Presión de trabajo de tubos de acero sin costura

Conceptos básicos y campos de aplicación de los tubos sin costura:

Los tubos de acero sin costura (SMLS) son un tipo de tubo que se fabrica sin soldaduras mediante la deformación del metal mediante técnicas de perforación y laminación. En comparación con los tubos de acero soldados, su principal ventaja reside en la continuidad del material y la uniformidad de su estructura, lo que proporciona una fiabilidad y seguridad superiores en entornos de alta presión, alta temperatura y tensiones complejas. Esto convierte a los tubos de acero sin costura en un material fundamental y fiable en las industrias petrolera, química, de gas natural y energética para procesos críticos y el transporte de medios peligrosos.

Rango de presión de trabajo de los tubos sin costura:
Los tubos de acero no se clasifican como "alta, media o baja presión", sino que sus valores nominales de presión aplicables se distinguen según las normas de material (como ASTM A106) y las series de espesores de pared de la cédula de tubería (como Sch40 y Sch80). Los tubos sin costura con la misma norma y especificaciones pueden utilizarse tanto para baja como para alta presión aumentando el espesor de pared.

En los estándares industriales, la clasificación de baja presión, presión media, alta presión y presión ultra alta varía según la industria y la aplicación (por ejemplo, 20 MPa se considera una presión convencional para sistemas hidráulicos, mientras que 0,4 MPa se considera una presión media para gasoductos urbanos).

Rangos de presión para aplicaciones comunes:

Los siguientes rangos de presión para aplicaciones comunes de tuberías de acero sin costura son solo de referencia y no deben utilizarse como sustituto de cálculos de diseño específicos.
Sistemas hidráulicos: 16 MPa - 40+ MPa;
Materiales comunes: 45#, 27SiMn, ST52.4
Características: Alta presión y diseño compacto. Utiliza tubería de precisión estirada en frío, lo que requiere alta limpieza y precisión, y requiere pruebas de fatiga por pulsos.

Fluidos/estructuras comunes: 1 MPa - 10 MPa
Materiales comunes: 20#, Q235B, A53 GR.B, A106 GR.B 
Características: Transporte o estructuras de soporte de baja presión para agua, gas, petróleo, etc. La presión se determina por el costo y el espesor de pared económico.

Calderas/Centrales Eléctricas: 4 MPa - 30+ MPa
Materiales Comunes: 20G, 15CrMoG, P91
Características: La temperatura es la variable principal. Calderas de media y baja presión (4-14 MPa), centrales eléctricas ultrasupercríticas (>25 MPa). Se deben cumplir las normas específicas para altas temperaturas.

Industria Petroquímica: 10 MPa - 20+ MPa
Materiales Comunes: 20#, 304, 316L, Acero Aleado
Características: Equilibra la presión, la temperatura y la corrosión del medio. Condiciones de operación extremadamente exigentes, como en unidades de hidrogenación.

Transporte por Oleoductos y Gasoductos: 8 MPa - 15+ MPa
Materiales Comunes: API 5L GR.B-X70
Características: Oleoductos de larga distancia. En este campo, se utilizan ampliamente tubos soldados con costura recta de alto rendimiento, no exclusivamente tubos sin costura.

GNC/GNL: 20 MPa - 25 MPa
Materiales comunes: X70, 304
Características: Almacenamiento y transporte en vehículos o estaciones. Requiere una tenacidad extremadamente alta a bajas temperaturas y resistencia a la fatiga.

Factores que afectan la presión de trabajo de las tuberías sin costura:

La presión de trabajo de las tuberías de acero sin costura depende de diversos factores, como el material, el espesor de pared, el diámetro, el proceso de fabricación y el entorno operativo. Las tuberías de acero al carbono sin costura convencionales pueden operar a presiones de hasta aproximadamente 20 MPa a temperatura ambiente, mientras que las tuberías de acero inoxidable sin costura, debido a su mayor resistencia, pueden tener una mayor capacidad de carga.

1. Material

El material de una tubería de acero sin costura influye de forma crucial en su capacidad de carga. Existen diferencias significativas en la capacidad de carga entre las tuberías de acero estructural al carbono, acero inoxidable y acero aleado sin costura. Por ejemplo, la tensión admisible del acero al carbono A53 y A106 es mucho menor que la del acero aleado P91. La tensión admisible se refiere a la tensión máxima que un material puede soportar a la temperatura de diseño, obtenida a partir de tablas en normas (como ASME B31.1).

2. Diámetro y espesor de pared

El diámetro y el espesor de pared de una tubería de acero sin costura también son factores importantes que determinan su capacidad de carga. Generalmente, con el mismo material, las tuberías de acero sin costura con diámetros más pequeños y paredes más gruesas presentan una mayor capacidad de carga. El espesor de pared es la variable más directa: cuanto más gruesa sea la pared, mayor será la presión que puede soportar. La capacidad de carga de las tuberías de acero sin costura debe calcularse utilizando el espesor de pared mínimo medido.

3. Proceso de fabricación
Proceso de fabricación: Las tuberías laminadas en caliente y las tuberías estiradas en frío tienen diferentes características de rendimiento.
Coeficiente de calidad: Para las tuberías de acero sin costura, debido a su integridad sin costura, el coeficiente de calidad se considera 1.0 en los cálculos estándar. Esta es una de sus principales ventajas sobre las tuberías soldadas (cuyo coeficiente suele ser inferior a 1.0).
Control de defectos: Las inclusiones internas, grietas y otros defectos reducen significativamente la capacidad real de carga.

4. Entorno operativo

Las condiciones ambientales en las que operan las tuberías de acero sin costura, como la temperatura, la humedad y los medios corrosivos, afectan su capacidad de carga. En entornos hostiles, la capacidad de carga de las tuberías de acero sin costura puede disminuir. Por lo tanto, es necesario abordar este problema aumentando las tolerancias de corrosión y seleccionando materiales resistentes al calor.
Normas de diseño: Normas como ASME B31.3 y GB/T 20801 especifican fórmulas de cálculo y factores de seguridad.

Comparación de las presiones de trabajo de tubos sin costura de diferentes materiales:

Tubos sin costura de acero al carbono ordinarios: La presión de trabajo a temperatura ambiente es de aproximadamente 20 MPa.
Tubos sin costura de acero inoxidable: Debido a la mayor resistencia del material, su capacidad de soportar presión es mayor. El valor específico debe determinarse en función de la situación real y de los datos técnicos proporcionados por el fabricante.

Clasificación y especificaciones de los tubos de acero sin costura:
En cuanto al proceso de fabricación, los tubos de acero sin costura se dividen en laminados en caliente y estirados en frío. Entre ellos, los tubos de acero sin costura laminados en caliente tienen costos de fabricación relativamente bajos y velocidades de producción más rápidas; los tubos de acero sin costura estirados en frío, debido a la mayor cantidad de procesos y a menores rendimientos, generalmente tienen costos más altos que los tubos laminados en caliente. Las especificaciones y dimensiones de los tubos de acero sin costura se determinan principalmente por dos parámetros: diámetro exterior y espesor de pared. Dependiendo de las diferentes especificaciones y dimensiones, se pueden seleccionar según los requisitos de la aplicación.

Cálculo de la capacidad de soporte de presión de tubos de acero sin costura:

Los tubos sin costura se utilizan ampliamente en el sector industrial, y su capacidad de soporte de presión es un indicador clave. En general, el rango de presión que soportan los tubos sin costura se encuentra entre 10 MPa y 80 MPa. Sin embargo, este rango es solo aproximado, y la capacidad de soporte de presión real debe evaluarse según las circunstancias específicas.

Fórmula de la capacidad de soporte de presión de los tubos de acero sin costura:

Donde:
- S: Tensión admisible del material a la temperatura de diseño (obtenida de las normas, unidad MPa).
- E: Coeficiente de calidad, tomado como 1,0 para tubos sin costura.
- W: Coeficiente de soldadura, tomado como 1,0 para tubos sin costura.
- t: Espesor mínimo de pared medido del tubo de acero (mm).
- C: Suma de las tolerancias por corrosión, desgaste, mecanizado, etc. (mm).
- D: Diámetro exterior del tubo de acero (mm).
- Y: Coeficiente de temperatura.

Cabe destacar que este es solo un método de estimación simple. La presión de soporte real puede verse afectada por muchos factores, como la calidad del tubo, la tecnología de procesamiento y el entorno de uso. Por lo tanto, en aplicaciones prácticas, es necesario realizar pruebas reales en tubos sin costura de diferentes especificaciones, materiales, procesos y entornos de uso, para poder obtener datos de presión de soporte más específicos. Estos datos son de gran importancia para seleccionar tubos sin costura adecuados y garantizar su seguridad en aplicaciones prácticas.

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