Las características clave del material que permiten la deflexión de la tubería

La expansión lineal es un fenómeno inevitable que afecta a todo el material de tubería, incluidos los metales y los plásticos. Si un tramo de tubería está restringido en ambos extremos, un aumento en la temperatura hará que el material se expanda, lo que resulta en un esfuerzo de compresión. Cuando esta fuerza de montaje excede la tensión permisible del material, se producen daños en el sistema de tuberías.

Durante el diseño del sistema de tuberías, los arquitectos e ingenieros deben construir bucles de expansión para desviar este esfuerzo de compresión. En cada uno de los tres tipos, se requiere un ángulo recto. 

Los bucles de expansión, las compensaciones de expansión y los cambios de dirección proporcionan una dirección lineal para el movimiento de la tubería. Pero, ¿cuáles son las características del material que le permiten la deflexión sin provocar daños a la tubería?

Para saber cómo tomar en cuenta la expansión térmica en el diseño del sistema de tuberías, consulte nuestra publicación previa sobre este tema.

¿Cuáles son las Dos Características del Material que Permiten la Deflexión de la Tubería para Bucles de Expansión?

Cada bucle depende de la habilidad de la tubería para desviarse sin sufrir daños. Hay dos características clave de materiales que hacen esto posible.

1. Módulo de Elasticidad a la Flexión

El módulo de elasticidad a la flexión de un material de tubería demuestra cuánta tensión puede ejercerse sobre un material antes de que ya no pueda regresar a su estado original. Básicamente, es una proporción de tensión a esfuerzo.

Cuando la tensión actúa sobre el material, tiene lugar una cierta cantidad de esfuerzo - o deformación. A medida que aumenta la tensión que actúa sobre el material, también aumenta el esfuerzo. En cierto punto, el esfuerzo es demasiado grande, dañando el material.

Los materiales más rígidos tienen un mayor módulo de elasticidad. No importa qué tan rígido sea el material, el módulo de elasticidad disminuirá a medida que aumente la temperatura, lo que significa que cuanto mayor sea la temperatura, más fácil será la deflexión de la tubería.

El gráfico muestra el módulo de flexión de elasticidad para el CPVC Corzan® a diferentes temperaturas.

El módulo de elasticidad es una propiedad del material y se define utilizando la Norma ASTM D790 SStandard Test Method 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 y reforzados y materiales aislantes eléctricos). Esta norma explica cómo preparar muestras y configurar un sistema de carga de tres puntos para determinar las propiedades de flexión de los materiales plásticos. Durante esta prueba, se coloca una carga sobre la muestra. La tensión de flexión se calcula a partir de la curva de carga-deflexión. La curva resultante de tensión frente a esfuerzo se usa para determinar diversas propiedades:

• La porción lineal de esta curva es la región elástica, que es el rango en donde el material retendrá sus propiedades después de que se retire una carga.
• El módulo de elasticidad es la pendiente de esta región.

2. Tensión de Trabajo

La tensión de trabajo es la tensión máxima permisible a la que puede estar sometido un material mientras está en uso. A cierto nivel de tensión, los materiales sacrificarán la integridad estructural. Todos los materiales muestran diferentes niveles de tensión de trabajo y el valor depende de la geometría del material y la temperatura de trabajo.

La geometría de un material es la forma final que toma el compuesto. Por ejemplo, el compuesto de CPVC se puede fabricar en las tuberías de cédula 40 y cédula 80, moldearse a la medida en conexiones y fabricarse en conductos o revestimientos. Cada geometría mostrará una tensión de trabajo diferente.

Similar al módulo de elasticidad, la tensión de trabajo también depende de la temperatura de una aplicación. La tensión de trabajo máxima permisible disminuye a medida que aumenta la temperatura.

Como se muestra en el gráfico a continuación, el CPVC de Corzan puede manejar una mayor tensión máximo a temperaturas más bajas que a temperaturas más altas.

El gráfico muestra la tensión de trabajo del CPVC Corzan a diferentes temperaturas.

La tensión de trabajo es un valor definido para cada material y geometría, y la norma ASTM D1598 Standard Test Method for Time-to-Failure of Plastic Pipe Under Constant Internal Pressure (Método de Pruebe Estándar para el Tiempo al Fallo de Tuberías de Plástico Bajo Presión Interna Constante) es el método para probar y calcular la tensión del bucle (o tensión de trabajo) de la tensión longitudinal que surge de la presión en la tubería.

Fórmula del Bucle de Expansión: Interconectándolas

Para determinar la expansión de una tubería y la dimensión necesaria de un bucle de expansión, los diseñadores usan la Fórmula del Bucle de Expansión. Las características de un material de tuberías abarcadas anteriormente – el módulo de elasticidad y la tensión de trabajo – conforman la mitad de la ecuación.

Aquí veremos cómo cada variable impacta la longitud del bucle de expansión:

• Módulo de elasticidad a la flexión a la temperatura máxima (E): A medida que el módulo de elasticidad aumenta, también lo hace la longitud requerida del bucle de expansión. Cuando se aplican fuerzas iguales a tuberías del mismo diámetro, la tubería más rígida requerirá una longitud mayor para desviar la misma distancia que la tubería más flexible.

• Tensión de trabajo a la temperatura máxima (S): A medida que aumenta la tensión de trabajo, la longitud necesaria del bucle disminuye. En otras palabras, mientras más tensión pueda soportar la tubería, menor será el área en la que se necesita esparcir la fuerza aplicada por deflexión.

• Cambio en la longitud debido al cambio de temperatura (ΔL): Este cambio de longitud se calcula mediante la fórmula de expansión térmica, que tiene en cuenta la longitud de la tubería, el cambio de temperatura y el coeficiente de expansión térmica del material. A medida que este valor aumenta, la longitud requerida del bucle de expansión también aumenta.

• Diámetro exterior de la tubería (D): A medida que aumenta el diámetro exterior de la tubería, también aumenta la longitud de bucle requerida. Una tubería más ancha es menos flexible y necesita más longitud de tubo para desviarse transversalmente.

Calcule el Largo de bucle Requerido para Su Sistema

Para ayudar a los ingenieros en el diseño de los sistemas de tuberías de CPVC Corzan®, hemos desarrollado una Calculadora de Expansión Térmica (con enlace). Si conoce el diámetro de la tubería, las temperaturas máxima y mínima, y el largo del tramo de la tubería, la calculadora le proporcionará los largos de bucle requeridos para su sistema.