Preparación de especificaciones técnicas para equipos y tuberías de PRFV

Las especificaciones técnicas son el punto de partida de cualquier proyecto industrial, por lo que prepararlas adecuadamente garantizará un resultado satisfactorio y adaptado a nuestras necesidades. 

Este artículo analiza las relativas al equipamiento fabricado con plástico reforzado con fibra de vidrio (PRFV), si bien antes os informamos de la próxima celebración del Curso diseño, fabricación, control de calidad e inspección de equipos y tuberías de PRFV organizado por Bequinor para el próximo 12 de marzo en Madrid.

La preparación de las especificaciones técnicas para equipamiento metálico o de hormigón armado resulta relativamente sencillo, dado que estos materiales son ampliamente estudiados en las escuelas de ingeniería y hay mucha documentación disponible sobre estos materiales. 

Sin embargo, para equipamiento fabricado con plástico reforzado con fibra de vidrio (PRFV) la tarea se complica notablemente al tratarse de materiales muy desconocidos entre los ingenieros y la información disponible sobre los mismos es más escasa y difícil de localizar.

Teniendo en cuenta las cuestiones anteriores, resulta fundamental conocer las cuestiones críticas que se han de considerar para preparar correctamente las especificaciones técnicas para el equipamiento de PRFV, así como la información que se ha de proporcionar a los fabricantes para que suministren finalmente el producto requerido.

Elección de las materias primas

La primera cuestión crítica que deben recoger unas especificaciones técnicas para equipos y tuberías de PRFV es la elección de las materias primas que se deben utilizar para su fabricación, especialmente en lo que se refiere a la resina. Los datos de partida requeridos para elegir correctamente estos materiales se detallan a continuación.

- Composición química del fluido
La resina que se utilizará para fabricar el composite (PRFV) debe ser compatible con los fluidos contenidos en los equipos o tuberías. Los fabricantes de resinas disponen habitualmente de guías de corrosión [1] que permiten verificar la compatibilidad entre una amplia lista de fluidos y mezclas y los diferentes tipos de resina. 

En algunos casos el fluido puede resultar tan agresivo que no exista ningún tipo de resina que pueda contenerlo con garantías de seguridad o con una vida útil suficientemente larga. 

En esos casos será necesario utilizar una anticorrosión interior (liner) de termoplástico para garantizar la resistencia del equipo frente al ataque químico del fluido. Al igual que ocurre con los proveedores de resina, los fabricantes de termoplástico también disponen de guías de corrosión [2] que nos ayudan a seleccionar el tipo de termoplástico que mejor se ajusta a nuestras necesidades.

- Temperatura de servicio
La compatibilidad entre un tipo de resina o termoplástico y un fluido concreto es adecuada solamente hasta una temperatura máxima límite, que se indica en las guías de corrosión [1] [2] de estos materiales. 

Por lo tanto, es fundamental verificar que la resina o el termoplástico son compatibles con el fluido contenido a la temperatura máxima de servicio prevista. En caso de que la temperatura de servicio sea superior a la máxima admisible para las materias primas previstas, será necesario seleccionar una resina o termoplástico más resistente a dicha temperatura.

- Rango de temperatura máxima y mínima
El rango de temperaturas entre la máxima y la mínima que se pueden alcanzar en condiciones de servicio, así como el número de ciclos con cambios de temperatura que está previsto aplicar sobre el equipo, nos proporcionará información sobre los posibles fenómenos de estrés térmico a los que se someterá a dicho equipo. 

Si hay cambios bruscos de temperatura o muchos ciclos de carga térmica, será importante seleccionar una resina con la mayor flexibilidad posible; es decir, cuya deformación a ruptura sea lo más elevada posible. 

Esta mayor flexibilidad permitirá reducir el riesgo de fisuración de la capa anticorrosión debido al estrés térmico, aumentando la vida útil del equipo o tubería.

- Estado físico del fluido
El estado físico del fluido influye considerablemente en el tipo de ataque que se produce sobre la capa anticorrosión interior. Por lo general, los fluidos en estado líquido dan lugar a un ataque más fuerte y uniforme sobre la capa anticorrosión. Sin embargo, para gases es necesario prever que se pueden producir condensaciones sobre las paredes. Si los gases contienen productos agresivos, su concentración en los puntos de condensación puede ser muy elevada, lo que puede dar lugar a un fuerte ataque químico que puede llegar a dañar la capa anticorrosión, de manera que habrá que utilizar resinas o termoplásticos que soporten este ataque.

- Sólidos en suspensión y velocidad de circulación del fluido
Los sólidos en suspensión pueden provocar problemas de abrasión, especialmente en las tuberías. La gravedad de estos problemas es directamente proporcional a las siguientes cuestiones:
• Concentración de partículas sólidas en suspensión.
• Dureza de las partículas sólidas en suspensión.
• Velocidad de circulación del fluido.
• Brusquedad de los cambios de geometría en la tubería.

Cuando se prevén problemas de abrasión, será necesario seleccionar una resina o termoplástico para la capa anticorrosión lo más flexible posible (deformación a rotura lo más elevada posible). Para las resinas se recomienda además añadir aditivos que mejoren su dureza superficial, tales como la alúmina calcinada o el carburo de sílice.

- Conductividad eléctrica
En ocasiones los equipos o tuberías contienen fluidos con riesgo de inflamación o se instalan en lugares con riesgo de explosión si se acumula electricidad estática. 

El PRFV es un material aislante de la electricidad, por lo que en estos casos hay que tomar medidas especiales para que la superficie interior y/o exterior de los equipos sea conductiva. 

Para que estas superficies sean conductoras de la electricidad, será necesario añadir grafito en polvo en la resina de las capas exteriores o bien aplicar un velo de carbono en dichas superficies. Además de estas superficies conductoras, será necesario instalar un elemento metálico que se conectará a la puesta a tierra para eliminar las cargas electrostáticas

- Resistencia al fuego
El PRFV es un material inflamable, pero se puede conseguir que resista frente a la llama durante un tiempo determinado. La forma más simple de retardar la acción de la llama es aumentar la proporción de fibra de vidrio frente a la de resina en las superficies expuestas a la llama, pero para mejorar de forma notable esta resistencia se utilizan resinas especiales a las que normalmente se añaden halógenos en su formulación. 

Esta resistencia también se puede mejorar mediante aditivos tales como el trióxido de antimonio o el trihidrato de alúmina, que se mezclan con la resina para retardar el momento en que el laminado comienza a arder cuando está sometido a la llama.

Cargas y solicitaciones aplicadas sobre las tuberías

Las especificaciones técnicas de las tuberías de PRFV deben detallar las cargas y solicitaciones que se aplican sobre las tuberías para su diseño. Estas cargas se pueden dividir en dos grupos:

- Cargas a largo plazo
Se trata de cargas que se aplican durante periodos de tiempo muy largos o incluso a lo largo de toda la vida útil de la tubería. 

Entre las más importantes que se deben tener en cuenta para el cálculo se encuentran las siguientes:
• Presión máxima de servicio.
• Vacío o presión exterior de servicio (atención a las tuberías sumergidas que puedan encontrarse vacías).
• Cargas de enterramiento, correspondientes al peso del terreno en tuberías enterradas.
• Peso propio de la tubería, ya sea con la tubería vacía o llena de fluido.
• Peso de elementos conectados a la tubería, tales como válvulas, caudalímetros, instrumentación, etc.
• Cargas debidas a las restricciones a la expansión térmica de la tubería cuando se encuentra en servicio.

- Cargas a corto plazo
Estas cargas se aplican durante periodos cortos de tiempo y de forma discontinua durante la vida útil de la tubería. 

Las que se han de tener en cuenta de forma típica se detallan a continuación:
• Presión de prueba hidrostática.
• Golpes de ariete, debidos habitualmente al cierre o apertura brusca de válvulas.
• Cargas debidas al paso de tráfico rodado sobre tuberías enterradas.
• Cargas de viento.
• Cargas sísmicas.
• Cargas de nieve.

Todas estas cargas deberán tenerse en cuenta en el cálculo de las tuberías, especialmente en los cálculos de stress.

Otras recomendaciones para las especificaciones técnicas de la tubería de PRFV

Aparte de los temas ya comentados, las especificaciones de una tubería de PRFV deben incluir las siguientes cuestiones:

• Conforme a lo indicado en las guías de corrosión [1] de los fabricantes de resina, las tuberías que vayan a contener ciertos fluidos deberán ser sometidas a un post-curado para garantizar la vida útil de las mismas.
• Ciertos fluidos atacan a las sales metálicas (octoato de cobalto, por ejemplo) que se usan habitualmente para polimerizar la resina. En estos casos el sistema de catálisis deberá hacerse utilizando como promotor el peróxido de benzoilo (BPO) y como acelerador la dimetilanilina (DMA). Los fluidos para los que se recomiendan estos sistemas de catálisis se detallan en las guías de corrosión [1] de los fabricantes de resinas.
• Algunos fluidos tales como el ácido fluorhídrico atacan a la fibra de vidrio, por lo que no se pueden utilizar velos de este material en la capa anticorrosión, siendo necesario reemplazarlos por velos sintéticos. De nuevo las recomendaciones sobre este tema se encuentran en las guías de corrosión [1] de los fabricantes de resina.
• Los ácidos fuertes también degradan considerablemente la fibra de vidrio convencional (vidrio tipo “E”), por lo que en estos casos en la capa interior anticorrosión se recomienda utilizar capas de chopped strand mat de vidrio “ECR” (libre de Boro), que es más resistente frente a los ácidos. Como en los puntos anteriores, las guías de corrosión [1] nos indicarán los casos en los que se ha de usar este tipo de vidrio.
• Las especificaciones técnicas deberán incluir también los materiales recomendados para las juntas y la tornillería, que deberán ser resistentes a los fluidos y temperaturas previstos.
• Se debe indicar también si las válvulas y accesorios bridados que se instalarán en la tubería van equipados de portabridas y bridas locas o de bridas fijas, además del estándar que determina sus dimensiones (EN 1092-1 [5], ASME B16.5 [6], etc.). En caso de usarse brida fija, se debe indicar si la cara de la misma es completamente plana (flat face) o con resalte (raised face). Estas cuestiones determinarán si se deberán instalar bridas fijas de PRFV sobre la tubería o si se han de reemplazar por portabridas de PRFV con bridas locas. Si se utilizan bridas locas, se deberá indicar también el material del que deben ser construidas.
• En tuberías con una temperatura de servicio relativamente elevada (por encima de los 60 ºC) es recomendable realizar un cálculo de estrés detallado utilizando un software específico para este propósito. Este cálculo permitirá determinar la posición y el tipo de soportes que se han de instalar, así como las reacciones que estos soportes transmiten a las estructuras.
• En las conexiones de las tuberías con las bombas, es necesario instalar juntas de expansión que eviten la transmisión de vibraciones a las tuberías de PRFV, ya que este material es sensible a las cargas cíclicas y a la fatiga.
• Si las tuberías están muy expuestas al viento, será necesario verificar los efectos dinámicos de las rachas de viento y los posibles efectos de resonancia que puedan provocar sobre las tuberías.

Recomendaciones específicas para tubería de PRFV enterrada con uniones emboquilladas

Este tipo de tubería se instala con uniones en las que se encaja una parte macho (espiga) con otra parte hembra (campana) disponiendo esta unión de una o dos juntas tóricas para conseguir la estanqueidad. 

Los elementos de unión pueden estar incorporados en los extremos del propio tubo o estar instalados en un manguito de unión independiente (junta “Arpol”). Dado que no hay un enlace mecánico entre ambas piezas, se deben seguir varias recomendaciones que deben ser detalladas en la especificación técnica:

• En los cambios de dirección (codos), injertos, reducciones y otros cambios de sección se deberá instalar un bloque de hormigón que compense mediante la fricción con el terreno el empuje que la presión genera en estos elementos, ya que este empuje tiende a desencajar las uniones emboquilladas. Las recomendaciones para el cálculo e instalación de este tipo de bloques se pueden ver en las normas UNE-CEN/TR 1046 [3] y AWWA M45 [4].

• En los puntos de entrada y salida de la tubería enterrada de estos bloques de hormigón, la tubería de PRFV debe ser envuelta con una lámina de elastómero para protegerla de posibles fisuras. Además, dado que el peso del hormigón es superior al de la tubería, se pueden producir asientos diferenciales en el terreno que pueden dañar los tubos y desencajar sus uniones. Para evitar los efectos negativos de estos asientos diferenciales es necesario instalar manguitos cortos de unión entre la parte de la tubería encastrada en el bloque de hormigón y la parte enterrada directamente en el terreno, que actúan a modo de articulaciones en la tubería. De nuevo los detalles de estos manguitos se pueden ver en la norma UNE-CEN/TR 1046 [4].

Cargas y solicitaciones aplicadas sobre los tanques y equipos de PRFV

Al igual que sucede con las tuberías, las especificaciones técnicas de los equipos de PRFV deben detallar las cargas a corto y largo plazo que se han de considerar para su diseño.

- Cargas a largo plazo
Las cargas típicas que se deben considerar aplicadas a largo plazo sobre los equipos son las siguientes:
• Presión máxima de servicio.
• Vacío o presión exterior de servicio (atención a los tanques de doble pared con sistema de detección de fugas).
• Cargas de enterramiento (peso del terreno en tanques enterrados).
• Peso propio del equipo.
• Cargas debidas a las restricciones a la libre expansión térmica del equipo si las hubiera.

Otras cargas típicas a largo plazo que se aplican en función de los accesorios de los que disponga el equipo se detallan a continuación:
• Peso de escaleras, plataformas, tuberías o cualquier otro elemento soportado sobre el equipo.
• Peso de parrillas de soporte, rellenos, platos distribuidores, etc. en columnas de lavado.
• Peso de los filtros de mangas y las placas en las que se soportan en los equipos de filtrado.
• En equipos con agitación, peso del agitador (impeller), motor, reductor, estructuras soporte, etc. En estos equipos se deberá tener también en cuenta el par de torsión que el motor que mueve el agitador puede transmitir al equipo. Para este tipo de equipos, se deberá verificar también que la rotación del agitador no provoca vibraciones torsionales que puedan dar lugar a efectos de resonancia, ya que estos efectos podrían dañar el equipo.

- Cargas a corto plazo
Las cargas típicas a corto plazo que se deben considerar para los equipos de PRFV se detallan a continuación:
• Presión de prueba hidrostática.
• Cargas de viento (para equipos instalados al aire libre).
• Cargas sísmicas (en función de lo indicado en las normas nacionales para el cálculo de cargas de este tipo sobre edificios, que en España es la NCSR 2002 [7]). El efecto de las cargas sísmicas deberá tener en cuenta los efectos de un terremoto sobre el contenido líquido de los equipos (ver Eurocódigo 8, parte 4 [8]).
• Cargas de nieve (para equipos instalados al aire libre).
• Peso del personal que trabaje o transite sobre los equipos para realizar tareas de mantenimiento u operación de la planta.
• Cargas debidas a la manipulación, el transporte y el montaje de los equipos.

Añadir por último que para equipos muy esbeltos (relación entre altura y diámetro elevada), tales como las chimeneas, y que estén expuestos al viento es necesario exigir que se estudien los efectos dinámicos del viento sobre el equipo, ya que se pueden producir inestabilidades debidas al acoplamiento de las turbulencias generadas por el viento cuando pasa alrededor del equipo (efecto Von Karmann) con la frecuencia natural del mismo. 

Este tipo de fenómenos de resonancia pueden dar lugar al colapso casi inmediato del equipo, por lo que se deben tener en cuenta en estos casos.

Otras recomendaciones para las especificaciones técnicas de los equipos de PRFV

Las recomendaciones referidas al post-curado, al sistema de catálisis de la resina, y al tipo de fibra de vidrio que se ha de usar en la capa anticorrosión son comunes con las tuberías, por lo que no es necesario enumerarlas de nuevo. Sin embargo, las especificaciones técnicas de los equipos de PRFV deben tener en cuenta las siguientes cuestiones:

• Para las juntas y los tornillos, se debe establecer el material del que tienen que fabricarse, que deberá ser compatible con los fluidos contenidos en el equipo.

• Se indicará si las válvulas y accesorios bridados que se instalarán sobre el equipo dispondrán de portabridas y bridas locas o irán equipados con bridas fijas, además del estándar que determina sus dimensiones (EN 1092-1 [5], ASME B16.5 [6], etc.). En caso de usarse bridas fijas, se debe indicar si la cara de las mismas es completamente plana (flat face) o con resalte (raised face). 

Estas cuestiones determinarán si se deberán instalar bridas fijas de PRFV o portabridas de PRFV con bridas locas sobre las tubuladuras del equipo. Si se utilizan bridas locas, se deberá indicar también el material del que deben ser construidas.

• Para los equipos sometidos a presión interior o vacío, se deben evitar los fondos planos totalmente apoyados, ya que requieren de un espesor muy elevado que aumentará su coste. En estos casos es preferible reemplazar el fondo plano por un fondo bombeado, y soportar el equipo sobre patas o sobre un faldón.
• Para los equipos soportados sobre patas, dichas patas no deberán estar fijadas directamente al equipo, ya que transferirían importantes cargas locales al mismo que podrían dañarlo. En estos casos es preferible utilizar un cinturón de acero desmontable adosado al equipo y atornillar las patas a dicho cinturón.
• Se deberá exigir un cálculo del sistema de anclaje del equipo y de las cargas transferidas por el mismo a la cimentación o a sus patas soporte. Estos datos permitirán calcular correctamente la losa de hormigón o la estructura metálica sobre la que se soportará el equipo.
• En equipos esbeltos, es muy recomendable instalar guías soporte a diferentes alturas para reducir los espesores de laminado necesarios para soportar las cargas y, por lo tanto, el coste del equipo. Estas guías deberán estar soportadas por estructuras completamente independientes del equipo.

Recordamos que directamente relacionado con esta temática, Bequinor ha programado el Curso diseño, fabricación, control de calidad e inspección de equipos y tuberías de PRFV, que tendrá lugar los próximos 15, 16 y 17 de septiembre en su Aula Virtual.