BOMBAS CONTRA INCENDIO – TUBERÍA DE SUCCIÓN

En el presente artículo se exponen algunos aspectos importantes que se deben considerar en la instalación de la tubería de succión de las bombas contra incendio.

La tubería de succión de las bombas contra incendio es un elemento fundamental que requiere atención especial, para garantizar el funcionamiento apropiado de las mismas; de hecho, la norma NFPA 20, Standard for the Installation of Stationary Pumps for Fire Protection (Instalación de Bombas Estacionarias para Protección contra Incendios), es muy enfática al establecer las características y requerimientos que se deben cumplir.

La tubería de succión es tratada en la Sección 4.15 de la norma NFPA 20-2016.

Cuando se habla de la tubería de succión se incluyen todos los componentes comprendidos entre la brida de succión de la bomba hasta la conexión a la red pública o privada de agua, o al tanque que alimenta a la bomba, y normalmente consiste de tubos, válvulas y otros accesorios.

El diámetro del tubo de succión para una sola bomba, o del cabezal de succión para múltiples bombas diseñadas para operar simultáneamente, debe ser tal que con la(s) bomba(s) funcionando a un caudal máximo (150% de la capacidad nominal o el flujo máximo disponible del suministro de agua), la presión manométrica en la brida de succión sea mayor o igual a 0 bar (0 psi).

Si el suministro de agua es desde un tanque de almacenamiento con su base al mismo nivel que la bomba o por encima, se permite que la presión manométrica en la brida de succión baje hasta −0,2 bar (−3 psi). Esta presión negativa se permite después que el tanque haya proporcionado la demanda máxima del sistema (caudal y duración); el agua restante en el tanque está a nivel de la bomba o por encima de ella; y la bomba está funcionando al 150% de su caudal nominal. Este margen de presión negativa está destinado a compensar la pérdida por fricción a través del tubo de succión, los accesorios y la válvula de compuerta.

El diámetro de la porción de la tubería de succión equivalente a una longitud de 10 diámetros de tubería aguas arriba de la brida de succión no debe ser inferior al especificado en las Tablas 4.27(a) y 4.27(b) de la norma NFPA 20-2016.

El diámetro de la tubería de succión intenta limitar la velocidad del agua a no más de 4,57 m/s (15 pies/s) para evitar el flujo turbulento en la tubería, el cual puede generar burbujas de aire en el seno del agua, que afectan negativamente la eficiencia de la bomba.

La válvula de seccionamiento a instalar en la tubería de succión debe ser del tipo compuerta indicadora (OS&Y). Cuando el suministro sea desde la red pública de agua, la válvula debería ubicarse tan lejos de la brida de succión de la bomba como sea práctico. Cuando el suministro proviene un tanque de almacenamiento de agua, la válvula debería ubicarse en la salida del tanque. La NFPA 20-2016 no prohíbe la utilización de válvula tipo mariposa en la tubería de succión si ésta se ubica a más de 15,3 metros (50 pies) de la brida de succión (situación que en la práctica sería poco probable). Esta separación daría oportunidad a que se elimine la turbulencia que crea una válvula tipo mariposa en el chorro de agua antes de entrar a la bomba.

En la instalación de bombas contra incendios de eje horizontal y carcasa partida no se permite la colocación de codos o T con la línea central en el plano horizontal, en la porción de la tubería de succión de longitud equivalente a 10 veces el diámetro de la tubería, aguas arriba de la brida de succión, ya que se crearía turbulencia y se desequilibraría el flujo de agua hacia el impulsor, lo que causa una carga axial en el eje y los cojinetes de la bomba, provocando con el tiempo daños a la bomba. Los codos y T con el plano de línea central perpendicular al eje de la bomba están permitidos en cualquier lugar de la tubería de succión, dado que generalmente no causan desequilibrio en el flujo, aunque sí causan turbulencia. Para disminuir la turbulencia se puede utilizar un codo de radio largo en vez de un codo de giro corto o una T.

Seguidamente se muestran imágenes indicando las maneras incorrectas y correcta de colocar un codo o T en la tubería de succión:

Cuando una tubería de succión suministre a más de una bomba, su disposición debe realizarse de modo que cada bomba reciba su suministro proporcional.

El uso de varias bombas puede ser necesario por diversas razones, como aumentar el caudal, elevar la presión o proveer redundancia.

En algunas aplicaciones es posible que se requiera la operación simultánea de dos o más bombas instaladas en paralelo, para satisfacer la demanda de agua de los sistemas de protección contra incendios en escenarios como los siguientes:

  1. Operación simultánea de varios sistemas de diluvio en refinerías.
  2. Combate de incendios, incluyendo extinción y protección de la exposición en refinerías y plantas químicas.
  3. Activación de sistemas de espuma y de enfriamiento en patios de tanques de almacenamiento de combustible.
  4. Activación de sistemas de mitigación con alta demanda de agua.

 

En estos escenarios, la tubería de succión común debe dimensionarse para suministrar a todas las bombas cuando funcionen al 150% de su capacidad nominal, de modo que la velocidad no exceda los 4,57 m/s (15 pies/s).

En la siguiente Tabla se muestran los caudales en diversos tamaños de tuberías Cédula 30 para una velocidad de 4,57 m/s (15 pies/s).

En las Tablas 4.27(a) y 4.27(b) de la norma NFPA 20-2016, se indica el tamaño de la tubería de succión para bombas hasta 5.000 gpm, que es el mayor tamaño en bombas listadas. Por lo que, si el requerimiento de cualquier sistema contra incendio es mayor a 7.500 gpm, se necesitará instalar por lo menos dos bombas conectadas en paralelo, y dimensionar la tubería de succión de acuerdo con el caudal máximo.

Por ejemplo, si en un sistema se requieren 3 bombas de 3.000 gpm (11.356 l/min) que operan simultáneamente en paralelo para satisfacer una demanda de 12.000 gpm (45.425 l/min), la tubería de succión común para las 3 bombas debe dimensionarse para un flujo de 3×1,5×3.000 = 13.500 gpm (51.103 l/min). Para este caudal, según la Tabla mostrada anteriormente, se requeriría como mínimo una tubería con diámetro nominal de 24”. La tubería de succión que es común a 2 bombas debe dimensionarse para 2×1,5×3.000 = 9.000 gpm (34.069 l/min). La Tabla indica que se requiere como mínimo una tubería de 18” de diámetro nominal. La tubería de succión que alimenta a una sola bomba debe dimensionarse para 1×1,5×3.000 = 4.500 gpm (17.034 l/min). La Tabla indica que se requiere como mínimo una tubería de 12” de diámetro nominal. Las bombas pueden conectarse a un múltiple de succión de 24” o ir reduciendo el diámetro según la cantidad de bombas conectadas.

En algunos escenarios es deseable y normal instalar una bomba de respaldo para sustituir alguna bomba que pueda estar fuera de servicio y no afectar el suministro del sistema de protección contra incendios. Usando el ejemplo anterior, con una demanda del sistema de 12.000 gpm (45.425 l/min), se instalarían un total de 4 bombas de 3.000 gpm (11.356 l/min) y se organizarían de modo que 3 bombas funcionando simultáneamente puedan satisfacer la demanda. En este caso, la tubería de succión que es común a 3 y 4 bombas se dimensionaría para 3 bombas. Es decir, requeriría una tubería con un diámetro nominal mínimo de 24”. La tubería de succión común a 2 bombas o a una bomba debe dimensionarse como se indicó anteriormente.

Se puede requerir instalar dos o más bombas en serie para satisfacer la demanda de presión del sistema de protección contra incendios, para suministrar múltiples zonas verticales en un edificio alto, por ejemplo. La primera bomba suministra a la zona baja, la segunda bomba suministra a la zona intermedia, y puede haber una tercera bomba que suministra a la zona más alta. Al estar conectadas en serie, el caudal pasa a través de las bombas en secuencia, aumentando la presión. El caudal máximo es el caudal que pasa por la primera bomba, por lo que la tubería de succión se dimensiona para la capacidad de esa bomba.

Otra situación es contar con bombas redundantes. La bomba primaria puede satisfacer la demanda del sistema de protección contra incendios, pero se proporciona una bomba redundante para mejorar la confiabilidad. Se recomienda la capacidad redundante (y puede ser requerida por la compañía de seguros) cuando exista la posibilidad de grandes pérdidas a causa de un incendio. Tanto la bomba primaria como la redundante deben ser capaces de satisfacer individualmente la demanda del sistema. No se espera que ambas bombas sean necesarias para una emergencia; por lo tanto, la tubería de succión puede dimensionarse para una sola bomba.

Cuando sea necesaria una reducción para adaptar el diámetro de la tubería de succión al diámetro de la succión de la bomba, se debe utilizar un reductor excéntrico, para evitar el desarrollo de bolsas de aire. La parte plana del reductor debe estar hacia arriba, con la reducción real del diámetro en la parte inferior de la conexión.

Las indicaciones de la norma NFPA 20 relacionadas con la tubería de succión de las bombas procuran principalmente evitar la cavitación. A medida que el agua fluye a través del tubo de succión la presión disminuye. Si la presión cae por debajo de la presión de vapor correspondiente a la temperatura del agua, se formarán bolsas de vapor. Una vez que el agua entra en el ojo del impulsor la presión comienza a aumentar; cuando las bolsas de vapor alcanzan una región de mayor presión, se colapsan con un efecto de martillo, causando ruido y vibración. Las presiones instantáneas extremadamente altas que pueden desarrollarse de esta manera pueden afectar partes de la carcasa y el impulsor de la bomba, lo que puede reducir la eficiencia y, en última instancia, causar la falla de la bomba.

Además de lo indicado en la norma NFPA 20, un aspecto importante que siempre debe considerarse en el diseño del sistema de bombeo es la altura de succión positiva neta (NPSH, por sus siglas en inglés), que es la presión que hace que el líquido fluya a través del tubo de succión hacia el impulsor de la bomba. La bomba en sí no tiene la capacidad de succionar y la presión de succión depende de la naturaleza del suministro. Si una bomba horizontal succiona desde un pozo, donde el nivel del agua está por debajo de la bomba, tendría una presión de succión igual a la presión atmosférica menos la elevación. Si succiona desde un tanque donde el nivel de agua está por encima de la bomba, la presión de succión es la presión atmosférica más la presión estática correspondiente a la altura del agua.

Hay dos tipos de NPSH a considerar. El NPSH requerido que es una función del diseño de la bomba y varía con la capacidad y la velocidad de la misma, y el NPSH disponible que es una función del sistema en el que opera la bomba. La curva de NPSH requerido versus galones por minuto se obtiene de los fabricantes de bombas. El NPSH disponible se debe calcular una vez que se tiene definido el diseño del sistema de bombeo.

Para cualquier instalación de bombas, el NPSH disponible del sistema debe ser igual o mayor que el NPSH requerido en las condiciones de operación, para garantizar el buen desempeño de la bomba y evitar la cavitación.

 

Ing. Luis Ybirma
Caracas – Venezuela

 

Fuentes: NFPA Stationary Fire Pumps Handbook, Fifth Edition
               NFPA 20: Standard for the Installation of Stationary Pumps for Fire Protection
               NFPA Fire Protection Handbook, Twentieth Edition

Notas:
1. El contenido de este artículo no es una Interpretación Formal de NFPA. Lo aquí expresado es la interpretación personal del autor y no necesariamente representa la posición oficial de las normas NFPA y sus Comités Técnicos. Por otra parte, el lector es libre de estar de acuerdo o no con lo aquí expresado.
2. Todas las imágenes y marcas comerciales que se publican en este Blog son marcas registradas por sus propietarios, y se utilizan sólo con fines didácticos.

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