1
Curso elemental de diseño de tuberías
industriales
Fundamentos y su aplicación en ingeniería
Volumen 1
2
Volumen 1
1
Especificación de tubería.
11
1.1
Definición de tubería.
11
1.2
Clasificación, estándares, códigos y diferencias entre tubería y flux (tubing).
13
1.3
Códigos y estándares involucrados en la definición de un sistema de tuberías.
14
1.4
Definición de diámetros (IPS y NPS), longitudes y tipos de terminales para tuberías.
15
1.5
Definición de tubos de pared delgada.
16
1.6
Definición de tubos de acero inoxidable.
16
1.7
Definición de tubos de norma europea.
16
1.8
Materiales para tuberías:
17
1.8.0. Selección de acuerdo a sus propiedades mecánicas y químicas.
17
1.8.1. Materiales ferrosos.
17
1.8.2. Materiales no ferrosos.
19
1.8.3. Materiales plásticos.
21
1.8.4. Vidrios.
22
1.8.5. Tuberías con baños y recubrimientos.
23
1.8.6. Tuberías de asbesto y concreto (civiles).
23
1.8.7. Tuberías especiales.
24
1.9. Rangos de temperatura y presión.
25
2
Métodos para unión de tuberías.
27
2.1. Conceptos generales, clasificación y usos.
27
2.2. Clasificación y usos..
27
2.3. Componentes para sistemas de tuberías soldadas a tope.
29
2.3.1. Ventajas.
29
2.3.2. Donde se usan.
29
2.3.3. Desventajas.
29
2.3.4. Como se realizan.
30
3
2.4. Componentes para sistemas de tuberías por soldadura enchufada
36
2.4.1. Ventajas.
36
2.4.2. Donde se usan.
37
2.4.3. Desventajas.
37
2.4.4. Como se realizan.
37
2.4.5. Tablas.
41
2.5. Componentes para sistemas de tuberías en sistemas roscados.
41
2.5.1. Ventajas.
41
2.5.2. Donde se usan.
41
2.5.3. Desventajas.
41
2.5.4. Donde se realizan.
41
2.5.5. Tablas.
41
2.6. Componentes para sistemas de tuberías bridadas.
49
2.6.1. Clasificación y usos.
49
a) Brida de cuello soldable (welding neck flange)
49
b) Brida deslizable (slip-on flange)
49
c) Brida enchufable (socket weld flange)
49
d) Brida roscada (screwed flange)
50
e) Brida loca (lap-joint flange)
50
f) Brida ciega (blind flange)
51
g) Brida reductora (reducing flange)
51
h) Brida expansora (expander flange)
51
2.6.2. Tipo de cara de bridas y acabados.
52
2.6.3. Tipo de sujetadores (tornillos, birlos, etc. )
54
2.6.4. Tablas.
56
2.6.5. Tipo de empaque y empaquetaduras.
64
2.6.6. Bridas especiales
65
2.7. Componentes para sistemas de tuberías sanitarias.
66
2.7.1. Clasificación y usos.
66
2.7.2. Tipo de empalme.
66
2.7.3. Tipo de acabados.
68
4
2.7.5. Donde se usan.
69
2.7.6. Desventajas.
69
2.7.7. Como se realizan.
70
2.7.8. Accesorios y equipos especiales
71
2.8. Componentes para sistemas de tuberías civiles
72
2.8.1. Clasificación y usos.
72
2.8.2. Tipo de empalme.
73
2.8.3. Tipo de acabados.
73
2.8.4. Ventajas.
73
2.8.5. Donde se usan.
74
2.8.6. Desventajas.
74
2.8.7. Como se realizan.
74
2.8.8. Accesorios y equipos especiales
74
3
Válvulas
75
3.1. Especificación de una válvula.
75
3.2. Clasificación de válvulas.
75
3.3. Válvulas especiales.
91
3.4. Válvulas de seguridad ó alivio.
96
3.5. Partes de una válvula.
97
3.6
Válvulas de control de flujo.
107
4
Componentes menores conectados a tuberías
110
4.1. Separadores, coladeras, filtros.
110
4.2. Elementos para señales de instrumentación.
112
4.3. Accesorios para sistemas de vapor.
113
4.4. Accesorios para sistemas de aire comprimido.
121
4.5. Equipos para modificación química o mecánica del fluido.
122
5
4.7. Juntas de expansión.
123
4.8. Accesorios especiales.
126
Volumen 2
5
Equipos mayores conectados a tuberías
5.1. Recipientes.
5.2. Recipientes móviles.
5.3. Recipientes subterráneos.
5.4. Calderas.
5.5. Bombas.
5.6. Compresores.
5.7. Turbinas.
5.8. Equipos de proceso.
5.9. Intercambiadores de calor.
5.10. Tratamiento de suministro de agua .
5.11. Tratamiento de efluentes.
6
Conducción de tuberías.
6.1. Puentes de tuberías
6.2. Trincheras
6.3. Tuberías enterradas.
6.4. Soportes de tuberías.
7
Dibujo de tuberías
7.1. Dibujo de tuberías
6
7.1.1. Formas generales de representación
7.1.2. Simbología
7.1.2.a.
Para equipos.
7.1.2.b.
Para tuberías.
7.1.2.c.
Para válvulas.
7.1.2.d.
Para operadores.
7.1.2.e.
Para instrumentos.
7.1.2.f.
Para soportes.
7.1.2.g.
Para soldadura.
7.1.2.h.
En general.
7.1.3. Clasificación de dibujos comúnmente usados.
7.1.3.a.
Diagrama de bloques.
7.1.3.b.
Diagrama de flujo.
7.1.3.c.
Diagrama de tubería.
7.1.3.d.
Diagrama de tubería e instrumentación.
7.1.3.e.
Localización y distribución de equipos.
7.1.3.f.
Ortográficos de tuberías ( Plantas y elevaciones ).
7.1.3.g.
Isométricos de tuberías .
7.1.3.h.
Planos 3D.
7.1.3.i.
Planos especiales ( en explosión, para validación, etc.)
7.1.4. Como dibujar un plano de tuberías.
7.1.4.a.
Comentarios generales
7.1.4.b.
Escala.
7.1.4.c.
Dimensionamiento del plano.
7.1.4.d.
Detallado del fondo.
7.1.4.e.
Como dibujar las líneas.
7.1.4.f.
Como dibujar los accesorios.
7.1.4.g.
Como dibujar los detalles, secciones y elevaciones.
7.1.4.h.
Como dibujar ortográficos.
7.1.4.i.
Como dibujar 1sometricos.
7.1.4.j.
El usos de puntos de referencia.
7
8
Diseño de tuberías
8.1. Diseño de localización geográfica de la planta. Los servicios municipales vs planta.
8.2. Diseño de localización de bloques de planta. Los edificios en relación a la tubería.
8.3. Diseño de tuberías de bloques de tuberías de servicios generales, de proceso y municipales.
8.4. Diseño de tuberías en cuartos de maquinas.
8.4.a. Generadores de vapor.
8.4.b. Compresores.
8.5. Diseño de tuberías en suministro de agua a planta.
8.6. Diseño de tuberías en tratamiento de efluentes.
8.7. Diseño de tuberías en puentes generales y ramales de planta.
8.7.a Teoría de cavidades. Dimensionamiento vertical de planta.
8.7.b Cavidad mínima para flujo de personal y equipo de manejo de materia prima.
8.7.c. Cavidad mínima para recipientes.
8.7.d. Cavidad mínima para equipos y sus áreas de servicio y mantenimiento
8.7.e. Cavidad mínima para drenajes, contratrabes y tuberías enterradas o subterráneas.
8.7.f. Cavidad mínima y restringida a la superestructura del edificio.
8.7.g. Cavidad mínima para sistemas de ventilación.
8.7.h. Cavidad mínima para conduits eléctricos o de instrumentación.
8.7.i. Cavidad mínima para paso de gatos del personal de mantenimiento.
8.7.j. Cavidad mínima para lámparas y cajas de filtros de ventilación.
8.7.k. Cavidad suficiente para montaje y desmontaje de equipos.
8.8. Tuberías conectadas a bombas.
8.8.a. Diseño típico y tipos de bombas.
8.8.b. Bombas centrifugas.
8.8.c. Bombas de pozo.
8.8.d. Bombas de engranes
8.8.e. Bombas Monho
8.8.f. Bombas de diafragma.
8.8.g. Bombas especiales ( dosificadoras, de tambo )
8.9. Válvulas en el diseño de tuberías.
8
9.9b. Donde se sitúan las válvulas.
9.9.c. Accesos de operación de válvulas
9.9.d. Accesos a válvulas en lugares peligrosos.
9.9.e. Como hacer el diseño de fácil y seguro mantenimiento.
9.9.f. Como se orientan los vástagos de las válvulas.
9.9.g. Como se clausuran tuberías.
9.9.h. Como colocar válvulas si no hay diagrama de tuberías e instrumentación.
9.9.i. Como arreglar válvulas de seguridad.
9.9.j. Como instalar válvulas de mariposa.
9.9.k. Estaciones de control y sus puntos de diseño.
8.10. Tuberías conectadas a recipientes.
8.11. Tuberías de vapor.
8.11.a Diseño de tuberías de vapor
8.11.b Trampas de vapor
8.11.c Bombas para vapor.
8.12. Mantenimiento de temperatura en tuberías.
8.13. Tubería para aire comprimido.
8.14. Tubería conectada a turbinas.
8.15. Tuberías conectadas a equipo de proceso.
8.16. Tuberías conectadas a intercambiadores.
8.17. Tuberías conectadas a equipo de suministro de agua. (hidroneumáticos )
8.18. Tuberías para tratamiento de efluentes.
8.19. Diseño de tuberías sanitarias.
8.20 Venteos y drenes en tuberías y recipientes.
Volumen 3
9
Instrumentación
9.1. Comentarios Generales
9.2. Tipo de conexiones de instrumentos.
9
9.4. Requerimientos adicionales de servicios de apoyo a un instrumento.
10
Lista de materiales.
10.1. Códigos y estándares usuales.
10.2. Formas de especificación.
10.3. Formas de revisión.
10.4. Correspondencia de estándares Americanos y europeos.
11
Flexibilidad.
11.1 Diseño mecánico.
11.2. Soporteria.
10
Prefacio.
El objetivo de este libro es presentar la información mínima para los dibujantes, diseñadores e ingenieros, que
trabajen en actividades relacionadas con el diseño y dibujo de tuberías industriales.
Benjamín Serratos
México, D.F.
Junio 2008
11
1
Especificación de tubería.
1.1. Definición.-
Se puede llamar tubería a cualquier cuerpo hueco, el cual puede al realizarse un corte transversal presentar una silueta con cualquier forma geométrica; puede seguir cualquier dirección ( regular o irregular) sobre su eje longitudinal; además puede conducir entre sus paredes a sólidos, líquidos, gases, vapores, o mezclas de los anteriores.Resulta obvio observar que la practica común nos obliga a trabajar con cuerpos cilíndricos, de trayectoria recta ( o por lo menos regular ); dejando las demás formas y trayectorias para tuberías especiales ( tubos aletados, serpentines, corrugados, perforados, etc. ).
Fig. 1.1.a Serpentín.
Fig. 1.1.b Tubo aletado.
Fig. 1.1.c Tubo corrugado.
12 Canales de piedra o cerámica.
Tubos de piedra o cerámica. Tubos de cobre o bronce,
Tubos de fierro fundido o de acero.
Siempre buscando el material que no contaminara el liquido o gas trasportado con un precio accesible.
A partir de la revolución industrial los materiales más comunes en usar fueron los de fierro, cobre y aleaciones diversas. Cabe mencionar el cambio de denominación que sufre una tubería al cambiar el fluido que conduce:
Al manejar líquidos se le llamara tubería.
Cuando maneja gases o vapores comúnmente a baja presión y velocidad se les llama ductos. Si conduce sólidos en caída por gravedad se les nombra como tiros.
Fig. 1.1.d Tubería
Fig. 1.1.e Ductos
13
1.2
Clasificación, estándares, códigos y diferencias entre tubería y flux ( tubing ).
De acuerdo a su método de fabricación las tuberías se clasifican en: Tubería sin costura y con costura. A continuación se muestra un diagrama de cómo se manufacturan ambas tuberías.
Fig. 1.2.a Diagrama de manufactura de tuberías.
Tomando como tema principal de clasificación las dimensiones estándar y su uso, las tuberías que se manufacturan en forma común se pueden clasificar en: Tubería común ( pipe ) y tubo calibrado ( tubing ).
El tubo calibrado o flux ( tubing en ingles) cuyo principal uso esta en la transferencia de calor ( intercambiadores de calor ), generalmente es de costo mas elevado; se especifica por su diámetro exterior ( que es igual al nominal ), y su grosor de pared en calibre AWG o milésimas de pulgada. Este tubo se fabrica con costura.
14
La tubería común se identifica por su diámetro nominal definido como NPS ( nominal pipe size o tamaño nominal de tubo ) el cual no es igual al diámetro exterior, sino a un diámetro definido por convención a principios del siglo XX. Por su cedula ( modo indirecto de indicar grosor ). Esta tubería puede ser construida con costura y sin ella.
Tuberías no estándar se pueden mandar construir bajo diseño indicando su diámetro y grosor de pared.
Fig. 1.2.b Haz de tubos calibrado de un intercambiador. Fig. 1.2. Tubería común.
Fig. 1.2.d Tubería construida sobre medida.
1.3
Códigos y estándares involucrados en la definición de un sistema de tuberías.
El tamaño ( diámetro ) de la tubería se identifica por su nominal pipe size “NPS”( tamaño nominal de tubo en ingles ).
Para soportar diferentes presiones, la tubería en un diámetro 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 Estándares ), el cual anteriormente se llamaba ASA “American Standards Asociation”: Esta norma lo define por su numero de cedula. El numero de cedula esta dado por las formulas :
15 t = grosor mínimo de pared de diseño, pulgadas.
P = presión de diseño, psig
D = diámetro exterior de tubería, pulgadas. S = esfuerzo permisible, psi.
E = factor de eficiencia de la soldadura de junta. y = factor adimensional que varia con la temperatura.
Adicional al grosor de tubería que resulta de la formula anterior se deben adicionar los siguientes grosores probables: Grosor debido a la progresivo deterioro o adelgazamiento debido a la corrosión, erosión o debilitamiento. Grosor debido al retiro de material para procesos de junta como: roscado, ranurado y suaje.
Grosor debido a fortalecer el material debido a vibración o esfuerzos externos adicionales.
ASME “American Society of Mechanical Engineers “ ( Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos ) y ASTM “ American Society for Testing and Materials “ ( Sociedad Americana para pruebas y materiales ). Estas sociedades designan las tuberías por el peso de manufactura como: STD ( Standard- común en ingles ), XS ( extra strong- extra fuerte ), y XXS (doublé extra strong - doble extra fuerte ).
API “ American Petroleum Institute “ ( Instituto Americano del petróleo ) los define con sus normas 5L y 5LX.
La descripción de una tubería basada en su peso de manufactura, fue el primer medio para especificarla; pero ha sido siendo sustituida por el numero de cedula, aunque aun se sigue haciendo hincapié en el peso de manufactura.
Un compendio de los tres puntos anteriores se resumieron por la norma ANSI B36.10-1970, para tuberías de fierro IPS ( iron pipe size ), y sus grosores designados como: STD, XS y XXS. Pero la tubería de fierro ha sido completamente sustituida por la de acero. Antes que el esquema del numero de cedula predominara al ser publicado por el ASA ( ANSI ) en 1935, los IPS fueron modificados para ajustarse a la tubería de acero, decreciendo ligeramente su grosor de pared ( manteniendo como estándar su diámetro exterior constante ) de manera que los pesos por pie son iguales para las tuberías de fierro ó acero.
Para mayor información acerca de las propiedades de tubería estándar ver el anexo 1.
1.4
Definición de diámetros ( IPS y NPS ), longitudes y tipos de terminales para tuberías.
Resumiendo lo anteriormente explicado para la definición de diámetros de tuberías estándar se llega a los siguientes puntos: a) La tubería se definirá por su NPS.
b) Para la definición del NPS, se define un diámetro nominal cuyo símbolo es Ø el cual se colocará después del numero en pulgadas ( 6” Ø como ejemplo ).
16
c) Cada NPS mantiene un diámetro exterior que se mantiene constante, independiente de la cedula. El diámetro exterior no es igual al diámetro nominal en tuberías de diámetro menor a 14 pulgadas, un tubo de ½” Ø tiene un diámetro exterior de 0.84 pulgadas. De 14 “Ø en adelante, el diámetro nominal es igual al diámetro exterior.
d) Para indicar el grosor de tubería se usa de preferencia la clasificación por numero de cedula; o en su falta la clasificación por peso de manufactura ( std, xs, xxs ).
Los manufactureros ofrecen 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” ( pulgadas ).
Los diámetros de 2½”, 3½”, 5” son de obtención mas difícil en el mercado.
Las tuberías de 1/8”, ¼” y 3/8” se usan comúnmente en líneas de instrumentos, estaciones de servicio, líneas hidráulicas, líneas
auxiliares de equipo o venas de calentamiento.
La tubería recta se suministra en tramos de 17 a 25 pies ( alrededor de 6 metros. Es difícil el suministro de tramos de longitud mayor. Los extremos de los tramos pueden venir a corte plano ó biselado indistintamente, y solo bajo estricta especificación se entregan con un solo acabado en los extremos, ó con terminales roscadas. Solo en caso muy especiales se entrega con ranura para acoplamiento con empaque redondo ( o-ring ).
1.5
Definición de tubos de pared delgada.
Es una designación comercialmente aceptada correspondiente a las Cedulas 10 y 10S ( ANSI B36.10 ) comúnmente usada
para tubería de acero inoxidable o de aleaciones.
1.6
Definición de tubos de acero inoxidable.
Se establece en el ANSI B36.19-1965 ( revisada en 1971 ) un rango de tamaños de pared delgada para acero inoxidable,
identificados como cedulas 5S y 10S.
1.7
Definición de tubos de norma europea.
Este curso se enfoca fundamentalmente en las tuberías de norma americana, eso en principio nos hace reconsiderar que todos y cada uno de los países tienen sus códigos y normas que legislan sobre los equipos e instalaciones que trabajan en ellos. Tarde o temprano y debido a la globalización que existe a escala mundial se tiene que hacer labores de correlación entre los diferentes estándares, esto en si no es demasiado difícil ya que todos parten de los mismos parámetros de diseño, 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 tubería que se comparan son: API. ASME/ASTM para USA.
17 BS para el Reino Unido.
DIN para Alemania. NBM para Bélgica. AFNOR para Francia. UNI para Italia. JIS para Japón.
Todos los países europeos están tratando de llegar a una sola norma común, por lo cual se reducen los códigos que existirán en el futuro. En el anexo 2 se hace referencia de diferentes normas de tuberías de países.
Para mayor información acerca de los estándares internacionales ver el apéndice E 10 del “ Piping Handbook “ de Mohinder L. Nayyar.
1.8 Materiales para tuberías.
1.8.0. Selección de acuerdo a sus propiedades mecánicas y químicas.
Todo fluido a ser conducido por una tubería tiene un material idóneo que soporte sus propiedades de resistencia química bajo las condiciones de presión, temperatura, viscosidad, etc. Todas las compañías manufactureras de tuberías, y de equipos y accesorios relacionados con ellas tienen tablas de resistencia química que sugieren materiales adecuados a cada fluido. Es enteramente razonable la designación de un material de tubería idóneo, pero muchas veces se dificulta su uso desde el punto de vista económico. Por lo que debe haber un compromiso entre la corrosión, erosión y contaminación de producto contra el costo.
También se debe tomar en cuenta las propiedades de este material para las solicitudes bajo los esfuerzos mecánicos que va a recibir, así como las facilidades de soldadura y montaje.
Diferentes pueden ser los puntos de vista y parámetros para clasificar los materiales de tuberías: comportamiento químico, mecánico, dureza, rugosidad, resistencia a la fatiga, a la vibración, conductividad térmica, etc.
De acuerdo a nuestra experiencia nosotros clasificamos a la tuberías en: Tuberías hechas con materiales ferrosos.
Tuberías hechas con materiales no ferrosos. Tuberías hechas con materiales no metálicos.
1.8.1. Materiales ferrosos.
Debido a que desde la revolución industrial los materiales de fierro ( fierro fundido, acero y sus aleaciones ) han probado
ser los materiales que dan mejores condiciones de resistencia química y mecánica contra el costo, en la actualidad son los
materiales mas comunes de tubería.
Ha habido diferentes esfuerzos para normalizarlos por lo que lo enlistaremos a continuación:
NPS
Nominal Pipe Size.- Nos indica el diámetro nominal de la tubería.
18
AISI/SAE
American Iron & Steel Institute / Society of Automotive Engineers.- Los cuales usan un
numero de cuatro dígitos, en los cuales los dos primeros dígitos indican la concentración de
carbono y los siguientes dos dígitos el elemento de aleación.
UNS
Unified Numbering System.- Debido a la globalización mundial fue necesario llegar a un numero
de clasificación mundial.
ASME/ASTM American Society of Mechanical Engineers / American Society for testing and materials.- Las
cuales estudian sus propiedades mecánicas y las pruebas que se les deberán realizar.
Dependiendo del procedimiento de manufactura las tuberías de acero se fabrican: Con costura, la cual se realiza rolando placa de acero y luego soldándola, y sin costura , la cual se manufactura con un lingote incandescente de acero que se estira y se rola.
Fig. 1.8.1a Manufactura de tubería con costura.
Fig. 1.8.1b Manufactura de tubería sin costura.
No hay que olvidar las viejas tuberías de fierro fundido que ahora principalmente se usar para conducir drenaje.
19
1.8.2. Materiales no ferrosos.
Las tuberías de materiales no ferrosos se han estado usando aun antes que las de fierro, pero debido a su más difícil manufactura, resistencia física, comportamiento mecánico, resistencia química y costo; han sido relegadas a un papel secundario.
Podemos hablar entonces de tuberías de cobre, plomo, níquel, bronce, latón, aluminio, Zirconio, titanio, etc.
Estos materiales siguen normas diferentes a las de acero al carbón, son relativamente de alto costo, y su selección se basa generalmente en su resistencia particular a ciertos fluidos de proceso, a su buena transferencia de calor
,
o a sus propiedades mecánicas a altastemperaturas.
21
Para mayor información acerca de tuberías de cobre y sus aleaciones ver “The Copper Tube Handbook “ CDA Copper Development Association. En los anexos al curso.
Fig. 1.8.2b Tubería de cobre templado suave. Fig. 1.8.2c Tubería de cobre estirado dura.
Fig. 1.8.2d Tubería de aluminio
1.8.3. Materiales plásticos.
Las tuberías plásticas se han desarrollado como un buen medio para conducir fluidos con gran actividad química; generalmente están compuestas de un polímero único o como resultado de una mezcla de diferentes polímeros. En el primer caso tenemos: tuberías de polímeros de vinilo ( PVC ), de propileno, de etileno ( PE ), de butileno ( PB ), polieolefinas y poliésteres. En el segundo caso tenemos: Acrilo nitrilo butadieno estireno ( ABS ), Celulosa acetato butirato ( CAB ), etc. Haciendo hincapié en que las tuberías hechas de poliéster y epoxy, son generalmente reforzadas con fibra de vidrio.
Cabe hacer notar que en contraposición a su alta resistencia química, se opone su generalmente pobre resistencia mecánica; por lo que es muy común soportarla con camisas de tubería metálica u otros tipos de soporte.
22
1.8.4. Vidrios.
En la figura 20 a continuación se puede ver las tuberías y accesorios hechos completamente de vidrio. Este material le proporciona un excelente resistencia química sobre todo en pH bajos, además de poder observar el proceso que se realiza a través de las tuberías y equipos. Dentro de sus mas graves inconvenientes es que en principio el vidrio es un material muy frágil, lo que ocasiona que en la practica casi sea un arte el soportar estas tuberías, equipos y accesorios; ya que cualquier esfuerzo mecánico puede ocasionar que alguna pieza se quiebre, es muy probable que no soporte cualquier cambio repentino de temperatura ( o un diferencial de temperatura alto ).
Es muy poco probable que como tubería o sus accesorios soporte diferencial de presión tan siquiera medianos
23
1.8.5. Tuberías con baños y recubrimientos.
Ciertas tuberías metálicas ( comúnmente acero ) pueden ser bañadas o recubiertas con algún material que forme una película entre el y el fluido a conducir, y que impida algún ataque químico sobre el metal.
Fig. 1.8.5 Tubería y accesorios recubiertos.
Al recubrir las tuberías con materiales laminados pegados , o tuberías extruidas contra la pared; es común que el manufacturero de limitantes de los alcances a los que puede llegar ( diámetros, longitudes, materiales, etc ). Es muy común la dificultad en piezas que cambian de dirección o se unen a otras; por lo que es imposible realizar soladuras o roscado entre piezas. Comúnmente la unión se realiza por sistemas bridados o similares, por lo que forma una familia de problemas cuando se esta realizando el diseño de tuberías.
Las tuberías de acero bañadas por inmersión ( galvanizado- bañado en zinc ) se usan para conducir agua; pero se pueden bañar con diferentes polímeros, y este recubrimiento le dará diferentes resistencias químicas especificas.
1.8.6. Tuberías de asbesto y concreto ( civiles ).
El uso de tubería en la ingeniería civil ha hecho uso de las tuberías en dos diferentes vertientes: Agua Potable y Drenaje.
En la conducción de agua potable para la conducción de los cabezales de distribución principales ( acueductos ) se usa generalmente tubería de acero principalmente galvanizada, también tubos de concreto reforzado, actualmente y con un amplio desarrollo en el futuro se están utilizando tuberías de polímeros reforzados, tanto para nuevos acueductos como para recubrir los existentes que se encuentran dañados. Para tuberías de agua potable secundarias y dependiendo del terreno se ha estado usando asbesto cemento y plástico reforzado.
24
Para el desalojo del drenaje se usaba en un principio canales a cielo abierto, pero debido a que estas contaminaban el suelo posteriormente se conducían por tuberías de albañal de cemento, de lamina galvanizada corrugada y últimamente con tuberías de polímero reforzado.
Fig. 1.8.6b Tuberías para desalojo de drenaje
1.8.7. Tuberías especiales.
Resulta obvio que existe una amplia variedad de fluidos, sólidos, líquidos, gaseosos y hasta plasma ( aceleradores de partículas y reactores de fusión ) en donde se tienen que confinar fluidos con características físicas y químicas muy especiales; en consecuencia el espectro de materiales y perfil de una tubería casi no tiene limite.
Fig. 1.8.7 Tuberías especiales
1.9. Rangos de temperatura y presión.
Los materiales en general tienden a perder sus propiedades mecánicas, conforme se aumenta o disminuye la temperatura fuera del rango del medio ambiente común. A bajas temperaturas tienden a cristalizarse deficientemente sus componentes y volverse frágiles ; a altas temperaturas sus puntos de cedencia disminuyen. Se deben tomar muy en cuenta estas variaciones para involucrar un análisis de flexibilidad en el diseño de tuberías.
25
Los aceros al carbón pierden resistencia a altas temperaturas; la tubería con costura solada por resistencia eléctrica no se considera satisfactoria para servicios arriba de 399 °C , y cuando se unen tuberías a tope arriba de 343°C.
Cuando se requieren mayores temperaturas, se debe considerar el uso de materiales adecuados como aceros inoxidables, aleaciones o metales mas fuertes a continuación se muestran tablas con datos comparativos
26
Fig. 1.9b Tabla para tubería de acero API 5L
27
2
Métodos para unión de tuberías.
2.1. Conceptos generales.
Ante la imposibilidad física de interconectar equipos en general por medio de una tubería que fuera de trazo continuo, se hace necesario usar piezas que cambien de dirección y elevación a las tuberías, y que les permitan divergir a dos o mas direcciones; ya que no existe hasta el presente ningún sistema que pueda realizar este trabajo, es necesario trabajar con tramos de tubería, que se unen por medio de diversos artículos llamados accesorios que aumentan su versatilidad.
Accesorios se llama a todos aquellos artículos que se conectan a las tuberías y que le permiten cambiar de dirección, cambiar de diámetro, o divergir en dos o mas ramales. Los accesorios se fabrican de placa maquinada, tubería, fundirse o forjarse, en el caso de plásticos puede moldearse.
2.2. Clasificación y usos.
Para reunir los tramos de tubería con sus accesorios se puede hacer usos de los siguientes métodos de unión: a) Unión por cordón de soldadura a tope.
b) Unión por soldadura a enchufe. c) Unión por medio de roscado.
d) Unión por bridas atornilladas ( Uniones bridadas ) e) Uniones de sujeción rápida ( uniones rápidas ) f) Uniones Especiales.
a) La unión por cordón de soldadura a tope es generalmente tratándose de acero al carbón, el medio mas económico a prueba de fugas para unir tuberías, pero estas virtudes se ven opacadas por su nula facilidad de desarme.
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b) La unión de tuberías por soldaduras a enchufe tiene varios casos: uniones de alta presión de acero forjado, uniones de media y baja presión 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 presión cuyos rangos están en: 2 000, 3 000, 6 000 y 9 000 psig.
Fig. 2.2b Unión de tuberías por soldadura a enchufe.
c) Las tuberías se pueden unir roscando la tubería por el lado exterior ( roscado macho ) y unirlo con accesorios con roscado interior ( roscado hembra ); y estos accesorios entre si con roscados macho ó hembra. Este sistema de unión seria universal si no fuera que a partir de 2”Ø se vuelve cada vez mas difícil 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.
Fig 2.2c Union de tuberias roscadas
d) 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 compañeras de bridas de tanques, equipos, valvulas, instrumentos , o lineas de proceso que requieren de limpieza periodica. En la seccion 2.6 se anotan sugerencias acerca de su uso.
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Fig 2.2d Union de tuberias bridadas
e) Cuando se es necesario por la premura del tiempo realizar conexiones ( por ejem. casos de emergencia ), o donde la menor o mayor fuga de las uniones no es una cuestion crucial, ni siquiera preocupante ( p.e. sistemas de riego por aspersion ), se podra hacer uso de conexiones rapidas; este tipo de conexiones usan diferentes tipos de union.Se sugieren estos sistemas para uso temporal, para reparar lineas, o en plantas piloto que por sus caracterizticas de proceso exijan tanta versatilidad.
En los ultimos tiempos y debido a que son sistemas que se tienen que estar lavando repetidamente, en la industria farmaceutica se han estado usando en forma generalizadaconexiones tipo clamp-abrazadera. En un principio no eran muy hermeticas pero en estos dias son lo bastante confiables para presiones medias y bajas.
Fig 2.2e Uniones clamp-abrazadera en sistemas farmaceuticos.
2.3. Componentes para sistemas de tuberías soldadas a tope.
2.3.1. Ventajas. Es el método de unión 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 método universal de unión de tuberías. 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.
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2.3.4. Como se realiza. En el extremo de la tubería se realiza un chaflán que tiene un perfil definido ( según norma ), los accesorios están similarmente achaflanados por los manufactureros; las dos partes son apropiadamente presentadas, alineadas, fijadas con puntos de soldadura, y entonces se suelda con un cordón continuo de soldadura.
2.3.5. Accesorios para sistemas soldados a Tope. Tablas.
Codos
Realizan el cambio de dirección de una tubería en 45° ó 90°. Normalmente de usan codos de radio largo ( lo cual indica que su radio de curvatura es 1.5 veces su diámetro nominal para tubos de ¾”Ø y mas grandes)
Fig 2.3.5 a Codo de 90° radio largo
Tambien se pueden obtener codos de radio corto, cuyo radio de curvatura es igual al diametro nominal.
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Fig 2.3.5. c Codo de 45°
Existen codos de 90° con una parte recta en un extremo. Llamados codos con tangente larga; o codos reductores que disminuyen el diametro de un extremo a otro.
Fig 2.3.5 d Codo de 90° de tangente larga
Fig 2.3.5 e Codo reductor de 90°
Retorno
Cambia la dirección de flujo 90°, de uso común en la fabricación de serpentines o Venteos.32
Curvas
Se realizan con tubería recta; los radios comunes de curvatura son de 3 a 5 veces el diámetro nominal, codos de radio mas largo se pueden realizar doblando en caliente. Solo las tuberías sin costura o soldadas por resistencia eléctrica, son apropiadas para doblarse.Fig. 2.3.5 g Doblez de curvas de tubería.
Reducciones Realizan la unión entre dos tuberías de diferente diámetro; se pueden obtener en dos formas: concéntrica (coinciden los centros de tubería ) y excéntrica ( coinciden las paredes de tubería ). La reducción excéntrica se usa cuando es necesario mantener el fondo o el tope de una tubería a un nivel dado.
Fig. 2.3.5 h Reducciones excéntricas y concéntricas.
Swage soldable Se usa para reducir el diámetro de una tubería cuando existen grandes reducciones; un swage realiza el cambio de diámetro en una forma mas abrupta que una reducción: Se encuentran regularmente en forma concéntrica y excéntrica; existen swages tipo vénturi que permiten el flujo menos abrupto.
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Codos de gajos Los codos de gajos o segmentados, no son propiamente accesorios, ya que se fabrican en campo a partir de la propia tubería. El uso de codos de gajos para realizar cambios de dirección, se restringe a situaciones de emergencia por falta de materia o a líneas de baja presión de 10” en adelante, si la caída de presión es despreciable; en estos casos el uso de codos estándar sería mas caro. Se debe usar con cautela, ya que un codo de dos gajos a 90° tiene seis veces la
caída de presión que uno común, y uno de tres gajos el doble.
Fig 2.3.5 j Codo de gajos o segmentado
Injerto ( Stub-in ) Es un termino que indica soldar una tubería directamente a la pared de la tubería principal ( cabezal ); es el método mas general y menos caro de soldar un ramal ( tubería secundaria ) a cabezales arriba de 51 mm (2”)Ø; un injerto
debe reforzarse convenientemente en la unión. No se debe realizar en tuberías menores a 51 mm Ø, porque puede
entrar material de la soldadura y restringir el flujo.
Fig 2.3.5 k Injerto de tubería
Tés rectas o reductoras soldables. Se emplean para sacar ramales a 90° de la trayectoria del cabezal; las rectas tienen la salida del ramal, de igual diámetro que las demás, y son fácilmente obtenibles; las tés reductoras son de mas difícil obtención y frecuentemente se adquieren solo bajo pedido.
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Fig. 2.3.5 l Tés rectas o reductoras soldables.
Los accesorios siguientes ofrecen un medio alternativo de conexión a un cabezal principal, sin necesidad de reforzamiento; generalmente están preformados a la curvatura de la tubería a la cual se van a unir.
Weldolet Interconecta ramales a 90° reduciendo el diámetro, la proyección es menor que la de una te; se pueden obtener con fondo plano, para conectarse a tapones o tapas de recipientes.
Fig. 2.3.5 m Weldolet
Elbolet Realiza ramales reductores saliendo tangentes a codos de radio largo o corto.
35 Latrolet Hace un ramal reducido a 45° sobre una tubería recta.
Fig. 2.3.5 ñ Latrolet
Sweepolet Permite hacer un ramal reducido a 90° pero para tuberías sujetas a grandes esfuerzos mecánicos; ocasiona un buen patrón de flujo y una optima distribución de esfuerzos.
Fig. 2.3.5 o Sweepolet Los siguientes tres accesorios se usan generalmente para diseños especiales.
Cruces rectas o reductoras Las primeras se pueden obtener generalmente en almacén, pero las reductoras son de muy difícil obtención; es preferible usar tés y no cruces debido a su economía, obtenibilidad y disminución de numero de artículos en
inventario para mantenimiento; a excepción de donde el espacio es restringido en tuberías marinas o trabajos críticos. No se necesita reforzar la unión.
Fig 2.3.5 p Cruces rectas soldables
Yes rectas o reductoras Permite una entrada a lo largo de todo el diámetro de la tubería ( comúnmente con ángulo de 45°), donde la baja resistencia al flujo es importante; yes rectas con igual diámetro se obtienen en pesos “std” y “xs”. Yes reductoras o con ángulos diferentes a 45° se obtienen solo bajo pedido especial, el refuerzo se requiere donde es necesario
restablecer la fortaleza de la junta, a los esfuerzos totales de la tubería. Las yes reductoras se ordenan similarmente a las tes, excepto que se debe indicar el diámetro y el ángulo.
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Fig. 2.3.5 q Yes rectas.
Injerto angulado En este tiempo de uso raro, puede ser obtenido de proveedores en ángulos de 90° y 45°; se prefiere realizarlos en campo. Necesita revisarse en cada caso sus esfuerzos mecánicos. Si se desea otro ángulo o reducción, incluyendo excentricidades, solo se podrá conseguir con orden especial.
Fig. 2.3.5 r Injerto angulado
Tapón capa Se usa para sellar el final de tuberías de diámetro mediano o pequeño. Se pueden usar tapones planos los cuales son placas cortadas especialmente en campo. Es recomendable revisar mecánicamente estos tapones, ya que las placas planas no resisten bien la presión.
También se pueden usar tapas convencionales para recipientes sujetos a presión, para tuberías de diámetro grande.
Fig. 2.3.5 s Tapones capa y planos. Para obtener datos de dimensiones y comportamiento de accesorios soldables ver anexo ……….
2.4. Componentes para sistemas de tuberías por soldadura enchufada
2.4.1. Ventajas. Comúnmente se usan en tuberías de mediana y alta presión; es mas fácil de alinear en tuberías pequeñas, que las soladas a tope; no es necesario puntearla para soldar. Muy difícil que entren restos de soldadura en el interior, y que haya fugas si se realiza apropiadamente la unión.
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2.4.2 Donde se usan. En líneas que conducen materiales caros, tóxicos, flamables, etc; donde las fugas no se pueden permitir. Donde hay alta presión. Si hay condiciones corrosivas hay que verificar el espacio entre el enchufe.
2.4.3 Desventajas. En el espacio de 1.5 mm que existe para ajuste entre tubería y accesorio, se forman remolinos de fluido. Los códigos no permiten su uso, si se espera erosión severa o corrosión.
2.4.4 Como se realiza la junta. En el caso de acero la tubería tiene acabado plano y se inserta en el accesorio, válvula, brida, etc, a continuación se sella con un cordón continuo de soldadura.
En el caso de tuberías análogas al cobre, se lijan primero las partes en contacto para a continuación
embarrarles fundente y calentarlas, se funde soldadura con soplete untándola a la tubería, se inserta en los accesorios y se deja que ella sola se enfrié.
2.4.5 Accesorios para tuberías enchufables. Tablas. Cople enchufable Une tubería a tubería.
Fig. 2.4.5 a Cople enchufable Cople reductor enchufable. Junta dos tuberías de diferente diámetro.
Fig. 2.4.5 b Cople reductor enchufable
Reductor inserto enchufable. Un accesorio reductor para conectar tuberías pequeñas a accesorios mas grandes. Por un lado es hembra y por el otro macho. Estos insertos pueden ser fabricados maquinando barras forjadas comunes.
Fig 2.4.5 c Reductor inserto enchufable
Tuerca unión enchufable. Se usa principalmente para propósitos de mantenimiento e instalación; en si es un tipo de unión roscada, adaptada para sistemas enchufables, por lo cual cuando existe alta presión se debe verificar los esfuerzos mecánicos. La unión debe ser enroscada herméticamente antes de que las terminales sean soldadas para evitar el desalineamiento en el asiento, y en consecuencia la probabilidad de fugas.
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Fig. 2.4.5 d Tuerca unión enchufable
Swanges enchufables. Diferentes tipos de swanges se pueden obtener para conectar diferentes tipos de tuberías de diferentes diámetros.
Fig. 2.4.5 e Swange enchufable Codos enchufables. Se realizan para cambios de dirección de las tuberías en 90° y 45°.
Fig. 2.4.5 f Codos enchufables de 90° y 45°
Te enchufable recta y reductora. Sacan ramales a 90° de una línea principal; las tés reductoras se fabrican a petición a partir del maquinado de piezas forjadas.
Fig. 2.4.5 g Te enchufable reductora y recta Ye enchufable. Hacen salidas del mismo diámetro a 45° de la tubería principal.
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Fig. 2.4.5 h Ye enchufable
Cruz enchufable. Con características similares a las soldadas a tope, se fabrican a petición de piezas forjadas.
Fig. 2.4.5 i Cruz enchufable
Accesorios para salidas de recipientes o sistemas soldados a tope
Medio cople enchufable. No se usa el cople entero para conectarse a cabezales o recipientes, debido a que el medio cople tiene mas rigidez; el medio cople permite entradas a 90° a tuberías grandes o recipientes.
Fig. 2.4.5 j Medio cople enchufable
Los accesorios a continuación ofrecen un medio alternativo de conexión a un cabezal principal, sin necesidad de reforzamiento; generalmente están preformados a la curvatura de la tubería a la que se unen.
Sockolet Saca ramales a 90° del mismo diámetro o reducidos, sobre tubería recta; se pueden obtener sockolet de base plana para tapas o recipientes.
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Fig 2.4.5. k Sockolet enchufable Elbolet enchufable. Saca ramales reducidos, saliendo tangentes a codos de radio largo o corto.
Fig 2.4.5. l Elbolet enchufable Latrolet enchufable. Saca ramales reducidos a 45° sobre una tubería recta.
Fig. 2.4.5. m Latrolet enchufable
Nipolet Es una variante del sockolet, solo que termina en una punta que trabaja como niple, se desarrollo simplemente para conectar válvulas pequeñas.
Fig 2.4.5. n Nipolet Tapon capa enchufable. Cierra una tubería en forma plana.
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Para obtener datos de dimensiones y comportamiento de accesorios enchufables ver anexo ……….
2.5. Componentes para sistemas de tuberías en sistemas roscados.
2.5.1. Ventajas. El roscado se realiza fácilmente en tuberías y accesorios en campo, minimiza el peligro de fuego cuando se instalan tuberías, en áreas con gases o líquidos inflamables presentes.
2.5.2 Donde se usan. Para líneas pequeñas de proceso que conducen servicios.
2.5.3 Desventajas. No esta permitida según el código ANSI B31.1.0-1967 si se espera erosión severa, corrosión, golpeteo o vibración; ni a temperaturas arriba de3 496 °C. Es posible que tenga fugas la unión y que ocasione que la junta se tenga que sellar con un cordón de soldadura ( no recomendable ). La fortaleza de la tubería se reduce al disminuir con el roscado el grosor de las paredes.
2.5.4 Como se realiza la junta. Comúnmente se puede realizar la rosca exterior ( macho ) sobre la tubería por medio de una herramienta manual llamada tarraja, o por medio de maquinas que pueden realizar ese trabajo en campo.
Fig. 2.5.4 a Tarraja manual y mecanizada para enroscado de tuberías macho.
La rosca interior ( hembra) comúnmente viene en los accesorios, aunque pueden roscarse por medio de machuelos ó por torneado el interior de una pieza ( cople ) lo cual no es recomendable.
2.5.5 Accesorios para tuberías roscadas. Un amplio rango de accesorios han sido desarrollados por muchos manufactureros para propósitos específicos y especiales, para tuberías de plomería en edificios. La mayoría de estos accesorios se usan en tuberías de servicios ( aguas, vapor, aire, etc ); no se usan salvo pedido especifico y estudio detallado en las tuberías de proceso, aunque sus rangos de presión y temperatura sean apropiados.
Accesorios de fierro maleable galvanizado de 150# (psig) y 300 # con válvulas de rango similar se usan con tubo ced 40 para líneas de agua y aire comprimido para uso domestico o comercial; no es recomendable usarlos para uso
industrial aunque se usan por razones económicas.
Los accesorios de acero forjado roscado, se usan mas extensivamente en la industria en comparación a los de fierro maleable a causa de su mayor fortaleza mecánica.
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Estos accesorios se han estado usando desde la revolución industrial por lo que se encuentran muy estandarizados y son fáciles de obtener en diámetros pequeños y medianos.
Cople roscado. Une tuberías y accesorios en línea recta que tengan extremos roscados.
Fig. 2.5.5 a Coples roscados estándar y ligero
Cople reductor. Une tuberías roscadas de diferentes diámetros, se puede fabricar a partir de piezas forjadas.
Fig. 2.5.5 b Cople reductor roscado
Niple. Junta uniones, válvulas, filtros, accesorios; básicamente es un tramo de tubería roscado que se puede hacer en campo, aunque es preferible comprarlo hecho, sobretodo si lleva algún recubrimiento ( galvanizado ).
Fig. 2.5.5 c Niples
Niple de tanque. Se usa para realizar conexiones roscadas a recipientes sin presión o a baja presión, la longitud total es generalmente 150 mm, con rosca cónica para tuberías para tuercas de cierre ( no se recomienda el uso de este artefacto ).
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Tuerca unión. Permite una unión de fácil instalación, remoción o remplazamiento; para mantenimiento de válvulas o recipientes en sistemas roscados. Es indispensable la colocación de tuercas unión en un arreglo de tuberías, ya que el enroscado solo se puede hacer siguiendo un sentido de giro, y ocasiona situaciones en que es imposible girar un accesorio para
apretarlo, ya que sortaria el lado contrario. Aunque se pueden realizar accesorios con rosca contraria ( solo se recomienda usarlo en casos excepcionales muy estudiados ).
Fig. 2.5.5 e Tuerca unió roscada Conector roscado. Para unir tubería roscada a tubo abocinado por medio de tuerca especial.
Fig. 2.5.5 f Conecto roscado
Reducción buje. Es un accesorio reductor usado para conectar tuberías pequeñas dentro de accesorios o boquillas mas grandes; tiene muchas aplicaciones para conexiones de instrumentos; normalmente no se usan para servicio de alta presión.
Fig. 2.5.5 g Reducción buje roscada Swage niple. Es un swage que puede tener uno o dos extremos roscados machos
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Codos roscados. Hacen el cambio de dirección en tuberías roscadas a 90° y 45°.
Fig. 2.5.5 i Codos roscados de 90° y 45°
Curvas roscadas macho. Se fabrican bajo pedido dando el ángulo, dependen del material para el radio de curvatura.
Fig. 2.5.5 j Curva roscada macho de 90° Te roscada mixta. Hace el cambio de dirección a 90° con extremos maco-hembra.
Fig. 2.5.5 k Te roscada mixta
Te recta o reductora roscada. Saca ramales rectos o reducidos a 90° de la trayectoria de la tubería. Aunque son difíciles de encontrar existen tés con la reducción en línea.
Fig. 2.5.5 l Te recta o reductora roscada Ye roscada Hace cambios de dirección de igual diámetro a 45° de la trayectoria de la tubería.
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Fig. 2.5.5 m Ye roscada Cruz roscada. Une a cuatro tuberías roscadas a 90°.
Fig. 2.5.5 n Cruz roscada
Reducción roscada. Realiza el cambio de diámetro de una tubería a otra; se pueden encontrar concéntricos y excéntricos.
Fig. 2.5.5 ñ Reducciones concéntricas y mixtas roscadas
Coples roscados. Se usan para colocar conexiones a 90° roscadas, para tuberías e instrumentos, o para boquillas de recipientes; se
pueden encontrar de tres tipos: completos ( rosca en ambos extremos ), medio cople ( cortado a la mitad ) y bose que es un medio cople con achaflanado preparado para soldarse a una tapa plana.
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Los accesorios siguientes ofrecen un medio alternativo de conexión a un cabezal principal, sin necesidad de reforzamiento; generalmente están preformados a la curvatura de la tubería a la cual se unirán.
Thredolet Saca ramales a 90° de igual diámetro o reductores de una tubería recta, se obtienen también con fondo plano.
Fig 2.5.5 p Thredolet Elbolet roscada. Saca ramales reducidos, saliendo tangentes a codos de radio largo o corto.
Fig. 2.5.5 q Elbolet roscada Latrolet roscada. Saca ramales reducidos a 45° sobre una tubería recta.
Fig. 2.5.5 r Latrolet roscada
Nipolet roscada. Es una variante del thredolet, solo que termina en una punta que trabaja como niple; se desarrolló principalmente para conectar válvulas pequeñas.
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Tapones roscados. Se encuentran diversos accesorios para tapar tuberías roscadas.
Fig. 2.5.5 t Tapones roscados
Tablas. Roscas de tuberías.
Algunas veces es necesario saber la longitud roscada total de accesorios y tuberías roscadas y saber que tanto penetran unas en otras, para saber esos datos deberán tomarse en cuenta las dimensiones de las tablas:
La norma ANSI/ASME B2.1-1983 rige las roscas cónicas y rectas de tubería y accesorios; la rosca cónica se usa normalmente en tuberías roscadas debido a que es intrínsecamente autosellante; la rosca cónica altera el diámetro en 1.5 mm ( 1/16” ) por cada 25.4 mm (1”) de avance ( carrera ) de la rosca.
El número de roscas por pulgada es el mismo ( sigue la norma ANSI/ASME B2.1-1983 ) para roscas rectas ó cónicas del mismo diámetro nominal, las roscas rectas y cónicas son compañeras. Las uniones cónica/cónica y cónica/recta son autosellantes con el auxilio de pastas o películas plásticas ( teflón ); la unión recta/recta roscada, requiere de un empaque o tuerca para asegurar la unión.
La norma ANSI/ASME B2.1-1983 define roscas de tuberías “ herméticas “ que no requieren película o pasta para sellarse.
La norma ASME B1.20.7-1991 es una revisión de la norma ANSI/ASME B1.20.7-1966 la cual define las roscas para el acoplamiento de mangueras.
ANSI/ASME B2.1-1983
Rosca cónica para tuberías NPT Rosca recta para tuberías en coples de tubería NPSC Rosca recta para tuberías para juntas mecánicas NPSM Rosca recta para tuberías para tuercas y tuberías de cierre NPSL Rosca recta para tuberías para coples y niples de de manguera NPSH
ANSI/ASME B2.2-1983
Rosca cónica hermética para tuberías ( lubricante opcional ) NPTF Rosca recta hermética para tuberías ( lubricante opcional ) NPSF Rosca recta hermética interna para tuberías NPSI
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Fig 2.5.5 u Detalles de roscado de tuberías.
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2.6. Componentes para sistemas de tuberías bridadas.
2.6.1. Clasificación y usos.
Es el medio más versátil para unir tuberías y sus accesorios, equipos y recipientes, debido a su facilidad de montaje. Debido a su forma de unión a tuberías y accesorios, se pueden encontrar en el mercado los siguientes tipos de bridas:
a) Brida de cuello soldable ( welding neck flange ). Existe en su forma estándar y larga; las regulares se usan para unirlas a tuberías o accesorios solados a tope; presentan dificultad para alinearlas a la tubería, pero se consideran muy apropiadas para condiciones severas de temperatura ó esfuerzos grandes de corte, impacto o vibración. Las bridas de cuello largo se usan principalmente como parte de equipos o boquillas de tanques. Se debe poner especial atención al requerirla al diámetro interior de la brida, para que coincida con el diámetro interior de la tubería o accesorio ( el diámetro interior cambia con respecto a la cedula ).
Fig 2.6.1 a Brida de cuello soldable
b) Brida deslizable ( slip-on flange ). Según se muestra en la figura , necesita dos cordones de soldadura para colocarse, la soldadura interior tiene gran oportunidad de estar sujeta a corrosión. Tiene poca resistencia al impacto y vibración, es mas fácil de alinearla que la de cuello soldable; además existe la posibilidad de que la hendidura que ocasiona la unión, aumente las perdidas por fricción al crear remolinos. Es mas barata que la de cuello soldable, pero cuesta mas colocarla. Se ha calculado que los esfuerzos que soporta bajo presión interna, son apenas un tercio que los correspondientes a la de cuello soldable. Del final del tubo a la cara de la brida se debe dejar el grueso del tubo mas 1.5 mm.
Fig 2.6.1 b Brida deslizable
c) Brida enchufable ( socket Weld flange ). La brida tiene un hueco donde se inserta la tubería con un tope ( a diferencia de la deslizable ). Se suelda por la parte exterior de la brida; este tipo de brida se usa para altas presiones, por lo que
frecuentemente se suelda por la parte interior, esmerilando la soldadura para proveer un diámetro interior liso, sin bolsas ni bordes; cuando se coloca la soldadura interior su resistencia estática se iguala a la deslizante, pero su resistencia a la fatiga es 50% menor.
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Fig 2.6.1 c Brida enchufable
d) Brida roscada ( screwed flange ). Estándar o reductora, se usa para conectar sistemas roscados a un equipo bridado, usada principalmente a presiones medias y en diámetros no mayores a 38 mm Ø. Se debe sellar con un cordón de soldadura cuando la presión exceda a 500 psig ó la temperatura de 320°C.
Fig. 2.6.1 d Brida roscada
e) Brida loca ( lap-joint flange ). Usada siempre con su pareja inseparable la punta abocinada ( stub end ), es una manera económica de unir tuberías a materiales caros como aleaciones y aceros inoxidables, ya que la brida es de acero al carbón, y solo el stub end debe ser del material de la tubería. Es útil de donde es necesario hacer corresponder sus barrenos con los de una brida compañera, como en el caso de boquillas de tanques, en donde es necesario evitar el excesivo esfuerzo flexionante en las juntas. No debe usarse en tuberías de diámetro grande, ni en tuberías de pared muy delgada.
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Como parte inseparable de la brida loca se encuentra el stub end. Este accesorio varia con respecto a la cedula de la tubería a la que se va a soldar, así como el material de la que esta construida ( no es aconsejable unir materiales diferentes ). Se clasifica también por el largo del cuello: corto y largo; así como del radio de curvatura de la unió en el cuello; tipo A, tipo B y tipo C.
Fig. 2.6.1 e Stub ends tipo corto( A, B y C ) y largo
f) Brida ciega ( blind flange ). Se usa para cerrar el extreme de una tubería bridada, la cual se espera alguna vez se amplié, o necesite limpieza periódica.
Fig. 2.6.1 f Brida ciega
g) Brida reductora. Apropiada para reducir diámetros de tubería. Puede estar la reducción concéntrica a la tubería o excéntrica apañada a la parte superior o inferior. No debe ser usada ya que la transición puede ser demasiado abrupta y crear
acumulación de materiales en el recoveco, así como turbulencias indeseadas como es el caso de las succiones de bombas. Pueden conseguirse de cuello soldable , pero las comunes son deslizantes.
Fig. 2.6.1 g Brida reductora
h) Brida expansora. En forma similar a una de cuello soldable soldada una reducción pero en una forma mas compacta, aumenta el diámetro nominal ella misma en un paso. En estos días de muy difícil adquisición, por lo que es preferible hacerla en campo, en tiempos pasados útil para conectar válvulas, compresores y bombas ahorrando espacio.
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Fig. 2.6.1. h Brida expansora
2.6.2. Tipo de cara de bridas y acabados.
Los manufactureros ofrecen muchos acabado de la cara de una brida ( cara de una brida es la parte plana donde se apoya una brida con su compañera ); se clasifica generalmente en 5 tipos:
a) Cara realzada ( raised face ) La cara realzada se usa en cerca del 80% de todas las bridas. Es un realce de 1.5 mm (1/16”) para bridas de 150 # y 300 # [ # es el símbolo de libras/pulgada cuadrada nominales(psig)] la expresión
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nominal indica que pueden siempre soportar de una manera común las 150 psi, aunque en la practica puedan soportar algo mas que esa presión. Y de 6.3 mm (1/4”) de alto para rangos mayores. Rango en una brida es la presión común máxima que puede soportar para un buen funcionamiento. b) Cara plana ( flat face ) Son las de uso mas común para acompañar bridas que no sean de acero, sobre boquillas de
bombas, etc; Y para acompañar válvulas y accesorios de fierro fundido ( FoFo ) de 125 # y 250 #. Esto se debe a que el FoFo es frágil y no soporta el cantiléver que forma el resalte de la brida. Las bridas de cara plana usan empaques cuyo diámetro exterior es igual al exterior de la brida, eso reduce el peligro de que el FoFo, bronce o plástico de la brida se quiebre cuando se realice el apriete.
c) Cara para empaque anillado ( ring-joint face ) Es la cara mas cara, pero al mismo tiempo se considera la junta mas eficiente para servicios de alta temperatura y presión, ambas bridas son semejantes. Esta cara no es propensa a dañarse al manejarla en la superficie en contacto con el empaque, cuando este esta fuera de servicio. El uso de estas caras puede
incrementar la aceptación de empaques de arillo “O” metálicos para sellos de procesos químicos.
d) Cara de brida loca ( lap joint facing ) Esta conformado su perfil interior para acomodar la punta abocinada ( stub end ); la combinación de la brida y el stub end, presentan una geometría similar a las bridas de cara realzada, y puede ser usado donde puedan existir esfuerzos de tensión.
Cara realzada Cara plana
Cara empaque anillado
Cara de brida loca Fig. 2.6.2 a Tipo de cara de bridas
e) Caras especiales. Adicionales a estos tipos de cara también existen en el mercado los siguientes tipos de cara: Resalte macho grande con cavidad hembra grande. Raised face and large male and female. Resalte macho pequeño con cavidad hembra pequeña. Small male y female.
Machihembrado grueso. Large tongue & groove Machihembrado Delgado. Small tongue & groove
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Juntas anilladas especiales. Ring joints Todos estos tipos de cara, se usan principalmente en 400 psig o mas.
Para obtener datos de dimensiones y comportamiento de bridas ver anexo ……….
Tipos de acabados de bridas.
El término acabado se refiere al tipo de textura de superficie, que se le dará a la brida al maquinarse en la cara de contacto con el empaque. Existen dos tipos principales de acabado: rayado fonográfico ( serrated ) y liso ( smooth ).
A la cara de las bridas generalmente se le da un acabado maquinado, de manera que se produzca un rayado en forma de espiral con fondo redondeado, el cual es el mas común y puede ser llamado acabado común ( stock finish ); o con un acabado en forma de espiral con perfil “V” rayado concéntrico llamado rayado fonográfico. El paso del rayado es de o.75 mm (1/32”) para bridas de acero de 12” Ø o mas pequeñas.
El acabado liso generalmente es bajo pedido y se obtiene en dos calidades: la superficie mas lisa se llama “ acabado de agua helada “, el acabado liso común ( plano liso ) no debe mostrar ninguna marca el agujero desnudo.
El acabado fonográfico se usa con empaques de asbesto o plástico, el acabado liso regular se usa con empaques hechos de materiales duros, y con empaques de embobinado espiral. El acabado de agua helada se usa normalmente sin empaques.
2.6.3. Tipo de sujetadores (tornillos, birlos, etc )
Para sujetar una brida con su compañera se usan sujetadores ( en adelante se les llamará tornillos, birlos ó tuercas ) para ese objetivo se barrenan agujeros en las bridas los cuales están angularmente igual espaciados con respecto al centro y con un circulo de barreno definido. Una brida definido un diámetro nominal “ Ø “ y norma de brida ( ANSI ó ISO ) deberá tener dimensiones especificas de: diámetro exterior, grosor, circulo de resalte, numero de agujeros, diámetro de los agujero, etc. Es importante hacer resaltar que cuando una brida no coincida en forma de espejo con otra, debe ponerse especial cuidado pues no corresponden al mismo rango de presión.
Es muy importante que las bridas ( sobretodo cuando estén fijas ) sean colocadas a horcajadas ( straddle centerlines ), de tal manera que el ángulo que forman los dos ejes radiales con respecto al centro quede centrado siempre entre los ejes teóricos fundamentales Norte-sur ( el norte de la planta, no el norte geográfico ) , y arriba-abajo ( sobre la plomada ). Esto evitará que cuando colocan algún accesorio, válvula o equipo con bridas fijas no quede descuadrado.
Comúnmente para sujetar una brida se usan: tornillos de maquina y birlos. El tornillo de maquina tiene en un extremo una cabeza la cual generalmente es hexagonal ( pudiéndose usar cuadrada ), no es aconsejable usar otro tipo de cabeza. El birlo es un tornillo continuo sin
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cabeza en los extremos, se usa en los extremos una tuerca comúnmente hexagonal para sujetarlo. Es importante usar una rondana para facilitar el apriete del lado de la tuerca.
Fig 2.6.3 Tornillo de maquina con tuerca y birlo con tuercas
Los birlos han desplazado ampliamente a los tornillos para sujetar bridas debido a que son mas fáciles de remover si están corroídos. La confusión con otros tornillos en un equipo se evita, y si no se encuentra en almacén se puede cortar un esparrago ( tramo recto largo de tornillo ) o maquinado por un torno.
Rosca de tornillo unificada . El estándar unificado para tornillos y tuercas ( UN- ) se usa en USA, Canadá y Reino Unido; el estándar que se sigue es el ANSI B1.1 , y se puede obtener su correspondencia en sistema métrico ANSI B1.1a
Existen tres tipos diferentes de roscas, cada una con una mayor cantidad de hilos de rosca que la anterior: UNC Unified National Coarse Rosca unificada nacional gruesa.
UNF Unified National Fine Rosca unificada nacional fina UNS Unified National Select Rosca unificada nacional selecta
Existen varias clases, cada una con resistencia a la tracción mayor que la anterior; así como acabados para resistir el medio ambiente ( galvanizado , bonderizado, cadminizado,etc ).
Para tuberías se usa solo la UNC ( clase 2 ) para birlos y tornillos. Y se especifica de la siguiente manera:
Diámetro exterior rosca hilos x pulgada clase A si es tornillo B si es tuerca Ejemplos: Tornillo ½” UNC 13 - 2a
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2.6.5. Tipo de empaque y empaquetaduras.
Los empaques se usan para hacer un sello resistente a las fugas entre dos superficies. Los patrones comunes de configuración para bridas de tuberías son: cara completa que se usan para colocarse entre bridas de cara plana y los de anillo que solo cubren la cara de realce de la brida. Los materiales que se usan ampliamente son los asbestos comprimidos, pero debido a que afectan a la salud de las personas, han sido siendo sustituidos por otros materiales como los de metal rellenos de asbesto.
Fig. 2.6.5 a Diversos tipos de empaques para brida de cara completa y anillo
Los empaques de metal rellenados son especialmente útiles, si se requiere para mantenimiento el desacoplamiento repetido de las bridas, como el empaque sale limpiamente se puede reusarlo frecuentemente.
Fig 2.6.5 b Empaques con los datos de estampado que pide la norma ASME B16.20 La selección de un empaque se decide de acuerdo a:
1.- Temperatura, presión, y naturaleza corrosiva del fluido.
2.- Si el mantenimiento u operación requieren desacoplamiento frecuente. 3.- Los requerimientos que pida alguna norma o código.