Cómo elegir el tamaño de la tubería de acero al carbono?

Al seleccionar el tamaño de la tubería de acero al carbono (CS), el diámetro de la tubería (NPS/DN), el espesor de pared (Número de Cédula) y la presión nominal son tres parámetros fundamentales interrelacionados. Su selección requiere un cálculo exhaustivo basado en la presión de diseño del sistema, el caudal y las características del fluido.

1. Definición de los requisitos

Antes de comenzar a calcular el tamaño de la tubería de acero al carbono, se debe recopilar la siguiente información básica:

a. Fluido: Agua, vapor, petróleo, gas, productos químicos, etc. Sus características (como la corrosividad, la viscosidad y la presencia de partículas sólidas) influyen directamente en la selección del material y el espesor de pared.
b. Caudal: Los caudales máximo, normal y mínimo requeridos por el sistema.
c. Presión y temperatura de operación: La presión y la temperatura más altas (de diseño) durante el funcionamiento del sistema.

d. Normas relevantes: Las especificaciones que sigue el proyecto (como ASME, EN, GB, etc.).

2. Determinación del diámetro de la tubería

El diámetro de la tubería se determina principalmente por el caudal del fluido y la velocidad de flujo recomendada.

Fórmula de cálculo: Caudal = Área de la sección transversal de la tubería × Velocidad de flujo

Velocidades de flujo de fluidos comunes en tuberías de acero al carbono (referencia):
Agua y otros líquidos de baja viscosidad: 1,5 - 3 m/s
Vapor saturado: 20 - 40 m/s
Aire comprimido: 10 - 20 m/s
Gases en general: 10 - 30 m/s

Selección del tamaño: 

Los diámetros comunes de las tuberías de acero al carbono van de DN15 a DN600. Los diámetros de tubería más pequeños (por ejemplo, DN15-DN50) se utilizan comúnmente para aplicaciones de bajo caudal, como boquillas de instrumentación, líneas de muestreo o puertos de inyección de alta presión. Los diámetros de tubería medianos (p. ej., DN80-DN250) se utilizan principalmente en tuberías de proceso de plantas, conexiones de equipos y sistemas de distribución regional, con diseños que optimizan tanto la distribución del caudal como la distribución espacial. Los diámetros de tubería mayores (p. ej., DN300-DN600) se utilizan principalmente en tuberías de procesos industriales principales y redes troncales de infraestructura urbana, diseñados no solo para satisfacer requisitos de caudal ultraalto, sino también para mantener un caudal económico que minimice el consumo de energía y los costos operativos a largo plazo.

Determinación preliminar del diámetro de la tubería: Con base en el caudal y el rango de velocidad de flujo seleccionado, calcule el diámetro interior requerido mediante una fórmula y luego seleccione el tamaño nominal estándar más cercano de las normas de tubería (p. ej., tabla de tamaños ASME B36.10).

Consejos de selección: 

Elegir una velocidad de flujo menor puede reducir la caída de presión, los costos de bombeo y el riesgo de golpe de ariete, pero requiere un diámetro de tubería mayor, lo que resulta en una mayor inversión inicial.

Elegir una mayor velocidad de flujo puede reducir el diámetro de la tubería y ahorrar costos de material, pero conlleva una mayor caída de presión, ruido y un desgaste acelerado de la tubería. 3. Determinación del Espesor de la Pared

El espesor de la pared determina la capacidad de soportar presión y la resistencia mecánica de la tubería. El espesor de la pared se determina seleccionando el Número de Cédula.

Factores Clave:
Presión de Diseño: Una presión más alta requiere una pared más gruesa.
Temperatura de Diseño: Las altas temperaturas reducen la tensión admisible del material, por lo que requieren una pared más gruesa.
Tolerancia a la Corrosión: Si el medio es corrosivo, se debe añadir un espesor adicional al espesor de pared calculado para garantizar la seguridad de la tubería durante su vida útil.
Material de la Tubería: Las diferentes normas de acero al carbono (como ASTM A53, ASTM A106) tienen diferentes tensiones admisibles. La composición química y las propiedades mecánicas especificadas por las normas también difieren.

Selección del Espesor de la Pared: 

El espesor de la pared determina directamente la capacidad de soportar presión de la tubería. Existen diferentes series disponibles, como SCH20, SCH40, SCH80 y SCH160. Las tuberías de pared delgada o estándar, como SCH20/SCH40, tienen una capacidad de soporte de presión limitada y son adecuadas para sistemas de baja presión, presión normal o sin presión. Para el suministro y drenaje de agua en edificios, la ventilación y el agua de circulación a baja presión, las tuberías SCH40 son las de "espesor de pared estándar" más comunes. Para sistemas de tuberías industriales de media presión, alta temperatura o corrosivos, como tuberías de proceso, vapor a alta presión y transporte de petróleo/gas, se deben seleccionar series más gruesas, como SCH80, SCH160 o XXS.

Método de cálculo: Para tuberías críticas, el espesor de pared debe calcularse mediante una fórmula estándar (como la fórmula de espesor de pared de tubería recta de presión interna en ASME B31.3) y luego redondearse al número de cédula estándar más cercano.

4. Determinación de la presión nominal

La presión nominal final de una tubería no es un valor fijo, sino el resultado de cálculos y verificación mediante fórmulas estándar basadas en el material seleccionado, el diámetro preciso de la tubería y el espesor de pared.

Conclusión: 

El proceso correcto de selección de tamaños de tuberías de acero al carbono consiste en: primero, determinar el diámetro de la tubería en función del caudal; segundo, seleccionar el espesor de pared en función de la presión; y finalmente, verificar mediante cálculos si la presión nominal con esta combinación cumple con los requisitos de diseño. Para sistemas menos importantes o no críticos, la selección puede basarse en la experiencia. Sin embargo, para todas las tuberías de presión industriales, se recomienda encarecidamente que ingenieros profesionales realicen un diseño y cálculos rigurosos de acuerdo con las normas pertinentes (como ASME B31.3) para garantizar el funcionamiento seguro, fiable y económico del sistema.

Más información: Tabla de tamaños y especificaciones de tubos de acero al carbono