Resistencia a la presión de las tuberías de acero al carbono

Factores Clave que Afectan la Resistencia a la Presión de las Tuberías de Acero al Carbono:

La resistencia a la presión de los tubos de acero al carbono (tubos CS) no es un valor fijo, sino que está determinada por una combinación de factores, incluido el material de los tubos, el espesor de la pared y el diámetro exterior, el proceso de fabricación y la temperatura de funcionamiento.

1. Grado del Material: El acero al carbono común (como el Q235) tiene una resistencia a la tracción de aproximadamente 375-500 MPa, mientras que el acero al carbono de alta resistencia (como el X60) puede superar los 517 MPa (según la norma API 5L). A mayor resistencia del material, mayor resistencia a la presión.

2. Espesor de la Pared y Diámetro Exterior: Según la fórmula de Barlow (P = (2 * S * t) / D, donde P es el valor de la resistencia a la presión, S es la resistencia a la tracción del material, t es el espesor de la pared y D es el diámetro exterior), para el mismo material, un aumento de 1 mm en el espesor de la pared puede aumentar la resistencia a la presión en aproximadamente un 10-15%. Por ejemplo, una tubería de acero al carbono DN100 SCH 40 (espesor de pared de 6 mm) tiene una presión de trabajo de aproximadamente 5,6 MPa, mientras que una SCH 80 (espesor de pared de 8 mm) puede alcanzar los 7,4 MPa (datos ASTM A106).

3. Proceso de fabricación: Las tuberías de acero sin costura (como la ASTM A106) pueden soportar presiones más altas que las tuberías soldadas (como la ASTM A53) debido a la ausencia de puntos débiles como las costuras de soldadura.

4. Temperatura de funcionamiento: A medida que aumenta la temperatura, la resistencia del material disminuye y la presión admisible disminuye. A temperatura ambiente, la tensión admisible del acero ASTM A106 Grado B es de aproximadamente 138 MPa. Cuando la temperatura alcanza los 400 °C, la tensión admisible se reduce a aproximadamente 100 MPa.

Notación de Presión Nominal:

En ingeniería, las presiones nominales se expresan principalmente de dos maneras:

1. Presión Nominal (PN)
Se trata de una notación estandarizada de presión comúnmente utilizada para componentes de tuberías como válvulas y bridas. Representa un valor de referencia relacionado con las propiedades mecánicas del componente de tubería. El valor PN en sí no es una medida, sino una etiqueta.
Los grados comunes incluyen: PN6, PN10, PN16, PN25, PN40, PN63, PN100, etc.

Por ejemplo, una brida etiquetada como PN16 tiene una presión de trabajo máxima admisible de 16 bar (aproximadamente 1,6 MPa) a 20 °C. A medida que aumenta la temperatura, la presión de trabajo máxima admisible disminuye.

A continuación, se presentan varias normas de clasificación de presión comúnmente utilizadas para tuberías de acero al carbono:

a. Clasificación de Presión Estándar Americana: La Norma Nacional Americana ANSI B16.5 define los criterios de clasificación para las clasificaciones de presión estándar americanas. Las clasificaciones de presión comunes incluyen 150, 300, 600, 900, 1500 y 2500.
b. Clasificación de Presión Estándar Europea: La Norma Europea EN1092-1 define las clasificaciones de presión estándar europeas. Las clasificaciones de presión comunes incluyen PN2.5, PN6, PN10, PN16, PN25, PN40, PN63, PN100, PN160 y PN250.
c. Clasificación de Presión Estándar Japonesa: La Norma Japonesa JIS define las clasificaciones de presión estándar japonesas. Las clasificaciones de presión comunes incluyen 5K, 10K, 16K, 20K, 30K y 40K.

2. Serie de Espesor de Pared (Schedule, Sch)

Este es el método más utilizado para expresar la capacidad de presión de las tuberías de acero soldadas y sin costura. El número de cédula es un número adimensional que representa el grado de espesor de pared de la tubería. Su fórmula de cálculo considera la presión de diseño y la tensión admisible del material.

Como regla general, cuanto mayor sea el número después del Sch, mayor será el espesor de pared y mayor la capacidad de presión.

Sch5S/Sch10S: Serie de pared delgada (S corresponde a acero inoxidable, pero también se acepta acero al carbono).
Sch20/Sch30: Menos común.
Sch40/STD (Estándar): Peso estándar, el más utilizado.
Sch80/XS (Extrafuerte): Peso extra pesado, utilizado para presiones más altas.
Sch120/Sch160/XXS (Doble Extrafuerte): Peso extra pesado, utilizado para tuberías de alta presión.

Nota: Para tuberías con el mismo cédula (p. ej., Sch40), el espesor de pared real varía según el diámetro nominal (DN), pero aún pertenecen a la misma serie de resistencia.

Especificaciones estándar y referencias de clasificación de presión:

Diferentes normas internacionales clasifican claramente la resistencia a la presión de las tuberías de acero al carbono:

1. Tubería sin costura ASTM A106: El grado B tiene una presión máxima de trabajo de 15,8 MPa a temperatura ambiente (para un espesor de pared de 12 mm y un DN de 150).
2. Tubería de línea API 5L: La tubería de acero de grado X42 para el transporte de petróleo y gas suele estar diseñada para una presión de 10-12 MPa (con un factor de seguridad de 0,72).
3. Norma nacional GB/T 8163: La presión admisible para tuberías de acero al carbono n.° 20 a 20 °C es de 6,4 MPa (espesor de pared de 5 mm, DN80).

Normas de aplicación y factores de seguridad:

Diferentes industrias tienen diferentes códigos de seguridad para tuberías, cada uno con su propio factor de seguridad.

ASME B31.1 (Tuberías para energía): Se utiliza comúnmente en centrales eléctricas y calderas. 

ASME B31.3 (Tuberías de proceso): Se utiliza comúnmente en las industrias petrolera, química y de refinería.

Incluso con materiales, dimensiones y temperaturas idénticos, las presiones admisibles calculadas según diferentes códigos pueden variar ligeramente.

Recomendaciones de selección para aplicaciones prácticas:

1. Factor de seguridad: Las tuberías industriales suelen utilizar un factor de seguridad de 1,5 a 4 veces la presión de diseño (se utiliza un valor mayor para medios inflamables). Por ejemplo, las tuberías de vapor requieren una tolerancia adicional por corrosión según ASME B31.1. 

2. Corrección de temperatura: La resistencia a la presión de las tuberías de acero al carbono disminuye aproximadamente entre un 20 % y un 30 % a altas temperaturas (>200 °C). Se debe considerar el factor de reducción de temperatura del material.

3. Entorno corrosivo: Si el medio contiene H₂S o CO₂, se debe utilizar acero al carbono resistente al azufre o se debe reducir la presión de diseño al menos un 30 %.

Cómo seleccionar la presión nominal correcta para un proyecto?

1. Determinar las condiciones de diseño: Identificar la presión y la temperatura de diseño del sistema.
2. Seleccionar el material: Seleccionar el grado de acero al carbono según la corrosividad, la temperatura y la presión del fluido.
3. Determinar el diámetro de la tubería: Con base en el caudal y la velocidad requeridos, calcular el diámetro interior (DI) de la tubería y determinar el diámetro exterior (DE) estándar.

4. Calcular o utilizar una tabla para seleccionar el espesor de pared:

Cálculo: Utilizar la fórmula anterior, sustituyendo la presión de diseño, el diámetro exterior (DE) y la tensión admisible del material, para calcular de forma inversa el espesor de pared mínimo requerido t. 

Consulta en la tabla: Con base en el espesor de pared mínimo calculado, compararlo con la tabla de espesores de pared estándar ASME B36.10 y seleccionar un número de cédula (p. ej., Sch40 o Sch80) con un espesor de pared real no inferior al valor calculado.

5. Verificación: Asegurarse de que la clasificación de presión y temperatura de la tubería seleccionada (calculada) supere los requisitos del sistema en todas las condiciones de operación, con un margen de seguridad adecuado.

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