Determinación de la resistencia a la abrasión de tuberías

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Universidad de los Andes

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental

Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados

CIACUA

CÁTEDRA PAVCO

DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA A LA

ABRASIÓN DE TUBERÍAS DE REDES DE

DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE COMO

CONSECUENCIA DE FUGAS EN CONEXIONES

Informe Final

Bogotá, Octubre de 2012

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_______________________________________________________________________________
DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA A LA ABRASIÓN DE TUBERÍAS DE REDES DE DISTRIBUCIÓN DE
AGUA POTABLE COMO CONSECUENCIA DE FUGAS EN CONEXIONES.

TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................... 1

1.1

BJETIVOS

........................................................................................................................................... 2

1.1.1

Objetivo General...................................................................................................................... 2

1.1.2

Objetivos Específicos ............................................................................................................... 2

1.2

ONTENIDO DEL

NFORME

....................................................................................................................... 2

1.3

QUIPO DE

RABAJO

.............................................................................................................................. 3

1.3.1

PAVCO S.A. .............................................................................................................................. 3

1.3.2

Universidad de los Andes ......................................................................................................... 3

GENERALIDADES DE LA ABRASIÓN ....................................................................................................... 5

2.1

EFINICIÓN DESGASTE

............................................................................................................................ 5

2.1.1

Tipos de contacto que generan desgaste ................................................................................. 5

2.1.2

Tipos de mecanismos de abrasión............................................................................................ 6

2.2

BRASIÓN EN

UBERÍAS

. ......................................................................................................................... 8

2.2.1

Abrasión en Tuberías de drenaje urbano. ................................................................................. 9

2.2.2

Abrasión en Tuberías de redes de distribución de agua potable. .............................................. 9

DESCRIPCIÓN DEL MONTAJE .............................................................................................................. 12

3.1

ISTEMA

STRUCTURAL

......................................................................................................................... 12

3.1.1

Base de soporte ..................................................................................................................... 12

3.1.2

Tanque .................................................................................................................................. 12

3.1.3

Tapas Laterales ..................................................................................................................... 14

3.1.4

Flauta. ................................................................................................................................... 16

3.2

ISTEMA

IDRÁULICO

........................................................................................................................... 17

3.2.1

Bomba Hidráulica .................................................................................................................. 20

3.2.2

Conexiones hidráulicas .......................................................................................................... 20

3.2.3

Filtro ...................................................................................................................................... 22

3.3

QUIPO DE

EDICIÓN

.......................................................................................................................... 23

3.3.1

Manómetro Digital ................................................................................................................ 24

3.3.2

Manómetro Haenni ............................................................................................................... 25

3.3.3

Cámara de Video ................................................................................................................... 25

3.3.4

Micrómetro Ultrasónico......................................................................................................... 26

3.4

ROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

............................................................................................................. 29

ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO INICIAL ................................................................................................. 32

4.1

ROCEDIMIENTO

................................................................................................................................. 34

4.2

ESULTADOS DE LAS GRANULOMETRÍAS

.................................................................................................... 37

4.3

NÁLISIS GRANULOMÉTRICO DEL MATERIAL ABRASIVO

.................................................................................. 40

RESULTADOS....................................................................................................................................... 42

5.1

RUEBA NÚMERO

UBERÍA DE

4”

PVC

IAXIAL

. ................................................................................. 45

5.2

RUEBA NÚMERO

UBERÍA DE

4”

PVC

IAXIAL

. ................................................................................. 50

5.2.1

Granulometría del material dentro de la tubería. .................................................................. 54

5.3

RUEBA NÚMERO

UBERÍA DE

4”

PVC

IAXIAL

. ................................................................................. 58

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5.4

RUEBA NÚMERO

UBERÍA DE

4”

PVC

IAXIAL

. ................................................................................. 62

5.5

RUEBA NÚMERO

UBERÍA DE

6”

PVC

IAXIAL

. ................................................................................. 67

5.5.1

Granulometría ....................................................................................................................... 70

5.6

RUEBA NÚMERO

UBERÍA DE

6”

PVC

IAXIAL

. ................................................................................. 73

5.7

RUEBA NÚMERO

UBERÍA DE

6”

IERRO

ÚCTIL

. .............................................................................. 78

5.7.1

Granulometría ....................................................................................................................... 81

5.8

RUEBA NÚMERO

UBERÍA DE

6”

IERRO

ÚCTIL

. .............................................................................. 84

5.9

RUEBA NÚMERO

UBERÍA DE

8”

PVC

IAXIAL

. ................................................................................. 88

5.9.1

Granulometría ....................................................................................................................... 91

5.10

RUEBA NÚMERO

10.

UBERÍA DE

8”

PVC

IAXIAL

. ........................................................................... 94

5.11

RUEBA NÚMERO

11.

UBERÍA DE

8”

OLIETILENO

. ........................................................................... 98

5.11.1

Granulometría ................................................................................................................ 101

5.12

RUEBA NÚMERO

12.

UBERÍA DE

8”

OLIETILENO

. ......................................................................... 104

5.13

RUEBA NÚMERO

13.

UBERÍA DE

6”

IERRO DÚCTIL

. ...................................................................... 111

5.13.1

Granulometría ................................................................................................................ 116

ANÁLISIS DE RESULTADOS ................................................................................................................ 119

CONCLUSIONES ................................................................................................................................. 125

BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................................... 127

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iii

LISTA DE FIGURAS

Figura 2-1. Modelos de los tipos de perturbación en los enlaces de fricción. ........................ 6

Figura 2-2. Abrasión de dos cuerpos. ..................................................................................... 6

Figura 2-3. Abrasión de tres cuerpos. ..................................................................................... 7

Figura 3-1. Tanque de abrasión y su base de soporte. .......................................................... 12

Figura 3-2. Interior del tanque con una tubería de PVC de 4”. ............................................ 13

Figura 3-3.Tapa lateral de entrada (vista frontal). ................................................................ 14

Figura 3-4.Tapa lateral de entrada en funcionamiento. ........................................................ 15

Figura 3-5.Tapa lateral de entrada (vista lateral). ................................................................. 15

Figura 3-6. Tapa lateral de salida (vista frontal). ................................................................. 15

Figura 3-7. Flauta vista lateral. ............................................................................................. 16

Figura 3-8. Vista frontal de la flauta..................................................................................... 16

Figura 3-9. Flauta en modo de operación. ............................................................................ 17

Figura 3-10. Esquema en 3D del montaje del modelo en el Laboratorio de Hidráulica de la
Universidad de los Andes. .................................................................................................... 18

Figura 3-11. Esquema de la ubicación del montaje en el Laboratorio de Hidráulica de la
Universidad de los Andes (Vista en Planta). ........................................................................ 19

Figura 3-12. Motobomba centrífuga usada en el montaje de laboratorio. ........................... 20

Figura 3-13. Curvas características de la bomba usada en las pruebas. ............................... 21

Figura 3-14. Conexión de salida del agua entre el tanque y la manguera de plástico. ......... 22

Figura 3-15. Entrega del caudal de salida a un vertedero del laboratorio. ........................... 22

Figura 3-16. Malla metálica para albergar el material rocoso que sirve como filtro. .......... 23

Figura 3-17. Filtro ubicado en su posición de trabajo. ......................................................... 23

Figura 3-18. Manómetro electrónico en funcionamiento. .................................................... 24

Figura 3-19. Manómetro analógico en funcionamiento. ...................................................... 25

Figura 3-20. Cámara de Video usada en el laboratorio: vista frontal. .................................. 25

Figura 3-21. Cámara de Video en funcionamiento: vista posterior. ..................................... 26

Figura 3-22. Micrómetro ultrasónico Electromatic y Gel ultraflux para realizar mediciones
de espesor en tuberías de PVC. ............................................................................................ 26

Figura 3-23. Detalle del área de falla (incluyendo los orificios y la zona desgastada)
incluyendo las tres líneas de medición del espesor de la superficie. .................................... 28

Figura 3-24. Medición en laboratorio del espesor de la tubería de PVC en la zona
desgastada. ............................................................................................................................ 29

Figura 3-25. Proceso de llenado y compactación en una de sus primeras etapas. ................ 30

Figura 3-26. Proceso de llenado y compactación antes de cubrir la tubería. ....................... 30

Figura 3-27. Proceso de llenado y compactación antes de cubrir totalmente la flauta. ........ 31

Figura 3-28. Proceso de llenado y compactación estado final. ............................................ 31

Figura 4-1.Fotografía de la arena de Subachoque. ............................................................... 32

Figura 4-2.Fotografía de la arena proveniente del sur de Bogotá. ....................................... 32

Figura 4-3.Fotografía de la arena proveniente del Guamo. .................................................. 33

Figura 4-4.Fotografía de la arena proveniente de Cáqueza. ................................................. 33

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Figura 4-5.Tamices seleccionados para la granulometría. ................................................... 34

Figura 4-6.Ejemplo de una de las muestras separadas. ....................................................... 35

Figura 4-7.Balanza electrónica usad para pesar las muestras. .............................................. 35

Figura 4-8.Mezcla dentro de los recipientes y lista para ser procesada en la tamizadora
mecánica. .............................................................................................................................. 36

Figura 5-1. Hundimiento de la arena o hundimiento del suelo después de haber puesto a
prueba una tubería. ............................................................................................................... 42

Figura 5-2. Tendencia general de la forma del área de falla (incluye los orificios o
perforaciones y la zona desgastada o erosionada). ............................................................... 43

Figura 5-3. Medición del ancho del orificio (la flauta estaba localizada en la parte derecha
de la imagen). ....................................................................................................................... 46

Figura 5-4. Medición del ancho de la zona desgastada (la flauta estaba localizada en la parte
derecha de la imagen). .......................................................................................................... 47

Figura 5-5. Vista del orificio y la zona desgastada de la prueba 1 con relación a una moneda
de un centavo de dólar (la flauta estaba localizada en la parte izquierda de la imagen). ..... 48

Figura 5-6. Vista del orificio de la prueba número 2 (la flauta estaba localizada en la parte
izquierda de la imagen)......................................................................................................... 51

Figura 5-7.Vista de la zona desgastada de la prueba número 2 (vista desde aguas abajo
hacia la flauta). ..................................................................................................................... 52

Figura 5-8. Vista del hundimiento del suelo de la prueba 2. ................................................ 54

Figura 5-9. Material particulado encontrado dentro de la tubería de la prueba número 2. .. 54

Figura 5-10. Imagen del tanque durante el proceso de desmonte de la tubería. (Revisar la
parte central de la foto para evidenciar las diferencias del material, esta zona coincide con
la posición de la flauta). ........................................................................................................ 56

Figura 5-11. Imagen detallada del material en la zona cercana a la flauta. .......................... 57

Figura 5-12. Vista de la zona desgastada de la prueba 3 (la línea en lápiz representa la
posición que ocupaba la flauta). ........................................................................................... 60

Figura 5-13. Vista del hundimiento del suelo de la prueba 3. .............................................. 61

Figura 5-14. Vista del orificio de la prueba 4 (la línea en lápiz representa la ubicación de la
flauta). ................................................................................................................................... 63

Figura 5-15.Vista de la zona desgastada de la prueba 4 (la flauta se encontraba en la parte
superior de la foto). ............................................................................................................... 64

Figura 5-16. Vista del hundimiento del suelo de la prueba 4. .............................................. 65

Figura 5-17. Tipo de material encontrado en las zonas más cercanas a la flauta. ................ 66

Figura 5-18.Vista del orificio de la prueba 5 (la flauta se encontraba en la parte izquierda
sobre la línea en lápiz). ......................................................................................................... 68

Figura 5-19. Vista de la zona desgastada de la prueba 5 (la flauta se encuentra en la parte
superior izquierda de la imagen). ......................................................................................... 69

Figura 5-20. Vista del hundimiento del suelo de la prueba 5. .............................................. 70

Figura 5-21. Foto del material granular encontrado por encima de la tubería una vez
terminada la prueba 5. .......................................................................................................... 72

Figura 5-22. Foto del material granular que ingresó a la tubería. ........................................ 72

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Figura 5-23.Vista del orificio de la prueba 6 (la flauta se encontraba en la parte izquierda
sobre la línea en lápiz). ......................................................................................................... 74

Figura 5-24. Vista de la zona desgastada de la prueba 6 (la flauta se encontraba en la parte
derecha). ............................................................................................................................... 74

Figura 5-25.Vista del hundimiento del suelo de la prueba 6. ............................................... 76

Figura 5-26. Suelo por encima de la tubería en el montaje de la prueba 6. .......................... 76

Figura 5-27. Vista del orificio de la prueba 7 (la flauta se encontraba en la parte izquierda
de la imagen). ....................................................................................................................... 79

Figura 5-28. Vista de la zona desgastada de la prueba 7 (la flauta se encontraba en la parte
superior de la imagen). ......................................................................................................... 80

Figura 5-29.Vista del hundimiento del suelo de la prueba 7. ............................................... 81

Figura 5-30. La Figura A muestra el suelo que quedo por encima de la tubería una vez
terminada la prueba 7. La Figura B muestra el suelo que entró a la tubería ensayada en la
prueba 7. ............................................................................................................................... 82

Figura 5-31. Material por encima de la tubería en la prueba 7. ............................................ 83

Figura 5-32. Vista de la zona desgastada en la prueba 8 (la flauta se encontraba en la parte
izquierda de la imagen)......................................................................................................... 85

Figura 5-33. Oxidación en la pared de la tubería 9 (vista desde la zona superior derecho). 86

Figura 5-34. Oxidación en la pared de la tubería 9 (vista desde la zona posterior). ............ 86

Figura 5-35. Vista del hundimiento del suelo en la prueba 8. .............................................. 87

Figura 5-36. Material por encima de la tubería en la prueba 8. ............................................ 87

Figura 5-37. Vista de la zona desgastada y el orificio de la prueba 9 (la flauta se encontraba
en la parte izquierda de la imagen). ...................................................................................... 89

Figura 5-38. Vista de la zona desgastada y el orificio de la prueba 9 (la flauta se encontraba
en la parte superior de la imagen). ........................................................................................ 90

Figura 5-39. Vista del hundimiento del suelo de la prueba 9. .............................................. 91

Figura 5-40. Material encontrado al interior de la tubería de la prueba número 9. .............. 93

Figura 5-41.Vista del orificio de la prueba 10 (la flauta se encontraba en la parte izquierda
de la imagen). ....................................................................................................................... 95

Figura 5-42. Vista de la zona desgastada de la prueba 10 (la flauta se encontraba en la parte
derecha de la imagen). .......................................................................................................... 96

Figura 5-43.Vista del hundimiento del suelo de la prueba 10. ............................................. 97

Figura 5-44. Suelo dentro de la tubería en el montaje de la prueba 10. ............................... 97

Figura 5-45. Vista del orificio y de la zona desgastada de la prueba 11 (la flauta se
encontraba en la parte superior de la imagen). ..................................................................... 99

Figura 5-46. Vista de la zona desgastada de la prueba 11 (la flauta se encontraba en la parte
izquierda de la imagen)....................................................................................................... 100

Figura 5-47. Vista del hundimiento del suelo de la prueba 11. .......................................... 100

Figura 5-48. Suelo cercano a la zona de falla de la prueba 11. .......................................... 101

Figura 5-49. Vista de la ubicación inicial de la boquilla de la flauta en las pruebas con
tuberías de polietileno. ........................................................................................................ 105

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Figura 5-50. Vista de la zona desgastada y el orificio de la prueba 12. La medición del
ancho de la región afectada se hace en la parte más angosta. (La flauta se encontraba en la
parte superior de la imagen). .............................................................................................. 106

Figura 5-51. Vista de la zona desgastada y el orificio de falla de la prueba 12 (La flauta se
encontraba en la parte derecha de la imagen). .................................................................... 107

Figura 5-52. Vista de la zona desgastada y el orificio de falla de la prueba 12 con relación a
una moneda de centavo de dólar (La flauta se encontraba en la parte derecha de la imagen).
............................................................................................................................................ 107

Figura 5-53. Vista en planta del hundimiento del suelo de la prueba 12. .......................... 109

Figura 5-54. Vista del hundimiento del suelo de la prueba 12 en dirección inversa al flujo
del chorro de agua............................................................................................................... 110

Figura 5-55. Material encontrado dentro de la tubería de la prueba 12.............................. 110

Figura 5-56. Vista del orificio y de la zona desgastada de la tubería 13 con relación a una
moneda de un centavo de dólar (la flauta estaba ubicada en la parte derecha de la imagen).
............................................................................................................................................ 112

Figura 5-57. Vista del orificio y de la zona desgastada de la tubería 13 (la flauta estaba
ubicada en la parte derecha de la imagen). ......................................................................... 113

Figura 5-58. Hundimiento del suelo de la tubería 13. ........................................................ 113

Figura 5-59. Ubicación de la flauta en la prueba 13. .......................................................... 114

Figura 5-60. Ubicación de la flauta en la prueba 8. ............................................................ 115

Figura 5-61. Estado del hundimiento del suelo tras las primeras 26 horas de la prueba 13.
............................................................................................................................................ 115

Figura 5-62. Material encontrado cerca de la zona de falla, durante el desmontaje de la
tubería 13. ........................................................................................................................... 116

Figura 5-64. Fotografía del material encontrado dentro de la tubería de la prueba 13. ..... 118

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vii

LISTA DE GRÁFICAS

Gráfica 4-1.Curva granulométrica de la arena proveniente de Subachoque. ....................... 37

Gráfica 4-2. Curva granulométrica de la arena proveniente del Sur de Bogotá. .................. 37

Gráfica 4-3. Curva granulométrica de la arena proveniente del Guamo. ............................. 38

Gráfica 4-4. Curva granulométrica de la arena proveniente de Cáqueza. ............................ 38

Gráfica 4-5. Curva granulométrica de la arena mezclada. ................................................... 38

Gráfica 4-6. Curva granulométrica según las especificaciones entregadas por PAVCO
MEXICHEM. ....................................................................................................................... 39

Gráfica 5-1. Caracterización de la zona desgastada de la prueba 1 con áreas en tres
dimensiones (la flauta estaba ubicada en el punto 16). ........................................................ 49

Gráfica 5-2. Caracterización de la zona desgastada de la prueba 2 con áreas en tres
dimensiones (la flauta estaba ubicada en el punto 16). ........................................................ 52

Gráfica 5-3. Caracterización de la zona desgastada de la prueba 2 con superficie en tres
dimensiones (la flauta estaba ubicada en el punto 16). ........................................................ 53

Gráfica 5-4. Curva granulométrica de la mezcla original. ................................................... 55

Gráfica 5-5. Caracterización de la zona desgastada de la prueba 3 con áreas en tres
dimensiones (la flauta estaba ubicada en el punto 16). ........................................................ 59

Gráfica 5-6. Caracterización de la zona desgastada de la prueba 3 con superficie en tres
dimensiones (la flauta estaba ubicada en el punto 16). ........................................................ 59

Gráfica 5-7. Caracterización de la zona desgastada de la prueba 4 con áreas en tres
dimensiones (la flauta se encontraba en el punto 16). .......................................................... 64

Gráfica 5-8. Caracterización de la zona desgastada de la prueba 5 con áreas en tres
dimensiones (la flauta se encuentra en el punto 16). ............................................................ 69

Gráfica 5-9. Curva granulométrica del material encontrado en la tubería de la prueba 5. ... 71

Gráfica 5-10. Caracterización de la zona desgastada de la prueba 6 con áreas en tres
dimensiones (la flauta estaba localizada en el punto 16)...................................................... 75

Gráfica 5-11. Caracterización de la zona desgastada de la prueba 6 con superficie en tres
dimensiones (la flauta estaba localizada en el punto 16)...................................................... 75

Gráfica 5-12. Curva granulométrica del material encontrado en la tubería de la prueba 7. . 82

Gráfica 5-13. Caracterización de la zona desgastada de la prueba 9 con áreas en tres
dimensiones (la flauta estaba localizada en el punto 16)...................................................... 90

Gráfica 5-14. Curva granulométrica del material encontrado al interior de la tubería de la
prueba número 9 y de la mezcla original. ............................................................................. 92

Gráfica 5-15. Caracterización de la zona desgastada de la prueba 10 con áreas en tres
dimensiones (la flauta estaba localizada en el punto 1)........................................................ 96

Gráfica 5-16. Curva granulométrica de la mezcla original y de la muestra de la prueba 11.
............................................................................................................................................ 102

Gráfica 5-17. Curva granulométrica de la prueba 13 ......................................................... 117

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viii

LISTA DE TABLAS

Tabla 4-1. Requerimientos de PAVCO para la arena que hará parte de la investigación de
abrasión por fugas. ................................................................................................................ 34

Tabla 4-2. Registro de los porcentajes que pasan por cada uno de los tamices para las
distintas muestras. ................................................................................................................. 39

Tabla 4-3. Coeficientes de las mezclas. ................................................................................ 39

Tabla 4-4.Clasificación de materiales según su tamaño. ...................................................... 40

Tabla 5-1. Resumen de las pruebas. ..................................................................................... 44

Tabla 5-2. Resumen de los resultados de la prueba número 1. ............................................ 45

Tabla 5-3. Resumen de los resultados de la prueba número 2. ............................................ 50

Tabla 5-4. Análisis Granulométrico de la mezcla encontrada .............................................. 55

Tabla 5-5. Resumen de los resultados de la prueba número 3. ............................................ 58

Tabla 5-6. Resumen de los resultados de la prueba número 4. ............................................ 62

Tabla 5-7. Resumen de los resultados de la prueba número 5. ............................................ 67

Tabla 5-8. Análisis granulométrico de la mezcla encontrada en la tubería usada en la prueba
5. ........................................................................................................................................... 71

Tabla 5-9. Resumen de los resultados de la prueba número 6. ............................................ 73

Tabla 5-10. Resumen de los resultados de la prueba número 7. .......................................... 78

Tabla 5-11 Análisis granulométrico de la mezcla encontrada en la tubería usada en la
prueba 7. ............................................................................................................................... 81

Tabla 5-12. Resumen de los resultados de la prueba número 8. .......................................... 84

Tabla 5-13. Resumen de los resultados de la prueba número 9. .......................................... 88

Tabla 5-14. Resumen de los resultados del análisis granulométrico de la prueba número 9.
.............................................................................................................................................. 92

Tabla 5-15. Resumen de los resultados de la prueba número 10. ........................................ 94

Tabla 5-16. Resumen de los resultados de la prueba número 11. ........................................ 98

Tabla 5-17. Análisis granulométrico del material encontrado al interior de la tubería de la
prueba número 11. .............................................................................................................. 102

Tabla 5-18. Resumen de los resultados de la prueba número 12. ...................................... 104

Tabla 5-19. Resumen de los resultados de la prueba número 13. ...................................... 111

Tabla 5-20. Dimensiones del hundimiento del suelo después de 26 horas de prueba. ....... 116

Tabla 5-21. Análisis granulométrico de la prueba 13. ........................................................ 117

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DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA A LA ABRASIÓN DE TUBERÍAS DE REDES DE DISTRIBUCIÓN DE
AGUA POTABLE COMO CONSECUENCIA DE FUGAS EN CONEXIONES

1. INTRODUCCIÓN

La  abrasión  puede  ser  definida  como;  “la  acción  mecánica  de  rozamiento  provocada  por
una partícula más dura, que ocasiona desgaste y erosión a la superficie en contacto”. En
pocas  palabras,  es  el  roce  directo  de  uno  o  varios  cuerpos  con  otro.  Las  tuberías  que
componen los sistemas de alcantarillado y las redes de distribución de agua potable no son
ajenas a este problema. Se sabe que las primeras sufren desgaste debido a  los sedimentos
que transportan junto con el agua, y de las segundas, aunque no se tenía certeza se creía que
estaba relacionado, entre otras, con las fugas en las conexiones, la presencia de roedores y
también con las partículas sólidas transportadas en su interior.

Independientemente  de  cuáles  sean  las  causas  del  fenómeno,  las  consecuencias  pueden
alejar la red de su funcionamiento óptimo. En primer lugar, es evidente que el caudal que se
fuga a través de estas fallas representa una pérdida monetaria y ambiental para el operador,
pues no sólo está dejando de facturar parte de su  producción sino que está desperdiciando
un recurso escaso. Por otro lado, la presión interna de la red podría interactuar con la falla
haciéndola  crecer,  debilitando  así  la  resistencia  estructural  del  tubo  hasta  el  punto  de
ponerla en riesgo de estallar. Por último, la interacción entre el agua fugada y el material a
su alrededor puede afectar la resistencia del suelo, poniendo en peligro la estabilidad de las
estructuras en la superficie.

Investigaciones  previas  han  demostrado  que  materiales  como  el  PVC  no  son  fuente  de
nutrientes para animales; por ende éstos últimos no representan una amenaza a la integridad
de  las  tuberías.  Asimismo,  en  sistemas  de  distribución  de  agua  potable  la  presencia  de
partículas  sólidas  es  mucho  menor  que  en  sistemas  de  drenaje;  por  ende  éstas  no
representan  una  amenaza  evidente  para  la  superficie  interior.  La  última  posibilidad,  que
para muchos es la principal y única responsable, se da cuando una mala instalación de los
tubos  no  garantiza  hermetismo  en  la  conexión,  permitiendo  que  a  través  de  ella  se  fugue
parte del caudal transportado.

Este chorro de agua, que evidentemente sale expulsado a altas presiones, se mezcla con el
material  que  recubre  la  tubería  y  se  convierte  en  un  poderoso  agente  abrasivo  que  al
desplazarse paralelamente a la pared, consigue desgastarla y hasta puede llegar a romperla.
El  orificio  inicial  puede  crecer  con  el  tiempo  debido  al  mismo  fenómeno,  gracias  a  la
presión interna, o también como consecuencia de movimientos de tierra alrededor del tubo.
Esta hipótesis parecía tener bastante lógica, pero a la fecha no había habido un estudio que
mostrara evidencia empírica de este evento.

Con el objetivo de suplir esta falencia, la presente investigación construyó un modelo en el
Laboratorio de Hidráulica de la Universidad de los Andes (Bogotá, Colombia),  que recreó
las  condiciones  reales  de  una  tubería  enterrada  in  situ.  Éste  constaba  de  un  tanque  que
albergaba en su interior el prototipo a probar recubierto de material granular, y también un
accesorio en acero conectado a la red interna del laboratorio, que transformaba el flujo en
una pequeña lámina de agua que salía a grandes presiones de forma paralela a la superficie
del  tubo.  El  estudio  encontró  que  los  chorros  con  determinadas  condiciones  de  entrada,

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pueden erosionar considerablemente estas paredes hasta el punto de romperlas
completamente, formando así pequeños orificios en la tubería.

Las  pruebas  se  llevaron  a  cabo  usando  material  granular  comúnmente  utilizado  para  la
instalación de tuberías en Bogotá (Colombia), pero seguramente cualquier mezcla usada en
otro lugar conllevará resultados similares. Esto se debe a que aún cuando la granulometría
de  las  partículas  sólidas  es  una  variable  de  entrada  que  afecta  algunos  de  los  resultados
finales, como el tiempo de falla y las características del orificio,  difícilmente influye en el
hecho  de  que  se  rompa  o  no  la  pared.  El  material  de  la  tubería  tampoco  parece  ser  una
limitante;  en  la  presente  investigación  se  probaron  prototipos  de  PVC,  hierro  dúctil  y
polietileno,  y  los  3  fallaron  después  de  un  tiempo  determinado.  Las  condiciones  del
experimento variaban para cada uno de los casos, pero ninguno de ellos estuvo por fuera de
los rangos de trabajo de una red de distribución real.

1.1

Objetivos

1.1.1 Objetivo General

Evaluar la posibilidad de que fugas en acometidas domiciliarias y conexiones entre tuberías
de distribución de agua potable, permitan el escape de un chorro a alta presión, que al
mezclarse con el material de recubrimiento pueda afectar la superficie del tubo y hasta
llegue a crear orificios en la misma.

1.1.2 Objetivos Específicos



Determinar la resistencia a la abrasión externa del PVC, el polietileno y el hierro

dúctil, como función del diámetro de la tubería y la presión del chorro de agua.



Estudiar las características del proceso de falla y las propiedades de los orificios

generados, como función del material, el diámetro de la tubería y la presión del
chorro.



Describir los efectos de la interacción entre el agua a altas presiones y el material de

recubrimiento, en los lugares cercanos a la tubería y en puntos mucho más alejados
de ella.

1.2

Contenido del Informe

Este  informe  consta  de  varias  secciones  en  las  que  se  describen  las  distintas  etapas  que
conformaron la  presente investigación.  Para  comenzar  se  introduce  el tema  de estudio,  se
hace  una  breve  descripción  del  mismo  y  se  mencionan  las  consecuencias  negativas  que
tiene  este  fenómeno.  Posteriormente,  se  mencionan  algunos  aspectos  fundamentales  de  la
abrasión  que  son  necesarios  para  entender  el  experimento  realizado.  A  continuación  se

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describe  el  material  granular  utilizado  en  las  pruebas,  y  el  modelo  físico  construido  para
recrear los eventos que se presentan en las redes reales.

Una vez se ha presentado esta información, se muestran los principales resultados hallados
en  el  laboratorio.  En  la  siguiente  sección  se  analizan  estos  datos,  se  presentan  las
principales conclusiones de la investigación, y se mencionan algunas recomendaciones que
sirven  para  que  estudios  posteriores  profundicen  el  análisis  y  permitan  entender  mucho
mejor el fenómeno. Posteriormente se presentan las fuentes bibliográficas referenciadas a lo
largo  del  informe,  las  cuales  fueron  esenciales  para  el  desarrollo  del  proyecto.  En  último
lugar, se presenta la sección de anexos en la que se puede  revisar la totalidad de los datos
medidos en las distintas pruebas, así como distintas gráficas que sirven para entender esta
información.

1.3

Equipo de Trabajo

El equipo de trabajo del proyecto “Determinación de la resistencia a la abrasión en tuberías
de redes de distribución de agua potable como consecuencia de fugas en conexiones”;
estuvo conformado por personal de PAVCO S.A. y un equipo académico de la Universidad
de los Andes. Las personas vinculadas al proyecto se mencionan a continuación.

1.3.1 PAVCO S.A.

Presidente Tubosistemas MEXICHEM de Colombia
Carlos M. González Vega

Vicepresidente Comercial
Ernesto Guerrero Molina

Gerente Técnico
Enrique González.

Gerente Técnico de Infraestructura
Inés Elvira Wills.

1.3.2 Universidad de los Andes

Director del Proyecto
Ing. Juan G. Saldarriaga Valderrama.

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Asistentes Graduados
Ing. Juan Sebastián Ossa Moreno

Monitores de Investigación
Juan Pablo París Valencia

Luisa Fernanda Torres Dueñas

Camilo Salcedo

Santiago Botía

Juan Pablo Duarte

Técnico de Laboratorio
John Adalberto Calvo Ovalle

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2. GENERALIDADES DE LA ABRASIÓN

2.1

Definición desgaste

El desgaste está definido como el daño a una superficie sólida. Generalmente, este proceso
se produce gracias al movimiento relativo entre  una superficie y  un cuerpo en contacto, y
puede  llegar  a  generar  pérdidas  progresivas  de  material.  Existen  4  tipos  de  desgaste:
abrasivo,  adhesivo,  corrosivo  y  por  fatiga  (Bayer,  1994).  De  estos,  el  más  común  es  el
desgaste debido a la abrasión, ya que en el 63% de los casos en los que se presenta daño en
un material, este es el responsable (Harsha & Tewari, 2003).

2.1.1 Tipos de contacto que generan desgaste

Existen 5 tipos de contacto que pueden generar cualquiera de las 4 formas de desgaste;
abrasión, adhesión, corrosión o fatiga. A continuación se profundizará en ellos para
entender cuáles de éstos son los más relevantes para la presente investigación.



Contacto Elástico:

Este tipo de contacto genera desplazamiento elástico del material, debido a que no
existen esfuerzos lo suficientemente grandes para superar el límite de fluencia en el
área de contacto.



Contacto Plástico:

Se da cuando el esfuerzo inducido supera el límite de fluencia del material base (la
superficie), y gracias a esto, la zona del material donde se da el impacto se
plastifica. No hay pérdida de material por desprendimiento ni fractura.



Micro-corte:

Se produce cuando el esfuerzo de contacto es lo suficientemente grande para
producir una falla en la superficie, depende en gran medida de la velocidad y del
medio en el que se encuentre la partícula abrasiva.



Perturbación de la adhesión:

Este tipo de contacto no causa un daño físico directo, pero contribuye a la
deformación y al aumento de los esfuerzos de contacto del material base. Esto suele
ser despreciable en desgaste por abrasión, pero produce efectos notorios cuando se
habla de desgaste por fatiga.



Ruptura Cohesional:

Este tipo de contacto provoca rasgaduras a profundidad en el material base,
generando así una variación en el relieve superficial y provocando desprendimiento
de la pared.

Para el caso de desgaste por abrasión, los tipos de contacto de mayor relevancia son la
ruptura cohesional y el micro-corte. A continuación, en la Figura 2-1 se ilustran los tipos
de contacto citados anteriormente.

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Figura 2-1. Modelos de los tipos de perturbación en los enlaces de fricción. Tomado de: (Martínez

Pérez, 2002).

2.1.2 Tipos de mecanismos de abrasión

El  desgate  abrasivo  está  definido  por  la  ASTM  G40-10b  como  el  desgaste  debido  a
partículas  o protuberancias  de alta dureza, las cuales son forzadas a desplazarse en contra
de una superficie sólida (ASTM, 2012). Este deslizamiento o rodamiento de las partículas
sobre  la  superficie  causa  distintos  tipos  de  daño  según  el  contacto  que  se  dé  (Martínez
Pérez,  2002).  Existen  distintos  mecanismos  para  generar  la  abrasión;  sin  embargo,  los
principales son abrasión de dos cuerpos y de tres cuerpos.

En  la  abrasión  de  dos  cuerpos,  el  desgaste  es  causado  por  protuberancias  o  partículas  en
una  superficie  que  se  deslizan  sobre  otra,  siendo  la  segunda  menos  resistente  que  la
primera. Este tipo de abrasión se puede dar en tuberías, en maquinarias de uso agrícola, en
bombas manuales de aguas residuales,  entre otras. Este tipo de comportamiento es el más
común, y por tanto el más conocido y modelado. A continuación se  ilustra un ejemplo de
este tipo de abrasión, en el cual se puede apreciar el daño provocado en un material.

Figura 2-2. Abrasión de dos cuerpos. Tomado de : (Misra & Finnie, 1979).

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Dentro de este mecanismo existe un subgrupo que se denomina abrasión de bajo esfuerzo.
Éste  está  definido  como  el  desgaste  que  ocurre  cuando  las  partículas  sólidas  impactan
ligeramente el material, es decir con un ángulo de incidencia pequeño (menor a 15 grados).
En este caso, las partículas abrasivas no suelen fragmentarse durante su interacción con la
superficie,  y  el  tipo  de  daño  que  generan  son  ralladuras  y  micro-cortes  a  lo  largo  del
material.  Los  factores  que  determinan  la  magnitud  de  este  tipo  de  abrasión  son:  la
velocidad, las características de las partículas y la resistencia de la superficie sólida (Steels
founder's of america ans ASM international, 1955).

A este tipo de mecanismo abrasivo también se le conoce como abrasión de rayado y es el
mecanismo primario de daño en  el 80 y 90% de todos los desgaste tribológicos

. Este es el

tipo  de  abrasión  que  se  espera  encontrar  en  tuberías  de  redes  de  distribución  de  agua
potable como consecuencia de fugas en conexiones.  Es importante mencionar que para el
caso de metales, estas tasas de desgate también se ven afectadas por la micro estructura del
material  (contenido  de  carbón,  carburos,  fases  de  dureza,  entre  otros)  (Viswanath  &
Vijayarangan, 2010).

Adicionalmente  al  mecanismo  de  abrasión  descrito  anteriormente,  existe  también  otro
subgrupo al cual se le conoce como abrasión por alto esfuerzo. Su principal diferencia con
el  anterior,  es  el  ángulo  de  incidencia  con  el  cual  impacta  la  partícula  abrasiva  a  la
superficie. Sin embargo, en este no se profundizará ya que no se espera esté presente en los
ensayos realizados durante esta investigación.

La  abrasión  de  tres  cuerpos,  en  cambio,  es  la  situación  en  la  cual  las  partículas  están
parcialmente  aprisionadas  entre  dos  superficies  sólidas.  Y  de  esta  forma,  en  algunos
momentos  están  libres  para

rodar y deslizarse, y en otros transmiten los esfuerzos

desgastando la superficie más débil. Esto es común en bombas verticales de aguas
residuales y en situaciones de pulido de superficies (Harsha & Tewari, 2003).

Figura 2-3. Abrasión de tres cuerpos. Tomado de: (Zum Gahr, 1981).

La tribología es la ciencia que estudia el rozamiento entre los cuerpos sólidos, el desgaste y la lubricación.

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Es importante mencionar que la tasa de remoción de material de la abrasión de 3 cuerpos
esta un orden de magnitud por debajo a la abrasión de dos cuerpos. Esto se debe a que en la
primera, las partículas abrasivas permanecen rodando y deslizándose libremente entre las
superficies sólidas durante un 90% del tiempo. Teniendo en cuenta esta información, y las
características de las tuberías de alcantarillado y de redes de distribución de agua potable, el
tipo de abrasión esperada será, por lo general, la de dos cuerpos (Harsha & Tewari, 2003).

2.2

Abrasión en Tuberías.

La  abrasión  en  tuberías  se  puede  clasificar  en  dos  grupos:  abrasión  interna  y  abrasión
externa. Para saber cuándo se da una u otra, se debe revisar el tipo de sistema de tuberías en
el que se esté trabajando, ya sea una red de alcantarillado o una red de distribución de agua
potable, pues dependiendo de su función puede variar la relación que se tiene con distintos
tipos  de  partículas  sólidas.  Otros  de  los  factores  que  determinan  las  características  del
fenómeno en tuberías son: el tipo de abrasivo que se esté manejando, la velocidad del flujo
que está causando el movimiento de las partículas, y el material de la tubería.

Para el caso de tuberías en materiales metálicos, es importante mencionar  que la abrasión
está altamente relacionada con la corrosión. Esto se debe a que el primer  fenómeno es un
precursor del segundo, sobre todo en tuberías donde hay un flujo constante de agua y otros
residuos. Para este caso específico, la corrosión se da debido a que en el interior o alrededor
de  los  tubos,  hay  presencia  de  partículas,  suelos  y  agua  con  contenidos  ácidos  y  algunos
químicos, (Lester, 1998).

Para el caso de los polímeros, a priori se piensa que tienen una alta resistencia a la abrasión
y  a  la  corrosión.  Esto  se  debe  a  que  su  estructura  molecular  se  asemeja  bastante  a  un
trampolín, en el que la mayoría de las partículas abrasivas rebotan en vez de incrustarse; de
esta forma se convierten en un material predilecto para el transporte de material abrasivo.
De  todos  modos,  es  importante  tener  en  cuenta  que  un  óptimo  desempeño  a  largo  plazo
depende también de un buen diseño de la red, y de un proceso de instalación adecuado. De
otros  materiales,  como  el  PVC  bi-orientado,  se  espera  un  comportamiento  sobresaliente
teniendo en cuenta que el reordenamiento de sus partículas, busca aumentar la resistencia
ante los efectos de cualquier agente externo.

En cuanto al tipo de materiales que se pueden encontrar en las mezclas abrasivas, la arena
(compuesta  en  su  mayoría  por  cuarzo  SiO

) es el componente más común, y al mismo

tiempo es la principal causante de abrasión debido a su alta dureza (7 en la escala de Mohs).
Esta  última  característica  le  permite  causar  daño  a  todos  aquellos  materiales  con  menor
dureza,  entre  los  cuales  se  incluye  gres,  PVC,  polietileno  y  acero  (Houben,  2007).  No
obstante,  es  importante  tener  en  cuenta  que  esta  información  está  basada  en  estudios
internacionales,  y  es  posible  que  las  características  del  medio  local  hagan  variar  estas
condiciones.

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2.2.1 Abrasión en Tuberías de drenaje urbano.

La abrasión en tuberías de drenaje urbano se presenta dentro de las mismas  y se  clasifica
como abrasión interna.  Las  causas  del  fenómeno en  este medio,  están  relacionadas  con la
presencia de los sedimentos que se transportan normalmente junto con las aguas residuales
o pluviales. Las consecuencias del mismo son: la disminución en el grosor de las paredes y
eventualmente su fractura, lo que se traduce en pérdidas de resistencia y de calidad en las
características hidráulicas del ducto.

La vulnerabilidad de esta clase de tuberías frente a la abrasión depende de las propiedades
del material del cual están hechas, las características del flujo  interno  y las características
de  los  sedimentos  que  transporta.  Dentro  de  este  último  grupo,  las  propiedades  más
importantes  son:  la  masa,  la  velocidad  de  desplazamiento,  la  forma  (puntas  afiladas
incurren en más daño que partículas de forma circular debido a que la fuerza es transmitida
en una menor área), el número de partículas por unidad de tiempo y la diferencia entre su
dureza y la de la superficie.

En  estos  casos  la  abrasión  suele  ser  un  problema  considerable,  y  más  aun  si  se  tienen
sistemas  de  saneamiento  urbano  con  tiempos  de  operación  prolongados  y  con  flujo  a
grandes  velocidades

. Debido a la gran complejidad del problema, existen distintos

métodos para medir este fenómeno en tuberías de drenaje urbano. El más conocido es el
método Darmstadt

; sin embargo, existen algunos otros como la prueba con Disco Bohn y

la prueba realizada por la universidad de Texas en Arlington

. Todos estos ensayos simulan

tuberías de sistemas de alcantarillados, y son la base para estudios de abrasión en distintos
tipos de materiales

2.2.2 Abrasión en Tuberías de redes de distribución de agua potable.

Para el caso de tuberías en redes de distribución de agua potable, el problema de abrasión
interna es poco frecuente debido a que las plantas de potabilización tienen estrictos códigos
para  el  saneamiento  del  recurso  hídrico.  Por  esta  razón,  es  bastante  difícil  encontrar
partículas  de  gran  tamaño  fluyendo  por  la  tubería,  y  por  lo  tanto,  los  daños  en  estos
sistemas  tienden  a  provenir  de  otros  mecanismos.  Uno  de  ellos  se  denomina  abrasión
externa; ésta se da en la parte exterior de la superficie de las tuberías y se relaciona con el

En sistemas de saneamiento y agua potable el RAS 2012 reglamenta la velocidad máxima de estos sistemas

para reducir el riesgo de abrasión. El valor máximo estipulado está en 6 m/s. (Ministerio de vivienda, ciudad y
territorio, 2012)

Método el cual consiste en simular el paso de flujo a través de una tubería de alcantarillado. Este método

está regulado por la Norma EN-295-3 de 1991.

Prueba mandada hacer por la Asociación Americana de Tubos de Concreto para probar la resistencia a la

abrasión de un nuevo tubo de concreto que contenía fibra celulosa (American Concrete Pipe Association,
2005).

La Cátedra PAVCO ha realizado distintos estudios de la resistencia a la abrasión en tuberías de PVC

NOVAFORT y NOVALOC, concreto, acero y gres vitrificado.

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suelo que está en contacto con ella, y con posibles fugas de agua a lo largo de la red.
Debido a esto, la naturaleza del fenómeno cambia drásticamente en comparación con la que
se presenta en sistemas de alcantarillado. Por ende, a la hora de estudiar este tipo de redes
se deben utilizar otro tipo de métodos, que entre otras, tengan en cuenta las diferentes
características granulométricas de cada caso

Centrando  el  análisis  en  los  materiales  usados  para  construir  este  tipo  de  redes,  se  podría
pensar en primer lugar que gracias a que las conexiones de tuberías de polietileno se hacen
por termofusión o electrofusión, las posibilidades de que éstas presenten fugas son bajas, y
por  ende  las  probabilidades  de  presentar abrasión  externa  son  reducidas.  Sin  embargo,  se
debe tener en cuenta que estos procesos son bastante complejos, por lo tanto puede darse un
descuido  en  el  proceso  constructivo.  En  consecuencia,  puede  suceder  que  debido  a
instalaciones  inadecuadas  se  den  fugas  que  faciliten  la  abrasión  en  la  parte  externa  de  la
tubería.  De  esta  forma,  la  pared  se  desgastaría  como  cualquier  otra  y  podría  llegar  a
fracturarse, esto permitiría que parte del caudal se pierda en estos orificios, o que a través
de  ellos  entre  agua  del  suelo  circundante  contaminando  el  interior  (Zlokovitz  &  Juran,
2005).

Adicional a la abrasión externa, algunos investigadores han propuesto la hipótesis de que el
ataque  de  roedores  a  las  tuberías  (especialmente  a  las  de  PVC),  puede  representar  una
amenaza considerable para el estado de este tipo de redes. Sin embargo, esta posibilidad se
puede  descartar  gracias  un  estudio  realizado  en  1955  en  la  ciudad  de  Ann  Harbor
(Michigan,  Estados  Unidos),  por  la  National  Sanitation  Foundation  de  Estados  Unidos
(NSF).

Esta  investigación  buscaba,  en  general,  determinar  la  susceptibilidad  de  este  tipo  de
tuberías  frente  a  ambientes  agresivos.  En  una  de  las  pruebas,  se  instalaron  secciones  de
PVC  en  las  aberturas  de  las  guaridas  de  los  roedores,  separándolos  así  de  sus  fuentes  de
agua y comida. Las ratas fueron alimentadas con raciones limitadas para mantenerlas vivas
pero con apetito, y de esta forma  fueron presionadas a permanecer en busca de  nutrientes
durante el periodo que duró el experimento (1 mes).

Al  final  del  estudio,  se  encontró  que  las  ratas  intentaron  atravesar  las  secciones  de  PVC
únicamente en los lugares donde éstas interferían con el alimento, sin embargo, nunca hubo
una  penetración  total  en  el  material.  De  otro  lado,  en  los  lugares  donde  la  tubería  no
obstruía  el  acceso  a  la  comida,  ésta  no  sufrió  ningún  tipo  de  ataque.  Con  base  en  estos
resultados, el estudio concluyó que el PVC no es una fuente de nutrientes para los animales,
y en consecuencia ellos nunca la atacarán prolongadamente (National Sanitation Fundation,
1955).

La granulometría detallada de los suelos usados para este estudio se presentará en otra sección del presente

documento.

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Habiendo  descartado  la  posibilidad  de  que  el  PVC  sea  atacado  por  roedores,  sólo  resta
analizar  el  efecto  de  la  abrasión  externa.  Éste  es  precisamente  el  objetivo  de  la  presente
investigación, a cargo de la Universidad de los Andes en conjunto con PAVCO S.A. A lo
largo  de  este  estudio  se  evalúa  la  posibilidad  de  que  fugas  en  conexiones  entre  tuberías,
permitan  el  escape  de  chorros  de  agua  a  alta  presión  que  al  mezclarse  con  el  material  de
recubrimiento, puedan erosionar la superficie del tubo (abrasión externa), lo suficiente para
llegar a crear orificios en el mismo.

Para  cumplir  este  objetivo  se  construyó  un  modelo  en  el  Laboratorio  de  Hidráulica  de  la
Universidad  de  los  Andes  (Bogotá,  Colombia),  que  recreó  las  condiciones  reales  de  una
tubería  enterrada  in  situ.  En  éste  se  simuló  la  presencia  de  una  fuga  por  medio  de  un
accesorio en acero (denominado flauta durante la investigación), que estaba conectado a la
red  interna  de  laboratorio.  Esta  flauta  transformaba  el  flujo  de  entrada  en  una  pequeña
lámina de agua que salía a grandes presiones de forma paralela a la superficie del tubo; pero
que en ningún momento llegaba a tocar directamente la tubería, tal como sucede en el caso
real.  De  esta  forma,  el  desgaste  no  es  causado  por  el  impacto  del  chorro  sino  por  el
movimiento que éste genera en el material que rodea al tubo.

Las  pruebas  se  realizaron  en  tuberías  de  distintos  materiales  como:  PVC,    hierro  dúctil  y
polietileno.  El  rango  de  las  presiones  de  entrada  iba  desde  0.5  hasta  2  Bar,  y  variaba
dependiendo del tipo de material que se estaba probando. Asimismo,  a la hora de confinar
el  tubo  simulando  una  posición  bajo  tierra,  se  usó  una  mezcla  granular  comúnmente
utilizada en Bogotá (Colombia) para este tipo de trabajos; en una sección posterior se dará
más información de la misma.

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3. DESCRIPCIÓN DEL MONTAJE

En  este  capítulo  se  describe  en  forma  detallada  el  montaje  instalado  en  el  Laboratorio  de
Hidráulica  de  la  Universidad  de  los  Andes,  en  el  que  se  llevaron  a  cabo  los  ensayos  de
abrasión  externa  en  tuberías  de  PVC,  Hierro  Dúctil  y  Polietileno.  Se  describen  los
componentes  estructurales,  hidráulicos,  los  equipos  de  medición  y  también  el
procedimiento experimental.

3.1

Sistema Estructural

El sistema estructural consta de una base que soporta el montaje, un tanque, una tapa
superior y dos laterales, todas ellas removibles. Las dimensiones externas del modelo son
0.75 m de alto, 2,50 m de largo y 0,70 m de ancho.

3.1.1 Base de soporte

La base está construida con ángulos de 2” x ¼ con sus respectivos refuerzos, anclajes para
fijar al piso y pintura anticorrosiva que la protege del agua. La base soporta y eleva al
tanque 0,75 m desde el suelo aproximadamente. En la Figura 3-1 se tiene una vista general,
tanto del soporte como de la parte externa del tanque.

Figura 3-1. Tanque de abrasión y su base de soporte.

3.1.2 Tanque

El tanque está construido con láminas de acero Hot Rolled (Lámina en Caliente) de 6.5 mm
de espesor. En la parte superior hay una sección horizontal de 3 cm aproximadamente,
donde se encuentran los orificios para ubicar los tornillos que permiten asegurar la tapa
superior. En cada una de las caras verticales de 0.70 m de ancho, el tanque tiene aberturas
de 30 cm de ancho por 40 cm de alto con 10 huecos para ubicar tornillos de 5/8”, los cuales

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dan  el  soporte  para  ubicar  las  tapas  laterales.  Éstas  pueden  ser  de  entrada  o  de  salida;  la
descripción de éstas y las diferencias entre unas y otras se especificarán más adelante.

En la parte superior de una de las caras verticales de 0.7 m de ancho, específicamente en la
que está al lado contrario de la entrada de agua,  se tiene una boquilla de conexión lisa en
tubería galvanizada de 3” por donde sale el agua del tanque. En la parte superior del mismo,
existe  una  tapa  de  6.5  mm  de  espesor  hecha  en  el  mismo  material,  que  tiene  30  agujeros
para  fijar  los  tornillos  de  5/8”  y  lograr  así  asegurarla  al  tanque.    Debido  a  su  peso,  este
último  accesorio  tiene  4  agarraderas  en  la  parte  central  que  permiten  fijarlo  a  un
montacargas,  para  levantarlo  y  desplazarlo  cuando  sea  necesario.  Asimismo,  para  lograr
una  impermeabilización  óptima  se  hace  uso  de  cinta  de  neopreno  para  las  distintas
conexiones  del  tanque  con  las  tapas  exteriores.  Este  material  se  pone  sobre  la  línea  de
contacto,  se  abren  orificios  para  que  los  tornillos  puedan  pasar  y  con  la  fuerza  de  estos
últimos, la unión se vuelve hermética.

Conforme avanzaron las pruebas se requirió aumentar la presión de entrada del agua, razón
por  la  cual  fue  necesario  reforzar  el  tanque  y  la  tapa  superior  para  que  resistieran  los
esfuerzos  generados  por  las  nuevas  condiciones  internas.  Para  el  primer  objeto,  las
modificaciones consistieron en soldar ángulos de 1 ½” x 3/16” en dos partes de sus paredes
verticales para aumentar su rigidez. En el segundo caso se colocaron 2 ángulos de 1 ½” x
3/16” en los extremos de mayor longitud,  y luego 4 más, distribuidos equitativamente de
forma perpendicular a los anteriores. En la Figura 3-2 se tiene una vista interna del tanque
destapado  antes  de  instalar  los  refuerzos,  en  ella  se  pueden  ver  las  distintas  partes
mencionadas anteriormente. En la Figura 3-1 se tiene una vista general de la tapa superior.

Figura 3-2. Interior del tanque con una tubería de PVC de 4”.

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3.1.3 Tapas Laterales

Se  construyeron  6  tapas  removibles  de  40  cm  de  ancho  por  50  de  alto,  construidas  en
lámina H.R de ¼”, y con pintura anticorrosiva para protegerlas del agua. Existen 2 tipos de
tapas,  las  de  entrada  y  las  de  salida.  Cada  una  de  las  primeras,  tiene  soldado  un pequeño
tubo que conecta el interior del tanque con el exterior, y gracias a él entra el agua al tanque
desde el sistema de recirculación del laboratorio (Ver Figura 3-3 y Figura 3-4). En su otro
extremo,  se  tiene  una  superficie  corrugada  donde  se  ubicará  un  accesorio  denominado
flauta,  la  cual  será  descrita  a  profundidad  más  adelante.  Además  de  esto,  estas  tapas
también  tienen  un  tubo  de  mayor  diámetro  (4”,  6”,  8”)  en  la  cara  interior,  donde  se
conectará la tubería a probar.

La  forma  en  que  se  conectan  estas  tapas  con  los  tubos  de  PVC  es  por  unión  mecánica
espigo  por  campana,  con  los  tubos  en  hierro  dúctil  se  usaron  uniones  Dresser,  y  los  de
polietileno  simplemente  se  introdujeron  y  se  sellaron  las  uniones  con  silicona  fría  (Ver
Figura  3-5).  Las  3  tapas  restantes  tienen  únicamente  un  tubo  hacia  la  cara  exterior  que
sirve  como  el  segundo  apoyo  de  la  tubería,  y  como  se  mencionó  anteriormente  tiene  un
tamaño determinado para servir a los tres tipos de tubería que se probarán. Éstas últimas no
se deben conectar al tubo, sino que éstos pasan por el interior de las primeras y las uniones
se sellan con silicona fría (ver Figura 3-6).

Es  importante  mencionar  que  el  diseño  de  las  tapas  laterales  se  hizo  de  esta  forma  para
poder  tener  una  visión  del  interior  de  la  tubería  en  todo  momento,  y  así  poder  saber
fácilmente en qué momento falla.

Figura 3-3.Tapa lateral de entrada (vista frontal).

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Figura 3-4.Tapa lateral de entrada en funcionamiento.

Figura 3-5.Tapa lateral de entrada (vista lateral).

Figura 3-6. Tapa lateral de salida (vista frontal).

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3.1.4 Flauta.

El objeto que a lo largo de esta investigación se denomina La Flauta, es una conexión final
de la tubería de alimentación del montaje. Como se ha mencionado anteriormente,  la tapa
lateral  de  entrada  tiene  un  tubo  de  3”,  en  el  mismo  material,  que  se  encarga  de  recibir  el
agua  del  sistema  del  laboratorio,  y  en  el  lado  opuesto  tiene  una  superficie  roscada  que
permite conectar la flauta. Este accesorio está hecho en acero y genera un cambio del área
de flujo en el conducto; inicialmente se tiene un área circular de 3 pulgadas de diámetro  y
luego de esta estructura se pasa a una cuadrada, cuyas dimensiones son de 2.30 mm alto x
40.91 mm de ancho. A continuación se presentan dos figuras que buscan ilustrar la forma
de la flauta.

Figura 3-7. Flauta vista lateral.

Figura 3-8. Vista frontal de la flauta.

Es importante mencionar que el diseño de las tapas laterales, las conexiones hidráulicas y la
flauta, garantiza que esta última se acerque de manera paralela a la superficie de la tubería
para así generar la abrasión en la superficie externa. Es decir que la lámina de agua que sale
expulsada por ella no tiene un ángulo de incidencia directo en la superficie del tubo, de esta

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forma se recrea de manera más precisa el fenómeno real. Esto último se puede evidenciar
en la Figura 3-9.

Figura 3-9. Flauta en modo de operación.

En la Figura 3-10 se muestra un esquema de las distintas estructuras mencionadas
anteriormente. En él, la tubería amarilla corresponde al prototipo que se está probando, la
roja muestra la posición en la que se ubica la flauta (la forma que aparece en este esquema
no corresponde con la verdadera) y la azul es el tubo donde se conecta la manguera plástica
para evacuar el caudal de salida. En la imagen se puede ver que la arena cubre toda la zona
alrededor del tubo hasta la superficie donde se encuentra la tapa superior, tal cual sucedió
en cada una de las pruebas llevadas a cabo.

3.2

Sistema Hidráulico

El  sistema  hidráulico  consta  de  un  conjunto  de  tuberías  galvanizadas  de  3  pulgadas  de
diámetro  con  sus  respectivos  accesorios,  una  motobomba  centrífuga  y  una  manguera
plástica  de  3  pulgadas  de  diámetro.  Asimismo,  cuenta  con  las  distintas  conexiones  y
accesorios  del  sistema  de  recirculación  de  agua  del  Laboratorio  de  Hidráulica  de  la
Universidad  de  los  Andes.  Este  sistema  entrega  el  fluido  a  la  bomba,  y  luego  recibe  el
caudal  de  salida  de  la  manguera  plástica  en  uno  de  sus  vertederos.  En  la  Figura  3-11  se
puede  ver  un  esquema  de  la  ubicación  de  las  distintas  partes  en  el  laboratorio  (no  se
incluyen las conexiones previas a la bomba). A continuación se profundizará más en cada
una de ellas.

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DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA A LA ABRASIÓN DE TUBERÍAS DE REDES DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE COMO CONSECUENCIA DE
FUGAS EN CONEXIONES

Figura 3-10. Esquema en 3D del montaje del modelo en el Laboratorio de Hidráulica de la Universidad de los Andes.

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DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA A LA ABRASIÓN DE TUBERÍAS DE REDES DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE COMO CONSECUENCIA DE
FUGAS EN CONEXIONES

Figura 3-11. Esquema de la ubicación del montaje en el Laboratorio de Hidráulica de la Universidad de los Andes (Vista en Planta).

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3.2.1 Bomba Hidráulica

Para esta investigación se usó una bomba marca IHM fabricada en el año 2010; su motor
tiene una potencia de 7.5 Kilovatios y una eficiencia de 75% (en la Figura 3-13 se puede
revisar las curvas características de la bomba). A un extremo de ella llega la conexión del
sistema  de  recirculación  del  laboratorio,  mientras  que  por  el  otro  sale  el  agua  hacia  el
montaje.

En este punto es muy importante mencionar que para regular la presión, el tramo posterior a
la bomba tiene una válvula que divide el flujo en dos. Cuando ésta se encuentra totalmente
cerrada, el agua sale impulsada con toda la potencia de la bomba hacia un rebose en otro
vertedero  del  laboratorio.  A  medida  que  se  va  abriendo,  parte  del  caudal  comienza  a
dirigirse  hacia  el  montaje  experimental  y  poco  a  poco  se  obtiene  la  presión  deseada.  La
razón  para  haber  configurado  el  montaje  de  esta  forma,  es  que  se  deseaba  evitar  que  la
bomba  trabajara  con  un  amperaje  superior  al  sugerido  por  el  fabricante.  Y  la  forma  más
simple de lograrlo era garantizando que siempre bombeara la misma cantidad de agua, pero
que sólo una parte de esta se dirigiera hacia el montaje.

Figura 3-12. Motobomba centrífuga usada en el montaje de laboratorio.

3.2.2 Conexiones hidráulicas

Una  vez  el  agua  ha  pasado  por  la  bomba  y  ha  tomado  la  ruta  hacia  el  montaje  debe
atravesar un grupo de conexiones que la llevarán al tanque. En total son aproximadamente
7.5 m de tuberías en acero galvanizado de 3” de diámetro. Éstas están ubicadas en ambas
direcciones en el plano horizontal y algunas de ellas están en sentido vertical. En total hay 6
codos  en  el  mismo  material,  y  antes  de  llegar  al  tanque  se  encuentra  otra  válvula  que
también  se  puede  usar  para  regular  la  presión  de  entrada.  En  la  Figura  3-11  se  puede
revisar con detalle la ubicación y dirección de estas conexiones.

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Una vez el agua ha atravesado el tanque, sale por el orificio mencionado anteriormente y en
este punto se conecta una manguera de plástico de 3” de diámetro que transporta este
caudal hasta el vertedero más cercano para entregarlo de nuevo al sistema del laboratorio.
Para evitar que una gran cantidad de arena se fugara por este lugar, se ubicó una trampa de
sedimentos que atrapa las partículas en una malla metálica. Más adelante se profundizará la
descripción de esto. En la Figuras 3-14 y la Figura 3-15 se ilustra este último accesorio y
su conexión con el tanque.

Figura 3-13. Curvas características de la bomba usada en las pruebas.

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Figura 3-14. Conexión de salida del agua entre el tanque y la manguera de plástico.

Figura 3-15. Entrega del caudal de salida a un vertedero del laboratorio.

3.2.3 Filtro

Dentro  del  montaje,  es  de  vital  importancia  colocar  un  filtro  antes  de  la  manguera  que
permite  extraer  el  caudal  de  salida.  Esto  con  el  objetivo  de  evitar  que  el  agua  represada
comience a fugarse por otros puntos, al no poder moverse fácilmente por el medio arenoso,
hacia  un  punto  de  salida  de  únicamente  3  pulgadas  de  diámetro.  Este  filtro  consta  de  un
cubo de 30 cm de alto, y 27 cm tanto de largo como ancho. El filtro está hecho en una malla
de acero inoxidable, y en su interior está lleno de material rocoso de tamaño muy superior a
la arena. De esta forma, este funciona como un cuerpo que permite la filtración del agua a
través de un área de flujo mucho más grande, y al mismo tiempo evita que partículas de un
diámetro considerable se muevan hacia la salida. De esta manera se asegura que sólo salga
material líquido y que no se pierda material sólido.

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Figura 3-16. Malla metálica para albergar el material rocoso que sirve como filtro.

Figura 3-17. Filtro ubicado en su posición de trabajo.

3.3

Equipo de Medición

El equipo de medición del montaje consta únicamente de 2 manómetros; uno electrónico y
otro tipo Bourdon, una cámara de video y un micrómetro ultrasónico. El primero de ellos se
coloca justo antes que el agua entre al montaje, y por lo tanto, a partir de éste se obtiene la
presión a la que salé la lámina del agua desde la flauta. Por otra parte, el manómetro tipo
Bourdon está localizado algunos centímetros después de la división de la tubería conectada
a la bomba, sin embargo, a pesar de la distancia que los separa la medición de ambos
equipos es muy similar. Esto último se puede explicar teniendo en cuenta que los caudales
transportados no son muy grandes, y debido a esto, en este pequeño tramo las pérdidas por
fricción y las pérdidas menores no son muy relevantes. De esta forma la caída de presión
asociada con éstas tampoco es considerable.

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Otro de los equipos que se requieren para llevar a cabo las mediciones, es una cámara de
video con la cual se puede conocer el tiempo exacto que se demora la tubería para fallar. La
forma de uso es simple; en uno de los extremos del tanque se ubica el equipo y se pone a
grabar el interior de la tubería. Teniendo en cuenta que la capacidad de almacenar video es
limitada, se debe revisar el estado de la misma cada dos horas. Si se ve que la tubería no ha
fallado, la grabación se borra y comienza de nuevo, y en caso de que falle, se revisa el
archivo para calcular el momento preciso en el que se perforó la superficie. Es importante
mencionar que se debe realizar la revisión en periodos de tiempo no superiores a una hora y
media, pues de lo contrario se corre el riesgo de que la cámara deje de trabajar y no se sepa
cuándo se forma el orificio en la tubería.

El micrómetro ultrasónico, por su parte, se usa para medir el espesor de las tuberías de PVC
en la zona desgastada y en los puntos cercanos a las perforaciones. Este equipo realiza las
lecturas con una precisión de ±0.001 mm, por ende es bastante práctico para tener una idea
aproximada del desgaste abrasivo provocado por el chorro de agua. A continuación se
profundiza la descripción de cada uno de los instrumentos mencionados.

3.3.1 Manómetro Digital

Es un manómetro digital marca Kobold, con las siguientes características:

Display LCD de 4 dígitos.

Rango de medición desde -0 a 1 Bar *

Clase 0.5

Conexión de ¼ NPT

Precisión de ± 0.1%



* El fabricante recomienda este rango. Sin embargo, se probó con presiones de hasta 3.5 Bar,

comparando las lecturas con las del manómetro analógico y funcionó correctamente.

Figura 3-18. Manómetro electrónico en funcionamiento.

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3.3.2 Manómetro Haenni

Es un manómetro analógico con glicerina tipo Bourdon que tiene un rango de medición de
0 a 160 psi. Este instrumento se localiza justo después de la bomba, pero teniendo en cuenta
las características de las conexiones hidráulicas, la lectura que se obtiene es muy cercana a
la presión que se lee en el manómetro digital, que está ubicado justo antes de entrar al
montaje. La razón para usar este equipo es que brinda una medición de la presión que sirve
como punto de comparación para la lectura del equipo electrónico, y de esta forma se tiene
más certeza de la precisión de los valores medidos.

Figura 3-19. Manómetro analógico en funcionamiento.

3.3.3 Cámara de Video

La  cámara  de  video  que  se  utilizó  es  una  Sony  HDR-PJ580V,  con  una  memoria  flash  de
32GB.  El  equipo  se  ubica  sobre  un  trípode,  el  cual  brinda  el  soporte  y  la  estabilidad  a  la
misma en todo momento de la grabación.

Figura 3-20. Cámara de Video usada en el laboratorio: vista frontal.

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Figura 3-21. Cámara de Video en funcionamiento: vista posterior.

3.3.4 Micrómetro Ultrasónico.

El micrómetro Ultrasónico es un equipo que mide el espesor de la pared de una superficie
determinada. Éste se compone de: un cable con un sensor que emite señales electrónicas al
material y contabiliza el tiempo que éstas requieren para regresar, y un dispositivo que
recibe la información leída y la asocia a un espesor de pared, como función de la velocidad
de onda del material probado. Para reducir la cantidad de vacios que puedan haber entre el
sensor y la superficie, se usa un gel acoplante (referencia: GEL-BT, de ultraflux), de esta
forma se aumenta la precisión de los valores medidos En la Figura 3-22 se puede apreciar
una fotografía del micrómetro y del gel usado en el laboratorio.

Figura 3-22. Micrómetro ultrasónico Electromatic y Gel ultraflux para realizar mediciones de espesor

en tuberías de PVC.

Para tener una mejor idea de las referencias del micrómetro ultrasónico, se muestra a
continuación información detallada del equipo.

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Modelo- TI-007 check-line. By electromatic

Peso-10 onzas

Rangos de temperatura para medir- De - 30 a

50° C

Fuente energía: 2 pilas “AA”

Display- pantalla liquido-cristal con 4.5 dígitos y

luz LED

Rangos de medición- 0.15 mm a 25.40 mm

Precisión ± 0.001 mm

Valor mínimo de medición: 0.15 mm

En esta investigación, el equipo se usó para dar una idea aproximada del relieve de aquellas
zonas que sufrieron los efectos abrasivos del chorro de agua, únicamente para las tuberías
de PVC (más adelante se explica el por qué de esta decisión). Es importante mencionar que
teniendo en cuenta la forma de la región afectada, es difícil garantizar que la calidad de los
datos medidos sea excelente, sin embargo, para contrarrestar esto se tuvieron en cuenta las
siguientes recomendaciones a la hora de realizar las lecturas:



No se tomaron lecturas con menos de 6 barras de calidad de la señal (las barras en la

pantalla del dispositivo son una medida de qué tan buena es la emisión y la
recepción de la señal).



No se tuvieron en cuenta mediciones menores a los 0.15 mm (este valor representa

el umbral del equipo, cualquier dato inferior a él está errado).



Se midieron en total de 51 puntos en cada tubería de PVC y cada uno de ellos era

leído en al menos tres oportunidades. De esta forma se tuvo suficientes datos para
modelar la superficie desgastada, y el proceso repetitivo disminuía la incertidumbre
del proceso de medición.

No  obstante,  a  pesar  de  las  recomendaciones  para  contrarrestar  los  errores,  muchas
mediciones no coincidieron con los valores del manual técnico de las tuberías, la mayoría
de éstas se encontraban en la frontera de la zona afectada. Se decidió repetir el proceso pero
seguían apareciendo los mismos valores, por ende, se determinó dejarlos así porque lo que
se  buscaba  con  estas  lecturas  era  ilustrar  a  grandes  rasgos  cómo  es  esta  región,  y  no
necesariamente dar los valores exactos.

Como se mencionó previamente, los datos se tomaron en el área de falla de las tuberías de
PVC. Estas regiones tenían, por lo general, longitudes cercanas a los  8 cm y anchos de 4
cm  en  promedio; la  mayor  parte  de  su  área  correspondía  a  la  zona  desgastada  y  sólo  una
pequeña  porción  evidenciaba  los  orificios.  Para  describir  el  perfil  se  trazaron  tres  líneas
imaginarias paralelas a la dirección de la lámina de agua separadas 1 cm una de otra.  En
ellas  se  ubicaron  puntos  de  medición  cada  5  mm a  lo largo  de  8  cm,  es  decir,  en total  se
definieron 17 puntos en cada

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Las mediciones se comenzaron a realizar justo en el lugar donde estaba ubicada la flauta, y
en  todos  los  casos  abarcaron  toda  la  zona  desgastada.  Las  líneas  superior  e  inferior  se
ubicaron de tal forma que atravesaran las perforaciones en la superficie (en los casos en los
que había 2 orificios), para así poder registrar completamente la pérdida de material.

La  línea  de  la  mitad,  por  su  parte,  estaba  situada  equidistante  de  las  otras  dos,  y  casi
siempre  concordaba  con  puntos  altos  (en  los  casos  en  los  que  solamente  se  formó  un
orificio esta línea lo atravesaba). Gracias a estas mediciones, se ilustra un aspecto del área
de falla  que no es fácilmente  perceptible en las fotografías,  y es que en la mayoría de los
casos  la  zona  erosionada  se  divide  en  dos,  y  la  línea  que  las  separa  permanece  con  un
espesor similar al inicial.

En cada una de las líneas se ubicaron 17 puntos, en la Figura 3-23 se muestra un esquema
del  área  de  falla  (incluyendo  las  perforaciones  y  la  zona  desgastada)  y  se  presenta  un
esquema de la distribución las lecturas a lo largo de la misma.

Figura 3-23. Detalle del área de falla (incluyendo los orificios y la zona desgastada) incluyendo las tres

líneas de medición del espesor de la superficie.

En la Figura 3-24 se presenta una fotografía del proceso de medición de la zona desgastada
de una de las tuberías probadas. En ella se pueden apreciar las tres líneas de gel marcadas
en la superficie, y de igual forma, se observa al micrómetro ultrasónico en funcionamiento.

Es muy importante mencionar que este procedimiento se hizo únicamente en superficies de
PVC, debido a que la metodología de operación del micrómetro no es aplicable en tuberías
de hierro dúctil o polietileno. La limitante de las primeras es que están compuestas por dos
materiales  (hierro  dúctil  y  una  capa  de  mortero),  y  de  ésta  forma  el tiempo  de  viaje  de  la
señal no puede ser asociado con una única velocidad de onda,  y de esta forma es imposible
conocer  el  grosor.  Para  el  caso  de  las  segundas,  el  problema  es  un  poco  más  complejo
porque en esta superficie las ondas simplemente no se reflejan; en estas condiciones no se
puede conocer el tiempo de viaje de las mismas, y mucho menos el espesor de la superficie.

Buscando contrarrestar esta falencia, en las tuberías de hierro dúctil y polietileno, se intentó
llevar  a  cabo  mediciones  con  otro  tipo  de  equipos  en  estas  superficies.  No  obstante,  los
resultados  fueron  poco  satisfactorios  una vez  más,  y  se  debió  trabajar  únicamente con  las
mediciones en PVC.

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Figura 3-24. Medición en laboratorio del espesor de la tubería de PVC en la zona desgastada.

3.4

Procedimiento experimental

El  procedimiento  experimental  para  llevar  a  cabo  una  prueba  comienza  instalando  el
prototipo a fallar. Como se ha mencionado, se probaran en total 3 tipos de materiales: PVC,
Hierro  Dúctil  y  Polietileno,  de  4,6  y  8  pulgadas  de  diámetro  (no  todos  los  materiales  se
prueban  en  todo  el  rango  de  diámetros). Una  vez  se  han  definido  las  características  de  la
tubería, se corta un tramo de 2.5 m de largo y se procede a instarlo en el interior del tanque.
Previamente  se  deben  haber  instalado  las  tapas  laterales  de  entrada  correspondientes  al
tamaño del prototipo, para de esta forma conectar uno de los extremos de este último a la
estructura general. El lado opuesto se une con las tapas laterales de salida, y de esta forma
se definen los dos apoyos.

Una  vez  se  tiene  el  tubo instalado,  se  deben  impermeabilizar  las  distintas  uniones  usando
neopreno y silicona fría. Cuando se ha garantizado la hermeticidad del sistema se comienza
a agregar y compactar la arena. El procedimiento de llenado se hace por etapas; primero se
introduce cierta cantidad de material y posteriormente se apisona; de esta forma se simula
correctamente  la  situación  real  de  una  tubería  enterrada.  Una  vez  se  ha  completado  esta
etapa, se impermeabiliza la parte superior del tanque usando tiras de neopreno, se coloca la
tapa superior, y se asegura con 30 tornillos de 5/8”.

Posteriormente, se instala el manómetro electrónico, se prenden las bombas y se calibra la
válvula para obtener la presión deseada. En este punto vale la pena mencionar que el rango
de presiones de prueba varía según el material; a priori se estipuló trabajar con 0.5, 0.9, 1.2
y 1.5 Bar para PVC y polietileno, mientras que con el hierro dúctil se pensó trabajar con 1.5
y 2.0 Bar.

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El  último  paso  consiste  en  instalar  la  cámara  de  video  y  comenzar  la  grabación.  Es
importante  resaltar  que  se  debe  anotar  la  hora  exacta  en  la  que  se  realizan  estas  dos
actividades, para poder llevar registro de la duración de la prueba. Asimismo, cada vez que
se  elimine  un  video  y  comience  uno  nuevo  se  debe  escribir  la  hora  del  cambio.  A
continuación  se  muestran  varias  imágenes  que  ilustran  el  proceso  de  llenado  y
compactación del material granular alrededor de la tubería.

Figura 3-25. Proceso de llenado y compactación en una de sus primeras etapas.

Figura 3-26. Proceso de llenado y compactación antes de cubrir la tubería.

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Figura 3-27. Proceso de llenado y compactación antes de cubrir totalmente la flauta.

Figura 3-28. Proceso de llenado y compactación estado final.

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4. ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO INICIAL

Para  la  realización  de  las  pruebas  de  abrasión  por  fugas  en  tuberías,  se  adquirió  material
procedente  de  4  lugares;  Guamo  (Tolima),  Cáqueza,  Subachoque  y  el  sur  de  Bogotá
(Cundinamarca). La totalidad del material fue adquirido a través de Pedro Ignacio Torres,
proveedor  de  todo  tipo  de  material  para  actividades  de  construcción.  A  continuación  se
muestra el registro fotográfico de 4 muestras, cada una corresponde a una de las fuentes de
donde fue traído el material.

Figura 4-1.Fotografía de la arena de Subachoque.

Figura 4-2.Fotografía de la arena proveniente del sur de Bogotá.

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Figura 4-3.Fotografía de la arena proveniente del Guamo.

Figura 4-4.Fotografía de la arena proveniente de Cáqueza.

El  material  llegó  a  la  Universidad  de  los  Andes  y  se  almacenó  en  el  Laboratorio  de
Hidráulica; éste estaba separado en costales, y estos se agrupaban dependiendo del lugar de
proveniencia. Para la elaboración de las muestras se tomó arena de por lo menos 6 costales
del  mismo  lugar,  se  combinó  todo  hasta  tener  una  mezcla  representativa,  se  separó  una
pequeña  parte  para  al  registro  fotográfico,  y  el  resto  fue  llevado  al  Laboratorio  de
Materiales de la universidad para realizar las pruebas granulométricas.

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4.1

Procedimiento

Durante  todo  el  procedimiento  se  siguieron  las  recomendaciones  de  la  Norma  Técnica
Colombiana  NTC-77,  que  explica  los  lineamientos  para  los  Métodos  de  ensayo  para  el
análisis por tamizado de los agregados finos y gruesos. El primer paso para llevar a cabo la
granulometría fue preparar la arena para el proceso. Cada una de las muestras fue llevada a
un  horno  donde  se  secó  completamente,  evitando  así  que  la  humedad  facilitara  la
agrupación  de  partículas  de  distintos  tamaños  y  las  hiciera  pasar  como  una  de  mayores
dimensiones. El horno permanecía a 110° C hasta que la masa alcanzaba un valor constante
por un periodo determinado, tal cual recomienda la norma. Posteriormente se seleccionaron
los  tamices  sugeridos  por  PAVCO  MEXICHEM  (Ver  Tabla  4-1),  y  se  organizaron  en
función de las dimensiones de las aberturas tal cual se hace normalmente en estos casos.

# TAMIZ

% Que

pasa

100

200

Fondo

Tabla 4-1. Requerimientos de PAVCO para la arena que hará parte de la investigación de abrasión

por fugas.

Figura 4-5.Tamices seleccionados para la granulometría.

El siguiente paso fue tomar 600 g de cada una de las muestras para hacerlas pasar por los
tamices; la medición del peso se hizo a través de una balanza electrónica y un recipiente

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plástico.  Se  tomaba  como  referencia  el  peso  de  este  último,  y  una  vez  la  arena  se
encontraba en él se medía el peso de ambas cosas. La diferencia entre ambas medidas debía
corresponder  al  peso  deseado;  esta  medida  se  definió  con  base  en  los  valores  mínimos
especificados en la norma, y las sugerencias del equipo del Laboratorio de Materiales de la
Universidad de los Andes.

Figura 4-6.Ejemplo de una de las muestras separadas.

Figura 4-7.Balanza electrónica usad para pesar las muestras.

Cuando  se  tenían  los  600  gramos  se  introducían  en  el  primer  tamiz,  se  cerraba  la  parte
superior de este, y se llevaba a la tamizadora mecánica durante 9 minutos. Los movimientos
horizontales y verticales de esta permiten que las partículas de distintos tamaños se separen,
y que lleguen al lugar que les corresponde según sus dimensiones. Después de este periodo
de  tiempo  se  separaban  los  distintos  tamices,  se  pesaba  cada  una  de  las  muestras  en  la
balanza electrónica, y se hacía una suma para verificar la diferencia entre el peso inicial y la
sumatoria final. Este error no podía llegar a ser más grande del 1% pues de lo contrario se
debía repetir el ensayo; afortunadamente, en ninguno de los casos del  presente análisis se
llegó a este valor.

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Figura 4-8.Mezcla dentro de los recipientes y lista para ser procesada en la tamizadora mecánica.

Por  último,  se  realizaban  los  distintos  cálculos  y  gráficas  para  hallar  los  valores  que
describen  la  distribución  de  tamaños  de  la  muestra.  En  primer  lugar  se  grafica  la  curva
granulométrica, en cuyas ordenadas se ubican los porcentajes que atraviesan cada tamiz en
escala  natural,  y  en  las  abscisas  los  tamaños  de  las  aberturas  de  cada  uno  en  escala
logarítmica. Asimismo, se hallan valores relevantes como el coeficiente de uniformidad y el
coeficiente de curvatura que dan una idea de la distribución.  Este proceso se realizó en una
oportunidad  para  cada  una  de  las  muestras,  y  una  vez  más  para  la  mezcla  que  contenía
arena  de  las  4  fuentes.  Esta  última  no  era  de  600  g  como  el  resto  sino  de  800  g;  para
realizarla  se  mezcló  una  misma  cantidad  de  material  de  los  4  recipientes  hasta  tener  una
muestra homogénea y se tomó un volumen equivalente al peso deseado.

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4.2

Resultados de las granulometrías

Después de haber llevado a cabo el proceso para las 5 muestras, estos fueron los resultados
hallados. Se muestran las curvas granulométricas para cada uno de los casos, y tablas donde
aparecen el porcentaje de peso que quedó en cada tamiz, lo que pasó, el acumulado y
también los distintos coeficientes explicados anteriormente. Todo esto se muestra para cada
una de las fuentes y adicionalmente se presentan los resultados esperados, según los
porcentajes pedidos por PAVCO MEXICHEM.

Gráfica 4-1.Curva granulométrica de la arena proveniente de Subachoque.

Gráfica 4-2. Curva granulométrica de la arena proveniente del Sur de Bogotá.

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

0.010

0.100

1.000

10.000

cent

asa

(

)

Abertura del tamiz (mm)

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

0.010

0.100

1.000

10.000

cent

asa

(

)

Abertura del tamiz (mm)

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Gráfica 4-3. Curva granulométrica de la arena proveniente del Guamo.

Gráfica 4-4. Curva granulométrica de la arena proveniente de Cáqueza.

Gráfica 4-5. Curva granulométrica de la arena mezclada.

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

0.010

0.100

1.000

10.000

cent

asa

(

)

Abertura del tamiz (mm)

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

0.010

0.100

1.000

10.000

(

)

Abertura del Tamiz (mm)

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

0.010

0.100

1.000

10.000

cent

asa

(

)

Abertura del tamiz (mm)

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Gráfica 4-6. Curva granulométrica según las especificaciones entregadas por PAVCO MEXICHEM.

% Que pasa

Abertura (mm) # TAMIZ CÁQUEZA SUBACHOQUE GUAMO SUR MEZCLA PAVCO

2,000

64,40

61,57

81,89

54,76

67,32

100,00

0,850

49,75

46,13

58,45

37,23

49,68

80,00

0,600

42,68

38,75

41,11

28,19

39,12

62,00

0,420

38,26

37,32

35,46

24,50

35,01

47,00

0,250

22,52

21,77

10,39

13,36

17,24

32,00

0,150

100

13,92

12,11

3,72

6,41

7,79

22,00

0,075

200

5,06

2,42

0,90

1,97

2,31

12,00

Fondo

0,000

Tabla 4-2. Registro de los porcentajes que pasan por cada uno de los tamices para las distintas

muestras.

CÁQUEZA

SUBACHOQUE

GUAMO

SUR

MEZCLA

PAVCO

D10

0,117

0,134

0,244

0,202

0,173

0,060

D30

0,331

0,383

0,650

0,372

0,230

D60

1,654

1,883

0,926

2,344

1,523

0,576

14,160

14,087

3,793

11,622

8,784

9,600

0,566

0,583

0,649

0,894

0,524

1,531

Tabla 4-3. Coeficientes de las mezclas.

100

0.010

0.100

1.000

10.000

(

)

Abertura del tamiz (mm)

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Finalmente,  para  dar  una  idea  del  tipo  de  material  que  representan  los  valores  mostrados  en  las
distintas  gráficas  y  tablas,  se  presenta  a  continuación  una  clasificación  del  material  según  los
tamaños.

Distribución de tamaños

Partícula

Tamaño

Arcillas

< 0,0039

Limos

0,0039-0,0625

Arenas

0,0625-2

Gravas

2,0-64

Cantos Rodados

64-256

Bloques

>256

Tabla 4-4.Clasificación de materiales según su tamaño.

4.3

Análisis granulométrico del material abrasivo

Teniendo  en  cuenta  la  distribución  de  los  tamaños  de  las  mezclas,  se  confirma  que  el
material predominante es la arena, junto con las gravas  y el material limoso. Para el caso
del  Guamo,  la  Tabla  3  permite  ver  que  el  contenido  de  gravas  es  menor  al  20%,  y
predominan las arenas medias y finas. Para Cáqueza y Subachoque la presencia de gravas
es mucho mayor (casi 40%), mientras que los limos siguen siendo bastante escasos (poco
menos  del  5%).  En  cuanto  a  las  arenas  finas  se  puede  decir  que  aunque  siguen  siendo
importantes, no son predominantes como en otros casos. En la arena proveniente del Sur de
Bogotá se ve que la presencia de gravas es aun más importante, y corresponde a casi el 50%
del peso. Los limos son casi inexistentes y el resto está distribuido en el rango de las arenas.

Al  revisar  los  resultados  de  la mezcla  de  las  4  fuentes,  se  ve  que  esta  se  encuentra  en  un
punto  medio  entre  los  datos  anteriores.  La  presencia  de  gravas  es  considerable  más  no
relevante  (casi  23%),  los  limos  son  casi  inexistentes  y  predominan  las  arenas  medias  y
finas.  Haciendo  un  ejercicio  similar  con  los  resultados  esperados  por  PAVCO
MEXICHEM, se ve que existen diferencias considerables y que es el Guamo  la fuente que
más se asemeja. En esta última no hay espacio para las gravas, en cambio los limos tienen
un espacio pequeño pero mucho mayor que el de las mezclas. Por último las arenas están
mejor distribuidas aunque de nuevo sobresalen las medias y finas.

Adicionalmente,  para  definir  el  grado  de  uniformidad  de  cada  muestra  se  calculó  el
diámetro  efectivo  (D10),  el  coeficiente  de  uniformidad  (Cu)  y  el  coeficiente  de  curvatura
(Cc). En la Tabla 3 se muestran estos datos para todas las pruebas realizadas, incluyendo la
distribución granulométrica sugerida por PAVCO MEXICHEM. Teniendo en cuenta que el
Cu decrece cuando la uniformidad aumenta, y que los suelos con Cu < 3 se consideran muy
uniformes,  la  arena  proveniente  del  Guamo  es  la  más  uniforme  con  un  Cu  de  3,793.  Por
otro  lado,  las  de  Subachoque,  Sur  de  Bogotá  y  Cáqueza  presentan  el  comportamiento
opuesto  y  registraron  valores  mayores  a  10.  En  cuanto  a  la  distribución  sugerida  por

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PAVCO MEXICHEM, el cálculo arrojó un Cu de 9,600 y por ende una  baja uniformidad
del material.

El  coeficiente  de  curvatura  (Cc)  por  su  parte,  es  un  dato  complementario  para  definir  la
homogeneidad de la curva granulométrica. Coeficientes entre 1 y 3 corresponden a suelos
bien  gradados,  y  el  resto  de  valores  están  asociados  con  distribuciones  deficientes.  La
muestra que registró el mejor Cc fue la del sur de Bogotá con 0,894, mientras que Cáqueza,
Subachoque, Guamo y la mezcla de las 4, tuvieron los siguientes valores respectivamente;
0,566, 0,583, 0,649 y 0.524. Para  la distribución recomendada por PAVCO MEXICHEM
se obtuvo un valor de 1,531.

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5. RESULTADOS

En este capítulo se presentan los resultados más relevantes encontrados en la investigación.
Sin embargo, antes de mencionarlos, es importante hacer una descripción general del estado
del montaje después de haber puesto a prueba una tubería. En total, existen 3 aspectos
relevantes en cada uno de los experimentos que vale la pena medir y comparar. El primero
será denominado de ahora en adelante como “Hundimiento de la arena” o “hundimiento del
suelo”; y representa el espacio vacío encontrado en la parte superior del volumen de arena,
en la zona cercana al lugar donde estuvo enterrada la flauta (Ver Figura 5-1).

Figura 5-1. Hundimiento de la arena o hundimiento del suelo después de haber puesto a prueba una tubería.

El  segundo  aspecto  será  denominado  de  ahora  en  adelante  como  “Zona  desgastada”  o
“Región  erosionada”,  y  representa  la  porción  de  superficie  de  la  tubería  en  donde  se
evidencian los efectos de la abrasión. Siendo más específicos, esta región comprende todas
las  partes  del  tubo  que  han  sido  afectadas,  así  sea  poco,  por  el  movimiento  del  material
particulado,  pero que no han roto totalmente la pared (Ver Figura 5-2).

En  tercer  lugar,  los  orificios  o  perforaciones  totales  de  la  pared  representan  el  último
aspecto  a  comparar  entre  los  distintos  experimentos.  Es  importante  explicar  que  la
diferencia  entre  la  segunda  y  la  tercera  característica,  es  que  la  última  representa  un
rompimiento completo de la superficie  del prototipo, la cual permite la entrada de agua  y
partículas sólidas a la tubería. La otra, por su parte, incluye aquellas porciones de la pared
que  evidencian  daños,  así  estos  sean  muy  pequeños  (Ver  Figura  5-2).  Vale  la  pena
mencionar  que  la  aparición  de  los  orificios  o  perforaciones  marca  el  instante  de  tiempo
denominado como momento de falla.

Conforme iban avanzando las distintas pruebas, se encontraron algunas tendencias a la hora
de describir la zona desgastada y las perforaciones en las tuberías. Para las primeras, se

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encontró que tenían una forma ovalada que  rara vez superó los 10 cm de longitud  y los 6
cm  de  ancho.  Los  orificios,  por  su  parte,  tienden  a  variar  un  poco  más.  Esto  se  explica
teniendo en cuenta que en comparación con las zonas erosionadas, las características de las
perforaciones son más susceptibles a variar como función del tiempo entre el momento de
falla y el punto en el que se detiene la prueba.

Es importante mencionar que la combinación de la zona erosionada y las perforaciones, se
denomina  área  de  falla.  Este  concepto  incluye  las  partes  de  la  tubería  que  han  sido
afectadas, tanto levemente como drásticamente (fracturas de la pared). Para entender mejor
lo explicado anteriormente se puede revisar la Figura 5-2.

Figura 5-2. Tendencia general de la forma del área de falla (incluye los orificios o perforaciones y la zona

desgastada o erosionada).

En  esta  sección  se  resumen  los  principales  resultados  que  se  encontraron  en  la
investigación.  Se  presentan  tablas  en  las  que  se  muestra  la  información  más  relevante  de
cada  una  de  las  pruebas,  figuras  que  ilustran  el  estado  de  las  tuberías  después  de  los
experimentos,  y  gráficas  en  las  que  se  describen  las  mediciones  del  micrómetro  o  los
resultados de las granulometrías. Habrá un subcapítulo para cada una de los ensayos que se
llevaron a cabo.

En total son 13 las pruebas que se desarrollaron en la presente investigación. Se trabajó con
PVC, Hierro Dúctil y Polietileno, con diámetros de 4”, 6” y 8”. Asimismo, el rango de las
presiones  de  prueba  variaba  entre  los  0.5  Bar  y  los  2  Bar.  No  obstante,  debido  a  que  el
equipo  de  medición  manejaba  cierto  rango  de  incertidumbre,  en  cada  experimento  se

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menciona un pequeño rango de valores y no una magnitud exacta a la hora de describir esta
variable. A continuación se muestra una tabla donde se resumen las características
fundamentales de cada ensayo.

Tabla 5-1. Resumen de las pruebas.

Número de la Prueba

Material

Diámetro

Nominal (pulg)

Presión (Valor

promedio en Bar)

0.92

1.17

0.57

1.17

0.92

2.00

1.55

1.17

1.55

2.00

Hierro Dúctil

1.55

Polietileno

PVC

Hierro Dúctil

PVC

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5.1

Prueba número 1- Tubería de 4” en PVC Biaxial.

Tabla 5-2. Resumen de los resultados de la prueba número 1.

*Es importante aclarar que la medición exacta del tiempo desde el momento en el que falla la tubería y

el momento en el que se detiene el experimento no se hizo para todos los casos.

**En algunas pruebas no se tiene registro del material que quedó dentro de la tubería luego de la

prueba. En algunos casos esto se debe a que el tubo no falló, en otros a que no se llevó registro de sus

características, y en otros a que el tamaño de la falla era tan pequeño que fue muy poco el material

sólido que llego al interior del tubo.

*** La idea de medir las características del hundimiento del suelo que aparece en la parte superior de

la arena después de un experimento, surgió desde la segunda prueba, por ende, no se tiene registro para

este primer caso.

Para este primer caso se explicará detalladamente la información en la tabla; de este punto
en adelante, las casillas se repiten para los distintos experimentos y contienen la misma
información. Los cuatro primeros valores corresponden a información general de la tubería,
tanto de su geometría como de su resistencia a la presión. Posteriormente, se encuentran las

Diámetro Nominal (Pulg)

Diámetro Interior (mm)

108.06

PR (psi)

200

RDE

Fecha de Prueba (dd/mm/aa)

14/05/12

Duración de la Prueba

4h 10 min

Presión de Prueba (Bar)

0.90 - 0.95

Tiempo desde que falló la tubería hasta que se
detiene la prueba

N/A*

Promedio de Caudales (L/s)

0.8782

Peso del material dentro de la tubería (g)

N/A**

Dimensiones del orificio o perforación
Ancho (mm)

5.7

Largo (mm)

12.79

Dimensiones de la zona desgastada
Ancho (mm)

38.74

Largo (mm)

62.33

Caracterización del hundimiento del suelo
Ancho (mm)

N/A***

Largo (mm)

N/A***

Profundidad (mm)

N/A***

PRUEBA NÚMERO 1

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fechas  en  las  que  se  realizó  la  prueba,  el  tiempo  que  demoró  la  tubería  en  romperse,  la
presión de prueba, el tiempo desde que se rompe hasta que se cierra totalmente la válvula
de entrada; es decir el momento en el que se da por terminada la prueba (este valor sólo se
muestra en algunos casos), el caudal que fluye a través del  sistema  y el peso del material
dentro de la tubería que falló (este valor también sólo se muestra en algunos casos).

A continuación, se encuentran las medidas de  los tres aspectos relevantes de cada prueba.
Como se explicó anteriormente, el orificio o perforación es la parte de la tubería que falló
completamente, es decir, representa el rompimiento total de la pared (Ver Figura 5-3). La
zona desgastada,  en cambio, corresponde a la  parte de la superficie donde se perdió parte
del  espesor  total  de  la  tubería,  pero  que  no  necesariamente  presentó  fractura.  En  otras
palabras es toda la zona que sufrió los efectos de abrasión (ver Figura 5-4). A pesar que en
ambas imágenes se muestra la lectura del ancho, para la medición del largo se usó el mismo
equipo y el mismo procedimiento.

Figura 5-3. Medición del ancho del orificio (la flauta estaba localizada en la parte derecha de la imagen).

Para esta prueba no se midieron las dimensiones del  hundimiento del suelo, debido a que
que en un principio no se consideró relevante; se pensó que había habido un error a la hora
de compactar la arena y por ende se trataba de un caso aislado que no valía la pena reportar.
A  partir  de  la  segunda  tubería  se  tuvo  más  cuidado  en  los  procesos  previos  a  la
experimentación, y se dejó evidencia gráfica del nivel del material sólido antes de poner la
compuerta  superior.  Cuando  se  abrió  el  tanque  por  segunda  vez,  volvió  aparecer  este
espacio  vacío  y  fue  evidente  que  la  múltiple  ocurrencia  del  fenómeno correspondía  a  una
consecuencia no esperada del chorro de agua,  y no a un error del procedimiento. Por esta
razón,  a  partir  de  ese  punto  se  tomó  la  decisión  de  empezar  a  registrar  sus  dimensiones
geométricas.

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De igual forma, para este primer experimento no se registró el tiempo exacto que pasó entre
el instante en que falló el tubo, y el momento en el que se cerró completamente la entrada
de agua, es decir el punto donde se da por terminada la prueba. Una vez más, la
información no parecía relevante en un principio, y se requirió fallar el segundo prototipo
para evidenciar la influencia de este valor en las dimensiones del orificio, y en las
características del material que se encontraba al interior de la tubería después de la falla.

Figura 5-4. Medición del ancho de la zona desgastada (la flauta estaba localizada en la parte derecha de la imagen).

Para contextualizar los otros resultados, es relevante mencionar que la presión a la que fue
sometida la tubería, 0.90-0.95 bares (equivalente a 13 psi o entre 9.0-9.7 metros de columna
de agua), es un valor inferior al mínimo de 15 mH

0 permitido por la normativa colombiana

(RAS  2012).  Por  ende,  las  variables  de  entrada  de  la  prueba  no  están  exagerando  las
condiciones  esperadas  en  una  red  real,  sino  que  por  el  contrario,  están  presentando  un
escenario bastante conservador.

En cuanto a la forma de la región erosionada, se puede ver que ésta se divide en tres zonas
(ver Figura 5-4). La más pequeña entre ellas se encuentra en la parte más cercana a la boca
de  la  flauta  (en  la  imagen  se  encuentra  en  la  parte  derecha).  Las  otras  dos  se  encuentran
aguas  abajo  de  la  primera,  están  separadas  por  una  línea  de  mayor  altura  que  resistió  el
efecto del material granular, y a pesar que ambas regiones son bastante similares, sólo una
de ellas tiene orificios.

En la Gráfica 5-1 se puede revisar el esquema de las mediciones con el micrómetro, en ella
es  mucho  más  claro  que  la  línea  central  tiene  espesores  mucho  mayores  a  las  de  los
costados, y que la de la derecha (viendo la tubería desde la flauta hacia aguas abajo) fue la
más afectada. Es importante mencionar que tal como se comentó anteriormente, algunas de
las mediciones  no coinciden con los valores del manual técnico de la tubería. Este último
es de 3.12 mm para el caso de 4”, no obstante, en las fronteras de la zona desgastada los

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valores llegan a ser de 3.6 mm. Como se explicó en ese momento, se decidió continuar con
estas mediciones porque con ellas lo que se busca es mostrar a grandes rasgos el perfil.

En  cuanto  al  tamaño  del  orificio,  en  la  Figura  5-5  se  pueden  evidenciar  las  dimensiones
con relación a una moneda de un centavo de dólar americano. Al ver la tubería por fuera del
montaje  se  podría  pensar  que  este  tamaño  no  es  tan  grande como  para  poner  en  riesgo  la
tubería. Sin embargo, teniendo en cuenta que las condiciones internas reales incluyen flujo
a  altas  presiones,  se  puede  suponer  que  en  una  verdadera  red  pueden  llegar  a  generarse
consecuencias no deseadas para el sistema.

Figura 5-5. Vista del orificio y la zona desgastada de la prueba 1 con relación a una moneda de un centavo de dólar

(la flauta estaba localizada en la parte izquierda de la imagen).

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Gráfica 5-1. Caracterización de la zona desgastada de la prueba 1 con áreas en tres dimensiones (la

flauta estaba ubicada en el punto 16).

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

Esp

eso

)

/var/www/pavco.com.co/public/site/pdftohtml/f8897c155a51c83b85b420600a2c887d/index-html.html

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5.2

Prueba número 2- Tubería de 4” en PVC Biaxial.

Tabla 5-3. Resumen de los resultados de la prueba número 2.

Para  la  segunda  tubería  de  4  pulgadas  de  PVC  se  realizaron  todas  las  mediciones  que  se
consideraron relevantes en el proceso. La presión a la que fue sometido el tubo oscila entre
los  1.15  y  los  1.2  bares  (equivalentes  a  16.7-17.4  psi  o  11.7-12.2  metros  de  columna  de
agua). De nuevo, son valores que se pueden encontrar fácilmente en una red real. El tiempo
que tardó este prototipo en fallar fue de 3 horas y 4 minutos; esto quiere decir que aunque
no  se  tiene el  tiempo  exacto  que  duró la primera  prueba,  se  puede  suponer  que  el tiempo
disminuyó alrededor de un 25% con el aumento de la presión.

Respecto  a las  dimensiones  de los  orificios,  a  lo  ancho  se tuvo  un  crecimiento  cercano al
30%  y  a  lo  largo  de  un  60%,  respecto  al  caso  anterior.  Estos  incrementos  no  fueron
proporcionales a la variación de la zona desgastada, la cual presentó un aumento cercano al
3% a lo ancho y una disminución del 6% a lo largo. Es importante tener en mente que estos
valores  también  dependen  del  tiempo  entre  la  falla  y  el  instante  en  el  que  se  detiene  la
prueba  de  la  tubería.  Para  este  caso  este  tiempo  fue  de  11  minutos;  sin  embargo,  de  la

Diámetro Nominal (Pulg)

Diámetro Interior (mm)

108.06

PR (psi)

200

RDE

Fecha de Prueba (dd/mm/aa)

30/05/12

Duración de la Prueba

3h 4 min

Presión de Prueba (Bar)

1.15 - 1.2

Tiempo desde que falló la tubería hasta que se
detiene la prueba

0h 11 min 45 seg

Promedio de Caudales (L/s)

0.9368

Peso del material dentro de la tubería (g)

9200.47

Dimensiones del orificio o perforación
Ancho (mm)

7.4

Largo (mm)

20.9

Dimensiones de la zona desgastada
Ancho (mm)

45.8

Largo (mm)

66.29

Caracterización del hundimiento del suelo
Ancho (cm)

Largo (cm)

Profundidad (cm)

PRUEBA NÚMERO 2

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prueba  anterior  no  se  tiene el  registro.  Por  ende,  sería  de  suponer  que  el  valor  faltante es
muy  superior  a  los  11  minutos;  de  esta  forma  se explicaría en  parte, el  por  qué  de  que la
región erosionada haya sido más larga en el primer experimento, aún cuando la presión con
la que trabajó era menor.

En  la  Figura  5-6  y  la  Figura  5-7  se  puede  observar  el  tamaño  del  orificio  y  de  la  zona
desgastada,  esta  vez  teniendo  como  referencia  una  moneda  de  un  centavo  de  dólar.  Si  se
observa  con  detenimiento  se  puede  detallar  la  forma  como  se  desgasta  este  material.  Se
puede ver que la falla no se produce súbitamente, sino que el chorro destruye poco a poco
cada capa, hasta convertirlas en pequeñas fibras reconocibles aún después de desenterrar el
tubo.

En las figuras también se puede apreciar que aunque el rompimiento de la superficie se da
en  la  región  de  la  derecha  (mirando  desde  la  flauta  hacia  aguas  abajo),  el  lado  contrario
también presenta gran deterioro del material. Es factible pensar que si se mantenía durante
un tiempo más prolongado la prueba, también se habría formado un orificio en esta zona.

Figura 5-6. Vista del orificio de la prueba número 2 (la flauta estaba localizada en la parte izquierda de la imagen).

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Figura 5-7.Vista de la zona desgastada de la prueba número 2 (vista desde aguas abajo hacia la flauta).

Gráfica 5-2. Caracterización de la zona desgastada de la prueba 2 con áreas en tres dimensiones (la

flauta estaba ubicada en el punto 16).

0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

4.000

Esp

/var/www/pavco.com.co/public/site/pdftohtml/f8897c155a51c83b85b420600a2c887d/index-html.html

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Gráfica 5-3. Caracterización de la zona desgastada de la prueba 2 con superficie en tres dimensiones (la

flauta estaba ubicada en el punto 16).

Con base en los gráficos obtenidos a partir de las mediciones del micrómetro, se puede ver
que  a  diferencia  de  la  prueba  anterior,  la  zona  desgastada  de  esta  tubería  sólo  presentó  2
regiones,  separadas  por  una  pared  de  mayor  altura.  Es  decir,  se  tiene  que  las  mayores
pérdidas de espesor se dieron a los costados y no en la zona central. Asimismo, en ellas se
puede ver que a diferencia de la longitud, el desgaste del espesor de la tubería si es mucho
mayor al del caso anterior.

En  cuanto  al  hundimiento  del  suelo  (Ver  Figura  5-8),  esta  prueba  confirmó  que  este
fenómeno  no  era  un  caso aislado  sino  que  era  una  consecuencia  del chorro  de  agua,  pues
por más que se compactara la arena, después del experimento aparecía un  espacio vacío en
la superficie en la misma zona en la que estaba enterrada la flauta. Teniendo en cuenta que
esta información puede llegar a ser bastante relevante a la hora de analizar otros efectos de
las fugas, se decidió medir sus dimensiones desde esta prueba en adelante.

Las mediciones para este caso fueron de 53 cm de ancho, 70 cm de largo y una profundidad
de  11  cm. En  la  Figura  5-8  se  pueden  revisar  los  detalles;  en  ella  se  puede  observar  que
existe una base plana, y a partir de ella las paredes crecen con una inclinación similar a lo
largo  de  todo  el  perímetro.  De  igual  forma,  al  detallar  minuciosamente  la  fotografía,  se
puede deducir que el centro del hundimiento del suelo se encuentra cercano al punto donde
termina la flauta.

0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

4.000

Esp

3.500-4.000

3.000-3.500

2.500-3.000

2.000-2.500

1.500-2.000

1.000-1.500

0.500-1.000

0.000-0.500

/var/www/pavco.com.co/public/site/pdftohtml/f8897c155a51c83b85b420600a2c887d/index-html.html

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Figura 5-8. Vista del hundimiento del suelo de la prueba 2.

5.2.1 Granulometría del material dentro de la tubería.

Gracias a las dimensiones que alcanzó el orificio en esta prueba, y también al prolongado
tiempo entre el momento de falla y el final del experimento, se encontró una gran cantidad
de material sólido dentro de la tubería (Ver Figura 5-9).

Figura 5-9. Material particulado encontrado dentro de la tubería de la prueba número 2.

Al ver esto, se decidió hacer un análisis granulométrico de esta muestra para comparar sus
propiedades con los valores iniciales. En la Tabla 5-4 se muestran los resultados de este
procedimiento; se presentan el porcentaje retenido en cada uno de los tamices y algunas

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estadísticas de la gradación como: el D10, D30, D60, Cu y Cc. Es importante mencionar
que a pesar que en un principio se utilizaron los mismos tamices con los que se venía
trabajando, al final se tuvo que incluir algunos más grandes para diferenciar las partículas
de mayor tamaño, cuya presencia en la nueva mezcla aumentó considerablemente respecto
a la estándar.

Tabla 5-4. Análisis Granulométrico de la mezcla encontrada.

Gráfica 5-4. Curva granulométrica de la mezcla original.

A partir de la información presentada anteriormente, se puede concluir que el material que
entró  en  la  tubería  tiende  a  ser,  en  su  mayoría,  más  grueso  que  la  mezcla  original.  En  la
Gráfica 5-4 se puede ver que la curva azul se eleva desde el primer punto, evidenciando la
presencia de partículas de estos tamaños en la muestra, y llega al 50% cuando la abertura
del  tamiz  corresponde  a  0.850  mm.  Esto  último  quiere  decir  que  la  mitad  del  peso  del
material corresponde a partículas cuyo diámetro medio es inferior a este valor.

4.750

9.10

837.42

9.10

90.90

2.360

34.99

3219.09

44.09

55.91

2.000

4.37

401.83

48.46

51.54

0.850

23.56

2167.80

72.02

27.98

0.600

9.99

919.17

82.01

17.99

0.420

6.04

556.07

88.05

11.95

0.250

8.61

792.25

96.67

3.33

0.150

100

2.68

246.66

99.35

0.65

0.075

200

0.57

52.04

99.91

0.09

0.000

Fondo

0.09

8.13

100

0.00

0.893

0.382

D30

D60

Coeficientes de la

muestra

0.949

2.639

6.917

Abertura (mm)

# Tamiz

% Acumulado

Retenido

% Acumulado que

pasa

D10

% Parcial Retenido

Peso Retenido (g)

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

0.010

0.100

1.000

10.000

enta

(

)

Abertura del tamiz (mm)

Mezcla Original

Prueba 2

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La  curva  roja,  en  cambio,  presenta  una  inclinación  considerable  únicamente  después  del
tercer tamaño, es decir que antes de él no hay presencia relevante de material.  El 50% del
peso  de  esta  muestra  corresponde  a  partículas  con  tamaño  mayor  a  los  2  mm,  y  el  30%
maneja diámetros superiores a los 3 mm. A partir de estos resultados, se puede suponer que
en la zona cercana a la flauta, el chorro lava las partículas más finas y deja únicamente las
más  grandes,  y  gracias  a  esto,  el  material  que  entra  por  el  orificio  es  sustancialmente
diferente al que se encuentra en el resto del tanque.  Por otro lado, este fenómeno también
podría estar vinculado con el hundimiento del suelo en la parte superior del tanque.

En la Figura 5-10 y la Figura 5-11 se puede confirmar gráficamente lo mencionado en el
párrafo anterior. En ellas es evidente que el material de la zona que coincide con la posición
de la flauta, contiene un porcentaje de partículas gruesas mucho mayor que las zonas que lo
rodean. Por ende, el lavado tuvo que haberse dado en esta zona,  la cual debe coincidir con
el lugar donde se encontraba el orificio.

Figura 5-10. Imagen del tanque durante el proceso de desmonte de la tubería. (Revisar la parte central de la foto

para evidenciar las diferencias del material, esta zona coincide con la posición de la flauta).

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Figura 5-11. Imagen detallada del material en la zona cercana a la flauta.

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5.3

Prueba número 3. Tubería de 4” en PVC Biaxial.

Tabla 5-5. Resumen de los resultados de la prueba número 3.

*Esta prueba se detuvo antes de que presentara fugas, por ende no hay tiempo entre la falla y el fin de

la prueba, de igual forma, tampoco hay material dentro de la misma ni dimensiones de orificios.

En primer lugar, vale la pena aclarar que la tercera prueba se detuvo antes de que fallara la
tubería,  pues  se  pensó  que  la  razón  para  haber  resistido  más  de  26  horas  era  que  alguna
parte del montaje había quedado mal instalada. Después de desmontarla se constató que no
había  ningún  error,  el  material  sí  estaba  afectando  la  superficie  y  era  cuestión  de  tiempo
para que se rompiera.

A  pesar  de  que  la  prueba  se  sale  del  comportamiento  esperado,  se  considera  importante
mencionar sus resultados para resaltar las posibles diferencias con el resto de experimentos.
La presión a la que fue sometida la tubería oscilaba entre los 0.55 y los 0.60 bares, es decir
entre  8  y  8.7  psi  o  entre  5.5  y  6.1  metros  de  columna  de  agua.  Las  medidas  de  la  zona
desgastada,  por  su  parte,  fueron  42,08  mm  de  ancho  y  49,20  mm  de  largo,  lo  que

Diámetro Nominal (Pulg)

Diámetro Interior (mm)

108.06

PR (psi)

200

RDE

Fecha de Prueba (dd/mm/aa)

4-5-6/06/12

Duración de la Prueba

26 h 22min

Presión de Prueba (Bar)

0.55 - 0.6

Tiempo desde que falló la tubería hasta que se
detiene la prueba

N/A*

Promedio de Caudales (L/s)

0.6577

Peso del material dentro de la tubería (g)

N/A*

Dimensiones del orificio o perforación
Ancho (mm)

N/A*

Largo (mm)

N/A*

Dimensiones de la zona desgastada
Ancho (mm)

42.08

Largo (mm)

49.20

Caracterización del hundimiento del suelo
Ancho (cm)

Largo (cm)

Profundidad (cm)

PRUEBA NÚMERO 3

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corresponde a un crecimiento del 4,7% y una disminución del 16.2% respectivamente, en
comparación con la prueba anterior.

Gráfica 5-5. Caracterización de la zona desgastada de la prueba 3 con áreas en tres dimensiones (la

flauta estaba ubicada en el punto 16).

Gráfica 5-6. Caracterización de la zona desgastada de la prueba 3 con superficie en tres dimensiones (la

flauta estaba ubicada en el punto 16).

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

Esp

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

Esp

eso

(mm)

3.0-4.0

2.0-3.0

1.0-2.0

0.0-1.0

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En la Gráfica 5-5 y la Gráfica 5-6 se puede observar la ligera disminución del espesor en
la superficie de la tubería. Al revisar detalladamente las gráficas, se puede ver que a pesar
que el desgaste es menor a los presentados anteriormente, la  forma de la zona desgastada
coincide con las encontradas anteriormente. A partir de esta información se puede concluir
que no hay evidencia alguna de que haya existido un error en el montaje; sin embargo, dado
el resultado se decidió realizar el ensayo una vez más bajo las mismas condiciones.

Los  resultados  de  esta  prueba  se  encuentran  en  la  siguiente  sección;  no  obstante,  vale  la
pena anticipar que en ese caso el tubo si falló, es más, lo hizo en un tiempo menor al de este
experimento. Con base en estos resultados se puede suponer que el proceso de abrasión por
fugas está rodeado de bastante incertidumbre, y es factible que dependa de factores que no
se están teniendo en cuenta en este momento.

Figura 5-12. Vista de la zona desgastada de la prueba 3 (la línea en lápiz representa la posición que ocupaba la

flauta).

En  la  Figura  5-12  se  puede  ver  la  zona  desgastada  generada  en  la  prueba  3,  relativa  al
tamaño de una moneda de un centavo de dólar. Al observar las sombras que se generan en
la zona de falla, se puede evidenciar la diferencia entre el desgaste generado en esta prueba
y las precedentes. Vale la pena resaltar que no parece ser coherente que para un tiempo de
26 horas se tengan medidas de la región erosionada menores a las de las pruebas anteriores,
que fueron sometidas a un máximo de 21 horas. Esto vuelve a confirmar que detrás de estos
procedimientos  existe  un  factor  que  le  da  aleatoriedad  al  proyecto,  y  que  hasta  ahora  se
desconoce.

En último lugar, la Figura 5-13 muestra el  hundimiento del suelo en la parte superior del
tanque. Las dimensiones del mismo fueron de 34 cm de ancho, 47 cm de largo y 4 cm de
profundo, lo cual equivale a disminuciones de 35.9%, 32.9% y 63.6% respectivamente. En
comparación con la prueba anterior, en este caso se disminuyeron drásticamente todas las

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medidas, pero en especial la profundidad. A partir de esta información, se empieza a
suponer que la presión y el tiempo de prueba son factores que afectan el tamaño de este
espacio, y que la primera parece ser mucho más relevante que la segunda.

Figura 5-13. Vista del hundimiento del suelo de la prueba 3.

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5.4

Prueba número 4. Tubería de 4” en PVC Biaxial.

Habiendo constatado que era cuestión de tiempo para acabar la anterior prueba, se repitió el
experimento en una superficie intacta con las mismas condiciones con las que se trabajó en
la Sección 5.3.

Tabla 5-6. Resumen de los resultados de la prueba número 4.

Debido a las muy reducidas dimensiones del orificio, no hubo una cantidad representativa de

material al interior de la tubería que ameritara realizar un análisis granulométrico.

La  tubería  de  la  prueba  4  sí  falló,  bajo  las  mismas  condiciones  a  las  que  se  estaba
sometiendo  la  número  3  (0.55-0.60  bares  que  corresponden  a  8-8.7  psi  o  entre  5.5  y  6.1
metros  de  columna  de  agua).  El  tiempo  que  requirió  el  material  para  desgastar
completamente  la  superficie  fue  de  17  horas  y  44  minutos,  lo  cual  significa  que  este
experimento no sólo logró formar el orificio, sino que lo hizo en un periodo de exposición
32% más corto que el anterior.

Diámetro Nominal (Pulg)

Diámetro Interior (mm)

108.06

PR (psi)

200

RDE

Fecha de Prueba (dd/mm/aa)

12-13-14/06/12

Duración de la Prueba

17 h 44 min

Presión de Prueba (Bar)

0.55 - 0.6

Tiempo desde que falló la tubería hasta que se
detiene la prueba

1h 9 min

Promedio de Caudales (L/s)

0.6982

Peso del material dentro de la tubería (g)

N/A*

Dimensiones del orificio o perforación
Ancho (mm)

4.66

Largo (mm)

10.03

Dimensiones de la zona desgastada
Ancho (mm)

35.51

Largo (mm)

49.73

Caracterización del hundimiento del suelo
Ancho (cm)

Largo (cm)

Profundidad (cm)

PRUEBA NÚMERO 4

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Las medidas del orificio fueron de 4,66 mm de ancho y 10,03 mm de largo, lo que equivale
a una disminución del 37% y 52% respectivamente, en comparación con la prueba 2. Por su
parte, las dimensiones de la zona desgastada fueron de 35,51 mm de ancho y 49,73 mm de
largo, que al comparar con la prueba 3, representan una disminución del 15.6% e
incremento del 1.1% respectivamente. Asimismo, al compararlos con la prueba 2 se obtiene
una disminución de11.66% en el ancho y de 15.28% en el largo.

Figura 5-14. Vista del orificio de la prueba 4 (la línea en lápiz representa la ubicación de la flauta).

En la Figura 5-14 se puede ver la magnitud del orificio relativa al tamaño de 1 centavo de
dólar  de  Estados  Unidos,  mientras  que  en  la  Figura  5-15  se  puede  detallar  la  zona
desgastada. Es relevante mencionar que a pesar de que la prueba se detuvo 1 hora después
del  momento  de  falla,  el  orificio  no  llegó  a  ser  tan  grande  como  el  de  la  segunda  prueba
(cuyo tiempo desde la falla hasta que se detuvo la prueba fue de tan solo 11 min). Con esta
información, se vuelve a evidenciar que la presión tiene un rol importante en la evolución
de la perforación, y que ésta parece ser mucho más importante que el tiempo.

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Figura 5-15.Vista de la zona desgastada de la prueba 4 (la flauta se encontraba en la parte superior de la foto).

Gráfica 5-7. Caracterización de la zona desgastada de la prueba 4 con áreas en tres dimensiones (la

flauta se encontraba en el punto 16).

A  partir  de  la  Gráfica  5-7  se  puede  observar  que  la  zona  desgastada  presenta  deterioro
excesivo en los extremos y en menor medida en la parte central, de la misma forma que se
viene  presentando  para  las  distintas  pruebas.  Respecto  al  hundimiento  del  suelo  (Ver
Figura  5-16),  se  obtuvieron  dimensiones  de  32  cm  de  ancho,  34  cm  de  largo  y  2  cm  de

0.5

1.5

2.5

Esp

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profundidad, valores que son similares a los obtenidos en la prueba número 3, pero mucho
más pequeños que los encontrados en el segundo experimento.

Figura 5-16. Vista del hundimiento del suelo de la prueba 4.

Vale  la  pena  mencionar  de  nuevo,  que  la  razón  para  no  haberle  realizado  un  análisis
granulométrico  al  material  dentro  de  la  tubería,  es  que  la  cantidad  encontrada  fue
demasiado pequeña. Las dimensiones del orificio fueron bastante reducidas, y de esta forma
no  permitieron  el  desplazamiento  de  una  muestra  representativa  al  interior  del  tubo.  No
obstante,  en  la  Figura  5-17  se  presenta  una  imagen  del  tipo  de  partículas  que  se
encontraban  en  la  zona  cercana  a  la  flauta  durante  el  proceso  de  desmonte.  En  ella  es
evidente que el porcentaje de arenas gruesas y gravas finas o medias, es mucho mayor que
el de la mezcla inicial, la cual está presente  en otras zonas del tanque (Ver por ejemplo la
Figura 5-16).

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Figura 5-17. Tipo de material encontrado en las zonas más cercanas a la flauta.

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5.5

Prueba número 5. Tubería de 6” en PVC Biaxial.

En la prueba 5 se empezó a experimentar con tuberías de 6 pulgadas para evaluar la
sensibilidad del resultado final frente esta variable. Los resultados del primer prototipo de
este tamaño se muestran a continuación.

Tabla 5-7. Resumen de los resultados de la prueba número 5.

La primera tubería de 6 pulgadas en PVC fue sometida a una presión que oscilaba entre los
1.15 y los 1.2 bares, es decir entre 16.7 y 17.4 psi o entre 11.7 y 12.2 metros de columna de
agua. El tiempo total del experimento fue de 7 horas y 51minutos, y el tiempo hasta la falla
fue de más o menos 6 horas, es decir casi el doble del valor para la prueba 2 (la cual
trabajaba con la misma presión pero con un diámetro de 4 pulgadas). Es de resaltar que
para este caso, el tiempo entre la falla y el momento en que se detiene el ensayo fue mucho
mayor a los que se habían tenido antes. Por lo tanto, otros resultados se verán influenciados
por esto y presentarán valores sustancialmente diferentes a los ya vistos.

Diámetro Nominal (Pulg)
Diámetro Interior (mm)
PR (psi)
RDE
Fecha de Prueba (dd/mm/aa)
Duración de la Prueba
Presión de Prueba (Bar)
Tiempo desde que falló la tubería hasta que se
detiene la prueba
Promedio de Caudales (L/s)
Peso del material dentro de la tubería (g)
Dimensiones de los orificios o perforaciones

Orificio 1

Orificio 2

Ancho (mm)

9.34

7.94

Largo (mm)

14.46

15.91

Dimensiones de la zona desgastada
Ancho (mm)
Largo (mm)
Caracterización del hundimiento del suelo
Ancho (cm)
Largo (cm)
Profundidad (cm)

43.37

159.04

200

27/06/12
7h 51min

PRUEBA NÚMERO 5

1.15 - 1.2

1h 49 min

1.0174

20980.75

71.5

61
83
14

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La  primera  diferencia  se  encuentra  en  las  dimensiones  de  los  orificios,  pues  en  esta
oportunidad  se  presentaron  en  total  2  perforaciones  a  lo  largo  de  la  superficie,  ambas  de
características  similares  a  las  anteriores.  En  primera  instancia  se  podría  considerar  una
posible relación entre este fenómeno y el diámetro de la tubería, sin embargo, posteriores
pruebas con el mismo tamaño refutarán esto. De esta forma, la explicación a este suceso es
la exposición a una presión considerable durante una ventana de tiempo prolongada.

En la Figura 5-18 y 5-19 se puede observar detalladamente la forma de los orificios y las
características  de la  zona  desgastada.  En ambas  imágenes  es evidente  que  las  pérdidas  de
espesor  fueron  mucho  más  grandes  en  comparación  con  otras  pruebas,  y  no  solo  se
presentaron dos fallas sino que la parte central se rompió y permitió conectarlas, algo que
no había sucedido antes. No obstante, esta conexión no es muy grande y no contradice  del
todo la tendencia que se venía presentando, en la que el centro de la zona erosionada pierde
menos material que las regiones laterales. Eso sí, aparentemente, con el paso del tiempo el
chorro  de  agua  tiende  a  homogeneizar  la  superficie  desgastada.  De  esta  forma,  se  podría
suponer que si las anteriores pruebas se hubieran prolongado más tiempo, también habrían
presentado dos fallas y una conexión entre ellas.

Figura 5-18.Vista del orificio de la prueba 5 (la flauta se encontraba en la parte izquierda sobre la línea en lápiz).

En la Gráfica 5-8 se ilustra la superficie desgastada a partir de las mediciones del
micrómetro. En ella se puede confirmar lo que ya se había mencionado, las partes laterales
de la zona afectada perdieron mucho más material que la central, sin embargo, ésta fue la
primera tubería que presentó rompimientos totales en la línea de medición de la mitad.
Asimismo, las lecturas del equipo evidencian que las diferencias entre las distintas regiones
se redujeron en comparación a las que se habían presentado anteriormente.

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Figura 5-19. Vista de la zona desgastada de la prueba 5 (la flauta se encuentra en la parte superior izquierda de la

imagen).

Gráfica 5-8. Caracterización de la zona desgastada de la prueba 5 con áreas en tres dimensiones (la

flauta se encuentra en el punto 16).

En cuanto a las características del hundimiento del suelo de esta prueba, en la Figura 5-20
se puede ver que de nuevo, las dimensiones de éste fueron afectadas de gran manera por los
1.2 Bar de presión, y el tiempo prolongado entre la falla y el punto en el que se detiene la
prueba. El primer factor permitió que el lavado de las partículas finas fuera más efectivo y
retirara una mayor cantidad de material. El segundo por su parte, facilitó el paso de arena

Esp

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desde el tanque hacia el tubo, logrando así que el volumen total para este experimento fuera
más del doble que el de la prueba 2.

De esta forma, las dimensiones del hundimiento del suelo fueron de 14 cm de profundidad,
61 cm de ancho y 83 cm de largo, sobra decir que entre todas las pruebas realizadas hasta el
momento, este es el más grande. El resto de características de la en la zona afectada parecen
ser las mismas que las de los casos anteriores, el centro aparentemente está ubicado en una
zona cercana a donde está enterrada la flauta, y las pendientes de los distintos taludes
tienden a ser similares.

Figura 5-20. Vista del hundimiento del suelo de la prueba 5.

5.5.1 Granulometría

Tras haber encontrado una gran cantidad de material en el interior de la tubería de la quinta
prueba, se decidió realizar un análisis granulométrico de la mezcla para comparar sus
propiedades con la muestra original, y también con los resultados de la prueba 2. Esto
último se hizo con el objetivo de evaluar la influencia del tiempo que transcurrió, desde la
falla hasta el final de la prueba, en la distribución de tamaños de las partículas que pasaron
del tanque al tubo.

Los resultados encontrados se muestran en la Tabla 5-8; en ella se presentan los
porcentajes de peso retenidos en cada tamiz, los valores acumulados hasta cierto tamaño y
también algunos índices que describen la muestra, entre ellos el: D10, D30, D60, Cu y Cc.
En este análisis granulométrico se usaron los mismos tamices que en la prueba 2, es decir 2
más que en el proceso original.

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Tabla 5-8. Análisis granulométrico de la mezcla encontrada en la tubería usada en la prueba 5.

Con los resultados obtenidos se encontró que el material no es muy uniforme, a causa de
que su Cu es bastante mayor a 3. De igual forma, teniendo en cuenta que el Cc no está entre
1 a 3 se podría decir que la gradación no es la ideal. A partir de ambos datos se podría
pensar que aunque existen partículas de distintos tamaños, pareciera que no están divididas
equitativamente en los distintos tamices.

Gráfica 5-9. Curva granulométrica del material encontrado en la tubería de la prueba 5.

A  partir  de  la  Gráfica  5-9  se  puede  concluir  que  la  mezcla  que  pasó  a  la  tubería  es  más
gruesa  que  aquella  que  permaneció  en  el  tanque.  La  curva  roja  no  se  levanta  hasta  el
segundo tamiz (tercer punto de izquierda a derecha), mientras que la mezcla original (curva
azul)  presenta  cambios  desde  el  primer  punto.  Esto  quiere  decir  que  en  la  muestra  de  la
prueba 5, la cantidad de partículas menores a este tamaño es bastante reducida.

De  igual  forma,  el  porcentaje  que  pasa  los  distintos  tamices  en  el  análisis  granulométrico
original  siempre  es  mayor  que  los  de  la  muestra  de  la  prueba  5.  Esto  quiere  decir  que  el
material  que  se  queda  en  el  tanque  siempre  tiene  más  partículas  pequeñas  que  un

4.750

8.38

1757.18

8.38

91.62

2.360

25.25

5298.33

33.63

66.37

2.000

5.43

1140.19

39.06

60.94

0.850

20.59

4319.16

59.65

40.35

0.600

10.25

2150.84

69.90

30.10

0.420

8.58

1801.00

78.48

21.52

0.250

11.78

2472.57

90.27

9.73

0.150

100

7.77

1629.30

98.04

1.96

0.075

200

1.57

330.12

99.61

0.39

0.000

Fondo

0.39

82.05

100

0.00

D60

1.948

7.671

0.722

% Acumulado que

pasa

Coeficientes de la

muestra

D10

0.254

D30

0.598

Abertura (mm)

# Tamiz

% Parcial Retenido

Peso Retenido (g)

% Acumulado

Retenido

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

0.010

0.100

1.000

10.000

(

)

Abertura del tamiz (mm)

Mezcla Original

Prueba 5

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determinado  tamaño,  en  comparación  con  la  de  este  experimento.  Finalmente,  es
importante  mencionar  que  al  comparar  los  resultados  de  la  Sección  5.2.1  con  los  que  se
obtuvieron en este caso, se puede ver que en esa oportunidad las partículas eran en general
un poco más gruesas (ver curvas granulométricas y coeficientes D10, D30 y D60).

A  partir  de  la  Figura  5-21  y  la  Figura  5-22  se  puede  hacer  un  análisis  gráfico  de  ambas
muestras. En la  primera es evidente que el centro de la foto (zona cercana a la flauta y al
orificio),  tiene  partículas  mucho  más  gruesas  que  sus  alrededores.  Esto  se  confirma  en  la
segunda  fotografía,  que corresponde a  las  partículas  que  al  estar  en  la  región  mencionada
anteriormente, pudieron atravesar la falla.

Figura 5-21. Foto del material granular encontrado por encima de la tubería una vez terminada la prueba 5.

Figura 5-22. Foto del material granular que ingresó a la tubería.

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5.6

Prueba número 6. Tubería de 6” en PVC Biaxial.

Tabla 5-9. Resumen de los resultados de la prueba número 6.

Para la segunda tubería de 6 pulgadas de PVC, la presión del experimento oscilaba entre los
0.90 y los 0.95 bares, equivalentes a aproximadamente 13 psi o 9.0 metros de columna de
agua.  El  tiempo  total  del  ensayo  fue  de  26  horas  y  38  minutos,  lo  cual  equivale  a  casi  4
veces  el  tiempo  de  la  prueba  5  (la  cual  tenía  un  tubo  del  mismo  tamaño  pero  con  una
presión  de  1.2  Bar),  y  casi  7  veces  el  de  la  1  (la  cual  tenía  la  misma  presión  pero  un
diámetro de 4”). Se debe tener en cuenta que el tiempo entre la falla y el punto en el que se
detuvo este experimento fue de tan solo 4 minutos; por ende, en comparación con la prueba
5, los efectos abrasivos sobre la superficie del material una vez se ha formado el orificio no
son tan grandes.

Respecto  a  la  perforación  de  la  pared,  en  la  Figura  5-23  se  puede  ver  que  el  orificio  es
bastante pequeño en comparación con los de la prueba 5. Esta variación evidencia una vez
más la fuerte influencia de la presión de prueba, y del tiempo extra que se deja encendido el
experimento  después  de  que  se  rompe  la  superficie.  Por  otro  lado,  si  se  comparan  estas

Diámetro Nominal (Pulg)

Diámetro Interior (mm)

159.04

PR (psi)

200

RDE

Fecha de Prueba (dd/mm/aa)

6-9-10-12-19-23/07/12

Duración de la Prueba

26h 38min

Presión de Prueba (Bar)

0.90 - 0.95

Tiempo desde que falló la tubería hasta que se
detiene la prueba

4 min

Promedio de Caudales (L/s)

0.8772

Peso del material dentro de la tubería (g)

N/A

Dimensiones del orificio o perforación
Ancho (mm)

3.34

Largo (mm)

8.48

Dimensiones de la zona desgastada
Ancho (mm)

44.11

Largo (mm)

62.42

Caracterización del hundimiento del suelo
Ancho (cm)

Largo (cm)

Profundidad (cm)

PRUEBA NÚMERO 6

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dimensiones con las de la prueba 1, la cual manejaba un tubo de 4” de diámetro, se tiene
que las últimas son superiores a las primeras. Sin embargo, resulta bastante difícil hablar de
la causalidad de la variación del diámetro de la tubería de prueba, cuando no se tiene
certeza de los tiempos de ensayo de la primera.

Figura 5-23.Vista del orificio de la prueba 6 (la flauta se encontraba en la parte izquierda sobre la línea en lápiz).

En  la  Figura  5-23  se  aprecian  las  dimensiones  del  orificio  con  relación  a  un  centavo  de
dólar  de  Estados  Unidos.  Al  detallar  la  imagen  se  puede  constatar  que  en  esta  prueba,  la
superficie  de  la  pared  que  se  rompió  totalmente,  no  es  tan  grande  como  en  los  casos
previos.  No  obstante,  a  pesar  que  la  perforación  no  fue  de  tamaño  considerable,  era
cuestión de tiempo para hacerla crecer y hasta para generar otro  orificio en el lado opuesto
de  la  zona  desgastada,  tal  cual  evidencia  la  Figura  5-24.  Gracias  a  esta  última  fotografía
también  se  puede  ver  que  la  forma  general  de  la  región  erosionada  coincide  con  lo
encontrado  anteriormente,  dos  zonas  en  lados  opuestos  donde  se  da  el  mayor  deterioro  y
una línea central en mejor estado.

Figura 5-24. Vista de la zona desgastada de la prueba 6 (la flauta se encontraba en la parte derecha).

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Gráfica 5-10. Caracterización de la zona desgastada de la prueba 6 con áreas en tres dimensiones (la

flauta estaba localizada en el punto 16).

Gráfica 5-11. Caracterización de la zona desgastada de la prueba 6 con superficie en tres dimensiones

(la flauta estaba localizada en el punto 16).

En la Gráfica 5-10 y la Gráfica 5-11 se representan la zona erosionada y el orificio, a
partir de las mediciones del micrómetro. En ellas se puede observar que la región afectada
presenta un mayor desgaste en los extremos y menor en la parte central, de la misma forma

Esp

eso

(mm)

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como  se  venía  dando  para  las  distintas  pruebas.  A  partir  de estos  perfiles es  evidente  que
existen algunas diferencias con los anteriores experimentos; sin embargo, a grandes rasgos
la  región  desgastada  sigue  teniendo  características  similares.  Teniendo  esto  en  mente,  se
puede decir que para esta tubería, el cambio de diámetro no produjo una variación drástica
en las variables de salida.

En cuanto al hundimiento del suelo, en la Figura 5-25 se puede ver que el tamaño de éste
disminuyó en comparación con los encontrados en casos previos. Las dimensiones exactas
fueron  9  cm  de  profundidad,  43  cm  de  ancho  y  62  centímetro  de  largo.  A  partir  de  la
evidencia  encontrada  se  puede  suponer  que  la  reducción  de  la  presión  de  prueba,  y  el
limitado tiempo para que pase material del tanque al tubo, previnieron que  el hundimiento
de la arena fuera mayor.

Figura 5-25.Vista del hundimiento del suelo de la prueba 6.

Figura 5-26. Suelo por encima de la tubería en el montaje de la prueba 6.

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Cabe aclarar que gracias a que en esta prueba no pasó mucho material del tanque a la
tubería, no había razones para realizar un análisis granulométrico del mismo. No obstante,
en la Figura 5-26 se puede apreciar el tipo de suelo que se encontró por encima de la
tubería a medida que avanzaba el proceso de desmontaje. A primera vista, es evidente que
este material contiene un número de partículas de gran tamaño sustancialmente mayor que
la mezcla que se encontraba originalmente en el tanque. Por ende, se puede afirmar que de
nuevo se dio el lavado de las partículas más finas alrededor de la flauta.

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5.7

Prueba número 7. Tubería de 6” en Hierro Dúctil.

En  lugar  de  seguir  adelante  experimentando  con  tuberías  de  PVC  de  mayor  diámetro,  se
optó  por  cambiar  el  material  y  trabajar  con  prototipos  en  hierro  dúctil  de  6”.  Antes  de
mostrar  los  resultados,  es  importante  mencionar  que  este  tipo  de  tubos  tienen  una  capa
exterior  metálica,  pero  también  tienen  un  recubrimiento  interno  en  mortero  que  aísla  la
superficie  externa  del  agua  transportada  en  el  interior.  Por  esta  razón,  aunque  el  espesor
total es de casi 18 mm, tan sólo una parte de esto corresponde al hierro dúctil.

Tabla 5-10. Resumen de los resultados de la prueba número 7.

La primera tubería de 6 pulgadas en hierro dúctil fue sometida a una presión que oscilaba
entre los 1.9 y los 2.1 bares, es decir entre 27.6 y 30.4 psi o entre 19.4 y 21.4 metros de
columna de agua. La duración total del experimento fue de 24 horas y 32 minutos, y el
tiempo hasta la falla fue de 13 minutos menos, es decir 24 horas y 19 minutos. Al comparar

Diámetro Nominal (Pulg)

Diámetro Interno Mortero (mm)

149.93

Diámetro Interno Hierro (mm)

155.35

Diámetro Externo (mm)

169.87

Espesor de Pared Hierro (mm)

7.26

Espesor de Pared Total (mm)

9.97

Fecha de Prueba (dd/mm/aa)

25-26-27-30/07/12

Duración de la Prueba

24h 32min

Presión de Prueba (Bar)

1.9- 2.1

Tiempo desde que falló la tubería hasta que se
detiene la prueba

13 min

Promedio de Caudales (L/s)

1.2331

Peso del material dentro de la tubería (g)

17340

Dimensiones del orificio o perforación
Ancho (mm)

7.87

Largo (mm)

13.89

Dimensiones de la zona desgastada
Ancho (mm)

53.29

Largo (mm)

73.07

Caracterización del hundimiento del suelo
Ancho (cm)

Largo (cm)

Profundidad (cm)

PRUEBA NÚMERO 7

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estos valores con los de las anteriores pruebas, no se encuentran  variaciones muy grandes
en términos absolutos, pues otros prototipos habían resistido periodos de tiempo similares.

Sin embargo, si se analiza la información con relación a la presión del ensayo, saltarán a la
vista diferencias bastante grandes entre ambos materiales. Por ejemplo, los prototipos de las
pruebas 5 y 6 resistieron más de 25 horas, y el de la 4 soportó las condiciones por más de
17; no obstante, ninguno de ellos trabajaba con más de la mitad de la presión del presente
tubo.  Esto  quiere  decir  que la  diferencia entre  las  resistencias  de  ambos  materiales  puede
ser  sustancialmente  grande,  y  posiblemente,  si  se  llegara  a  probar  el  PVC  en  condiciones
más  extremas,  las  perforaciones  aparecerían  en  cuestión  de  minutos.  De  esta  forma  se
confirmó  lo  que  se  esperaba  intuitivamente:  que  las  tuberías  metálicas  presentarían  un
mejor desempeño que el del PVC.

En cuanto a la falla, en la Figura 5-27 se ve que en este caso sólo se formó un orificio en la
superficie  de  la  tubería.  Aunque  la  forma  de  éste  es  bastante  similar  a  las  que  se  había
encontrado  anteriormente,  sus  dimensiones  son  superiores  al  promedio  pero  levemente
inferiores a las de las pruebas 2 y 5.

Figura 5-27. Vista del orificio de la prueba 7 (la flauta se encontraba en la parte izquierda de la imagen).

Respecto a la zona desgastada en esta prueba, se puede decir que al igual que los orificios;
ésta siguió la forma general encontrada en los experimentos previos. Es decir que a pesar
del cambio del material, las características principales de la  región erosionada permanecen
constantes.  La  única  diferencia  relevante,  es  que  para  este  ensayo  se  podría  hablar  de
abrasión  y  corrosión  al  mismo  tiempo,  ya  que  en  la  zona  afectada  se  alcanza  a  percibir
cierto tono amarillento que es indicio de procesos químicos de oxidación.

Las  causas  de  esto  son:  el  chorro  a  altas  presiones  que  destruye  la  capa  que  protege  la
superficie metálica ante este fenómeno, y por supuesto, la presencia de agua saliendo desde

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la flauta. Esta última permite que se den los procesos de oxidación en las partes de la pared
que han perdido su capa protectora. El estado final de la región afectada se puede observar
en la Figura 5-27 y la Figura 5-28; en esta última se puede apreciar con mayor detalle la
superficie de falla de la prueba 7.

Figura 5-28. Vista de la zona desgastada de la prueba 7 (la flauta se encontraba en la parte superior de la imagen).

En relación con el hundimiento del suelo, se puede decir que a pesar que la forma general
del mismo es similar a la que se venía presentando en el resto de ensayos, las dimensiones
son mucho mayores a cualquier otra, aún a aquellas de la prueba 5 que hasta ahora habían
sido  las  más  grandes.  Este  comportamiento,  seguramente  se  debe  a  que  el  lavado  de  las
partículas a una presión tan alta es mucho más efectivo, y también a que las condiciones del
experimento permitieron que entrara una gran cantidad de material a la tubería (17340 g).

En la Figura 5-29 se ilustra el estado final de la superficie de arena; en ella es evidente que
el  ancho  del  espacio  vacío  ya  alcanzó  los  límites  del  tanque,  y  por  ende  no  puede
expandirse más en esta dirección. Asimismo, es importante mencionar que la profundidad
del  mismo  empieza  a  ser  considerable,  20  cm  ya  es  un  valor  que  modifica  bastante  las
características de la superficie. Infortunadamente, el agua no permite visualizar la magnitud
del vacío, y al intentar retirarla se afectaban las condiciones originales.

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Figura 5-29.Vista del hundimiento del suelo de la prueba 7.

5.7.1 Granulometría

Tras haber encontrado una gran cantidad de material en el interior de esta tubería, se optó
por realizar el mismo análisis que se había hecho en los casos anteriores. De nuevo, esto se
hizo con el objetivo de evaluar las diferencias en la distribución de tamaños de las
partículas que pasaron del tanque al tubo, respecto a la mezcla original, y a las encontradas
en las otras dos oportunidades. Los resultados encontrados se muestran en la Tabla 5-11,
en el mismo formato con el que se venía trabajando previamente.

Tabla 5-11 Análisis granulométrico de la mezcla encontrada en la tubería usada en la prueba 7.

Con  los  resultados  obtenidos  se  concluye  que  la  muestra  no  es  uniforme  por  tener  un  Cu
bastante  grande,  y  de  igual  forma,  sus  partículas  no  están  tan  bien  repartidas  en  todo  el
rango disponible pues el Cc se encuentra por fuera del rango sugerido.

4.750

8.98

1556.57

8.98

91.02

2.360

22.74

3943.59

31.72

68.28

2.000

4.25

737.38

35.97

64.03

0.850

18.57

3220.77

54.55

45.45

0.600

10.08

1748.31

64.63

35.37

0.420

12.42

2153.51

77.05

22.95

0.250

13.06

2263.90

90.10

9.90

0.150

100

8.28

1434.99

98.38

1.62

0.075

200

1.20

208.47

99.58

0.42

0.000

Fondo

0.42

72.50

100

0.00

D60

1.751

6.965

0.620

% Acumulado que

pasa

Coeficientes de la

muestra

D10

0.251

D30

0.522

Abertura (mm)

# Tamiz

% Parcial Retenido

Peso Retenido (g)

% Acumulado

Retenido

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Gráfica 5-12. Curva granulométrica del material encontrado en la tubería de la prueba 7.

A partir de la Gráfica 5-12 y la Tabla 5-11 se puede constatar que la principal conclusión
con respecto al análisis granulométrico sigue siendo la misma, la muestra encontrada en el
interior de la tubería contiene un mayor número de partículas gruesas. Asimismo, en
comparación con las otras dos pruebas en las que se realizó este estudio, se puede decir que
los resultados de este caso son bastante similares al experimento número 5, y al igual que
éste, son levemente más finos que los del número 2.

Figura 5-30. La Figura A muestra el suelo que quedo por encima de la tubería una vez terminada la prueba 7. La

Figura B muestra el suelo que entró a la tubería ensayada en la prueba 7.

En la Figura 5-30 se puede ver que el material encontrado cerca de la flauta y del orificio,
es decir, el que pudo atravesar la pared y entrar a la tubería, es diferente al que se encuentra
en otras partes del tanque. Por último, en la Figura 5-31 se ilustra de forma mucho más

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

0.010

0.100

1.000

10.000

cent

asa

(

)

Abertura del tamiz (mm)

Mezcla Original

Prueba 7

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clara las diferencias entre el material que se extrajo de la zona cercana a la flauta, y el resto
de lugares, como por ejemplo las paredes alrededor.

Figura 5-31. Material por encima de la tubería en la prueba 7.

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5.8

Prueba número 8. Tubería de 6” en Hierro Dúctil.

Tras haber constatado que aún las tuberías de hierro dúctil eran vulnerables a los efectos de
la abrasión externa, se decidió llevar a cabo otro ensayo en este material para conocer la
influencia de la presión de prueba en el desempeño de este tipo de superficie.

Tabla 5-12. Resumen de los resultados de la prueba número 8.

* Esta tubería tampoco falló.

A pesar que se quería disminuir la presión de prueba, para acercar las condiciones del
ensayo a aquellas de los primeros experimentos, se tuvo en cuenta que este material había
tenido un desempeño muy superior al del PVC, y por ende se decidió escoger un valor
intermedio entre los extremos ya probados. La magnitud seleccionada fue de 1.5-1.6 Bar, es
decir entre 21.8 y 23.2 Psi o entre 15.3 y 16.3 metros de columna de agua; no obstante, a
pesar de haber esperado más de 150 horas bajo estas condiciones, no se llegó a dar la falla

Diámetro Nominal (Pulg)

Diámetro Interno Mortero (mm)

149.93

Diámetro Interno Hierro (mm)

155.35

Diámetro Externo (mm)

169.87

Espesor de Pared Hierro (mm)

7.26

Espesor de Pared Total (mm)

9.97

Fecha de Prueba (dd/mm/aa)

8 al 26/08/12

Duración de la Prueba

150 h

Presión de Prueba (Bar)

1.5- 1,6

Tiempo desde que falló la tubería hasta que se
detiene la prueba

NA*

Promedio de Caudales (L/s)

1.0770

Peso del material dentro de la tubería (g)

NA*

Dimensiones del orificio o perforación
Ancho (mm)

NA*

Largo (mm)

NA*

Dimensiones de la zona desgastada
Ancho (mm)

57.2

Largo (mm)

92.75

Caracterización del hundimiento del suelo
Ancho (cm)

Largo (cm)

Profundidad (cm)

PRUEBA NÚMERO 8

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de la tubería. En un principio, se pensó que algo había quedado mal instalado o que el valor
escogido  para  esta  prueba  no  era  suficiente;  sin  embargo,  tras  desinstalar  el  montaje  la
superficie  de  la  tubería  evidenció  los  efectos  de  la  abrasión.  Gracias  a  esto  último,  se
concluyó una vez más que era cuestión de tiempo para que se formara el orificio.

Esta  información  muestra  claramente  la  relación  que  existe  entre  la  disminución  de  la
presión, el material de la superficie, el tiempo de falla y el desgaste total.  Pues aunque en
esta  oportunidad  no  se  generó  un  orificio,  se  encontró  que  la  zona  desgastada  tenía
dimensiones comparables con las demás pruebas, al menos en lo referente al área afectada
(es difícil comparar profundidades pues el micrómetro no lee el espesor de este material).
Esto querría decir que cada una de las variables de entrada influye de forma diferente en las
de  salida,  y  por  ende,  cada  vez  que  se  use  una  nueva  combinación  de  los  parámetros
iniciales se pueden encontrar resultados no esperados.

En cuanto a la forma general de la zona desgastada, sorprende que por primera vez parece
haber  una  diferencia  notable con  el  resto  de  pruebas.  Tal  como  se  puede  evidenciar  en la
Figura 5-32, en este caso no se distinguen claramente las zonas laterales ni la línea central
que  las  separa.  Asimismo,  esta  última  fue  afectada  por  primera  vez  mucho  más  que  las
regiones de los costados. Al detallar la imagen se ve que; la superficie del medio es la más
afectada en el nuevo perfil, que en la zona cercana a la flauta los costados parecen haberse
desgastado considerablemente, y que la primera está separada de las segundas a través de
dos líneas de mayor espesor.

Figura 5-32. Vista de la zona desgastada en la prueba 8 (la flauta se encontraba en la parte izquierda de la imagen).

Otro aspecto que vale la pena mencionar, es que la zona desgastada volvió a mostrar
evidencia clara de procesos de oxidación. En la Figura 5-32, la Figura 5-33 y la Figura 5-
34, se muestra la zona corroída desde distintos ángulos. En estas imágenes es evidente que
para las tuberías metálicas, este efecto secundario del agua puede llegar a tener

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consecuencias  bastante  graves,  pues  a  pesar  de  que  la  superficie  no  presenta  orificios,  si
puede  llegarse  a  debilitar  por  la  oxidación.  De  esta  forma,  a  largo  plazo  la  pared  podría
romperse,  no  a  causa  de  la  erosión  del  material  particulado,  sino  a  consecuencia  de  este
fenómeno.

Figura 5-33. Oxidación en la pared de la tubería 9 (vista desde la zona superior derecho).

Figura 5-34. Oxidación en la pared de la tubería 9 (vista desde la zona posterior).

Respecto  al  hundimiento  del  suelo  encontrado  en  esta  prueba,  se  puede  decir  que  él  sí
siguió  las  tendencias  que  se  venían  dando  en  los  otros  experimentos.  Este  tenía  una
profundidad de 19 cm, 70 cm de ancho y 96 cm de largo, una vez más la segunda medida
fue limitada por el ancho. Aparte de esto, la forma general y las pendientes de los taludes
coinciden con lo que se había encontrado previamente. Es importante tener en mente que al
no  haberse  generado  un  orificio,  la  magnitud  del  hundimiento  de  la  arena  se  explica

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únicamente por el material perdido gracias al lavado durante el periodo de prueba. De esta
forma se concluye que este fenómeno tiene una gran capacidad para movilizar partículas.
No obstante, dado el caso en el que se hubiera roto la pared, el volumen de arena
desplazado hubiera sido mucho más grande.

Figura 5-35. Vista del hundimiento del suelo en la prueba 8.

A pesar que por razones obvias, en este caso no se realizó un análisis granulométrico, en la
Figura 5-36 se puede ver que el material granular situado cerca de la zona donde estaba
enterrada la flauta, tiene más partículas gruesas que los alrededores. Esto sigue la misma
tendencia que se ha tenido en las anteriores pruebas, y confirma que la mayoría de material
fino de esta región fue lavado y alejado de ella.

Figura 5-36. Material por encima de la tubería en la prueba 8.

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5.9

Prueba número 9. Tubería de 8” en PVC Biaxial.

Después de haber llevado a cabo las pruebas en las tuberías de hierro dúctil, se decidió
experimentar con prototipos en PVC de 8” de diámetro. Los resultados del primer ensayo
se muestran a continuación.

Tabla 5-13. Resumen de los resultados de la prueba número 9.

Tal como se puede ver en la Tabla 5-13, el tiempo que demoró esta tubería en fallar fue el
más corto que se ha presentado a lo largo de todos los experimentos. A pesar que el espesor
de  las  tuberías  de  PVC  aumenta  proporcionalmente  con  el  diámetro,  esta  superficie  no
resistió sino dos horas hasta el momento en que se presentó una falla. De esta forma, resulta
evidente que la diferencia entre este material y el hierro dúctil es  muy grande, teniendo en
cuenta que este último bajo las mismas condiciones, resistió 150 horas y nunca se formaron
orificios.

Es importante mencionar que la presión de prueba, de 1.5 a 1.6 bares o entre 15.3  y 16.3
metros de columna de agua, no es una presión exagerada en una red de distribución de agua

PRUEBA NÚMERO 9
Diámetro Nominal (Pulg)

Diámetro Interior (mm)

207.1

PR (psi)

200

RDE

Fecha de Prueba (dd/mm/aa)

09/04/2012

Duración de la Prueba

2h 30min

Presión de Prueba (Bar)

1.5-1.6

Tiempo desde que falló la tubería hasta que se
detiene la prueba

30 min

Promedio de Caudales (L/s)

1.1150

Peso del material dentro de la tubería (g)

7035

Dimensiones del orificio o perforación
Ancho (mm)

4.33

Largo (mm)

22.87

Dimensiones de la zona desgastada
Ancho (mm)

23.11

Largo (mm)

95.11

Caracterización del hundimiento del suelo
Ancho (cm)

Largo (cm)

Profundidad (cm)

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potable.  Al  contrario,  como  se  mencionó  anteriormente  es  un  valor  cercano  al  mínimo
requerido  por  la  normativa  colombiana  para  todos  los  prestadores  del  servicio  en  el  país.
Por ende, en un horario diurno es un  valor bastante común, mientras que de noche puede
ser superado considerablemente.

Las características del orificio encontrado en esta tubería son similares a los anteriores (Ver
Figura  5-37).  Su  forma  general  es  de  ovalo  alargado;  sin  embargo,  la  relación  entre  la
longitud y el ancho si parece ser levemente superior a las que se habían presentado. La zona
desgastada,  por  su  parte,  sí  presenta  diferencias  sustanciales  en  comparación  con  los
ensayos anteriores. En este caso no se formaron dos canales separados por una pared como
en la mayoría de las pruebas, ni tampoco se encontró una región principal y dos más  en la
zona más cercana a la flauta, como se vio en la sección anterior.

En  este  caso  hay  una  única  zona  desgastada  bastante  larga,  la  cual  no  está  dividida
internamente por paredes de mayor espesor. Esto es evidente en la  Figura 5-38, donde las
dimensiones se pueden percibir con relación a la medida de un centavo de dólar de Estados
Unidos.

Figura 5-37. Vista de la zona desgastada y el orificio de la prueba 9 (la flauta se encontraba en la parte izquierda

de la imagen).

En  la  Gráfica  5-13  se ilustra  la  forma  general  del  orificio  y  la  zona  donde  se  presentó  el
desgaste, a partir de las mediciones de espesor con el micrómetro. En ella se confirma que
la  superficie  erosionada  tiene  una  forma  diferente  a  la  que  se  encontró  en  los  casos
anteriores,  pues  presenta  únicamente  una  región  afectada  y  no  aparecen  en  ningún  lugar
paredes de mayor altura que generen divisiones internas.

Asimismo, se ve que la totalidad de los puntos de la línea central han disminuido su grosor
considerablemente,  mientras  que  los  de  los  costados  no  perdieron  tanto  material.  Esto

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sugiere que la diferencia entre los daños en la dirección paralela al flujo y los
perpendiculares a él, aumenta proporcionalmente con el tamaño del los prototipos. En otras
palabras, si se analiza la relación entre el largo y el ancho del hundimiento, el valor
resultante para este caso será superior a los anteriores.

Figura 5-38. Vista de la zona desgastada y el orificio de la prueba 9 (la flauta se encontraba en la parte superior de

la imagen).

Gráfica 5-13. Caracterización de la zona desgastada de la prueba 9 con áreas en tres dimensiones (la

flauta estaba localizada en el punto 16).

Esp

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En cuanto al hundimiento del suelo encontrado en la superficie del tanque, se puede decir
que su forma general es similar a las que se han presentado, no obstante, las dimensiones
totales son inferiores a aquellas de ensayos con rangos de presión similares (Ver Figura 5-
39). Las razones para que se haya dado esto es que el tiempo hasta la falla fue bastante
reducido, por ende, el lavado de las partículas finas no fue tan grande a pesar que el chorro
de agua salía con una presión de 1.5-1.6 Bar. De igual forma, una vez se formó el orificio,
sólo pasó media hora hasta que se detuvo completamente la prueba, por ende no fue mucho
el material que paso a través de él hacia la tubería.

Figura 5-39. Vista del hundimiento del suelo de la prueba 9.

5.9.1 Granulometría

Tal cual se hace cada vez que se encuentra una gran cantidad de material sólido al interior
de la tubería, en esta oportunidad se llevó a cabo un análisis granulométrico de la arena que
pasó a través del orificio. En la Tabla 5-14 se muestran los principales resultados de este
proceso, se presentan los porcentajes acumulados y retenidos en cada tamiz, y los
coeficientes que describen la distribución de la mezcla.

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Tabla 5-14. Resumen de los resultados del análisis granulométrico de la prueba número 9.

Gráfica 5-14. Curva granulométrica del material encontrado al interior de la tubería de la prueba

número 9 y de la mezcla original.

La Tabla 5-14  y la Gráfica 5-14 muestran que en esta oportunidad, las partículas sólidas
tienen  una  distribución  diferente  a  la  que  se  había  encontrado  en  los  casos  anteriores.  La
curva  granulométrica  de  la  prueba  9  está  por  debajo  de  la  de  la  mezcla  original  para  los
primeros  tamices,  tal  como  ha  sucedido  con  otros  ensayos,  pero  después  de  un  punto  la
supera. Esto quiere decir que la gran mayoría de las partículas sólidas se quedaron en los
tamaños intermedios, y que los extremos no retuvieron tantas partículas. Esta información
concuerda con el valor del Cu, que al estar muy cerca del rango sugerido (< 3) demuestra
que el material es bastante uniforme.

En  comparación  con  las  muestras  extraídas  en  el  resto  de  experimentos,  en  este  caso  el
material es mucho más fino. Tanto así que tal parece, que casi el 60% de sus partículas, en
peso, son más finas que la mezcla original. En la Figura 5-40 se puede ver una imagen del
material. Aunque no es evidente la información de la granulometría, se puede percibir que
existen ciertas diferencias con lo encontrado en las otras oportunidades.

4.750

0.16

11.58

0.16

99.84

2.360

8.00

562.87

8.17

91.83

2.000

4.57

321.64

12.74

87.26

0.850

28.58

2010.27

41.31

58.69

0.600

18.00

1266.47

59.32

40.68

0.420

14.57

1025.24

73.89

26.11

0.250

21.43

1507.70

95.32

4.68

0.150

100

3.43

241.23

98.75

1.25

0.075

200

1.14

80.41

99.89

0.11

0.000

Fondo

0.11

7.59

100

0.00

D60

0.903

3.090

0.830

% Acumulado que

pasa

Coeficientes de la

muestra

D10

0.292

D30

0.468

Abertura (mm)

# Tamiz

% Parcial Retenido

Peso Retenido (g)

% Acumulado

Retenido

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

0.010

0.100

1.000

10.000

rce

asa

(

)

Abertura del tamiz (mm)

Mezcla original

Muestra 9

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Figura 5-40. Material encontrado al interior de la tubería de la prueba número 9.

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5.10 Prueba número 10. Tubería de 8” en PVC Biaxial.

Tabla 5-15. Resumen de los resultados de la prueba número 10.

Para la segunda tubería de PVC de 8 pulgadas, la presión del experimento oscilaba entre los
1.15  y  los  1.2  bares,  equivalentes  a  aproximadamente  17  psi  o  12  metros  de  columna  de
agua. El tiempo total del ensayo fue de 6 horas y 50 minutos, lo cual equivale a un aumento
de más de 40 minutos comparado con la prueba 5 (la cual tenía la misma presión pero un
diámetro de 6”) y un incremento de más del 200 % respecto a la 9, en la que se trabajó con
el mismo tamaño pero con una presión de 1.5 Bar. Esta información sugiere que el tiempo
hasta  que  se  forma  la  perforación  es  mucho  más  sensible a  los  cambios  en  la  presión  del
chorro de agua, que a los aumentos del diámetro de las tuberías.

Es  importante  mencionar  que  en  este  ensayo  el  orificio  se  detectó  rápidamente,  y  en
consecuencia,  el  experimento  se  detuvo  poco  tiempo  después  que  ésta  hubiera  aparecido.
Por lo tanto, los efectos abrasivos sobre la superficie del material, así como las dimensiones
del hundimiento del suelo en la superficie de arena, son considerablemente menores a las
presentadas en la prueba 5.

Diámetro Nominal (Pulg)

Diámetro Interior (mm)

207.1

PR (psi)

200

RDE

Fecha de Prueba (dd/mm/aa)

10-11/9/2012

Duración de la Prueba

6 h 50 min

Presión de Prueba (Bar)

1.15-1.2

Tiempo desde que falló la tubería hasta que se
detiene la prueba

5 min

Promedio de Caudales (L/s)

1.1810

Peso del material dentro de la tubería (g)

Dimensiones del orificio o perforación
Ancho (mm)

4.71

Largo (mm)

14.65

Dimensiones de la zona desgastada
Ancho (mm)

43.49

Largo (mm)

86.86

Caracterización del hundimiento del suelo
Ancho (cm)

Largo (cm)

Profundidad (cm)

PRUEBA NÚMERO 10

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Respecto  a la  falla encontrada,  en la  Figura  5-41  se  puede  ver  que el  orificio es bastante
pequeño  en  comparación  con  los  de  la  prueba  5,  pero  entra  en  el  rango  de  valores
encontrados  en  los  otros  casos.  De  igual  manera,  si  se  observa  la  Figura  5-42  se  puede
apreciar  que  la  forma  general  de  la  zona  desgastada  no  coincide  con  lo  que  se  había
encontrado en anteriores ensayos, exceptuando la prueba 9. Al igual que en esta última, en
la región erosionada no se aprecia una línea central que separa dos zonas laterales donde se
da  el  mayor  deterioro.  Por  el  contrario,  se  observa  una  única  zona  afectada,  cuyo  centro
coincide aproximadamente con el de la perforación.

Al haber encontrado este  comportamiento por segunda  vez,  se podría suponer  que este se
debe  al  aumento  del  diámetro  de  la  tubería,  ya  que  el  área  de  contacto  con  la  flauta
disminuyó su curvatura. En otras palabras, la zona de impacto tiende a ser más plana y esto
pudo haber alterado la forma en la que se desarrolla la zona desgastada. En la Gráfica 5-15
se  encuentra  una  representación  de  la  zona  desgastada  a  partir  de  las  mediciones  del
micrómetro. En ella se puede confirmar que los puntos ubicados en la línea central son los
más  afectados,  mientras  que  los  de  los  costados  parecen  conservar,  en  la  mayoría  de  los
casos, un grosor considerable. A partir de este perfil, vuelve a ser evidente que existe una
notoria diferencia entre los últimos 2 ensayos y el resto de pruebas en tuberías de PVC.

Figura 5-41.Vista del orificio de la prueba 10 (la flauta se encontraba en la parte izquierda de la imagen).

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Figura 5-42. Vista de la zona desgastada de la prueba 10 (la flauta se encontraba en la parte derecha de la imagen).

Gráfica 5-15. Caracterización de la zona desgastada de la prueba 10 con áreas en tres dimensiones (la

flauta estaba localizada en el punto 1).

En cuanto al hundimiento del suelo, en la Figura 5-43 se puede ver que el tamaño de éste
disminuyó en comparación con el encontrado en la prueba 5, pero es bastante similar al de
la número 9. Las dimensiones exactas fueron 9 cm de profundidad, 54 cm de ancho y 85

0.000

2.000

4.000

6.000

8.000

Esp

)

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centímetro de largo. No obstante, es importante recordar que en este experimento, el
periodo de tiempo entre la aparición de la perforación y la finalización de la prueba fue de
tan sólo 5 minutos, por ende no fue mucho el material que se movió desde el tanque hacia
la tubería.

Figura 5-43.Vista del hundimiento del suelo de la prueba 10.

Vale la pena mencionar que debido a que en esta prueba no pasó mucho material desde el
tanque hacia la tubería, no había razones para realizar un análisis granulométrico del
mismo. No obstante, en la Figura 5-44 se puede apreciar el tipo de suelo que se encontró
en el interior del tubo durante el proceso de desmontaje.

Figura 5-44. Suelo dentro de la tubería en el montaje de la prueba 10.

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5.11 Prueba número 11. Tubería de 8” en Polietileno.

Tras haber finalizado las pruebas en tuberías de hierro dúctil y PVC, se procedió a
experimentar con prototipos en polietileno de 8 pulgadas. Los resultados se presentan a
continuación.

Tabla 5-16. Resumen de los resultados de la prueba número 11.

La primera tubería de polietileno fue sometida a una presión que oscila entre los 1.5 y los
1.6 bares, es decir entre 21.8 y 23.2 Psi o entre 15.3 y 16.3 metros de columna de agua. La
duración del experimento fue de aproximadamente 79 horas, más de 30 veces el tiempo de
la  prueba  9,  es  decir  que  la  diferencia  entre  el  PVC  y  el  polietileno  es  tan  grande  que
trabajan con órdenes de magnitud diferentes. En comparación con el hierro dúctil, aunque
en  este  caso  los  contrastes  no  son  tan  grandes,  este  último  alcanza  a  duplicar  el  tiempo
hasta la falla bajo las mismas condiciones del ensayo.

Las  dimensiones  del  orificio  fueron  de  8.93  mm  de  largo  y  5.79  mm  de  largo,  lo  cual
equivale a una disminución aproximada del 61% y un aumento del 33.7% respectivamente,

Diámetro Nominal (Pulg)

Diámetro Interior (mm)

176.2

PE (psi)

100

RDE

Fecha de Prueba (dd/mm/aa)

14-26/10/2012

Duración de la Prueba

79 h 5 min

Presión de Prueba (Bar)

1.5-1.6

Tiempo desde que falló la tubería hasta que se
detiene la prueba

20 min

Promedio de Caudales (L/s)

1.1037

Peso del material dentro de la tubería (g)

7980

Dimensiones del orificio o perforación
Ancho (mm)

5.79

Largo (mm)

8.93

Dimensiones de la zona desgastada
Ancho (mm)

55.22

Largo (mm)

131.87

Caracterización del hundimiento del suelo
Ancho (cm)

Largo (cm)

Profundidad (cm)

PRUEBA NÚMERO 11

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respecto a la prueba 9. Resulta paradójico que la perforación sea mucho más corta, y al
mismo tiempo más ancha, a priori se pensaba que habría consistencia en el incremento o en
el decrecimiento en ambos sentidos. No obstante, estos datos revelan que dependiendo de
las características del material, la resistencia en distintas direcciones puede variar.

Figura 5-45. Vista del orificio y de la zona desgastada de la prueba 11 (la flauta se encontraba en la parte superior

de la imagen).

En  la  Figura  5-45  se  puede  ver  que  el  orificio  formado  en la  superficie  de  polietileno  es
mucho más corto, en ella se observa cómo la moneda de un centavo de Estados Unidos lo
supera considerablemente. Asimismo, es de resaltar que aunque la longitud disminuyó, en
la pared de la tubería quedó marcada una trayectoria previa a la falla, que hace pensar que
las  partículas  dejaban  marcado  su  camino  en  una  región  mucho  más  extensa  a  la  que
alcanzó a romperse.

Por  otra  parte,  las  dimensiones  de  la  región  erosionada  fueron  de  55.22  mm  de  ancho  y
131.87  mm  de  largo,  lo  que  equivale  a  un  crecimiento  aproximado  del  139%  y  del  39%
respectivamente, en comparación con la prueba 9. Este aumento se explica por la diferencia
en  la  duración  de  la  prueba,  pero  demuestra  que  antes  de  la  perforación,  el  polietileno
puede  llegar  a  desgastarse  mucho  más  antes  de  ceder  ante  los  efectos  abrasivos  de  las
partículas sólidas.

Es de resaltar que gracias a que el espesor de las tuberías en polietileno es mucho mayor al
resto de materiales, la zona desgastada es considerablemente más profunda que el resto de
casos.  Este  factor  fue  fundamental  para  retrasar el  rompimiento  de la  pared,  y  esto  puede
ser  la  explicación  para  que  el  daño  aumentara  tanto  en  las  otras  direcciones;  hasta  el
momento este es la región erosionada  más larga encontrada en una superficie. Por último,
es importante mencionar que el área de falla en este ensayo es distinta a las que aparecieron
en PVC e hierro dúctil, debido a que el eje principal de la zona erosionada no coincide con

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la dirección paralela a la lámina de agua, sino que esta levemente inclinada (Ver Figura 5-
46).

Figura 5-46. Vista de la zona desgastada de la prueba 11 (la flauta se encontraba en la parte izquierda de la

imagen).

Figura 5-47. Vista del hundimiento del suelo de la prueba 11.

Respecto al hundimiento del suelo, se obtuvieron dimensiones de 65 cm de ancho, 95 cm
de largo y 34 cm de profundo, que representan un crecimiento del 30%, 1% y 240%
respectivamente, respecto a la prueba 9. Vale la pena resaltar que el valor que se obtuvo en
el eje vertical es el mayor que se ha presentado hasta el momento. Asimismo, teniendo en
cuenta que la cantidad de material que pasó al interior de la tubería se encuentra dentro del

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rango normal, queda en evidencia una vez más, la importancia de la duración de la prueba a
la hora de determinar la magnitud del hundimiento de la arena.

En la Figura 5-47 se ilustra el hundimiento del suelo después de la prueba 11. Al detallar la
imagen se puede observar que en distintas partes las pendientes son más pronunciadas que
lo normal. Es importante  mencionar que el material  ubicado en la zona aguas arriba de la
boquilla  de  la  flauta  (parte  derecha  de  la  foto)  se  ve  casi  intacto,  lo  que  significa  que  la
influencia del flujo del agua en esta zona no fue considerable. Por el contrario, gran parte
del  suelo  aguas  abajo  luce  bastante  diferente  a  su  estado  inicial,  por  tanto  se  puede
establecer cuánto, y en qué medida afectó el chorro el interior del tanque.

Figura 5-48. Suelo cercano a la zona de falla de la prueba 11.

Por otro lado, tal como sucedió en casi todos los experimentos, en la parte de arriba de la
perforación,  se  encuentra  cierta  cantidad  de  material  granular  lavado  que  luce  bastante
diferente al resto  de la mezcla.  En  la  Figura  5-48  se  puede  ver  que éste  tiene  un número
mayor de partículas de diámetro grande, en comparación con  la arena en otros lugares del
tanque. Suponiendo que esta muestra es similar a aquella que logró ingresar a la tubería, se
espera corroborar las diferencias a través de un análisis granulométrico a esta última.

5.11.1 Granulometría

Tal como se ha hecho siempre que se encuentra una cantidad considerable de material
particulado al interior de una tubería, en esta prueba se realizó un estudio granulométrico de
las características de esta muestra. Los resultados fueron los siguientes:

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Tabla 5-17. Análisis granulométrico del material encontrado al interior de la tubería de la prueba

número 11.

Gráfica 5-16. Curva granulométrica de la mezcla original y de la muestra de la prueba 11.

A partir de la información mostrada en la Tabla 5-17 y la Gráfica 5-16, se podría concluir
que  el  material encontrado  dentro  de  la  tubería  es  más  grueso  que  la  mezcla  original.  No
obstante, en este caso los resultados  no son tan claros, ya que las curvas se traslapan para
los  tamices  con  aberturas  más  pequeñas,  y  para  los  más  grandes  no  hay  información  que
permita  extrapolar  la  curva  azul.  La  única  zona  donde  es  evidente  que  las  partículas  que
permanecen  al  interior  del  tanque  son  más  finas,  es  la  parte  central,  sin  embargo,  la
diferencia no es tan clara como lo fue en anteriores experimentos.

Asimismo,  si  comparan  los  coeficientes  C10,  C30  y  C60  de  la  prueba  11  con  los  de  la
mezcla original, se confirma que el suelo dentro de la tubería es más grueso, dado que las
variables  de  la  primera  muestra  superan  los  de  la  segundo.  Por  último,  vale  la  pena

4.750

3.76

300.41

3.76

96.24

2.360

31.87

2543.47

35.64

64.36

2.000

8.78

700.96

44.42

55.58

0.850

23.59

1882.57

68.01

31.99

0.600

6.27

500.68

74.29

25.71

0.420

3.26

260.35

77.55

22.45

0.250

6.78

540.74

84.33

15.67

0.150

100

7.78

620.85

92.11

7.89

0.075

200

7.78

620.85

99.89

0.11

0.000

Fondo

0.11

9.13

100

0.00

Abertura (mm)

# Tamiz

% Parcial Retenido

Peso Retenido (g)

% Acumulado

Retenido

% Acumulado que

pasa

Coeficientes de la

muestra

D10

0.177

D30

0.771

D60

2.181

12.319

1.538

100

120

0.010

0.100

1.000

10.000

cent

asa

(

)

Abertura del tamiz (mm)

Mezcla Original

Muestra 11

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mencionar que las partículas que atravesaron el orificio son poco uniformes (Cu < 3), pero
están bien gradadas (Cc dentro del rango sugerido).

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104

5.12 Prueba número 12. Tubería de 8” en Polietileno.

La segunda tubería de 8” en polietileno fue ensayada con una presión de prueba de 2 Bar,
para evaluar con más detalle su desempeño en comparación con el hierro dúctil.

Tabla 5-18. Resumen de los resultados de la prueba número 12.

La primera medida corresponde a la parte de la zona desgastada que está más alejada de la flauta, y

la otra, un poco más ancha, a la más cercana.

La tubería número 12 trabajó con una presión de prueba cercana a los 2 Bar, equivalentes a
más o menos 20.4 metros de columna de agua o 29 psi. Se seleccionó este valor porque ya
se había probado que el desempeño del polietileno era superior al del PVC, pero hacía falta
una comparación más robusta entre el hierro dúctil y el polietileno, y esta magnitud fue
precisamente la que se trabajo con los tubos metálicos.

Los resultados de esta prueba mostraron que, a diferencia de los ensayos con 1.5 Bar, con 2
Bar el desempeño del polietileno es superior al del hierro dúctil, pues la duración de este

Diámetro Nominal (Pulg)

Diámetro Interior (mm)

176.20

PE (psi)

100

RDE

Fecha de Prueba (dd/mm/aa)

1-5 y 8-10/10/2012

Duración de la Prueba

69h 40min

Presión de Prueba (Bar)

1.95 -2.05

Tiempo desde que falló la tubería hasta que se
detiene la prueba

34 min

Promedio de Caudales (L/s)

1.3560

Peso del material dentro de la tubería (g)

N/A

Dimensiones del orificio o perforación
Ancho (mm)

6.82

Largo (mm)

7.04

Dimensiones de la zona desgastada
Ancho* (mm)

41,24 - 53,17

Largo (mm)

153.11

Caracterización del hundimiento del suelo
Ancho (cm)

Largo (cm)

143

Profundidad (cm)

PRUEBA NÚMERO 12

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105

experimento fue casi 3 veces mayor que la del tubo metálico. Resulta bastante curioso que
la  diferencia  entre  ambas  superficies  varíe  tanto  al  modificar  esta  variable  de  entrada,  no
obstante, ya se había advertido que existe incertidumbre en el proceso general, y ésta podría
generar estas discrepancias.

Es  importante  mencionar  que  las  tuberías  de  polietileno  no  son  completamente  rectas,  y
presentan  cierta  curvatura  en  la  dirección  paralela  al  flujo  de  la  lámina  de  agua.  En
consecuencia, cuando se instalaba la flauta el chorro no salía como se esperaba, sino que se
alejaba de la pared del prototipo gracias a que esta era cóncava hacía arriba (para entender
esto revisar la  Figura 5-49). Para contrarrestar este efecto se manipuló la flauta y  el tubo
para minimizar el error, y aunque se redujo considerablemente el espacio entre la boquilla y
la pared, llegaba un punto en el que se volvía a percibir la deflexión.

Después de la prueba 11, se pensó que esta medida había eliminado cualquier imperfección
del montaje. Sin embargo, tras revisar los resultados de este ensayo, y evidenciar que éstos
son inconsistentes con los del hierro dúctil, tal como se explicó previamente, se piensa que
la  curvatura  de  la  tubería  sí  pudo  haber  afectado  las  condiciones  del  experimento,  y  por
ende, esto podría ser una de las causas de las diferencias.

Para  conocer  la  incertidumbre  de  los  resultados,  en  primer  lugar  se  debería  realizar  un
análisis de sensibilidad de cada una de las variables de entrada, que defina qué tanto afecta
cada una a los valores finales. Y en segundo lugar, sería útil repetir múltiples veces uno o
dos ensayos, dejando constantes los parámetros iniciales en cada uno de los casos, para así
poder evaluar qué tanto  coinciden los datos  de salida en las distintas iteraciones,  y cuáles
podrían ser las causas de las posibles diferencias.

Figura 5-49. Vista de la ubicación inicial de la boquilla de la flauta en las pruebas con tuberías de polietileno.

En cuanto al orificio, se puede decir que las dimensiones de éste son más pequeñas que
aquellas de la tubería de 6” en hierro dúctil, cuya presión de prueba era de 2 Bar. Las

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reducciones fueron de casi el 50% en el largo y del 13% en el ancho, respecto a la abertura
de de la prueba 7 (ver la Figura 5-50 y la Figura 5-51). Para tener una mejor idea de estas
magnitudes, en la  Figura 5-52 se ilustra el tamaño de la  perforación en comparación con
una moneda de un centavo de dólar de Estados Unidos.

La  zona  desgastada,  por  el  contrario,  es  más  grande  en  la  tubería  de  polietileno  en
comparación con la de hierro dúctil. El largo de la primera es dos veces más grande que el
de la segunda,  y para el caso del ancho,  la relación varía dependiendo del lugar donde se
haga el análisis. Si la medición se hace en la zona central o en la parte más alejada de la
flauta  (41.24  mm  tal  como  se  muestra  en  la  Figura  5-50),  la  medida  será  un  22%  menor
que aquella en la superficie metálica. No obstante, si se realiza la medición en la zona más
cercana a la flauta (53.17), el valor será prácticamente el mismo.

Figura 5-50. Vista de la zona desgastada y el orificio de la prueba 12. La medición del ancho de la región afectada

se hace en la parte más angosta. (La flauta se encontraba en la parte superior de la imagen).

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Figura 5-51. Vista de la zona desgastada y el orificio de falla de la prueba 12 (La flauta se encontraba en la parte

derecha de la imagen).

Figura 5-52. Vista de la zona desgastada y el orificio de falla de la prueba 12 con relación a una moneda de centavo

de dólar (La flauta se encontraba en la parte derecha de la imagen).

Es importante mencionar que una vez más, la dirección del área de falla no coincide con el
eje de la tubería, sino que está inclinada algunos grados respecto a éste. Lo anterior sólo
sucedió para tuberías en polietileno, en las cuales, por alguna razón después de un punto la
abrasión no es paralela al chorro de agua. De igual forma, la región desgastada vuelve a dar
la impresión de ser mucho más profunda que cualquier otra encontrada previamente.

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Respecto al hundimiento del suelo, en la Figura 5-53 se puede ver que el tamaño de éste
aumentó considerablemente en comparación con el de la prueba 11, y en general, es mucho
más  grande  que  cualquier  otro  que  se  haya  encontrado  anteriormente.  Las  dimensiones
exactas  fueron  20  cm  de  profundidad,  143  centímetros  de  largo  y  70  cm  de  ancho.  Es
importante aclarar que la magnitud del ancho del hundimiento de la arena pudo haber sido
mucho mayor;  sin embargo, el tamaño del tanque limitó el crecimiento de su volumen.

Por otro lado, si se observa detalladamente la Figura 5-53 y la Figura 5-54, se puede ver
que  un  hundimiento  del  suelo  de  este  tamaño  representa  una  amenaza  enorme  para
cualquier red. Es importante mencionar que parte de este se formó gracias al material que
ingresó a la tubería, lo cual en la vida real no sucedería porque la presión interna del tubo
no lo permitiría. No obstante, otra parte se generó gracias al lavado de las partículas finas o
reacomodación de partículas al interior del tanque, a causa del chorro de agua que sale de la
boquilla.

Esto se puede comprobar al revisar que el volumen de material extraído del interior de la
tubería  12  (Figura  5-55),  no  alcanzaría  para  llenar  el  espacio  vacío  que  se  mostró  en  la
Figura  5-53  y  la  Figura  5-54.  Asimismo,  las  pruebas  3  y  8,  en  las  cuales  no  hubo
perforación pero si bajó el nivel de la arena en el tanque, confirman que el chorro de agua
hace bajar el nivel de arena en el tanque sin importar la formación o no de un orificio. La
consecuencia de esto es que si se llega a dar un caso real con dimensiones similares a las
encontradas en la prueba 12, se podría generar una catástrofe debido al colapso de una vía o
una estructura pequeña, cuyos soportes se encuentren cercanos a la fuga.

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Figura 5-53. Vista en planta del hundimiento del suelo de la prueba 12.

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Figura 5-54. Vista del hundimiento del suelo de la prueba 12 en dirección inversa al flujo del chorro de agua.

Figura 5-55. Material encontrado dentro de la tubería de la prueba 12.

Vale la pena aclarar que debido a que en esta prueba no pasó mucho material del tanque a
la tubería, no había razones para realizar un análisis granulométrico del mismo. No
obstante, en la Figura 5-55 se puede apreciar la muestra de partículas sólidas encontrada al
interior del prototipo después de haber finalizado la prueba 12.

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5.13 Prueba número 13. Tubería de 6” en Hierro dúctil.

Después de haber llevado a cabo los ensayos en tuberías de polietileno, se tomó la decisión
de repetir el experimento número 8, cuya duración excedió considerablemente los rangos
de valores esperados. Las condiciones de prueba fueron exactamente las mismas a las
definidas para ese caso; un tubo de 6” de diámetro en hierro dúctil, y una presión del agua
antes de la flauta de 1.5 Bar.

Tabla 5-19. Resumen de los resultados de la prueba número 13.

* Es importante aclarar que en esta prueba se tomó tan sólo una muestra representativa del total del

material que atravesó la perforación y salió del tanque. Este material fue pesado y ese valor es el que se

muestra en la tabla. La razón para haber analizado sólo una parte del total, es que en esta ocasión la

cantidad de material encontrado fue muy grande, y resultaba poco práctico realizarle un estudio

granulométrico a todo el volumen.

Diámetro Nominal (Pulg)

Diámetro Interno Mortero (mm)

149.93

Diámetro Interno Hierro (mm)

155.35

Diámetro Externo (mm)

169.87

Espesor de Pared Hierro (mm)

7.26

Espesor de Pared Total (mm)

9.97

Fecha de Prueba (dd/mm/aa)

18 al 24/10/12

Duración de la Prueba

39 h 48 min

Presión de Prueba (Bar)

1.5- 1,6

Tiempo desde que falló la tubería hasta que se
detiene la prueba

29 min

Promedio de Caudales (L/s)

1.0770

Peso del material dentro de la tubería (g)*

4689*

Dimensiones del orificio o perforación
Ancho (mm)

10.07

Largo (mm)

21.47

Dimensiones de la zona desgastada
Ancho (mm)

33.33

Largo (mm)

107.44

Caracterización del hundimiento del suelo
Ancho (cm)

Largo (cm)

122

Profundidad (cm)

PRUEBA NÚMERO 13

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La duración de la prueba fue de aproximadamente 40 horas, equivalente al 26% del valor
del experimento número 8. Dado este resultado, queda en evidencia la gran incertidumbre
que  se  presenta  en  los  resultados  de  este  tipo  de  ensayos.  Igualmente,  es  de  suponer  que
durante  el  proceso  no  se  están  teniendo  en  cuenta  todas  las  variables  que  influyen  en  el
resultado final, o al menos no se están analizando de la forma adecuada.

Figura 5-56. Vista del orificio y de la zona desgastada de la tubería 13 con relación a una moneda de un centavo de

dólar (la flauta estaba ubicada en la parte derecha de la imagen).

Además  de  la  gran  diferencia  en  el  tiempo,  respecto  a la  prueba  8,  también  se  obtuvo  un
orificio  cuyas  dimensiones  no  se  habían  alcanzado  antes.  En  la  Figura  5-56  se  puede
observar  que  en  este  experimento  la  perforación  llega  a  tener  un  área  superior  a  la  de  la
moneda de un centavo de dólar, cuando en los otros casos ni siquiera se había acercado a
esta magnitud. Las dimensiones de éste fueron de 10.07 mm de ancho y 21.47 mm de largo,
valores que no se habían alcanzado en ningún otro caso.

La razón para que se haya presentado este comportamiento es que el tiempo desde  que se
rompió la pared hasta que se detuvo la prueba fue de 29 minutos, es decir, más de dos veces
el  de  la  prueba  7.  Aún  así,  sigue  resultando  sorpresivo  el  cambio  tan  drástico  entre  una
situación en la que no se rompe la tubería después de 150 horas, y otra en la que se presenta
una perforación de grandes proporciones en menos de 40 horas.

Por otra parte, las dimensiones encontradas en la zona desgastada fueron de 33.33 mm a lo
ancho y 107.44 mm a lo largo. Resulta contradictorio que al realizar la comparación con la
prueba  8  se  obtenga  una  disminución  del  41.37%  y  un  aumento  del  15.83%
respectivamente.  Se  podría  pensar  que  al  haber  estado  menos  horas  en  prueba,  la  región
erosionada  sería  más  pequeña,  a  pesar  que  la  perforación  haya  aumentado.  Pero  surge  la
pregunta  de  por  qué  no  disminuyó  la  longitud  de  la  zona  afectada.  Una  vez  más,  este

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análisis muestra la gran varianza que se puede llegar a presentar en los resultados el
experimento.

Figura 5-57. Vista del orificio y de la zona desgastada de la tubería 13 (la flauta estaba ubicada en la parte derecha

de la imagen).

Por otro lado, si se mira con detenimiento la Figura 5-56 en conjunto con la Figura 5-57,
resulta relevante detallar que en la región cercana a la boca de la flauta, el material abrasivo
desgastó considerablemente la pared y estuvo a punto de generar una perforación de mayor
tamaño. En esta zona se puede ver que la superficie metálica desapareció, y únicamente
queda la capa protectora de mortero.

Figura 5-58. Hundimiento del suelo de la tubería 13.

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Respecto  al  hundimiento  del  suelo,  se  debe  decir  que  éste  fue  de  dimensiones
considerables, pero no logró superar el de la prueba 12. El de este caso parece ser un poco
más  profundo,  no  obstante,  las  otras  dos  magnitudes  son  mucho  menores.  Las  medidas
exactas fueron de 70 cm a lo ancho, 122 cm a lo largo y 23 cm de profundo, teniendo así un
aumento  del  14.75%,  27.08%  y  21.05%  respectivamente,  comparando  con  el  octavo
experimento.

Antes  de  entrar  en  el  análisis  granulométrico  de  esta  prueba,  vale  la  pena  mencionar  que
teniendo en cuenta las grandes diferencias entre la prueba 8 y la 13, se decidió analizar la
posición de la flauta en cada uno de los casos. De esta forma se buscaba revisar si un error
en el montaje tuvo algo que ver con las variables de salida. Para fortuna de la investigación,
la  Figura  5-59  y  la  Figura  5-60,  muestran  que  en  ambos  casos,  la  flauta  se  encontraba
ubicada en el mismo lugar, por ende, las discrepancias se deben a un factor endógeno del
fenómeno y no a una falla en el montaje.

Figura 5-59. Ubicación de la flauta en la prueba 13.

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Figura 5-60. Ubicación de la flauta en la prueba 8.

Figura 5-61. Estado del hundimiento del suelo tras las primeras 26 horas de la prueba 13.

Por otro lado, sabiendo que esta era la última prueba de la investigación, se decidió estudiar
cuál  era  la  influencia  de  la  presión  en  la  formación  del  hundimiento  del  suelo.  Para
conseguir  esto,  se  detuvo  temporalmente la  prueba  13  cuando  habían  pasado  26  horas,  se
retiró  la  tapa  superior  del  tanque,  y  sin  modificar  de  ninguna  forma  las  condiciones  al
interior  del  montaje,  se  midieron  las  dimensiones  del  hundimiento  de  arena  en  la  parte
superior. En la Figura 5-61 se ilustra el caso de estudio, en la imagen se puede ver que las
medidas se tomaron sin retirar el agua, pues esto podría afectar la muestra y con esto podría
llegar a sesgar los resultados finales.

Al hacer este procedimiento se aisló la variable de presión de la prueba, y se pudo estudiar
las diferencias de los resultados entre este caso y el experimento 3. En ambas situaciones la

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cantidad de tiempo de exposición al chorro era la misma, y ninguno de los dos casos había
fallado, por ende, el único parámetro que explica las diferencias entre los valores de salida
de una y otra es la presión de prueba. Los resultados se pueden ver en la Tabla 5-20, en ella
es evidente que al haber triplicado la presión, los valores aumentaron en un 200% respecto
a los de la prueba 3. Con esto, queda demostrado que esta variable es un factor importante
que dispara la reacomodación del suelo, y de esta forma impulsa el hundimiento del nivel
de arena.

Tabla 5-20. Dimensiones del hundimiento del suelo después de 26 horas de prueba.

5.13.1 Granulometría

En  la  Figura  5-62  se  muestra  el  tipo  de  material  que  salía  de  la  zona  cercana  a  la  flauta
cuando  se  estaba  desmontando  la  tubería.  Una  vez  más,  es  evidente  que  en  esta  muestra
existe un número de partículas gruesas mucho mayor al de la original.  Como consecuencia
de esto, y también al hecho de que se encontró una gran cantidad de material al interior de
la tubería, se decidió realizar un análisis granulométrico; los resultados de este se muestran
en la Tabla 5-21.

Figura 5-62. Material encontrado cerca de la zona de falla, durante el desmontaje de la tubería 13.

Ancho (cm)

Largo (cm)

102

Profundidad (cm)

Caracterización del hundimiento del suelo a las 26 horas

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Tabla 5-21. Análisis granulométrico de la prueba 13.

En la Tabla 5-21, se muestran los resultados de la granulometría de la prueba 13. En ella es
evidente que la muestra es mucho más gruesa que la mezcla original, tal cual ha sucedido
con los distintos casos. Asimismo, se puede ver que el material es poco uniforme (Cu > 3),
pero está bien gradado. Estos datos se pueden confirmar al revisar la Gráfica 5-17, y la
Figura 5-64; en la primera se ve como la curva roja está muy por debajo de la azul, y en la
segunda es evidente que el número de partículas de gran diámetro ha aumentado con
respecto a las que se quedaron en el tanque.

Gráfica 5-17. Curva granulométrica de la prueba 13.

4.750

31.14

1459.95

31.14

68.86

2.360

30.92

1449.84

62.06

37.94

2.000

5.60

262.69

67.66

32.34

0.850

14.65

687.03

82.31

17.69

0.600

5.17

242.48

87.48

12.52

0.420

3.45

161.65

90.93

9.07

0.250

6.46

303.10

97.39

2.61

0.150

100

0.82

38.43

98.21

1.79

0.075

200

1.74

81.46

99.95

0.05

0.000

Fondo

0.05

2.35

100

0.00

D60

4.065

8.676

1.732

% Acumulado que

pasa

Coeficientes de la

muestra

D10

0.468

D30

1.816

Abertura (mm)

# Tamiz

% Parcial Retenido

Peso Retenido (g)

% Acumulado

Retenido

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

0.010

0.100

1.000

10.000

(

)

Long (mm) Huecos del Tamiz

MUESTRA

Prueba 13

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Figura 5-64. Fotografía del material encontrado dentro de la tubería de la prueba 13.

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6. ANÁLISIS DE RESULTADOS

A  lo  largo  de  esta  sección  se  analizan  los  principales  resultados  que  arrojó  la  presente
investigación.  Para  esto,  se  tendrá  en  cuenta  la  información  mencionada  en  el  capítulo
anterior, y algunas gráficas y tablas que recogen las características  más relevantes de cada
prueba, y que también resumen las diferencias más importantes entre ellas.

En primer lugar,  vale la pena mencionar que los resultados muestran  que existe una clara
relación  entre  las  variables  de  entrada  y  las  de  salida.  A  medida  que  crece  la  presión  del
agua,  por  ejemplo,  la  duración  de  las  distintas  pruebas  tiende  a  disminuir
considerablemente.  En  la  Tabla  6-1  se  puede  ver  que  independiente  del  material  de  las
tuberías, o cualquier otro parámetro de entrada, el tiempo requerido para que se  genere la
perforación en una superficie disminuye a medida que la presión aumenta. Las diferencias
pueden ser pequeñas, como aquella entre la prueba 1 y 2 que fue de alrededor de una hora,
o  también  pueden  llegar  a  ser  de  hasta  10  o  más  horas,  como  aquellas  que  hay  entre  los
experimentos 7 y 13.

De  igual  forma,  el  tamaño  de  las  tuberías  es  un  parámetro  que  influye  en  el  tiempo
requerido  para  que  el  prototipo  falle.  Una  vez  más,  en  la  Tabla  6-1  se  puede  ver  que  a
medida  que  crece  el  diámetro  de  los  tubos  de  PVC,  el  tiempo  hasta  el  final  de  la  prueba
aumenta. Es más, si se revisa la misma tabla, se puede ver que la diferencia más grande en
las duraciones de prueba para un mismo material, se encuentra entre los casos de 4” y 6” de
PVC  con  0.92  Bar,  esto  querría  decir  que  el  resultado  final  es  mucho  más  sensible  a este
parámetro que al anterior.  No obstante,  es prematuro realizar este tipo de  afirmaciones  ya
que la incertidumbre del proceso ha mostrado ser bastante grande, y también  porque hace
falta evaluar cómo se dan estas variaciones en otros materiales.

Otra variable bastante relevante en esta investigación; es el tiempo que pasa desde que falla
la tubería hasta que se detiene la prueba. Sin embargo, esta sobresale entre las demás ya que
es muy difícil manipularla para que tenga un valor determinado. Tal como se mencionó en
el  Capítulo  5,  este  periodo  de  tiempo  varía  bastante  al  depender  de  que  alguien  se  de
cuenta de la falla y detenga la circulación del agua. Aún así, es importante tenerlo en cuenta
pues influye en resultados como las dimensiones de; los orificios, la zona desgastada  y el
hundimiento del suelo.

El  material  de  la  tubería  es  la  última  variable  de  entrada  que  influye  en  los  resultados
finales,  a  priori,  esta  era  la  más  importante  pues  representaba  uno  de  los  principales
objetivos  de  la  investigación.  La  respuesta  a  esta  interrogante  también  se  encuentra  en  la
Tabla  6-1,  el  PVC  es  el  material  más  vulnerable  a  fallar  ante  los  efectos  de  la  abrasión
externa. El área de falla de estas superficies es, por lo general, el que resulta más afectado,
ya que para presiones relativamente bajas presenta perforaciones de gran tamaño, y  zonas
desgastadas  mucho más grandes.  La diferencia entre el polietileno y el hierro dúctil no es

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tan  evidente,  no  obstante,  parece  que  tal  como  se  encontró  en  la  literatura,  el  primero  es
levemente superior al segundo.

Por otro lado, es muy importante mencionar que el grado de incertidumbre de los resultados
está  lejos  de  ser  el  ideal.  En  la  Tabla  6-1  se  ve  que  la  variabilidad  de  los  datos  es  muy
grande, y siempre hay excepciones a las tendencias identificadas. Esto significa que se debe
ser  precavido  a  la  hora  de  generar  las  conclusiones,  porque  la  información  podría  tener
algún  porcentaje  de  error.  Buscando  mejorar  este  panorama  a  futuro,  se  mencionan  a
continuación  ciertos  aspectos  del  fenómeno  que  no  se  tuvieron  en  cuenta  durante  este
trabajo, pero que a la luz de los resultados podrían estar relacionados con las imprecisiones.

En primer lugar, se cree que el grado de compactación de la arena puede llegar a influenciar
el resultado final. Tal como se explicó en la Sección 3.4, en esta oportunidad esta actividad
se  desarrolló  de  una  forma  bastante  informal,  utilizando  una  herramienta  fabricada  en  el
laboratorio.  No  se  tuvo  en  cuenta  ninguna  normativa,  por  ende  nunca  se  controló  que  la
cantidad  de  material  y  la  energía  utilizada  para  apisonar  fuera  la  misma.  Esto  se  hizo  de
esta  forma  porque  es  la  metodología  común  en el medio  local,  no  obstante,  gracias  a  ella
cada  caso  podía  llegar  a  tener  una  cantidad  de  arena  distinta,  con  una  densidad  global
diferente.

Asimismo, la presión al interior del tanque puede llegar a influenciar el resultado final. No
se  debe  confundir  este  parámetro  con  la  presión  del  agua  antes  de  la  flauta,  la  cual  era
controlada  estrictamente  por  medio  de  los  manómetros  digital  y  análogo.  Esta  variable
representa las condiciones del agua al interior del tanque, una vez ha salido por la boquilla
de la flauta. En algunos casos, el filtro a la salida del  montaje limitaba mucho el flujo de
agua y obligaba a aumentar bastante la presión dentro de la estructura para poder descargar
el caudal. En otros casos, por el contrario, el filtro no era tan restrictivo y se podía transitar
la misma magnitud sin necesidad de presurizar el tanque.

La dirección en la que sale expulsada el agua también puede ser un factor a tener en cuenta,
ya  que  puede  influenciar  la  velocidad  con  que  se  va  creando  el  orificio.  Durante  esta
investigación  se  supuso  que  ésta  se  fuga  de  forma  paralela  a  la  tubería,  no  obstante,  los
resultados  pudieron haber sido diferentes dado el caso que esta lámina  hubiese impactado
directamente la superficie, o que por el contrario  hubiese salido de forma divergente. Esto
aplica más que todo para los tubos en polietileno, cuya curvatura puede darles una ventaja
frente a sus competidores.

Estos son apenas algunos de los muchos factores que se pudieron haber quedado por fuera
del análisis, y que surgen como hipótesis a partir de esta investigación. Otros podrían estar
relacionados con aspectos propios del diseño del montaje como la forma de la flauta o las
dimensiones  de  la  boquilla.  Si  se  desea  entender  completamente la  ciencia  de  la  abrasión
externa, se deben contemplar todos estos aspectos a la hora de repetir las pruebas, y sobre
todo a la hora de revisar los resultados.

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______________________________________________________________________________
DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA A LA ABRASIÓN DE TUBERÍAS DE REDES DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE COMO CONSECUENCIA DE
FUGAS EN CONEXIONES

121

NÚMERO DE LA
PRUEBA

Material

PVC

Hierro

Dúctil

Hierro

Dúctil

PVC

Polietileno

Hierro
Dúctil

Diámetro Nominal
(pulg)

Espesor (mm)

3.12

4.62

9.97

5.99

11.9

9.97

Presión de la prueba
(Valor promedio en
Bar)

0.92

1.17

0.57

1.17

0.92

2.00

1.55

1.17

1.55

2.00

1.55

Duración de la
prueba

4h 10 min

3h 4 min

26 h 22min

17 h 44 min

7h 51min

26h 38min

24h 32min

150 h

2h 30min

6 h 50 min 79 h 5 min

69h 40min

39 h 48 min

Dimensiones del
orificio o
perforación

Ancho (mm)

5.26

7.40

N/A

4.66

9.34

7.94

3.34

7.87

4.33

4.71

5.79

6.82

10.07

Largo (mm)

12.79

20.90

N/A

10.03

14.46

15.91

8.48

13.89

22.87

14.65

8.93

7.04

21.47

Dimensiones de la
zona desgastada

Ancho (mm)

38.74

45.80

42.08

35.51

43.37

44.11

53.29

57.2

23.11

43.49

55.22

41.24

53.17

33.33

Largo (mm)

62.33

66.29

49.20

49.73

71.5

62.42

73.07

92.75

95.11

86.86

131.87

153.11

107.44

Caracterización del
hundimiento del
suelo

Ancho (cm)

N/A

Largo (cm)

N/A

143

122

Profundidad (cm)

N/A

Tiempo desde que
falló la tubería hasta
que se detiene la
prueba

N/A

11 min

N/A

1h 9 min

1h 49 min

4 min

13 min

30 min

5 min

20 min

34 min

29 min

Peso del material
dentro de la tubería
(g)

N/A

9200.47

N/A

20980.75

N/A

17340

7035

N/A

7980

N/A

4689

Tabla 6-1. Resumen de los resultados de la totalidad de las pruebas.

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122

Otro tema que vale la pena comentar a raíz de los resultados, es el lavado de las partículas
finas, también llamado reacomodación de las partículas. En un principio, se podría pensar
que  una  muestra  de  arena  de  las  condiciones  de  la  mezcla  original  sería  incapaz  de
conseguir  estos  resultados,  o  al  menos  en  estos  periodos  de  tiempo.  No  obstante  en  la
Tabla  6-2  y  la  Gráfica  6-1,  se  evidencia  que  el  chorro  de  agua  separa  las  partículas
pequeñas y deja en la zona aledaña a la boquilla únicamente las más gruesas, aumentando
así la capacidad del remolino para erosionar la superficie del tubo. Se debe advertir que no
se hizo análisis granulométrico del material que aparecía en el tanque, sino que se supuso
que este coincidía con el que se encontraba dentro de las tuberías.

Estas distribuciones parecen relacionarse con otras variables, como las dimensiones de los
orificios o el tiempo que pasa desde que falla la tubería hasta que se detiene la prueba. No
obstante, una vez más parece haber gran incertidumbre alrededor del proceso, pues siempre
aparecen excepciones a las tendencias que se presentan. Por ejemplo, se podría decir que la
muestra de cada prueba se torna mucho más gruesa a medida que aumentan las medidas de
las  perforaciones,  pero  el  experimento  9  contradeciría  esta  afirmación.  A  pesar  que  las
medidas  de  este  último  son  comparables  con  las  del  caso  2  y  el  13,  las  partículas  del
primero son de lejos más finas que las de los últimos.

Después de haber analizado la relación entre las variables de entrada y los resultados, vale
la pena examinar estos últimos a la luz de las condiciones reales. Lo primero que se debe
decir,  es  que  hay  ciertos  aspectos  del  montaje  que  podrían  alejarse  de  la  realidad,  y  por
ende  es  relevante  tenerlos  en  mente  al  analizar  los  resultados.  En  primer  lugar,  es
fundamental  tener  en  cuenta  que  durante  las  pruebas  realizadas  en  esta  investigación,  el
prototipo no se encontraba presurizado, tal como sucede con los tubos de redes reales. Esto
permitió  que  las  perforaciones  crecieran  paulatinamente  como  se  vio  en  cada  una  de  las
pruebas. En la realidad, llegaría un punto en el  que la debilidad estructural de la pared no
soportaría la presión interna, y sería el agua dentro del ducto la que rompería la superficie,
muy probablemente, en condiciones distintas a las evidenciadas en este trabajo.

En segundo lugar, se debe decir que cuando se ponen a prueba las tuberías de polietileno, se
está suponiendo que en este material se pueden generar el mismo tipo de fugas que en los
otros.  No  obstante,  esto  no  es  cierto  porque  sus  uniones  no  se  dan  a  partir  de  accesorios
sino a partir de procesos de termofusión o electrofusión.

En este escenario, el fenómeno se podría presentar en otros lugares de la red como en los
puntos  de  las  acometidas  domiciliarias,  no  obstante,  las  condiciones  y  consecuencias  del
mismo podrían ser diferentes. Sería importante investigar la factibilidad de que se produzca
una fuga en una conexión de dos tuberías de polietileno, y aun más, la posibilidad de que
bajo ese contexto se de la abrasión en la superficie.

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______________________________________________________________________________
DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA A LA ABRASIÓN DE TUBERÍAS DE REDES DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE COMO CONSECUENCIA DE
FUGAS EN CONEXIONES

123

PRUEBA

Mezcla Original

Abertura (mm)

# Tamiz

% Parcial Retenido en cada tamiz para cada prueba

4.750

9.10

8.38

8.98

0.16

3.76

31.14

2.360

34.99

25.25

22.74

8.00

31.87

30.92

2.000

4.37

5.43

4.25

4.57

8.78

5.60

32.68

0.850

23.56

20.59

18.57

28.58

23.59

14.65

17.64

0.600

9.99

10.25

10.08

18.00

6.27

5.17

10.56

0.420

6.04

8.58

12.42

14.57

3.26

3.45

4.11

0.250

8.61

11.78

13.06

21.43

6.78

6.46

17.77

0.150

100

2.68

7.77

8.28

3.43

7.78

0.82

9.45

0.075

200

0.57

1.57

1.20

1.14

7.78

1.74

5.48

0.000

Fondo

0.09

0.39

0.42

0.11

0.05

2.31

Tabla 6-2. Porcentajes del material retenido en cada tamiz (respecto al peso total de cada muestra) para cada una de las pruebas y para la mezcla

original.

Gráfica 6-1. Curvas granulométricas de todas las pruebas y de la mezcla original.

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

0.100

1.000

10.000

cent

asa

(

)

Apertura del tamiz (mm)

Prueba 2

Prueba 5

Prueba 7

Prueba 9

Prueba 11

Prueba 13

Mezcla Original

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Asimismo, vale la pena mencionar que la presión del agua en la boquilla de la flauta no es
la misma que la que se mide en la tubería de entrada al montaje. Este último valor se toma
como referencia para comparar el prototipo con los tubos reales, porque probablemente, la
presión  interior  en  éstos,  tampoco  coincide  con  la  del  chorro  de  agua  que  se  escapa.  El
cambio  en  el  área  transversal,  y  las  pérdidas  menores,  seguramente  obligan  a  variar  esta
magnitud entre los dos puntos, no obstante, puede que la variación en la situación real no
sea la misma que la simulada en el modelo de laboratorio.

En otras palabras, se quiere decir que por más que la presión de entrada al montaje coincida
con  la  presión  del  ducto  real,  es  posible  que  ambos  chorros  de  agua  presenten  pequeños
desfases  en  el  valor.  Esto  probablemente  no  generé  mayores  cambios  en  los  resultados
finales,  pero  es  importante  tenerlo  en  cuenta  para  conocer  las  condiciones  en  las  que  se
desarrollaron las distintas pruebas en el laboratorio.

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7. CONCLUSIONES

A  partir  de  esta  investigación  se  puede  concluir  que  la  abrasión  externa  se  trata  de  un
remolino de material particulado que impacta constantemente la superficie de una tubería.
Esto se da por efecto de un chorro de agua que sale a altas presiones desde una conexión
errónea  entre  dos  tuberías,  o  una  estructura  similar.  Se  sabe  que  en  esta  zona  se  da  un
lavado  de  las  partículas  finas,  y  que  únicamente  las  más  grandes  son  las  que  se  quedan
erosionado la zona mencionada. La lámina del fluido no tiene que impactar directamente la
tubería  para  generar  el  fenómeno,  pero  posiblemente  el  ángulo  de  expulsión  del  agua
influye en los resultados finales.

También  se  puede  concluir  que  existen  tendencias  claras  al  estudiar  por  separado  las
variables  de  entrada  del  modelo  físico  y  los  resultados.  No  obstante,  cuando  se  busca
describir  el  comportamiento  global  del  fenómeno,  teniendo  en  cuenta  combinaciones  de
parámetros  iniciales  y  no  valores  independientes,  resulta  mucho  más  difícil  predecir  cuál
será el resultado final.

Esto se debe, en parte, a que este fenómeno está rodeado de bastante incertidumbre. No es
claro cuál de los parámetros iniciales tiene más relevancia en cada uno de los de salida;
siempre hay excepciones que rompen las tendencias que se vienen presentando. La solución
más factible para esto es llevar a cabo un mayor número de pruebas; en las que se haga un
análisis de sensibilidad de cada una de las variables de entrada, trabajando con rangos de
valores de entrada más grandes.

Al extrapolar los resultados del laboratorio a las situaciones reales, lo primero que se debe
decir es  que  sin  importar el  material,  o  cualquier  otro  de los  parámetros  iniciales,  a  largo
plazo  todas  las  tuberías  fallan  debido  a  los  efectos  de  la  abrasión  externa.  Los  resultados
encontrados  en esta  investigación evidencian  diferencias  entre las  distintas  superficies,  no
obstante,  estas  son  relevantes  únicamente  a  corto  plazo.  En  la  realidad  los  tubos
permanecen  años  o  décadas  enterrados,  por  ende  el  hecho  de  que  fallen  20  o  100  horas
después es totalmente irrelevante porque finalmente todas fallarán.

A partir de esto, se puede afirmar que no se debe buscar la solución a este problema en los
materiales de las tuberías. Por el contrario, lo que se debe hacer es optimizar la calidad  de
las conexiones, y capacitar a los operadores para que realicen bien su trabajo y no cometan
errores durante el proceso constructivo, de esta forma se impedirá la aparición de las fugas
y sólo así se evitará la abrasión externa.

Por otro lado, es importante tener en cuenta los distintos efectos colaterales del proceso que
fueron identificados a partir de esta investigación. El primero de ellos, la pérdida de agua y
presión en la red ya se esperaba, por ende no vale la pena profundizar en él; se supone que
genera  las  mismas  consecuencias  que  cualquier  otro  tipo  de  fuga.  En  segundo  lugar,  se

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encuentra  la  posible  contaminación  del  agua  de  la  red  a  causa  de  sustancias  que  se
encuentren disueltas en el suelo. Esta situación no es muy común debido a que en una  red
real las altas presiones al interior obligan al agua a salir, y es muy difícil que se de el caso
contrario.  No  obstante,  pueden  darse  excepciones  en  las  que  las  condiciones  hidráulicas
permiten que ciertos solutos pasen del suelo a la red y contaminen el fluido.

En tercer lugar, es importante mencionar un aspecto exclusivo de las tuberías metálicas. A
lo largo de esta investigación fue evidente que una vez se pierde el recubrimiento del hierro
dúctil,  la  superficie  que  está  en  contacto  directo  con  el  agua  empieza  a  oxidarse.  En
consecuencia, a mediano plazo el debilitamiento estructural de la pared no se  limitaría a la
zona desgastada, sino que se espera que éste se expanda hacia todas las regiones donde se
ha perdido el recubrimiento. Si esto se analiza junto con los efectos de la presión interna del
ducto, a largo plazo, ambos significarían un problema de gran magnitud para cualquier red.

La cuarta consecuencia, quizás la más grave, son los cambios drásticos en las condiciones
del suelo alrededor de la tubería. A priori se sabía que el escape de agua a través del orificio
afectaría la humedad de la arena, y con esto, modificaría la resistencia de la misma. De esta
forma, cualquier estructura que tuviera sus bases en esta zona podría verse afectada por  el
fenómeno. No obstante, nunca se contempló que se diera el lavado de las partículas finas, y
que  esto  generara  hundimientos  del  suelo  de  tamaño  considerable,  aún  sin  que  se
presentaran perforaciones.

Si  se  piensa  que  en  la  realidad,  el  chorro  de  agua  continúa  lavando  la  arena  por  mucho
tiempo,  se  podría  pensar  que a  mediano o  largo  plazo,  el  hundimiento  podría  llegar  a  ser
muy grande. Eso en el mejor de los contextos, pues dado el caso de que la presión interna
de  la  tubería  haga  reventar  la  pared,  la  emergencia  podría  ser  aún  mayor.  De  esta  forma,
ambos escenarios representan una gran amenaza para la ciudad donde se encuentre la red,
pues pueden llegar a colapsar vías o estructuras en la superficie.

A  futuro,  los  estudios  de  abrasión  externa  deberían  tener  en  cuenta  los  aspectos  del
fenómeno  que  se  creyeron  poco  relevantes  durante  esta  investigación,  pero  también
deberían intentar  mejorar la  forma  en  la  que  el  montaje  simula  las  condiciones  reales.  Se
debería  estudiar  mucho  más  la  forma  como  se  dan  las  fugas  en  la  realidad,  para  que  la
flauta, y más que todo la boquilla, recreen de mejor forma la lámina de agua. Asimismo, se
debe pensar en la principal limitante de este modelo, el hecho de que la tubería con la que
se está experimentando no está presurizada. Si se quiere llegar a entender completamente la
ciencia de la abrasión externa,  se debe buscar la forma de hacer pasar agua al interior del
tubo, en condiciones similares a las presentadas en una red real.

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Determinación de la resistencia a la abrasión de tuberías

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