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Cálculos y selección de tuberías. Diámetro óptimo de tubería

Índice:

Las tuberías de transporte de líquidos son parte integral de aparatos e instalaciones de uso distinto. La selección de tubos y la configuración de tubería dependen del precio de tubos y accesorios. El precio final de bombeo de medio por la tubería se determina, en gran parte, por las dimensiones de los tubos (su diámetro y longitud). Para calcular dichas dimensiones se aplican fórmulas especiales, cuyo tipo depende del destino final de la tubería.

El tubo es un cilindro hueco de metal, madera u otro material que se utiliza para el transporte de medios líquidos, gaseosos o áridos. El medio transportado puede ser el agua, el gas natural, el vapor, los derivados de petróleo, etc. Los tubos se utilizan de manera universal, tanto a escala industrial, como a escala doméstica.

Para la fabricación de tubos se utiliza una amplia gama de materiales: acero, hierro fundido, cobre, cemento y plásticos, en particular, ABS, PVC, cloruro de PVC, PB, polietileno, etc.

Las dimensiones principales del tubo son: el diámetro (externo, interno, etc.) y el grosor de su pared, que se miden en milímetros o pulgadas. Asimismo se utiliza el llamado diámetro nominal que corresponde al valor nominal del diámetro interno del tubo, que también se mide en milímetros (se marca como Dn) o en pulgadas (se marca como DN). Los diámetros nominales son estandarizados y representan el criterio clave de selección de tubos y accesorios.

Véase abajo la correspondencia entre los valores de diámetro nominal en mm y en pulgadas:

Ду, mm DN, inches Ду, mm DN, inches
15 ½ 400 16
20 ¾ 450 18
25 1 500 20
40 600 24
50 2 650 26
80 3 700 28
100 4 750 30
150 6 800 32
200 8 900 36
250 10 1000 40
300 12    
350 14    

Los tubos de sección transversal redonda se utilizan más que los tubos de demás secciones geométricas, lo que se debe a una serie de razones:

  • El círculo se caracteriza por una relación mínima entre el perímetro y la superficie. En el caso de un tubo, eso significa que, siendo la capacidad de tubos de distinta forma igual, la fabricación de los tubos redondos requiere menos material que la de los tubos de otra forma. Asimismo eso permite minimizar los gastos en aislamiento y recubrimiento protector;
  • La sección transversal redonda es la más ventajosa desde el punto de vista hidrodinámico para el transporte de medios líquidos o gaseosos. Asimismo, gracias a la minimización de la superficie interna del tubo en relación a su longitud, se alcanza la minimización de la fricción entre el medio transportado y el tubo.
  • La forma redonda es la más resistente ante la presión interna y externa;
  • La fabricación de los tubos redondos es bastante simple.

El diámetro y la configuración de los tubos varían considerablemente, dependiendo de su uso y ámbito de aplicación. Así, por ejemplo, las tuberías troncales para el transporte de agua o derivados de petróleo pueden tener un diámetro de poco menos de 50 centímetros, siendo su configuración bastante simple, los serpentines de calentamiento, a su vez, tienen un diámetro reducido y una forma complicada con múltiples vueltas.

Ninguna rama industrial es capaz de prescindir de tuberías. El cálculo de una tubería incluye la selección de los materiales para los tubos, la elaboración de las especificaciones con todos los datos sobre el grosor y el tamaño de los tubos, la ruta de la tubería, etc. La materia prima, el producto semiacabado y/o el producto final pasan por distintas etapas de producción, desplazándose entre distintos aparatos e instalaciones conectados entre sí por tuberías y válvulas. Los cálculos, la selección y el montaje correctos de las tuberías son imprescindibles para garantizar la fiabilidad del proceso, la seguridad de bombeo de los medios, así como la estanquidad del sistema y la prevención de fugas de la sustancia bombeada a la atmósfera.

No hay ni una formula, ni unas reglas universales que sirvan para la selección de tubería para cualquier aplicación o medio procesado. El uso de las tuberías en cada ámbito concreto está condicionado por una serie de factores que hay que tomar en consideración, ya que influyen considerablemente en los requisitos hacia las tuberías. Así, por ejemplo, en el caso de bombeo de lodo, una tubería de gran tamaño encarece las instalaciones y obstaculiza su funcionamiento normal.

Habitualmente, la selección de tubos se efectúa realizada la optimización de los gastos en material y operación. Cuanto mayor es el diámetro de la tubería, es decir, cuanto mayor son las inversiones iniciales, menores son la caída de presión y los gastos en operación. Reduciendo las dimensiones de la tubería, reducimos las inversiones iniciales en las tuberías y los accesorios de tubería. Sin embargo, con el aumento de la velocidad veremos crecer las pérdidas y nos encontraremos obligados a gastar una energía adicional en el bombeo del medio. Las normas de velocidad fijadas para distintos ámbitos de aplicación se basan en las condiciones de cálculo óptimas. Las dimensiones de las tuberías se calculan a base de dichas normas, tomando en consideración su ámbito de aplicación.

Diseño de tuberías

En el curso de diseño de tuberías se toman en consideración los siguientes parámetros de diseño clave:

  • el caudal necesario;
  • los puntos de entrada y salida de la tubería;
  • la composición del medio, incluidos su viscosidad y peso específico;
  • las condiciones topográficas de la ruta de la tubería;
  • la presión operativa máxima;
  • los cálculos hidráulicos;
  • el diámetro de la tubería, el grosor de las paredes, el límite de fluencia del material de las paredes en el curso de su tracción;
  • las centrales de bombeo, la distancia entre ellas y la potencia consumida.

Fiabilidad de tuberías

Para garantizar la fiabilidad de las tuberías hay que observar las normas de diseño correspondientes.  Asimismo, uno de los factores clave para garantizar una larga vida útil de la tubería, su estanqueidad y su fiabilidad es la formación del personal. Para el control continúo o discontinuo de la operación de la tubería se utilizan sistemas de control, inventarización, gestión, regulación y automatización, así como los dispositivos personales de control y los dispositivos de seguridad.

Recubrimiento adicional de la tubería

A la parte externa de la mayoría de los tubos la recubren por un revestimiento resistente a la corrosión por parte del medio ambiente. En el caso de bombeo de medios corrosivos, a la parte interna también la pueden recubrir por un recubrimiento protector. Antes de la puesta en explotación de todos los tubos nuevos destinados al transporte de líquidos peligrosos los controlan por defectos y fugas.

Disposiciones principales de cálculo de flujo por tubería

El carácter de flujo de medio por una tubería y el cómo contornea los obstáculos puede variar considerablemente de líquido a líquido. Uno de los indicadores clave en este sentido es la viscosidad del medio que se caracteriza por el parámetro llamado el coeficiente de viscosidad. En 1880 el ingeniero y físico irlandés Osborne Reynolds realizo una serie de experimentos y encontró un valor no dimensional que caracterizaba el carácter de flujo de líquido viscoso, el llamado número de Reynolds o Re.

Re = (v·L·ρ)/μ

donde:
ρ — es la densidad de líquido;
v — es la velocidad de flujo;
L — es la longitud característica de elemento de flujo;
μ – es el coeficiente de viscosidad dinámico.

El número de Reynolds caracteriza la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas de fricción viscosa en el flujo de líquido. El cambio de este criterio refleja el cambio de la relación entre esas fuerzas, lo que, a su vez, influye en el carácter del flujo de líquido. A raíz de ello, habitualmente, se distingue entre tres tipos de flujo, dependiendo del número de Reynolds. Cuando el Re<2300, se trata del llamado flujo laminar. En este caso el líquido fluye en capas finas que prácticamente no se mezclan entre sí. Este flujo se caracteriza por un aumento paulatino de la velocidad en dirección de las paredes del tubo al centro. Con el aumento del número de Reynolds empieza la desestabilización de la estructura de flujo. El valor del número de Reynolds 2300<Re<4000 corresponde al régimen de transición, en el cual las capas separadas empiecen a mezclarse entre sí. Cuando el número de Reynolds Re>4000, se establece un régimen estable que se caracteriza por unos cambios aleatorios de la velocidad y del sentido de flujo en cada punto aislado. Como resultado, las velocidades en todo el volumen del flujo se igualan. Este régimen se llama el régimen turbulento. El número de Reynolds depende de la presión generada por la bomba, la viscosidad del flujo bajo la temperatura de trabajo, así como de las dimensiones y la sección del tubo por el cual pasa el flujo.

Perfil de velocidades en el flujo

El número de Reynolds es un criterio de semejanza para el flujo de líquido viscoso. Permite modelar un proceso real a escala menor, lo que es cómodo para realizar estudios. Es muy importante, ya que a veces resulta muy complicado o absolutamente imposible estudiar el carácter de los flujos de líquido en aparatos reales debido a sus dimensiones grandes.

Cálculos de tubería. Cálculos de diámetro de tubería

Si la tubería carece de un aislamiento térmico, lo que posibilita el intercambio de calor entre el medio transportado y el medio ambiente, el carácter de flujo puede cambiar hasta cuando la velocidad (el caudal) es constante. Es posible, cuando el medio bombeado tiene en la entrada una temperatura bastante alta y fluye en régimen turbulento. A lo largo del tubo la temperatura del medio irá bajando como consecuencia de las pérdidas térmicas al medio ambiente, lo que puede dar como resultado el cambio del régimen del flujo al laminar o de transición. La temperatura bajo la cual se desarrolla el cambio de régimen lleva el nombre de la temperatura crítica. La viscosidad del líquido depende directamente de la temperatura, por eso para los casos como este utilizan el parámetro de la viscosidad crítica, que corresponde al punto de cambio de régimen de flujo cuando se alcanza el número de Reynolds crítico.

vcr = (v·D)/Recr = (4·Q)/(π·D·Recr)

donde:
νcr – es la viscosidad cinemática crítica;
Recr – es el valor crítico del número de Reynolds;
D – es el diámetro del tubo;
v – es la velocidad del flujo;
Q – es el caudal.

Otro factor importante es la fricción entre las paredes del tubo y el flujo en movimiento. El coeficiente de rozamiento depende en gran parte de la rugosidad de las paredes del tubo. La relación entre el coeficiente de rozamiento, el número de Reynolds y la rugosidad se establece por el diagrama de Moody que permite determinar cada uno de los parámetros enumerados a base de los otros dos.

Cálculos y selección de tuberías

Asimismo para calcular el coeficiente de rozamiento de flujo turbulento se utiliza la ecuación de Colebrook–White. Esa fórmula permite hacer diagramas para determinar el coeficiente de rozamiento.

(√λ)-1 = -2·log(2,51/(Re·√λ) + k/(3,71·d))

donde:
k – es el coeficiente de rugosidad de tubo;
λ – es el coeficiente de rozamiento.

Existen también otras fórmulas que permiten calcular aproximadamente las pérdidas por fricción, cuando un líquido fluye por tubos bajo presión. Una de las ecuaciones de este tipo más utilizadas es la ecuación de Darcy-Weisbach. Se basa en los datos empíricos y se utiliza sobre todo en el curso de modelación de sistemas. Las pérdidas por fricción son una función de velocidad de líquido y resistencia de tubo al avance de ésta, que se expresa a través del valor de rugosidad de las paredes de la tubería.

∆H = λ · L/d · v²/(2·g)

donde:
ΔH – son las pérdidas de presión;
λ – es el coeficiente de rozamiento;
L – es la longitud del tramo de tubo;
d – es el diámetro del tubo;
v – es la velocidad de flujo;
g – es la aceleración de la gravedad.

La pérdida de presión por fricción para el agua se calcula según la fórmula de Hazen-Williams.

∆H = 11,23 · L · 1/С1,85 · Q1,85/D4,87

donde:
ΔH – son las pérdidas de presión;
L – es la longitud del tramo de tubo;
С – es el coeficiente de rugosidad de Hazen-Williams;
Q – es el caudal;
D – es el diámetro del tubo.

Presión

La presión operativa de la tubería es la sobrepresión máxima que garantiza el funcionamiento de la tubería en el régimen dado. Habitualmente, la decisión sobre el tamaño de la tubería y el número de centrales de bombeo depende de la presión operativa de los tubos, la capacidad de la bomba y los caudales. Las presiones máxima y mínima de la tubería, así como las propiedades del medio bombeado determinan la distancia entre las centrales de bombeo y la potencia necesaria.

La presión nominal PN es un valor nominal que corresponde a la presión máxima del medio bombeado bajo la temperatura de 20ºC que hace posible una operación prolongada de la tubería de dimensiones dadas.

Con el crecimiento de la temperatura la capacidad del tubo y la sobrepresión admisible van bajando. El valor de pe,zul muestra la presión máxima (sobrepresión) dentro del sistema de tuberías en el caso de aumento de la temperatura operativa.

Diagrama de sobrepresiones admisibles:

Cálculos y selección de tuberías

Cálculo de caída de presión en la tubería

El cálculo de la caída de presión en la tubería se realiza según la fórmula:

∆p = λ · L/d · ρ/2 · v²

donde:
Δp – es la caída de presión en el tramo de tubo analizado;
L – es la longitud del tramo de tubo;
λ – es el coeficiente de rozamiento;
d – es el diámetro del tubo;
ρ – es la densidad del medio bombeado;
v – es la velocidad del flujo.

Medios transportados

En la mayoría de los casos, los tubos se utilizan para el transporte de agua. Asimismo pueden ser utilizados para el bombeo de lodos, suspensiones, vapor, etc. En la industria petrolera los tubos se utilizan para el bombeo de un amplio rango de hidrocarburos y mezclas de hidrocarburos de propiedades físicas y químicas muy variadas. El crudo puede transportarse a largas distancias desde los campos costa adentro o torres de petróleo costa afuera hasta los terminales, los puntos intermedios y las refinerías.

Asimismo por las tuberías transportan:

  • derivados de petróleo, en particular, la gasolina, el combustible de aviación, el queroseno, el gasoil, el fuelóleo, etc.;
  • materia prima petroquímica: benceno, estireno, propileno, etc.;
  • hidrocarburos aromáticos: xileno, tolueno, cumeno, etc.;
  • combustibles de petróleo licuados, en particular, el GNL, el GLP, el propano (gases de temperatura y presión estándares sometidos a la licuefacción por presión);
  • dióxido de carbono, amoniaco líquido (se transportan como líquido bajo presión);
  • el betún y el combustible viscoso son demasiado viscosos para su transporte por tuberías, por eso los diluyen por fracciones destiladas de petróleo. La mezcla resultante puede ser transportada por la tubería;
  • hidrógeno (a distancias cortas).

Calidad de medio transportado

Las propiedades físicas y los parámetros de los medios transportados determinan, en gran parte, los parámetros de diseño y operación de la tubería. El peso específico, la compresibilidad, la temperatura, la viscosidad, el punto de solidificación y la presión de los vapores son los parámetros clave del medio bombeado que hay que tomar en consideración.

El peso específico de líquido es su peso por unidad de volumen. Muchos gases se transportan por tuberías bajo presión elevada, alcanzada cierta presión, algunos gases se licuefacen. Por eso la relación de compresión del medio es un parámetro crítico para el diseño de tuberías y la determinación de su capacidad.

La temperatura influye directamente e indirectamente en la capacidad de la tubería. Se debe al hecho de que el líquido se aumenta en volumen con el aumento de la temperatura, a condición de que la presión es permanente. La reducción de la temperatura también puede afectar tanto la capacidad como el rendimiento del sistema. Habitualmente, con la caída de la temperatura del líquido su viscosidad va creciendo, lo que contribuye al crecimiento de la fricción a lo largo de la pared interna del tubo. Como resultado, para el bombeo del mismo volumen de líquido se necesita más energía. Los medios muy viscosos son muy sensibles a los saltos de las temperaturas operativas. La viscosidad es la resistencia del medio a la fluencia. Se mide en centiStokes cSt. La viscosidad determina tanto la selección de la bomba, como la distancia entre las centrales de bombeo.

En cuanto la temperatura del medio se baja por debajo del punto de pérdida de fluencia, la operación de la tubería se vuelve imposible. Para impedirlo se puede hacer varias cosas:

  • calentar el medio o aplicar aislamiento térmico de tubos para mantener la temperatura operativa del medio bombeado por encima del límite de fluencia.
  • cambiar la composición química del medio antes de su entrada en la tubería;
  • disolver el medio bombeado por el agua.

Tipos de tubos troncales

Los tubos de las tuberías troncales pueden ser soldados o sin costura. Los tubos de acero sin costura se fabrican sin costuras soldadas longitudinales y se someten a un tratamiento térmico para alcanzar las dimensiones y las propiedades necesarias. La fabricación de tubos soldados incluye varios procesos industriales. Los dos tipos de tubos se diferencian uno de otro por el número de costuras longitudinales dentro del tubo y el tipo de soldadoras utilizados. El tubo soldado de acero es el tubo más utilizado en la industria petroquímica.

Los tubos se juntan por secciones soldadas, formando tubería. Asimismo en las tuberías troncales, dependiendo del ámbito de aplicación, se utilizan tubos de fibra de vidrio, distintas variedades de plástico, cemento de asbesto, etc.

La conexión de los tramos directos de tubos, así como la conexión de los tramos de tubería de distinto diámetro se realizan por elementos de conexión especiales (codos, tes, válvulas).

Cálculos y selección de tuberías

Para el montaje de ciertas partes de tuberías y accesorios se utilizan conexiones especiales.

Cálculos y selección de tuberías

Tipos de juntas:

Soldada – junta no desmontable que sirve para todo tipo de presiones y temperaturas;
Por brida – conexión desmontable que sirve para presiones y temperaturas altas;
Por rosca – conexión desmontable para presiones y temperaturas medias;
Por acoplamiento – conexión desmontable que sirve para presiones y temperaturas bajas.

La ovalidad y la diferencia de grosor de los tubos sin costura no pueden superar la desviación admisible del diámetro y del grosor de la pared.

Dilatación térmica de la tubería

Cuando la tubería se encuentra bajo presión, toda su superficie interna se somete al efecto de una carga homogénea. Como resultado, surgen esfuerzos internos longitudinales dentro del tubo y carga adicional sobre los soportes de los extremos. Los cambios de temperatura también influyen en la tubería, provocando cambio de las dimensiones de los tubos. Los esfuerzos provocados por el cambio de la temperatura dentro de una tubería fijada pueden superar el valor admisible y causar una sobretensión, lo que pondrá en peligro la fiabilidad de la tubería, tanto en lo que se refiere al material de los tubos, como a las bridas. Los cambios de la temperatura del medio bombeado también crean una tensión térmica dentro de la tubería, que puede pasar a los accesorios, las centrales de bombeo, etc. Puede causar la pérdida de contención de las juntas de las tuberías, fallos de accesorios y demás elementos.

Cálculos de las dimensiones de la tubería con el cambio de la temperatura

Los cálculos de cambio de las dimensiones lineales de la tubería se realizan según la fórmula:

∆L = a·L·∆t

a – es el factor de dilatación térmica en mm/mºC (véase la tabla de abajo);
L – es la longitud de la tubería (distancia entre soportes fijos) en m;
Δt – es la diferencia entre la temperatura máxima y mínima del medio bombeado en °С.

Tabla de dilatación lineal de tubos de distintos materiales

Material Factor de dilatación lineal en mm/(м&de;C)
Hierro fundido 0,0104
Acero inoxidable 0,011
Acero al carbono y galvanizado 0,0115
Cobre 0,017
Latón 0,017
Aluminio 0,023
Metaloplástico 0,026
PVC 0,08
PB 0,13
PP-R 80, PN 10, PN 20 0,15
PP-R 80, PN 25, aluminio 0,03
PP-R 80, PN 20, fibra de vidrio 0,035
PEX 0,024

Los valores dados en esta tabla son una media para los materiales enumerados. No pueden ser vistos como base para realizar los cálculos de tuberías de otros materiales. Para realizar el cálculo de la tubería se recomienda utilizar el coeficiente de dilatación lineal indicado por el fabricante del tubo en el certificado acompañante u otro documento técnico.

La dilatación térmica de las tuberías se compensa vía instalación de tramos de compensación especiales o compensadores compuestos por elementos móviles o elásticos.

Los tramos de compensación están compuestos por elementos rectos elásticos que se encuentran en posición perpendicular unos a otros y se fijan por tes. En el caso de dilatación térmica de una parte, ésta se compensa por la deformación de flexión de la otra parte sobre el plano o la deformación de flexión y torsión en el espacio. Si la tubería compensa la dilatación térmica por sí misma, eso se llama la autocompensación.

Asimismo la compensación se alcanza gracias al uso de tes elásticas. Parte de la dilatación se compensa por la elasticidad de las tes, otra se compensa por cuenta de las propiedades elásticas del material del tramo que se encuentra detrás de la te. Los compensadores se instalan allá, donde resulta imposible utilizar los tramos de compensación, o cuando la autocompensación de la tubería resulta insuficiente.

Por su diseño y funcionamiento los compensadores pueden ser de cuatro tipos: en forma de П, de lente, ondulados y de sellos. Asimismo se utilizan mucho los compensadores planos en forma de L, Z o U. En el caso de los compensadores espaciales, habitualmente están formados por dos tramos planos perpendiculares uno a otro y tienen un brazo común. Los compensadores elásticos se fabrican de tubos, discos elásticos o fuelles.

Determinación del diámetro óptimo de tubería

El diámetro óptimo de tubería se determina a base de cálculos técnicos y económicos. Las dimensiones de la tubería, incluidas las dimensiones y las funciones de distintos componentes de ésta, así como las condiciones de operación de la tubería determinan la capacidad de transporte del sistema. Los tubos de gran diámetro sirven para un flujo masivo e intenso. Es importante, que los demás componentes del sistema también sean debidamente calculados y seleccionados para este fin. Habitualmente, cuanto mayor es la longitud del tramo de la tubería troncal entre las centrales de bombeo, mayor es la caída de presión en la tubería. El cambio de las características físicas del medio bombeado (su viscosidad, etc.) también puede influir considerablemente en la presión dentro de la tubería.

El tamaño óptimo es el mínimo del rango de tamaños válidos y eficiente, desde el punto de vista económico, en el curso de toda la vida útil del sistema.

Fórmula de cálculo de la capacidad de tubo:

Q = (π·d²)/4 · v

Q – es el caudal de líquido bombeado;
d – es el diámetro de la tubería;
v – es la velocidad del flujo.

Para calcular el diámetro óptimo de la tubería se suele aprovechar los valores de velocidad óptima de medio bombeado de guías, compuestos a base de datos experimentales:

Medio bombeado Rango de velocidades óptimas dentro de la tubería en m/s
Líquidos Flujo por gravedad:
Líquidos viscosos 0,1 – 0,5
Líquidos de viscosidad baja 0,5 – 1
Bombeo:
Lado de aspiración 0,8 – 2
Lado de compresión 1,5 – 3
 
Gases Tiro natural 2 – 4
Presión baja 4 – 15
Presión alta 15 – 25
 
Vapores Vapor sobrecalentado 30 – 50
Vapor saturado bajo presión
Más de 105 Pa 15 – 25
(1 – 0,5) · 105 Pa 20 – 40
(0,5 – 0,2) · 105 Pa 40 – 60
(0,2 – 0,05) · 105 Pa 60 – 75

De ahí obtenemos la fórmula de cálculo del diámetro óptimo del tubo:

dо = √((4·Q) / (π·vо))

Q – es el caudal de líquido bombeado;
dо – es el diámetro óptimo de la tubería;
vо – es la velocidad óptima del flujo.

Cuando la velocidad de flujo es alta, se suele utilizar tubos de diámetro reducido. Eso permite disminuir los gastos en la compra de la tubería, su mantenimiento técnico y su montaje (K1). Con el aumento de la velocidad las pérdidas de presión por fricción y en resistencias locales van creciendo, lo que conlleva un aumento de gastos en bombeo de líquido (K2).

En el caso de las tuberías de gran diámetro, los gastos K1 serán mayores y los gastos en operación K2 serán menores. Si sumamos los valores K1 y K2, obtendremos los gastos totales mínimos K y el diámetro óptimo de la tubería. Los gastos K1 y K2 en este caso corresponden al mismo período de tiempo.

Cálculo (fórmula) de gastos de capital en tubería

K1 = (m·CM·KM)/n

m – es la masa de la tubería en toneladas;
CM – es el coste de 1 tonelada en rublos por tonelada;
KM – es el factor que aumenta el coste de las obras de montaje, por ejemplo, 1,8;
n – es la vida útil en años.

Los gastos en operación dados están relacionados con el consumo de energía:

K2 = 24·N·nd·Ce rub/año

N – es la potencia en kW;
nd – es el número de días hábiles en el año;
Сe – son los gastos en un kWh de energía en rublos por kWh.

Fórmulas para calcular las dimensiones de la tubería

Véase abajo un ejemplo de las fórmulas generales que se utilizan para determinar el tamaño de tubos sin tomar en consideración los posibles factores adicionales, como la erosión, las partículas sólidas en suspensión, etc.:

Denominación Ecuación Limitaciones posibles
Flujo de líquido y gas bajo presión
Pérdida de presión por fricción Darcy-Weisbach d = 12·[(0,0311·f·L·Q2)/(hf)]0,2 Q – es el caudal volumétrico en galones por minuto;
d – es el diámetro interno del tubo;
hf – es la pérdida de presión por fricción;
L – es la longitud de la tubería en pies;
f – es el coeficiente de rozamiento;
V – es la velocidad de flujo.
Ecuación de flujo de líquido general d = 0,64·√(Q/V) Q - es el caudal volumétrico en galones por minuto
Dimensiones de la línea de succión de la bomba para limitar las pérdidas de presión por fricción d = √(0,0744·Q) Q - es el caudal volumétrico en galones por minuto
Ecuación de flujo de gas general d = 0,29·√((Q·T)/(P·V)) Q – es el caudal volumétrico en pies³/minuto
T – es la temperatura en K
Р – es la presión en pies/pulgada² (abs);
V – es la velocidad
Flujo por gravedad
La fórmula de Manning para calcular el diámetro de tubo para el flujo máximo d = [1525 · (Q·n)/√S]0,375 Q – es el caudal volumétrico;
n – es el coeficiente de rugosidad;
S – es el pendiente.
El número de Froude es la relación entre la fuerza de inercia y la fuerza de gravedad Fr = V / √[(d/12) · g] g – es la aceleración de la gravedad;
v – es la velocidad de flujo;
L – es la longitud de tubo o el diámetro.
Vapor y evaporación
Ecuación para determinar el diámetro de tubo para vapor d = 1,75·√[(W·v_g·x) / V] W – es el caudal másico;
Vg – es el volumen específico de vapor saturado;
x – es la calidad de vapor;
V – es la velocidad.

La velocidad óptima del flujo para distintos sistemas de tuberías

La selección del tamaño óptimo de tubo se basa en la minimización de los gastos en el bombeo y del precio de los tubos. Asimismo hay que tomar en consideración las limitaciones de velocidad. A veces las dimensiones de la tubería deben responder a unos requisitos del proceso tecnológico específicos. A veces el tamaño de la tubería está condicionado por la caída de presión. En el curso de diseño preliminar las pérdidas de presión no se toman en consideración. El tamaño de la tubería tecnológica se determina por la velocidad admisible.

Si el flujo cambia de sentido dentro de la tubería eso provoca un aumento considerable de las presiones locales sobre la superficie en sentido perpendicular al flujo. Este tipo de aumento es la función de velocidad de líquido, densidad y presión inicial. Ya que la velocidad es inversamente proporcional al diámetro, los líquidos de alta velocidad requieren una atención especial en lo que se refiere al tamaño y la configuración de la tubería. El tamaño óptimo de la tubería, por ejemplo, para el ácido sulfúrico limita la velocidad del medio hasta un valor que impide la erosión de las paredes de los codos del tubo para prevenir el daño a la estructura del tubo.

Flujo de líquido por gravedad

El cálculo de las dimensiones de la tubería en el caso de flujo de líquido por gravedad es bastante complicado. El carácter de avance del flujo de este tipo puede ser monofásico (tubo lleno) o bifásico (llenado parcial). El flujo bifásico se forma cuando en el tubo están presentes a la vez el líquido y el gas.

Dependiendo de la relación entre el líquido y el gas, así como de sus velocidades, el régimen de flujo bifásico puede variar de flujo de burbujas a flujo disperso.

Cálculos y selección de tuberías

En el caso de flujo de líquido por gravedad la fuerza motriz se genera por la diferencia de las cotas de los puntos inicial y final. Una condición obligatoria es que el punto inicial se encuentre por encima del punto final. Es decir, la diferencia de alturas determina la diferencia entre la energía potencial del líquido en la posición inicial y en la posición final. Este parámetro también se toma en consideración en el curso de cálculo de tubería. Además, la fuerza motriz depende de la presión en el punto inicial y el punto final. El aumento de la caída de presión conlleva un aumento de la velocidad del flujo de líquido, lo que, a su vez, permite optar por una tubería de diámetro inferior y al revés.

Si el punto final está conectado a un sistema bajo presión, por ejemplo a una torre de destilación, hay que restar la presión equivalente de la diferencia de altura existente para evaluar la presión diferencial eficiente real. Asimismo, si el punto inicial de la tubería se conecta al vacío, hay que tomar en consideración el efecto del vacío en la presión diferencial total para la selección de la tubería. La selección final de los tubos se realiza a base de la presión diferencial, que toma en consideración todos los factores enumerados. No basta con saber solo la caída de presión entre la altura inicial y final.

Flujo de líquido caliente

En las instalaciones tecnológicas frecuentemente se utilizan medios calientes e hirviendo, lo que puede dar ciertos problemas. La razón principal de ello consiste en la evaporación de parte del flujo de líquido caliente, es decir, en la transformación de fase de líquido en vapor dentro de la tubería o equipamiento. Un ejemplo típico de ello es el fenómeno de cavitación de bomba centrífuga que se acompaña por una ebullición puntual con la posterior formación de burbujas de vapor (cavitación de vapor) o emisión de gases disueltos en burbujas (cavitación de gas).

Una tubería de tamaño mayor es preferible, ya que, siendo el caudal una constante, permite reducir la velocidad de flujo en comparación con una tubería de diámetro inferior, lo que se debe a un índice más alto en NPSH en la línea de succión de bomba. Asimismo la razón de la cavitación en el caso de pérdida de presión pueden ser el cambio drástico de sentido de flujo o la reducción del tamaño de la tubería. La mezcla de vapor y gas resultante obstaculiza el avance del flujo y puede causar el daño a la tubería, lo que hace el fenómeno de cavitación muy indeseable para la operación de la tubería.

Tubería de desviación para instalación de equipamiento/dispositivos

El equipamiento y los dispositivos que pueden generar una caída de presión considerable, es decir, los intercambiadores de calor, las válvulas reguladoras y los demás aparatos de este tipo se dotan de tuberías de desviación (para no interrumpir el proceso industrial para el mantenimiento técnico). Habitualmente esas tuberías disponen de 2 válvulas de corte montadas en la línea de la máquina y una válvula que regula el flujo que va en paralelo.

En el curso de la operación normal el flujo de líquido pasa por los elementos principales del aparato y experimenta una caída de presión adicional. Se compensa por una presión generada por equipos especiales, por ejemplo, por una bomba centrífuga, que se escoge a base de la caída de presión en la máquina. En el caso del flujo que pasa por la tubería de desviación esa caída de presión no ocurre, sin embargo la bomba sigue generando el flujo de la misma fuerza, en conformidad con sus características funcionales. Para que no haya una diferencia en las características del flujo que pasa por la instalación y del flujo que pasa por la línea de desviación, se recomienda utilizar una línea de desviación de diámetro menor con una válvula de regulación, para obtener una presión equivalente a la de la instalación principal.

Línea de toma de pruebas

Habitualmente, un pequeño volumen de líquido se toma para realizar el análisis y determinar su composición. La toma de muestras puede realizarse en cualquier etapa del proceso tecnológico y sirve para determinar la composición de la materia prima, producto intermedio, producto acabado o sustancia transportada, como, por ejemplo, aguas servidas, caloportador, etc. Las dimensiones del tramo de tubería en el que se realiza la toma de muestras, habitualmente depende del medio transportado a analizar y de la ubicación del punto de toma de muestras.

Así, por ejemplo, para los gases bajo presión alta basta con tuberías pequeñas con válvulas para la toma del número de muestras necesario. El aumento del diámetro de la línea de toma de muestras permite reducir la parte del medio tomada para el análisis, pero esa toma de muestras es más difícil de controlar. Al mismo tiempo una pequeña línea de toma de muestras no es la mejor opción para el análisis de las suspensiones, ya que las partículas sólidas pueden obstruir el canal de flujo. De ahí, el diámetro de la línea de toma de muestras para el análisis de las suspensiones depende, en gran parte, del tamaño de las partículas sólidas y de las características del medio. Lo mismo se aplica a los líquidos viscosos.

En el curso de selección de la tubería para la toma de muestras habitualmente toman en consideración:

  • las características de líquido a tomar;
  • las pérdidas del medio transportado en el curso de toma de muestras;
  • los requisitos de seguridad a cumplir en el curso de toma de las muestras;
  • la comodidad de la operación;
  • la ubicación del punto de toma.

Circulación de líquido refrigerante

En el caso de los tubos con líquido refrigerante en circulación se recomienda mantener unas velocidades altas. Se debe, en gran parte, al hecho de que estando en la torre de refrigeración el líquido refrigerante se somete al efecto de la luz solar, lo que crea condiciones para formación de una capa de algas. Parte de esas algas penetra en el líquido refrigerante en circulación. Si la velocidad de flujo es baja, las algas empiecen a crecer en la tubería y, pasado un rato, obstaculizan la circulación del líquido refrigerante y su paso por el intercambiador de calor. En este caso, se recomienda mantener una velocidad de circulación alta para evitar la formación de tapones de algas en la tubería. Un uso intenso de líquido refrigerante en circulación es característico para la industria química. Requiere tuberías de tamaño y longitud mayor y sirve para abastecer distinto tipo de intercambiadores de calor.

Sobrelleno de tanque

A los tanques los dotan de tubos de trasvase por las siguientes razones:

  • Para evitar las pérdidas de líquido (el exceso de líquido entra en otro tanque en vez de verterse fuera del tanque inicial);
  • Para prevenir las fugas de líquidos indeseables del tanque;
  • Para mantener el nivel de líquido en los tanques.

En todos los casos enumerados los tubos de trasvase están calculados para el flujo máximo admisible de líquido que entra en el tanque, independientemente del caudal de líquido en la salida. Otros principios de selección de los tubos son análogos a los de la selección de la tubería para los líquidos que fluyen por gravedad, es decir, debe haber una altura vertical entre el punto inicial y el punto final de la tubería de trasvase.

El punto más alto del tubo de trasvase que es a la vez su punto inicial se encuentra en el punto de conexión al tanque (el tubo de trasvase de tanque), habitualmente prácticamente en la parte superior, y el punto bajo final puede encontrarse a nivel del canal de desagüe, prácticamente a nivel de la tierra. Sin embargo, la línea de trasvase puede terminarse a una cota más alta. En este caso la presión diferencial será más baja.

Flujo de lodo

En el caso de la industria minera, la mena, habitualmente, se extrae en zonas de acceso difícil. Frecuentemente dichas zonas carecen de redes ferroviaria y de carretera. En este caso la mejor opción es el transporte hidráulico de los medios con partículas sólidas. En particular, se trata de los casos, cuando las instalaciones de procesamiento se encuentran a cierta distancia. Las tuberías de lodo se utilizan en distintas ramas de la industria para realizar el transporte de medios sólidos en estado triturado con el líquido. Esas tuberías son la opción más rentable, desde el punto de vista económico, en comparación con los demás métodos de transporte de medios sólidos en grandes volúmenes. Tienen también otras ventajas. En particular, son bastante seguros, ya que permiten prescindir de varios modos de transporte, y bastante ecológicos.

Las suspensiones y las mezclas de las sustancias en suspensión en líquido se remueven periódicamente para mantener la homogeneidad de la mezcla. De otra manera se desarrolla la estratificación, en el curso de la cual las partículas sólidas, dependiendo de sus propiedades físicas, suben a la superficie de líquido o se precipitan en el fondo. La agitación se realiza por equipos especiales, por ejemplo, por tanque con agitador. Dentro de la tubería este efecto se alcanza por cuenta de flujo turbulento.

La deceleración del flujo que transporta las partículas suspendidas en líquido es indeseable, ya que puede causar la separación de fases. Eso puede causar la obstrucción de la tubería y alterar la concentración de la sustancia sólida transportada por el flujo. El régimen turbulento del flujo contribuye a una agitación intensa.

Por otro lado, una reducción excesiva de las dimensiones de la tubería también contribuye a su obstrucción. Por eso la selección del tamaño del tubo es un paso importante y responsable que requiere un análisis y cálculos previos. Cada caso debe ser visto de manera individual, ya que distintos tipos de lodo se comportan de distinta manera a distinta velocidad de líquido.

Reparación de tuberías

Las tuberías están propensas a la aparición de todo tipo de fugas, que requieren una eliminación inmediata para mantener el funcionamiento del sistema. La reparación de una tubería troncal puede realizarse de distintas maneras. Se trata tanto de la sustitución de un segmento entero del tubo como de un pequeño tramo con fuga, así como de la reparación del tubo dañado con parche. Antes de escoger el método de reparación hay que estudiar detenidamente la razón de la fuga. En ciertos casos no basta con hacer las reparaciones y hay que cambiar la ruta del tubo para prevenir su daño repetido.

La primera etapa de las obras de reparación consiste en determinar el tramo de tubo que requiere reparación. Después, dependiendo del tipo de la tubería, se determina la lista de equipamiento y actividades necesarias para eliminar la fuga, se obtienen los documentos y los permisos necesarios, si el tramo de tubo sujeto a la reparación se encuentra en el territorio de otro propietario. Ya que la mayoría de los tubos se encuentra por debajo de la tierra, puede surgir la necesidad de extraer parte del tubo. Después hay que chequear el estado general del revestimiento de la tubería y quitar una parte de revestimiento para realizar las reparaciones de la tubería. Realizadas las reparaciones, se puede realizar una serie de controles: por ultrasonido, por líquidos penetrantes, por partículas magnéticas, etc.

Aunque algunas obras requieren la desconexión completa de la tubería, a veces basta con una interrupción provisional para aislar el tramo a reparar y preparar un tubo de desviación. Sin embargo, en la mayoría de los casos, las reparaciones se realizan en la tubería desconectada. El aislamiento de un tramo de tubería se realiza con tapas o válvulas de corte. Después se instala el equipamiento necesario y se realizan las reparaciones. Las reparaciones requieren que el tramo a reparar esté desconectado del medio y de la presión. Terminadas las reparaciones, las tapas se quitan, restaurando la integridad de la tubería.


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