Expansión y soporte de tuberías

Cualquier sistema de vapor debe estar completamente soportado, capaz de expandirse durante la operación y lo suficientemente flexible para permitir el movimiento resultante. Este tutorial incluye asesoramiento sobre diferentes métodos y cálculos completos.

Allowance for expansion

All pipes will be installed at ambient temperature. Pipes carrying hot fluids such as water or steam operate at higher temperatures. It follows that they expand, especially in length, with an increase from ambient to working temperatures. This will create stress upon certain areas within the distribution system, such as pipe joints, which, in the extreme, could fracture. The amount of the expansion is readily calculated using Equation 10.4.1, or read from an appropriate chart such as Figure 10.4.1.

Example 10.4.1

A 30 m length of carbon steel pipe is to be used to transport steam at 4 bar g (152°C). If the pipe is installed at 10°C, determine the expansion using Equation 10.4.1.

Alternatively, the chart in Figure 10.4.1 can be used for finding the approximate expansion of a variety of steel pipe lengths - see Example 10.4.2 for explanation of use. Example 10.4.2 Using Figure 10.4.1. Find the approximate expansion from 15°C, of 100 metres of carbon steel pipework used to distribute steam at 265°C. Temperature difference is 265 - 15°C = 250°C. Where the diagonal temperature difference line of 250°C cuts the horizontal pipe length line at 100 m, drop a vertical line down. For this example an approximate expansion of 330 mm is indicated.

Flexibilidad de las tuberías El sistema de tuberías debe ser lo suficientemente flexible para acomodar los movimientos de los componentes a medida que se expanden. En muchos casos, la flexibilidad del sistema de tuberías, debido a la longitud de la tubería y el número de codos y soportes, significa que no se imponen tensiones indebidas. Sin embargo, en otras instalaciones, será necesario incorporar algún medio para lograr la flexibilidad requerida. Un ejemplo en un sistema de vapor típico es la descarga de condensado de un purgador de la línea principal de vapor a la línea de retorno de condensado que corre a lo largo de la línea de vapor (Figura 10.4.2). Aquí, la diferencia entre las expansiones de los dos sistemas de tuberías debe tenerse en cuenta. La línea principal de vapor operará a una temperatura más alta que la de la línea principal de condensado, y los dos puntos de conexión se moverán relativamente entre sí durante el calentamiento del sistema.

La cantidad de movimiento que debe ser absorbido por la tubería y cualquier dispositivo incorporado en ella puede reducirse mediante el ‘tirado en frío’. Primero se calcula la cantidad total de expansión para cada sección entre puntos de anclaje fijos. Las tuberías se dejan cortas en la mitad de esta cantidad, y se estiran en frío apretando los pernos en una unión bridad, de modo que a temperatura ambiente, el sistema está tensionado en una dirección.

Cuando se calienta a la mitad del aumento total de temperatura, la tubería no está tensionada. A la temperatura de trabajo y habiéndose expandido completamente, la tubería está tensionada en la dirección opuesta. El efecto es que en lugar de estar tensionada de 0 F a +1 F unidades de fuerza, la tubería está tensionada de -½ F a + ½ F unidades de fuerza.

En términos prácticos, las tuberías se ensamblan en frío con una pieza espaciadora, de longitud igual a la mitad de la expansión, entre dos bridas. Cuando las tuberías están completamente instaladas y ancladas en ambos extremos, se retira el espaciador y la unión se aprieta firmemente (véase la Figura 10.4.3).

La parte restante de la expansión, si no es absorbida por la flexibilidad natural de las tuberías, requerirá el uso de un accesorio de expansión.

En la práctica, la expansión y soporte de tuberías pueden clasificarse en tres áreas como se muestra en la Figura 10.4.4.

Los puntos fijos o de ‘anclaje’ ‘A’ proporcionan una posición de referencia a partir de la cual se produce la expansión.

Los puntos de soporte deslizante ‘B’ permiten el movimiento libre para la expansión de las tuberías, manteniendo la alineación de la tubería. El dispositivo de expansión en el punto ‘C’ es para acomodar la expansión y contracción de la tubería.

Los soportes de rodillos (Figuras 10.4.5 y 10.4.6) son métodos ideales para soportar tuberías, permitiendo al mismo tiempo que se muevan en dos direcciones. Para tuberías de acero, los rodillos deben fabricarse de material ferroso. Para tuberías de cobre, deben fabricarse de material no ferroso. Es buena práctica que las tuberías soportadas sobre rodillos se equipen con una silla de tubería atornillada a un soporte a distancias no superiores a 6 metros para mantener las tuberías alineadas durante cualquier expansión y contracción.

Cuando dos tuberías deben soportarse una debajo de la otra, es mala práctica soportar la tubería inferior desde la superior usando una abrazadera. Esto causará tensión adicional en la tubería superior cuyo espesor se ha dimensionado para soportar solo la tensión de su presión de trabajo. Todos los soportes de tuberías deben diseñarse específicamente para adaptarse al diámetro exterior de la tubería correspondiente.

Accesorios de expansión

El accesorio de expansión (‘C’ Figura 10.4.4) es un método para acomodar la expansión. Estos accesorios se colocan dentro de una línea y están diseñados para acomodar la expansión, sin que la longitud total de la línea cambie. Se les llama comúnmente fuelles de expansión, debido a la construcción de fuelle del manguito de expansión. Otros accesorios de expansión pueden fabricarse a partir de las propias tuberías. Esta puede ser una forma más económica de resolver el problema, pero se necesita más espacio para acomodar la tubería.

Bucle completo Esto es simplemente una vuelta completa de la tubería y, en tuberías de vapor, preferiblemente debe instalarse en posición horizontal en lugar de vertical para evitar que el condensado se acumule en el lado aguas arriba. El lado aguas abajo pasa por debajo del lado aguas arriba y se debe tener mucho cuidado de no instalarlo al revés, ya que el condensado puede acumularse en el fondo. Cuando los bucles completos van a instalarse en un espacio reducido, se debe tener cuidado de especificar que no se suministren bucles de mano equivocada. El bucle completo no produce una fuerza opuesta a la tubería en expansión como en otros tipos, pero con presión de vapor dentro del bucle, hay una ligera tendencia a desenroscarse, lo que ejerce una tensión adicional sobre las bridas.

Este diseño se usa raramente hoy en día debido al espacio que ocupan las tuberías, y los fuelles de expansión propietarios están ahora más disponibles. Sin embargo, los grandes usuarios de vapor como centrales eléctricas o establecimientos con grandes sistemas de distribución exterior todavía tienden a usar dispositivos de expansión tipo bucle completo, ya que generalmente hay espacio disponible y el coste es relativamente bajo.

Bucle en herradura o en lira Cuando hay espacio disponible, este tipo se usa a veces. Es mejor instalarlo horizontalmente para que el bucle y la línea principal estén en el mismo plano. La presión no tiende a separar los extremos del bucle, pero hay un efecto muy leve de enderezado. Esto se debe al diseño pero no causa desalineación de las bridas. Si alguna de estas disposiciones se instala con el bucle verticalmente por encima de la tubería, entonces se debe proporcionar un punto de drenaje en el lado aguas arriba como se muestra en la Figura 10.4.8.

Bucles de expansión

El bucle de expansión puede fabricarse a partir de tramos de tuberías rectas y codos soldados en las juntas (Figura 10.4.9). Una indicación de la expansión de tubería que puede ser acomodada por estos conjuntos se muestra en la Figura 10.4.10.

Se puede ver en la Figura 10.4.9 que la profundidad del bucle debe ser el doble del ancho, y el ancho se determina a partir de la Figura 10.4.10, conociendo la cantidad total de expansión esperada de las tuberías a ambos lados del bucle.

Juntas deslizantes A veces se usan porque ocupan poco espacio, pero es esencial que la tubería esté rígidamente anclada y guiada estrictamente de acuerdo con las instrucciones del fabricante; de lo contrario, la presión del vapor que actúa sobre el área de la sección transversal de la parte del manguito de la junta tiende a separar la junta en oposición a las fuerzas producidas por la tubería en expansión (véase la Figura 10.4.11). La desalineación hará que el manguito deslizante se doble, y puede ser necesario el mantenimiento regular del empaque de la prensaestopas.

Fuelles de expansión Un fuelle de expansión, Figuras 10.4.12, tiene la ventaja de que no requiere empaque (como el tipo de junta deslizante). Pero tiene las mismas desventajas que la junta deslizante en que la presión interior tiende a extender el accesorio, por lo tanto, los anclajes y guías deben poder soportar esta fuerza.

Los fuelles pueden incorporar varillas limitadoras, que limitan la sobrecompresión y sobreextensión del elemento. Estas pueden tener poca función bajo condiciones normales de operación, ya que la mayoría de los conjuntos simples de fuelles pueden soportar pequeños movimientos laterales y angulares. Sin embargo, en caso de fallo del anclaje, actúan como tirantes y contienen las fuerzas de empuje de presión, previniendo daños a la unidad mientras se reduce la posibilidad de daños adicionales a tuberías, equipos y personal (Figura 10.4.13 (b)).

Donde se esperan fuerzas mayores, alguna forma de refuerzo mecánico adicional debe incorporarse al dispositivo, como barras de soporte articuladas (Figura 10.4.13 (c)). Invariablemente hay más de una forma de acomodar el movimiento relativo entre dos tuberías desplazadas lateralmente dependiendo de las posiciones relativas de los anclajes y guías de los fuelles. En términos de preferencia, el desplazamiento axial es mejor que el angular, que a su vez es mejor que el lateral. El movimiento angular y lateral debe evitarse siempre que sea posible. La Figura 10.4.13 (a), (b) y (c) dan una indicación aproximada de los efectos de estos movimientos, pero, bajo todas las circunstancias, se recomienda encarecidamente buscar asesoramiento experto del fabricante de fuelles con respecto a cualquier instalación de fuelles de expansión.

Espaciado de soportes de tuberías

La frecuencia de los soportes de tuberías variará según el diámetro interior de la tubería; el material real de la tubería (es decir, acero o cobre); y si la tubería es horizontal o vertical.

Algunos puntos prácticos dignos de consideración son los siguientes:

• Los soportes de tuberías deben proporcionarse a intervalos no mayores que los mostrados en la Tabla 10.4.3, y discurrir a lo largo de aquellas partes de edificios y estructuras donde se puedan montar soportes apropiados.
• Cuando dos o más tuberías se soportan en un soporte común, el espaciado entre los soportes debe ser el de la tubería más pequeña.
• Cuando se produzca un movimiento apreciable, es decir, cuando las tuberías rectas tengan más de 15 metros de longitud, los soportes deben ser del tipo de rodillo como se describió anteriormente.
• Las tuberías verticales deben soportarse adecuadamente en la base, para soportar el peso total de la tubería vertical y el fluido dentro de ella. Las derivaciones de tuberías verticales no deben usarse como medio de soporte de la tubería, porque esto ejercerá tensión indebida sobre la unión en T.
• Todos los soportes de tuberías deben diseñarse específicamente para adaptarse al diámetro exterior de la tubería correspondiente. El uso de soportes de tubería sobredimensionados no es una buena práctica. La Tabla 10.4.3 puede usarse como guía al calcular la distancia entre soportes de tuberías para tuberías de acero y cobre.

El tema de los soportes de tuberías se cubre de manera exhaustiva en la norma europea EN 13480, Parte 3.