Tubería (transporte de fluidos)

Una tubería es un conducto tubular o cilindro hueco, generalmente de sección circular , aunque no necesariamente , que se utiliza principalmente para transportar sustancias fluidas : líquidos y gases , lodos , polvos y masas de sólidos pequeños. También puede emplearse en aplicaciones estructurales ; una tubería hueca es mucho más rígida por unidad de peso que los elementos macizos. 

En el uso común, los términos tubería y tubo suelen ser intercambiables, pero en la industria y la ingeniería, se definen de forma específica. Según la norma aplicable a su fabricación, la tubería se especifica generalmente por un diámetro nominal con un diámetro exterior (DE) constante y una cédula que define el espesor. El tubo se especifica con mayor frecuencia por el DE y el espesor de pared, pero puede especificarse por cualquiera de los siguientes dos parámetros: DE, diámetro interior (DI) y espesor de pared. La tubería se fabrica generalmente según una de las diversas normas industriales internacionales y nacionales. ^{[ 1 ]} Si bien existen normas similares para tuberías de aplicaciones industriales específicas, el tubo se fabrica a menudo a medida y con una gama más amplia de diámetros y tolerancias. Existen numerosas normas industriales y gubernamentales para la producción de tuberías. El término "tubo" también se aplica comúnmente a secciones no cilíndricas, es decir, tubos cuadrados o rectangulares. En general, "tubería" es el término más común en la mayor parte del mundo, mientras que "tubo" se usa con mayor frecuencia en Estados Unidos.

Tanto "tubo" como "tubería" implican rigidez y permanencia, mientras que una manguera suele ser portátil y flexible. Los conjuntos de tuberías casi siempre se construyen con accesorios como codos, tes, etc., mientras que los tubos se pueden moldear o doblar para obtener configuraciones personalizadas. Para materiales inflexibles, que no se pueden moldear o cuya construcción está regulada por códigos o normas, los conjuntos de tubos también se construyen con accesorios.

• Plomería
• agua del grifo
• Riego
• Oleoductos que transportan gas o líquidos a largas distancias.
• Sistemas de aire comprimido
• Revestimiento para pilotes de hormigón utilizados en proyectos de construcción
• Procesos de fabricación a alta temperatura o alta presión
• La industria petrolera:
  • revestimiento de pozos petrolíferos
  • Equipos para refinerías de petróleo
• Suministro de fluidos, ya sean gaseosos o líquidos, en una planta de proceso desde un punto a otro en el proceso.
• Entrega de sólidos a granel en una planta de procesamiento de alimentos, de un punto a otro en el proceso.
• La construcción de recipientes de almacenamiento de alta presión ( los recipientes de gran presión se construyen con placas, no con tuberías, debido al espesor de sus paredes y a su tamaño).

Además, las tuberías se utilizan para muchos fines que no implican el transporte de fluidos. Barandillas , andamios y estructuras de soporte suelen construirse con tuberías estructurales, especialmente en entornos industriales.

El primer uso conocido de tuberías se remonta al Antiguo Egipto . La Pirámide de Sahure , terminada alrededor del siglo XXV a. C., incluía un templo con un elaborado sistema de drenaje que comprendía más de 380 m (1247 pies) de tuberías de cobre. ^{[ 2 ]}  

Durante las guerras napoleónicas, los armeros de Birmingham intentaron utilizar laminadoras para fabricar cañones de mosquete de hierro. ^{[ 3 ]} Uno de ellos, Henry Osborne, desarrolló un proceso relativamente eficaz en 1817 con el que comenzó a fabricar tubos de gas de hierro hacia 1820, vendiendo algunos al pionero del alumbrado de gas Samuel Clegg . ^{[ 4 ]}

Cuando se introdujeron los tubos de acero en el siglo XIX, inicialmente se remachaban y, posteriormente, se sujetaban con barras en forma de H (aunque ya en la década de 1870 se conocían métodos para fabricar tubos de acero sin soldadura ^{[ 5 ]} ), hasta que a principios de la década de 1930 estos métodos fueron reemplazados por la soldadura , que todavía se utiliza ampliamente en la actualidad. ^{[ 6 ]}

Existen tres procesos para la fabricación de tuberías metálicas. La fundición centrífuga de metal aleado en caliente es uno de los procesos más destacados. Las tuberías de hierro dúctil se fabrican generalmente de esta manera.

La tubería sin costura (SMLS) se forma estirando un lingote sólido sobre una varilla perforadora para crear la pared hueca en un proceso llamado perforación rotativa . Dado que el proceso de fabricación no incluye soldadura, las tuberías sin costura se consideran más resistentes y fiables. Históricamente, se creía que la tubería sin costura soportaba mejor la presión que otros tipos y, a menudo, era más fácil de conseguir que la tubería soldada .

Los avances logrados desde la década de 1970 en materiales, control de procesos y ensayos no destructivos permiten que las tuberías soldadas, con las especificaciones adecuadas, reemplacen a las tuberías sin costura en muchas aplicaciones. Las tuberías soldadas se forman mediante el laminado de una chapa y la soldadura de la costura (generalmente por soldadura por resistencia eléctrica o soldadura por fusión eléctrica). El exceso de soldadura se puede eliminar de las superficies internas y externas con una cuchilla de biselado. La zona de soldadura también se puede tratar térmicamente para reducir la visibilidad de la costura. Las tuberías soldadas suelen tener tolerancias dimensionales más estrictas que las tuberías sin costura y su fabricación puede ser más económica.

Existen diversos procesos para la fabricación de tuberías ERW. Cada uno de ellos implica la coalescencia o fusión de componentes de acero para formar las tuberías. Se aplica corriente eléctrica a las superficies que se van a soldar; al oponer resistencia a la corriente, los componentes generan calor, lo que da lugar a la soldadura. Al pasar una corriente eléctrica intensa a través del metal, se forman charcos de metal fundido en la unión de las dos superficies; estos charcos de metal fundido constituyen la soldadura que une los dos componentes.

Las tuberías ERW se fabrican mediante la soldadura longitudinal de acero. El proceso de soldadura para tuberías ERW es continuo, a diferencia de la soldadura de secciones separadas a intervalos. El proceso ERW utiliza bobinas de acero como materia prima.

El proceso de soldadura por inducción de alta frecuencia (HFI) se utiliza para la fabricación de tuberías ERW. En este proceso, la corriente para soldar la tubería se aplica mediante una bobina de inducción que rodea el tubo. Generalmente, se considera que la soldadura HFI es técnicamente superior a la soldadura ERW convencional para la fabricación de tuberías destinadas a aplicaciones críticas, como las del sector energético, además de otros usos en tuberías de conducción, así como en revestimientos y tuberías de producción.

Las tuberías de gran diámetro ( 25 centímetros (10 pulgadas) o más) pueden ser ERW, EFW o soldadas por arco sumergido ("SAW"). Existen dos tecnologías para fabricar tuberías de acero de mayor tamaño que las producidas mediante procesos sin costura y ERW. Los dos tipos de tuberías producidas con estas tecnologías son las soldadas por arco sumergido longitudinal (LSAW) y las soldadas por arco sumergido espiral (SSAW). Las tuberías LSAW se fabrican doblando y soldando placas anchas de acero y se utilizan con mayor frecuencia en aplicaciones de la industria del petróleo y el gas. Debido a su alto costo, las tuberías LSAW rara vez se utilizan en aplicaciones no energéticas de menor valor, como las tuberías de agua. Las tuberías SSAW se producen mediante soldadura espiral (helicoidal) de bobinas de acero y presentan una ventaja de costo sobre las tuberías LSAW, ya que el proceso utiliza bobinas en lugar de placas de acero. Por lo tanto, en aplicaciones donde la soldadura espiral es aceptable, las tuberías SSAW pueden ser preferibles a las LSAW. Tanto las tuberías LSAW como las tuberías SSAW compiten con las tuberías ERW y las tuberías sin costura en los rangos de diámetro de 16” a 24”. 

Los tubos para el paso de fluidos, ya sean de metal o de plástico, generalmente se fabrican mediante extrusión .

Los tamaños de las tuberías pueden resultar confusos debido a que la terminología puede estar relacionada con dimensiones históricas. Por ejemplo, una tubería de hierro de media pulgada no tiene ninguna dimensión que sea de media pulgada. Inicialmente, una tubería de media pulgada tenía un diámetro interior de 1/2 pulgada (13 mm ) , pero también tenía paredes gruesas. Con el avance de la tecnología, se hicieron posibles paredes más delgadas, pero el diámetro exterior se mantuvo igual para que pudiera acoplarse con las tuberías antiguas existentes, aumentando el diámetro interior más allá de la media pulgada. La historia de las tuberías de cobre es similar. En la década de 1930, la tubería se designaba por su diámetro interno y un espesor de pared de 1/16 de pulgada (1,6 mm) . En consecuencia, una tubería de cobre de 1 pulgada (25 mm) tenía un diámetro exterior de 1 + 1/8 de pulgada (28,58 mm) . El diámetro exterior era la dimensión importante para el acoplamiento con los accesorios. El espesor de pared en el cobre moderno suele ser menor que 1/16 de pulgada (1,6 mm) , por lo que el diámetro interno es solo "nominal" en lugar de una dimensión de control. ^{[ 8 ]} Las tecnologías de tuberías más nuevas a veces adoptaron un sistema de dimensionamiento propio. La tubería de PVC utiliza el Tamaño Nominal de Tubería .     

Las dimensiones de las tuberías se especifican mediante una serie de normas nacionales e internacionales, entre las que se incluyen API 5L, ANSI / ASME B36.10M y B36.19M en EE. UU., BS 1600 y BS EN 10255 en el Reino Unido y Europa.

Existen dos métodos comunes para designar el diámetro exterior (DE) de las tuberías. El método norteamericano se denomina Tamaño Nominal de Tubería (NPS) y se basa en pulgadas (también conocido como NB, "Diámetro Nominal"). La versión europea se denomina DN ("Diámetro Nominal") y se basa en milímetros. Designar el diámetro exterior permite unir tuberías del mismo tamaño, independientemente del espesor de la pared.

• Para diámetros de tubería inferiores a 14  pulgadas NPS (DN 350), ambos métodos proporcionan un valor nominal para el diámetro exterior (DE) redondeado, que no coincide con el DE real. Por ejemplo,  una tubería de 2 pulgadas NPS y DN 50 es la misma, pero su DE real es de 2,375 pulgadas o 60,33 milímetros . La única forma de obtener el DE real es consultarlo en una tabla de referencia.
• Para tamaños de tubería de NPS 14  pulgadas (DN 350) o mayores, el tamaño NPS es el diámetro real en pulgadas y el tamaño DN es igual a NPS multiplicado por 25 (no 25,4) redondeado a un múltiplo conveniente de 50. Por ejemplo, NPS 14 tiene un diámetro exterior de 14 pulgadas o 355,60 milímetros , y es equivalente a DN 350.

Dado que el diámetro exterior es fijo para un tamaño de tubería determinado, el diámetro interior variará según el espesor de la pared. Por ejemplo, una tubería de 2" Schedule 80 tiene paredes más gruesas y, por lo tanto, un diámetro interior menor que una tubería de 2" Schedule 40 .

Las tuberías de acero se fabrican desde hace unos 150 años. Los tamaños de tubería que se utilizan hoy en día en PVC y galvanizado se diseñaron originalmente hace años para tuberías de acero. El sistema de numeración, como Sch 40, 80 y 160, se estableció hace mucho tiempo y puede parecer un poco extraño. Por ejemplo, la tubería Sch 20 es incluso más delgada que la Sch 40, pero tiene el mismo diámetro exterior. Y si bien estas tuberías se basan en los tamaños de las antiguas tuberías de acero, existen otras, como las de CPVC para agua caliente, que utilizan tamaños de tubería, tanto internos como externos, basados ​​en los antiguos estándares de tuberías de cobre en lugar de acero.

Existen diversas normas para la clasificación de tuberías, y su prevalencia varía según la industria y la zona geográfica. La designación del tamaño de la tubería generalmente incluye dos números: uno que indica el diámetro exterior (DE) o nominal, y otro que indica el espesor de la pared. A principios del siglo XX, las tuberías estadounidenses se clasificaban según su diámetro interior. Esta práctica se abandonó para mejorar la compatibilidad con los accesorios, que normalmente deben ajustarse al diámetro exterior de la tubería, pero ha tenido un impacto duradero en las normas modernas a nivel mundial.

En Norteamérica y el Reino Unido, las tuberías a presión se especifican generalmente mediante el Tamaño Nominal de Tubería (NPS) y el cédula (SCH). Los tamaños de tubería se documentan según diversas normas, como API 5L, ANSI / ASME B36.10M (Tabla 1) en EE. UU. y BS 1600 y BS 1387 en el Reino Unido. Normalmente, el espesor de pared es la variable controlada, mientras que el Diámetro Interior (DI) puede variar. El espesor de pared presenta una variación aproximada del 12,5 %.

En el resto de Europa, las tuberías a presión utilizan los mismos diámetros interiores y espesores de pared que el tamaño nominal de tubería (NPS), pero se etiquetan con un diámetro nominal métrico (DN) en lugar del NPS imperial. Para NPS mayores de 14, el DN es igual al NPS multiplicado por 25 (no por 25,4). Esto está documentado en las normas EN 10255 (anteriormente DIN 2448 y BS 1387) e ISO 65:1981, y a menudo se denomina tubería DIN o ISO.

Japón tiene su propio conjunto de tamaños estándar de tuberías, a menudo denominados tuberías JIS .

El sistema IPS ( Iron Pipe Size ) es un sistema antiguo que todavía utilizan algunos fabricantes y en planos y equipos heredados. El número IPS es el mismo que el número NPS, pero los cédulas se limitaban a pared estándar (STD), extrafuerte (XS) y doble extrafuerte (XXS). STD es idéntico a SCH 40 para NPS 1/8 a NPS 10, ambos inclusive, e indica un espesor de pared de 0,375" para NPS 12 y mayores. XS es ​​idéntico a SCH 80 para NPS 1/8 a NPS 8, ambos inclusive, e indica un espesor de pared de 0,500" para NPS 8 y mayores. Existen diferentes definiciones para XXS, sin embargo, nunca es lo mismo que SCH 160. De hecho, XXS es ​​más grueso que SCH 160 para NPS 1/8" a 6" ambos inclusive, mientras que SCH 160 es más grueso que XXS para NPS 8" y mayores.

Otro sistema antiguo es el de tamaño de tubería de hierro dúctil (DIPS, por sus siglas en inglés), que generalmente tiene diámetros exteriores mayores que el IPS.

En Estados Unidos, los tubos de cobre para fontanería residencial siguen un sistema de tamaños completamente diferente, a menudo denominado Tamaño de Tubo de Cobre (CTS); véase sistema de agua doméstico . Su tamaño nominal no corresponde ni al diámetro interior ni al exterior. Los tubos de plástico, como el PVC y el CPVC, para aplicaciones de fontanería también tienen diferentes estándares de tamaño .

Las aplicaciones agrícolas utilizan tamaños PIP, que significa Tubería de Riego de Plástico . El PIP viene en clasificaciones de presión de 22 psi (150 kPa) , 50 psi (340 kPa) , 80 psi (550 kPa) , 100 psi (690 kPa) y 125 psi (860 kPa) y generalmente está disponible en diámetros de 6, 8, 10, 12, 15 , 18, 21 y 24 pulgadas (15, 20, 25, 30, 38, 46, 53 y 61 cm) .                       

La fabricación e instalación de tuberías a presión están estrictamente reguladas por la serie de códigos ASME "B31", como B31.1 o B31.3, que se basan en el Código ASME de Calderas y Recipientes a Presión (BPVC) . Este código tiene fuerza de ley en Canadá y Estados Unidos. Europa y el resto del mundo cuentan con un sistema de códigos equivalente. Las tuberías a presión son, en general, aquellas que deben soportar presiones superiores a 10 a 25 atmósferas, si bien las definiciones varían. Para garantizar el funcionamiento seguro del sistema, la fabricación, el almacenamiento, la soldadura, las pruebas, etc., de las tuberías a presión deben cumplir con rigurosos estándares de calidad.

Las normas de fabricación de tuberías suelen requerir una prueba de composición química y una serie de pruebas de resistencia mecánica para cada lote de tubería. Un lote de tubería se forja a partir del mismo lingote fundido y, por lo tanto, tiene la misma composición química. Las pruebas mecánicas pueden estar asociadas a un lote de tubería, que pertenecería al mismo lote y habría pasado por los mismos procesos de tratamiento térmico. El fabricante realiza estas pruebas e informa la composición en un informe de trazabilidad de fábrica y las pruebas mecánicas en un informe de prueba de material , ambos conocidos por el acrónimo MTR. El material con estos informes de prueba asociados se denomina trazable . Para aplicaciones críticas, puede ser necesaria la verificación de estas pruebas por parte de terceros; en este caso, un laboratorio independiente producirá un informe de prueba de material certificado (CMTR), y el material se denominará certificado .

Algunos estándares o clases de tuberías ampliamente utilizados son:

• La gama API – ahora ISO 3183. Por ejemplo: API 5L Grado B – ahora ISO L245, donde el número indica el límite elástico en MPa.
• ASME SA106 Grado B (Tubería de acero al carbono sin costura para servicio a altas temperaturas)
• ASTM A312 (Tubos de acero inoxidable austenítico sin costura y soldados)
• ASTM C76 (Tubería de hormigón)
• ASTM D3033/3034 (Tubería de PVC)
• ASTM D2239 (Tubería de polietileno)
• ISO 14692 (Industrias del petróleo y del gas natural. Tuberías de plástico reforzado con fibra de vidrio (PRFV). Calificación y fabricación)
• ASTM A36 (Tubería de acero al carbono para uso estructural o de baja presión)
• ASTM A795 (Tubería de acero específica para sistemas de rociadores contra incendios)

La norma API 5L se modificó en la segunda mitad de 2008, pasando de la edición 43 a la 44, para que fuera idéntica a la ISO 3183. Este cambio generó el requisito de que las tuberías ERW para servicio en ambientes corrosivos superen una prueba de agrietamiento inducido por hidrógeno (HIC) según la norma NACE TM0284 para poder ser utilizadas en dichos ambientes.

• ACPA [Asociación Estadounidense de Tuberías de Hormigón]
• AWWA [Asociación Estadounidense de Obras Hidráulicas]
• AWWA M45

La instalación de tuberías suele ser más costosa que el material, y se han desarrollado diversas herramientas, técnicas y piezas especializadas para facilitar este proceso. Las tuberías se suelen entregar al cliente o a la obra en tramos o longitudes (normalmente de 6,1 m , denominadas longitudes aleatorias simples) o bien se prefabrican con codos, tes y válvulas en un carrete de tubería prefabricado [un carrete de tubería es una pieza de tubería y accesorios preensamblados, generalmente preparados en taller para que la instalación en la obra sea más eficiente]. Normalmente, las tuberías de menos de 5,1 cm no se prefabrican. Los carretes de tubería suelen estar etiquetados con un código de barras y los extremos están tapados (de plástico) para su protección. Las tuberías y los carretes se entregan en un almacén en una obra comercial/industrial de gran envergadura y pueden almacenarse en interiores o en un patio de almacenamiento cuadriculado. La tubería o el carrete se recupera, se prepara, se monta y, finalmente, se eleva hasta su posición final. En trabajos de gran envergadura, el izamiento se realiza mediante grúas , polipastos y otros sistemas de elevación de materiales. Generalmente, se les proporciona soporte temporal a la estructura de acero mediante abrazaderas, correas y pequeños polipastos hasta que se fijan o aseguran los soportes de las tuberías .  

Un ejemplo de herramienta utilizada para la instalación de tuberías pequeñas (con extremos roscados) es la llave para tubos . Las tuberías pequeñas no suelen ser pesadas y pueden ser colocadas fácilmente por el operario de instalación. Sin embargo, durante una parada o mantenimiento de la planta, las tuberías pequeñas (de diámetro reducido) pueden prefabricarse para agilizar la instalación. Una vez instaladas, se comprueba si hay fugas. Antes de la prueba, puede ser necesario limpiarlas con aire comprimido, vapor o un líquido.

Las tuberías se unen comúnmente mediante soldadura , utilizando tuberías y accesorios roscados; sellando la conexión con un compuesto para roscas de tuberías, cinta de sellado de roscas de politetrafluoroetileno (PTFE) , estopa o cordón de PTFE, o mediante un acoplamiento mecánico. Las tuberías de proceso generalmente se unen mediante soldadura utilizando un proceso TIG o MIG. La unión más común en tuberías de proceso es la soldadura a tope. Los extremos de las tuberías que se van a soldar deben tener una preparación de soldadura específica llamada Preparación de Soldadura de Extremo (EWP), que generalmente tiene un ángulo de 37,5 grados para alojar el metal de aporte de soldadura. La rosca de tubería más común en Norteamérica es la Rosca Nacional para Tuberías (NPT) o la versión Dryseal (NPTF). Otras roscas de tubería incluyen la Rosca de Tubería Estándar Británica (BSPT), la rosca para manguera de jardín (GHT) y el acoplamiento para manguera contra incendios (NST).

Las tuberías de cobre se unen normalmente mediante soldadura , soldadura fuerte , conexiones de compresión , abocardado o engaste . Las tuberías de plástico se pueden unir mediante soldadura con disolvente , fusión térmica o sellado elastomérico.

Si se requiere una desconexión frecuente, las bridas o uniones con juntas ofrecen mayor fiabilidad que las roscas. Algunas tuberías de paredes delgadas de material dúctil, como las tuberías de cobre o plástico flexible más pequeñas que se encuentran en los hogares para máquinas de hielo y humidificadores, por ejemplo, pueden unirse con conexiones de compresión .

Las tuberías subterráneas suelen utilizar juntas de tipo "a presión" que comprimen una junta en el espacio formado entre las dos piezas contiguas. Las juntas de tipo "a presión" están disponibles para la mayoría de los tipos de tubería. Se debe utilizar un lubricante para juntas de tubería durante el montaje. En condiciones subterráneas, las tuberías con juntas permiten el movimiento lateral debido al desplazamiento del suelo, así como la expansión/contracción debida a las diferencias de temperatura. ^{[ 10 ]} Las tuberías de gas y aguade plásticoMDPEyHDPE también se unen frecuentemente conde electrofusión.

Las tuberías de gran diámetro instaladas sobre el suelo suelen utilizar una junta bridada, generalmente disponible en tuberías de hierro dúctil y otros materiales. Se trata de un sistema de junta en el que las bridas de las tuberías contiguas se atornillan entre sí, comprimiendo la junta en el espacio entre las tuberías.

Los acoplamientos mecánicos ranurados o juntas Victaulic también se utilizan con frecuencia para el desmontaje y montaje repetidos. Desarrollados en la década de 1920, estos acoplamientos mecánicos ranurados pueden operar con presiones de trabajo de hasta 120 libras por pulgada cuadrada (830 kPa) y están disponibles en materiales que se adaptan al grado de la tubería. Otro tipo de acoplamiento mecánico es el racor de tubo sin abocardado (entre las principales marcas se incluyen Swagelok, Ham-Let y Parker); este tipo de racor de compresión se utiliza normalmente en tuberías pequeñas de menos de 2 pulgadas (51 mm) de diámetro.  

Cuando las tuberías se unen en cámaras donde se necesitan otros componentes para la gestión de la red (como válvulas o manómetros), generalmente se utilizan juntas desmontables para facilitar el montaje y desmontaje.

Accesorios y válvulas

Los racores también se utilizan para dividir o unir varias tuberías, entre otros fines. Existe una amplia variedad de racores estandarizados; generalmente se clasifican en tes, codos, derivaciones, reductores/amplificadores o bifurcaciones. Las válvulas controlan el flujo de fluidos y regulan la presión. Los artículos sobre racores y válvulas para tuberías y fontanería los abordan con mayor detalle.

El interior de las tuberías se puede limpiar mediante un proceso de limpieza de tubos si están contaminadas con residuos o incrustaciones . Esto depende del proceso para el que se utilizará la tubería y del nivel de limpieza requerido. En algunos casos, las tuberías se limpian con un dispositivo de desplazamiento conocido como medidor de inspección de tuberías o "pig"; alternativamente, se pueden enjuagar químicamente con soluciones especializadas que se bombean a través de ellas. En algunos casos, cuando se ha tenido cuidado en la fabricación, el almacenamiento y la instalación de las tuberías, estas se limpian con aire comprimido o nitrógeno.

Las tuberías se utilizan ampliamente en la fabricación de pasamanos, barandillas y barandillas de seguridad.

La industria de tuberías se puede subdividir según los materiales con los que se fabrican. Estos son metal, termoplástico, termoestable/compuesto y hormigón. Ejemplos de metales son el cobre y el acero inoxidable. Un termoplástico ilustrativo es el polietileno de alta densidad . Un termoestable/compuesto ampliamente utilizado es el PVC. ^{[ 11 ]}