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CÓMO SE CALCULAN LAS CLASIFICACIONES DE PRESIÓN DE La tubería CPVC

Determinar la resistencia hidrostática a largo plazo de los termoplásticos

Introducción a las clasificaciones de presión

Para ser utilizado en sistemas de tuberías a presión, cada material debe demostrar empíricamente su capacidad de soportar la presión. Esto asegura que las plantas y las instalaciones estén integrando tuberías que puedan resistir las demandas de resistencia a largo plazo de sus aplicaciones.

El ASTM, ISO y el tablero de estrés hidrostático del Instituto de tuberías plásticas han desarrollado varios métodos de prueba para verificar la resistencia hidrostática a largo plazo (LTHS) de compuestos termoplásticos (por ejemplo, cloruro de polivinilo clorado (CPVC)). Estos métodos incorporan factores de diseño que aseguran que la fuerza adecuada del material se reserva para factores además del soporte de presión, tales como los esfuerzos relacionados con la instalación, la variabilidad de lote a lote y la exposición química.

Calcular la clasificación de presión no es tan fácil como aumentar la presión en una tubería hasta que estalle. Las pruebas de resistencia a la tensión a corto plazo no son buenos indicadores de la resistencia a largo plazo de un termoplástico, como lo son con los metales. Por esta razón, las tuberías de plástico LTHS se determinan analizando los datos de prueba de estrés versus tiempo hasta ruptura (es decir, rotura por tensión). Estos datos cubren un período de prueba de no menos de 10.000 horas, y se deriva de la prueba de presión sostenida de la tubería hecha a partir del material sujeto.

 

Tabla de contenido

Metodología estándar de prueba termoplástica

Cómo calcular la fuerza hidrostática a largo plazo

Validar los datos

Uso del Factor Diseño para calcular el estrés del diseño hidrostático

Clasificación de presión en la tubería

Trabajando a otras temperaturas

Usa tu discreción

Para más Información

 

Metodología estándar de prueba termoplástica

Hay dos métodos principales para determinar la resistencia hidrostática a largo plazo de un material de tubería. La norma ASTM D2837Método de prueba estándar para la obtención de una base de diseño hidrostático para materiales de tuberías termoplásticas o base de diseño de presión para productos de tuberías termoplásticas es la más comúnmente utilizada en los Estados Unidos. El otro método es el ISO 9080, que puedes leer aquí. 

La metodología ASTM implica los siguientes pasos:

  • Defina el valor del Estrés Hidrostático a Largo Plazo (LTHS) del material.
  • Use su valor LTHS para identificar la categoría de base de diseño hidrostático (HDB) del material.
  • Multiplique el HDB por un factor de diseño para obtener el estrés de diseño hidrostático del material o el esfuerzo máximo permisible.

Veamos cómo se calculan estos valores de acuerdo con este estándar.

Nota importante: el ASTM D2837 no define una clasificación de presión para la tubería en sí, sino la resistencia hidrostática a largo plazo del material termoplástico. Al final de esta publicación, hemos incluido la fórmula que se usa para encontrar la clasificación de presión de una tubería.

 

Cómo calcular la fuerza hidrostática a largo plazo

Como se mencionó anteriormente, el LTHS se determina al analizar los datos de prueba de estrés versus tiempo hasta ruptura (es decir, rotura por estrés).

Para determinar el valor de LTHS del CPVC, las muestras de tubería hechas del material se prueban en varios niveles de tensión. Se eligen niveles de estrés que harán que la tubería se rompa en períodos de tiempo distribuidos en un rango de 10 horas a más de 10,000 horas. Para una clasificación de presión a 180 ° F, PPI requiere tiempos de prueba que superen las 16,000 horas.

El estrés frente a los datos de tiempo hasta el fracaso se trazan en una escala logarítmica / logarítmica donde deben formar una línea recta que puede ajustarse mediante un análisis de regresión lineal. Luego, la línea se extrapola para determinar el nivel de tensión que resultaría en un tiempo de ruptura de 100.000 horas.

Cuando los datos son de hecho lineales en una escala de registro / registro, es una práctica generalmente aceptada extrapolar una unidad de registro más allá del punto de datos más largo. (es decir, 1000 horas se pueden extrapolar a 10,000, o 10,000 horas se pueden extrapolar a 100,000).

En la mayoría de los casos, el nivel de estrés extrapolado a 100.000 horas se usa como valor de resistencia hidrostática a largo plazo del material (LTHS). En algunos casos, los resultados de la validación de los datos estadísticos (que se analizan a continuación) pueden requerir que el nivel de estrés extrapolado a los 50 años se utilice como el valor LTHS del material.

 

Validar los datos

Para asegurar que la fuerza de 100,000 horas sea apropiada y confiable, hay algunos mecanismos de validación trabajados en la metodología:

  • Calcule el límite de confianza inferior (LCL) de dos lados: los puntos de datos más bajos en el gráfico de puntos de dispersión de tensión frente a tiempo se analizan mediante regresión lineal para determinar el valor de LCL. Si este valor no está dentro del 15 por ciento del valor de LTHS, los datos se consideran inutilizables.
  • Calcule la resistencia a 50 años:  los datos LTHS también se utilizan para calcular un valor de resistencia de 50 años. Si este valor es inferior al 80 por ciento del valor de resistencia de 100.000 horas, el valor de 50 años se utiliza para determinar la base de diseño hidrostático. Esto ayuda a tener en cuenta los materiales con pendientes de regresión más pronunciadas.

 

Gráfico de Regresión y Extrapolación del Tiempo de CPVC al fallo

 

Línea típica de regresión a 73 ° F y gráfica de extrapolación.

 

Para materiales de tuberías, como polietileno (PE), que pueden sufrir fallas oxidativas, se requiere una validación adicional para garantizar que el valor de resistencia de 10.000 horas se pueda extrapolar de manera confiable a 100.000 horas. Esto no es necesario para CPVC.

Una vez que el valor de LTHS ha sido determinado por análisis de regresión y validación estadística, los materiales Base de diseño hidrostático (HDB) se determinan categorizando el valor de LTHS como se define en el ASTM D2837.

 Categorías de Base de Diseño Hidrostático de la Tabla ASTM D2837

 

Uso del Factor Diseño para calcular el estrés del diseño hidrostático

La categoría de base de diseño hidrostático (HDB) es una medida del rendimiento de resistencia del material, pero en las aplicaciones industriales del mundo real es importante tener en cuenta el hecho de que el estrés interno no será la única variable que puede afectar el rendimiento a largo plazo.

Por esta razón, el Consejo de Diseño Hidrostático decidió por consenso que el valor de HDB de un material se debe multiplicar por un factor de diseño para determinar la tensión de la presión máxima permisible del material o el estrés de diseño hidrostático (HDS).

Este factor de diseño se basa en dos grupos de variables: 

  1. Las variables de fabricación y prueba, específicamente: variaciones normales en el material, fabricación, dimensiones, buenas técnicas de manejo y procesos de evaluación.
  2. Las variables de aplicación y uso, específicamente: instalación, entorno, temperatura, riesgo involucrado, esperanza de vida deseada y grado de confiabilidad seleccionado.

Para las aplicaciones de agua, se determinó que se debe aplicar un factor de diseño de 0,5 a las tuberías de CPVC para tener en cuenta estas variables. Para procesos químicos, un ingeniero puede decidir aplicar un factor de diseño menor que 0.5 en función de las demandas del proceso.

 

Clasificación de presión en la tubería

Lo anterior está diseñado para calcular la tensión máxima permisible para un material de tubería, no la tubería propiamente dicha. Para definir la clasificación de presión de una tubería, el diámetro de la tubería y el grosor de la pared también deben tenerse en cuenta.

El HDS de un material de tubería se conecta a la siguiente ecuación para definir la clasificación de presión de una tubería:

S = P (D-t) / (2t)

ó

S = P (d+t) / (2t)

Dónde:

  • S = Estrés
  • P = Presión
  • D = Diámetro exterior promedio
  • d = Diámetro interior promedio
  • t = Espesor de pared mínimo

Por ejemplo …

4” Corzan® tipo 4120 Cédula 80 tubería a 73 °F

2000 [psi] = P * (4.5 [in] – 0.337 [in]) / (2 * 0.337 [in])

P = 324 [psi] ≈ 320 [psi] a 73°F

4” Corzan® tipo 4120 Cédula 80 tubería a 180°F

500 [psi] = P * (4.5 [in] – 0.337 [in]) / (2 * 0.337 [in])

P = 81 [psi] ≈ 80 [psi] a 180°F

El valor derivado de esta fórmula es la clasificación de presión que verá impresa en el costado de una tubería. Se basa en el rendimiento de la tubería a 73 ° F en una aplicación de agua.

 

Trabajando a otras temperaturas

Las clasificaciones de presión para tuberías de CPVC se han determinado empíricamente de acuerdo con los métodos descritos anteriormente a 73 ° F y 180 ° F. Cuando se opera a otras temperaturas, los factores de reducción proporcionados en ASTM F441 deben ser aplicados por el ingeniero de diseño del sistema. Los factores de reducción de temperatura para tubería se obtienen interpolando las clasificaciones a 73 ° F y 180 ° F. No existen factores de "elevación" para trabajar a temperaturas inferiores a 73 ° F. En esa situación, se debe usar la clasificación de 73 ° F.

Tenga en cuenta que este factor de reducción de potencia es adicional al factor de diseño (0.5), que ya se ha tenido en cuenta.

 

Factor de Reducción de Temperatura de CPVC de Corzan

 

 Corzan el Rango Utilizable Real de CPVC Frente al Gráfico de Rango Útil Percibido

  

 

 

Use su prudencia

En última instancia, la clasificación de presión de una tubería es una guía, y los ingenieros de planta deben evaluar completamente las demandas de su sistema de tuberías antes de elegir un material.

Específicamente, considere la temperatura máxima de funcionamiento, la diferencia de temperatura, las presiones externas, los productos químicos, el estrés externo y la exposición a los rayos UV. Dependiendo de su aplicación, aplique su propia calificación de factor de diseño para salvaguardar aún más su sistema de rupturas.

 

Para más información

Si tiene alguna pregunta o está interesado en cómo contabilizar la clasificación de presión en su diseño industrial, comuníquese con nuestro equipo de expertos en productos e ingeniería.Siempre estamos disponibles para conversar con usted.   

 

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