(Preguntas frecuentes acerca de la medición de caudal en las bombas contra incendios)
Rev B
En este artículo pretendo responder varias de las preguntas más comunes que hacen los diseñadores e instaladores acerca de la medición de caudal en las bombas contra incendios (BCI en adelante, o simplemente “bombas”), de tal manera de resolver estas dudas con la mejor referencia normativa posible.
Antes de comenzar, al estilo Tarantino, vamos a plantearnos primero las preguntas, luego haremos una explicación previa de algunos conceptos, y después responderé las preguntas. Es libre de agregar nuevas preguntas para una posterior revisión de este artículo.
1.- Las preguntas más frecuentes
- ¿Es obligatorio el uso del cabezal de pruebas en las bombas contra incendios?
- ¿Puedo devolver la descarga del medidor de caudal (caudalímetro) a la succión de la bomba?
- ¿Por qué debo hacer una prueba de flujo (y en que consiste) cada 3 años?
- ¿Cuándo la medición del caudalímetro es válida como prueba de flujo?
- ¿Si la medición con el caudalímetro no es válida porque se usa como medio de medición de caudal? ¿O sí es válida?
- ¿Puedo descargar el agua del caudalímetro por la tubería de descarga de la válvula de alivio principal (si existiera)?
- ¿Para que las pruebas de flujo mediante el cabezal sean válidas el tubo Pitot debe ser listado?
Estas son las preguntas por los momentos, quizá a futuro una revisión del artículo contenga más.
2.- Preliminares
Como les mencioné arriba, antes de responder algunas de las preguntas, primero debemos conocer algunos conceptos, que a veces son nombrados en las normas de consulta sin ninguna explicación, bajo el principio de que los estándares presumen que usted sabe de esos temas, y que solo pretende normalizar el diseño o instalación. Es decir, para entender la NFPA XX, usted debe conocer de los sistemas que están explicados alli.
2.1 Las fuentes de agua de los sistemas contra incendios (o RCI)
Si usted revisa los capítulos correspondientes de las normas de diseño de sistemas de agua, se encontrará que existen varias posibles fuentes de agua para los sistemas automáticos a base de agua, basado en la realidad norteamericana, por lo que fuera de USA y Canadá, algunas cosas no tienen sentido semántico, y mucho menos técnico. Imagine la norma NFPA XX como un documento redactado por personas que saben de algo, escrito para otras personas que saben de ese algo, por lo que muchos detalles que se consideran obvios serán omitidos (por eso prefiero los Data Sheets de FM Global).
Entre las fuentes de agua más comunes para un sistema contra incendios, que involucran se encuentran las siguientes (imágenes y textos extraídos de los manuales de la NFPA 13, NFPA 20, NFPA 25 y/o de NFPA Link)
2.1.1 Conexión a redes de abastecimiento de agua (Connections to Waterworks Systems)
En este caso, se conecta la bomba contra incendios a una red de agua existente, que es capaz de suplir la demanda de caudal, pero no la de presión. El arreglo es como el de la figura siguiente:
Figura 1 Conexión a redes de agua
Como se muestra en (1) la succión de la bomba (2) se conecta mediante una tubería a un punto en una red municipal o pública que puede ser de incendios (Public Fire Mains o Municipal Fire Mains) o de acueducto, o incluso, si así lo verifica el diseñador, a una red privada de incendios o una red de agua de servicios privada (esto último si cumple los requisitos de la sección NFPA 20:2025: 4.6 Liquid Supplies )
Suponiendo que el punto de conexión (1) sea en una red de agua pública, el diseñador debe disponer de una prueba de flujo de hidrante ( NFPA 13:2025: 5.2.2.2*), con fecha, para saber cual es la vigencia de la misma. Del mismo modo, es recomendable hacer estudios en diferentes períodos estacionales para saber si el caudal y presión disponibles pueden tener cambios a través del tiempo.
Aquí hacemos una aclaratoria técnica, si usted usa la información de la prueba de flujo para determinar la disponibilidad de caudal y presión para especificar una bomba, debe tener en cuenta, por lo que mencioné en el párrafo anterior, que, si hay variaciones en el tiempo, se debería probar cada cierto tiempo si esa fuente de agua es adecuada. Eso es lo que llaman las normas, y otros documentos “water supply adequacy” o suficiencia de la fuente de agua, que es un concepto sumamente importante de entender. Puede pasar que en el tiempo, el caudal o la presión disponible varíen y por ende, el conjunto bomba+conexión a la red de agua, no sean capaces de suplir la demanda de agua de su sistema.
2.1.2 Conexión un tanque de succión
Este es el caso más común en Latinoamérica (creo que el único caso) donde la bomba se conecta a un tanque (que por los momentos lo consideraremos del tipo superficial) que tiene una columna positiva de presión que sirve para superar las pérdidas en la tubería de succión de la bomba, garantizando la presión mínima de succión de la bomba para las condiciones que establece la NFPA 20 (Revise por favor NFPA 20:2025:4.16 Suction Pipe and Fittings).
2.2 El uso o necesidad de los medios de medición de flujo en la bomba
¿Por qué debo tener un medio de medición de caudal en la bomba? Esto es importante saberlo porque en las bombas de proceso no existen esos medios de prueba. Siempre se verifica, mediante el funcionamiento o la medición en línea de caudal si la bomba está funcionando, pero son las BCI las que están obligadas a usar estos sistemas.
Bueno, esto tiene dos razones, simples, la primera, el capitulo 14 de la NFPA 20 requiere que se hagan pruebas de aceptación que incluye verificar la curva de la bomba (Revise NFPA 20:2025:14.2 Field Acceptance Tests ) y la NFPA 25 requiere que se haga una prueba de flujo anual (NFPA 25:2023: 8.3.3 Annual Flow Testing) para verificar la capacidad de la bomba que puede ser mediante 3 métodos, a saber:
- Mediante chorros de agua de mangueras, manifold de pruebas, hidrantes, o conexiones de manguera (NFPA 25:2023:3.3.9.1 Use of Pump Discharge via Hose Streams)
- Un caudalímetro con retorno al tanque ( NFPA 25: 2023:8.3.3.9.2 Use of Pump Discharge via Bypass Flowmeter to Drain or Suction Reservoir)
- Un caudalímetro con retorno a la succión de la bomba (NFPA 25: 2023:8.3.3.9.3 Use of Pump Discharge via Bypass Flowmeter to Pump Suction (Closed-Loop Metering).
El asunto es que para fines de la determinación de la “water supply adequacy” o suficiencia de la fuente de agua, tanto la NFPA 20 como la 25, impiden usar el tercer método anteriormente indicado. Para los fines de la NFPA 25, la prueba anual debe hacerse mediante NFPA 25:2023:8.3.3.9.1 y/o NFPA 25:8.3.3.9.2 al menos cada 3 años.
8.3.3.9 The annual test shall be conducted as follows:
(1)The arrangement described in 8.3.3.9.1 or 8.3.3.9.2 shall be used at a minimum of every third year.
(2)*The arrangement described in 8.3.3.9.3 shall be permitted to be used 2 out of every 3 years
Y el método de closed loop (NFPA 25:2023:8.3.3.9.3) solo se puede usar 2 veces seguidas, para luego hacer el de flujo al menos cada 3 años.
Esto quiere decir que, para hacer la prueba de aceptación de la bomba por NFPA 20, se necesita que fluya agua hacia la atmosfera por la descarga de la bomba bien sea mediante el cabezal de prueba (si existe), mangueras, conexiones de mangueras o hidrantes, etc, o por un caudalímetro que retorne al tanque o descargue a la atmosfera. Esto tambien es requerido por la NFPA 25 al menos cada 3 años, aun cuando se puede hacer la prueba con un caudalímetro con retorno a la succion anualmente, hasta dos años seguidos.
Esta prueba de flujo no tiene otra utilidad que verificar la suficiencia de la fuente de agua, sea una conexión a una red, o a un tanque. Si no fuese asi, por ejemplo, para el caso de los tanques, no podríamos verificar si la columna de agua de éste suple la presión mínima de succión al 150% del caudal nominal de la bomba sin que la bomba entre en cavitación o condición de “low suction pressure” que impida que ésta desarrolle el cabezal total para el cual fue diseñada. La prueba no es para “ver el agua fluir” porque si asi fuera, la NFPA 20 pediría que se vea el agua a través del medidor de caudal, como sí es requisito en la descarga de la válvula de alivio principal (por lo que los conos de desperdicio tienen una mirilla), sino para garantizar que no se hace un refuerzo en la presión de succion devolviendo el agua de la descarga de la bomba hacia atrás (closed loop arragment).
2.3 Los métodos permitidos o sugeridos de medición de caudal y sus limitaciones
La NFPA 20 (favor consultar NFPA 20:2025:4.22 Water Flow Test Devices, preferiblemente en NFPA Link o en el Handbook), sugiere o permite o recomienda tres posibles medios de medición de caudal, a saber:
Cabezal de prueba (test header). Este dispositivo está conectado al lado de descarga de la bomba y tiene varias salidas para manguera. Cuando se prueba la bomba, la manguera se conecta a las salidas y el agua se descarga en un lugar seguro. Las lecturas de caudal suelen tomarse del extremo de la manguera con un tubo de Pitot u otro dispositivo de medición de caudal como el pitotless, o directamente en las válvulas haciendo uso de boquillas normalizadas, o playpipes (tambien llamados bore edge nozzle tips). Ejemplos de este método de pruebas se muestran en la figuras siguientes.
Figura 2 Medición de caudal en cabezal de prueba
En (1) tenemos un cabezal de pruebas, en (2) un playpipe, en (3) medición indirecta de caudal mediante tubo Pitot y en (4) mediante pitotless.
Figura 3 Medición de caudal con cabezal y mangueras
Caudalímetro. Se tiende una tubería especial desde el lado de descarga de la bomba hasta el suministro de agua (o hasta algún otro punto de descarga aceptable) con un caudalímetro y una válvula de control en la línea. Al probar la bomba, la válvula de control se abre parcialmente (con la bomba ya en marcha) para alcanzar el 100% de caudal. A continuación, la válvula se abre más para alcanzar la condición de caudal del 150%. El caudalímetro puede ser del tipo venturí o de rotámetro, o cualquiera otro listado. Normalmente, a la fecha, los medidores suelen ser listados FM. Ejemplo en la figura siguiente.
Figura 4 Ejemplos de medidores de caudal
Medición en lazo cerrado o closed loop. Este método consiste en una línea de derivación con un caudalímetro y válvulas de control (antes y después del caudalímetro), que va directamente de la descarga de la bomba a la succión de la bomba. Esta prueba se realiza de la misma manera que el método anterior, pero el agua no procede del suministro (tanque o conexión a red pública). El agua se recircula en un pequeño lazo a través de la bomba, como se ilustra en la figura siguiente. Cabe señalar que para que la prueba de aceptación y la de flujo trianual de la bomba se recomienda que los dispositivos de medición descarguen al desagüe, al depósito de suministro de agua o al exterior. También debe tenerse en cuenta que las pruebas de aceptación deben incluir el funcionamiento de la bomba al 100% y al 150% sin recircular el agua de vuelta a la succión de la bomba (es decir, el agua debe descargarse a través de un cabezal de prueba o el mismo caudalímetro a la atmosfera). Ejemplo de este arreglo a continuación.
Figura 5 Arreglo de lazo cerrado o closed loop
2.4 ¿Qué otros métodos de medición permite la NFPA 20?
La NFPA 20 permite usar aparte del caudalímetro algo que es llamado fixed nozzles en la norma, pero que muchos no sabemos que es. Estos fixed nozzles son equipos instalados en la tubería de medición de caudal, que están fijos y permiten medir el caudal similar a los caudalímetros. No se deben confundir con las válvulas de los cabezales de pruebas, ni con los playpipes (cortesía de Luis Ybirma).
Figura 6 Flow nozzles (cortesía del Ing. Luis Ybirma)
2.5 ¿Como se recomienda instalar el caudalímetro?
Para que el caudalímetro sirva tanto para la prueba anual de flujo, como para la obigatoria trianual (o mejor dicho, que la prueba anual permita no solo verificar el funcionamiento de la bomba sino la suficiencia de la fuente de agua), se deben seguir algunas recomendaciones básicas en la instalación de este.
Primero, debe instalarse en el diámetro mínimo recomendado por la tabla NFPA 20:2025:4.28 Summary of Centrifugal Fire Pump Data y su rango debe ser al menos del 175% del caudal nominal de la bomba (ejemplo, si la bomba es de 2.000 gpm, el caudalímetro debe tener un rango al menos de 3.500 gpm).
Segundo, se debe instalar de acuerdo a los requisitos del fabricante, y la descarga de la tubería del caudalímetro debe descargar lo más lejos posible de la succión de la bomba, para evitar, durante las pruebas, turbulencias que afecten el desempeño de la bomba. La figura siguiente muestra un esquema típico de montaje de un caudalímetro con instrucciones.
Figura 7 Instrucciones de instalación del caudalímetro
Observen que (10), el cabezal de pruebas, se instala en la línea de descarga del caudalímetro (12), con un arreglo de válvulas que también permite compartir la descarga de la válvula de alivio principal de la bomba.
3.- Ahora, las respuestas a las preguntas más frecuentes
- ¿Es obligatorio el uso del cabezal de pruebas en las bombas contra incendios?
No, pues usted puede instalar un medidor de caudal, o caudalímetro, para hacer las pruebas, recordando que si lo quiere usar como método de medición para la prueba de aceptación, y la prueba trianual de flujo, este medidor debe descargar a la atmosfera, no puede conectarlo a la succión de la bomba (closed loop). Aún así, aparte de conveniente, la NFPA establece que, si se instala un medidor de caudal en closed loop, debe proveerse de un medio alternativo de medición de caudal, que la misma norma recomienda que sea el cabezal de pruebas ( NFPA 20:2025:4.22.2.10*).
Entonces, si usted instala un caudalímetro con descarga al tanque no requiere del cabezal de pruebas. Ahora bien, el tenerlo le permite, si lo instala despues del caudalímetro, verificar anualmente éste está midiendo correctamente.
- ¿Puedo devolver la descarga del medidor de caudal (caudalímetro) a la succión de la bomba?
Sí, lo puede hacer recordando que de esa forma el caudalímetro no le sirve para las pruebas de aceptación ni para la prueba trianual.
- ¿Por qué debo hacer una prueba de flujo de la bomba (y en que consiste) cada 3 años?
La prueba de flujo anual se hace, para verificar el estado de funcionamiento de la bomba, en cuanto a caudal y presión. Si su instalación posee un caudalímetro con descarga al tanque o un cabezal de prueba, además, la prueba le permitirá verificar la “water supply adequacy” o suficiencia de la fuente de agua. Si su bomba tuviera un arreglo de “closed loop”, y no tuviese cabezal de prueba, debe entonces, al menos cada 3 años, hacer esa prueba descargando agua mediante las conexiones de mangueras e/o hidrantes, con la consecuente complicación que eso implica, por cuanto deberá hacer un montón de cálculos de ajuste y usar diversidad de equipos en diferentes ubicaciones de la planta. La prueba consiste en verificar el caudal y presión de la bomba para los puntos de cero caudal, caudal nominal y 150% del caudal nominal como lo establece la NFPA 25.
- ¿Cuándo la medición del caudalímetro es válida como prueba de flujo?
Esta pregunta ya la puede responder el lector, cuando la descarga del caudalímetro se hace al tanque o la atmosfera.
- ¿Si la medición con el caudalímetro no es válida porque se usa como medio de medición de caudal? ¿O sí es válida?
Claro que es válida, por lo anteriormente mencionado.
- ¿Puedo descargar el agua del caudalímetro por la tubería de descarga de la válvula de alivio principal (si existiera)?
Sí, revise NFPA 20:2025:4.20.6.4
- ¿Para que las pruebas de flujo mediante el cabezal sean válidas el tubo Pitot debe ser listado?
No, esto es una mala interpretación del numeral NFPA 20:2025: 4.22.2.1*
4.22.2.1* Metering devices or fixed nozzles for pump testing shall be listed.
4.22.2.1* Los dispositivos de medición o las boquillas fijas para pruebas de bombas deberán ser listados.
Si se permite leer el handbook de la NFPA 20 o la NFPA 20 2025 en NFPA Link, encontrará que no existe tal limitación a los equipos de medición externos al cabezal de pruebas, y sería una contradicción decir que no se puede usar un tubo Pitot si la misma NFPA 20 establece que el cabezal de pruebas es un medio aceptable de medir caudal. El tubo Pitot, o cualquiera de sus equivalentes, caen en la categoría de “Test Equipment” de la NFPA 25 8.3.3.5 Test Equipment, pero ni ésta, o cualquiera, puede mencionar un determinado equipo en especifico porque sería sesgar la tecnología que se use (cosas de los comités de la NFPA), y por ende se refieren en su lugar a términos como “Gauges, transducers, and other devices used for measurement”, o “Gauges, transducers, and devices other than flow meters”. Refiérase a esa sección para más detalles.
El requisito de los “Test Equipment” o “equipos de prueba” es que deben estar calibrados (pitot y/o caudalímetro incluidos, entre otros) como se menciona en la NFPA 25 8.3.3.5 (Español)
8.3.3.5 Equipamiento para pruebas. Deben proveerse equipamientos para pruebas calibrados para determinar las presiones netas de la bomba, la tasa de flujo a través de la bomba, y la velocidad.
8.3.3.5.1 Los manómetros, transductores y otros dispositivos que se utilicen para medición durante la prueba deben llevar una etiqueta con la fecha de calibración más reciente.
8.3.3.5.2 Los manómetros, transductores y dispositivos que no sean medidores de flujo y que se utilizan para tareas de medición durante la prueba se deben calibrar, como mínimo, una vez al año a un nivel de precisión de ±1 por ciento.
8.3.3.5.3* Los medidores de flujo deben ser calibrados anualmente hasta un nivel de precisión de ±3 por ciento.
8.3.3.7 Los elementos sensores/de medición de un medidor de flujo deben ser calibrados de acuerdo con 8.3.3.5.
8.3.3.8 Los orificios de descarga deben estar listados o construidos de acuerdo con una normativa reconocida con un coeficiente de descarga conocido.
8.3.3.5.2 aplicaría para los tubos pitot, y 8.3.3.5.3* para los caudalímetros.
Respecto al tema de la calibración de los caudalímetros, hay una discusión de su uso debido a lo dificil de cumplir con NFPA 25:2023:8.3.3.5.3*, la calibración del mismo. En ese sentido, les dejo algunas pistas, y si llegan a algún resultado, me comentan.
El fabricante más importante de estos caudalímetros, Global Vision Inc, ofrece la calibración de sus equipos en FÁBRICA, es decir, debes enviarlo a su planta para la calibración, algo que es obviamente costoso. Deben llenar el siguiente formulario como para del proceso: https://gviflow.com/nist-calibration-form/
Pero los curiosos, verán que alli dice “***Return only the GVI Gauge, the venturi and hoses can stay inline***” es decir, que lo que calibra el fabricante es lo que pienso que es un manómetro diferencial modificado (o en otras palabras, un caudalímetro diferencial mecánico o hidráulico, no estoy seguro, nunca he abierto uno). La pista es que si es así, un técnico instrumentista, haciendo uso de un medidor de caudal patrón, magnético o de ultra sonido, y una maleta de calibración, puede en sitio, desconectar el manómetro del caudalímetro, y medir en los tapping de las mangueras el rango de presiones diferenciales con la bomba encendida (es decir, medir las presiones diferenciales a diferentes valores de caudal, ajustándolo con la válvula de corte de la línea de medición similar a lo que usted hace durante las pruebas de flujo) e ir midiendo el caudal con el medidor de caudal patrón y con esos valores, levantar la curva del instrumento, y luego proceder a calibrar el manómetro del caudalímetro de la bomba. Si bien esto no es barato, seguro que sí es más económico que exportar y re importar el equipo original a fábrica.
4.- Ahora, ¿Cuál es la forma adecuada de aprender todo lo que tiene que ver con bombas contra incendios?
Mucho de lo que escribí en este artículo me tomó muchos años aprenderlo y entenderlo, pero es una forma válida de adquirir conocimiento, con el riesgo de que pueda estar equivocado.
La mejor forma, la más expedita, es la del conocimiento estructurado, basado en un curso de formación donde en forma planificada y progresiva aprenda todo lo relacionado con el funcionamiento y el diseño de instalaciones de bombas contra incendios. Por eso yo recomendaría el Diplomado Internacional de Diseño, Instalación y Mantenimiento de Bombas Contra Incendios de ILFIS. Si desean información de como estudiar apropiadamente este tema, los invito a seguir el siguiente enlace https://wa.link/1rdzuh donde obtendrá más detalles.
Espero que esta información los ayude a tomar mejores decisiones de diseño e instalación. Y recuerden, el conocimiento es lo único que crece cuando se comparte.
Excelente
Excelente, muy clara la,explicación, atte AR