Curso elemental de diseo de tuberas industriales

Fundamentos y su aplicacin en ingeniera

Volumen 1 Benjamn Serratos Monroy Volumen 1 1 1.1 1.2 1.3 1.4 Especificacin de tubera. Definicin de tubera. Clasificacin, estndares, cdigos y diferencias entre tubera y flux (tubing). Cdigos y estndares involucrados en la definicin de un sistema de tuberas. Definicin de dimetros (IPS y NPS), longitudes y tipos de terminales para tuberas.

1.5 1.6 1.7 1.8

Definicin de tubos de pared delgada. Definicin de tubos de acero inoxidable. Definicin de tubos de norma europea. Materiales para tuberas: 1.8.0. Seleccin de acuerdo a sus propiedades mecnicas y qumicas. 1.8.1. Materiales ferrosos. 1.8.2. Materiales no ferrosos. 1.8.3. Materiales plsticos. 1.8.4. Vidrios. 1.8.5. Tuberas con baos y recubrimientos. 1.8.6. Tuberas de asbesto y concreto (civiles). 1.8.7. Tuberas especiales. 1.9. Rangos de temperatura y presin.

2 Mtodos para unin de tuberas. 2.1. Conceptos generales, clasificacin y usos. 2.2. Clasificacin y usos. 2.3. Componentes para sistemas de tuberas soldadas a tope. 2.3.1. Ventajas. 2.3.2. Donde se usan. 2.3.3. Desventajas. 2.3.4. Como se realizan. 2.3.5. Accesorios para sistemas soldados a Tope. Tablas. 2.4. Componentes para sistemas de tuberas por soldadura enchufada 2.4.1. Ventajas. 2.4.2. Donde se usan. 2.4.3. Desventajas. 2.4.4. Como se realizan. 2.4.5. Tablas. 2.5. Componentes para sistemas de tuberas en sistemas roscados. 2.5.1. Ventajas. 2.5.2. Donde se usan. 2.5.3. Desventajas. 2.5.4. Donde se realizan. 2.5.5. Tablas. 2.6. Componentes para sistemas de tuberas bridadas. 2.6.1. Clasificacin y usos. a) Brida de cuello soldable (welding neck flange) b) Brida deslizable (slip-on flange) c) Brida enchufable (socket weld flange) d) Brida roscada (screwed flange) e) Brida loca (lap-joint flange) f) Brida ciega (blind flange) g) Brida reductora (reducing flange) h) Brida expansora (expander flange) 2.6.2. Tipo de Cara de bridas y acabados. 2.6.3. Tipo de sujetadores (tornillos, birlos, etc. ) 2.6.4. Tablas. 2.6.5. Tipo de empaque y empaquetaduras. 2.6.6. Bridas especiales

2.7. Componentes para sistemas de tuberas sanitarias. 2.7.1. Clasificacin y usos. 2.7.2. Tipo de empalme. 2.7.3. Tipo de acabados. 2.7.4. Ventajas. 2.7.5. Donde se usan. 2.7.6. Desventajas. 2.7.7. Como se realizan. 2.7.8. Accesorios y equipos especiales 2.8. Componentes para sistemas de tuberas civiles 2.8.1. Clasificacin y usos. 2.8.2. Tipo de empalme. 2.8.3. Tipo de acabados. 2.8.4. Ventajas. 2.8.5. Donde se usan. 2.8.6. Desventajas. 2.8.7. Como se realizan. 2.8.8. Accesorios y equipos especiales

3 Vlvulas 3.1. Especificacin de una vlvula. 3.2. Clasificacin de vlvulas. 3.3. Vlvulas especiales. 3.4. Vlvulas de seguridad alivio. 3.5. Partes de una vlvula. 3.6 Vlvulas de control de flujo.

4 Componentes menores conectados a tuberas 4.1. Separadores, coladeras, filtros. 4.2. Elementos para seales de instrumentacin. 4.3. Accesorios para sistemas de vapor. 4.4. Accesorios para sistemas de aire comprimido. 4.5. Equipos para modificacin qumica o mecnica del fluido. 4.6. Piernas hmedas. 4.7. Juntas de expansin. 4.8. Accesorios especiales.

Especificacin de tubera. 1.1. Definicin.Se puede llamar tubera a cualquier cuerpo hueco, el cual puede al realizarse un corte transversal presentar una silueta con cualquier forma geomtrica; puede seguir cualquier direccin ( regular o irregular) sobre su eje longitudinal; adems puede conducir entre sus paredes a slidos, lquidos, gases, vapores, o mezclas de los anteriores. Resulta obvio observar que la prctica comn nos obliga a trabajar con cuerpos cilndricos, de trayectoria recta ( o por lo menos regular); dejando las dems formas y trayectorias para tuberas especiales ( tubos aletados, serpentines, corrugados, perforados, etc.

Tubo Corrugado

Serpentin

Aletado

A travs de la historia se han usado diferentes tipos de materiales para conducir lquidos (agua generalmente o drenaje) Canales de piedra o cermica. Tubos de piedra o cermica. Tubos de cobre o bronce, Tubos de fierro fundido o de acero. Siempre buscando el material que no contaminara el lquido o gas trasportado con un precio accesible. A partir de la revolucin industrial los materiales ms comunes en usar fueron los de fierro, cobre y aleaciones diversas.Cabe mencionar el cambio de denominacin que sufre una tubera al cambiar el fluido que conduce: Al manejar lquidos se le llamara tubera. Cuando maneja gases o vapores comnmente a baja presin y velocidad se les llama ductos. Si conduce slidos en cada por gravedad se les nombra como tiros.

Tiros de descarga a silos.

Ductos.

Tuberas

1.2 Clasificacin, estndares, cdigos y diferencias entre tubera y flux ( tubing ). De acuerdo a su mtodo de fabricacin las tuberas se clasifican en: Tubera sin costura y con costura. A continuacin se muestra un diagrama de cmo se manufacturan ambas tuberas.

Tomando como tema principal de clasificacin las dimensiones estndar y su uso, las tuberas que se manufacturan en forma comn se pueden clasificar en: Tubera comn (pipe ) y tubo calibrado ( tubing ).El tubo calibrado o flux ( tubing en ingls) cuyo principal uso est en la transferencia de calor ( intercambiadores de calor ), generalmente es de costo ms elevado; se especifica por su dimetro exterior ( que es igual al nominal ), y su grosor de pared en calibre AWG o milsimas de pulgada. Este tubo se fabrica con costura. La tubera comn se identifica por su dimetro nominal definido como NPS (nominal pipe size o tamao nominal de tubo) el cual no es igual al dimetro exterior, sino a un dimetro definido por convencin a principios del siglo XX. Por su cedula (modo indirecto de indicar grosor). Esta tubera puede ser construida con costura y sin ella. Tuberas no estndar se pueden mandar construir bajo diseo indicando su dimetro y grosor de pared.

Tubera construida sobre medida

Tubera comn

Haz de tubos calibrados de un intercambiador.

1.3 Cdigos y estndares involucrados en la definicin de un sistema de tuberas. El tamao (dimetro) de la tubera se identifica por su nominal pipe size NPS ( tamao nominal de tubo en ingls ).Para soportar diferentes presiones, la tubera en un dimetro dado puede ser ofertada con diferentes grosores; los cuales pueden ser definidos por las siguientes fuentes:ANSI American National Standards Instituto ( Instituto Nacional

Americano de Estndares ), el cual anteriormente se llamabaASA American Standards Asociation :Esta norma lo define por su nmero de cedula. El nmero de cedula est dado por las frmulas:

t = grosor mnimo de pared de diseo, pulgadas. P = presin de diseo, psig D = dimetro exterior de tubera, pulgadas. S = esfuerzo permisible, psi. E = factor de eficiencia de la soldadura de junta. y = factor adimensional que vara con la temperatura Adicional al grosor de tubera que resulta de la formula anterior se deben adicionar los siguientes grosores probables: y Grosor debido a la progresivo deterioro o adelgazamiento debido a la corrosin, erosin o debilitamiento. y Grosor debido al retiro de material para procesos de junta como: roscado, ranurado y suaje. y Grosor debido a fortalecer el material debido a vibracin o esfuerzos externos adicionales. ASME American Society of Mechanical Engineers (Sociedad Americana de Ingenieros Mecnicos) y ASTM American Society for Testing and Materials (Sociedad Americana para pruebas y materiales). Estas sociedades designan las tuberas por el peso de manufactura como: STD (Standard- comn en ingls), XS (extra strong- extra fuerte), y XXS (doubl extra strong - doble extra fuerte).API American Petroleum Institute (Instituto Americano del petrleo) los define con sus normas 5L y 5LX. La descripcin de una tubera basada en su peso de manufactura, fue el primer medio para especificarla; pero ha sido siendo sustituida por el nmero de cedula, aunque an se sigue haciendo hincapi en el peso de manufactura. Un compendio de los tres puntos anteriores se resumieron por la norma ANSI B36.10-1970, para tuberas de fierro IPS (iron pipe size), y sus grosores designados como: STD, XS y XXS. Pero la tubera de fierro ha sido completamente sustituida por la de acero. Antes que el esquema del nmero de cedula predominara al ser publicado por el ASA (ANSI) en 1935, los IPS fueron modificados para ajustarse a la tubera de acero, decreciendo ligeramente su grosor de pared (Manteniendo como estndar su dimetro exterior constante) de manera que los pesos por pie son iguales para las tuberas de fierro acero. Para mayor informacin acerca de las propiedades de tubera estndar ver el anexo 1. 1.4 Definicin de dimetros ( IPS y NPS ), longitudes y tipos de terminales para tuberas. Resumiendo lo anteriormente explicado para la definicin de dimetros de tuberas estndar se llega a los siguientes puntos: a) La tubera se definir por su NPS. b) Para la definicin del NPS, se define un dimetro nominal cuyo smbolo es el cual se colocar despus del nmero en pulgadas (6 como ejemplo ). c) Cada NPS mantiene un dimetro exterior que se mantiene constante, independiente de la cedula. El dimetro exterior no es igual al dimetro nominal en tuberas de dimetro menor a 14 pulgadas, un tubo de tiene un dimetro exterior de 0.84 pulgadas. De 14 en adelante, el dimetro nominal es igual al dimetro exterior. d) Para indicar el grosor de tubera se usa de preferencia la clasificacin por nmero de cedula; o en su falta la clasificacin por peso de manufactura ( std, xs, xxs ). Los manufactureros ofrecen tuberas en un rango de 1/8 hasta 44 . Los dimetros normales son: , , 1 , 1 , 1 , 2 , 3 , 4 ,6 , 8 , 10 , 12 , 14 , 16 , 18 , 20 y 24 ( pulgadas ).Los dimetros de 2 , 3 , 5 son de obtencin ms difcil en el mercado .Las tuberas de 1/8 , y 3/8 se usan comnmente en lneas de instrumentos, estaciones de servicio, lneas hidrulicas, lneas auxiliares de equipo o venas de calentamiento. La tubera recta se

suministra en tramos de 17 a 25 pies (alrededor de 6 metros. Es difcil el suministro de tramos de longitud mayor. Los extremos de los tramos pueden venir a corte plano biselado indistintamente, y solo bajo estricta especificacin se entregan con un solo acabado en los extremos, con terminales roscadas. Solo en caso muy especiales se entrega con ranura para acoplamiento con empaque redondo ( o-ring ). 1.5 Definicin de tubos de pared delgada. Es una designacin comercialmente aceptada correspondiente a las Cedulas 10 y 10S ( ANSI B36.10 ) comnmente usada para tubera de acero inoxidable o de aleaciones. 1.6 Definicin de tubos de acero inoxidable. Se establece en el ANSI B36.19-1965 (revisada en 1971) un rango de tamaos de pared delgada para acero inoxidable, identificados como cedulas 5S y 10S.1.7 Definicin de tubos de norma europea. Este curso se enfoca fundamentalmente en las tuberas de norma americana, eso en principio nos hace reconsiderar que todos y cada uno delos pases tienen sus cdigos y normas que legislan sobre los equipos e instalaciones que trabajan en ellos. Tarde o temprano y debido a la globalizacin que existe a escala mundial se tiene que hacer labores de correlacin entre los diferentes estndares, esto en si no es demasiado difcil ya que todos parten de los mismos parmetros de diseo, y solo se trata de hacerlos coincidir entre ellos. A nivel mundial y debido a que son los principales proveedores de equipo industrial, las normas de tubera que se comparan son: API. ASME/ASTM para USA.EN (Euronorm e ISO) para la comunidad europea. 1.8 Materiales para tuberas. 1.8.0. Seleccin de acuerdo a sus propiedades mecnicas y qumicas. Todo fluido a ser conducido por una tubera tiene un material idneo que soporte sus propiedades de resistencia qumica bajo las condiciones de presin, temperatura, viscosidad, etc. Todas las compaas manufactureras de tuberas, y de equipos y accesorios relacionados con ellas tienen tablas de resistencia qumica que sugieren materiales adecuados a cada fluido. Es enteramente razonable la designacin de un material de tubera idneo, pero muchas veces se dificulta su uso desde el punto de vista econmico. Por lo que debe haber un compromiso entre la corrosin, erosin y contaminacin de producto contra el costo. Tambin se debe tomar en cuenta las propiedades de este material para las solicitudes bajo los esfuerzos mecnicos que va a recibir, as como las facilidades de soldadura y montaje. Diferentes pueden ser los puntos de vista y parmetros para clasificar los materiales de tuberas: comportamiento qumico, mecnico, dureza, rugosidad, resistencia a la fatiga, a la vibracin, conductividad trmica, etc. De acuerdo a nuestra experiencia nosotros clasificamos a las tuberas en: Tuberas hechas con materiales ferrosos. Tuberas hechas con materiales no ferrosos. Tuberas hechas con materiales no metlicos. 1.8.1. Materiales ferrosos. Debido a que desde la revolucin industrial los materiales de fierro ( fierro fundido, acero y sus aleaciones ) han probado ser los materiales que dan mejores condiciones de resistencia qumica y mecnica contra el costo, en la actualidad son los materiales mas comunes de tubera. Ha habido diferentes esfuerzos para normalizarlos por lo que lo enlistaremos a continuacin: NPS Nominal Pipe Size.- Nos indica el dimetro nominal de la tubera. NPS Nominal Pipe Size.- Nos indica el dimetro nominal de la tubera. AISI/SAE American Iron & Steel Institute / Society of Automotive Engineers.- Los Cuales usan un numero de cuatro dgitos, en los cuales los dos primeros dgitos indican la concentracin de carbono y los siguientes dos dgitos el elemento de aleacin. UNS Unified Numbering System.- Debido a la globalizacin mundial fue necesario llegar a un nmero de clasificacin mundial.

ASME/ASTM American Society of Mechanical Engineers / American Society for testing and materials.- Las cuales estudian sus propiedades mecnicas y las pruebas que se les debern realizar. Dependiendo del procedimiento de manufactura las tuberas de acero se fabrican: Con costura, la cual se realiza rolando placa de acero y luego soldndola, y sin costura, la cual se manufactura con un lingote incandescente de acero que se estira y se rola. 1.8.5. Tuberas con baos y recubrimientos. Ciertas tuberas metlicas ( comnmente acero ) pueden ser baadas o recubiertas con algn material que forme una pelcula entre l y el fluido a conducir, y que impida algn ataque qumico sobre el metal.

1.8.6. Tuberas de asbesto y concreto ( civiles ). El uso de tubera en la ingeniera civil ha hecho uso de las tuberas en dos diferentes vertientes: Agua Potable y Drenaje. En la conduccin de agua potable para la conduccin de los cabezales de distribucin principales ( acueductos ) se usa generalmente tubera de acero principalmente galvanizada, tambin tubos de concreto reforzado, actualmente y con un amplio desarrollo en el futuro se estn utilizando tuberas de polmeros reforzados, tanto para nuevos acueductos como para recubrir los existentes que se encuentran daados. Para tuberas de agua potable secundarias y dependiendo del terreno se ha estado usando asbesto cemento y plstico reforzado.

2 MTODOS PARA UNIN DE TUBERAS. 2.1. Conceptos generales. Ante la imposibilidad fsica de interconectar equipos en general por medio de una tubera que fuera de trazo continuo, se hace necesario usar piezas que cambien de direccin y elevacin a las tuberas, y que les permitan divergir a dos o mas direcciones; ya que no existe hasta el presente ningn sistema que pueda realizar este trabajo, es necesario trabajar con tramos de tubera, que se unen por medio de diversos artculos llamados accesorios que aumentan su versatilidad. Accesorios se llama a todos aquellos artculos que se conectan a las tuberas y que le permiten cambiar de

direccin, cambiar de dimetro, o divergir en dos o mas ramales. Los accesorios se fabrican de placa maquinada, tubera, fundirse o forjarse, en el caso de plsticos puede moldearse 2.2. Clasificacin y usos. Para reunir los tramos de tubera con sus accesorios se puede hacer usos de los siguientes mtodos de unin: a) Unin por cordn de soldadura a tope. b) Unin por soldadura a enchufe. c) Unin por medio de roscado. d) Unin por bridas atornilladas (Uniones bridadas) e) Uniones de sujecin rpida (uniones rpidas) f) Uniones Especiales. a) La unin por cordn de soldadura a tope es generalmente tratndose de acero al carbn, el medio mas econmico a prueba de fugas para unir tuberas, pero estas virtudes se ven opacadas por su nula facilidad de desarme.

Lneas de tuberas unidas con cordn de tubera a tope.

b) La unin de tuberas por soldaduras a enchufe tiene varios casos: uniones de alta presin de acero forjado, uniones de media y baja presin para cobre con soldadura fundida. En el caso de uniones de soldaduras a enchufe de acero forjado se trata de una familia de accesorios de alta presin cuyos rangos estn en: 2 000, 3 000, 6 000 y 9 000 psig

c) Las tuberas se pueden unir roscando la tubera por el lado exterior ( roscado macho ) y unirlo con accesorios con roscado interior ( roscado hembra ); y estos accesorios entre si con roscados macho hembra. Este sistema de unin seria universal sino fuera que a partir de 2 se vuelve cada vez mas difcil enroscar una pieza contra otra; los tubos deben de ser de pared de un grosor apropiado ( para poder quitar el material de la rosca ), y el fluido tiende a meterse entre las roscas.

c) El medio mas versatil para unir tuberias y sus accesorios es por medio de bridas, lo cual incrementa su mantenimiento; las bridas son caras y frecuentemente su uso de limita a ser compaeras de bridas de tanques, equipos, vlvulas, instrumentos , o lineas de proceso que requieren de limpieza peridica. En la seccion 2.6 se anotan sugerencias acerca de su uso.

2.3. COMPONENTES PARA SISTEMAS DE TUBERAS SOLDADAS A TOPE. 2.3.1. Ventajas. Es el mtodo de unin preferido para tramos muy largos, se realiza con un equipo muy accesible y sus juntas son a prueba de fugas. 2.3.2. Donde se usa. Es un mtodo universal de unin de tuberas. Limitada solo por accesorios que por su naturaleza, no se puedan soldar. 2.3.3. Desventajas. Al soldarse las uniones y accesorios, se impide que se puedan desarmar; el metal de la soldadura puede obstruir o ser atacado por el fluido del proceso. 2.3.4. Como se realiza. En el extremo de la tubera se realiza un chafln que tiene un perfil definido ( segn norma ), los accesorios estn similarmente achaflanados por los manufactureros; las dos partes son apropiadamente presentadas, alineadas, fijadas con puntos de soldadura, y entonces se suelda con un cordn continuo de soldadura. 2.3.5. Accesorios para sistemas soldados a Tope. Tablas.

CODOS Realizan el cambio de direccin de una tubera en 45 90. Normalmente de usan codos de radio largo ( lo cual indica que su radio de curvatura es 1.5 veces su dimetro nominal para tubos d y ms grandes).Figura> Codo de 90 radio largo.

Tambin se pueden obtener codos de radio corto, cuyo radio de curvatura es igual al diametro nominal

Codo de 45 grados

Existen codos de 90 con una parte recta en un extremo. Llamados codos con tangente larga; o codos reductores que disminuyen el dimetro de un extremo a otro. Codo de 90 grado de tangente larga.

Codo reductor de 90 grados:

RETORNO Cambia la direccin de flujo 90, de uso comn en la fabricacin de serpentines o Venteos.