No.40 NUEVOS AVANCES EN MATERIALES DE HIERRO DÚCTIL Conner Randall C American Cast Iron Pipe Company. 2930 North 16th Street Birmingham Alabama 35207 USA Tel ( 205 ) 325-7815 Fax. ( 205 ) 325-8014 URL: http://www.acipco.com/ Información en Monterrey, México: Ing. Rubén Barahona A. Tel / Fax 91 ( 8 ) 349 64 34. RESUMEN. Se presenta información sobre las tendencias recientes en el desarrollo de normas y aplicaciones de tuberías y accesorios de hierro dúctil que ha encontrado en el manejo de agua y alcantarillado su mejor área de desempeño. El material combina la resistencia a la corrosión del fierro fundido con la resistencia del acero a la tensión y al impacto , y un alto nivel tecnológico para el diseño y fabricación de las juntas, sobresalliendo la de tipo espiga campana que se usa en la mayoría de nuestros tubos. Además se suministra con un revestimiento interior de mortero de cemento centrifugado ó en caso de aguas residuales con un revestimiento de polímero fusionado con calor. Ambos procedimientos se efectúan en la planta y las protecciones no se afectan por maniobras normales para transporte por ferrocarriles ó plataformas. Su alta eficiencia hidráulica, bajo costo de instalación y mantenimiento y su durabilidad, hacen que este material esté avanzando cada vez más en la industria de agua. Además para protegerlo de suelos corrosivos basta una protección pasiva de manga de polietileno. La ponencia hace énfasis en las normas internacionales y en el apoyo de organismos certificadores que vigilan que no se haga daño al medio ambiente ni a la salud humana y se aproveche además el reciclado máximo de materiales en la fabricación. Palabras clave : avance, normas, resistencia, eficiencia, durabilidad HISTORIA E INTRODUCCIÓN La historia del servicio del Fierro fundido abarca varios países. La primera instalación de tubería de fierro fundido se registra en 1455 para la conducción de agua al castillo de Dillenburg en Alemania. Otra tubería del mismo material se instaló por orden de Luis XIV y llevó agua del río Sena a Versalles por más de 300 años. American Cast Iron Pipe Company fué fundada en 1905 y produjo tuberías de fierro fundido para infraestructura de agua potable y alcantarillado en todo el mundo durante más de setenta años. En la década de los 50´s, hace aproximadamente 40 años, se realizó la primera venta comercial de tubería de hierro dúctil, y en los siguientes 20 años este material fue remplazando al fierro fundido en la preferencia de nuestros clientes. En realidad hace más de 15 años que no se produce tubería de fierro fundido en nuestras instalaciones. El éxito innegable del hierro dúctil, que es químicamente muy similar al fierro gris, radica en una microestructura en la que el carbón ó grafito se presenta en fórmula de nódulos ó esferoides, en lugar de la forma de hojuela que muestra en el fierro gris. El resultado es un material que resiste el impacto, la tensión y que es flexible sin perder la durabilidad y la resistencia a la corrosión características del fierro fundido. SALUD Y MEDIO AMBIENTE Los esfuerzos más recientes de la EPA de EEUU. ( Agencia para Protección del Ambiente ) se reflejan en dos nuevas normas desarrolladas para la NFS International ( Fundación Nacional para la Salubridad ). En este consorcio participan AWWA ( Sociedad Americana de Aguas ), AWWARF ( Fundación para la investigación de la propia AWWA), la ASDWA ( Asociación de Administradores Estatales de Agua Potable). El resultado es la norma 60 de NSF, “ Productos químicos para tratamiento de agua potable y sus efectos sobre la salud” y la norma 61 “ Componentes de Sistemas de agua potable y efectos sobre la salud” que analizan todos los aditivos y componentes que se añaden al agua ó estan en contacto con ella, para certificar que sean inocuos, en cuyo caso se emiten listas de los productos que ya han sido aprobados. La industria de hierro dúctil ha sido muy activa en este esfuerzo común y ACIPCO entre otros fabricantes ha logrado que sus productos aparezcan en las listas detalladas de la norma 61. Durante este proceso todos los materiales son sujetos a un intenso escrutinio y pruebas ,con un detallado procedimiento básico de evaluación. De acuerdo a esta norma, los fabricantes están sujetos a visitas no programadas para obtener muestras al azar de los productos y componentes que serán sometidos a la certificación. La norma que controla los productos de ACIPCO fue aprobada por ANSI ( American National Standards Institute ) en Enero 28 de 1993 y se convirtió en ANSI / NSF 61. ANSI tiene ahora un proceso de revisión en que instituciones como NSF y UL “ Underwriters Laboratories, Inc. pueden obtener certificaciones. Las normas 60 y 61 de ANSI / NSF se someterán a las debidas revisiones cada 5 años aproximadamente. Además de los efectos sobre la salud, el mundo está cada vez más interesado en los procesos de reciclaje. En este terreno, el fierro dúctil de adelantó a su tiempo. No sólo se puede reciclar casi en forma continua e indefinida, sino que su fabricación puede aprovechar cantidades considerables de otros materiales de desecho. ACIPCO Recycling, nuestra planta de reciclado, puede convertir más de 100 automóviles de desecho por día en chatarra de alta calidad para la fabricación de hierro dúctil y recuperar al mismo tiempo mucho otros materiales para ser reciclados. TENDENCIAS EN NORMAS Y ESPECIFICACIONES Hace unos 20 años que la organización Internacional de normas (ISO), desarrolló una norma para fabricación de tubería y accesorios de hierro dúctil. Esta es la norma que se establece para concursos internacionales. Durante muchos años las normas ISO y las ANSI / AWWA para tubería, requerían tuberías de gran resistencia y alta presión. Por ejemplo la tubería K - 9 de la norma ISO - 2531 usada muy frecuentemente, se ha propuesto para presión permisible de hasta 64 bars (928 psi) para diámetro de 100 mm y hasta 27 bars ( 391 psi ) para 1600 mm de ∅. Como existen muchos proyectos de agua potable y alcantarillado con requerimientos de presión sustancialmente menores que los mencionados arriba, los proveedores internacionales han suministrado por años tuberías de espesores menores que éstos , pero que aún tienen capacidad sobrada en general. Por ejemplo, un espesor de tubería K - 7 de 1600 mm ∅ calculado de acuerdo a ISO- 2531 se propone para presiones permisibles de 20 bar (290 psi), y para diámetros menores ese valor se incrementa notablemente. Respecto al diseño internacional de sistemas de tubería de hierro dúctil, hay una nueva norma en estudio en un subcomité de ISO, cuyo resultado deberá revelar a los técnicos de diseño la alta resistencia de este material. Como un ejemplo de la calidad y resistencia de la tubería de hierro dúctil disponible en ACIPCO, esta gráfica muestra las presiones de prueba hidrostática en planta, ofrecidas por la empresa para diámetros de 450 mm a 1600 mm. clase K - 7 . En dicho proceso en el que se superan las presiones de prueba en planta que establece la norma ISO-2531, cada tubo y sus extremos se prueban por lo menos a niveles de presión calculados para producir un esfuerzo del 75% del de cedencia. La prueba en planta especificada por ACIPCO es realmente el doble o más de la prueba recomendada en la norma ISO y se aplica a cada tubo de 450 mm. ó mas de diámetro. Por supuesto hay espesores mayores K-8, K-9 etc. que pueden someterse a presiones aún mayores. APLICACIONES El hierro dúctil se utiliza en todo el mundo para el suministro de agua , sistemas contra incendio alcantarillado y aguas residuales, generación de energía y muchas otras aplicaciones. Esta tubería está disponible en el mercado con varios tipos de junta, múltiples accesorios y elementos de aplicación, por lo que el interesado podrá tener amplia información de los fabricantes directamente. La gran mayoría de los tubos que suministramos son de junta espiga-campana ( push-on), la cual corresponde a la junta de empaque American Fastite que se patentó hace más de 30 años y sigue siendo el estándar de nuestra empresa. Esta junta auto centrable y hermética es efectiva desde bajas a muy altas presiones internas, así como en condiciones de vacío (presión negativa) y bajo presión hidrostática externa. Quizá más importante, es el hecho de haber instalado este tipo de tubería en miles de obras de localidades de todo el mundo por más de tres décadas con excelentes resultados. La junta Fastite continúa siendo la preferida de nuestros clientes y la creciente experiencia y confianza en su aplicación en válvulas y accesorios ha ido desplazando las juntas convencionales de pernos. Existe tubería de hierro dúctil muy especializada como la Flex-Lok que es una junta de rótula que permite una deflexión hasta de 15° en cada tramo. Tiene gran aplicación para instalaciones complicadas. Se puede ensamblar en la margen de un río y jalarla para cruzar al otro lado, ó flotarla y con ayuda de una barcaza tenderla en el fondo de un lago o zona pantanosa. La flexibilidad y fortaleza de su diseño, hacen de esta tubería un producto excelente para dichas condiciones de instalación adversas. En relación a sistemas contra incendio, la ANSI / AWWA C-600 y la U.S. National Fire Protection Norma NFPA 24 recomiendan un mínimo de 6” de diámetro ( 150 mm ). Un beneficio adicional de instalar redes de este diámetro es que permiten ampliar la red con nuevos usuarios sin pérdidas de carga mayores. RECUBRIMIENTOS Y REVESTIMIENTOS La norma preferida para el material de revestimiento interior para el manejo de agua potable en EEUU. corresponde a mortero de cemento y es la número ANSI / AWWA C 104 / A 21.4 o la ISO 4179. La tubería de fierro fundido con revestimiento interior de mortero de cemento se suministró por primera vez, por parte de ACIPCO, a la ciudad de Charleston, South Carolina en 1922. Desde entonces el uso continuo y la investigación de campo de este material ha probado su capacidad sin precedente para evitar la corrosión y su alta eficiencia en la conducción hidráulica. El centrifugado a alta velocidad en planta da como resultado un espesor uniforme y una superficie de mínima rugosidad. Para cálculos hidráulicos se considera un número de Manning de .010 y Hazen Williams = 145. Para uso en alcantarillado, cuando se considera que el proceso séptico puede generar corrosión en el cemento, el tubo de hierro dúctil se puede proporcionar con un revestimiento especial, que puede ser alquitrán de hulla-epoxy o un producto aún superior a base de polietileno fusionado con calor sobre la superficie interior del tubo, que es completamente inerte y se produce con el nombre Polybond en la planta de ACIPCO. Este revestimiento se ha usado e investigado durante más de treinta años lo cual ha permitido la mejoría constante de sus características. En relación a la durabilidad del hierro dúctil, en medios externos como suelo y agua, en análisis de la historia de sus aplicaciones habla por sí solo : el recubrimiento normal de planta de tipo asfáltico conforme a ANSI / AWWA C151 ó ISO-2531 proporciona un servicio muy bueno en la mayoría de los suelos comunes. En suelos agresivos que pueden corroer el hierro dúctil, la tubería se puede proporcionar con una manga de polietileno según ANSI / AWWA C 105 / A 21.5. Un apéndice de esta norma contiene un sistema de 10 puntos como procedimiento de evaluación del suelo en cuanto a su potencial corrosivo. Esta protección se coloca en la obra envolviendo cada tubo con la manga y adhiriendo segmentos vecinos con una cinta adhesiva que se suministra con el polietileno. Este tipo de protección es pasiva, muy económica y ha sido probada durante más de 30 años en suelos sumamente agresivos, con estupendos resultados que han sido monitoreados en campo por la DIPRA (Asociación de fabricantes de tubería de hierro dúctil). Periódicamente se realizan sondeos en presencia del dueño o del operador del sistema y de terceros interesados para evaluar el tubo y la envoltura de polietileno, comprobando que el procedimiento es plenamente confiable y efectivo contra la corrosión. A diferencia de la protección catódica, en este caso la protección es pasiva y no requiere mantenimiento. COMPORTAMIENTO DE TUBERÍAS ENTERRADAS EN ZONAS SÍSMICAS Las siguientes conclusiones están basadas en diversos análisis de redes de tuberías en zonas sísmicas en América y Japón. Los datos se compilaron en zonas afectadas por sismos y permiten establecer algunas líneas generales de comportamiento. Nota: Índice de falla = número de fallas por Km de tubería. 1.El número de fallas en tubería disminuye conforme el diámetro aumenta. Esto se cumple en todos los sismos registrados y para todos los distintos materiales. 2.Los índices más altos de falla ocurren en áreas de suelo inestable. Esto se cumple en todos los temblores registrados. Los suelos “malos” tienen una tendencia a licuarse durante la agitación del suelo. El diseño debe prestar particular atención a las áreas de transición de suelo inestable a suelo firme. 3.Los tubos flexibles como el hierro dúctil, presentan menor índice de falla que los rígidos como el fierro fundido, el asbesto Cemento ó el concreto. Todos los datos disponibles son muy consistentes en este sentido. 4.El hierro dúctil con junta flexible tiene un comportamiento muy superior al del acero con junta rígida soldada. Los movimientos relativos entre el eje del tubo y el del suelo generan esfuerzos axiales que debe resisitir el tubo de acero puesto que la junta es rígida con soldadura continua. En cambio la junta flexible del tubo de hierro dúctil permite que se presenten deformaciones en los extremos y en las juntas y sólo una pequeña parte de la deformación se transfiere al cuerpo de tubo. En todos los casos analizados el acero con junta rígida soldada tiene el índice más alto de fallas y el hierro dúctil con junta flexible, el más bajo. 5.Las líneas de conducción formadas por tubos cortos sufren menor deformacion axial y menor desplazamiento de junta que las de tubos largos. 6.La vibración del suelo debida a los temblores no es una causa de fallas en tubería de hierro dúctl. En cambio sí lo es en el caso de tubos de acero soldado. La falla normalmente se presenta en la soldadura de la junta entre los tubos ó bien en la soldadura longitudinal, helicoidal ó de circunferencia realizada en planta. BIBLIOGRAFIA. 1. American Pipe Manual. 16th Edition, 1986, published by American Cast Iron Pipe Company (17th Edition now edited), Birmingham, AL., U.S.A. 2. Standards: ANSI/NSF 60: Drinking water chemicals-Helth Effects, published by NSF international, copyright 1992, Ann Arbor, Michigan, U.S.A. 3.NSF Listings, Drinking Water Treatment Chemicals-Health Efects, 1992, published by NSF International, Ann Arbor, Michigan U.S.A. 4. Standards: ISO 2531, Ductile Iron Pipes, Fitings and Accesories for Pressure Pipelines, 1991, published by the International Organization of Standarization, Geneva, Zwitzerland ISO 4179, Ductile Iron Pipes for pressure and nonpressure pipelines, Centrifugal cement mortar lining general requirements, 1985, published by.......(see above) 5. Proposed International Standard for the Desing of Ductil Iron Pipe, in working group 3 of TC5-Subcommittee 2 of the international organization of Standardization (ISO), Geneva, Switzerland 6.Standards: ANSI/AWWA C104/A21.4, Cement-Mortar Lining for Ductile Iron Iron and Gray Iron pipe and Fittings for Water, 1990 ANSI/AWWA C105/A21.5, Polyethylene Encasement for Ductile Iron Piping for Water and Other Liquids, 1990 ANSI/AWWA C150/A21.50, Thickness Design of Ductile Iron Pipe, 1991 ANSI/AWWAC151/A21.51, Ductile-Iron Pipe, Centrifugally Cast in Metal Molds or Sand -Lined Molds, for Water or Other Liquids, 1991 ANSI/AWWA C600, Installation of Ductile Iron Water Mains and Their Appurtenances, 1987 (All of above copyrighted and published by the American Water Works Association, Denver, Colorado, U.S.A. 7.Standard: ANSI/NFPA 24, Installation of Private Fire Service Mains and Their Appurtenances, 1987, Published by the National Fire Protection Association, Quincy, MA., U.S.A.