Estimación y optimización de la vida útil del de las juntas para tuberías gracias a un análisis correcto

La escasez de agua provocada por el aumento de la sequía está pasando factura a las redes de abastecimiento de todo el mundo. Desde la prohibición del uso de mangueras en el Reino Unido hasta el «Día Cero» en Sudáfrica (en el que los grifos podrían dejar de suministrar agua a sus ciudadanos), está claro que el agua es un recurso preciado y cada vez más escaso. Solo este hecho hace que sea aún más importante que las redes de abastecimiento sean lo más eficientes y estancas posible.

Las juntas de las tuberías de agua potable y de aguas residuales han experimentado un desarrollo significativo a lo largo de los años. Comenzó con el diseño de una junta con soldadura química en la espiga y en el conector. Sin embargo, esto no era adecuado para las tuberías con un diámetro más grande, por lo que se introdujeron las juntas de caucho. El uso de juntas elastoméricas 'flexibles' permitió una deflexión angular, una carga de fuerza de cizallamiento transversal y una deformación localizada de las tuberías sin fugas ni averías en las juntas.

A medida que fue creciendo el uso de tuberías de PVC-U, las juntas de caucho tuvieron que adaptarse para mantener un buen rendimiento. El sello para tuberías ha evolucionado, desde una junta tórica básica a un diseño de sello con reborde, convirtiéndose en un sello mucho más sofisticado. Así pues, para garantizar un sellado óptimo, se deben analizar más de cerca su diseño y características.

Sin embargo, la composición del sello de la tubería no basta para garantizar un rendimiento estanco: la diferencia entre una buena junta y una mala está en la forma que se manipule durante su instalación. Se debe encontrar un equilibrio entre un producto que tenga un rendimiento alto y uno diseñado que facilite la instalación, por ejemplo, una fuerza de unión baja.

Rendimiento de las tuberías a largo plazo

Con el fin de garantizar una duración óptima a largo plazo de todo el sistema de tuberías, los ingenieros deberían considerar los impactos medioambientales del ciclo de vida útil de toda la infraestructura de las tuberías. Son muchos los estudios realizados sobre el material de las tuberías, pero, por lo general, el sello elastomérico se ha pasado por alto.

A pesar de que se consideran un componente pequeño en el conjunto del sistema de tuberías, siendo el coste de los sellos y conectores menos del 1 % del gasto total en el sistema, resulta fundamental darles a los sellados para tuberías la consideración que se merecen. Deben someterse a unas pruebas rigurosas para medir sus capacidades, incluida la fuerza de sellado, el ancho de contacto y la relajación de esfuerzo para establecer la estimación de su vida útil.

Normas relativas a los sellados

Una de las primeras normas de las juntas de unión de caucho para las redes de suministro de agua y alcantarillado se remonta a 1955[1]. La especificación de la norma ASTM F477 para sellos elastoméricos (juntas) para unir tuberías de plástico se publicó en 1976[2], seguida por la norma ISO 4633 en 1984[3] y la norma EN681 en 1996[4]. Todas estas normas se centran en los materiales y proporcionan directrices sobre los requisitos físicos del material elastomérico, incluidos la clasificación de la dureza, la resistencia a la tracción y la relajación de esfuerzo, entre otros aspectos.

Un conjunto de juntas para tuberías debe seguir siendo estanco durante toda su vida útil y un factor significativo para lograr esto es garantizar el mantenimiento de las características físicas de un sello instalado a los niveles aceptados (o por encima de ellos).

Con el paso del tiempo, la presión de contacto de una junta se ve reducida debido a la relajación del sello de caucho. Durante este proceso de relajación que depende del tiempo, el caucho elimina parte del esfuerzo compresor impuesto mediante la reorientación de las cadenas de polímeros del material de caucho. Esta reorientación no es elástica y desembocará en una reducción permanente de la presión de contacto, que aumenta el riesgo de infiltración y exfiltración.

Subrayamos la importancia de las pruebas del sellado

La primera vez que se instala un sello elastomérico en la unión de dos tuberías, se produce un estado de relajación física durante unos 30 minutos, antes de que la fuerza de sellado pase a ser estable. Este valor de la fuerza de sellado se usa después para estimar la vida útil efectiva del sello. Al exponer el elastómero a una serie de temperaturas elevadas durante el análisis, se puede reducir la relación entre el índice de relajación de esfuerzo y la temperatura. Entonces se pueden hacer estimaciones sobre la vida útil con un grado de relajación de esfuerzo determinado y a una temperatura determinada. La relación se puede representar por la ecuación de Arrhenius.

Con el uso de metodología reconocida y homogolada por la ISO, se elige entonces el valor del umbral de relajación: se trata de la relajación máxima del diseño de la junta y de la aplicación. De este modo, se puede calcular el tiempo que se tarda en alcanzar este umbral. Por lo general, el 50 % del valor del umbral de relajación se elije siguiendo las directrices de la ISO.

Las pruebas de relajación de esfuerzo las debería realizar una empresa tercera competente que se dedique a ello, ya que deberían probar «a ciegas» cada elastómero sin saber qué empresa lo ha suministrado. De esta manera, se garantiza la realización de unos procedimientos de análisis óptimos, garantizando también transparencia y unos resultados creíbles.

Un ejemplo de esto son las pruebas realizadas por Elastocon AB de Suecia, reconocido como uno de los líderes mundiales en el suministro de equipo y pruebas de la relajación de esfuerzo en elastómeros. Utilizando la metodología de la ASTM y de la ISO, se configuró un programa a partir de piezas analíticas obtenidas de sellos existentes disponibles en el mercado.  Todas las pruebas se realizaron «a ciegas», sin que en Elastocon supieses el origen del elastómero que estaban analizando. De esta manera, se garantiza la realización de unos procedimientos de análisis óptimos, garantizando también transparencia y unos resultados creíbles.

En esta tabla se recogen los resultados de las pruebas realizadas en 2018 y se subraya la calidad de los sellos de Trelleborg:

El tiempo estimado hasta la reducción del 50 % de la relajación de esfuerzo puede parecer extremadamente largo e innecesario en algunas aplicaciones. En la actualidad, muchos propietarios de redes requieren una vida útil de las tuberías de 120 años pero, en realidad, nadie sabe el tiempo que un sistema va a durar instalado.

En algunos países, ¡el índice actual de sustitución requerirá que los sistemas de tuberías duren más de 800 años! Con el índice de sustitución actual, un sello diseñado para durar más de 500 años es una elección muy sensata.

Calidad del compuesto

La calidad, la formulación del material y cómo se procesa pueden marcar una diferencia enorme en el rendimiento de sello del compuesto elastomérico con el paso del tiempo. Los compuestos de alta calidad muestran menos relajación y, por lo tanto, ofrecen una vida útil más larga.

El compuesto elastomérico óptimo debería incluir un alto contenido polimérico, unas propiedades de compresión bajas, una buena densidad de reticulación y un buen sistema de vulcanización. Cuando se aplican correctamente, los compuestos de alto rendimiento seguirán aplicando la presión de conexión necesaria durante más de 100 años.

Conclusión

En un momento en el que el consumo de agua se mira con más lupa, es importante buscar formas eficaces de ahorrar agua y hacer que las redes de abastecimiento tengan un rendimiento eficiente. Las fugas en las tuberías pueden pasar a formar parte del pasado si el sector está dispuesto a someter a la pieza más débil de la tubería (la junta) al suficiente análisis.

Un compuesto elastomérico de alta calidad que se haya sometido a un análisis riguroso para satisfacer los estándares del sector ofrecerá una vida útil larga. Esto, a su vez, significará que la presión de contacto de la junta seguirá siendo segura y que el riesgo de infiltración y exfiltración no deseadas se verá reducido.

Habida cuenta de la batalla en curso a la que se enfrentan los propietarios de las redes, los ingenieros y los contratistas, la reparación de sistemas de tuberías obsoletos para prevenir la pérdida de agua, los sumideros y otros retos importantes, ha llegado el momento de decantarse por unas soluciones de gestión de los activos hídricos duraderas y que supongan un ahorro de dinero.

[1] BS 2494:1955 Juntas de unión de caucho para tuberías de suministro de gas, tuberías de suministro de agua y redes de alcantarillado

[2] La especificación de la norma ASTM F477: 14 para sellos elastoméricos (juntas) para unir tuberías de plástico

[3] ISO 4633: 2015 Sellos de caucho. Juntas de unión para tuberías de suministro de agua, drenaje y redes de alcantarillado

[4] EN 681: 1996 Sellos elastoméricos. Requisitos materiales para los sellos de unión de tuberías empleados en las aplicaciones de abastecimiento de agua potable y redes de alcantarillado