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2.4. Materiales no metálicos

En la actualidad, son muchos los materiales no metálicos empleados en la fabricación de tuberías industriales. En gran medida, se ha debido al avance tecnológico que han sufrido dichos materiales y a las propiedades que poseen.

Nota

El transporte de tuberías no metálicas suele ser más sencillo, al igual que su montaje.

A continuación, se pasa a estudiar algunos de los materiales no metálicos más comunes.

Materiales plásticos

Día a día, se ve como los sistemas de conducción de aguas se han visto mejorados por el uso de las tuberías plásticas, las cuales, con el paso del tiempo y tras varias décadas de investigación, han desarrollado mejoras evidentes que han alargado la calidad de vida de las mismas y han hecho que el servicio sea mejor.

Una de las mayores problemáticas que se planteaba en el conformado y curvado de tuberías era la búsqueda de una solución para la industria química, la cual exigía una tubería capaz de transportar fluidos con una alta actividad química. La solución fue la tubería industrial plástica.

No todo son ventajas en los materiales plásticos. El principal inconveniente es que las tuberías suelen tener una resistencia mecánica baja. Para resolver dicho problema, se utilizan camisas de tubería metálica realizando la función de soporte o, en su defecto, se recurre a otro tipo de soportes.

Claramente, existen dos vertientes a la hora de fabricar las tuberías plásticas: por un lado, están las compuestas por un solo polímero, mientras que, por otro, se encuentran las formadas por dos o más polímeros.

Un solo polímero	Más de un polímero
Policloruro de vinilo (PVC)	Ácido nitrilo butadieno estireno (ABS)
Propileno de etileno (PE)
Propileno de butileno (PB)
Poliolefinas	Celulosa acetato butirato (CAB)
Poliésteres
Ejemplos de polímeros

Tubería de PVC

Tubería de polipropileno

Tubería ABS

Poliéster reforzado con fibra de vidrio (PRFV)

Se puede definir como un material plástico compuesto, formado por una estructura resistente de fibra de vidrio y un aglomerante que, en este caso, es un plástico.

Nota

La fibra de vidrio es utilizada en las tuberías hechas de poliéster y epoxi para reforzarlas.

Varias son las características que aporta el refuerzo de fibra de vidrio, como son la resistencia mecánica, la estabilidad dimensional y la resistencia al calor.

En cuanto a la resina plástica, beneficia la resistencia química dieléctrica y el comportamiento a la intemperie. Su uso está muy extendido en tuberías que exigen una alta resistencia a la corrosión.

Los tubos de PRVF están constituidos por distintas capas o componentes, cada uno con una función específica, pero que en el total confieren unas magníficas prestaciones a las tuberías o a sus accesorios.

A la hora de fabricar tuberías de PRFV, se utilizan materias primas como la resina de poliéster insaturado, las fibras de vidrio y las cargas inertes.

En el proceso de fabricación del tubo, la resina de poliéster solidifica formando enlaces químicos tridimensionales. Por ello, el PRFV es un plástico termoestable, que conserva su estabilidad dimensional en un medio caliente.

Polipropileno (PP)

Se consigue polimerizando el propileno y se trata de un polímero termoplástico cristalino de forma parcial. Forma parte de las poliolefinas y se utiliza en un gran número de aplicaciones.

Entre sus principales características, hay que destacar:

1 Tiene una gran resistencia contra diversos solventes químicos, álcalis y ácidos.
2 Se ablanda a una temperatura superior a los 150 °C, por lo que tiene una gran resistencia al calor.
3 Es muy resistente a los golpes.
4 Tiene poca densidad.
5 Se puede doblar muy fácilmente y resiste múltiples doblados.
6 Ante los productos corrosivos, es muy resistente.

Si hay que destacar una clasificación del polipropileno, será la que se basa en su estructura química.

Policloruro de vinilo (PVC)

Es un polímero termoplástico. Posee una alta resistencia a la abrasión y una baja densidad, además de una buena resistencia mecánica y al impacto.

Los estabilizantes y los plastificantes son aditivos que pueden transformar al PVC en un material flexible o rígido, de ahí su amplio uso en aplicaciones.

Nota

Se trata de un material que, sin tener que someterlo a altas temperaturas, se vuelve moldeable y flexible.

Lo más importante es que es un material rentable y tiene un bajo coste de instalación.

Vidrio

La principal propiedad física que presenta este material en el conformado y curvado de tuberías es la transparencia, que permite observar el proceso que se esté realizando. En cuanto a las propiedades químicas, destaca la excelente resistencia química que presenta en trabajos con pH bajo.

Obvia es la principal desventaja que presenta, ya que es un material muy frágil que se puede quebrar con cualquier esfuerzo mecánico. Además, no suele soportar los cambios repentinos de temperatura.

Sistema de tuberías de vidrio

Por último, cabe destacar que, ante un diferencial de presión medio, no es probable que una tubería de vidrio o un accesorio del mismo material sea capaz de soportarlo.

2.5. Tuberías con baños y recubrimientos

En ocasiones, se bañan o recubren las tuberías metálicas, principalmente de acero, formando una película con algún material entre el metal y el fluido a trasladar, cuya misión será la de evitar un posible ataque químico sobre el metal.

Ejemplo

Cuando se realiza un galvanizado por bañado de zinc a las tuberías de acero mediante un bañado por inmersión, estas se utilizan para conducir agua.

Se pueden bañar con variedad de polímeros, variando la resistencia química en función de la elección del mismo.

Tubería y accesorios recubiertos

2.6. Tuberías especiales

El abanico de materiales y el perfil de una tubería prácticamente no tienen límites, siendo muy amplia la variedad de sólidos, líquidos, fluidos y gases a confinar, con características físicas y químicas muy específicas.

Tuberías especiales

2.7. Rangos de temperatura y presión

Los materiales, en general, tienden a perder sus propiedades mecánicas, conforme aumenta o disminuye la temperatura fuera del rango del medio ambiente común. A bajas temperaturas, tienden a cristalizarse deficientemente sus componentes y a volverse frágiles; a altas temperaturas, sus puntos de fluencia disminuyen. Se deben tomar muy en cuenta estas variaciones para involucrar un análisis de flexibilidad en el diseño de tuberías.

Los aceros al carbón pierden resistencia a altas temperaturas; la tubería con costura solada por resistencia eléctrica no se considera satisfactoria para usos superiores a 399 °C y cuando se unen tuberías a tope por encima de 343 °C.

Cuando se requieren mayores temperaturas, se debe considerar el uso de materiales adecuados, como aceros inoxidables, aleaciones o metales más fuertes.

Recuerde

Por lo general, los materiales se cristalizan a bajas temperaturas y se produce una disminución del punto de fluencia con altas temperaturas.

3. Tuberías

En general, se entiende por tubería industrial cualquier cuerpo hueco que conduce entre sus paredes gases, líquidos, sólidos, vapores o mezclas de los anteriores.

Nota

La disciplina de la ingeniería en los estudios de diseño define la tubería industrial como tubería de transporte eficiente de fluidos.

La tubería cilíndrica es la más empleada en la práctica, de trayectoria recta o, al menos, regular sobre su eje longitudinal. El resto de formas y trayectorias son abarcadas por las tuberías especiales.

3.1. Características específicas según espesores

El diámetro nominal, conocido como NPS (nominal pipe size o “tamaño nominal de tubo”), es el dato que identifica la tubería común. Dicho diámetro difiere del diámetro exterior, ya que se trata de un diámetro determinado por convención a principios del siglo XX. Además, se identifica a la tubería por su espesor.

En el mercado se encuentran tuberías en un rango de 1/8” Ø hasta 44” Ø. Los diámetros normales son:½”,¾”, 1”, 1¼”, 1½”, 2”, 3”, 4”, 6”, 8”, 10”, 12”, 14”, 16”, 18”, 20” y 24”, siendo la unidad de medida la pulgada.

Nota

Los diámetros de 2½”, 3½” y 5” son de obtención más difícil en el mercado.

Las tuberías de 1/8”,¼” y 3/8” se suelen utilizar en estaciones de servicio, líneas hidráulicas, líneas auxiliares de equipo, líneas de instrumento o venas de calentamiento.

Es difícil suministrar la tubería recta en tramos de longitud superiores a 6 metros. Rara será la vez en que los extremos de la misma se entreguen con un solo acabado o con terminales roscados, por lo general los extremos vendrán con un corte plano o biselado de forma indiferente. Especial será el caso en el que se entregue un extremo con ranura para acoplamiento con empaque redondo conocido como o-ring.

El mínimo espesor de pared para cualquier tubo sometido a presión interna o externa es una función de:

1 El esfuerzo permisible para el material del tubo.
2 Presión de diseño.
3 Diámetro de diseño del tubo.
4 Diámetro de la corrosión y/o erosión.

Se debe incluir la tolerancia apropiada de fabricación en el mínimo espesor de pared de cualquier tubería. Será función de la longitud de la misma el espesor de la pared sometido a presión externa, ya que dicha presión afecta a la resistencia al colapso del tubo.

Ejemplo

Tuberías según sus espesores

1 Existe una designación comercialmente aceptada correspondiente a los espesores 10 y 10S (ANSI B36.10), comúnmente usada para tuberías de acero inoxidable o de aleaciones de pared delgada.
2 Por otro lado, se establece en el ANSI B36.19-1965 (revisada en 1971) un rango de tamaños de pared delgada para acero inoxidable, identificados como espesores 5S y 10S.

3.2. Pruebas de resistencia

Por pruebas de resistencia se entienden aquellos factores que hay que tener en cuenta a la hora de realizar el diseño de la tubería industrial. Entre las principales pruebas de resistencia se encuentran las cargas, la presión y la temperatura de diseño.

Es importante intentar evitar esfuerzos a la hora de constituir el conjunto de tuberías y prever los posibles esfuerzos que pueden surgir en la fase de operaciones.

Importante

Entre las principales cargas a tener en cuenta en un sistema de tuberías irregular, están las producidas por la presión de diseño, por peso y, por último, las cargas dinámicas.

Siempre hay que calcular la presión de diseño de forma que sea superior a la presión esperada en las condiciones más severas de trabajo. No se tendrán en cuenta las pérdidas involuntarias de presión a la hora de hablar de las condiciones más severas.

A la hora de calcular la temperatura de diseño, se pueden plantear dos casos: Por un lado, puede tratarse de una tubería con aislamiento externo y, por otro, sin aislamiento ni revestimiento interno. Para componentes de tubería con aislamiento externo, la temperatura del metal para diseño será la máxima temperatura de diseño del fluido contenido. Tanto en un caso como en otro, la temperatura irá en función de la máxima temperatura de diseño del fluido.

3.3. Especificaciones para su manipulación

Diferentes son las consideraciones a tener en cuenta a la hora de manipular un sistema de tuberías industriales. De vital importancia son las que tratan sobre arreglo de tuberías, las que abarcan disposiciones generales y las que tienen relación con facilitar el apoyo y la sujeción de las mismas.

Consideraciones sobre arreglo de tuberías

Con el fin de usar las estructuras existentes en los alrededores para facilitar puntos lógicos de soporte, las líneas de tuberías tienen que ser proyectadas si existe espacio en las estructuras y se puede utilizar el soporte adecuado.

Consideraciones sobre disposición general

En la disposición y arreglo de sistemas de tuberías, se deberán tener en cuenta los siguientes factores:

1 Operación sencilla: los puntos de operación y control deberán estar colocados en zonas del sistema que puedan ser operados sin la mayor dificultad.
2 Mantenimiento accesible: sin que sea un problema mayor cualquier parte del sistema, deberá ser planeado de tal manera que pueda ser arreglado o sustituido.
3 Economía: a la hora de diseñar el sistema, se tendrá en cuenta que el trazado resulte económico y, en ningún caso, prevalecerá la flexibilidad sobre el coste.
4 Exigencias especiales de proceso: ante una presión crítica, las pérdidas de presión por flujo tendrán que ser reducidas.
5 Se tendrán en cuenta posibles ampliaciones futuras.
6 Habrá que intentar integrar el nuevo sistema de tuberías en el sistema existente para mantener una cierta apariencia.
7 Se recurrirá a drenajes en zonas complicadas y se intentarán evitar, en la medida de lo posible, los extremos muertos y los bolsillos.
8 Siempre que sea posible, se maximizará el uso de soportes existentes con la finalidad de minimizar los costes.
9 Se deberá tener en cuenta la libre expansión térmica de la tubería en su máximo exponente.
10 Existen unos espacios mínimos de separación entre unas cotas determinadas del sistema de tuberías que hay que respetar.

Recuerde

Entre los diferentes aspectos que afectan a la disposición general de un sistema de tuberías se encuentran: operabilidad, accesibilidad, economía, especialidad, ampliabilidad, apariencia, minimización de extremos, aprovechamiento de soportes, separaciones y espacios.

Aplicación práctica

Suponiendo que trabaja como encargado de mantenimiento en una empresa de gas natural, ¿como actuará ante una posible fuga de gas?

SOLUCIÓN

1° Deberá asegurarse de poder realizar la operación con total accesibilidad.

2° Cerciorarse de que estén todos los puntos de control a analizar cerrados (en este caso, se trata de las llaves de paso). Primero hay que detectar la fuga. Para esto debe establecer tramos del conducto, que irá analizando por separado, uno a continuación del otro, con lo que irá abriendo las llaves de paso correspondientes a cada tramo cuando sea su turno.

3° El primer método para detectar la pérdida es el buen oído. Si la pérdida no es lo suficientemente abundante para ser oída, entonces se utiliza agua jabonosa para cubrir la parte del conducto que toca analizar, observándola detenidamente.

4° Si se forman pompitas en el agua jabonosa, entonces hay una fuga y debe procederse al sellado de la misma.

Consideraciones de arreglo para facilitar el apoyo y la sujeción

El conjunto de tuberías industriales deberá soportarse a sí mismo en la medida de lo posible, además de ser consistente con los requerimientos de flexibilidad. El exceso de esta última puede requerir soportes o sujeciones adicionales para eliminar el movimiento y las vibraciones excesivas.

Nota

Las tuberías propensas a vibrar deberán tener soportes propios e independientes.

El sistema estructural de tuberías debe ser lo suficientemente rígido. Para ello, la tubería deberá estar cerca del punto de apoyo de sujeción.

Por último, cabe destacar en este apartado que los componentes de fijación han de ser simples y económicos.

De importancia será respetar el espacio para el fácil acceso a las zonas de sujeción de los soportes que exijan un cierto mantenimiento o servicio.

4. Materiales auxiliares

Por material auxiliar se entiende todo aquel material empleado en los componentes menores conectados a las propias tuberías industriales. Para la selección de dicho material auxiliar, se procederá del mismo modo que para las propias tuberías industriales, teniendo en cuenta factores de carácter similar.

Muchos componentes de las tuberías industriales deben tomarse en cuenta, debido a que son parte de las tuberías y se olvidan u omiten a causa de que forman parte de otro equipo o se colocan en el arranque de operación y después se quitan o quizá porque están atrapados entre bridas y no son visibles. Si no son considerados, pueden ocasionar que se tengan que hacer modificaciones, muchas veces, demasiado grandes. A continuación, se describen los más comunes.

4.1. Separadores, coladeras, filtros

Es importante destacar que, en la fase inicial de una planta industrial, se deben colocar separadores, coladeras y filtros para recoger todo aquel material indeseable que haya quedado atrapado en las tuberías.

Ejemplo

Restos de soldadura, basuras, desperdicios, herrajes, material de proceso descompuesto o sin reaccionar, precipitados, lubricantes, aceites o agua.

Estos materiales pueden dañar los equipos de proceso, al comienzo o cuando se mantiene estable el sistema.

Otro problema diferente que también cabe resaltar es el caso del aire y algunos otros gases que se colectan automáticamente en los puntos altos de las tuberías.

Separadores/Coladeras/Filtros

4.2. Elementos para señales de instrumentación

Por un lado, existen instrumentos, como los termopozos para termómetros o las salidas para manómetros de información, cuya colocación es muy conocida, pero hay otros con una localización que puede requerir una serie de parámetros para ser claramente distinguibles.

Ejemplo

Algunos instrumentos de medición de densidad o viscosidad.

En conclusión a todo lo anterior, cabe destacar la importancia de la relación estrecha que debe existir con los diseñadores de estos sistemas de instrumentación.

Termopozos

4.3. Accesorios para sistemas de vapor

Los accesorios, equipos e instrumentos que forman comúnmente los sistemas de vapor se pueden clasificar de la siguiente manera:

Instrumentos periféricos a una caldera

Comúnmente, estos equipos vienen en paquete con la caldera o son equipos que pueden ser proporcionados por las compañías.

Ejemplo

Un ejemplo de instrumento periférico a una caldera son los sistemas de almacenaje y acondicionamiento de agua de alimentación.

Medidores de flujo

Pueden tener el sistema tradicional de brida de orificio o medidores más sofisticados.

Válvulas de control

Son las válvulas que se colocan en los cabezales y ramales de tuberías. Pueden ser válvulas autocontroladas, válvulas de control, válvulas reductoras de presión y válvulas de seguridad.

Trampas de vapor

Son artefactos que mantienen el vapor en su lado corriente arriba y solo lo dejan pasar condensado corriente abajo. Los tipos más frecuentes son: de presión balanceada, bimetálicas, de bola flotante, de cubeta invertida, termodinámicas y selladas.

Sistemas de bombeo de condensados actuadas y de recuperación de vapor

Estos sistemas se emplean para hacer regresar los condensados de vapor al tanque de la caldera, ya que en principio es agua suavizada caliente a la cual solo se le necesita suministrar calor latente para transformarla en vapor saturado.

Nota

Lo mismo sucede en los recipientes de recuperación de vapor flash.

Accesorios auxiliares

Las compañías que trabajan el manejo del vapor cuentan con un amplio inventario de accesorios auxiliares que garantizan un buen desempeño.