​Cálculo de stress en líneas de termoplástico: recomendaciones prácticas

El uso de tuberías de termoplástico está muy extendido en la actualidad debido al bajo coste de estos materiales, especialmente PVC y polietileno, a su facilidad de instalación, sobre todo cuando se usan uniones emboquilladas (socket), y a su versatilidad, ya que incluso permiten su uso con fluidos muy corrosivos en los que el acero tendría una vida útil muy limitada.

Sin embargo, los termoplásticos tienen unas propiedades muy particulares si se comparan con los materiales metálicos, lo que puede ocasionar problemas importantes a la hora de soportarlos correctamente, y dificulta notablemente los cálculos de stress si no se dispone de las herramientas e información adecuadas.

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

Propiedades mecánicas de los termoplásticos

Aunque los termoplásticos son materiales isótropos al igual que los metales (mismas propiedades mecánicas en cualquier dirección), se pueden establecer cuatro grandes diferencias en el comportamiento de ambos tipos de materiales:

1. Los termoplásticos sufren un efecto de fluencia (creep) muy acusado que los metales solo sufren en condiciones muy particulares. Esta fluencia hace que la resistencia del termoplástico disminuya notablemente en el tiempo cuando se mantiene sometido a carga. La fluencia del material será tanto mayor cuanto mayor sea la temperatura de servicio y cuanto mayor sea el periodo del tiempo durante el que el material está sometido a carga.

se pueden establecer cuatro grandes diferencias en el comportamiento de ambos tipos de materiales

2. Los módulos elásticos de los termoplásticos son mucho más bajos que los de los metales (dos órdenes de magnitud a corto plazo por lo general), y además se ven también sometidos a los efectos de la fluencia, por lo que su valor disminuirá al someter al material a carga durante un periodo de tiempo. Al igual que ocurre con la resistencia esta disminución es tanto mayor cuanto mayor sean la temperatura y el tiempo de exposición a la carga.

3. El coeficiente de expansión térmica lineal de los termoplásticos es muy superior al de los metales (en general uno o dos órdenes de magnitud superior al del acero). Por lo tanto, ante una misma diferencia de temperatura, los termoplásticos sufrirán una expansión o contracción muy superior a la que sufriría una tubería metálica.

4. Cuando los termoplásticos están en contacto con algunos productos químicos, especialmente los disolventes orgánicos, se produce una absorción de dichos productos en su red cristalina, lo que degrada progresivamente el material y reduce su resistencia y módulo elástico. A este fenómeno se le llama en inglés “sweelling” y no se produce en los materiales metálicos.

Teniendo en cuenta las cuestiones anteriores, para poder hacer un cálculo de stress fiable en una línea de termoplástico habrá que tener en cuenta la reducción tanto de la resistencia como del módulo elástico que se producirá en el material a largo plazo, así como su elevado coeficiente de expansión térmica lineal. 

Los valores de resistencia y módulo elástico a largo plazo bajo las condiciones de diseño previstas se pueden obtener de los ábacos que incluye la norma DVS 2205-1 [1].

Cálculo simplificado de la soportación a través de normas o manuales de diseño

La distancia máxima recomendada entre soportes adyacentes para tuberías de termoplástico se puede obtener de las tablas y gráficos incluidos en los manuales de diseño que proporcionan los fabricantes de estas tuberías. 

Además, la norma DVS 2210-1 [2] también incluye tablas con la distancia máxima recomendada entre soportes para las tuberías de polietileno, polipropileno, PVC, CPVC y PVDF.

Las distancias entre codos y puntos de anclaje para compensar las dilataciones en los tramos rectos adyacentes y las dimensiones de las liras que se usan para compensar la expansión térmica en grandes tramos rectos, se pueden obtener a partir de los ábacos y tablas detallados en la norma DVS 2210-1 [2]. De esta forma es posible obtener la distribución de soportes de la mayor parte de líneas sencillas de tubería sin necesidad de realizar cálculos. 

Además esta misma norma incluye las fórmulas que permiten realizar de forma detallada estos cálculos, tomando como base la geometría de la línea y las propiedades mecánicas características del termoplástico a largo plazo.   

Cálculo de stress en tuberías de termoplástico mediante software de cálculo

Para llevar a cabo un cálculo detallado de stress de una línea de tubería de termoplástico, se debe comenzar preparando la siguiente información:

• Propiedades mecánicas de la tubería a largo plazo (coeficiente de expansión térmica, resistencia y módulo elástico), teniendo en cuenta la vida útil prevista para la línea. Estas propiedades se pueden obtener a partir de la norma DVS comentada anteriormente.  
• Coeficiente de seguridad a largo plazo. Su valor se puede calcular conforme a las fórmulas establecidas en la norma DVS 2205-1 [1].
• Espesores de pared y dimensiones de los accesorios. Esta información se puede obtener a partir de los catálogos de los fabricantes de este tipo de tuberías.

Una vez que se dispone de la información anterior, se debe establecer el código de diseño que se empleará para el cálculo. Dado que no existe un código de diseño específico para las líneas de termoplástico implementado en los programas de cálculo de stress habituales, la mejor opción será trabajar con la norma ASME B31.3 [3], aplicando los espesores y propiedades mecánicas que se han calculado y preparado previamente.  

Para el modelado de la línea en el software de cálculo es recomendable aplicar las siguientes cuestiones

Antes de comenzar el modelado de la línea, crear un material específico con las propiedades a largo plazo del termoplástico en cuestión (densidad, coeficiente de expansión térmica, resistencia y módulo), ya que los programas de cálculo de stress no incluyen en sus bases de datos las propiedades de los materiales termoplásticos.

El diámetro de tubería que se aplica para cada elemento se debe introducir manualmente y debe ser igual al diámetro exterior de cada tubo o accesorio.

El espesor total de pared debe introducirse manualmente conforme a los valores de catálogo de los tubos y accesorios que se pretende utilizar. El parámetro “corrosion allowance” puede ser igual a cero, salvo que se prevea dejar un espesor de sacrificio en caso de que se produzca, por ejemplo, un desgaste debido a la abrasión.  

para evitar errores e imprecisiones es recomendable calcular también dichos SIF 
manualmente y corregir los valores obtenidos en el software si fuese necesario

Por lo general los codos y reducciones de termoplástico tienen un espesor distinto a los tramos rectos de tubería, por lo que puede ser conveniente modelarlos de forma independiente. En los codos será necesario además que el fabricante nos proporcione sus avances y radios de curvatura, ya que dichos avances se deben corresponder con la longitud del elemento independiente que se modelará en el software de cálculo.

Los injertos hechos mediante un trozo de tubería soldado directamente al ramal principal pueden modelarse de forma similar a un injerto de tubería metálica, incluyendo el SIF correspondiente que dependerá de las dimensiones y espesores de tubería principal y ramal.

Las tés moldeadas suelen tener un espesor muy superior al del resto de la tubería, por lo que es conveniente modelarlas de forma independiente al resto de la línea. De esta forma el modelo se ajustará fielmente a la geometría y espesores reales de la línea de tubería.  

Para las tes, injertos y codos el software calculará los factores de intensificación de tensiones (SIF) de forma automática, conforme a las fórmulas del código de diseño considerado (ASME B31.3 [3] en este caso). Sin embargo, para evitar errores e imprecisiones es recomendable calcular también dichos SIF manualmente y corregir los valores obtenidos en el software si fuese necesario.

Distribución de soportes sobre la línea

Para completar el modelo de cálculo será necesario colocar los soportes previstos para la línea, indicando además las restricciones al desplazamiento aplicables en cada uno de ellos, lo que determinará su tipología. Las recomendaciones para llevar a cabo esta distribución de soportes se detallan a continuación:

Dado que los termoplásticos tienen un módulo elástico muy bajo comparado con los materiales metálicos, las flechas entre soportes debidas al peso propio de la tubería y al de su contenido pueden ser muy altas, lo que obliga a reducir notablemente la distancia entre soportes respecto a la empleada para tuberías metálicas. Como punto de partida para el modelo pueden utilizarse las distancias máximas entre soportes establecidas en la norma DVS 2210-1 [2]. Esta misma norma recomienda limitar la flecha máxima entre soportes a un valor entre L/500 y L/750, siendo L la distancia entre soportes adyacentes.

El elevado coeficiente de dilatación lineal de los termoplásticos hace que experimenten dilataciones y contracciones muy importantes, pero su bajo módulo elástico hace que las restricciones a la expansión térmica den lugar a tensiones bajas sobre la tubería. 

Por este motivo es posible soportar los tramos rectos de tubería anclando sus extremos (soporte tipo stop), de manera que toda la dilatación del tramo se transformará en un esfuerzo de compresión en el tramo comprendido entre ambos anclajes. Salvo que la distancia entre anclajes sea muy elevada, no será necesario instalar liras o juntas de expansión para absorber la expansión/contracción térmica de la tubería. Entre los dos puntos de anclaje será necesario instalar soportes tipo guía para evitar los efectos del pandeo por compresión y además limitar la flecha entre soportes.

Dado que los codos suelen ser puntos críticos en las líneas de termoplástico, se recomienda alejar al máximo posible los anclajes y guías de ellos, para así minimizar las tensiones a las que se ven sometidos. 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 en el plano horizontal, ya que de esta forma se minimizan las tensiones aplicadas sobre 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 todo el tramo al codo de la parte inferior.

La baja resistencia del termoplástico hace imprescindible evitar la aplicación de cargas puntuales sobre la línea de tubería. Por lo tanto, todos los accesorios que se instalen en la tubería, tales como válvulas, caudalímetros, instrumentación, etc., deben disponer de un soporte propio para evitar transferir su peso o esfuerzos a la línea.

Instalación de anclajes (soportes tipo stop)

Las tuberías de termoplástico se soportan mediante patines y abrazaderas metálicas que obviamente no se pueden soldar a la tubería por tratarse de materiales diferentes. Para ejecutar un punto de anclaje o “stop” habrá que soldar una banda del mismo termoplástico de la tubería tanto por delante como por detrás de la abrazadera. 

Esta banda deberá rodear toda la circunferencia de la tubería y bloqueará cualquier posible desplazamiento del tubo por el interior del soporte.

Conclusión

El desconocimiento de las particulares propiedades de los termoplásticos hace que en muchas ocasiones se soporten de forma incorrecta las tuberías de estos materiales, dando lugar con frecuencia a roturas y fugas. 

El correcto manejo de las normas de cálculo y manuales de diseño de los fabricantes de este tipo de tuberías permitirá instalar un sistema de soportación que saque partido al bajo módulo elástico de estos materiales y evite numerosos problemas durante la vida útil de la línea, lo que minimizará su coste de operación y mantenimiento.

Referencias bibliográficas

[1] – DVS 2205-1 - Calculation of tanks and apparatus made of thermoplastics - Characteristic values.

[2] – DVS 2210-1 - Industrial piping made of thermoplastics - Design and execution - Above-ground pipe systems - Description, requirements and assembly.

[3] – ASME B31.3 – Process piping.

Relacionado con la temática de este curso, Bequinor, con la colaboración de Ollearis, ha programado el Curso particularidades del cálculo de stress para tuberías de termoplástico que tendrá lugar los próximos 15 y 16 de marzo, dentro del aula virtual.