MECNICA DE FLUIDOS (CDIGO ICO 317)

P R O F E S O R H U G O V A L D S R . H V A L D E S @ U C M . C L

TUBERAS

CUL ES LA DIFERENCIA ENTRE TUBERAS Y CAERAS?

CUL ES LA DIFERENCIA ENTRE TUBOS Y TUBERAS?

Tienen como principal destino la industria de la construccin, la industria

elctrica y la metalmecnica. Dentro de la industria de la construccin, las

tuberas son demandadas para la elaboracin de estructuras firmes as como

para cableado, ventilacin, alcantarillado y conduccin de aguas blancas y

negras.

TUBERAS INDUSTRIALES

DATOS CARACTERSTICOS

La condicin ms severa de presin y temperatura coincidente, es aquella

condicin que resulte en el mayor espesor requerido y en la clasificacin

(rating) ms alta de los componentes del sistema de tuberas.

Temperatura Nominal

Los requisitos para determinar la temperatura del material de diseo para tuberas son:

Componentes de tubera con aislamiento externo.

Componentes de tubera sin aislamiento externo y sin revestimiento interno.

Temperaturas de fluidos menores de 0C.

DATOS CARACTERSTICOS

Tabla N 1 Reduccin de Temperatura para Componentes sin Aislamiento

Componente T% Vlvulas, tubera, uniones solapadas y accesorios soldados 5 Accesorios bridados 10 Bridas (en lnea) 10 Bridas de uniones solapadas 15 Empaquetadura s (en uniones en lnea) 10 Pernos (en uniones en lnea) 20 Empaquetadura s (en casquetes de vlvulas) 15 Pernos (en casquete de vlvulas) 30

Espesor nominal

El mnimo espesor de pared para cualquier tubo sometido a

presin interna o externa es una funcin de:

El esfuerzo permisible para el material del tubo.

Presin de diseo.

Dimetro de diseo del tubo.

Dimetro de la corrosin y/o erosin.

Dimetro Nominal

Es la medida de un accesorio mediante el cual se identifica al mismo y

depende de las especificaciones tcnicas exigidas.

Resistencia

Es la capacidad de tensin en libras o en kilogramos fuerza que puede

soportar un determinado accesorio en plena operatividad.

Aleacin

Es el material o conjunto de materiales del cual esta hecho un accesorio de

tubera.

a) Establecimiento de las condiciones de diseo incluyendo presin, temperaturas y otras condiciones, tales como la velocidad del viento,

movimientos ssmicos, choques de fluido, gradientes trmicos y nmero de

ciclos de varias cargas.

b) Determinacin del dimetro de la tubera, el cual depende fundamentalmente de las condiciones del proceso, es decir, del caudal, la velocidad y la presin

del fluido (Balance de Energa).

PROCEDIMIENTO DEL DISEO DE UN SISTEMA DE TUBERAS

c) Seleccin de los materiales de la tubera con base en corrosin y resistencia.

d) Seleccin de las clases de rating de bridas y vlvulas.

e) Clculo del espesor mnimo de pared (Schedule) para las temperaturas y presiones de diseo, de manera que la tubera sea capaz de soportar los

esfuerzos tangenciales producidos por la presin del fluido.

f) Establecimiento de una configuracin aceptable de soportes para el sistema de tuberas.

g) Anlisis de esfuerzos por flexibilidad para verificar que los esfuerzos producidos en la tubera por los distintos tipos de carga estn dentro de

los valores admisibles, a objeto de comprobar que las cargas sobre los

equipos no sobrepasen los valores lmites.

MATERIALES DE TUBERIAS

TUBERIAS METALICAS

Tubos de hierro fundido

Tuberas de acero.

Tuberas de cobre.

Tuberas de bronce.

TUBERIAS DE HIERRO FUNDIDO (HF)

Se utiliza generalmente en el servicio de agua y

desage, sobretodo cuando la tubera debe estar

en contacto directo con la tierra.

Las tuberas de hierro fundido son utilizados para aguas residuales.

TUBERIAS DE HIERRO FUNDIDO

En colectores de alcantarillado, este tipo de tubera se recomienda emplear cuando:

a) La tubera sea instalada en un lugar de paso de vehculos y con un recubrimiento mnimo (tapada).

b) La tubera sea instalada a grandes profundidades por sobre los lmites de resistencia de otros materiales.

TUBERIAS DE HIERRO FUNDIDO

En colectores de alcantarillado, este tipo de tubera se recomienda emplear cuando:

c) Existe la necesidad de atravesar o pasar sobre ros.

d) Existe la necesidad de pasar sobre vanos de puentes donde la vibracin afectara a otro tipo de materiales.

e) La pendiente del colector es superior a 15 %.

TUBERIAS DE HIERRO FUNDIDO

La principal desventaja que se puede mencionar de los tubos de hierro fundido es la abrasin, principalmente en tuberas de impulsin.

Para la utilizacin en redes de alcantarillado, los tubos, deben ser protegidos contra la corrosin interna y externa mediante por lo menos, un revestimiento de cemento. En la actualidad, tales revestimientos son ejecutados empleando materiales vinlicos, resinas epxicas y ceras micro cristalizadas.

TUBERIAS DE ACERO

Su uso comn es en el transporte de

agua, vapores, aceites, combustibles y

gases.

Se utiliza para altas temperaturas y

presiones.

TUBERIAS DE ACERO

Se unen por uniones roscadas,

soldadas y con brida.

El transporte de gas, petrleo y

cidos requiere de un acero

resistente a la corrosin.

TUBERAS DE COBRE

La mayora de las instalaciones modernas se hacen con

tuberas de cobre, ya que es un material ligero, fcil de

manipular y que suelda con facilidad.

Adems, sirve para las conducciones tanto de agua fra como

de agua caliente.

TUBERAS DE COBRE

Existen bsicamente dos tipos de tuberas de cobre:

Tubos de cobre rgido: se presentan en

forma de barras rectas de 5 metros.

Tubos de cobre blando o recocido: se

venden en rollos de 50 metros. Es un

material mucho ms moldeable.

Las tuberas de cobre se pueden doblar y curvar, y si se hace

correctamente se puede incluso evitar la instalacin de codos.

La tubera se introduce en el interior de un muelle y con una

simple presin sobre l, el tubo de cobre se curvar sin

deformarse ni aplastarse.

El cobre es un metal blando y por lo tanto fcil de cortar. Se

puede usar una sierra para metales, aunque, para evitar

deformar la tubera y que el corte sea recto y limpio, es

preferible usar un corta tubos.

TUBERIAS DE BRONCE

Son apropiadas para el suministro de agua.

Se debe unir con accesorios de cobre para evitar corrosin

galvnica.

Su costo es elevado comparado con las dems tuberas.

TUBERIAS NO METALICAS

Tuberas cermicas Tuberas de hormign y de hormign armado. Tuberas de polister. Tuberas de PVC. Tuberas de polietileno (PE) y de polipropileno (PP).

TUBERIAS CERAMICAS

Los tubos cermicos son qumicamente

inertes logrando resistir los ataques

qumicos corrosivos de las aguas

domsticas e industriales.

Poseen una buena resistencia a la abrasin.

TUBERIAS DE HORMIGON

Los tubos de hormign, se fabrican en moldes metlicos,

empleando hormigones ricos en dosificacin de cemento.

Los tubos pueden ser de hormign simple o de hormign armado.

Las tuberas de hormign armado deben llevar armaduras de

refuerzo solamente cuando se trata de grandes dimetros.

Este tipo de pueden alcanzar un tamao de dimetro sobre 90 cm.

TUBERIAS DE POLIESTER

Se fabrican con resinas de polister,

refuerzos de fibra de vidrio y cargas inertes

(arenas, carbonato clcico, etc.) con

secciones de 400 a 1500 mm.

Tienen una gran solidez y son muy flexibles.

Son muy resistentes a la corrosin (ideales para el transporte de salmuera).

Tienen una gran capacidad hidrulica.

Se fabrican con 6 metros de longitud.

Resistentes a la corrosin electroltica.

No requieren proteccin catdica o de otro tipo.

Tienen un coeficiente de dilatacin trmica lineal muy bajo.

Se pueden cortar con facilidad en cualquier posicin.

Son muy impermeables debido a que se trata de un material muy compacto.

Permite conducir aguas con una amplia gamas de pH.

Los tubos manifiestan una gran resistencia a la abrasin (ensayos con lodos abrasivos).

Garantizados hasta temperaturas de 35 C para pH 1 - 10.

Resistente a los ataques qumicos.

Se pueden almacenar al aire libre sin problemas.

Son muy caros.

TUBERIAS DE PVC

Son de poco peso (densidad 1.4 g/cm3).

Son inertes a la corrosin por aguas y

suelos agresivos.

La superficie interior de los tubos puede considerarse "hidrulicamente lisa.

Baja probabilidad de obstrucciones.

No favorecen el desarrollo de algas ni hongos.

TUBERAS DE POLIETILENO (PE) Y DE POLIPROPILENO (PP)

Este tipo de tuberas, se fabrican en forma anloga al P.V.C., es

decir, por extrusin, aunque la configuracin molecular de

ambas es bastante diferente. El polietileno puede ser de baja

densidad (< 0,93 g/cm3) o de alta densidad (> 0,94 g/cm3).

Durante la instalacin, en los tendidos de las tuberas, deben

tenerse en cuenta los esfuerzos que se producen por

dilataciones y retracciones.

Su utilizacin es recomendada

en especial para lanzamientos

submarinos ya que resisten el

ataque de microorganismos que

pueden producir perforaciones

en la tubera.

Es el conjunto de piezas moldeadas

o mecanizadas que unidas a los

tubos mediante un procedimiento

determinado forman las lneas

estructurales de tuberas de una

planta de proceso.

BRIDAS

Son accesorios para conectar

tuberas con equipos (bombas,

intercambiadores de calor, calderas,

tanques, etc.) o accesorios (codos,

vlvulas, etc.).

Las ventajas de las uniones

bridadas radica en el hecho de que

permite el rpido montaje y

desmontaje a objeto de realizar

reparaciones o mantenimiento.

ACCESORIOS

Brida roscada. Son bridas que pueden

ser instaladas sin necesidad de

soldadura y se utilizan en lneas con

fluidos con temperaturas moderadas,

baja presin y poca corrosin, no es

adecuada p a ra se r v i c i os que

impliquen fatigas trmicas.

B r ida c iega . Es una p ieza

completamente slida sin orificio

para fluido, y se une a las tuberas

mediante el uso de tornillos, se

puede colocar conjuntamente con

otro tipo de brida de igual dimetro,

cara y resistencia.

CODOS

Son accesorios de forma curva

que se utilizan para cambiar la

direccin del flujo de las

lneas tantos grados como lo

especifiquen los planos o

dibujos de tuberas.

Tipos de Codos

Los codos estndar son

aquellos que vienen listos

para la pre-fabricacin de

piezas de tuberas y que son

fundidos en una sola pieza

(45,90,180).

Caractersticas Dimetro. Es el tamao o medida del

orificio del codo entre sus paredes los cuales existen desde hasta 120.

Angulo. Es la existente entre ambos extremos del codo.

Espesores . una no rmat i va o c o d i f i c a c i n d e l f a b r i c a n t e determinada por el grosor de la pared del codo.

Aleacin. Acero al carbono, acero al cromo, acero inoxidable, galvanizado, etc.

Junta. Es el procedimiento que se emplea para pegar un codo con o t ro a c c e s o r i o ( s o l d a b l e , roscable, embutible).

Tee Son accesorios que se utilizan para efectuar fabricacin en lneas de tubera.

Tipos Dimetros iguales o te de recta Reductora con dos orificios de igual

dimetro y uno desigual. Caractersticas Dimetro . Las tees existen en

dimetros desde hasta 72

Espesor. Este factor depende del espesor del tubo o accesorio a la cual va instalada.

Aleacin. Acero al carbono, acero inoxidable, galvanizado, etc.

REDUCCIN Son accesorios de forma cnica que se

utilizan para disminuir el volumen del fluido a travs de las lneas de tuberas.

Tipos Estndar concntrica. Se utiliza para

disminuir el caudal del fluido a u m e n t a n d o s u v e l o c i d a d , manteniendo su eje.

Estndar excntrica. Se utiliza para

disminuir el caudal del fluido en la lnea aumentando su velocidad perdiendo su eje.

Caractersticas Dimetro. Varia desde x

3/8. Aleacin. Acero al carbono, acero

al cromo, acero inoxidable, etc.

Empaquetaduras Accesorio utilizado para realizar

sellados en juntas mecanizadas existentes en lneas de servicio o plantas en proceso.

Tipos Empaquetadura flexitalica. Este

tipo de Empaquetadura es de metal.

Anillos de acero. Son las que se

usan con brida que tienen ranuras para el empalme con el anillo de acero

Empaquetaduras de goma. Empaquetaduras grafitadas

TAPONES.

Son accesorios utilizados para bloquear o

impedir el pase o salida de fluidos en

un momento determinado. Mayormente

son utilizados en lneas de dimetros

menores.

Tipos

Segn su forma de instalacin pueden ser

macho y hembra.

Caractersticas

Resistencia. Tienen una capacidad

de resistencia de 150 lbf hasta

9000 lbf.

Junta. La mayora de las veces

estos accesorios se instalan de

forma enroscable, sin embargo

por normas de seguridad

muchas veces adems de las

roscas suelen soldarse.

Son accesorios que se utilizan para regular y controlar el fluido de una tubera. Las vlvulas son unos de los instrumentos de control ms esenciales en la

industria. Las vlvulas de control constan bsicamente de dos partes que son: Actuador: llamado accionador o motor, puede ser neumtico, elctrico o hidrulico

VLVULAS

VLVULAS DE COMPUERTA Esta vlvula efecta su cierre con

un disco vertical plano o de forma especial, y que se mueve verticalmente al flujo del fluido.

Ventajas: Presenta muy poca resistencia al

flujo de fluido cuando esta en posicin de apertura total.

Cierre hermtico. Bajo costo.

Desventajas: Es adecuada generalmente para

control todo-nada, ya que en posiciones intermedias tiende a bloquearse.

Se requiere mucha fuerza para accionarla.

Aplicaciones: Servicio general, aceites y petrleo,

gas, aire

VLVULAS DE GLOBO Una vlvula de globo es de

vueltas mltiples, en la cual el cierre se logra por medio de un disco o tapn que cierra o corta el paso del fluido en un asiento que suele estar paralelo con la circulacin en la tubera.

Ventajas Estrangulacin eficiente, con

mnima erosin. Carrera corta del disco y pocas

vueltas para accionarlas. C o n t r o l p r e c i s o d e l a

circulacin. Desventajas: Gran cada de presin. Costo relativo elevado

VALVULS DE RETENCIN (CHECK) La vlvula de retencin esta destinada a impedir una inversin de la circulacin.

La circulacin del lquido en el sentido deseado abre la vlvula; al invertirse la circulacin, se cierra

Hay tres tipos bsicos de vlvulas de retencin: 1) vlvulas de retencin de columpio, 2) de elevacin y 3) de mariposa.

Ventajas Puede estar por completo a la vista.

La turbulencia y las presiones dentro de la vlvula son muy bajas.

VLVULA DE BOLA

Las vlvulas de bola son de de vuelta, en las cuales una bola

taladrada gira entre asientos elsticos, lo cual permite la

circulacin directa en la posicin abierta y corta el paso cuando

se gira la bola 90 y cierra el conducto.

VLVULAS DE DIAFRAGMA

Las vlvulas de diafragma son de

vueltas mltiples y efectan el cierre

por medio de un diafragma flexible

sujeto a un compresor. Cuando el

vstago de la vlvula hace descender

el compresor, el diafragma produce

sellamiento y corta la circulacin.

Ventajas

Bajo costo.

No tienen empaquetaduras.

No hay posibilidad de fugas por el

vstago.

Desventajas

D ia f ragma suscept ib le de

desgaste.

Elevada torsin al cerrar con la

tubera llena

Disminuyen los esfuerzos debido a las expansiones y compresiones que suceden en distintos tipos de tuberas, disminuyendo as las vibraciones y ruido.

El aislamiento de vibraciones que estos conectores

suministran evitan el peligro del pandeo que se provoca en las tuberas.

Son fabricados segn las especificaciones con elastmeros

resistentes a la corrosin y la abrasin.

JUNTAS DE EXPANSIN

Brindan apoyo adecuado al sistema

de tuberas, ya sea fijo o mvil (por

efecto de la dilatacin).

Es muy importante evitar el

rozamiento de la tubera con el

soporte, as como que deben tener

la suficiente fuerza para mantener la

alineacin en todo momento

SOPORTES

Los elementos de control son equipos con los

que se cuentan para poder medir y controlar

el correcto funcionamiento de un sistema de

tuberas, detectar una falla inmediatamente y

poder corregirla a tiempo.

REGULADOR DE PRESIN

Con estos reguladores podemos evitar

sobrepresiones que pudieran romper

tuberas, emisores etc. Normalmente regulan

presiones entre 0,2 y 8 kgf/cm2.

ELEMENTOS DE CONTROL

MEDIDORES DE CAUDAL O FLUJO Medidores especiales. El medidor de flujo

doble consta de dos manmetros que se montan en la parte posterior de un instrumento sencillo, siendo posible para ambos registrar sobre la misma grafica.

Consiste en un captador de caudal

conectado a dos tubos de rango. Su propsito es contrarrestar la poca sensibilidad que presenta un captador de presin diferencial, en la parte baja de la escala de caudal.

Medidores de flujo de tipo reten . Miden la fuerza con que la corriente fluida choca contra una superficie interpuesta en su camino

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ELEMENTOS DE CONTROL

DATOS TCNICOS Y DIBUJO DE TUBERAS

CDIGOS Y NORMAS INTERNACIONALES APLICABLES A TUBERAS

ASME Normas ms usados y publicados:

ASME B31 Normas de Tuberas a Presin: Requerimientos mnimos para el diseo, materiales, fabricacin, construccin, pruebas, e inspeccin para los sistemas de tuberas (B31.1, B31.3, B31.4, B31.5, B31.8, B31.8, B31.9 y B31.11)

ASME Cdigo Internacional para Calderas y Recipientes a Presin: Reglas de seguridad que controlan el diseo, fabricacin, y la inspeccin de calderas y recipientes a presin.

API - American Pipe Institute NPS - National Pipe Standard ASA- American Standard Asociation ANSI, ASTM, DIN, ISO, JIS

ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE TUBERAS Y SU SIMBOLOGA

DIBUJO DE TUBERAS

3.3.1 Representacin Grfica: 3 tipos bsicos: 1. Esquemtica: Finalidad: Indicar el proceso de flujo del servicio. Muestran todos los equipos, mquinas y controles (vlvulas,

manmetros, termmetros, etc.) que intervienen en el proceso; pero sin indicar los accesorios de montaje (codos, tees, bridas, etc.).

Se dibujan sin escala.

DIBUJO DE TUBERAS

1. Esquemtica:

DIBUJO DE TUBERAS

2. De montaje o Disposicin: Disposicin real del sistema Nmero de vistas necesarias que

definan el sistema por completo. Vlvulas y accesorios Smbolos a escala. 2 mtodos usados: a) Lnea Simple: Dibuja la lnea central de la tubera Lnea

gruesa y se van aadiendo componentes segn su simbologa.

b) Doble Lnea: En sistemas complicados donde hay gran cantidad de tuberas muy prximas unas a otras, y los espacios entre ellas son importantes

DIBUJO DE TUBERAS

Lnea Simple

Doble Lnea

DIBUJO DE TUBERAS

Segn la forma de proyeccin:

b) Proyeccin Ortogonal

a) Isomtrico (Pictrico)

c) Proyeccin Oblicua

DIBUJO DE TUBERAS

d) Dibujo Desarrollado: G i r a n d o a l g u n o s accesorios, las tuberas ver t ica les se pueden rebatir sobre el plano horizontal, pudindose representar la instalacin en un solo plano.

3. De Detalle: Son planos auxiliares de los de montaje y se usan bsicamente para el prefabricado de tramos de tuberas.

ACOTADO

Se debe dar distancias de centro a centro, de extremo a extremo, o de centro a e x t r e m o d e l o s accesorios o vlvulas.

El dimetro nominal y el espesor de la pared de c/tubera pueden indicarse por una nota adyacente si es necesario.

BIBLIOGRAFA

Robert Street, Elementary fluid mechanics, 7 Edicion, Wiley. 532/S915e/1996

Robert Mott. Mecnica de Fluidos Aplicada, 4 Edicin, Prentice Hall Hispanamericana. 620.106/M921a.E/1996

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Frank White Mecnica de Fluidos, 6 Edicin, McGraw Hill. 532/W584f.E/1988