacionales.
La combinación del compromiso de Ameron con sus clientes, la norma AWWA C303, las certificaciones de ISO 9001 y los certificados delLloyd’s Register y de la National Science Foundation (NSF) le aseguran a nuestros clientes que cuando reciben Tubos de CCP de Ameron para su proyecto, estos cumplen con sus especificaciones y son de calidad consistente.
A Revestimiento de Concreto o Mortero de Cemento.
B Recubrimiento de Mortero o de Cemento denso.
C Refuerzo de Varilla de Acero*.
D Empaque Redondo de Caucho.
E Anillos de Unión en Acero*.
F Cilindro de Acero*.
G Banda de polietileno.
H Mortero de cemento aplicado en el campo.
* Componentes de Acero con bajo contenido de carbono
Diseño Óptimo
Los Tubos CCP están diseñados para resistir la presión hidrostática interna mediante una combinación de cilindro de acero y varilla enrollada helicoidalmente. De esta manera, el tubo puede diseñarse de forma específica para proporcionar la cantidad exacta de acero necesaria para las condiciones operativas de la tubería, seleccionando la combinación óptima de espesor del cilindro de acero y diámetro y espaciamiento de las varillas. Esta flexibilidad de diseño puede generar ahorros significativos.
Importancia del Refuerzo con Varillas enrolladas helicoidalmente
Después de curar el revestimiento, el cilindro de acero se envuelve helicoidalmente con una varilla de acero continua aplicada con un esfuerzo de tensión de 8,000 a 10,000 psi. La envoltura de la varilla proporciona el equilibrio de acero requerido para resistir las fuerzas circunferenciales de tensión. Además, el envoltorio de varillas refuerza el recubrimiento de mortero y lo asegura ajustado contra el cilindro de acero para que el cilindro, la varilla y el recubrimiento actúen como una estructura unificada. Esta construcción unificada incrementa considerablemente la rigidez del tubo, la resistencia en condición de viga y la resistencia a los impactos y al vacío.
Capacidad Hidráulica
Estudios de campo han demostrado que se mantendrá un coeficiente Hazen-Williams, C, con un valor de diseño de 140, durante la vida útil de la tubería.
Protección Contra la Corrosión
El revestimiento de mortero de cemento mantiene los elementos del acero en un ambiente altamente alcalino, generalmente con un pH de 12.5 o superior. En este ambiente alcalino, se inhibe la corrosión galvánica. El recubrimiento de mortero curado, aplicado en planta, debe pasar una prueba de absorción de agua que limite el valor de absorción promedio de diez pruebas consecutivas a 9% y que ninguna prueba individual exceda el 11%. Este recubrimiento de mortero denso, junto con la lechada de cemento que se aplica para recubrir la parte de la varilla que hace contacto con el cilindro, proporcionan un ambiente pasivante que inhibe y neutraliza la corrosión del cilindro y de la varilla de acero.
Ensamblado en el Campo
La junta auto centrante de campana y espigo de acero sellada con un anillo de caucho confinado y las secciones de longitud considerable permiten que los Tubos CCP se instalen rápida y económicamente. Se pueden lograr fácilmente rendimientos de colocación de 30 a 50 secciones de tubo por día por frente de trabajo. La efectividad de la junta sellada con un empaque de caucho confinado se ha demostrado, en proyectos operando sin problema por más de 70 años.
Diseño de Tubería a la medida para el Proyecto
Ameron suministra un paquete completo de ingeniería para cada proyecto de tubería CCP, incluyendo cálculos de diseño de la tubería, despiece de la tubería y detalles de fabricación de cada componente. Como parte de un sistema con diseño a la medida, los accesorios y adaptadores especiales se numeran, para identificar su ubicación exacta en el proyecto.
Junta estándar de CCP
Colocación del empaque de caucho en la punta de Espiga Carnegie del tubo
Espigo Carnegie con Campana Expandida
DENTRO O FUERA OPCIONAL
Junta Traslapada Soldada
SUPERPOSICIÓN NOMINAL
Union de Doble Empaque
Tubería con espigo de doble empaque
La durabilidad y confiabilidad de los las juntas estándar de CCP utilizadas por Ameron con espigo de un empaque se ha comprobado por más de 70 años. Sin embargo para aplicaciones o requisitos especiales se puede especificar espigo de doble empaque (ver figura) como por ejemplo:
• Para pruebas de campo de cada junta antes de instalar el siguiente tubo • Para pruebas de campo de las juntas después de completar el relleno compactado • En circunstancias en las que no haya fácil disponibilidad de agua para las pruebas
hidrostáticas
• Para instalaciones bajo el agua
• Para proyectos en áreas de alta sismicidad
• Para zonas de grandes rellenos donde se puedan presentar asentamientos • En circustancias donde se requiere la seguridad adicional de un segundo empaque
Restricción al Empuje
El empuje hidráulico dentro de la tubería puede restringirse soldando adecuadamente las uniones de las secciones de la tubería instalada en campo para desarrollar la restricción longitudinal necesaria.
Conexiones a la tubería en Servicio
Los Tubos CCP pueden perforarse con relativa facilidad con la tubería en servicio, con equipos y procedimientos que se pueden adquirir en el mercado, permitiendo la instalación de un rango completo de salidas de cualquier diámetro.
Diseño de la Tubería
El diseño del tubo CCP cumple con
la norma C303 y el Manual M9 de
AWWA.
El área transversal total del refuerzo circunferencial de acero (cilindro de acero más refuerzo de varilla) es:
Donde:
As = Área transversal total del acero circunferencial, pulgadas cuadradas/pie lineal de pared del tubo.
Ay = Área transversal de acero circunferencial en el cilindro, pulgadas cuadradas/ pie lineal de pared del tubo.
Ab = Área transversal de acero circunferencial en el refuerzo de varilas, pulgadas cuadradas/pie lineal de pared del tubo.
S.F. = Factor de Seguridad; 2.0. Pd = Presión de diseño, psi.
Dy = Diámetro interior del cilindro de acero, pulgadas. S = Esfuerzo mínimo de fluencia, 36,000 psi (248 MPa).
La resistencia de fluencia real del acero utilizado para fabricar los cilindros generalmente es superior a 36,000 psi (248 MPa), dando como resultado un Factor de Seguridad real superior a 2 a 1 en el tubo
El área de acero circunferencial requerida para un diámetro y una clase de presión determinados del tubo, puede proporcionarse con varias combinaciones de espesores de cilindros de de acero, diámetros y espaciamiento de las varillas. Podrá seleccionarse cualquier combinación que cumpla con el siguiente criterio.
• El espesor mínimo del cilindro de acero debe ser como se indica en la Tabla 1. • La resistencia mínima de fluencia del acero = 36,000 psi (248 MPa). • El diámetro mínimo del refuerzo de varillas debe ser de 7/32 pulgadas.
• El área mínima del refuerzo de varillas debe ser de 0.23 pulgadas cuadradas por pie de pared del tubo o numéricamente equivalente al 1 por ciento del diámetro del tubo en pulgadas.
• El espaciado máximo de centro a centro del refuerzo de varillas no debe exceder las 2 pulgadas.
• El espacio libre entre las varillas no debe ser inferior a 1.5 veces el diámetro de la varilla utilizada.
Cada cilindro se prueba hidrostáticamente después de sujetar los anillos de las uniones.
Rango de Diámetros de la
Tubería (Pulgadas) Espesor Mínimo del CilindroCalibre* Pulgadas**
18 a 21 16 0.060 24 a 33 14 0.075 36 a 39 13 0.090 42 a 48 12 0.105 51 a 60 10 0.134 63 a 66 8 0.164 69 a 72 3/16” 0.188
* Calibre estándar en EE.UU. ** Espesor Nominal
Tabla 1. Espesor Mínimo del Cilindro
Cilindro de 72 pulgadas de diámetro en la máquina de soldar en espiral de Ameron.
Diseño Hidrostático
El esfuerzo circunferencial promedio en el cilindro de acero y refuerzo de varillas del tubo a la presión del diseño, se limita a 36,000 psi (248 MPa); el límite de elasticidad mínimo especificado del acero utilizado en el cilindro. El siguiente procedimiento representa un factor de seguridad mínimo de 2 a 1.
=
+
=
6 [ . .]
s
y
y
d
b
Diseño a Carga Externa
El tubo CCP es un tubo semirrígido diseñado como estructura compuesta de acero y paredes de concreto o mortero de cemento. Las cargas externas de las tuberías CCP enterradas son resistidas por la esfuerzo de flexión anular del tubo (rigidez del tubo) y por la presión lateral pasiva del terreno sobre los lados del tubo. La construcción de la pared del tubo CCP contribuye considerablemente a su rigidez y por consiguiente a su capacidad de carga externa.
Los procedimientos recomendados para la construcción de la cimentación y los rellenos se incluyen en la Guía de Instalación de Ameron para Tuberías Semirrígidas a Flexibles y en el Manual M9 de AWWA. El Departamento de Ingeniería de Ameron puede ayudar a determinar el diseño de tubos específicos para los proyectos de los clientes con base en la presión y a la carga externa.
Diseños Estándar
En nuestra página web se encuentran los diseños estándar para tubos CCP con un factor de seguridad de 2.0 y una resistencia mínima de fluencia de 36,000 psi (248 MPa) para el acero. Los espesores de los cilindros de acero y los diámetros de las varillas pueden variar siempre y cuando el área total de acero, As, sea igual o mayor a la indicada. Los diseños estándar permiten una tolerancia de presión de trascientes de 1.5 veces la presión de diseño del tubo.
Especificaciones
En nuestra página web se encuentran disponibles las especificaciones guía para Tubos de Cilindro de Acero con Refuerzo de Varilla y Revestimiento de Mortero de Cemento.
Se utiliza una combinación de material de relleno seleccionado y suelos nativos para rellenar los tubos de CCP.
Water Transmission Group — Tubos de Cilindro de Acero con Refuerzo de Varilla y
Revestimiento de Mortero de Cemento (CCP)
EMPAQUE DE CAUCHO REDONDO
SUPERPOSICIÓN NOMINAL
Bc = Diámetro exterior del barril del tubo db = Diámetro de la varila
D = Diámetro interior del tubo
Dy = Diámetro interior del cilindro de acero Dj = Diámetro de la junta
Js = Espacio de la junta interior
L = Longitud de colocación estándar
s = Espaciamiento de las varilas, centro a centro tb = Espesor de la campana
tc = Espesor mínimo del recubrimiento de mortero de cemento sobre la varila de acero, (0.75” mínimo).
tl = Espesor nominal del revestimiento mortero de concreto o cemento ty = Espesor del cilindro
Diámetro interior del tubo D Longitud estándar del tendido* L Diámetro Exterior del Cilindro de Acero Dy + 2ty Diámetro de la Junta Dj Diámetro Exterior del Barril del Tubo
Bc
Junta Deflectada Junta Biselada Peso del Tubo*** Deflexión
Mínima Mínimo**Radio MáximoBisel Mínimo**Radio tt1c = 0.75” = 0.75”
pulgadas pies pulgadas pulgadas pies grados pies grados pies lb/pie lineal 18 36 19.78 20.28 1.82 2.11 978 5.00 412 140 20 40 21.78 22.28 1.98 1.92 1194 5.00 458 160 21 40 22.78 23.28 2.07 1.84 1246 5.00 458 165 24 45 25.75 26.25 2.31 2.18 1183 5.00 515 190 27 45 28.78 29.28 2.57 1.95 1323 5.00 515 215 30 45 31.875 32.375 2.82 1.76 1466 5.00 514 250 33 45 34.875 35.375 3.07 1.61 1602 5.00 514 280 36 45 37.875 38.375 3.32 1.49 1731 5.00 514 315 39 45 40.875 41.375 3.57 1.38 1869 5.00 514 340 42 45 43.875 44.375 3.82 1.29 2000 5.00 514 370 45 45 46.875 47.375 4.07 1.20 2150 5.00 514 400 48 45 49.875 50.375 4.33 1.13 2283 5.00 514 430 51 45 52.875 53.375 4.58 1.07 2411 5.00 514 470 54 45 55.875 56.375 4.83 1.01 2554 5.00 513 500 57 45 58.875 59.375 5.08 0.96 2687 5.00 513 540 60 45 61.875 62.375 5.33 0.92 2804 5.00 513 570 63 45 64.875 65.375 5.58 0.87 2965 5.00 513 610 66 45 67.875 68.375 5.85 0.84 3071 5.00 513 650 69 45 70.875 71.375 6.09 0.80 3224 5.00 513 690 72 45 73.875 74.375 6.37 0.77 3350 5.00 513 730
* Los tubos se pueden fabricar en longitudes unitarias menores.
** Con base en las Longitudes de Tendido Estándar mostradas. Pueden lograrse radios más ajustados con longitudes más cortas. *** El peso del tubo es para la Clase 150.
Dimensiones de los tubos
Tabla 2. Dimensiones de los Tubos
Tubos Especiales y Accesorios
Existe un amplio rango de tubos y
accesorios especiales para suplir
las necesidades de los proyectos.
Se fabrican en planta de acuerdo con las necesidades específicas del proyecto y se entregan en obra, según la secuencia establecida para la instalación en la tubería. El diseño y la fabricación de accesorios de acero y tubos especiales cumplen con la sección correspondiente de la norma AWWA C303; sus dimensiones cumplen con la norma AWWA C208. Las bridas hasta clase 300 psi cumplen con la norma C207 de AWWA. Las bridas de clase mayor a 300 psi cumplen con la sección B16.5 de ANSI.
Se puede suministrar cualquier tamaño y forma de tubo con conexiones de diversas configuraciones, para soldadura a tope, traslapada, tipo espigo campana con uno o dos empaques de caucho, para uniones mecánicas y para cinturones de cierre. Cambios de Dirección
Se pueden lograr curvas de gran radio y cambios de dirección menores por medio de la deflexión de la junta de un tubo estándar o mediante el uso de tubos con extremos biselados hasta 5 grados. Para curvas de radios menores, se suministran codos.
Tubos Especiales
Los tubos especiales tienen el mismo diseño que los tubos estándar pero se modifican para fabricar longitudes cortas, extremos biselados y salidas incorporadas para bocas de acceso, válvulas de aire, purgas y otras conexiones. En las aperturas para salidas, el cilindro de acero se refuerza con un collar de acero, una placa circundante o una placa de bifurcación, dependiendo del espesor del cilindro, de los diámetros de los tubos, de las salidas y de las condiciones de operación de la tubería.
Accesorios
Los accesorios incluyen codos, reducciones y conexiones con las válvulas de la tubería principal y a derivaciones. Estos accesorios se fabrican con placa o lámina de acero y se revisten y recubren con mortero de cemento o concreto. El diámetro del cilindro del accesorio es igual al diámetro del cilindro del tubo estándar. Diseño de los Accesorios
El espesor del cilindro de acero de un accesorio es:
Donde:
S.F. = Factor de Seguridad; 2.0. Pd = presión de diseño, psi.
Dy = diámetro interior del cilindro de acero, pulgadas. S = 33,000 psi (228 MPa).
Los accesorios se diseñan para tener la misma resistencia que las secciones de los tubos estándar adyacentes. Los espesores mínimos de los cilindros de acero utilizados en los accesorios se muestran en la Tabla 3.
Los CCP pueden surtirse con varias configuraciones de salidas para cumplir con los requerimientos del proyecto. Se muestra una junta Carnegie con un solo empaque.
=
[ . .]
2
y
d
y
Tabla 3. Espesor Mínimo de la Placa o Lámina
Rango de Diámetros de los
Accesorios (pulgadas) Espesor Mínimo de la Placa o Lámina (pulgadas)
18 a 21 0.134
24 a 36 0.179
39 a 48 0.250
51 a 60 0.312
63 a 72 0.375
(izquierda) Revestimiento de mortero de cemento incorporado por centrifugación dentro del cilindro de acero.
(derecha) Varilla de refuerzo sobre cilindro de acero
Aplicación de recubrimiento de mortero sobre un cilindro de acero envuelto con varilla de acero.
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