La expansión y contracción térmica son efecto de los cambios de temperatura, por ello la variación lineal de las dimensiones de las piezas de tubería es un fenómeno que puede ocurrir con cierta regularidad.
En este artículo haremos referencia a la expansión lineal como un efecto que sufren todos los materiales utilizados para tuberías de cualquier material, entre ellos los metales y plásticos.
En tuberías de sistemas industriales, incluida la tubería de CPVC industrial, la restricción del espacio libre en ambos extremos de cada sección del sistema llevará de la expansión lineal a una fuerza de compresión que causará, inevitablemente, daños en las piezas debido a la tensión mecánica.
Tomando en cuenta lo anterior, los ingenieros y diseñadores de sistemas de tuberías deben integrar en sus planos y procesos loops de expansión para evitar la carga de fuerza sobre los componentes utilizados, siguiendo ángulos rectos de acuerdo con los esquemas que presentamos a continuación:
Curvas y desviaciones para loops de expansión en sistemas de tuberías
Utilizar loops de expansión, compensaciones y cambios de dirección en los diseños ayuda a proporcionar un trazo lineal para los fluidos que son transportados en las tuberías. Sin embargo, hay características específicas de los materiales que ayudan a permitir la deflexión (deformación de un elemento causada por la aplicación de una fuerza) de los tubos. Estas características también son consideradas al momento de diseñar instalaciones para diferentes fines.
Características que favorecen la deflexión de un material
Módulo de elasticidad a la flexión
El módulo de elasticidad a la flexión indica cuánta fuerza se puede aplicar sobre un material antes de que pierda la capacidad de regresar a su estado original. Es una proporción de tensión a esfuerzo.
Cuando hay tensión sobre el material, se produce una deformación por el esfuerzo como resultado de la fuerza aplicada. Cuando la tensión aumenta, el esfuerzo sobre el material también lo hace, hasta un punto en el que genera un daño irreversible.
Los materiales más rígidos tienen un módulo de elasticidad mayor, pero este siempre disminuirá a medida que el material sea expuesto a mayores temperaturas. A temperaturas más altas, la deflexión de la tubería será mayor; esta es la causa de que las capacidades del material para resistir temperaturas y presiones elevadas se tomen en cuenta para la elección de los materiales de un sistema de tubería industrial.
Ejemplo: módulo de elasticidad para Corzan® CPVC a diferentes temperaturas
| Temperatura (°F) | Módulo de elasticidad (psi) |
| 73 (22.77°C) | 369,000 |
| 90 (32.22°C) | 351,000 |
| 100 (37.77°C) | 329,000 |
| 110 (43.33°C) | 307,000 |
| 120 (48.88°C) | 298,000 |
| 140 (60°C) | 240,000 |
| 160 (71.11°C) | 196,000 |
| 180 (82.22°C) | 170,000 |
El módulo de elasticidad es propio de cada material y se determina de acuerdo con normas específicas. Por ejemplo, el cloruro de polivinilo clorado se fabrica siguiendo la Norma ASTM D790, Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials (Método de Prueba de la Norma ASTM D790 para propiedades de flexión de plásticos no reforzados, reforzados y materiales aislantes eléctricos). La norma indica cómo preparar muestras y configurar sistemas de carga para determinar las capacidades de flexión de un material plástico, colocando cargas sobre las muestras y calculando la tensión de flexión con base en la curva de carga-deflexión que se origina.
Las pruebas ayudan a definir:
- La región elástica, que es la porción lineal de la curva (el rango en el que un material mantendrá sus propiedades cuando se retire la carga aplicada).
- El módulo de elasticidad, señalado por la pendiente en la región de la curva.
Tensión de trabajo
Es la tensión máxima a la que se puede someter un material mientras está en uso. Bajo cierta tensión, todos los materiales perderán su integridad estructural, pero todos muestran un nivel propio de tensión de trabajo, un valor que depende de la geometría del compuesto y la temperatura de trabajo a la que esté en operación.
La geometría del material se refiere a la forma final que toma un compuesto. En el caso del CPVC, se puede procesar en tuberías de cédula 40 o cédula 80, o moldear componentes para conexiones, conductos y revestimientos; la tensión de trabajo de cada uno es distinta.
Como el módulo de elasticidad, la tensión de trabajo también dependerá de la temperatura de aplicación. El aumento de la temperatura afecta negativamente la tensión de trabajo, que se reduce a temperaturas altas.
El valor de la tensión de trabajo es definido para cada material y geometría de acuerdo con los criterios de diferentes normas. Regresando al caso del cloruro de polivinilo clorado, la norma ASTM D1598 Standard Test Method for Time-to-Failure of Plastic Pipe Under Constant Internal Pressure (Método de Prueba Estándar para el Tiempo al Fallo de Tuberías de Plástico Bajo Presión Interna Constante).
Ejemplo: tensión de trabajo de Corzan® CPVC a diferentes temperaturas
| Temperatura (°F) | Tensión de trabajo (psi) |
| 73 (27.77°C) | 2,000 |
| 90 (32.22°C) | 1,800 |
| 100 (37.77°C) | 1,500 |
| 120 (48.88°C) | 1,300 |
| 140 (60°C) | 1,000 |
| 160 (71.11°C) | 750 |
| 180 (82.22°C) | 500 |
Fórmula del bucle de expansión
Las dos propiedades de los materiales ayudan a los ingenieros y diseñadores a determinar la dimensión necesaria de los loops de expansión para sus sistemas, mediante la Fórmula del Loop de Expansión.
Donde:
X = Longitud del bucle de expansión (en pulgadas)
E = Módulo de elasticidad a temperatura máxima (en psi)
D = Diámetro exterior de la tubería (en pulgadas)
L = Cambio de longitud debido al cambio de temperatura (en pulgadas)
S = Presión de trabajo a máxima temperatura (en psi)
Esta ecuación toma en cuenta:
- El módulo de elasticidad a presión a la temperatura máxima (E): si el módulo de elasticidad aumenta, ocurre lo mismo con la longitud que se necesita para el loop de expansión. Cuando se aplican fuerzas iguales a tuberías de diámetros iguales, la más rígida requiere mayor distancia para su deflexión que la tubería más flexible.
- La tensión de trabajo a temperatura máxima (S): cuando aumenta la tensión de trabajo, la longitud necesaria para el loop es menor; es equivalente decir que cuanta más tensión pueda soportar la tubería, hará falta menos distancia para disipar la fuerza aplicada.
- El cambio de longitud debido a la variación de temperatura (ΔL): el cambio de longitud es calculado utilizando la fórmula de expansión térmica, que considera la longitud de la tubería, la variación de temperatura y el coeficiente de expansión térmica del material. Cuando el valor aumenta, la longitud del loop de expansión requerido también lo hace.
- El diámetro exterior de la tubería (D): cuando aumenta el diámetro exterior de la tubería, ocurre lo mismo con la longitud del loop de expansión requerido, pues las tuberías más anchas tienen menor flexibilidad y necesitan más espacio para desviaciones transversales.
¿Qué presión soporta el CPVC?
En el caso del compuesto para uso industrial Corzan® CPVC, el termoplástico tiene una resistencia a la presión de 101.19 psi a 82°C, para la deflexión se requiere una temperatura mínima de 110°C, de acuerdo con las pruebas técnicas exigidas para este tipo de compuestos que Corzan® ha superado.
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Te invitamos a consultar la Calculadora de Expansión Térmica de Corzan®, desarrollada para ayudar a los diseñadores a determinar la longitud de los bucles requeridos en sistemas donde se utilice el material, conociendo el diámetro de las tuberías, las temperaturas máximas y mínimas y la longitud de la tubería que se utilizará.
Más allá de su aplicación en sistemas industriales, el CPVC ha sido probado en instalaciones hidráulicas, una función que cumple FlowGuard®, y en sistemas de rociadores contra incendio, en los que se utiliza BlazeMaster®. Si necesitas mayor información sobre el uso de tubería de CPVC industrial para tus actividades, contáctanos.