La nomenclatura de las tuberías
y accesorios de PVC
AMANCO Asesoría Técnica (Revisión 08/2008)
1. Introducción
La adecuada selección y especificación de la tubería y accesorios de PVC asegura sistemas hidráulicos óptimos en su funcionamiento y en su costo. Con ese fin, este documento pone a disposición del lector los conceptos y terminología básica que componen el particular lenguaje de las tuberías y accesorios de PVC.
2. Diámetro nominal vs. diámetro real
Cuando inspeccionamos un tubo de PVC SDR 17 de 50mm de diámetro nominal, llama nuestra atención que sus diámetros reales, tanto el externo (60,32 mm) como el interno (53,2 mm aprox.), distan de ser 50 mm. lgualmente ocurre si observamos un tubo de 50 mm de diámetro nominal Schedule 40, un tubo para instalaciones eléctricas (conduit) ó uno para agua caliente de CPVC, como muestra la siguiente tabla: Norma de fabricación Diámetro nominal (mm) Diámetro interno (mm) Diámetro externo (mm) ASTM D 1785 Sch 40 50 52.50 60.32 ASTM D 1785 Sch 80 50 49.24 60.32 ASTM D 1785 Sch 120 50 47.62 60.32 ASTM D 2241 SDR 13.5 50 51.38 60.32 ASTM D 2241 SDR 17 50 53.21 60.32 ASTM D 2241 SDR 21 50 54.58 60.32 ASTM D 2241 SDR 26 50 55.71 60.32 ASTM D 2241 SDR 32.5 50 56.62 60.32 ASTM D 2241 SDR 41 50 57.38 60.32 Conduit liviano 50 51.34 54.94
Aunque todas las tuberías de esta tabla tienen el mismo diámetro nominal y nos estamos refiriendo a “un tubo de PVC de 50 mm de diámetro”, observamos que:
• En ningún caso el diámetro es 50 mm, ni externo ni interno • Los diámetros externos son los mismos en la mayoría de casos
• Los diámetros internos presentan variaciones de una especificación a otra, lo que indica que los espesores de pared no son iguales, y que la capacidad hidráulica (ó el espacio disponible para conductores eléctricos) no es la misma.
Diámetros externos iguales
Podemos resumir que a un mismo diámetro nominal se asocia una amplia gama de diámetros reales, dependiendo de la norma de fabricación de los tubos. Es por esa razón que al especificar tuberías plásticas de PVC, no es suficiente indicar el diámetro nominal de las tuberías, siendo necesario aportar información adicional. Esa información viene dada por la norma de fabricación.
La norma de fabricación de una tubería típica de PVC incluye términos tales como: ASTM, Schedule, SDR, etc. Especifica, además, cuál es el uso apropiado de esa tubería. El propósito de este artículo es explicar esa nomenclatura.
3. Tuberías especificadas por cédula ó calibre (Schedule)
La primera familia de tubería que veremos es la de tuberías especificadas por cédula. Históricamente, esta fue la primera familia de tuberías de PVC.
Las primeras tuberías de PVC se originaron como sustituto de las tuberías de hierro galvanizado para presión, las cuales eran clasificadas según la cédula ó calibre de la lámina con que eran fabricadas (originalmente en inglés: Schedule): Sch 40, Sch 80 y Sch 120. La cédula define las características dimensionales (diámetros, espesores, tolerancias) de las tuberías metálicas.
Las tuberías de PVC adoptaron este criterio de cédula para sus primeras especificaciones de diseño y fabricación. En esta especificación, para un diámetro nominal dado, cada cédula define un espesor de pared diferente, y por lo tanto un diámetro interno diferente. Continuando con el ejemplo de tubería de 50mm de diámetro nominal:
Una importante consecuencia de este desarrollo inicial de las tuberías de PVC es que se adoptó el criterio de utilizar el mismo diámetro externo que las tuberías galvanizadas, por lo que se habla de tuberías IPS (iron pipe size). Una gran cantidad de las tuberías comerciales de PVC son IPS, y esto explica por qué en la tabla en página 1 coincidían la mayoría de diámetros externos. No son IPS: las tuberías conduit, D 3034, CPVC, Novafort, Novaloc y algunas otras.
Sch 40 Sch 80 Sch 120 Diámetro externo, Do (mm) 60.32 60.32 60.32 Diámetro interno (mm) 52.50 49.24 47.62 Espesor de pared, t (mm) 3.91 5.54 6.35 Presión de trabajo P (kg/cm2) 19.6 28.0 32.9
Para efectos de diseño hidráulico, la cédula de la tubería es un parámetro importante, pues indica no sólo su diámetro interno sino su presión de trabajo, la cual depende del espesor de la pared. Como veremos más adelante, las tuberías según cédula han sido desplazadas por las tuberías según su SDR, pero la gran mayoría de conexiones utilizadas hoy día en nuestro medio son Sch 40, por lo cual es necesario conocer cuáles son sus presiones de trabajo:
Diámetro nominal Tubería Sch 40 Presión de trabajo (*) pulg mm psi (**) kg/cm2 ½ 12 600 41.4 ¾ 18 480 33.1 1 25 450 31.0 1 ¼ 31 370 25.5 1 ½ 38 330 22.8 2 50 280 19.6 2 ½ 62 300 20.7 3 75 260 17.9 4 100 220 15.2 6 150 180 12.4 8 200 160 11.0 10 250 140 9.7 12 300 130 9.0
(*) En el caso de accesorios roscados, la presión de trabajo debe reducirse a la mitad (**) La presión de trabajo se mide en kg/cm2 ó en libras por pulgada cuadrada (psi)
¿Por qué en las tuberías fabricadas por cédula decrece la presión de trabajo conforme aumenta el diámetro? Vamos a tratar de explicarlo a continuación. De acuerdo con la llamada ecuación ISO R-161, se pueden establecer estas relaciones para el esfuerzo de tensión anular en la pared del tubo:
con:
P: Presión de trabajo (psi ó kg/cm2)
S: Esfuerzo Hidrostático de Diseño (psi ó kg/cm2)
Do: Diámetro externo (in ó cm)
t: Espesor de pared (in ó cm)
1
2
−
=
t
D
P
S
ODespejando P:
El Esfuerzo Hidrostático de Diseño S es un parámetro importante. Resulta de aplicar un factor de seguridad de 2 al máximo esfuerzo de tensión anular que la tubería puede soportar de manera continua durante 50 años, que se denomina Base Hidrostática de Diseño (BHD), y que se establece mediante pruebas de laboratorio a largo plazo. Para la materia prima utilizada en la fabricación de tuberías de PVC en nuestro país, el valor de la BHD es de 280 kg/cm2 (4,000 psi), por lo que el valor de S
es: S = BHD/2 = 280/2 = 140 kg/cm2 (2,000 psi).
Al calcular P con la fórmula anteriormente descrita, encontramos la presión interna que la tubería es capaz de soportar de manera segura -asumiendo un factor de seguridad de 2- durante un período de 50 años. P así calculada, se define como la Presión de Trabajo de la tubería.
Retomando la explicación de las presiones de trabajo decrecientes: si tomamos en cuenta que S es constante y que en tuberías por cédula el valor de t es también constante para varios diámetros, podemos entonces deducir que el valor de P disminuirá cuando aumentemos Do en la fórmula. Esto explica los valores decrecientes
de P en la tabla de la página anterior.
Las tuberías de PVC clasificadas por cédulas están normadas en la especificación ASTM D 1785. En nuestro mercado se utilizan únicamente en diámetros menores y en las conexiones ó accesorios.
Las siglas ASTM representan la American Society for Testing and Materials (Sociedad Norteamericana de Pruebas y Materiales), que es la entidad normativa más importante en los Estados Unidos. Cada especificación de materiales ASTM consiste en un extenso protocolo de especificaciones que las tuberías deben de cumplir íntegramente, cuyo cumplimiento se verifica mediante pruebas de laboratorio también especificadas por la ASTM. La mayoría de tuberías utilizadas en nuestro país están definidas según normativas ASTM o sus homologaciones a normas nacionales INTE del Instituto de Normas Técnicas de Costa Rica (INTECO).
4. Tuberías serie SDR (Standard Dimension Ratio)
Las tuberías de PVC fabricadas según cédula reseñadas en la Sección 3, permitieron la introducción rápida y exitosa del PVC como sustituto de las tuberías de hierro galvanizado de unión roscada.
1
2
−
=
t
D
S
P
oAl desarrollarse la tecnología de cementos de PVC, que permitieron unir los tubos sin roscarlos, los fabricantes de tuberías de PVC detectaron la oportunidad de optimizar la gama de producto en los diámetros menores, en los cuales el espesor de pared de la norma de tubos galvanizados resultaba excesivo para las presiones de operación usuales.
¿Cómo se originan las tuberías especificadas por su SDR? Volviendo a la fórmula de la página anterior, si en lugar de mantener constante el valor de t, mantenemos constante para varios diámetros el valor de S y el de Do/t, tendremos la misma presión
de trabajo P para distintos diámetros, pues los términos del lado derecho de la ecuación permanecerán constantes.
En este caso, para mantener constante el valor de Do/t, al aumentar el diámetro debe
también aumentar proporcionalmente el espesor de la pared. A la razón Do/t se le
llama Razón Dimensional (dimension ratio) y se identifica como DR. Así,
Se han desarrollado con este criterio familias de tuberías que en todo el rango de diámetros tienen el mismo DR, y por tanto la misma presión de trabajo.
Para obtener valores de presión de trabajo estandarizados y facilitar el cálculo y diseño de tuberías, se eligió una serie de valores estandarizados para el DR, que se simbolizan como SDR (Standard Dimension Ratio = Razón Dimensional Estándar). En países de habla hispana, el término utilizado es RDE.
Para materia prima con un esfuerzo de diseño de 2,000 psi (140 kg/cm2), los SDR y sus presiones de trabajo asociadas son:
t
D
DR
=
ot
Presión de trabajo SDR psi kg/cm2 64 63 4.4 51 80 5.6 41 100 7.0 32.5 125 8.8 26 160 11.2 21 200 14.0 17 250 17.6 13.5 315 22.1
Estos valores de presión de trabajo se aplican, para una misma serie de tubería, en todos sus diámetros, lo que facilita el diseño y especificación de las tuberías. Se han obtenido de la ecuación anterior expresada de la forma:
con:
P: Presión de trabajo (psi ó kg/cm2)
S: Esfuerzo Hidrostático de Diseño (psi ó kg/cm2) Do: Diámetro externo (in ó cm)
t: Espesor de pared (in ó cm) SDR: Do/t
Las tuberías clasificadas por su SDR se incluyen en la especificación ASTM D 2241. El Anexo incluye un resumen de las especificaciones de esta norma.
Como se mencionó anteriormente, el diseñador debe utilizar para sus cálculos hidráulicos el diámetro interno que corresponda al SDR de la tubería utilizada, pues el diámetro interno puede variar en más de un 10% en algunos casos y un valor incorrecto puede conducir a cálculos hidráulicos incorrectos.
5. Tuberías especificadas por Clases (AWWA C 900 y C 905 PVC)
Otra especificación para el diseño y fabricación de tuberías es proporcionada por la AWWA (American Water Works Assocciation).
1
2
−
=
SDR
S
P
Mediante la especificación C 900, la AWWA define para tres clases de tuberías de PVC (Pressure class): Clase 200, Clase 150 y Clase 100. El criterio aquí es definir una presión de trabajo (utilizando el mismo criterio de DR), más una previsión estandarizada de resistencia por sobrepresiones originadas por el fenómeno de golpe de ariete. Resulta de la aplicación de tuberías para acueductos, en los cuales el cierre y apertura de válvulas, frecuentes derivaciones y aparatos hidráulicos con frecuencia originan sobrepresiones por aire ó por golpe de ariete.
En la tabla siguiente se muestran las razones dimensionales (DR) de esta norma, así como las presiones de trabajo y sobrepresiones especificadas:
Clase DR Presión hidrostática de prueba (psi) Sobrepresión de prueba (psi) 200 14 650 985 150 18 500 755 100 25 350 535
Puede verse que según esta norma, para una presión de trabajo de 200 psi tal como la concibe la AWWA, es necesario un DR de 14. En el caso de tuberías serie SDR, el requerimiento era de SDR 21, que es menos exigente que DR 14. En otras palabras, las tuberías clasificadas por clases AWWA cumplen requerimientos más exigentes que según las series SDR de la norma ASTM D 2241. Se fabrican con diámetros externos idénticos a los de las tuberías de hierro dúctil (no son IPS, sino DIPS : ductile iron pipe size).
En nuestro país no se utiliza este tipo de tubería, salvo para aplicaciones en sistemas presurizados contra incendios en edificaciones. Sin embargo, es conveniente conocer el criterio de la AWWA para clasificar las tuberías y accesorios, para consideraciones de diseño de válvulas, accesorios especiales, etc., los cuales en nuestro país se utilizan combinados con las tuberías ASTM D 2241.
6. Material de fabricación de las tuberías y accesorios
Las tuberías descritas en los párrafos anteriores corresponden a PVC manufacturado a partir de resina tipo 12454B. Existen diversas formulaciones que permiten obtener otras propiedades mecánicas ó químicas especiales, para atender aplicaciones específicas.
Por ejemplo, el compuesto utilizado para extrusión (tuberías) es diferente al de inyección (accesorios) en cuanto a peso molecular. Otro ejemplo es cómo agregando cloro al compuesto se obtiene el CPVC (cloruro de polivinilo clorado), que permite aceptar temperaturas de trabajo más altas.
7. Tuberías y accesorios CTS de CPVC (PVC clorado) para agua caliente
El avance tecnológico en materia prima y procesos de fabricación, permitió a la tubería de PVC incursionar en nuevos usos. Con el CPVC mencionado en el párrafo anterior, se abrió una nueva aplicación: la conducción de agua caliente a presión.
Las tuberías de CPVC usadas en nuestro medio no son IPS, y por tanto no son compatibles con las tuberías de PVC para agua fría. Siendo el cobre (copper) el material tradicional para tuberías para agua caliente, la tubería de CPVC adoptó sus especificaciones dimensionales. Esto dio origen a las tuberías CTS (copper tube size), especificadas en las normas ASTM F 442 y F 441. Existen en otros medios, para requerimientos de alta temperatura y alta presión, tuberías y accesorios de CPVC IPS Sch 80, cumpliendo con los requisitos de espesor de pared de tal calibre.
8. Tuberías D 3034
Dentro de las aplicaciones más útiles de las tuberías de PVC están los alcantarillados sanitarios, es decir, las tuberías destinadas a evacuación de aguas negras en infraestructura urbanística. Existe una familia de tuberías de norma ASTM D 3034, disponible en diámetros de 4” (100 mm) hasta 15” (375 mm), cuyo diámetro externo no es IPS, y que constituye por sí sola toda una familia de tuberías y accesorios. Esta tubería se ha usado por años en nuestro país en redes sanitarias de urbanizaciones y ciudades, por sus ventajas de bajo peso y hermeticidad de juntas respecto de los sistemas tradicionales anteriormente utilizados. Su color es naranja, para evitar la conexión accidental con tuberías D 2241.
9. Tuberías PIP
Estas tuberías tienen aplicación para irrigación. PIP significa Plastic Irrigation Pipe (tubería plástica para irrigación). Estas especificaciones no se utilizan en en nuestro medio, por lo que no las consideramos aquí en detalle. Sin embargo, en aplicaciones agrícolas de riego ó de conducción a baja presión, es conveniente conocer sus normativas, pues contienen los criterios de diseño e instalación recomendados para este tipo especial de aplicaciones de las tuberías de PVC.
10. Tuberías perfiladas y corrugadas
Hasta este punto hemos mencionado únicamente tuberías de PVC usualmente conocidas como “de pared sólida” por la configuración de su pared. La innovación más relevante en los últimos años en la tecnología de tuberías para alcantarillado y drenaje
de PVC es el desarrollo de configuraciones de pared novedosas, sea por la estructuración de la pared ó por el aligerado del material PVC del tubo, para producir tuberías de alta rigidez y bajo peso.
El principio básico de esta innovación tecnológica es maximizar la inercia de la pared de la tubería usando un mínimo de material. Para ello, se han desarrollado diferentes configuraciones geométricas de pared. El parámetro más importante en este tema es la rigidez de la tubería (pipe stiffness, PS). Es una medida de la resistencia de la tubería a deformarse cuando se le aplica una carga externa.
En el caso de tuberías de pared sólida, y para ilustrar el concepto, existe una relación entre la rigidez PS de las tuberías y el SDR mencionado en la sección 4, tal como muestra la siguiente tabla:
SDR 13. 5 17 21 26 32. 5 35 41 51 64 PS (psi) 916 437 224 115 57 46 28 14 7 PS (kg/cm2) 64.4 2 30.7 3 15.7 5 8.0 9 4.01 3.24 1.97 0.99 0.49
Tuberías de pared perfilada abierta, tuberías de doble pared, tuberías de perfil cerrado y otras configuraciones de pared representan hoy día alternativas para el diseñador y el constructor de obras de infraestructura.
Amanco cuenta con la tubería Novafort, que consiste en tubo de doble pared (TDP), con características hidráulicas y estructurales muy ventajosas. Se ofrece en diámetros nominales de 4” a 24” (100 a 600 mm). Se fabrica según la norma ASTM F 949.
Asimismo, el grupo Amanco ofrece hoy día el producto Novaloc, que completa la oferta en el rango de diámetros de 18” a 60” (450 a 1500 mm), según ASTM F 2307. El diseño superior en rigidez de tubería, espesor de pared en contacto con el agua, así como el novedoso sistema de conexión, asegura ventajas competitivas respecto de otros productos existentes en el mercado en: mejor comportamiento estructural, mayor vida útil y facilidad de instalación.
En el caso de las tuberías de pared estructurada no aplica el concepto de SDR, que es exclusivo de las tuberías de pared sólida.
El uso de estas tuberías estructuradas en aplicaciones a presión es un campo nuevo, de enormes posibilidades, con experiencias muy interesantes en nuestro mercado agrícola.
11. Formas de unión de tubos de PVC
La conexión usual entre tuberías se obtiene por el sistema de campana - espiga. Estas conexiones pueden ser utilizando cemento solvente ó mediante empaques de hule herméticos.
Las uniones cementadas aunque son relativamente fáciles de realizar, deben ajustarse a procedimientos establecidos, controlados, que aseguren su calidad. Un alto porcentaje de los problemas que ocurren en sistemas de tuberías plásticas se originan en uniones cementadas defectuosas.
Para aplicaciones de infraestructura de acueductos (D 2241), Amanco ha desarrollado un sistema de unión entre tuberías de gran hermeticidad y seguridad para el usuario: el sistema Rieber, superior a cualquier otra oferta en nuestros mercados.
Otras formas de unir tuberías, ó de unir tuberías y accesorios son: uniones roscadas y uniones bridadas.
12. Accesorios de PVC y CPVC
Para conexiones que no son en línea, para cambios de dirección, derivaciones, cambios de diámetro, adaptaciones, transiciones a otros materiales, etc., se ha desarrollado una amplísima gama de accesorios de PVC. Los hay inyectados y fabricados (a partir estos últimos de piezas de tubería de PVC).
Para aplicaciones a presión, se utilizan accesorios Sch 40, cuyo diseño y fabricación están normados por ASTM D 2466. Debe notarse que dependiendo de los diámetros de la aplicación, en algunos casos la tubería tiene una presión de trabajo menor que la del accesorio, y en otros casos (diámetros mayores) el accesorio tiene un presión de trabajo menor que la de la tubería (ver página 2, donde se discute este tema).
Para aplicaciones de drenaje sanitario y pluvial sin presión (DWV – Drainage, waste and ventilation, en inglés), se utilizan accesorios de otro tipo. Los tradicionales se fabrican cumpliendo con ASTM D 2665, con espesores de pared cédula 40 pero de geometría diferente de la de los accesorios para presión. Son conocidos como “accesorios sanitarios pared gruesa” en nuestro medio.
Una alternativa desarrollada hace unos 20 años y de amplia utilización en nuestro país son los accesorios para drenaje sanitario y pluvial fabricados con espesores de pared SDR 32.5 (conocidos como “accesorios sanitarios pared delgada”).
Los accesorios para presión y para drenaje, si bien son IPS ambos, tienen un diseño geométrico diferente no solo en cuanto espesor de pared, sino en:
a) Dimensiones, siendo más compactos los de presión que los de drenaje
b) Radios de curvatura, pues los accesorios de presión tienen radios de curvatura menores que los de drenaje (estos últimos, por ubicarse en sistemas que operan por gravedad, deben facilitar el flujo por gravedad)
c) Largo de espigas, para asegurar la debida superficie de contacto con el tubo d) Largo de campanas, para asegurar la debida superficie de contacto con el tubo
Su selección debe realizarse con el mismo cuidado con que especificamos las tuberías.
Las tuberías Amanco para alcantarillado, Novafort y Novaloc, cuentan también con una gama de accesorios y adaptadores que aseguran compatibilidad y flexibilidad de los sistemas. En aplicaciones agrícolas, la utilización de accesorios y componentes metálicos expanden la versatilidad y rango de aplicación de estas tuberías.
Codo 90º Presión – Schedule 40 – 50mm
Codo 90º Sanitario “pared gruesa” - Schedule 40 – 50mm
Codo 90º Sanitario “pared delgada” – SDR 32,5 – 50mm
