Los sistemas de tuberías son parte fundamental de cualquier tipo de planta industrial, siendo vitales para el transporte de fluidos para plantas petroquímicas, industrias petroleras y de gas, farmacéuticas y casi cualquier tipo de producción industrial.
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| Sistema de tuberías industriales. Imagen de youtube |
Muchas veces, los sistemas de tuberías, así como su diseño y dimensionamiento, suelen ser vistos como una aplicación simple de la ingeniería química o mecánica, sin embargo, la realidad dista mucho de esta perspectiva, ya que suelen ser bastante complejos, debido a que se requiere que este diseño cumpla con los requisitos necesarios para el transporte del fluido a transportar y mantener a su vez, la integridad de la presión dentro del sistema de tuberías.
Otro punto a tomar en cuenta, es la selección del material de ingeniería idóneo para el sistema de transporte de fluidos (sistema de tuberías). Dicha selección dependerá directamente de las características del fluido a transportar y de las condiciones ambientales a las cuales estarán expuestos los sistemas de tuberías. En este artículo, describiremos algunos cálculos esenciales de diseño para el dimensionamiento de sistemas de tuberías.
Cálculos esenciales y algunas consideraciones para el dimensionamiento de sistemas de tuberías
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| El dimensionamiento de sistemas de tuberías está a cargo del ingeniero. Imagen de computerconsulting |
Cuando se trabaja en diseño de tuberías y dimensionamiento de sistemas de tuberías, hay que tener en cuenta el diámetro interno y el grosor de las paredes de la tubería. Esta información es de gran importancia para poder realizar un dimensionamiento adecuado y eficiente del sistema de tuberías que se requiere diseñar y aplicar en una planta industrial.
Diámetro interno de la tubería
El diámetro interno de una tubería es un dato muy importante que nos permitirá realizar los cálculos esenciales para el dimensionamiento de un sistema de tuberías. Podemos decir, que el diámetro interno ideal de una tubería va a depender directamente de la cantidad de fluido que vamos a suministrar a la tubería, al sistema de tuberías, o a la cantidad de fluido que deseemos transportar. Para estimar el diámetro interno de una tubería podemos utilizar el siguiente modelo matemático:
Donde:
- di: Diámetro interno de la tubería en metros (m)
- Q: Caudal o rata de fluido en metros cúbicos por minuto (m3/min)
- V: Velocidad del fluido en metros por minuto (m/min)
Como podemos notar, se trata de una ecuación simple que nos va a permitir estimar el diámetro de una tubería, siempre y cuando, tengamos presente el caudal del flujo a transportar y la velocidad promedio que va a tener el fluido dentro de la tubería.
Para visualizar mejor la expresión matemática descrita, veremos un ejemplo sencillo.
Ejemplo 1:
Supongamos que vamos a utilizar una tubería de acero dulce para realizar el transporte de 50 m3/min de vapor de agua, consideremos que la velocidad esperada del vapor sea 1600 m/min. Estimar el diámetro interno ideal para esta tubería.
Solución
Como conocemos todas las variables de la expresión matemática, sustituimos cada una de ellas dentro de la raíz cuadrada de la siguiente manera:
Grosor de las paredes de la tubería
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| Grosor de las paredes de una tubería. Imagen de youtube |
El grosor de las paredes de la tubería también es fundamental para los cálculos de dimensionamiento de la tubería, ya que este número nos va a indicar la cédula de tubería a utilizar, lo que nos dará la oportunidad de elegir la tubería ideal para nuestro sistema de tuberías considerando la tolerancia de dicha tubería y su capacidad para resistir la presión interna que ejercerá el fluido sobre la tubería, así como, la resistencia a las propiedades químicas del fluido y a las temperaturas de trabajo. Para poder estimar el grosor ideal de la pared de una tubería se suele utilizar una expresión matemática bastante simple, dicha expresión es la siguiente:
Donde:
- t: Espesor de la tubería
- P: Presión interna de la tubería (MPa)
- di: Diámetro interno de la tubería (mm)
- σh: Tensión de aro en la pared de la tubería (MPa)
- C: Constante de Weisback (mm)
El valor de la Constante de Weisback va a depender del material seleccionado para el diseño de la tubería. Por ejemplo, el valor de C para el cobre y el zinc es de 4, mientras que el valor de C para el acero dulce es 3, y el valor de C para el hierro fundido es de 2. A continuación, veremos un ejemplo utilizando esta expresión matemática:
Ejemplo 2
Se desea utilizar una tubería de acero fundido para transportar vapor a una rata de 50 m3/min, en una tubería de 0.1994 m de diámetro interno. Consideramos que la presión de transporte del fluido es de 1.5 MPa y la tensión de aro en la tubería es de 35 MPa. Calcular el grosor ideal de la pared de la tubería.
Solución
Al igual que en el ejemplo anterior, vamos a sustituir los valores dentro de la expresión matemática:
Debemos tener en cuenta que esta expresión matemática ha sido formulada tomando varias suposiciones y consideraciones, así como, simplificaciones. Recordemos que la tensión de aro va a ser variable a lo largo de la tubería, aunque podemos considerar dicho cambio despreciable según nuestras condiciones de diseño, tal cual como se hizo para formular la expresión matemática utilizada anteriormente.
También, se tomó como suposición que la relación entre el diámetro interno de la tubería y el grosor de la pared de dicha tubería es mayor a 20, así como, la relación entre la presión admisible y la presión interna, es mayor a 6. De modo, que esta ecuación matemática nos permitirá tener una estimación bastante cercana a la realidad y muy rápida. Asimismo, se deben tener en cuenta otros factores al estimar el grosor de las paredes de la tubería, como por ejemplo, las normas y códigos de diseño vigentes.
La elección de la norma y el diseño va a depender del país en el cual se encuentre el ingeniero y donde vaya a implantar el sistema de tuberías. Por ejemplo, en Estados Unidos de América suelen utilizarse los códigos de diseño creados por la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME). Dichos códigos también se utilizan en otros países como referencias de diseño Los códigos ASME incluyen lo siguiente:
- ASME Estándar B31.1: Presenta los requisitos para el diseño de tuberías industriales (plantas industriales), sistemas de calefacción y sistemas de generación eléctrica.
- ASME Estándar B31.3: Muestra los requisitos para el diseño de tuberías a utilizarse en plantas químicas y refinerías de petróleo.
- ASME Estándar B31.4: Presenta los requisitos para el diseño de sistemas de tuberías utilizados en instalaciones petrolíferas en tierra, para transportar hidrocarburos, amoníaco, GLP y alcohol.
- ASME Estándar B31.8: Describe los requisitos para sistemas de tuberías que transportan y distribuyen gases en instalaciones en tierra.
La información suministrada en este artículo es muy útil a la hora de realizar dimensionamiento de sistemas de tuberías, sin embargo, existen muchos aspectos más que deben ser considerados durante el dimensionamiento de sistemas de tuberías. Uno de los aspectos más relevantes que un ingeniero debe tomar en cuenta, es la selección del material ideal de la tubería a dimensionar, de acuerdo a los requisitos de resistencia y la exposición al entorno donde estarán las tuberías. Además, se deben elegir los accesorios correctos, como bridas, válvulas, etc, para lograr una aplicación correcta del sistema de tuberías. Para mayor información sobre requerimientos de diseño, pueden tomar una lectura del código ASME B31.
Cálculos esenciales de diseño para el dimensionamiento de sistemas de tuberías by Ing. Bulmaro Noguera is licensed under a Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional License
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