Normas y Reglamentos Normas ANSI para Instalaciones Hidráulicas. CÁLCULO GENERAL DE TUBERÍAS. Datos: - Fluido (agua, vapor, gas natural, gases de escape, fuel óleo, aceite térmico) - Presión (P, bar) - Temperatura (T, ºC), - Caudal másico (q, t/h para vapor/agua, kg/s para el resto) - Para el caso de agua o Título o Tipo (aspiración o impulsión)
Densidad i caudal volumétrico 3 3 3 El caudal volumétrico [m /h o m /s] se calcula mediante la densidad [kg/m ] y el caudal másico [t/h o kg/s, según el fluido]: Caudal volumétrico = Caudal másico / densidad El caudal másico se expresa en t/h para el agua y el vapor de agua mientras que para el resto de 3 fluidos se expresa en kg/s. Así mismo, el caudal volumétrico se expresa en m /h para los 3 líquidos (agua, fuel, aceite térmico) y vapor, y en m /s para los gases (gas natural, gases calientes y aire).
Selección del Material La selección del material se realiza según la temperatura de diseño del fluido, debiéndose tener en cuenta que la tubería nunca deberá trabajar a temperaturas por encima del valor máximo aceptable del material. Selección del Material según ANSI Los materiales aceptados por la normativa ANSI (ASME B31.1) aparecen en los apéndices de la misma. Estos son: A-1 Aceros al carbono A-2 Aceros de baja y media aleación A-3 Aceros inoxidables A-4 Ni y aleaciones de alto Ni A-5 Fundición
A-6 Cobre y aleaciones de Cu A-7 Aluminio y aleaciones A-8 Temperaturas > 1200ºF A-9 Titanio y aleaciones. En estos apéndices aparecen las temperaturas máximas de diseño para cada material, así como la tensión admisible a distintas temperaturas, entre otras propiedades. Presión nominal, PN [bar] La presión nominal, PN, es la presión máxima de agua para la cual la tubería o accesorio se ha diseñado. Para cada valor de PN, se debe introducir un coeficiente de seguridad en función de las condiciones de diseño. La presión nominal afecta a los accesorios (bridas principalmente), a efectos de cálculo para el dimensionado de la tubería la presión nominal no tiene ninguna aplicación, es únicamente informativo. Selección del PN según ANSI La presión nominal según la norma ANSI se mide en libras (#). En la Tabla 1.2 que se muestran a continuación se dan estas presiones nominales según la temperatura (en°F) y la presión (en psi). Existen presiones nominales de 150, 300, 400, 600, 900, 1500 y 2500 lb.
Diámetro nominal, DN (propuesto) A partir del caudal volumétrico, propone un diámetro nominal tal que asegure que la velocidad final del fluido esté dentro de las prácticas habituales en ingeniería, con el objetivo de controlar el ruido. Sin embargo el usuario será capaz de modificar este diámetro con tal de conseguir mayor o menor velocidad, variar el valor del mínimo espesor requerido para ahorrar costes, optimizar la pérdida de carga, etc.
Los diámetros nominales normalizados son los siguientes:
Cálculo Espesor mínimo, e [mm] El resultado del espesor calculado mínimo (sin márgenes ni tolerancias), depende del diámetro, la presión de diseño y la tensión admisible del material. Cálculo del espesor según la normativa ANSI Según el apartado 2 de la norma ASME B31.1 el espesor se calcula mediante la fórmula:
A-1 Aceros al carbono A-2 Aceros de baja y media aleación A-3 Inoxidables A-4 Ni y aleaciones de alto Ni A-5 Fundición A-6 Cobre y aleaciones de Cu A-7 Aluminio y aleaciones A-8 Temperaturas > 1200ºF A-9 Titanio y aleaciones y, coeficiente que depende del material y la temperatura de diseño, según la Tabla 4:
Espesor pedido (eord) → Tubos normalizados Para cada diámetro nominal de tubería (DN), existen diferentes tuberías normalizadas con distintos espesores, tal y como se observa en la Tabla 6 (ANSI). En esta misma tabla se observan también los diámetros exteriores (DE, [mm]) correspondiente a cada diámetro nominal de tubería. Habiendo determinado el diámetro nominal y el espesor pedido, y según la normativa considerada (americana: ANSI), se debe encontrar la tubería normalizada con un espesor inmediatamente superior al calculado. Selección del tubo normalizado según la normativa ANSI La Tabla 6.1 y la Tabla 6.2 indican el espesor y el diámetro interior [mm] de las tuberías normalizadas, según la normativa ANSI.
Este tubo responde a: Una vez seleccionado el tubo normalizado, ya sea el propuesto automáticamente por el software o elegido manualmente por el usuario la presión de diseño y la presión nominal a la que responde dicho tubo teniendo en cuenta el espesor normalizado que tiene el tubo (y no el espesor de cálculo). Para ello se calcula la nueva presión de diseño con la fórmula del espesor según la normativa.
Velocidad Conociendo el diámetro interior (Dint) según normativa, y con el caudal volumétrico (qv), se calcula la velocidad (u) mediante la siguiente fórmula:
Dónde: - u, velocidad [m/s] - qv, caudal volumétrico [m3/s] - Dint, diámetro interno [m]
Esta velocidad no podrá ser superior a la velocidad máxima admisible para cada fluido.
Pérdida de carga total. Pérdida de carga total para fluidos incompresibles. Puesto que para los fluidos incompresibles (agua, aceite térmico, fuel) la pérdida de carga por unidad de longitud no se da de forma cuadrática, la pérdida de carga total [Pa, N/m2] se calcula con la longitud equivalente de la tubería del siguiente modo:
Potencia de bomba. Mediante la pérdida de carga total, se calcula la potencia de bomba [kW] requerida para hacer frente a esta pérdida de carga. El rendimiento de la bomba puede ser introducido por el usuario. Aislamiento térmico de tuberías. El material para el aislamiento térmico es función de la temperatura del fluido, y se
selecciona mediante la Tabla 9. Los espesores mínimos de aislante se dan en la Tabla 9, de modo que se consigan los objetivos siguientes: prevención pérdidas de calor y protección personal.
Elementos de las instalaciones de fluidos. Una vez establecidas la presión y temperatura del fluido, hay que elegir los diversos aparatos que son: tubos, bridas, racores y fittings, válvulas que se emplean en todas las instalaciones y las bombas, aparatos de medida, etc., que son específicos de cada instalación. Tubos. Suelen ser de acero estirado sin soldadura y se designan por el diámetro de su orificio. También pueden ser de hierro dulce forjado, cobre, latón, polivinilo, hormigón armado, fibrocemento, etc. Los alemanes, ND = nominal durchmesser. Los americanos, diámetro interior en pulgadas. En España, DN = diámetro nominal. Los tubos suelen ser de 4 a 12 m. de largo. Las tuberías y sus símbolos están normalizados por las normas UNE 19001 al 19010 y por DIN 2448. Los tubos se acoplan para formar tuberías, en instalaciones fijas o desmontables. Las tuberías fijas se ensamblan, casi exclusivamente, por soldadura. Las uniones desmontables que más se emplean son: uniones por bridas, fittings, racores o uniones roscadas. Bridas, Fittings, Racores. Son elementos de unión de los tubos. Para diámetros de 50 y más se emplean siempre bridas y para diámetros menores fittings o bridas. Los fittings son codos, tes, cruces, etc. Tanto las bridas como los fittings se suelen soldar o roscar a los tubos. Los racores se emplean para tuberías delgadas y presiones elevadas. Diámetros menores de ½ “ pueden unirse al tubo sin rosca ni soldadura. BRIDAS
Se usan para presiones de 1 a 320 Kg/cm2 en toda clase de industrias químicas y petroquímicas. Aunque hay muchos tipos, para su montaje se suelda o rosca una brida a cada tubo, luego se intercala una junta entre ambas y se atornillan las dos bridas.
En la primera figura las bridas con cuello están soldadas al tubo, con un pequeño chaflán para el cordón de soldadura, y en la segunda las bridas están roscadas al tubo. Para poder hacer intercambiables los aparatos o instalaciones de procedencia alemana (DIN) y los de procedencia norteamericana (ANSI) se ha normalizado por ISO un tubo y unas bridas que permiten esta intercambiabilidad.
NORMALIZACIÓN EN INSTALACIONES DE FLUIDOS. Todos los aparatos que se emplean en las instalaciones de fluidos se representan por símbolos normalizados.
Normas ANSI para Marcado de Tuberías Los materiales peligrosos fluyen por millas de tuberías en muchas instalaciones industriales, comerciales e institucionales. Tal como sucede con los materiales peligrosos en otras situaciones, los sistemas de tuberías deben estar adecuadamente etiquetados para que la gente sepa los materiales que transportan. Las versiones anteriores (1981 y 1996) de la norma ANSI (Instituto Nacional de Normalización Estadounidense) A13.1 se unificaron en el Esquema para la Identificación de los Sistemas de Tuberías del ANSI/ASME (Sociedad Estadounidense de Materiales y Pruebas) A13.1. Esta norma unificada de ANSI/ASME A13.1, hace referencia al marcado de tuberías y brinda un método de etiqueta común para el uso en las instalaciones industriales, comerciales e institucionales y en edificios utilizados para reuniones públicas. Esta norma de marcado de tuberías de ANSI no se aplica para tuberías enterradas o canalización eléctrica. Requisitos de Etiqueta Las etiquetas de marcado de tuberías deben comunicar de forma efectiva el contenido de las tuberías y brindar información adicional si existieran peligros especiales (como por ejemplo temperaturas extremas o presiones). La leyenda debe ser breve y fácil de comprender. Por ejemplo, la leyenda "Steam 100 PSIG" especifica el contenido como también el peligro de tensión adicional. Junto con la leyenda, se debe usar una flecha para mostrar la dirección en la que fluye el material. Si el flujo puede ser en ambas direcciones, se deben mostrar las flechas en ambas direcciones. Las versiones anteriores (1981 y 1996) de la norma de marcado de tubería de ANSI A13.1 separaba a los materiales transportados en los sistemas de tuberías sobre el suelo en tres categorías:
Materiales altamente peligrosos: Incluye varias áreas peligrosas como los materiales corrosivos y cáusticos; sustancias que son tóxicas o que pueden generar gases tóxicos; materiales inflamables o explosivos; sustancias radioactivas; y materiales que, si se liberan, podrían ser peligrosos debido a temperaturas o presión extremas.
Materiales poco peligrosos: Materiales que no son peligrosos por naturaleza y tienen poca posibilidad de dañar a los empleados en temperatura moderada y baja presión.
Materiales para la contención de incendios: Los materiales para la protección contra incendios como por ejemplo espuma, dióxido de carbono(CO2), Halón y agua
Las tres clases de peligro tienen etiquetas de código de color asociadas con ellas. Todos los materiales altamente peligrosos usan caracteres negros en un fondo amarillo. La clase de materiales poco peligrosos está dividida en dos esquemas de color diferente: los líquidos o las mezclas de líquidos usan caracteres blancos en un fondo verde; los gases o mezclas gaseosas usan caracteres blancos sobre un fondo azul. La clase de contención de incendios usa letras blancas en un fondo rojo. Las letras en las etiquetas de las tuberías deben tener una altura de 1/2" como mínimo, y deben aumentar el tamaño a medida que aumenta el diámetro de la tubería. La edición 2007 de ANSI/ASME A13.1 cambió los requisitos del esquema de colores para las etiquetas. En esta nueva edición de la norma de marcado de tubería, existen 6 colores estándares en lugar de 4. Los nuevos requisitos de color de las etiquetas se establecen en función de los peligros característicos del contenido. Consulte la Tabla 2 a continuación para conocer los nuevos requisitos de color.
Colocación de Etiquetas Las etiquetas se deben colocar en las tuberías para facilitar la lectura. La ubicación correcta de la etiqueta es en la parte inferior de la tubería si el empleado debe mirar la tubería desde abajo, en la parte superior de la tubería, si el empleado debe mirar la tubería desde arriba, o directamente al frente si el empleado está a la misma altura que la tubería. Las etiquetas se deben colocar cerca de las válvulas, los ramales, donde haya un cambio de dirección, en los puntos de entrada/reentrada a través de puertas o pisos y en segmentos rectos con espacio entre las etiquetas para permitir una fácil identificación.
Normas ASTM para Instalaciones Hidráulicas. Introducción Los requisitos o características que debe cumplir una cañería (su diámetro nominal es distinto de su diámetro real) o un tubo (su diámetro, nominal coincide con su diámetro real)
están determinados por su aplicación o uso. Estos requisitos consisten fundamentalmente en reunir ciertas propiedades mecánicas y tener ciertas características de resistencia al medio al que serán expuestas, lo que está determinado, fundamentalmente, por el material, método de fabricación y tratamiento térmico de éste. Con el fin de ordenar, uniformar y asegurar la calidad, se han establecido normas que, como las ASTM, se preocupan de estos aspectos. Dado que no es económico imponer exigencias de fabricación que produzcan características no necesarias en una aplicación particular, no existe una norma única y se han desarrollado normas específicas para cada tipo de aplicación. De aquí que el número de normas ASTM existentes para cañerías y tubos es muy grande. ASTM ha organizado las múltiples normas en grupos separados. Todas aquellas que se refieren a metales ferrosos (hierro y aceros), llevan el prefijo A( ejemplo A312). Las que se refieren a metales no ferrosos, llevan el prefijo B (ejemplo, B622). Aquellas que Ilevan una doble designación como A789/A789M-99, contemplan unidades de medidas tanto imperiales como métricas (los, dígitos después del guión se refieren al año de publicación de la norma). Hay normas que se refieren a requisitos generales que son necesarios en un gran número de normas específicas (Ejemplo A530: Requisitos generales para cañerías especializadas de acero al carbono y aceros aleados) y hay otras que son específicas para un tipo de Aplicación particular (Ejemplo A270: Especificaciones estándar para tubos con y sin costura de acero inoxidable autentico de uso sanitario).
Normas ASTM
Para Tuberías y Accesorios de PVC
Las tuberías de PVC clasificadas por cédulas están normadas en la especificación ASTM Las siglas ASTM representan la American Society for Testing and Materials (Sociedad Norteamericana de Pruebas y Materiales), que es la entidad normativa más importante en los Estados Unidos. Cada especificación de materiales ASTM consiste en un extenso protocolo de especificaciones que las tuberías deben de cumplir íntegramente, cuyo cumplimiento se verifica mediante pruebas de laboratorio también especificadas por la ASTM. La mayoría de tuberías utilizadas en nuestro país están definidas según normativas ASTM o sus homologaciones a normas nacionales INTE del Instituto de Normas Técnicas de Costa Rica (INTECO). La adecuada selección y especificación de la tubería y accesorios de PVC aseguran sistemas hidráulicos óptimos en su funcionamiento y en su costo. Con ese fin, este documento pone a disposición del lector los conceptos y terminología básica que componen el particular lenguaje de las tuberías y accesorios de PVC. Diámetro nominal vs. Diámetro real. Cuando inspeccionamos un tubo de PVC SDR 17 de 50mm de diámetro nominal, llama nuestra atención que sus diámetros reales, tanto el externo (60,32 mm) como el interno (53,2 mm aprox.), distan de ser 50 mm. Igualmente ocurre si observamos un tubo de 50 mm de diámetro nominal Schedule 40, un tubo para instalaciones eléctricas (conduit) ó uno para agua caliente de CPVC, como muestra la siguiente tabla:
