Tuberias y tubos

Desde siempre el hombre a requerido del transporte de fluidos, y que mejor creación que las tubos, que antiguamente eran usados en ciudades etc. pero como los tiempos cambian el hombre se vio en la necesidad de normalizar estos tubos y se dio origen a las tuberías, que dentro de las grandes y pequeñas industrias son hoy en día vitales
En este informe de tubos y tuberías trataremos de analizar los distintos materiales con los que son fabricados, así como también dar una visión general de cómo pueden ser adquiridos en el comercio.

SIGLAS

Existe una variada gama de sociedades y asociaciones de normalizaciones tanto en América como en Europa y Asia.
Dentro de estas podemos citar las siguientes:

• ASA  : American Standard Asociation
• ASTM  : American Society Testing Machine
• ASME  : American Society Machinical Energiering
• API : American Pipe Institute
• NPS : National Pipe Standard
• NPT : National Pipe Thread
• BSPT  : British Standard Pipe Thread
• INN : Instituto nacional de Normalizaciones

TUBERIAS Y TUBOS
En primer lugar analizaremos el significado de lo que son tuberías y tubos:

• TUBO : Pieza hueca, generalmente cilíndrica y abierta por ambos extremos, que se utiliza en distintas aplicaciones.
• TUBERIA : Las tuberías son tubos fabricados de acuerdo a los tamaños normalizados.

Una notación importante de señalar es que los diámetros exteriores de cualquier tamaño nominal es el mismo para cualquier peso o espesor de pared para tuberías de iguales dimensiones, o sea, el diámetro nominal interior varia con su espesor. Para comprender mejor esta relación es necesario observar los siguientes códigos.

CODIGOS PARA TUBERIAS
Los códigos de la ASA nos entrega los datos para obtener las dimensiones de una tubería especifica. Este esta basado en el numero de lista o schedule el cual se encuentra definido por las siguientes fórmulas:
Numero de Schedule = 1000 (p/s)
Numero de Schedule = 2000 (x/Dm), donde :

• P : Presión de trabajo (psi)
• S : Esfuerzo de trabajo (psig)
• Dm : Diámetro principal de la tubería (pulgadas)

NPS, es un código basado en el diámetro exterior de la tubería, NPS no es referido para numero de lista o Schedule de tabla. Este es igual para diámetros exteriores (diámetro Nominal) mayores de 14’’.
Los códigos de tuberías están sujetos a revisión. Para mayores informaciones deben referirse las informaciones obtenidas de las ASA, ASME y ASTM.
Las dimensiones standard para tuberías plásticas han sido publicadas por el ‘’ US departament of comerce’’
Para las tuberías de 12" y menores, el diámetro nominal es aproximadamente superior al diámetro interior schedule 40.
Dn » Dint
Para las tuberías de 14" y mayores el diámetro nominal es igual al diámetro exterior.
Dn = Dext
Los espesores de pared viene expresados en función del numero de lista o schedule de acuerdo con la ASA.
De acuerdo con la ASA antes del numero de lista se utilizaron los términos de :

• Peso Estándar : S
• Extrafuerte : XS
• Doble Extrafuerte : XXS

Los cuales indicaban los espesores de pared de la tubería.
Comúnmente para tamaños de 10" y menores se utiliza el numero de lista para designar las tuberías.
En tamaños de 10" y mayores se utiliza el espesor de pared.
Las tolerancias admisibles en tuberías se refieren al espesor de pared únicamente. La tolerancia de laminación usualmente admitidas en tuberías es de 12.5%, lo cual significa que el espesor de pared puede ser de un 12.5% mayor o menor que el especificado en las tablas.
Actualmente con los avances tecnológicos existen censores de laminación por medio de rayos láser con los cuales se puede llegar a obtener tolerancias de alrededor del 2% aproximadamente.

FABRICACION DE LAS TUBERIAS

Las tuberías al momento de ser construidas son sometidas a una serie de procesos los cuales dan como resultado la obtención de productos con alto grado de seguridad.
Dentro de estos procesos podemos señalar algunos como:

1. Moldeado (rodillos)
2. Esfuerzos Hidrostáticos
3. Pruebas electromagnéticas
4. Ensayos no destructivos
5. Test de ultrasonido (grietas internas y espesores)

Además de los procesos antas mencionados la tuberías deben cumplir con ciertos requisitos mecánicos del material, los cuales son obtenidos por medio de lo siguiente:

1. Ensayos a la tracción
2. Aplastamiento
3. Doblado
4. Dureza

MATERIALES DE CONSTRUCCION DE LAS TUBERIAS
Dentro de los materiales con los que son construidas las tuberías se pueden clasificar principalmente dentro de dos grupos.
Los cuales son:

• Tuberías Metálicas
• Tuberías no Metálicas

Sin embargo, es conveniente referirse además a las presiones a las que se encuentran sometidos algunos fluidos tales como: agua, vapor, gas o aire recalentado.
Unicamente para el vapor recalentado de 16 a 40 Kg/cm2 de presión nominal, son distintos los datos referentes a presiones de servicio admisibles para las platinas y para los tubos.
Para las presiones nominales solo se han fijado las características de los tubos ; las platinas, piezas de forma y accesorios se tomaran con arreglo a las presiones nominales inmediatamente superiores.
Las presiones nominales consignadas en el orden establecido legalmente constituyen la base para la elaboración de las normas para tuberías y accesorios.
A cada presión nominal corresponden presiones se servicio para agua, gas(vapor saturado) y vapor recalentado. Dichas presiones se han escalonado con arreglo a las causas de peligro determinadas por el contenido de la canalización y al mismo tiempo con arreglo a la temperatura de este contenido.
Las presiones de servicio comparadas con las presiones nominales respectivas representan, en general el 100% para el agua, aproximadamente 80% para el gas (vapor saturado) y aproximadamente el 64% para el vapor recalentado.
PRESION DE PRUEBA
No existen prescripciones oficiales sobre la presión de prueba para tuberías y accesorios, ni sobre la magnitud de la presión de prueba; las presiones de prueba se adaptan, sin embargo, a las prescritas para los casos análogos (calderas de vapor, depósitos de presión, depósitos para transporte, etc.), e incluyen a estos en todos los casos.
Para presiones de servicio inferiores a 1 Kg/cm2 la presión de prueba exige para el ensayo de resistencia 1Kg/cm2 mas que la presión de servicio; para el ensayo de estanquiedad de los accesorios tan solo exige el doble de la presión de servicio. Para las tuberías de vacío la presión de prueba es de 1.5 Kg/cm2.
Para el ensayo de estanquiedad se toma en general la presión de servicio.
Para tuberías de vapor, aire o gas ya instaladas, de mas de 100mm de diámetro nominal, no puede aconsejarse la ejecución de una prueba de agua, pues esto podría ocasionar una sobrecarga de la tubería y de las construcciones que la sostienen.
Las presiones de prueba establecidas no se refieren a algunas partes de la tubería como por ejemplo, separadores de agua, ventosas, etc.,. Para estas partes es recomendable guiarse por las prescripciones reales o análogas existentes sobre dispositivos de vapor, depósitos de presión, etc.
Si la presión de trabajo no excede a 10 atm. Y la tubería no esta expuesta a grandes diferencias de temperatura el espesor de pared S de los tubos de fundición será:
S=1/60 Dint + 0.7 cm para tubos fundidos verticalmente
S=1/50 Dint + 0.9 cm para tubos fundidos horizontalmente
Las tuberías de vapor, o las sujetas a condiciones particularmente desfavorables (escapes de vapor o gas), requieren casi siempre para Dint > 10 cm un argumento de 12 a 50% sobre los precedente valores de S. Si la presión interna afectiva es muy pequeña (tuberías de gas o aire) puede disminuirse S.
Para presiones elevadas (como tuberías para maquinarias hidráulicas) se calcula el espesor tomando Kz = 200 Kg/cm2 y agregando al resultado 0.7 cm para tubos fundidos verticalmente (algo mas para tubos fundidos horizontalmente).
Para tubos de hierro forjado, hasta pi = 25 ats es absolutamente superfluo calcular el espesor, bastando indicar al pedirlos, para que tipo de presión se desean (alta, media o baja).

TUBERIAS METALICAS
Dentro de los materiales de fabricación de las tuberías el mas utilizado es el acero al carbón. Este es fabricado en gran variedad de tamaños y formas para facilitar su obtención.
Para condiciones de trabajo en las cuales sea necesaria una buena resistencia a la corrosión se recomiendan aquellas cuyo material de fabricación sean aleaciones de níquel y cromo.
Tuberías de Níquel, Morel e Incomel pueden ser obtenidas en las tablas del NPS desde ½ hasta 4" de diámetro nominal.
Tuberías del tipo Hastelloy encuentran el rango de sus dimensiones y tamaños en ½ a 4" NPS.
Tuberías de aluminio sin costuras son construidas para algunas dimensiones estándar y para tuberías extrafuertes.
Tuberías de aluminio-bronce se encuentran en los números de lista o schedule 40 y 80 desde ½ a 4".
Las tuberías de cobre poseen diámetro nominal igual al las tuberías NPS.

TUBOS DE FUNDICION

Dentro de los tubos de fundición encontraremos los siguientes :

• Tuberías de agua y de gas: Existen en el comercio con empalmes de enchufe y cordón y con platinas ; las dimensiones normales y las formas de los tubos, platinas, enchufes y de las piezas de forma véanse en el tomo I de "conocimiento de materiales" paginas 1185 en adelante.
• Tubos bajantes de fundición para instalaciones de desague: Las normas para los tubos bajantes(codos de desagüe, tubos y codos de reducción, piezas en S, piezas en T oblicuas y piezas en cruz ) están contenidas en las DIN 538 a 545. Las normas para tubos bajantes normales ligeros se encuentran en las DIN 1172 a 1178.
• Tubos de acero moldeado: Se construyen principalmente de tubos cortos, codos y piezas de enlace. No existen todavía normas para ellas; las platinas se rigen por las DIN 2543 a 2547.

TUBOS DE ACERO DULCE

• Tubos roscados: En sus extremos se suministran con tubos sin costuras para gas y vapor o, en construcción mas barata, como tubos para gas y vapor soldados al tope, que no permiten una gran flexión sin rajarse. Se construyen con diámetros nominales desde 1/8 hasta 4"(mas raramente hasta 6").
• Tubos sin costura: Pueden ser estirados en frío o en caliente (hasta un diámetro nominal aproximadamente de 25 mm) ; para un diámetro nominal mayor de hasta 620mm son laminados en caliente (procedimiento Mannesmann). Para presiones de hasta 25 Kg/cm2 de presión nominal son corrientes en el comercio(DIN 2449) ; para presiones hasta 100 Kg/cm2 según la DIN 2450 (st 34), 2451 (st 45) y 2455 (st 55) y para mayores presiones pueden también ser suministrados con pared mas gruesa.

Son suministrados también como tubos de enchufe y cordón a la manera de los tubos de fundición de la misma clase. Sus ventajas son una gran longitud de fabricación (hasta 15 m) y la posibilidad de soldarlos en los puntos donde se empleen, seguridad contra la rotura a causa de fuerzas exteriores y hundimientos del terreno, escaso peso para el transporte.

• Tubos soldados: Se suministran o bien como tubos soldados o recubrimiento con gas de agua para diámetros por encima a los 300 mm con todas las dimensiones que se deseen y para todas las presiones hasta 80 Kg/cm2 aproximadamente, o como tubos con soldadura autógena por encima de 50 mm de diámetro, en los cuales, sin embargo, la presión admisible depende de la bondad de la soldadura.
• Tubos remachados: Solo entran en consideración a partir de un diámetro nominal de 60 mm, lo mismo que los de soldadura autógena, no son apropiados mas que para presiones pequeñas.
• Tubos de cobre, bronce y de latón: Con soldadura fuerte(es decir, con costura) que se hallan en el comercio en longitudes de hasta unos 4 m, o estirados ( sin costuras) en longitudes desde 3 hasta 7 m y precisamente :
• Como tubos de cobre y bronce con diámetros D=3 a 380mm y gruesos de pared S=1 hasta 10mm según DIN 1754.
• Tubos de latón con un diámetro exterior D = 5 a 180mm y S = 0.5 a 5 mm.
• Tubos de cobre sin costura con D= 3 a 3880mm aproximadamente y S = a.5 a 15mm.

Los tubos mayores solo se fabrican soldados, el estañado de los tubos por dentro y por fuera o por ambas partes a la ves implica un suplemento de precio. Los tubos se suministran con la dureza del estirado, pero sobre pedido se suministran también recocidos sin aumento de precio.

• Tubos flexibles:
• Mangas metálicas sin costura: Son tubos ondulados de tumbaga. Son tubos estirados sin soldadura, el los cuales se laminan luego surcos en espiral.

Protegidos por una envoltura, simple o doble, de tejido metálico prensado (que no disminuye la flexibilidad del tubo). Con refuerzo de alambre de latón enrollado en espiral y doble envoltura de tejido metálico resisten 9 a 10 veces mas. Guiando los tubos debidamente, la dilatación o contracción elástica llega a 50mm por metro o más (desde 15mm de diámetro interior). Aplicables a las conducciones de aire, gas, vapor, etc. además como compensadores de dilatación.

• Tubos metálicos flexibles: Formado por cinta (acedo, cobre, latón alpaca) de perfil especial enrollada en hélice de modo que sus bordes encajen con cierto juego que da una gran flexibilidad transversal y longitudinal. Entre las espiras va un cordón de goma o de amianto (según el fluido y la temperatura). Estos flexibles sencillos se fabrican de a 200mm de diámetro interior probados a 6 at.
• Flexibles sencillos : Protegidos por un trenzado metálico, con refuerzo de espiral de alambre( enrollado al revés del tubo ) ; no pueden destorserse. Se fabrican de 10 a 150mm de diámetro interior probados a 20.15 o 12 at( según aumenta el diámetro ).
• Flexibles dobles : D = 10 a 150mm, probados a 20 o 12 at. Sobre el tubo interior se enrolla en sentido contrario una cinta parecida (pero sin junta) que evita el aflojamiento de las espiras.
• Flexible universal "Hydra" : Un rebordeado especial de las espiras evitan que se aflojen, sin emplear doble tubo ni trenza protectora D=12 a 75mm ; probados a 20 o 15 at, según el diámetro.

PROTECCION CONTRA LA CORROSION
La mayor parte de los conductos de agua que han estado en servicio durante años sufren de alguna reducción en su capacidad de conducción, debido a las incrustaciones o revestimientos de limo que tiende a depositarse sobre la superficie interna. El índice de deterioro depende de la composición química del agua y del material de la tubería. Por tanto cuando se proyecta un conducto de agua o de cualquier fluido, es prudente tener en cuenta las condiciones probables en que se encontrara después de un periodo de años en servicio.
Por otra parte según al fin al que se destinen, bien sea para tuberías de líquidos, aire, gas, vapor, para instalaciones de calefacción, ventilación y condensación, al aire libre, enterradas o en salas de maquinas, se dejan los tubos al descubierto o son asfaltados, provistos de un arrollamiento de yute y alquitranados, pintados con minio o color al aceite, galvanizados o estañados.
Las tuberías de fundición para agua y gas se protegen sumergiéndolas en alquitrán o asfalto caliente o por una aplicación de laca de asfalto (salvo las partes de unión por enchufe o cordón).

TUBERIAS NO METALICAS
Las tuberías no metálicas utilizadas en procesos industriales están fabricados en una gran variedad de materiales dentro de los cuales se destacan:
Plásticos Cerámicos Vidrio Sílice fundida Carbón Rubber

De todos estos materiales, el grupo mas utilizado es el de los plásticos.
Las tuberías de plástico tienen gran resistencia a las soluciones alcalinas, cerca de todo tipo de ácidos y otros fluidos corrosivos.
Además son resistentes a todo tipo d bacteria, algas y principalmente son no tóxicas.
La mayor importancia se obtiene cuando el proceso deben de estar libre de contaminación. Las tuberías de plásticos ofrecen la ventaja de pesar la mitad o menos de la gran mayoría de las tuberías metálicas.
La principal desventaja de las tuberías de plástico es la tendencia de estos a sufrir algún tipo de deformación cuando están sometidas a determinadas temperaturas de trabajo e igualmente a determinados esfuerzos de trabajo, también hay que tener en cuenta la facilidad con que las tuberías de plástico se rompen bajo una carga elástica.
Por otra parte los termoplásticos tienen una gran importancia comercial en las tuberías de poliestireno PE, PVC, ABS, CAB.

• Tubería de PE : Es el mas utilizado de los termoplásticos. Este posee excelentes cualidades en su peso, flexible y muy buenas propiedades para los impactos, además posee una adecuada resistencia a la corrosión. Sin embargo, esta sujeto a los ataques de los hidrocarburos. La gran desventajas de los tuberías de PE es la baja resistencia mecánica a los esfuerzos y estructuras rígidas. Se utiliza generalmente a temperaturas de 120 º F.
• Tubería de PVC : Poseen una relativa resistencia al esfuerzo y al modulo de elasticidad. Este es el mas fuerte de la mayoría de las tuberías fabricadas con termoplásticos. Puede ser utilizado a temperaturas mayores de 150ºF

• Tuberías de ABS: También poseen una alta resistencia al impacto. Poseen además la mayor resistencia al calor que la mayoría de las tuberías fabricadas con los materiales termoplásticos, estos pueden ser utilizados a temperaturas sobre los 180ºF, sin embargo, su resistencia al ataque de químicos que la del PVC.
• Tuberías de CAB: poseen resistencia al impacto y tienen una ventaja adicional para la transparencia. Sin embargo posee bajas cualidades mecánicas y solamente una moderada resistencia a las temperaturas, químicos y al calor.

PREVENCION DE LA PERDIDA DE CALOR
Frecuentemente los líquidos que fluyen a través de las tuberías deben estar mantenidos a temperatura ambiente.
Esto es necesario para prevenir el mantenimiento de las líneas o para prevenir que el liquido que en transportada se transforme en un liquido demasiado viscoso como para que sea bombeado.
Un problema común en la industria es como prevenir adecuadamente las perdidas de calor que se producen cuando circulan grandes cantidades de fluido a determinadas temperaturas. Esto fue solucionado con materiales determinados aislantes térmicos.

CARACTERISTICAS PARA SU SELECCION
El proceso para la obtención de tuberías es el ítem individual más costoso en una planta industrial, esto es el tercer ítem en el orden de costo total en la implementación de una planta.
En un proceso industrial la mayoría de los fluidos bombeados producen algún tipo de corrosión. La adecuada elección del tipo de tuberías a utilizar depende de los siguientes factores :

• Esfuerzo a las temperaturas de trabajo
• Tiempo de vida útil
• Periodos de mantencion
• Facilidad de instalación y reparación
• Adecuada resistencia a la corrosión y erosión
• Costo de los equipos