PRUEBAS DE HERMETICIDAD EN CAMPO DE TUBERIAS DE ALCANTARILLADO, EN MEXICO Caldiño Villagómez Ignacio, Maldonado Silvestre Juan
Instituto Mexicano de Tecnología del Agua Paseo Cuauhnáhuac 8532, Col. Progreso, Jiutepec, Morelos, C.P. 52550
RESUMEN Las deficiencias en la hermeticidad de los sistemas de alcantarillado pueden ocasionar infiltraciones y exfiltraciones de sustancias peligrosas que provocan daños a las mismas líneas, al agua subterránea y al propio suelo. Aunque se dispone de normas y especificaciones, éstas no se han aplicado en forma sistemática debido a la carencia de procedimientos específicos y a la flexibilidad para la recepción de las obras terminadas. La finalidad de los trabajos que aquí se describen fue la de encontrar y evaluar los métodos apropiados para probar la hermeticidad en líneas de alcantarillado y los procedimientos correspondientes para su aplicación. Se aplicó la prueba hidrostática en 2 sitios y la de aire en 3 ciudades para evaluar los métodos y la problemática de cada una y proponer las soluciones correspondientes. Del análisis bibliográfico, de los resultados de pruebas de laboratorio y la aplicación de pruebas de campo en 3 poblaciones, se concluye que en general, las pruebas con aire tienen ventajas sobre la hidrostática debido al tiempo de llenado de las líneas que es mucho mayor para ésta última y a su costo. Palabras clave: Pruebas de hermeticidad en alcantarillado
INTRODUCCION Las acciones tendientes a lograr que las redes de alcantarillado funcionen con seguridad y eficiencia, son muy importantes para impedir la infiltración de aguas subterráneas o de sustancias peligrosas que ponen en riesgo la seguridad de la población, la exfiltración de las aguas residuales y el escurrimiento o entrada de volúmenes de agua no considerados a través de registros y tapas de pozos de visita. Las acciones básicas realizadas a la fecha corresponden a la normalización y certificación de tuberías con junta hermética, así como de especificaciones para la hermeticidad de uniones especiales de alcantarillado y pozos de visita, como son: la unión albañal-atarjea, colector-pozo de visita, cárcamo de bombeo-colector. Se dispone de los elementos necesarios para diseñar y construir redes herméticas de alcantarillado, sin embargo; se requieren los medios para verificar la hermeticidad de las instalaciones, lo que permitirá decidir cuando estas se deben aprobar y cuando será necesaria una nueva revisión para ubicar las fallas y corregirlas. La Comisión Nacional del Agua (CNA) encargó al Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA), la elaboración de las especificaciones para la aplicación de pruebas de hermeticidad para nuevas instalaciones de alcantarillado. Se efectuó una revisión bibliográfica sobre pruebas de alcantarillado con base en la cual se describen las pruebas con agua especificadas en México, así como las que se aplican generalmente en Estados Unidos donde es de uso común la prueba de aire a baja presión. Esta revisión fue la base para el diseño de pruebas de laboratorio y la elaboración preliminar de las especificaciones, mismas se validaron con su aplicación en campo.
NORMAS Y ESPECIFICACIONES DE PRUEBAS EN MEXICO
Coeficientes de infiltración Las normas de proyecto de la SAHOP de 1979, [1], establecían que la infiltración podía variar de 11,800 l/24 h/km/ a 94,400 l/24 h/km; estas cantidades equivalen a una variación de 0.136 l/s/km a 1.092/l/s/km, y se podía considerar el valor medio de 0.614 l/s/km. Las Especificaciones de la CNA de 1991, [2], establecían que la impermeabilidad de los tubos de concreto y sus juntas, será probado por el contratista en presencia del ingeniero, en una de las dos formas siguientes: a) Prueba hidrostática accidental Consiste en dar a la parte más baja de la tubería, una carga de agua que no exceda de un tirante de dos metros. Esta prueba se efectúa sólo cuando existan sospechas de trabajos deficientes en el junteo, o cuando por cualquier circunstancia se ocasionen movimientos en las juntas. b) Prueba hidrostática sistemática Esta se hará en todos los casos en que no se realice la accidental. Consiste en vaciar, en el pozo de visita aguas arriba del tramo por probar, el contenido de agua de una pipa, que desagüe al citado pozo con una manguera de 4" o 6" de diámetro, dejando correr el agua libremente a través del tramo por probar. En el pozo de aguas abajo, el contratista instalará una bomba a fin de evitar que se forme un tirante de agua que pueda deslavar las últimas juntas de mortero que aún estén frescas. Esta prueba tiene por objeto determinar si es que la parte inferior de las juntas se retacó adecuadamente con mortero cemento. Se realiza antes de hacer los rellenos. Especificaciones de diseño y construcción para sistemas de alcantarillado, utilizando tubería con junta hermética [3]. En la edición 1992 se señala que debido a los problemas de asentamientos y deficiencias de instalación en la unión de las tuberías, que generalmente son de concreto, la tubería deberá ser probada tanto en fábrica como en campo para resistir una presión interna mínima de 0.75 kg/cm² para el caso de atarjeas y de 1.5 kg/cm² para colectores y emisores.
PRUEBAS EN ESTADOS UNIDOS Evolución de los límites permisibles de fugas Anteriormente los sistemas de alcantarillado se construían sin considerar cantidades máximas permisibles de infiltración de aguas freáticas hacia las tuberías y de exfiltración de éstas a los suelos. Sin embargo, con la introducción de los sistemas separados de alcantarillado, sanitarios por un lado para el tratamiento de las aguas residuales y pluviales por otro, los aspectos económicos obligaron a limitar este tipo de flujos. A mediados de la década 1950-60 [4], se permitían infiltraciones de hasta 1500 galones por pulgada de diámetro por milla por día (1380 l/cm/km/día). En los 60's se consideraron 500 (460 l), y a finales de esta década y principios de la década 1970-1980, se continuó con la tendencia a disminuir las infiltraciones con el empleo de tubería de alta calidad y mejores empaques para las juntas. En estos años, los rangos de infiltración fueron de 200 galones (184 l). Este límite es alto desde el punto de vista costo-beneficio por lo que se especifican rangos de 50 a 150 galones por pulgada de diámetro por milla por día (46 a 138 l/cm/km/día) (lámina 1). Sin embargo algunas normas de 1990 [5], establecen un límite permisible de infiltración o exfiltración, de 185 l/cm/km/día para tuberías de concreto.
ANTECEDENTES DE LAS PRUEBAS DE AIRE
Ramseier y Riek [6] señalaron que el interés por encontrar y eliminar fugas, estimuló el desarrollo de nuevas herramientas, como el humo, los aerosoles, y el aire a baja presión, usados para probar la hermeticidad de alcantarillados sanitarios y localizar los puntos de fuga. Ramseier establece que en las pruebas de aire a baja presión, una tubería instalada será aceptada si el tiempo T en el cual la presión desciende de 3.5 a 2.5 lb/plg² (0.246 a 0.176 kg/cm²) no es menor que el que calculado con la ecuación mostrada en el cuadro 2 [7].
Lámina 1. Evolución de los límites permisibles de infiltración en los sistemas de alcantarillado en Estados Unidos
1
En el cuadro 1, se muestra un resumen de las normas vigentes en México y Estados Unidos
Cuadro 1. Pruebas de hermeticidad para aceptación de líneas nuevas. PRUEBA
NORMA
PAIS
1.-Hidrostática
CNA-1994
MEXICO
2.-Aire a baja presión.
UNI-B-6-90
EUA
3.- Aire a baja presión tubos plásticas.
ALCANCE Para emisores y colectores, con un llenado de agua en los pozos de visita a nivel de brocal. No se indica un material específico de aplicación. Se recomienda que la línea bajo prueba tenga una superficie interna menor o igual a 58 m2. Similar a la UNI-B-90. La ASTM la establece solo para tuberías plásticas.
ASTM F 141792
EUA
4. Aire a baja presión. Tubos de concreto. ASTM-C 929 M-89
EUA
Similar a la anterior. Para tubos de concreto de 100 a 600 mm de diámetro. Para diámetros mayores se indica la inspección visual (equipo de video) y pruebas individuales a las juntas. Es similar a la anterior, con aplicación a barro vitrificado.
5. Aire a baja presión. Tubos de barro v. 6. Infiltración y exfiltración. Tubos de concreto.
ASTM-C 82890
EUA
ASTM-C 969M82
EUA
Tuberías de concreto de hasta 600 mm. La prueba de infiltración (con vertedores u otro método) se aplica a líneas con carga de aguas freáticas de 0.6 m o más en toda su extensión. En la de exfiltración (caso contrario) las líneas se someten a 0.6 m de carga sobre el nivel de aguas freáticas (en su caso). El límite permisible es de 185 l/cm/km/día, sin incluir pozos.
PRUEBA DE AIRE A BAJA PRESIÓN Antes de la ejecución de las pruebas se debe limpiar con flujo a alta velocidad o algún otro método. Asimismo todas las líneas se deben inspeccionar visualmente para verificar la precisión de la alineación y que no se contengan desperdicios ni obstrucciones. Todo el diámetro de la tubería debe ser visible de un pozo de visita a otro. El método de inspección puede ser por fotografía, por circuito cerrado de televisión, utilizando lámparas o espejos y luces.
Cuadro 2. Ecuación de Ramseier para líneas principales ECUACIÓN DE RAMSEIER (SISTEMA INGLÉS) T= 0.085 DK/Q donde K= 0.000419 DL >=1 Q= fugas permisibles= 0.0015 ft3/min/ft2 D= Diámetro de tubo [pulg] L= Longitud del tubo [ft]
ECUACIÓN DE RAMSEIER (SISTEMA MÉTRICO) T= 1.02 dk/q Donde k= 0.0541 dl >=1 q= Fugas permisibles=0.0005 [m3/min/m2] d= Diámetro del tubo [m] l= Longitud del tubo [m]
En la lámina 2, se muestra un esquema de las pruebas hidrostática y de aire a baja presión.
Lámina 2. Pruebas hidrostática y de aire a baja presión
2
La prueba consiste en lo siguiente: Se colocan los tapones neumáticos a las tuberías junto a los pozos, y se efectúan las conexiones tanto para inflado de estos como para el llenado de la tubería. Se inflan los tapones con una bomba de aire manual a la presión indicada por el fabricante. Se introduce lentamente el aire hasta alcanzar lb/plg² (0.28 kg/cm²) más que la carga de aguas subterránea sobre la tubería, en su caso, pero no mayor a 9.0 lb/plg² (0.63 kg/cm²). Cuando se alcanza la presión especificada, se regula el suministro para mantener la presión interna por lo menos 2 minutos. En este tiempo, la temperatura del aire del interior se iguala con la de las paredes de la tubería. Cuando la temperatura se ha igualado y la presión se ha estabilizado, se cierra la válvula de la manguera de suministro de aire. Se observa la disminución de la presión y se verifica que no sea menor de 3.5 lb/plg² (0.24 kg/cm²) por arriba de la carga de las aguas subterráneas sobre la tubería, en su caso. Con la presión entre 3.5 y 4.0 lb/plg² (0.24 0.28 kg/cm²) se toma el tiempo con un cronómetro. Para la aceptación de las líneas, la caída de presión no debe ser mayor a la especificada, de 1 lb/plg² (0.07 kg/cm²) en un tiempo predeterminado. Los tiempos de prueba deben ser calculados empleando la ecuación de Ramseier que se indica en el cuadro 2. Se establece que para los casos en que las líneas principales bajo prueba tengan conexiones laterales, se ignoren las longitudes respectivas en el cálculo del tiempo con la ecuación de Ramseier, ya que esto representa mayor seguridad.
PRUEBAS DE CAMPO Con base en las pruebas efectuadas en el laboratorio IMTALAB y las visitas a los sistemas de alcantarillado de Fresno, Cal. y Tijuana, B. C. se complementó el equipo y se hicieron las adecuaciones necesarias para la ejecución de pruebas en campo. Primeramente se realizaron en las instalaciones del IMTA. a) Pruebas en instalaciones del IMTA Se seleccionaron 3 tramos de alcantarillado pluvial dentro de las instalaciones del IMTA. La tubería es de concreto simple junteada con mortero de cemento. Las demás características se muestran en el cuadro 3.
Cuadro 3. Características de los tramos probados en el IMTA TRAMO
LONGITUD (m)
DIAMETRO (m)
VOLUMEN ( m3 )
PRUEBA HIDROSTATICA
1
19.6
38
2.22
X
2
43.6
30
3.01
X
3
22
38
2.38
X
PRUEBA CON AIRE
X
Los volúmenes se calcularon para una longitud 1 m menor que la señalada en el cuadro debido a que se restó el volumen ocupado por los tapones cuya longitud es de 0.5 m para cada uno.
La tubería es de concreto simple junteada con mortero de cemento. b) Procedimiento para calcular la capacidad del tanque del compresor. Una vez conocidas las dimensiones de los tramos por probar, diámetros y longitudes, hay que calcular la capacidad mínima del tanque del compresor que se requiere para evitar deficiencias durante la ejecución de pruebas en campo. Asimismo, debe considerarse la presión para que el llenado sea en un tiempo razonable. El personal que participa en la prueba debe estar consciente de que el manejo del equipo y la ejecución de la prueba requiere de responsabilidad y atención continua ya que los volúmenes de aire a las presiones señaladas, en el interior de las líneas de alcantarillado, tienen gran cantidad de energía potencial almacenada por lo que deben tomarse las medidas de seguridad necesarias. El cálculo se hace aplicando la ecuación de Boyle, considerando la temperatura constante. Conviene señalar que en esta expresión se utiliza la presión absoluta, El procedimiento de cálculo se muestra a continuación: De la Ley de Boyle, se tiene que: Install Equa tion Editor and double click here to view equation. 1 Por lo tanto Install Equa tion Editor and double click here to view equation. 2 Para el caso de la línea: V1 es el volumen de aire de la tubería, a presión atmosférica. P1 es la presión atmosférica al nivel del mar = 1.033 kg/cm2 La presión atmosférica varía con la altitud y está dada por la siguiente expresión: Install Equa tion Editor and double click here to view equation. 3 V2 es el volumen de aire en el interior de la tubería a la presión absoluta de inicio de la prueba. P2 es la presión absoluta en la línea. Es la suma de las presiones manométrica y atmosférica, al nivel del mar, P2 = 0.281 + 1.033 = 1.314 kg/cm2 .
Ejemplo. Si la tubería por probar es de 38 cm de diámetro y 80 m de longitud, su volumen es de de 9.073 m3. Considerando un sitio al nivel del mar, se tiene que: P1 = 1.033 kg/cm² P2 = 0.281 kg/cm2 + 1.033 kg/cm2 = 1.314 kg/cm2 V2 = 9.073 m3 = 9,073 l El volumen de aire V1 resulta Install Equa tion Editor and double click here to view equation. 4 que es el que se requiere para alcanzar la presión de 0.281 kg/cm² (4 lb/plg²). El volumen que se suministra a la tubería, resulta ser la diferencia:
V = 11,541 - 9,073 = 2,468 l
Si se dispone de un tanque de 1,000 l, la presión mínima necesaria que se debe alcanzar para suministrar a la línea mencionada, los 0.281 kg/cm² (1.314 kg/cm² de presión absoluta), se calcula de la siguiente forma: Considerando que la presión mínima que debe tener el compresor es de 0.281 kg/cm² (1.314 kg/cm² absoluta), el volumen de aire atmosférico adicional al de su capacidad, que debe conservar el compresor es: Install Equa tion Editor and double click here to view equation. 5 El volumen adicional a la capacidad del compresor es de
1,272 - 1,000 = 272 l.
Por lo tanto, el volumen de aire atmosférico que se tendrá en el compresor al inicio de la prueba es la suma de su capacidad más el aire que se suministrará a la línea para alcanzar los 0.281 kg/cm² (4 lb/plg²) más el volumen adicional a la capacidad del compresor: V1 = 1000 + 2468 + 272 = 3,740 l (a la presión atmosférica al nivel del mar) V2 = 1000 l P1 = 1.033 kg/cm² La presión mínima requerida en el tanque compresor, resulta Install Equa tion Editor and double click here to view equation. 6 Por tanto, Pmanométrica = 3.86 - 1.033 = 2.83 kg/cm² Esto significa que se requeriría un tanque de 1 m3 con una presión mínima de 2.83 kg/cm². Se pueden calcular combinaciones de capacidades de tanques y presiones requeridas para efectos de esta prueba y de acuerdo con la disponibilidad de tanques, compresores y válvulas de seguridad en el mercado así como de los volúmenes de las líneas por probar, seleccionar el que más convenga. En el ejemplo, se calculó la presión mínima en el tanque del compresor para iniciar el llenado de la línea por probar, considerando que no se tienen fugas. Si éstas existen, el tiempo de llenado resultaría mayor y si son grandes es probable que no se alcanzara la presión de 0.281 kg/cm² (4 lb/plg²). Se incrementaría el tiempo de prueba y por consiguiente el costo. Se recomienda disponer de un tanque compresor con una presión adicional a la calculada, del 40%.
Pruebas de Hermeticidad en el Alcantarillado de Cancún, Q.R. Las pruebas de aire, se aplicaron en líneas de PVC, con las descargas domiciliarias conectadas.
Cuadro 4. Resultados de las pruebas de aire en líneas de alcantarillado de la Cd. de Cancún. Diámetro TRAMO
UBICACION
(cm)
Longitud (m)
Tiempo de caída de lb/plg² de presión (seg)
1
Resultado
Observaciones
1
43 ote., Col. F. Villa
20
124
3:47
No aprobada
La presión cayó de 4 a 3.5 lb/plg. Línea c/4 descargas domic.
2
Misma calle
20
109
--
No aprobada
La fuga en la línea alcanzó 3 lb/plg². contaba c/4 descar.
3
11 nte., Región 94
20
115
--
No aprobada
4
16 pte., Región 94
20
94
3:47
Aprobada
5
Misma calle
20
110
3:47
Aprobada
6
20 pte., Región 94
20
85
--
No aprobada
7
18 pte., Región 94
20
98
3:47
No aprobada
No alcanzó presión. Con 8 descargas. Con 2 descargas.
8
16 pte., Región 94
20
100
No aprobada
Rebasó muy poco la caída permisible (3.5 lb/plg²).C/8 descar. No alcanzó presión. contaba c/10 descar. Se localizó la fuga con jabonadura.Línea con 8 descargas. No alcanzó presión. Se localizó la fuga con jabonadura. Con 7 descargas.
--
* Para todos los tramos el tiempo T mínimo permisible para una caída de presión de 0.5 lb/plg² fue de 3 min 47 seg. ** Las fugas se localizaron en piezas cementadas. Los tramos del 4 al 8 habían sido probados previamente con una carga hidrostática media de 2 mca. Rendimiento de prueba hidrostática 3 h, prueba de aire 0.5 h. *** Después de evaluar las dos primeras líneas se volvió a probar la aceptada en la visita anterior, con el fín de confirmar el buen funcionamiento del equipo, incluidos los tapones para las descargas.
Pruebas de Hermeticidad en el Alcantarillado de Tijuana, B.C. En el cuadro 5, se describe en forma resumida las características de los tramos probados y los resultados. Los tramos que no aprobaron la prueba, fueron inspeccionados con el equipo de video, en un tramo se observaron piedras incrustadas a la tubería de PVC. en su parte superior, en las demás inspecciones no se detectó daños graves, y se dio por hecho que la falla ocurría en la unión de las tuberías. Pruebas de hermeticidad en líneas de alcantarillado del poblado San Miguel Tianguistengo, Pue. El poblado pertenece al Municipio de Tlahuapan, se ubica a 14 km al sureste de San Martín Texmelucan y al noroeste del volcán Ixtaccíhuatl. Su población es de 2,500 habitantes. La prueba de aire se aplicó en líneas de asbesto cemento. En el cuadro 6 se enlistan las características de los tramos probados y los resultados. El tiempo de caída considerado para la línea de 82 m es de 7 min 34 seg y para las otras 2, de 8:52. de acuerdo con la norma. En todos los casos, la presión de 0.28 kg/cm² (4 lb/plg²) se mantuvo el tiempo señalado.
Cuadro 5. Resultados de los tramos probados en líneas de alcantarillado de la Cd. de Tijuana. Diámetro TRAMO
1 2 3 4 5
UBICACION
Los tramos 1 a 5 se encuentran en el libramiento oriente Rosarito-La Mesa, sentido poniente-oriente
Colonia Grupo México Colonia Felipe Velázquez Colonia Felipe Velázquez Col. Emperadores Col. Emperadores
6 7 8 9 10
(cm)
Longitud (m)
Tiempo de caída de de presión (seg)
1 lb/plg²
Resultado
30 30 30 30 30
58 118 20 42 48
Se mantuvo en 4 lb/plg² Se mantuvo en 4 lb/plg² Se mantuvo en 4 lb/plg² Se mantuvo en 4 lb/plg² Se mantuvo en 4 lb/plg²
Aprobada Aprobada Aprobada Aprobada Aprobada
20 20 20 20 20
49 39 14 38 33
No se presurizó 12 4 Bajó a 3.8 lb/plg² No se presurizó
No aprob. No aprob. No aprob. Aprobada No aprob.
Observaciones
El tiempo que señala la norma es de 11 min. 24 seg. 20 min. para el tramo de 118 m 4 descargas Tiempo de prueba 7:34 (mínimo)
Cuadro 6. Resultados de las pruebas en tramos de alcantarillado de San Miguel Tianguistengo, Pue. TRAMO
1
2
3
UBICACION
Constitución. Entre Ing. Sandoval e Independencia Constitución. Entre Ing. Sandoval y Miguel Hidalgo Ing. Sandoval. Entre Constitución y Morelos
Diámetro
Longitud
(cm)
(m)
20
110
20
82
Tiempo de caída de 1 lb/plg² de presión
Se mantuvo en 4 lb/plg²
Resultado
Observaciones
Aprobada
Ningún tramo tenía conectadas las descargas domiciliarias.
Se mantuvo en 4 lb/plg² Aprobada Se mantuvo en 4 lb/plg² 20
112
Aprobada
CONCLUSIONES. Se dispone de los elementos para el diseño y la construcción de sistemas de alcantarillado hermético que cumplan con las normas y especificaciones vigentes. La prueba de aire a baja presión representa una alternativa con ventajas en tiempo y económica para verificar la hermeticidad y para localizar las fallas. Aunque las presiones que se manejan en la prueba de aire son bajas, deben extremarse las medidas de seguridad en su ejecución, por la gran cantidad de energía que se almacena. Debe darse un seguimiento a la aplicación de las normas vigentes; son los Organismos responsables de los sistemas de alcantarillado los que pueden tomar las acciones más efectivas para el cumplimiento de éstas al emitir las condiciones requeridas de los materiales y la construcción.
REFERENCIAS 1. Normas de proyecto para obras de alcantarillado sanitario en localidades urbanas de la República Mexicana, Secretaría de Asentamientos Humanos y Obras Públicas, México, 1979. 2. Especificaciones generales para la construcción de sistemas de agua potable y alcantarillado, Comisión Nacional del Agua, México, 1991. 3. Especificaciones de diseño y construcción para sistemas de alcantarillado sanitario, utilizando tubería con junta hermética, Comisión Nacional del Agua, México, 1992 y 1994. 4. Recommended practice for low-pressure air testing of installed sewer pipe, UNI-B-6-90, Uni-bell PVC pipe Association, 1990, USA, 15 pp., 1992 y 1994. 5. Infiltration and exfiltration acceptance testing of installed precast concrete pipe sewer lines, ASTM C 969- 82 (90). 6. Ramseier, Roy Edwin, Experience in using the low-pressure air test for sanitary sewers-Journal WPCF, vol. 38, No. 10, California, USA, 1966, 11 pp. 7. Ramseier, Roy Edwin, Testing new sewer pipe installations-Journal WPCF, vol. 44, No.4, USA, 1972, pp.
8
