Cómo dimensionar la tubería de elevación para una bomba de pozo
La tubería de elevación es la tubería vertical que transporta agua desde una bomba sumergible de pozo hasta la cabeza del pozo. Seleccionarla puede parecer sencillo: conectar una tubería a la salida de la bomba y extenderla hasta la superficie.
En la práctica, la tubería de elevación afecta el rendimiento de la bomba, el consumo de energía, la carga de instalación, el golpe de ariete, el mantenimiento y la fiabilidad a largo plazo.
Una tubería demasiado pequeña produce una alta velocidad del agua y una pérdida por fricción excesiva. La bomba debe operar contra una carga adicional, lo que puede reducir el caudal entregado y aumentar el consumo de energía.
Una tubería innecesariamente grande cuesta más, añade peso y puede ser difícil de instalar dentro del revestimiento del pozo disponible.
La conexión de descarga de la bomba tampoco tiene automáticamente el diámetro correcto para toda la tubería de elevación. El tamaño de la salida identifica la conexión mecánica en la bomba seleccionada. El diámetro final de la tubería debe verificarse utilizando el caudal de diseño, el diámetro interno de la tubería, la longitud, el material, la clasificación de presión y las condiciones de instalación.
¿Qué es una tubería de elevación para bomba de pozo?
Una tubería de elevación, también llamada tubería de columna, tubería de bajada o tubería de descarga, conecta la salida de la bomba sumergible a la cabeza del pozo.
Dependiendo de la instalación, puede estar fabricada de:
La tubería debe transportar el agua bombeada mientras soporta o acomoda las cargas creadas por el conjunto de la bomba, el cable, las válvulas de retención y la columna de agua.
En algunas instalaciones, la tubería de elevación soporta la bomba mecánicamente. En otras, se proporciona un cable de seguridad o sistema de soporte independiente. El conjunto completo debe cumplir con las instrucciones del fabricante de la tubería y los requisitos de instalación locales.
¿Por qué importa el diámetro de la tubería de elevación?
El diámetro de la tubería afecta la velocidad del agua y la pérdida por fricción.
Para un caudal dado, reducir el diámetro interno aumenta la velocidad. Una mayor velocidad generalmente aumenta la pérdida por fricción y hace que el sistema sea más sensible al movimiento brusco de la válvula y al arranque o parada de la bomba.
Aumentar el diámetro de la tubería reduce la velocidad y la pérdida por fricción, pero también aumenta el costo del material, el peso de la tubería y el espacio requerido dentro del pozo.
Por lo tanto, el diámetro correcto es un equilibrio entre:
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Caudal de bomba requerido
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Velocidad del agua aceptable
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Pérdida por fricción admisible
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Costo total de instalación
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Clasificación de presión de la tubería
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Espacio libre disponible en el revestimiento
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Resistencia mecánica
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Requisitos de instalación y recuperación
El tamaño de la tubería debe seleccionarse como parte del sistema de bombeo completo en lugar de después de que la bomba ya haya sido pedida.
El tamaño de la salida de la bomba no es lo mismo que el tamaño de la tubería de elevación
Un catálogo de bombas de pozo normalmente proporciona un tamaño de salida de descarga para cada familia de bombas.
Por ejemplo, diferentes familias de modelos SLAPK 6SP pueden usar diferentes conexiones de descarga porque sus rangos de caudal nominal son diferentes. La serie 8SP generalmente se utiliza para tareas de mayor caudal y utiliza conexiones de salida más grandes.
Sin embargo, la dimensión de la salida no determina independientemente el mejor diámetro de la tubería de elevación.
Se puede usar una transición corta de ingeniería cuando el diámetro de la tubería calculado difiere de la salida de la bomba, siempre que:
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La transición sea mecánicamente adecuada.
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La clasificación de presión sea adecuada.
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La conexión no cree una pérdida local excesiva.
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La transición quepa dentro del revestimiento.
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El conjunto se pueda bajar y recuperar de forma segura.
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El fabricante apruebe la configuración.
No seleccione una tubería solo porque su tamaño nominal coincida con la rosca o brida de salida.
Paso 1: Confirmar el caudal de diseño
La tubería de elevación debe dimensionarse al caudal de diseño real, no al caudal máximo publicado de la bomba.
El caudal de diseño debe provenir de la aplicación, como:
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Demanda de riego
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Consumo de agua municipal
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Tiempo de llenado del tanque de almacenamiento
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Demanda de procesos industriales
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Requisitos de agua para ganado
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Requisitos de agua contra incendios
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Transferencia de agua de mina o construcción
La bomba seleccionada debe entregar este caudal a la carga dinámica total calculada.
Si el sistema operará a varios caudales, verifique la tubería en:
La pérdida por fricción no aumenta linealmente con el caudal. Un aumento relativamente pequeño en el caudal puede causar un aumento mucho mayor en la pérdida de la tubería.
Paso 2: Usar el diámetro interno real
Los cálculos hidráulicos deben usar el diámetro interno de la tubería.
Dos tuberías del mismo tamaño nominal pueden tener diferentes diámetros internos debido a:
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Espesor de pared
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Programa de tuberías
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Clase de presión
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Material
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Estándar de fabricación
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Revestimiento interno
Una tubería de alta presión normalmente tiene una pared más gruesa que una tubería de menor presión del mismo diámetro exterior. La pared más gruesa reduce el área de flujo interna.
Usar el diámetro nominal en lugar del diámetro real puede subestimar la velocidad del agua y la pérdida por fricción.
Obtenga los datos dimensionales del fabricante de la tubería antes de completar el cálculo.
Paso 3: Calcular la velocidad del agua
La velocidad promedio del agua se puede calcular a partir del caudal y el área transversal interna de la tubería:
Velocidad = Caudal ÷ Área interna de la tubería
Para una tubería circular:
v = 4Q ÷ (πD²)
Donde:
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v es la velocidad promedio del agua
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Q es el caudal volumétrico
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D es el diámetro interno real de la tubería
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π es aproximadamente 3.1416
Todas las unidades deben ser consistentes. Si el caudal se proporciona en metros cúbicos por hora, conviértalo a metros cúbicos por segundo antes de calcular la velocidad en metros por segundo.
La velocidad es un parámetro de selección, no el único criterio de selección. El rango aceptable depende del material de la tubería, el servicio del sistema, el método de arranque, el análisis de golpe de ariete y el estándar de ingeniería aplicable.
Evite aplicar un único límite de velocidad universal a cada proyecto.
Paso 4: Calcular la pérdida por fricción en tubería recta
La pérdida por fricción es la carga consumida a medida que el agua se mueve a través de la tubería de elevación.
Depende de:
Darcy-Weisbach y Hazen-Williams son métodos comúnmente utilizados para cálculos de tuberías de agua.
Darcy-Weisbach se puede aplicar a una amplia gama de fluidos y materiales de tubería cuando se utiliza el factor de fricción correcto. Hazen-Williams se utiliza con frecuencia para estimaciones de sistemas de agua, pero su coeficiente debe seleccionarse adecuadamente.
Para un cálculo defendible:
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Identifique la longitud vertical completa de la tubería.
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Confirme el diámetro interno y el material.
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Calcule la pérdida por unidad de longitud al caudal de diseño.
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Multiplique por la longitud real de la tubería.
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Repita el cálculo para otros caudales operativos esperados.
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Incluya el resultado en la carga dinámica total del sistema.
No utilice un porcentaje general de la profundidad del pozo como sustituto de un cálculo de pérdida de tubería.
Para el método de carga completa, consulte Guía de dimensionamiento de bombas de pozo profundo: Cómo calcular el caudal y la carga dinámica total.
Paso 5: Incluir pérdidas por accesorios y válvulas
La tubería de elevación no es la única fuente de resistencia hidráulica.
Se pueden producir pérdidas adicionales a través de:
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Transiciones de descarga de bomba
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Válvulas de retención
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Válvulas de compuerta
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Válvulas de mariposa
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Codos
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Tes
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Reductores
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Caudalímetros
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Manómetros y accesorios de manómetro
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Filtros
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Conexiones de cabeza de pozo
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Válvulas de control
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Conjuntos de entrada de tanque
Estas pérdidas se pueden calcular utilizando coeficientes de pérdida, longitudes de tubería equivalentes o datos del fabricante.
Las válvulas de retención merecen especial atención. Una válvula seleccionada solo por tamaño nominal puede crear una pérdida significativa a alto caudal. Confirme su área de flujo completamente abierta, clasificación de presión, orientación y idoneidad para servicio vertical.
Paso 6: Verificar la clasificación de presión requerida
La tubería debe soportar más que la presión de salida normal observada en la superficie.
Dependiendo de la condición de operación, la presión más alta puede ocurrir cerca de la bomba o durante un evento transitorio.
La revisión de presión debe incluir:
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Carga de cierre de la bomba
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Presión estática de la columna de agua
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Presión de operación normal
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Presión requerida en la cabeza del pozo
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Cierre de válvula
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Arranque y parada de la bomba
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Golpe de ariete
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Cambios de elevación
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Ajustes de control de presión
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Presión de prueba
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Margen de seguridad requerido por el estándar de tubería
Las secciones más bajas de una tubería de elevación profunda pueden estar expuestas a alta presión interna.
No seleccione la clase de presión basándose únicamente en la lectura normal del manómetro de la cabeza del pozo. El diseñador debe verificar la condición operativa y transitoria más severa creíble.
Paso 7: Evaluar el golpe de ariete
El golpe de ariete es un cambio de presión temporal causado por un cambio rápido en la velocidad del agua.
Puede ocurrir cuando:
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La bomba arranca repentinamente.
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La bomba se detiene después de un corte de energía.
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Una válvula de retención se cierra rápidamente.
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Una válvula de superficie se cierra demasiado rápido.
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Un VFD cambia de velocidad de forma demasiado agresiva.
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El caudal se invierte antes de que la válvula de retención se cierre.
La severidad depende de la longitud de la tubería, la velocidad del agua, el material de la tubería, el comportamiento de la válvula y la tasa de cambio de velocidad.
Una tubería de elevación vertical larga contiene una columna de agua en movimiento sustancial. Una válvula de retención seleccionada incorrectamente o un apagado rápido pueden producir sobretensiones de presión dañinas.
Los controles posibles incluyen:
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Válvulas de retención de cierre suave
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Operación controlada de la válvula
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Arranque suave
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Aceleración y desaceleración controlada del VFD
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Tanques de compensación
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Dispositivos de alivio de presión
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Otro equipo de control de sobretensiones diseñado
Puede ser necesario un análisis transitorio detallado para pozos profundos, tuberías largas y sistemas de alto caudal.
Paso 8: Verificar el peso de la tubería y la carga axial
La tubería de elevación debe soportar de forma segura su propio peso, el peso del agua contenida y cualquier equipo que soporte.
Las cargas relevantes incluyen:
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Peso de la tubería seca
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Peso de la columna de agua
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Peso de la bomba y el motor
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Peso de la válvula de retención
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Peso del cable y la guía del cable
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Peso del acoplamiento
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Cargas dinámicas durante el arranque y la parada
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Cargas durante la instalación y la retirada
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Fuerzas de golpe de ariete
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Cargas de soporte de la cabeza del pozo
Para tuberías de acero roscadas, verifique la resistencia de la rosca y el acoplamiento. Para tuberías con bridas, verifique el arreglo de brida, pernos y juntas.
Para tuberías de plástico, verifique la carga de tracción, la fluencia, los efectos de la temperatura, la clasificación de la junta y los límites del fabricante para servicio vertical suspendido.
Una tubería que cumple con el requisito de presión interna aún puede no ser adecuada para la carga mecánica suspendida.
Paso 9: Verificar el espacio libre del revestimiento
El diámetro exterior de la tubería de elevación, los acoplamientos y los accesorios deben caber a través del diámetro interno mínimo del revestimiento.
Verifique el envolvente completo de la instalación, incluyendo:
El componente más grande puede ser un acoplamiento o una válvula en lugar de la tubería en sí.
También considere:
Un ajuste teórico metal con metal no es una tolerancia de instalación aceptable.
Para más información sobre el espacio dimensional, consulte Bombas de pozo de 6 pulgadas vs 8 pulgadas: Cómo elegir.
Paso 10: Seleccionar un material de tubería adecuado
Tubería de elevación de acero al carbono
El acero al carbono proporciona alta resistencia mecánica y está ampliamente disponible. Puede ser adecuado para instalaciones profundas y de alta presión.
Sin embargo, se debe considerar la corrosión. La corrosión interna aumenta la rugosidad y la pérdida por fricción, mientras que la corrosión externa reduce el espesor de la pared.
Pueden ser necesarios recubrimientos, revestimientos y margen de corrosión.
Tubería de elevación de acero galvanizado
El acero galvanizado se usa comúnmente en instalaciones de pozos de agua, particularmente en tamaños moderados.
Su idoneidad depende de la química del agua, la vida útil de la instalación, las conexiones roscadas y los estándares locales. La galvanización dañada en roscas o juntas puede convertirse en un punto de corrosión.
Tubería de elevación de acero inoxidable
El acero inoxidable proporciona una resistencia a la corrosión mejorada, pero se debe seleccionar el grado correcto a partir de un análisis del agua.
SS304 no es automáticamente adecuado para agua con alto contenido de cloruro. SS316L, acero inoxidable dúplex u otra aleación pueden ser necesarios en condiciones más agresivas.
También se debe revisar la interacción galvánica entre metales disímiles.
Tubería de elevación de HDPE
El HDPE puede ofrecer resistencia a la corrosión, superficies internas lisas y juntas menos rígidas.
Su diseño requiere una revisión cuidadosa de:
El fabricante de la tubería debe confirmar la idoneidad para una instalación suspendida en pozo.
Tubería de elevación de uPVC
Se utilizan tuberías de columna de uPVC especializadas en algunos sistemas de pozos porque son ligeras y resistentes a la corrosión.
La tubería y las juntas roscadas deben tener una clasificación específica para la profundidad de instalación, la presión y la carga suspendida. La tubería de presión ordinaria no debe usarse automáticamente como tubería de columna de pozo profundo.
Ejemplo: Comparación de dos diámetros de tubería de elevación
Suponga que una bomba de pozo debe entregar 50 m³/h a través de una tubería de elevación vertical de 140 m.
Dos tuberías candidatas cumplen con los requisitos básicos de conexión y presión. Una tiene un diámetro interno menor, mientras que la otra tiene un diámetro interno mayor.
La tubería más pequeña producirá:
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Mayor velocidad del agua
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Mayor pérdida por fricción
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Mayor carga dinámica total
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Mayor sensibilidad al golpe de ariete
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Menor costo inicial de la tubería
La tubería más grande producirá:
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Menor velocidad del agua
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Menor pérdida por fricción
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Una menor carga de bomba requerida
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Potencialmente menor energía operativa
-
Mayor costo inicial y peso
La decisión correcta no se puede tomar solo por el precio de compra.
El ingeniero debe calcular el punto de operación para ambas alternativas, agregar cada pérdida por fricción a la TDH y comparar:
Una tubería más grande puede reducir el costo de energía de por vida, pero aumentar el diámetro más allá del requisito práctico puede ofrecer poco beneficio adicional.
Ubicación y cantidad de válvulas de retención
Muchas bombas de pozo incluyen una válvula de retención en la descarga o cerca de ella. Se pueden considerar válvulas de retención adicionales en tuberías de elevación largas, pero no deben agregarse utilizando una regla de espaciado universal.
Las válvulas de retención mal ubicadas o inadecuadas pueden contribuir a:
El arreglo de la válvula debe seleccionarse según la profundidad de la bomba, la longitud de la tubería, la presión, el caudal, el método de arranque y las instrucciones del fabricante.
Confirme si la bomba seleccionada ya incluye una válvula de retención integral antes de especificar válvulas adicionales.
Errores comunes en la selección de tuberías de elevación
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Emparejar la tubería directamente con la salida de la bomba
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Usar el diámetro nominal en el cálculo
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Ignorar la pérdida por fricción en la TDH
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Seleccionar solo por presión de operación normal
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Ignorar el peso suspendido
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Olvidar los acoplamientos y las válvulas durante la verificación del espacio libre
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Elegir una tubería sobredimensionada sin verificar el pozo
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Asumir que el acero inoxidable resuelve todos los problemas de corrosión
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Agregar válvulas de retención sin una revisión del sistema
Información requerida para dimensionar una tubería de elevación
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Caudal requerido
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Carga dinámica total
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Profundidad del pozo
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Profundidad de instalación de la bomba
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Diámetro interno mínimo del revestimiento
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Modelo de bomba seleccionado
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Conexión de descarga de la bomba
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Carga de cierre de la bomba
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Material de la tubería
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Diámetro interno real
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Longitud total de la tubería
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Clase de presión de la tubería
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Dimensiones exteriores de la tubería y el acoplamiento
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Número y tipo de accesorios
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Arreglo de la válvula de retención
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Presión requerida en la cabeza del pozo
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Método de arranque
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Rango de operación del VFD, si aplica
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Temperatura del agua
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Análisis del agua
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Peso de la bomba y el motor
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Arreglo de soporte de la cabeza del pozo
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Estándar de tubería e instalación aplicable
Preguntas frecuentes
¿Debería la tubería de elevación ser del mismo tamaño que la salida de la bomba?
No necesariamente. La salida determina la conexión inmediata. El diámetro de la tubería de elevación debe verificarse utilizando el caudal, la velocidad, la pérdida por fricción, la presión, la carga mecánica y el espacio libre del revestimiento.
¿Puedo reducir el diámetro de la tubería de elevación por encima de la bomba?
Un reductor puede ser posible, pero aumenta la velocidad y puede agregar pérdida hidráulica. El sistema completo debe recalcularse y la transición debe ser mecánicamente adecuada.
¿Una tubería más grande siempre mejora el rendimiento de la bomba?
Un diámetro interno más grande reduce la pérdida por fricción, pero un tamaño excesivo puede aumentar el costo, el peso y la dificultad de instalación. Elija el diámetro a través de una evaluación hidráulica y del ciclo de vida.
¿Debería calcularse la pérdida por fricción a partir de la profundidad del pozo?
No. Utilice la longitud real, el diámetro interno, el material y el caudal de diseño de cada sección de tubería. La profundidad del pozo por sí sola no determina la pérdida por fricción.
¿Se puede usar HDPE como tubería de elevación para bombas de pozo?
Sí, en instalaciones adecuadas, pero la tubería específica, las juntas y el sistema de soporte deben tener clasificación para presión interna, carga suspendida, temperatura, fluencia y profundidad de instalación.
¿Cuántas válvulas de retención debe usar una bomba de pozo profundo?
No hay una cantidad o espaciado universal adecuado para cada pozo. Siga las recomendaciones del diseñador de la bomba, la válvula y el sistema después de revisar la profundidad, la presión y las condiciones transitorias.
¿La tubería de elevación afecta la potencia del motor de la bomba?
Sí. La fricción de la tubería se suma a la TDH. Una TDH más alta puede cambiar el modelo de bomba seleccionado, el número de etapas, el punto de operación y la potencia del motor requerida.
Conclusión
Una tubería de elevación confiable para bombas de pozo debe satisfacer los requisitos hidráulicos, de presión, mecánicos y de instalación al mismo tiempo.
El proceso de selección debe:
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Confirmar el caudal de diseño.
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Usar el diámetro interno real de la tubería.
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Calcular la velocidad del agua y la pérdida por fricción.
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Incluir válvulas y accesorios.
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Verificar la presión de operación, de cierre y transitoria.
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Verificar la resistencia de la tubería y la junta.
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Confirmar el espacio libre del revestimiento.
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Seleccionar un material compatible con el agua.
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Evaluar el costo de energía del ciclo de vida.
No seleccione la tubería de elevación completa solo por el tamaño de la salida de la bomba. El diámetro final de la tubería y la clase de presión deben verificarse con las condiciones reales del pozo y de operación.
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