Selección del espesor de pared para tuberías sin costura: Pared delgada vs. Pared gruesa

La selección del espesor de pared para tuberías de acero sin costura es una decisión crucial en el diseño, que afecta directamente la seguridad, la economía, la viabilidad del proceso y el rendimiento final. Un espesor de pared demasiado delgado puede provocar fallas catastróficas, fugas frecuentes, altas pérdidas por paradas de producción y riesgo de lesiones personales; si es demasiado grueso, puede generar un gran desperdicio de material, una carga de peso innecesaria y una baja eficiencia de la inversión en el proyecto. Por lo tanto, es fundamental seleccionar el espesor de pared adecuado para las tuberías de acero sin costura.

Cómo se definen las tuberías de pared delgada y gruesa?

Las tuberías de acero de pared delgada y gruesa no son conceptos absolutos, sino que suelen clasificarse de forma relativa según la relación entre el diámetro exterior y el espesor de pared. Se requiere una optimización multiobjetivo para su selección.

Tubos de pared delgada: Generalmente se refieren a tubos de acero con un diámetro exterior/espesor de pared ≥ 20 mm.
Características: Ligeros, ahorran material, son flexibles, pero son propensos a defectos y tienen una capacidad limitada para soportar presión.

Tubos de pared gruesa: Generalmente se refieren a tubos de acero con un diámetro exterior/espesor de pared < 20 mm.
Características: Alta resistencia, alta rigidez y alta resistencia a la presión, pero pesados, costosos y difíciles de procesar.

Cinco factores principales que influyen en la selección del espesor de pared de los tubos sin costura:

1. Propiedades mecánicas y seguridad

El espesor de pared de los tubos es la primera y más importante línea de defensa contra la presión interna (p. ej., sistemas hidráulicos, calderas) y la presión externa (p. ej., tuberías en aguas profundas, tuberías subterráneas). Un espesor de pared insuficiente puede provocar deformación plástica, abombamiento e incluso un estallido catastrófico. En segundo lugar, un espesor de pared suficiente puede resistir cargas mecánicas inesperadas, como impactos externos, compresión y asentamiento de cimentaciones, lo que previene abolladuras y roturas en las tuberías. Además, aumentar el espesor de pared por encima de los cálculos de diseño proporciona un valioso margen de seguridad contra defectos de material, sobrecargas imprevistas y corrosión a largo plazo.

Situaciones en las que se prefieren las tuberías de pared delgada:
Para presiones internas o externas medias a bajas.
Principalmente para cargas de tracción o momentos flectores pequeños.
Para piezas móviles sensibles al peso.

Situaciones en las que se prefieren las tuberías de pared gruesa:

Para presiones altas y ultraaltas (p. ej., sistemas hidráulicos, calderas). 

Soportando tensiones complejas como grandes momentos flectores, torsión y extrusión.

Requisitos de resistencia a la fatiga, al impacto o al desgaste.
Aplicaciones con factores de seguridad extremadamente altos.

2. Proceso y fabricación

La capacidad de producción de las acerías limita el rango de espesores de pared de los tubos sin costura. Los tubos de pared ultrafina requieren tecnología de estirado en frío de alta precisión, mientras que los tubos de pared ultragruesa requieren equipos de extrusión o perforación de gran tonelaje. Los espesores de pared superiores a los rangos convencionales generan dificultades de adquisición, plazos de entrega prolongados y precios anormalmente altos.

Escenario preferido para tubos de pared delgada:

Requiere procesos de conformado secundarios como doblado en frío y laminado.
Requiere un alto acabado superficial en la superficie interior (fácil pulido y bruñido).
Los métodos de conexión son principalmente soldadura y bridas, con bajos requisitos de biselado.

Escenario preferido para tubos de pared gruesa:
Requiere mecanizado de roscas (para garantizar la resistencia de las roscas).
Como componentes estructurales mecánicos, deben soportar tensiones de ensamblaje (como ajustes de interferencia).
Como cuerpos de cilindros y bujes, requieren una longitud de guía suficiente y capas resistentes al desgaste.

3. Economía y rentabilidad

El espesor de pared es un factor importante en los costos de los materiales, y su selección implica cálculos financieros precisos. 

a. Costos directos de materiales: Por cada mm de aumento en el espesor de pared, el tonelaje y el costo de adquisición del acero para toda la tubería aumentan significativamente. En proyectos grandes, optimizar el espesor de pared puede ahorrar millones o incluso cientos de millones de dólares. 

b. Impactos en los Costos Indirectos:

Transporte e Instalación: Las tuberías más gruesas son más pesadas, lo que aumenta la dificultad y el costo de izado, transporte y construcción.

Costo de Vida Útil: Si bien las tuberías de pared delgada requieren una inversión inicial menor, si un espesor de pared insuficiente provoca fallas prematuras, fugas, paradas de producción o accidentes que afecten a la seguridad, el costo total de vida útil será mucho mayor que el de las tuberías de pared gruesa, cuya inversión inicial es mayor.

Situaciones en las que se Prefieren las Tuberías de Pared Delgada:
Para aplicaciones que requieren los costos de material más bajos posibles.
Para medios como agua o aire, sin requisitos estrictos de corrosión.
Para proyectos puntuales o a corto plazo.

Situaciones en las que se Prefieren las Tuberías de Pared Gruesa:
Para aplicaciones que involucran medios costosos o peligrosos, donde los costos de fugas superan con creces el costo de la tubería.
Para aplicaciones que requieren una larga vida útil y bajos costos de mantenimiento (las paredes más gruesas ofrecen mayor resistencia a la corrosión y al desgaste). Para aplicaciones con altos costos de instalación (como aguas profundas o gran altitud) que requieren una confiabilidad extremadamente alta.

4. Propiedades de los fluidos

Situaciones donde se prefieren tuberías de pared delgada: 

Para transportar líquidos y gases comunes donde la caída de presión no es un factor crítico.

Se requieren altos caudales y grandes volúmenes de flujo (mayor diámetro interior para el mismo diámetro exterior).

Situaciones donde se prefieren tuberías de pared gruesa: 

Para transportar medios de alta presión y alta temperatura, tóxicos, inflamables y explosivos.

En casos de cargas transitorias como golpes de ariete y pulsaciones de presión.
Para medios corrosivos que requieren un margen de corrosión.

5. Normas y especificaciones

La selección del espesor de pared no es una cuestión de libre elección, sino una decisión técnica sujeta a estrictas restricciones. Todos los sectores industriales (petróleo, química, energía, recipientes a presión) tienen normas nacionales e industriales obligatorias (como ASME B31.3). Estas normas especifican las fórmulas mínimas de cálculo del espesor de pared y los requisitos de diseño en función de la presión, la temperatura y el material. La selección del espesor de pared debe cumplir primero con las normas; de lo contrario, el diseño no será válido.

Situaciones en las que se prefieren tuberías de pared delgada: Siguiendo las series dimensionales ASME B36.10M, EN 10216, etc., específicamente Schedule 5S, 10S o series similares.

Se utiliza para tubos de instrumentación de baja presión y tubos de transferencia de calor en general.

Situaciones preferidas para tuberías de pared gruesa: Siguiendo las series de tamaño ASME B36.10M Schedule 80, 160, XXS o API 5L de pared gruesa de alta resistencia.
Se utiliza para recipientes a presión, calderas y tuberías de proceso de alta presión, según lo exige la normativa.

Serie general de espesor de pared: Cuanto mayor sea el número de Schedule, mayor será el espesor de pared. Sch40 y Sch80 son las series de espesor de pared más comunes.

6. Adaptabilidad del sistema

El espesor de pared es un parámetro en un sistema de tuberías y debe coincidir con otras conexiones.

a. Adaptación a accesorios y válvulas: Los sistemas de tuberías deben conectarse con accesorios como codos, tes y válvulas. Estos accesorios suelen tener valores de presión y dimensiones de conexión estándar; el espesor de la pared de la tubería debe coincidir con estos para garantizar valores de presión uniformes en todo el sistema.

b. Análisis de tensiones: En sistemas de tuberías complejos, las tuberías no solo soportan presión interna, sino también tensión térmica, tensión transmitida por la vibración del equipo y tensión generada por las restricciones de los soportes. El espesor de pared es un dato fundamental para el análisis de tensiones de las tuberías y el diseño flexible, ya que afecta directamente las características de vibración y los niveles de tensión del sistema.

Conclusión: 

La selección del espesor de pared de las tuberías de acero sin costura es un proceso altamente estandarizado y regulado. Una selección adecuada del espesor de pared es una decisión de ingeniería de sistemas que busca el equilibrio óptimo entre resistencia, peso, coste, procesos de fabricación y seguridad. Para aplicaciones críticas, es esencial realizar cálculos detallados y revisiones por parte de ingenieros profesionales.

Leer más: Tubería sin costura vs. Soldada o Ventajas y desventajas del transporte por tuberías