​Cálculo de estrés en líneas de PRFV: recomendaciones prácticas

El plástico reforzado con fibra de vidrio (PRFV o FRP por sus siglas en inglés) es un material composite con características muy distintas a los clásicos materiales metálicos empleados en la ingeniería. Se trata además un material poco conocido por los ingenieros, lo que plantea importantes dificultades a la hora de abordar un cálculo de estrés en las líneas de tubería construidas en este material.

El PRFV se caracteriza por unas propiedades mecánicas que dependen del tipo de fibras de refuerzo utilizadas en su fabricación y de la orientación de dichas fibras, lo que hace que sus propiedades no sean isótropas (iguales en todas las direcciones espaciales).

Hay que destacar que su módulo elástico es mucho más bajo que el del acero (uno o dos órdenes de magnitud menor según el procedimiento de fabricación y la dirección espacial considerada), de manera que sus deformaciones frente a una misma carga serán mayores. 

Además, su coeficiente de dilatación lineal es unas tres veces mayor que el del acero, por lo que sufre expansiones térmicas mucho mayores que los metales frente un mismo diferencial de temperatura.

Teniendo en cuenta todas las cuestiones anteriores, el cálculo de estrés y la soportación de las líneas de PRFV requieren un enfoque diferente al aplicado para las líneas de materiales metálicos, si se quiere sacar partido de sus particulares propiedades mecánicas.

En este artículo se tratarán de resumir las recomendaciones prácticas que se han de aplicar para realizar los cálculos de estrés y soportar correctamente las líneas fabricadas en este material.

Propiedades mecánicas y código de diseño

La primera cuestión que se debe tener en cuenta es la disponibilidad de datos de la tubería cuyo cálculo se pretende realizar. El fabricante de la tubería debe proporcionar las propiedades mecánicas requeridas para el cálculo, pero en función del tipo de cálculos o ensayos de resistencia que se hayan realizado sobre sus productos, dichos datos pueden ser diferentes.

Si el fabricante ha realizado ensayos a medio y largo plazo para homologar su producto, dispondrá de los valores de resistencia a largo plazo (20 años por lo general) y de las envolventes de esfuerzos (‘failure envelope’), lo que permite aplicar el código de diseño ISO 14692 [1]. 

Si no se han realizado estos ensayos a medio y largo plazo, el fabricante deberá proporcionar los datos de resistencia última del laminado y su módulo elástico tanto en dirección axial como circunferencial, que se validarán mediante ensayos de tracción y flexión a corto plazo. En este caso se deberá aplicar el código de diseño BS 7159 [2]que permite trabajar con estos datos validados a corto plazo.

Otra cuestión fundamental que se ha de tener en cuenta para el cálculo es la temperatura de diseño de la línea. Los ensayos de producto a medio y largo plazo conforme a la norma ISO 14692 [1] se realizan a la temperatura de diseño, pero sus resultados son válidos también para temperaturas inferiores. 

Si no se han realizado estos ensayos a medio y largo plazo y se va a aplicar la norma BS 7159 [2], por lo general el fabricante proporcionará las propiedades mecánicas a temperatura ambiente, por lo que se debe evaluar si dichas propiedades son válidas o no a la temperatura de diseño considerada. Cuando se utilizan resinas poliéster isoftálicas u ortoftálicas, el límite de uso de estas resinas se sitúa en torno a los 40 o 50 ºC, por lo que las propiedades mecánicas a temperatura ambiente son válidas para los cálculos de estrés.

Sin embargo, las resinas vinilester pueden utilizarse a temperaturas muy superiores, por lo que si la temperatura de diseño se sitúa por encima de 80 ºC las propiedades mecánicas a temperatura ambiente no serán válidas para el cálculo.

En estos casos se debe consultar con el fabricante de la tubería o con el proveedor de la resina, que nos deberán facilitar el factor de reducción que se debe aplicar sobre dichas propiedades para poder aplicarlas a la temperatura de diseño considerada.

En lo que se refiere al coeficiente de seguridad, el valor aplicado dependerá de nuevo del tipo propiedades mecánicas que se usen como punto de partida y del código de diseño. Cuando se aplican las propiedades mecánicas obtenidas a partir de los ensayos a medio y largo plazo, se pueden aplicar también los coeficientes de seguridad indicados en la norma ISO 14692 [1]. Si se utilizan propiedades validadas a corto plazo junto con el código de diseño BS 7159 [2], el coeficiente de seguridad mínimo que se recomienda es de 6, pero si las condiciones de ataque químico son severas o si la temperatura de diseño es elevada, se recomienda aumentar este coeficiente de seguridad hasta un valor de 8 e incluso de 10 si las condiciones de uso son extremas, o si se requiere una instalación muy robusta y fiable.

Por último, hay que destacar que cuando las tuberías se fabrican a partir de filamentos continuos de fibra de vidrio (sistema ‘filament winding’ puro o combinado con otras fibras de refuerzo), las propiedades mecánicas serán ortótropas. Es decir, serán distintas en dirección axial y circunferencial. 

Cuando se aplica la norma ISO 14692 [1] para el cálculo de estrés, el fabricante habrá proporcionado la envolvente de esfuerzos (‘failure envelope’), donde se representan gráficamente las combinaciones de tensiones axiales y circunferenciales máximas admisibles.

Esto nos permitirá verificar la resistencia de la tubería en todos los casos posibles. Cuando se aplica la norma BS 7159 [2], las tensiones axiales y circunferenciales se verifican de forma independiente, comparándolas con el valor máximo admisible aplicable en cada dirección. 

En este caso esta segunda norma recomienda que la deformación máxima en dirección axial no supere el 0,1 % si no se realiza un análisis biaxial detallado adicional, análisis que, cuando no se dispone de una envolvente de esfuerzos suministrada por el cliente, puede hacerse aplicando el criterio de resistencia de Tsai-Hill. 

Modelado de la tubería en el software de cálculo

Una vez que se dispone de las propiedades mecánicas de la tubería y se ha decidido el código de diseño que se va a aplicar, se puede comenzar el modelado de la tubería en el software de cálculo de estrés. 

Durante este proceso de modelado se deben tener en cuenta las siguientes cuestiones:

Las tuberías metálicas se clasifican mediante su diámetro nominal (que no corresponde al diámetro interior ni exterior) y su horario. Las tuberías de PRFV se clasifican mediante su diámetro nominal (que se corresponde con su diámetro interior) y su presión nominal, que determinará el espesor de pared y la secuencia de capas de laminado que se aplica para soportar dicha presión. 

Así, para el cálculo de estrés no se pueden utilizar ni los diámetros nominales ni los horario que el software de cálculo tiene normalmente almacenados para las tuberías metálicas.

Las tuberías de PRFV tienen siempre una anticorrosión interior o ‘liner’ de termoplástico y una capa de acabado exterior para protegerlas de la radiación solar. El peso propio de la tubería debe tener en cuenta el peso de ambas capas, pero sus espesores se deben considerar como un espesor de sacrificio (‘corrosion allowance’), que nunca se puede tener en cuenta para calcular las tensiones en la tubería.

El diámetro de tubería que se aplica en el programa de cálculo de stress se debe introducir manualmente y será igual a su diámetro exterior. El parámetro ‘corrosion allowance’ deberá ser igual a la suma del espesor de la anticorrosión interior más el de la capa de acabado.

Por lo general, los tramos de tubería rectos se fabrican aplicando el procedimiento de ‘filament winding’, pero los codos y reducciones se fabrican manualmente y con un espesor distinto al de los tramos rectos. Esto implica que las propiedades mecánicas de codos y reducciones son muy distintas a las de los tramos de tubería recta. 

Por lo tanto, para que el modelo de cálculo se ajuste a la realidad, los codos y reducciones se deben modelar de forma independiente, teniendo en cuenta sus propios espesores y propiedades mecánicas. Para modelar los codos será necesario que el fabricante nos proporcione sus avances, ya que dichos avances se deben corresponder con la longitud del elemento que se modelará en el software de cálculo.

Los injertos y tes de tubería con un diámetro pequeño comparado con el de la tubería sobre la que se instalan (diámetro ramal ≤ 0,25 x diámetro tubo principal) se pueden modelar de manera similar a los de tubería metálica, ya que se ejecutan de la misma forma, instalando un refuerzo alrededor del orificio que se hace en el tubo principal. 

Sin embargo, en líneas de PRFV este refuerzo se extiende también sobre una cierta longitud del ramal, por lo que este tramo del ramal se debe modelar de forma independiente para aplicarle el espesor y propiedades que le correspondan.

Los injertos y tes de tubería con un diámetro similar o igual al del tubo principal (diámetro ramal > 0,25 x diámetro tubo principal) se ejecutan de forma muy distinta a los de las tuberías metálicas. En este caso, se aplica un refuerzo que cubre toda la circunferencia del tubo principal a lo largo de la longitud correspondiente. Y ese refuerzo se extiende además sobre una cierta longitud del ramal. Al ser el espesor y propiedades de estas zonas reforzadas diferentes a los del resto de tubería, hay que modelar tanto el tramo reforzado sobre el tubo principal como el tramo reforzado en el ramal de forma independiente al resto de la línea.

Para las tes e injertos el software de cálculo calcula los factores de intensificación de tensiones (SIF) de forma automática, pero para evitar errores e imprecisiones es recomendable calcular dichos SIF manualmente y aplicar los valores obtenidos en el software.

Distribución y tipología de soportes sobre la línea

Una vez completado el modelo de la línea de tubería en el software, será necesario colocar los soportes necesarios, indicando además las restricciones al desplazamiento aplicables en cada uno de ellos, lo que determinará su tipología.

Para hacer esta distribución de soportes se deben seguir las siguientes recomendaciones:

Como ya se ha comentado antes, el PRFV tiene un módulo elástico muy bajo si se compara con los materiales metálicos, por lo que la deflexión entre soportes debida al peso propio de la tubería y su contenido será muy alta frente a una tubería similar de acero. Ello obliga a reducir la distancia entre soportes respecto a las tuberías metálicas. 

Se recomienda realizar un cálculo previo de la tubería considerándola como una viga biapoyada sometida a su peso propio y al peso del fluido contenido, para establecer la distancia máxima admisible entre soportes si el propio fabricante no nos ha proporcionado este dato. 

Por lo general se recomienda que la deflexión máxima entre soportes no supere ½ pulgada (12,5 mm).

El alto coeficiente de dilatación lineal del PRFV (tres veces mayor que el del acero) hace que experimente dilataciones importantes, pero su bajo módulo hace que las restricciones a la dilatación den lugar a tensiones bajas en la tubería. Aprovechando estas propiedades, los tramos rectos se pueden soportar por lo general anclando los extremos de dichos tramos (soporte tipo stop), para absorber toda la dilatación en forma de tensión de compresión entre dichos anclajes.

Este sistema permite por lo general que no sea necesaria la instalación de liras o juntas de expansión. Entre los anclajes se deben colocar soportes tipo guía para evitar los efectos del pandeo sobre la tubería y para que ésta mantenga su trayectoria recta.

Las concentraciones de tensiones que aparecen en los codos combinadas con la baja resistencia mecánica del PRFV hacen que sean un punto crítico en este tipo de líneas. Cuando los anclajes y guías están muy próximos a los codos rigidizan esta zona de la línea, lo que impide que se pueda aprovechar correctamente el bajo módulo elástico del PRFV y la flexibilidad que aportan los codos debido a su propia geometría. 

Por ello, es conveniente alejar al máximo posible los anclajes y guías de los codos, lo que minimizará las tensiones aplicadas sobre ellos. Cuando se ha de soportar la línea cerca de un codo, es preferible utilizar un soporte que solamente sostenga el peso de la tubería, pero que permita el libre desplazamiento de la línea para así minimizar las tensiones generadas en dicho codo.

En los tramos rectos verticales se recomienda instalar al menos un soporte al que se transfiera el peso de dicho tramo vertical. De esta forma se evitará transferir el peso de este tramo a los codos donde comienza y termina dicho tramo vertical.

La baja resistencia del PRFV hace que sea recomendable evitar la aplicación de cargas puntuales sobre la línea de tubería. 

Por este motivo los accesorios que se deban instalar en la tubería, tales como válvulas, caudalímetros, instrumentación, etc., se deben soportar de forma independiente (con un soporte propio para cada elemento), evitando así que se transfieran cargas puntuales a la tubería.

Otras recomendaciones

Además de las cuestiones comentadas anteriormente, el cálculo de estrés de las líneas de PRFV debe tener en cuenta otras consideraciones que en ocasiones no se pueden integrar en el software de cálculo.

Estas cuestiones se detallan a continuación:

Como se ha comentado antes, el PRFV tiene un módulo elástico muy bajo, por lo que la primera frecuencia natural de las tuberías de este material suele ser más baja que la de una línea similar de acero. 

Si la tubería se instala en zonas con fuertes rachas de viento se podrían producir fenómenos de inestabilidad y resonancia debido a las vibraciones provocadas por las turbulencias que aparecen en la zona a sotavento de la sección transversal de la tubería (turbulencias de Von Karmann). 

De forma general se pueden evitar estos fenómenos de resonancia soportando la tubería de manera que su primera frecuencia natural esté por encima de los 7 Hz, lo que se puede verificar con facilidad en los programas de cálculo de stress.

Los injertos de pequeño diámetro en las tuberías de PRFV soportan cargas muy pequeñas, por lo que no son recomendables si deben conectarse a válvulas, instrumentos o elementos similares que transfieran su peso a dicho injerto. 

Además. estos pequeños injertos son elementos muy sensibles, ya que se dañan con mucha facilidad si sufren golpes o cuando se aplican esfuerzos importantes para manipular una válvula o para apretar la tornillería en una unión bridada. Para evitar este problema se recomienda instalar injertos de mayor diámetro y a continuación instalar una reducción o un adaptador bridado que reducirá la sección de la tubería hasta el valor requerido.

Las tuberías de PRFV se soportan mediante patines y abrazaderas metálicas que no se pueden soldar a la tubería por tratarse de materiales diferentes. 

Para ejecutar un punto de anclaje o stop habrá que aplicar una banda de PRFV antes y después de cada abrazadera, que rodeará toda la circunferencia de la tubería. 

Estas bandas bloquearán los posibles desplazamientos del tubo respecto al soporte, y estarán adheridas a la superficie exterior del tubo, por lo que se deberá calcular su anchura mínima para que las tensiones tangenciales que se aplicarán en la unión tubo-banda no superen los valores máximos admisibles. De forma práctica la tensión tangencial última que se considera para calcular la anchura mínima de adherencia de estas bandas es de 7 N/mm².

Conclusiones

Para concluir, hay que destacar que un gran número de problemas en las líneas de tubería de PRFV provienen de una soportación incorrecta, que en muchas ocasiones da lugar a roturas, fugas o incluso fallos catastróficos de dichas líneas.

El respeto de las reglas comentadas anteriormente no solo facilita notablemente el cálculo de estrés de las líneas de tubería de PRFV, sino que elimina gran parte de los problemas asociados a su soportación, maximizando su vida útil con el consiguiente ahorro en costes de mantenimiento para el usuario de este tipo de líneas.

Formación al respecto

Destacamos el curso que ha programado Bequinor sobre cálculo de estrés de tuberías de PRFV, que tendrá lugar los próximos 27 y 28 de septiembre en el marco de su Aula Virtual.