¿Qué son los soportes de tuberías?
Los sistemas de tuberías deben ser capaces de soportar las fuerzas internas y externas aplicadas a ellos sin que el fluido del proceso se escape o se filtre del sistema. Para lograr esto, se utilizan soportes de tuberías. Este artículo analiza los diseños comunes de soportes de tuberías, sus tipos, cómo funcionan, el propósito de los soportes de tuberías y los problemas comunes asociados.
Soporte de Tubería Variable
¿Para qué se utilizan los soportes de tuberías?
Los soportes de tuberías se utilizan para:
- Sostener el peso de una sección de tubería.
- Adaptarse a la expansión térmica.
- Soportar cargas de choque (golpe de ariete y empuje hidráulico).
- Resistir la actividad sísmica (terremotos, etc.).
- Soportar cargas de viento (donde sea aplicable).
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¿Cómo funcionan los soportes de resorte para tuberías?
El principio de funcionamiento general de los colgadores de resorte se basa en la ley de Hooke, formulada por el científico inglés Robert Hooke. La deformación del material se mide en términos de elasticidad y plasticidad.
- Elasticidad – cuando un material se deforma debido al estrés aplicado y regresa a su forma original al eliminar el estrés.
- Plasticidad - cuando un material se deforma debido al estrés aplicado y no regresa a su forma original al eliminar el estrés.
Dentro del rango de elasticidad de un material, la cantidad de deformación en relación con el estrés aplicado se describe por la ley de Hooke. La relación entre el estrés y la deformación se describe mejor como la relación entre estrés y deformación. La deformación se expresa como una proporción que compara el cambio en la longitud con la longitud original; esta proporción no tiene unidades, es decir, no está restringida a métrico, imperial o cualquier otra forma de medición de distancia.
Ley de Hooke
Conociendo cuatro variables, es posible determinar cuánto se extenderá un material una vez que se aplique una presión dada. La ecuación es:
Esta simple relación lineal entre el estrés (fuerza) y la deformación (elongación) se formuló utilizando la siguiente notación.
P = fuerza que produce la extensión de la barra (lbf para unidades imperiales, Newton metros para unidades métricas)
= longitud de la barra (pulgadas imperiales, o milímetro, centímetro, o metro para métrico)
A = área de la sección transversal de la barra (pulgadas cuadradas imperiales, o milímetro, centímetro, o metro cuadrado métrico)
δ = elongación total de la barra (pulgadas imperiales, o milímetro, centímetro, o metro para métrico)
E = constante elástica del material, llamada Módulo de Elasticidad, o Módulo de Young (lbf/in.2 imperial, o Pascales (Pa) métrico)
Nota que un pascal es igual a un Newton por metro cuadrado.
La cantidad E, la proporción del estrés unitario al esfuerzo unitario, es el módulo de elasticidad de un material cuando está en tensión o compresión y a menudo se llama Módulo de Young.
Por lo tanto, conocer la ecuación anterior y las cuatro variables asociadas permite a los ingenieros calcular cuánto se extenderá un resorte una vez que se aplique una fuerza dada. Esto significa que los ingenieros también pueden calcular cuánto se extenderá un resorte en un colgador de resorte una vez que se aplique una fuerza/carga dada.
IMPORTANTE
La ley de Hooke solo es relevante para cálculos dentro del rango de elasticidad de un material! Una vez que una carga excede el rango de elasticidad de un material, entra en el rango de plasticidad, lo que lleva a una deformación permanente del material. La ley de Hooke no se mantiene dentro del rango de plasticidad de un material.
¿Cuál es la diferencia entre soportes primarios y secundarios?
Un soporte primario está directamente fijado a las partes y/o componentes del sistema de tuberías, mientras que un soporte secundario está conectado solo al soporte primario. Un sistema de tuberías se clasifica típicamente como cualquier elemento que soporte o esté unido al sistema. Por lo tanto, los soportes secundarios generalmente se consideran parte de un sistema de tuberías.
Soportes Primarios y Secundarios de Tuberías
Clasificaciones de Soportes de Tuberías
Existen varias formas de categorizar los soportes de tuberías, aunque una de las más comunes es por diseño de construcción. Los soportes de tuberías pueden ser rígidos, elásticos o ajustables.
Construcción Rígida
Los soportes de tuberías rígidos están fijados al sistema mediante soldadura o abrazaderas. Este tipo de soporte de tuberías es muy común, tiene un diseño simple y no se flexiona ni ajusta una vez instalado. Zapatas soldadas, zapatas de abrazadera, soportes de soporte, sujetadores de válvula y trunnions, son todos tipos de soporte de tuberías rígido.
Construcción Elástica
Los soportes de tuberías elásticos permiten el movimiento del sistema de tuberías. Los sistemas de alta temperatura siempre usarán soportes elásticos para adaptarse a la expansión térmica dentro del sistema. Hay dos tipos principales de soportes elásticos, estos son los tipos variable y constante (discutidos más adelante en este artículo).
Construcción Ajustable
Los soportes de tuberías ajustables son similares a los soportes de tuberías rígidos, pero permiten cierto ajuste al ser instalados. El ajuste generalmente implica poder rotar el soporte para alinearlo con la tubería y/o aumentar o disminuir su altura marginalmente para soportar mejor la tubería.
Juntas de Expansión y Bucles de Expansión
Las juntas de expansión y los bucles de expansión también se utilizan para adaptarse a la expansión térmica dentro de los sistemas de tuberías. Los requisitos de mantenimiento asociados con los bucles de expansión son mucho menores que los de las juntas de expansión. Las juntas de expansión tienden a agrietarse o fracturarse con el tiempo, especialmente cuando se exponen a ambientes hostiles, por ejemplo, regiones costeras con un ambiente salino corrosivo. Por esta razón, los bucles de tuberías se han convertido en una opción más popular entre los diseñadores de sistemas de tuberías en los últimos años.
Bucle de Tubería
¿Qué causa la expansión térmica en los sistemas de tuberías?
La expansión térmica en el material de la tubería ocurre a medida que aumenta la temperatura del material. A medida que los materiales se calientan, se expanden debido a la energía cinética que absorben del calor. Cuando un material se enfría, el material se contrae/encoge.
Las tuberías que operan dentro de un amplio rango de temperatura, por ejemplo, sistemas de vapor, se expandirán y contraerán a medida que la temperatura aumente y disminuya respectivamente. La cantidad de expansión o contracción depende del tipo de material de la tubería, longitud de la tubería y el rango de temperatura mínimo y máximo (delta T).
Expansión Térmica de la Tubería
Ejemplo
Una tubería de 50 metros de longitud experimenta un aumento de temperatura de 50⁰C. El efecto resultante sobre la longitud de la tubería será:
- 175mm de elongación si está fabricada de PVC.
- 40mm de elongación si está fabricada de cobre.
- 25mm de elongación si está fabricada de acero inoxidable.
Si los soportes de tuberías no se adaptan a esta expansión, la expansión creará una fuerza resultante que actúa sobre cualquier elemento fijo al que esté unido el sistema de tuberías. La fuerza excederá con creces cualquier restricción sobre el sistema de tuberías y, por lo tanto, es probable que ocurra daño al sistema de tuberías y al área circundante.
Soportes de Resorte
Los soportes de resorte utilizan resortes para adaptarse a la expansión térmica dentro de un sistema de tuberías y son un tipo de soporte elástico. Un soporte de resorte contiene un resorte que se comprime cuando se carga. Cuando no está cargado, el resorte regresa/se expande a su forma original.
Los resortes pueden instalarse individualmente o en serie (apilados uno sobre otro). El movimiento se categoriza en términos de dirección (arriba y abajo) y magnitud (distancia del movimiento).
Cada resorte tiene un cierto número de espiras (número de vueltas), y estas espiras se construyen a partir de ‘alambre’. Las espiras se enrollan para tener diferentes diámetros dependiendo de su diseño y propósito; la diferencia entre cada espira se mide por el paso. Una espira de gran diámetro se denomina ‘floja’, mientras que una espira de menor diámetro se denomina ‘apretada’. Los alambres se fabrican típicamente con diámetros de alambre estándar utilizando materiales aprobados estándar.
Nomenclatura de Resorte
Cómo Ajustar la Rigidez del Resorte
Ajustar el grosor del alambre de un resorte o la apretura de la espira de un resorte ajustará su rigidez (resistencia al cambio geométrico cuando está cargado). Por ejemplo, un resorte de alambre grueso requerirá más fuerza para comprimirse que un resorte de alambre delgado. Del mismo modo, un resorte enrollado ‘más apretado’ requerirá más fuerza para comprimirse que un resorte enrollado ‘más flojo’. Cambiar el material de un alambre también cambiará su rigidez, porque la densidad y estructura de los materiales varían.
Rigidez del Resorte
Tipos de Soporte de Resorte
Existen dos tipos de soporte de resorte, los tipos variable y constante. Ambos tipos pueden clasificarse además como soportes bajo o sobre la tubería. Los soportes bajo la tubería soportan la tubería desde abajo, mientras que los soportes sobre la tubería soportan la tubería desde arriba. Los soportes colgantes son un tipo de soporte sobre la tubería. Los soportes inferiores son un tipo de soporte bajo la tubería.
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Soporte Bajo la Tubería (soporte inferior)
Soporte de Resorte Constante
El soporte de resorte constante también se conoce como el ‘soporte de resorte de esfuerzo constante’. Este tipo de soporte está diseñado para que, sin importar qué carga se ejerza (del sistema de tuberías) sobre el soporte, la carga de soporte permanezca constante. La carga de soporte tampoco varía independientemente de la posición de la tubería (siempre que la tubería esté dentro del rango de trabajo diseñado del soporte).
Los soportes de resorte constante son más caros que los soportes de resorte variable y también son incapaces de autoajustar la carga; estas son las dos principales razones por las que no son tan comunes como los soportes de resorte variable. Otra desventaja es que el tiempo de entrega (tiempo de entrega) es más largo en comparación con los soportes de resorte variable; esto es un problema si se requiere un repuesto rápidamente.
Soporte de Resorte Variable
A medida que un resorte se comprime, su resistencia a una mayor compresión aumenta, por lo que el término ‘soporte de resorte variable’ se utiliza a menudo para describir este tipo de soporte (la fuerza de soporte varía). Los soportes de resorte variable no ofrecen soporte constante, pero se prefieren porque son más baratos que sus contrapartes de soporte constante. Como regla general, no más del 25% de la carga de trabajo máxima (generalmente la carga cuando el sistema de tuberías está en la condición operativa o ‘caliente’) debe transferirse a un soporte de resorte variable.