Sistemas De Rehabilitación De Tubería Sin Zanja. La Experiencia De

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IV Jornadas de Ingeniería del Agua La precipitación y los procesos erosivos Córdoba, 21 y 22 de Octubre 2015 Sistemas de rehabilitación de tubería sin zanja. La experiencia de EMACSA en su utilización J. Moral Fernández, J.A. Durán Molina Subárea de Distribución. Empresa Municipal de Aguas de Córdoba. c/ de los Plateros, 1. 14006 Córdoba 1. Introducción Los sistemas de tuberías instalados sufren un envejecimiento por el que cada vez más se debe hacer hincapié en la búsqueda de formas rentables de renovación de estos activos críticos (Selvakumar et al. 2011). La predicción exacta de las condiciones actuales y futuras de los sistemas de tuberías es crucial para gestionarlos con prudencia, de manera rentable y eficiente (Dirksen and Clemens 2008). La financiación necesaria para hacer frente al envejecimiento de las infraestructuras del agua varía en cientos de miles de millones de dólares para los próximos 25 años debido a las tasas de reemplazo actuales, ya que se espera una duración de las tuberías de 200 años, aunque fueron diseñadas para 100 años aproximadamente (Matthews et al. 2013). En Europa se invierte del orden de cinco mil millones de euros anuales en la rehabilitación de la red de aguas residuales, cantidad que se estima irá en aumento debido al envejecimiento de la red (Pollert et al. 2005). Debido a las necesidades de rehabilitación, reconversión y adaptación de los sistemas de distribución y recolección de agua, son impulsadas cada vez más nuevas medidas de construcción. El envejecimiento de las infraestructuras, junto con el cambio de las condiciones de contorno, de los estándares de diseño y de la legislación requeriría un diseño prospectivo para preservar la funcionalidad de estos sistemas, no solo hoy, sino también a largo plazo (Kleidorfer et al. 2013). Las inversiones en la rehabilitación de los sistemas de tuberías deben basarse en la inspección y evaluación de las condiciones de éstos sistemas con respecto a la gravedad del daño que puedan causar y los riesgos ambientales asociados (Baur and Herz 2002). La investigación ha demostrado que algunas Empresas de aguas todavía tienen una fuerte preferencia por el uso de las contrastadas técnicas de reemplazo a cielo abierto cuando tienen que rehabilitar tuberías de agua en zonas urbanas. El ahorro de costes significativos y la disminución de las emisiones de carbono, así como la reducción al mínimo de las interrupciones de las actividades económicas y sociales sobre la superficie del suelo en las zonas urbanas llevan a menudo a considerar las técnicas de rehabilitación sin zanja para la C.3. construcción, rehabilitación y renovación de los servicios públicos existentes (Beale et al. 2013). El uso de métodos para rehabilitar in situ los sistemas de tuberías enterradas o inaccesibles es una tecnología emergente que ha recibido el reconocimiento como un Código ASME XI que lo aprobó como alternativa a las prácticas de reparación tradicionales (Shamsuddoha et al. 2013). Según encuestas realizadas se identificaron varias necesidades, por un lado procedimientos de control de garantía de la calidad y pruebas de aceptación durante la instalación de estos sistemas, y por otro, herramientas de soporte de toma de decisiones para la elección de los sistemas de rehabilitación frente a la sustitución convencional (Selvakumar and Tafuri 2012). La Enviromental Protection Agency (EPA) está llevando a cabo programas de investigación en varias áreas de infraestructuras de aguas, incluyendo una revisión de las prácticas y pruebas de aceptación de la garantía de calidad y control de calidad durante la instalación de sistema de rehabilitación (USEPA 2011). Las recomendaciones incluyen la relación de demostraciones a realizar en condiciones reales de campo, la identificación de los protocolos de pruebas aceleradas que permitan predecir el rendimiento a largo plazo y la realización de análisis retrospectivos de los materiales (Selvakumar et al. 2012). EMACSA ha venido utilizando estas tecnologías desde su implantación en España y actualmente está desarrollando obras por un valor superior a los 10 millones de € para la rehabilitación de tubería utilizando diversos métodos. Se presenta en este trabajo una visión general de los principales métodos de rehabilitación utilizados actualmente así como la experiencia de EMACSA en la utilización de los mismos. 2. Sistemas de rehabilitación más empleados Aunque en la actualidad las limitaciones para acometer cualquier proyecto de ingeniería vienen impuestas por condiciones económicas más que técnicas, es cierto que existen una serie de sistemas que, por su contrastada eficacia, son los más empleados en la rehabilitación de conducciones. En EMACSA algunas de estas técnicas se llevan utilizando varias décadas, si bien, en los últimos años se ha consolidado su utilización al punto que en estos próximos años se invertirá más en rehabilitar red mediante técnicas como las descritas a continuación que mediante técnicas convencionales. A continuación se hará un breve repaso sobre las características más representativas de los sistemas de rehabilitación de tuberías mediante tecnología sin zanja. 2.1. Entubado El entubado consiste en la introducción en la tubería a rehabilitar de un tubo continuo de menor diámetro al existente (Canal Isabel II Gestión 2013). Se suelen emplear tuberías C.3. plásticas, de polietileno generalmente, aunque también podrían utilizarse de acero o, incluso de fundición dúctil siempre que se utilicen uniones acerrojadas. Por definición de esta técnica se limita a conducciones que puedan ver disminuido su diámetro interior sin causar perjuicio a su funcionamiento. Este hecho no es significativo debido, principalmente, a dos motivos: - Por lo general, el revestimiento de la nueva tubería ofrece menor rugosidad que la tubería reemplazada por lo que la capacidad de conducción es mayor (Zhang et al. 2012). - Los consumos de agua potable, y por ende, la producción de aguas residuales, viene decreciendo en los últimos años, con lo que se ha reducido la cantidad de agua a transportar por las conducciones (Daza 2008). Es imprescindible preparar la tubería antigua con el objetivo de disminuir la fricción en la medida de lo posible durante la instalación de la nueva tubería. Para ello, es conveniente eliminar las incrustaciones de la pared, sellar las grietas que pudieran existir y aplicar un lubricante a la superficie interna. En la instalación existen diferentes métodos de introducción de la nueva tubería en el interior de la antigua pudiendo distinguirse tres subtipos de entubado: mediante tracción, mediante reducción temporal, o mediante inserción previo doblado del tubo. 2.2. Fragmentación (bursting) La fragmentación consiste en la introducción de una nueva tubería aprovechando la traza de la conducción a rehabilitar. Para ello, mediante los útiles necesarios se rompe la tubería existente y a la vez se aloja una nueva tubería en el lugar que ocupaba la primera como puede observarse en la figura 1 (Larsen et al. 1997) El procedimiento de instalación es el siguiente: - En la conducción existente a rehabilitar se introduce un cable o varillaje que permitirá la instalación de la nueva tubería mediante tracción. - Una vez el cable ha alcanzado el punto final de la tubería o, lo que es lo mismo, el punto inicial de rehabilitación, se conecta a una cabeza de ruptura. La cabeza de ruptura suele ser un troncocono de acero que permite destruir la tubería antigua y ampliar temporalmente la sección donde se alojará la nueva tubería. - A la cabeza de ruptura se ancla la nueva tubería, que generalmente será de polietileno, aunque también puede ser de fundición dúctil siempre que se utilicen uniones acerrojadas, y mediante tracción se introduce. En caso de que la tubería a reemplazar fuese de acero, fundición dúctil o estuviese armada se pueden emplear cabezas rompedoras con una cuchilla de corte que ayuda a la fractura de este tipo de materiales. C.3. Los fragmentos originados durante el proceso de instalación se desplazan contra el terreno quedando alojados en las inmediaciones de la nueva tubería. Figura 1. Infografía rehabilitación mediante fragmentación (bursting). Fuente: millerpipeline.com Esta técnica permite introducir tubería del mismo diámetro a la instalada o hasta un 20% mayor. No resulta inviable la instalación de un diámetro mayor a estos pero debería estudiarse ya que podría provocar una sobre compactación del terreno dando lugar a desplazamientos del mismo que podría ocasionar problemas en superficie o en los servicios colindantes. Como consecuencia de lo anterior es necesario para el empleo de esta técnica que la tubería a rehabilitar se encuentre a una profundidad considerable, rechazándose la utilización de esta técnica si el recubrimiento de la misma es inferior a 50 cm (Lueke and Ariaratnam 2000) Igualmente ocurre con el resto de servicios que pudieran discurrir por las inmediaciones de la traza de la tubería a rehabilitar utilizando un recubrimiento mínimo similar al del punto anterior (Shi et al. 2013) Figura 2. Demostración fragmentación (bursting) tubería acero. Fuente: construtec.com La principal ventaja que posee esta técnica es que la nueva tubería instalada es del mismo diámetro o mayor que la tubería existente. Como desventaja cabe destacar que si la tubería a rehabilitar está compuesta de varios materiales, por ejemplo porque se hayan realizado reparaciones en la misma con materiales C.3. diferentes al inicial, pueden presentarse problemas de atascamiento de la cabeza de ruptura que pueden obligar a abrir una excavación en ese punto. Otra desventaja es que con esta técnica no se pueden rehabilitar tramos con una curvatura mayor que la desviación máxima de instalación de una tubería convencional, es decir, del orden del 5%. 2.3. Manga impregnada con resina curada in situ (CIPP) El CIPP se trata de un compuesto textil tubular que se utiliza como revestimiento interior de la tubería que se instala, generalmente, por reversión con presión de gas o agua. Utilizando esta tecnología la longitud máxima de la tubería a rehabilitar solo está condicionada por la vida de la mezcla de la resina y las restricciones de la geometría de la tubería. Una vez que se ha completado la inserción, la resina se cura usando agua caliente, aire o vapor de agua, que se distribuye a través de la tubería receptora. Después del curado, el producto resultante es un tubo de resina reforzada estructuralmente alojado en el interior del conducto existente que queda perfectamente ajustado. El CIPP tiene propiedades mecánicas similares a las de las tuberías de fibra de vidrio. El ahorro de este tipo de reparación, tanto en el tiempo de inactividad del sistema como del coste de reposición de tubería, es sustancioso (Shujie Zhang et al. 2011, Shu-Jie Zhang et al. 2011, Zhang and Cheng 2011, Akinci et al. 2010). Mientras que el resto de sistemas de rehabilitación descritos en los puntos anteriores presentan una fase de diseño técnico bastante sencilla, este método requiere profundos conocimientos en la materia para llegar a conseguir la rehabilitación deseada. Esto es debido a que, mientras en los sistemas anteriores se utilizan para rehabilitar tuberías convencionales de polietileno o fundición dúctil con todos los procesos de control de calidad realizados en fábrica, en este sistema gran parte del resultado final es consecuencia de una elección de materiales, un dimensionado y una puesta en obra bastante compleja y de una fabricación en obra en la que gran parte del control del calidad debe ser realizado durante la propia instalación. Como se ha referido en el párrafo anterior, uno de los aspectos complejos de este sistema es su dimensionamiento, para el que no existe desarrollo normativo nacional debiendo recurrir a normas o recomendaciones extranjeras. Además, estas normas o recomendaciones, utilizan formulaciones complejas en las que se involucran parámetros difícilmente cuantificables que dificultan el dimensionamiento del sistema teniendo que recurrir en numerosas ocasiones a valores recomendados o usuales con la incertidumbre que ello genera. La gran ventaja que presenta este sistema es su versatilidad pues puede ser empleado en todo tipo de secciones, diámetros y materiales sin que ello suponga una merma de la calidad final del producto. Además al adaptarse perfectamente a la tubería la misma puede presentar oquedades o desperfectos fácilmente salvables por este sistema. En los casos más extremos puede incluso que parte de la conducción no exista en alguna sección o, incluso, C.3. longitudinalmente, pudiendo utilizar este sistema siempre que siga existiendo el hueco por el que hacer el despliegue del mismo. La otra gran ventaja que presenta es que, dados los altos rendimientos que pueden obtenerse en su instalación, resulta una solución económicamente ventajosa, máxime cuando también se cuantifican otros factores como reducción al mínimo de las interrupciones de las actividades económicas y sociales, polución, interferencias al tráfico, ruido, molestias, etc. 3. Obras de rehabilitación promovidas por EMACSA Como ya se ha mencionado en apartados anteriores EMACSA viene empleando técnicas de rehabilitación de tuberías mediante técnicas sin zanja desde hace varias décadas con éxito. Esto unido a un compromiso cada vez más fuerte con el respeto ambiental y la eficiencia ha provocado que estas técnicas sean utilizadas con asiduidad al punto que, en años como el presente, las inversiones en rehabilitación de tuberías mediante estas técnicas supere a la inversión de reemplazo con técnicas convencionales. El presente año EMACSA ha promovido obras para la rehabilitación de tuberías mediante técnicas sin zanja, directa o indirectamente, por valor aproximado de 14 millones de euros, como quedan recogidas en la Tabla 1. Título proyecto Proyecto de rehabilitación de arteria de distribución desde la ETAP de Villa Azul hasta la Avda. Cruz de Juárez (Córdoba) Proyecto de rehabilitación de arterias para el abastecimiento al Municipio de Córdoba Proyecto de rehabilitación de arterias de abastecimiento y colectores de alcantarillado en la Ciudad de Córdoba (1ª fase) Proyecto de rehabilitación de arterias de abastecimiento y colectores de alcantarillado en la Ciudad de Córdoba (2ª fase) Renovación de la red de abastecimiento en las barriadas de Fray Albino y Campo de la Verdad (Córdoba) Sistema de rehabilitación Importe (PBL) Tipo de obra 601.648,20 € Rehabilitación abastecimiento CIPP 6.053.351,76 € Rehabilitación abastecimiento CIPP 2.999.704,15 € Rehabilitación abastecimiento y alcantarillado CIPP 2.941.325,00 € Rehabilitación abastecimiento y alcantarillado CIPP 1.120.248,38 € Rehabilitación abastecimiento Bursting Tabla 1. Proyectos promovidos por EMACSA de rehabilitación de tuberías mediante técnicas sin zanja C.3. Figura 3. Plano de distribución de las actuaciones en la red 4. Experiencia de EMACSA en obras de rehabilitación Como se ha podido comprobar a lo largo del artículo la experiencia en EMACSA en relación a la utilización de las técnicas descritas es amplia, si bien, dentro de los objetivos estratégicos de la empresa, sigue estando la mejora en el conocimiento de cada uno de los sistemas, lo que permita una mejora de calidad en la instalación rehabilitada. EMACSA distingue tres aspectos claves en la elección de los sistemas de rehabilitación a los que se presta más atención cuanto más decisivos resultan para la obtención del producto final. Como norma general, en todo los proyectos de ingeniería es necesario dedicar los recursos necesarios en la fase de diseño para obtener la garantía de que lo proyectado se ajusta a la realidad y por tanto los objetivos planteados con el proyecto podrán ser debidamente resueltos con el mismo. Esta práctica, que en España no está muy extendida, permite sentar las correctas bases para que, durante la fase de ejecución, no existan eventualidades que condicionen la calidad final del proyecto. En proyectos de rehabilitación mediante entubado o bursting el diseño se centra, principalmente, en la operativa de la instalación, en la que se deberán prever los puntos adecuados de ataque a la tubería, así como una serie de puntos adicionales de ataque en función de la homogeneidad de la tubería existente. Si en la misma no existen cambios de materiales, diámetros o dirección, que pueda afectar a la instalación, el número de puntos de ataque serán los estrictamente necesarios por la máxima longitud de instalación que se pueda llevar a cabo, mientras que si existen este tipo de circunstancias habrán de preverse puntos adicionales con los que resolver estas circunstancias. En proyectos de rehabilitación mediante CIPP la fase de diseño es más compleja debido a que los estándares y recomendaciones existentes utilizan parámetros difícilmente C.3. cuantificables. Además, estos estándares y recomendaciones, parten de la clasificación inicial del conducto que se pretende rehabilitar, cuestión ya de por sí complicada dado que para ello únicamente se cuenta con una inspección de video de la misma. El siguiente aspecto clave es la correcta elección de los materiales que, evidentemente deben cumplir unos mínimos en los estándares de calidad establecidos, pero que, además, debe pensarse que, con la tasa de reposición actual, sobrepasarán su vida útil en varias decenas de años, con lo que la inversión en un material de características superiores implicará un beneficio futuro. Además de la calidad mínima que deban cumplir los materiales en primera instancia debe recapacitarse sobre la correcta elección de los mismos. Nuevamente mientras en las técnicas de rehabilitación mediante entubado o bursting la elección se resume en elegir material de un catálogo comercial, en el CIPP este aspecto se vuelve enormemente más complicado. Esto se debe a que no existen unos estándares para la fabricación de los materiales constituyentes. En cada caso, cada fabricante, defenderá como mejor solución el producto ofertado por ellos, en muchos casos, el único producto que pueden ofertar. Lo anteriormente expuesto, en ocasiones, plantea una contrariedad con la Ley de Contratos del Sector Público ya que puede chocar frontalmente con los principios de publicidad y transparencia de los procedimientos, y no discriminación e igualdad de trato entre los candidatos. En este punto el técnico debe realizar una ardua labor de investigación para conseguir encajar aquel material que cumple con todas las exigencias planteadas pero que además encaje en la Ley de Contratos del Sector Público. Por último, se tratará el aspecto del control de calidad. Este aspecto, si cabe, es el más importante de los mencionados ya que, si importante es diseñar correctamente el sistema de rehabilitación y elegir convenientemente los materiales a emplear, más importante es comprobar en todas las fases de la ejecución que se está cumpliendo aquello que fue diseñado y que los materiales cumplen los requerimientos especificados. El control de calidad resulta una tarea crítica cuando como sistema de rehabilitación se elige el CIPP ya en la fase de ejecución, el proceso de fabricación in situ tiene ligada una alta incertidumbre debido a que todo el proceso, excepto la fabricación de los materiales base, se produce fuera de una instalación industrializada, en el propio lugar de empleo del CIPP y de manera manual sin existir protocolos estrictos ni la posibilidad de contar con un sistema de control de calidad determinado por norma de cada uno de los procesos que se realizan para la conformación final del producto. Debido a lo anterior antes del comienzo de la ejecución se deben auditar todos los procesos que intervendrán en la fabricación del producto final, se deberán establecer los puntos de control precisos así como los valores paramétricos para cada uno de estos puntos. C.3. 5. Conclusiones Los sistemas de rehabilitación conocidos y descritos en el presente artículo cuentan con las validaciones necesarias para poder ser empleados en las redes de abastecimiento y alcantarillado con total garantía. En la actualidad existe un amplio abanico de sistemas de rehabilitación. Además la maquinaria y procesos empleados en los mismos cada vez es más sofisticada, permitiendo acometer proyectos mediante estos sistemas que con anterioridad eran inviables. Resulta obligatorio dedicar los recursos necesarios para el correcto diseño de los sistemas de rehabilitación a emplear, la elección de los materiales y la implantación de un sistema de control de calidad que permitan desarrollar la rehabilitación con las garantías necesarias. En conclusión, dadas las restricciones presupuestarias a las que el gestor de un abastecimiento puede verse sometido resulta imprescindible considerar los sistemas de rehabilitación de tuberías para la renovación de las mismas ya que se pueden conseguir ahorros considerables además de los beneficios no económicos intrínsecos a la utilización de estas tecnologías. Referencias Akinci, A., Gulec, A. and Yilmaz, F. (2010) The Applicability of GRP and NRP Composites in Rehabilitation of Unpressurized Pipes, 1-2. Baur, R. and Herz, R. (2002) 'Selective inspection planning with ageing forecast for sewer types', Water Science and Technology, 46(6-7), 389-396. Beale, D. J., Marlow, D. R. and Cook, S. (2013) 'Estimating the Cost and Carbon Impact of a Long Term Water Main Rehabilitation Strategy', Water Resources Management, 27(11), 3899-3910. Daza, F. (2008) 'Demanda de agua en zonas urbanas de Andalucía', Universidad de Córdoba, Servicio de Publicaciones. ISBN: 9788478019281 Dirksen, J. and Clemens, F. H. L. R. (2008) 'Probabilistic modeling of sewer deterioration using inspection data', Water Science and Technology, 57(10), 1635-1641. Canal Isabel II Gestión (2013) 'Manual de mantenimiento de tuberías y elementos de las redes de abastecimiento de agua', Madrid Kleidorfer, M., Moederl, M., Tscheikner-Gratl, F., Hammerer, M., Kinzel, H. and Rauch, W. (2013) 'Integrated planning of rehabilitation strategies for sewers', Water Science and Technology, 68(1), 176-183. Larsen, J. P., Struve, J., Murray, P., Pitt, J. C. and N, A. S. T. T. (1997) 'Trenchless technology Bursting into the future', North American No-Dig '97 - Trenchless Technology: the Jewel of Underground Construction, 494-502. C.3. Lueke, J. S. and Ariaratnam, S. T. (2000) 'Subsurface ground movements associated with trenchless pipe replacement methods', Construction Congress Vi, Proceeding: Building Together for a Better Tomorrow in an Increasingly Complex World, 778-787. Matthews, J. C., Selvakumar, A. and Condit, W. (2013) 'Current and Emerging Water Main Renewal Technologies', Journal of Infrastructure Systems, 19(2), 231-241. Pollert, J., Ugarelli, R., Saegrov, S., Schilling, W. and Di Federico, V. (2005) 'The hydraulic capacity of deteriorating sewer systems', Water Science and Technology, 52(12), 207-214. Selvakumar, A., Kampbell, E., Downey, D. and Condit, W. (2012) 'Quality assurance and quality control practices for rehabilitation of sewer and water mains', Urban Water Journal, 9(4), 211222. Selvakumar, A. and Tafuri, A. N. (2012) 'Rehabilitation of Aging Water Infrastructure Systems: Key Challenges and Issues', Journal of Infrastructure Systems, 18(3), 202-209. Selvakumar, A., Tafuri, A. N., Morrison, R. and Sterling, R. (2011) 'State of technology for renewal of sewer force mains', Urban Water Journal, 8(5), 279-292. Shamsuddoha, M., Islam, M. M., Aravinthan, T., Manalo, A. and Lau, K.-t. (2013) 'Effectiveness of using fibre-reinforced polymer composites for underwater steel pipeline repairs', Composite Structures, 100, 40-54. Shi, J., Wang, Y. and Ng, C. W. W. (2013) 'Buried pipeline responses to ground displacements induced by adjacent static pipe bursting', Canadian Geotechnical Journal, 50(5), 481-492. Zhang, S. and Cheng, L. (2011) 'Stiffness Analysis of Structures Using Shape Memory Polymer Composites' in Bu, J. L., Wang, P. C., Ai, L., Sang, X. M. and Li, Y. G., eds., Applications of Engineering Materials, Pts 1-4, 2898-2901. Zhang, S., Wang, R. and Ma, C. (2011) 'Study on Mechanical Properties of the Tubular Textile Composite using Finite Element Analysis', Advanced Textile Materials, Pts 1-3, 332-334, 945948. Zhang, S.-J., Wang, R. and Ma, C.-Q. (2011) 'Design of Pipediameter of Tubular Textile Composite Material Applied in Pipeline Rehabilitation' in Li, Y., Liu, Y. F., Luo, X. N. and Li, J. S., eds., Textile Bioengineering and Informatics Symposium Proceedings, Vols 1-3, 436-439. Zhang, X., Li, C., He, Y. and Yuan, W. (2012) 'Determining the Economical Diameter of Penstock of Plastic Pipes for Micro-Hydro Power Projects', Ceit 2012: 2012 International Conference on Civil Engineering and Information Technology, 137-141. C.3.