Expansión térmica, contracción y control de esas fuerzas en un sistema de tuberías de plástico

Muchos sistemas y construcciones de ingeniería se dilatan y contraen debido a los cambios de temperatura ambiente. Durante la ola de calor más reciente, muchos de nosotros sufrimos retrasos en el transporte público -sobre todo en el servicio ferroviario- debido al efecto del calor excesivo en los cables de la catenaria y los raíles de acero del ferrocarril. Los trenes circulan a velocidad reducida para limitar la tensión sobre los raíles (para que no se doblen) y evitar que se enreden en los cables aéreos debido a un pandeo excesivo por el calor. Del mismo modo, todos hemos visto y sentido juntas de dilatación al pasar por puentes y pasos elevados. Los sistemas de tuberías no son diferentes. Todos los materiales de las tuberías se dilatan y contraen debido a los cambios de temperatura del medio y/o las condiciones ambientales. Cuando se trabaja con materiales termoplásticos para tuberías, es importante tener en cuenta estos factores en el diseño. Una «regla empírica» para las tuberías de polietileno y polipropileno es que se dilatan por 1/10/100; es decir, 100 pies de tubería se dilatarán (o contraerán) 1 pulgada por cada 10 grados F de cambio de temperatura respecto a su temperatura de instalación.
Los valores reales del coeficiente lineal de dilatación térmica, según ISO 11359-2, son: PPR: K^(-1) x 10^(-4) 1,5
PE100RC: K^(-1) x 10^(-4) 1,8
PVDF: K^(-1) x 10^(-4) 1,2
ECTFE: K^(-1) x 10^(-4) 0,8 Para ilustrarlo, si se instalan 200 pies de tubería de polipropileno SDR 11 de 2″ a 70° F, y la instalación se expone a temperaturas ambiente de 100° F, ese tramo de 200 pies querrá crecer ~6 pulgadas. En las tuberías de polietileno se observaría un crecimiento similar, pero más largo. Asahi/America ofrece tuberías de PVDF y ECTFE, que crecen a ~0,80″ y ~0,53″ por 10° F Δ T por 100 pies de tubería, respectivamente. De nuevo, este mismo crecimiento se produciría si la temperatura del medio cambiara de 70° F a 100° F. Como muestra el ejemplo anterior, puede producirse un crecimiento considerable en un sistema de tuberías de proceso termoplásticas, que debe abordarse adecuadamente.
Para los sistemas de tuberías de pared simple, la expansión y contracción pueden abordarse de varias maneras; podrían construirse compensaciones de expansión, o bucles de expansión, en el sistema para acomodar el movimiento. Aquí se muestran algunos ejemplos, basados en la instalación de polipropileno anterior:

Si estos tramos o bucles son demasiado grandes para el lugar, se puede utilizar más de uno para que la instalación sea más manejable. Además, la propia instalación de tuberías suele ofrecer curvas, caídas y giros que pueden integrarse en «bucles de expansión» de forma natural. Sin embargo, hay veces en que estos dispositivos son demasiado grandes o engorrosos de instalar, y es necesario emplear otros métodos. Ciertamente, se pueden utilizar fuelles de expansión, mangueras flexibles y similares, pero deben ser compatibles con el medio del proceso y las características y condiciones de funcionamiento. También pueden ser grandes y engorrosos.

Otra opción es considerar un sistema anclado y guiado. Asahi/America ofrece productos en materiales de poliolefina y fluoropolímero. Cuando las condiciones lo permiten, estos materiales pueden mantenerse firmemente en su posición mediante accesorios de sujeción y guías. Este método utiliza la ductilidad natural de los materiales para aceptar las tensiones generadas por las fuerzas de expansión y contracción y dirigirlas a los accesorios de retención, que actúan como bloques de empuje. Se proporcionan las fuerzas adecuadas para anclar correctamente el accesorio de retención a la estructura. Este método se suele utilizar en instalaciones de persecución, zanjas y túneles, en las que no es factible utilizar patas de arena de bucle. Es preferible instalar bucles y patas, ya que tienden a minimizar la tensión inducida, pero en muchos casos, el método de anclaje y guía es aceptable. Se pueden hacer cálculos para confirmar este tipo de instalación. Cuando se trabaja con sistemas de tuberías de doble contención, hay que tener en cuenta la dilatación y la contracción, pero ahora hay que analizar dos movimientos de la tubería. La tubería portadora interna está sujeta a la temperatura inicial de instalación y a las oscilaciones de temperatura, si las hay, del medio. Esto debe considerarse en relación con el espacio confinado de la tubería de contención, que está sujeta a las oscilaciones de temperatura ambiente, si el sistema de tuberías se instala por encima del nivel del suelo. Se pueden utilizar métodos similares para controlar las tuberías de pared simple, pero hay que tener en cuenta las situaciones en las que la tubería portadora puede estar creciendo dentro de una tubería de contención que puede haberse contraído.

La mayoría de los sistemas de doble contención tienen un espacio anular «estándar» entre las tuberías, y puede que haya que ampliarlo (aumentando el tamaño de la tubería de contención exterior) para proporcionar más espacio interno al movimiento de la tubería portadora. Una forma de hacerlo sería dirigir el movimiento hacia codos de 90 grados y ampliar el exterior de 90 para aceptar el movimiento interno de la tubería.

Cuando los tubos interior y exterior son del mismo material, pueden utilizarse accesorios de doble contención, llamados Dogbones®, para anclar simultáneamente los tubos interior y exterior. Esto permite al diseñador tratar el crecimiento de doble contención de forma muy similar al anclaje y guiado de pared simple, y minimiza, y posiblemente elimina, la necesidad de bucles de expansión/contracción. Las tuberías termoplásticas se dilatan y contraen hasta tal punto que siempre hay que tener en cuenta esas acciones, aunque sean mínimas y no tengan consecuencias. Sin embargo, hay ocasiones en que estos movimientos y fuerzas deben tenerse en cuenta, y acabamos de explorar algunas de las formas más comunes de abordarlos. Asahi/America está bien equipada para ayudar al diseñador a controlar estas fuerzas. Disponemos de herramientas online de ayuda, como nuestra calculadora de dilatación, y nuestro equipo de servicios técnicos está preparado para ofrecer orientación en profundidad y diseño de componentes para aplicaciones especiales.

AVISO DEL EDITOR: Ten en cuenta que la información de este artículo sólo tiene fines educativos y no sustituye a ninguna información técnica ni especificación de producto de Asahi/America. Consulta al departamento técnico de Asahi/America en el 1-800-343-3618 o en pipe@asahi-america.com sobre todas las aplicaciones de productos en lo que respecta a la selección de materiales en función de la presión, la temperatura, los factores medioambientales, los productos químicos, los medios, la aplicación, etc.