05-adutoras 2011-2

Renato Carlos Zambon

Ronan Cleber Contrera

Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

Departamento de Engenharia Hidráulica e Ambiental

PHD2412 - Saneamento II

ADUTORAS EM SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA

Curso de água

Rede da zona baixa

Rede da zona alta

Reservatório

Reservatórioelevado

Captação

Estaçãoelevatória


ETA

Adutora

Adutora deágua bruta

por recalque

Adutora para o reservatório da zona alta por recalque

Adutora para o reservatório dazona baixa por gravidade

2

CLASSIFICAÇÃO DAS ADUTORAS

Quanto à natureza da água transportada

Adutoras de água bruta

Adutoras de água tratada

Quanto à energia para a movimentação da água

Adutora por gravidade (conduto livre ou forçado)

Adutora por recalque

Adutoras mistas

3

ADUTORAS POR GRAVIDADEConduto Forçado

4

ADUTORAS POR GRAVIDADEConduto Livre

5

ADUTORAS POR GRAVIDADETrechos em Conduto Livre e Forçado

6

ADUTORAS POR RECALQUERecalque Simples

7

ADUTORAS POR RECALQUERecalque Duplo

8

ADUTORAS MISTASTrechos por Recalque e por Gravidade

9

VAZÃO DE ADUÇÃO

10

Curso de água

Qa

RedeCaptação


Estação deTratamento

Qa Qb Qc

1a e ETA

K PqQ Q C

86400

1b e

K PqQ Q

86400 1 2

c e

K K PqQ Q

86400

PERÍODO DE FUNCIONAMENTODA ADUÇÃO

As vazões indicadas correspondem a adução 24 h/dia;

Deverão ser maiores se o período for reduzido, por exemplo entre 16-20 h/dia em uma linha por recalque;

Pode haver economia com operação fora de horário de ponta do sistema elétrico (início da noite).

11

HIDRÁULICA PARA ADUTORAS

Equação da energia entre duas seções transversais de um escoamento (Bernoulli):

z: carga de posição, cota (m)

p/g: carga de pressão (m)

V²/2g: carga cinética (m)

DH: perda de carga (m)

12

2 2

1 1 2 21 1 2 2

2 2

p V p VH z H H z H

g gg g D D

Linha piezométrica

Linha de carga


13

Escoamento em conduto livre

Escoamento em conduto forçado


Equação da continuidade:

Q: vazão (m³/s)

V: velocidade média na seção (m/s)

S: área da seção de escoamento (m²)

Obs: em canais pode ser necessário acrescentar as perdas por evaporação...

14

1 1 2 2 constanteQ V S V S

ESCOAMENTO EM CONDUTOS LIVRESEquação de Manning

Q: vazão (m³/s)

n: coeficiente de Manning

S: seção molhada (m²)

RH: raio hidráulico (m)

I: declividade da linha de energia (m/m)

15

2/31HQ S R I

n

S e RH dependem dageometria da seçãoe da profundidade

resultante

RH = Seção molhada

Perímetro molhado

16

“Canal da Integração” / “Eixão das Águas” (Ceará, 255 km, 22 m³/s)

17

California Aqueduct (State Water Project)

Dos Amigos Pumping Plant (36 m x 437 m³/s, 715 km)

ESCOAMENTO EM CONDUTOS FORÇADOSFórmula de Hazen-Williams

Q: vazão (m³/s)

C: coeficiente de Hazen-Williams

D: diâmetro interno da tubulação (m)

j: perda de carga unitária (m/m)

18

2,63 0,540,2785Q C D j

Coeficiente de Hazen-Williams

19

ESCOAMENTO EM CONDUTOS FORÇADOSFórmula Universal

DH: perda de carga distribuída (m)

f: fator de atrito

L: comprimento da tubulação (m)

V: velocidade média (m/s)

D: diâmetro da tubulação (m)

k: rugosidade (m)

g: aceleração da gravidade (9,81 m/s²)

n: viscosidade cinemática (10-6 m²/s)

R: número de Reynolds

Q: vazão (m³/s)

20

2

2

4

2

QV

D

V DR

L VH f

D g

n

D


Escoamento laminar (R<2500):

Escoamento turbulento (R>4000, Colebrook-White):

Crítico (transição): pode ser adotada interpolação linear

21

64f

R

1 2,512 log

3,71f

k

D R f


Cálculo iterativo de f no escoamento turbulento, adota-se por exemplo f0=0,020, com poucas iterações o resultado converge:

Ou pode ser adotada a equação alternativa (Souza, 1986):

22

1

1 2,512 log

3,71iif

k

D fR

0,9

1 5,622 log

3,71

k

Df R

23

2

0,9

0,9

4 ;

64

1 5,622 log

3,71:

64 1 5,621 ; 2 log

2500 3,71 400

escoam

2500

4000

2500 400

ento laminar:

escoamento turbulento:

transição (interpolação linear):

0

02

Q V DV R

D

fR

k

D Rff

ff

R

R

k

R

D

n

2

25001 2 1

4000 2500

2

Rf f f f

L VH f

D g

D

Q,D,k,g,n V,R,f,DH

Perda de Carga (Fórmula Universal)

ESCOAMENTO EM CONDUTOS FORÇADOSPerdas Localizadas

24

2

2C

VH K

gD

TRAÇADO DA ADUTORA

25

O traçado da adutora deve levar em consideração:

Presença de vias e terrenos públicos, áreas de proteção ambiental;

Planta e Perfil (topografia);

Tipo de solo: rochas, várzeas, etc.;

Interferências e travessias (de rodovias, ferrovias, rios, etc.);

Material da tubulação, ventosas, descargas, blocos de ancoragem, proteção contra corrosão;

São favoráveis traçados que apresentem trechos ascendentes longos com pequena declividade (>0,2%), seguido de trechos descendentes curtos, com maior declividade (>0,3%);

Quando a inclinação do conduto for superior a 25%, há necessidade de se utilizar blocos de ancoragem para estabilidade do conduto (varia com o material e tipo de junta...);

A linha piezométrica da adutora em regime permanente deve situar-se, em quaisquer condições de operação, acima da geratriz superior do conduto.

TRAÇADO DA ADUTORA

26

PLANTA E PERFIL DE UMA ADUTORA

27

DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS por Gravidade em Conduto Forçado

28

descarga

ventosa

R1

R2

L.P. dinâmica

L.P. estática (Q=0)z1

z2DH

Obs1: as L.P. acima são efetivas, descontada patm/g

Obs2: quando a velocidade é baixa, a L.P. se confunde com a L.C.

Q,L,DH D

Fórmula universal

ou Hazen-Williams

DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS por Gravidade em Conduto Livre

29

R1

R2

L.P. acompanha

o nível d’águaz1

z2

DH/L=I

Q,L,DH

seção do canal pela

equação de Manning

Considerar remanso

se houver variações

DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS

30

Velocidades máximas

em condutos forçados:

3,0 a 6,0 m/s

DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS por Recalque

31

R

L.P. estática (Q=0)

L.P. dinâmica

z2DH

Q,L,DH=?,D=?EE

Hg


O diâmetro é hidraulicamente indeterminado...

Depende de aspectos econômico-financeiros:

32


Pré-dimensionamento pela “fórmula de Bresse”:

E o comprimento?

Desnível?

X

Material?

33

; K = 0,9 a 1,2D K Q

R

DH

EE

Hg

R

DH

EE

Hg


Recomendações para o estudo do diâmetro econômico da adutora:

Pré-dimensionamento do diâmetro e avaliação de alternativasconsiderando a vazão de projeto, o comprimento da adutora, o desnível geométrico, o material da tubulação

Análise econômica através do critério do valor presente

Consideração de todos os custos não comuns: tubulação, montagem, escavação e reaterro, equipamentos, energia elétrica

As obras comuns não necessitam ser consideradas

34

MATERIAIS DAS ADUTORAS

Aspectos que devem ser considerados na escolha:

Não ser prejudicial a qualidade da água

Alteração da rugosidade com o tempo (incrustação, etc.)

Estanqueidade

Resistência química e mecânica

Resistência a pressão da água (estática, dinâmica, transitórios)

Economia (não só custo da tubulação, mas instalação, aspectos construtivos, necessidade de proteção a corrosão, manutenção, etc.)

35

PRINCIPAIS MATERIAIS DAS TUBULAÇÕES

Materiais metálicos:

Aço

Ferro Fundido Dúctil

Materiais não metálicos:

Polietileno de Alta Densidade e Polipropileno (PE e PP)

PVC

Poliéster Reforçado com Fibra de Vidro (PRFV)

36

TUBULAÇÃO DE AÇO

37

Vantagens

• Alta resistência às pressões

internas e externas

• Estanqueidade (com junta

soldada)

• Vários diâmetros e tipos de

juntas

• Competitivo principalmente

em maiores diâmetros e

pressões

Desvantagens

• Pouca resistência à

corrosão externa

• Precauções para transporte

e armazenamento

• Cuidados com a dilatação

térmica

• Dimensionamento das

paredes dos tubos quanto ao

colapso

TUBULAÇÃO DE AÇO

Revestimentos externos

– FBE (Fusion Bonded Epoxy)

– Polietileno tripla camada

– Poliuretano tar

– Primer epoxy com alumínio fenólico

Revestimento interno

– Coaltar epoxy

38

– Flangeada

TUBULAÇÃO DE AÇO

• Tipos de juntas

– Soldada

– Elástica

(1) Junta soldada nas extremidades

(2) Junta soldada nas extremidades com anel

(3) Junta com solda dupla nas extremidades

(4) Junta com solda tipo copo

(5) Junta com solda nas duas extremidades

Junta soldada Junta elástica

39

TUBULAÇÃO DE FERRO FUNDIDO DÚCTIL

40

• Diâmetros: 16 opções de 50 a

1200 mm

• Comprimento: 6 a 8 m

• Classes: K-9, K-7 e 1 Mpa

• Revestimento interno com

argamassa de cimento

• Revestimento externo com

zinco e pintura betuminosa

• Tipos de juntas:

Elástica

Elástica travada

Mecânica

Flanges

TUBULAÇÃO DE FERRO FUNDIDO DÚCTIL

Detalhes das juntas de tubulações de ferro fundido dúctil

Junta elásticaJunta elástica travada

Junta mecânica Junta de flange

41

TUBULAÇÃO DE POLIETILENO

42

• Diâmetros: 30 opções de 16 a 1200 mm

• Comprimento: limitado pelo transporte,

até centenas de metros sem juntas

(emissários submarinos)

• Classes: 8 opções de 32 a 250 mca

• Sem revestimento interno ou externo

• Leve e flexível

• Estanqueidade

• Resistência química

• Resistência a abrasão

• Menor rugosidade

• Baixa celeridade (transitórios)

• Principais juntas em adutoras:

Solda termoplástica (topo)

Flanges

OPERAÇÃO DAS ADUTORAS

Condições operacionais:

Condição normal: condição prevista no projeto como manobra de válvulas, enchimento e esvaziamento da adutora, partida e parada do bombeamento, etc.

Condição emergencial: falha operacional de dispositivos

Condição catastrófica: acidente operacional com riscos a vida e/ou danos excepcionais como o a ruptura em um ponto baixo

43

ENCHIMENTO DE ADUTORAS

Condição para enchimento: expulsão plena de ar, com a gradativa e lenta admissão de água

Velocidade média para enchimento: 0,3 m/s

Válvulas para expulsão de ar: ventosas

44

ENTRADA DE AR EM ADUTORAS...

45

Nível muito

baixo

Descarga

superior com

introdução de ar

Formação

de vórtice

BLOQUEIO DE ADUTORAS

46

Consiste na paralisação do escoamento, ocasionada pela

existência de ar confinado nos pontos altos da adutora

Bloqueio da adutora por gravidade

Bloqueio da adutora por recalque

DESCARGA EM ADUTORAS

47

Descarga da adutora em galerias, valas e córregos

DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO DAS ADUTORAS

Blocos de ancoragens

Proteção contra corrosão

Proteção contra os transitórios hidráulicos

48

BLOCOS DE ANCORAGEM

Dimensionamento dos blocos - Dados necessários

• Resultante das forças (direção e intensidade)

• Tensão máxima admissível na parede lateral da

vala

• Coesão do solo

• Ângulo de atrito interno do solo

• Tensão máxima admissível pelo solo na vertical

• Peso específico do solo

• Especificações do concreto a ser utilizado

• Atrito concreto-solo

Critérios de cálculo

• Por atrito entre o bloco e o solo (peso do bloco);

• Por reação de apoio da parede da vala

(engastamento).

Forças envolvidas para o

dimensionamento de um bloco de

ancoragem

R = força resultante;

P = peso do bloco;

W = peso do aterro;

B = apoio sobre a parede da vala;

f = atrito sobre o solo;

M = momento de tombamento.49

ANCORAGEM DE ADUTORAS EM DECLIVE

Assentamento de tubulação enterrada com ancoragem por trecho travado

Assentamento de tubulação aérea: ancoragem tubo por tubo

50

PROTEÇÃO CONTRA CORROSÃO

51

Proteção catódica galvânica

Proteção catódica por

corrente impressa

Proteção catódica: injeção de corrente contínua na estrutura a ser

protegida elevando seu potencial em relação ao meio

LIMPEZA DE ADUTORAS

52

Sedimentação

Deposição de minerais insolúveis em

tubo de FD com revestimento. AAT

250 mm, ~ 15 anos, CHW ~ 85.

Incrustação

Incrustação em tubo de FD sem

revestimento. AAB, 250 mm, ~

25 anos, CHW ~ 70.

LIMPEZA DAS ADUTORAS

Variação do coeficiente de Hazen-Williams

devido a limpezas por raspagem

53

LIMPEZA DAS ADUTORAS

Entrada e saída do “polly-pig” em uma adutora

Introdução do “polly-pig”

através de hidrante, sem

registro

Introdução de “polly-pig”

através de uma peça

especial

Introdução do “polly-pig”

através de uma peça em Y54

APLICAÇÃO DO REVESTIMENTO DE ARGAMASSA DE CIMENTO

55

MEDIDORES EM CONDUTOS FORÇADOS

56

Medidores de vazão e de pressão

Venturi Orifício

MEDIDORES EM CONDUTOS FORÇADOS

57

Medidores de vazão

– Ultrassônicos

Modo diagonal

Modo reflexivo

– Eletromagnéticos

MEDIDORES EM CONDUTOS LIVRES

Vertedores

Calhas: Parshall, Palmer-Bowlus, etc.

Medidor acústico (ADCP)

etc.

58

INTERVENÇÃO EM ADUTORAS EM CARGA

59

Derivação pelo processo de

furação em carga da adutora do

SAM Leste da RMSP

EXEMPLOS DE TRAVESSIA AÉREA

60

Exercício

logo depois do intervalo!61

05-adutoras 2011-2

Documents