Tuberías

En la instalación de sistemas de tuberías, los términos diámetro nominal (DN) y presión nominal (PN) se utilizan para identificar las características de las tuberías con el fin de definir las piezas compatibles, por ejemplo, las conexiones de brida. El diámetro nominal y la presión nominal se normalizan en función del incremento geométrico.

A la hora de dimensionar las tuberías, es decir, definir el diámetro nominal y la presión nominal de las tuberías y válvulas, siempre hay que encontrar un equilibrio entre los requisitos técnicos, como mantener la pérdida de presión o de calor lo más baja posible, y los costes de inversión y de operación asociados. El equilibrio óptimo entre la inversión y los costes de operación es diferente para cada tubería y sistema. Debido a las características de la curva en el rango mínimo de los costes totales, dos diámetros nominales se encuentran a menudo dentro del rango óptimo.

Ejemplo de tendencia esquemática de costes para el dimensionamiento de tuberías

Ejemplo de tendencia esquemática de costes para el dimensionamiento de tuberías

Costes totales

Costes de operación

Costes de inversión

En el diseño de las tuberías deben observarse los siguientes pasos:

  • Definir diámetro nominal
  • Definir la presión nominal
  • Seleccionar material
  • Definir luces
  • Considerar la dilatación térmica
  • Tener en cuenta las características especiales del medio durante la instalación

Dado que para un análisis detallado habría que tener en cuenta muchos parámetros individuales específicos del sistema, técnicos y comerciales, las tuberías se diseñan normalmente para la velocidad de flujo admisible según principios económicamente sólidos y necesidades técnicas basadas en la experiencia. En función del medio y el uso, los valores recomendados han demostrado ser conformes a la práctica en muchos sistemas.

Medio

Campo de aplicación

Velocidad recomendada

Vapor

0 – 1 bar

20 – 25 m/s

1 – 40 bar

30 – 40 m/s

Agua

Línea de aspiración

0.4 (0.25 – 0.6) m/s

Línea de presión

2 (1.5 – 3) m/s

Condensado

Fracción de vapor

15 m/s

Fracción de agua

2 m/s

Gases de combustión

16.5 m/s

Aceite

Lado de entrada de aceite combustible ligero

0.5 m/s

Lado de descarga de fueloil ligero

1 m/s

Toma de aceite pesado

0.3 m/s

Lado de descarga de fueloil pesado

0.5 m/s

Gas natural

Sin especificaciones (diseño mediante pérdida de presión)

Velocidades de diseño estándar (velocidades recomendadas) para el dimensionamiento de tuberías

Definición de diámetro nominal DN

Los diámetros nominales de la tabla siguiente se indican sin unidades. Corresponden aproximadamente al diámetro interior de la tubería en mm. Esto se debe a razones de producción, ya que las herramientas utilizadas en la fabricación de tuberías se definen a través del diámetro exterior y, por lo tanto, el diámetro interior claro varía en función del grosor de la pared. El diámetro nominal bastará normalmente como variable de cálculo para el dimensionamiento aproximado del diámetro interior.

Diámetro nominal
DN

Diámetro exterior d1
[mm]

 

Diámetro nominal
DN

Diámetro exterior d1
[mm]

 

Diámetro nominal
DN

Diámetro exterior d1
[mm]

6

10.2

 

80

88.9

 

500

508.0

8

13.5

 

100

114.3

 

600

610.0

10

17.2

 

125

139.7

 

700

711.0

15

21.3

 

150

168.3

 

800

813.0

20

26.9

 

200

219.1

 

900

914.0

25

33.7

 

250

273.0

 

1,000

1,016.0

32

42.4

 

300

323.9

 

1,200

1,219.0

40

48.3

 

350

355.6

 

1,400

1,422.0

50

60.3

 

400

406.4

 

1,600

1,626.0

65

76.1

 

450

457.0

     

Diámetro del tubo (EN 10255:2004+A1:2007, EN 1092-1:2013-04, Tabla A.1)

El diámetro nominal necesario puede calcularse de la siguiente manera:

 
Cálculo

Ecuación para el cálculo del diámetro nominal requerido

Ejemplo de cálculo para determinar el diámetro nominal necesario

kgh 3,600sh ⋅ 4 π ⋅ kg m s
⋅ 1,000 mm m = 44 mm ≤ DN 50
 

DN

Diámetro nominal de la tubería [mm]

Caudal [m³/s]

Caudal másico [kg/h]

ρ

Densidad [kg/m³]

u

Velocidad recomendada según tabla [m/s]

Para optimizar los diámetros nominales que han sido diseñados de acuerdo con una velocidad recomendada admisible, puede ser aconsejable en casos individuales, por ejemplo, si la tubería es muy larga, volver a calcular y optimizar el diámetro nominal de la tubería utilizando programas de diseño especiales.

Definición de la presión nominal PN

La presión nominal es una etapa de presión normalizada para tuberías y válvulas. Representa un parámetro para las características mecánicas y dimensionales de un componente. Los componentes con el mismo diámetro nominal y la misma presión nominal son compatibles. La presión nominal corresponde a la presión positiva máxima admisible [bar] a una temperatura de referencia de 20°C.

Sin embargo, además del material, la presión positiva máxima admisible de un componente depende ante todo de la temperatura. A temperaturas más elevadas, la presión de servicio máxima admisible desciende por debajo de la presión nominal. En ese caso, las tuberías o válvulas no pueden funcionar a la presión nominal.

La asignación presión-temperatura de las bridas se basa en los grupos de materiales. En el ámbito de las calderas de vapor son habituales los siguientes materiales y grupos:

Grupo de materiales

Tipo de material

Número de material

Material

3E0

Aceros no aleados con características de resistencia garantizadas a temperaturas más elevadas

1.0352

P245GH

3E1

Aceros no aleados con características definidas ≤ 400°C, límite elástico superior > 265 N/mm²

1.0460

P250GH

4E0

Aceros de baja aleación con 0.3 % de molibdeno

1.0426

P280GH

12E0

Contenido estándar de carbono, estabilizado con Ti o Nb

1.4541
1.4550
1.4941

X6CrNiTi18-10
X6CrNiNb18-10
X6CrNiTiB18-10

15E0

Contenido estándar de carbono, aleado con molibdeno, estabilizado con Ti o Nb

1.4571
1.4580

X6CrNiMoTi17-12-2
X6CrNiMoNb17-12-2

Grupos de materiales según EN 1092-1:2013-04 Tabla 9, G.2.2, G.3.2, Tabla D.1

El siguiente diagrama muestra las curvas presión-temperatura para diferentes etapas de presión nominal. En este caso, observe también la información del capítulo Herramientas – Asignación presióntemperatura, que contiene las tablas para el diagrama.

Info sobre Presión y temperatura nominales

Asignación presión-temperatura para bridas según EN 1092-1

Asignación presión-temperatura para bridas según EN 1092-1

3E0

3E1

4E0

12E0

15E0

Definición del material

La tabla siguiente sólo indica los requisitos mínimos para la selección de materiales. También pueden utilizarse otros materiales cuando se den condiciones de instalación especiales, requisitos del cliente o normativas nacionales o locales.

información

No deben utilizarse materiales que contengan cobre para ninguna tubería de entrada y salida de la caldera de vapor, en la zona de condensado y agua de reposición.

Campo de aplicación

Material de las tuberías

Tuberías de vapor

Acero o acero inoxidable con certificado de inspección

Tuberías de agua de alimentación

Acero

Tuberías de purga de la válvula de seguridad

Acero

Tuberías de ventilación y drenaje

Acero

Drenaje del asiento (válvula de seguridad)

Cobre o acero inoxidable

Agua descalcificada

Plástico (en frío) o acero inoxidable (tras calentamiento)

Agua osmotizada

Acero inoxidable

Requisitos mínimos para la selección de materiales

Definición de tramos

Debe garantizarse, mediante un número suficiente y una construcción correcta de los soportes, que las tuberías no se deformen más allá de los límites aceptables debido a las fuerzas de peso (peso propio, contenido, válvulas y aislamiento) y a otras fuerzas que actúen sobre ellas (por ejemplo, en las deflexiones).

Los requisitos para las tuberías se explican en la norma EN 13480-3.

Tuberías y bridas para agua y vapor


DN


Ø válvulas

PN 40
S

Extensión máxima
L11)

10

17.2

2.0

15

21.3

2.0

20

26.9

2.3

25

33.7

2.6

2.9

32

42.4

2.6

3.2

40

48.3

2.6

3.5

50

60.3

2.9

3.9

65

76.1

2.9

4.7

80

88.9

3.2

5.4

100

114.3

3.6

6.2

125

139.7

4.0

6.9

150

168.3

4.5

7.5

200

219.1

6.3

8.6

250

273

7.1

9.7

300

323.9

8.0

10.6

350

355.6

8.8

11.1

400

406.4

11.0

11.8

500

508

14.2

12.5

600

610

16.0

13.2

Tramos de tuberías (distancia entre soportes)
1) Requisitos para el tramo L1:
– 
Según EN13480-3:2014 – relleno de agua, espesor del aislamiento 80 mm

– Con adiciones por interpolación
– L1 limitación de desviación, hasta DN 50 = 3 mm de desviación, a partir de DN 65 = 5 mm de desviación
– Para más detalles, véase EN13480-3

Expansión térmica

Las sustancias se dilatan cuando se calientan y se contraen cuando vuelven a enfriarse.

Este efecto debe tenerse en cuenta en muchos puntos de un sistema de calderas, especialmente en lugares donde pueden producirse altas temperaturas durante el funcionamiento.

Por ejemplo, durante la planificación y la instalación deben tenerse en cuenta los siguientes puntos:

Ubicación

Uso de – para absorber el alargamiento

Tuberías

  • Vapor

  • Gases de combustión

  • Purga de superficie/fondo

  •  ...

Compensadores de tuberías

  • Patas de expansión (patas en L)

  • Codos de expansión

  • Codos en U (con tuberías rectas largas)

  • Cojinete de fricción

Caldera y contenedor

Cojinetes de fricción en las patas y el bastidor

Juntas de dilatación y patas de dilatación en las tuberías de entrada y salida

Ubicación y tipos de medidas utilizadas para absorber la dilatación térmica

Para calcular la dilatación térmica lineal se puede utilizar la siguiente ecuación:

 
Cálculo

Ecuación para calcular la dilatación térmica lineal

 

Δl

Expansión térmica lineal [mm]

l

Longitud [mm]

α

Coeficiente de dilatación [mm/m]

ΔT

Diferencia de temperatura [K]

Información

Coeficientes de dilatación de distintos aceros

Acero de baja aleación (ferrítico):
α ≈ 1 – 1.3 [mm/m ∙ 100K] = 10 – 13 ∙ 10-6 [1/K]

Aceros inoxidables (austeníticos):
α ≈ 1 – 1.8 [mm/m ∙ 100K] = 10 – 18 ∙ 10-6 [1/K]

La longitud de la pata necesaria para absorber la dilatación térmica debe determinarse de acuerdo con los códigos generales de buenas prácticas.

La longitud del tramo requerido para absorber la dilatación térmica debe determinarse de acuerdo con los códigos generales de buenas prácticas.

Se debe mantener un espacio libre de al menos 50 – 100 mm para instalar las tuberías y el aislamiento, así como para realizar reparaciones. La norma técnica de uso frecuente para trabajos de aislamiento DIN 4140 recomienda una holgura mínima de 100 m.

Para minimizar las distancias, las conexiones de brida deben tener una disposición desplazada en los puentes de tuberías.

Distancias funcionales de las tuberías en los puentes de tuberías y disposición desplazada de las conexiones de brida Distancias funcionales de las tuberías en los puentes de tuberías y disposición desplazada de las conexiones de brida