El espesor de la pared de la tubería de acero inoxidable debe seleccionarse de acuerdo con la presión de diseño, la temperatura de diseño, el grado del material, las tolerancias de fabricación y las condiciones de servicio. Un programa de tuberías identifica una serie dimensional; no establece una clasificación de presión universal.
Por ejemplo, la tubería de acero inoxidable Schedule 40S tiene diferentes espesores de pared en diferentes tamaños nominales. Su presión admisible también depende de las propiedades del material a la temperatura de diseño, la especificación de fabricación y el código de tuberías aplicable.
Para ingenieros, fabricantes y equipos de adquisiciones, la tarea práctica es determinar el espesor mínimo requerido, tener en cuenta las asignaciones y tolerancias, y luego seleccionar un espesor nominal disponible que satisfaga el diseño completo.
El espesor de la pared de la tubería es la distancia entre las superficies exterior e interior de la tubería.
Para una tubería circular ideal con espesor de pared uniforme:
Diámetro interior = Diámetro exterior − 2 × Espesor de pared
Se deben distinguir tres términos de espesor:
| Término | Significado | Importancia práctica |
|---|---|---|
| Espesor de pared nominal | El espesor especificado asociado con un programa o dimensión de compra | Se utiliza para describir y pedir la tubería |
| Espesor mínimo de pared requerido | El espesor mínimo establecido por las comprobaciones de diseño aplicables, incluidas las asignaciones pertinentes | Se utiliza para determinar si una tubería propuesta es adecuada |
| Espesor de pared real | El espesor medido en la tubería fabricada o en servicio | Se utiliza para la inspección de aceptación y la evaluación de la condición |
El espesor nominal de la pared no es necesariamente el espesor mínimo en cada ubicación. Se deben considerar las tolerancias de fabricación antes de comparar una tubería pedida con el requisito de diseño.
Para tuberías existentes, la corrosión, la erosión y la fabricación previa también pueden afectar el espesor restante de la pared.
Los programas comunes de tuberías de acero inoxidable incluyen 5S, 10S, 40S y 80S. El número de programa siempre debe considerarse junto con el tamaño nominal de la tubería.
A un NPS dado, el diámetro exterior sigue siendo el mismo en estos programas, mientras que el aumento del espesor de la pared reduce el diámetro interior.
El siguiente gráfico de tamaños de tuberías de acero inoxidable proporciona referencias dimensionales seleccionadas.
| Tamaño nominal de la tubería | Diámetro exterior, mm | Espesor de pared del programa 10S, mm | Espesor de pared del programa 40S, mm | Espesor de pared del programa 80S, mm |
|---|---|---|---|---|
| NPS 1/2 | 21.3 | 2.11 | 2.77 | 3.73 |
| NPS 1 | 33.4 | 2.77 | 3.38 | 4.55 |
| NPS 2 | 60.3 | 2.77 | 3.91 | 5.54 |
| NPS 3 | 88.9 | 3.05 | 5.49 | 7.62 |
| NPS 4 | 114.3 | 3.05 | 6.02 | 8.56 |
| NPS 6 | 168.3 | 3.40 | 7.11 | 10.97 |
Los diámetros exteriores se redondean a un decimal. Los espesores de pared son dimensiones nominales, no clasificaciones de presión. Estas combinaciones de programas se documentan en tablas dimensionales del fabricante.
NPS es una designación nominal. Una tubería NPS 2 no tiene un diámetro exterior de 2 pulgadas.
No. Varias dimensiones coinciden, particularmente en tamaños más pequeños, pero los programas no deben tratarse como universalmente intercambiables.
La designación "S" distingue la serie dimensional de tuberías de acero inoxidable asociada con ASME B36.19. ASME identifica diferencias entre ciertas dimensiones de pared de B36.19 y B36.10, incluyendo NPS 12 Schedule 40S y NPS 10 y 12 Schedule 80S. Confirme el estándar dimensional y el tamaño aplicables antes de aprobar una sustitución.
La presión interna crea tensiones en la pared de la tubería. Con otros datos de diseño sin cambios, una mayor presión generalmente requiere una pared más gruesa. Un diámetro mayor también generalmente requiere más espesor de pared para resistir la misma presión interna.
Sin embargo, la selección de presión no se puede reducir a "Schedule 10S para baja presión" y "Schedule 80S para alta presión". Esas descripciones omiten el diámetro, la temperatura, las propiedades del material y la base de diseño.
Para tuberías rectas bajo presión interna, una expresión comúnmente utilizada de ASME B31.3, dentro de sus límites de aplicabilidad establecidos, es:
t = P × D ÷ [2 × (S × E × W + P × Y)]
| Símbolo | Significado |
|---|---|
| t | Espesor de pared de diseño de presión, antes de asignaciones adicionales |
| P | Presión de diseño interna |
| D | Diámetro exterior |
| S | Tensión admisible a la temperatura de diseño |
| E | Factor de calidad aplicable |
| W | Factor de reducción de resistencia de la junta soldada |
| Y | Coeficiente del código dependiente de las condiciones aplicables |
Esta relación ilustra por qué la capacidad de presión depende de más que del programa. Su uso se demuestra en la documentación de ingeniería del fabricante que aplica B31.3. Seleccione los coeficientes, los valores de tensión del material y los límites de aplicabilidad de la edición del código adoptada por el proyecto.
Las asignaciones de corrosión y mecánicas, la tolerancia de fabricación y otras comprobaciones requeridas deben abordarse posteriormente. Esta expresión de presión interna para tubería recta no completa el diseño de codos, ramales o tuberías expuestas a presión externa.
La temperatura afecta tanto la resistencia del material como el comportamiento del sistema de tuberías ensamblado.
La tensión admisible utilizada para el diseño de presión debe corresponder al material especificado, la forma del producto y la temperatura de diseño.
A medida que aumenta la temperatura, la tensión admisible puede disminuir, lo que reduce la presión que puede soportar un espesor de pared dado. Por lo tanto, una clasificación de presión a temperatura ambiente no debe transferirse a servicio a temperatura elevada sin verificar su base.
Las tablas de presión publicadas por los fabricantes utilizan comúnmente ajustes de temperatura específicos del material. Dichos factores se aplican a los productos y suposiciones indicados en esas tablas; no deben transferirse automáticamente a especificaciones de tuberías no relacionadas.
Un informe de prueba de material que muestre la resistencia a la tracción a temperatura ambiente no reemplaza la tensión admisible requerida por el código de diseño.
A temperaturas suficientemente elevadas y tiempos de exposición prolongados, el comportamiento de fluencia y rotura por tensión puede volverse importante.
Los grados de bajo carbono como 304L y 316L no deben tratarse como intercambiables con sus correspondientes grados H para estas condiciones. ASTM A312 identifica específicamente varios grados H para aplicaciones donde las propiedades de fluencia y rotura por tensión son importantes.
Asimismo, la temperatura de resistencia a la oxidación de una ficha técnica de material no es automáticamente una temperatura de operación admisible para tuberías presurizadas.
Una tubería se expande y contrae a medida que cambia su temperatura. Los anclajes, soportes y equipos conectados pueden generar fuerzas y momentos adicionales cuando ese movimiento está restringido.
Aumentar el espesor de la pared no resuelve todos los problemas de expansión térmica. El diseño de la tubería, los soportes, la flexibilidad y las cargas de conexión del equipo también deben evaluarse.
Las condiciones de diseño deben tener en cuenta los casos operativos, de arranque, parada y de perturbación relevantes. El caso determinante puede implicar una combinación particular de presión y temperatura en lugar de la presión máxima considerada sola.
La temperatura más baja no debe interpretarse automáticamente como un permiso para aumentar la clasificación de presión.
La idoneidad del material, los requisitos de tenacidad, la condición de la soldadura y las disposiciones del código aplicable aún deben verificarse a la temperatura mínima de diseño.
El espesor de la pared y la resistencia a la corrosión responden a preguntas diferentes.
El espesor de la pared contribuye a la capacidad mecánica y proporciona cualquier asignación especificada para la pérdida de material. La selección del material determina cómo responde la tubería al entorno del proceso.
No. Comparar acero inoxidable 304 vs. 316 requiere separar el rendimiento de la corrosión de las propiedades de diseño de presión.
La adición de molibdeno en el 316 mejora la resistencia a ciertos entornos corrosivos en comparación con el 304. No establece, por sí sola, una mayor presión admisible para cada tamaño de tubería y temperatura. Los cálculos de presión deben utilizar la tensión admisible asignada al grado y condición especificados exactos.
El espesor adicional puede proporcionar una asignación para la pérdida general predecible de metal. No es un sustituto confiable de la resistencia a la picadura, la corrosión en rendijas o el agrietamiento por corrosión bajo tensión.
Por ejemplo, los grados austeníticos estándar como 304L y 316L pueden ser susceptibles al agrietamiento por corrosión bajo tensión por cloruros a temperaturas elevadas. Aumentar el espesor no elimina la combinación subyacente de entorno, material susceptible y tensión de tracción.
La selección del material debe considerar la composición del fluido, la concentración, la temperatura, los contaminantes, los productos químicos de limpieza y las condiciones de operación.
Una asignación de corrosión cero puede justificarse para un material adecuado en un servicio bien comprendido. Debe ser una decisión de diseño documentada.
El hecho de que una tubería sea de acero inoxidable no justifica automáticamente una asignación cero. Por el contrario, agregar una gran asignación sin evaluar el mecanismo de corrosión puede generar un costo innecesario y dejar sin resolver el principal riesgo de falla.
Una vez establecido el espesor de diseño de presión, la selección debe tener en cuenta las asignaciones aplicables y la tolerancia de fabricación.
Donde la tolerancia de fabricación negativa se expresa como una fracción del espesor nominal, una relación de selección simplificada es:
Espesor nominal requerido ≥ (Espesor de diseño de presión + Asignaciones aplicables) ÷ (1 − Tolerancia negativa)
Esta relación asume que las asignaciones y la tolerancia se han definido de manera consistente con la especificación que rige. Pueden requerirse requisitos adicionales, como el adelgazamiento durante la formación, que deben tratarse por separado.
Suponga que un cálculo de proyecto ya ha establecido:
Espesor de diseño de presión: 2.40 mm
Asignación combinada de corrosión y mecánica: 0.50 mm
Tolerancia de fabricación negativa permitida: 12.5%
Tamaño de la tubería: NPS 2
Estas son suposiciones ilustrativas, no una clasificación de presión ni una asignación de corrosión recomendada.
Primero, calcule el espesor mínimo requerido de la pared, incluidas las asignaciones:
2.40 + 0.50 = 2.90 mm
Luego, tenga en cuenta la tolerancia negativa asumida:
Espesor nominal requerido = 2.90 ÷ 0.875 = 3.314 mm
Compare los espesores nominales disponibles:
| Programa | Espesor nominal, mm | Espesor después de la tolerancia negativa asumida del 12.5%, mm | ¿Cumple el requisito de 2.90 mm? |
|---|---|---|---|
| 10S | 2.77 | 2.424 | No |
| 40S | 3.91 | 3.421 | Sí |
| 80S | 5.54 | 4.848 | Sí |
Bajo estas suposiciones, Schedule 40S es la más ligera de las tres opciones listadas que satisface esta comprobación de espesor de pared.
Ese resultado no completa el diseño del sistema. La presión externa, las cargas mecánicas, los requisitos de fabricación, las conexiones y otras comprobaciones aplicables pueden gobernar.
La deducción del 12.5% es un valor que se encuentra comúnmente en las especificaciones de tuberías y tablas de fabricantes relevantes, pero no debe asumirse para todos los productos de acero inoxidable o condiciones de compra.
Una pared más gruesa puede mejorar algunos aspectos de la capacidad mecánica, pero también cambia el peso, el tamaño del orificio, la fabricación y el costo.
Usando el diámetro exterior redondeado de 60.3 mm para NPS 2:
Schedule 40S con una pared de 3.91 mm tiene un ID calculado de 52.48 mm.
Schedule 80S con una pared de 5.54 mm tiene un ID calculado de 49.22 mm.
Basado en una geometría circular ideal, la tubería Schedule 80S tiene aproximadamente un 12% menos de área de flujo interno.
A la misma velocidad de flujo volumétrico, el orificio más pequeño aumenta la velocidad promedio del fluido. La caída de presión resultante requiere un cálculo hidráulico separado.
Una pared más pesada también puede aumentar el tiempo de soldadura, el peso de la tubería y las cargas de soporte. La selección debe satisfacer los requisitos de ingeniería mientras se considera el sistema instalado completo.
Las tuberías expuestas a vacío, presión de fluido externa o una camisa presurizada requieren una evaluación de presión externa.
Una tubería que pasa una comprobación de presión interna aún puede ser vulnerable al colapso. La relación diámetro-espesor, la longitud sin soporte, la ovalidad y las propiedades del material pueden influir en esta evaluación.
Al comparar tuberías de acero inoxidable sin costura vs. soldadas, confirme la especificación del producto, la ruta de fabricación, los requisitos de examen y los factores de código aplicables.
"Sin costura" no significa automáticamente adecuado para todas las presiones, y "soldado" no significa automáticamente inadecuado. La especificación completa y las condiciones de diseño determinan la aceptabilidad.
Verifique la idoneidad de presión-temperatura de los accesorios, bridas, válvulas, juntas y uniones mecánicas.
Un cálculo satisfactorio de tubería recta no establece la clasificación de todo el ensamblaje. Una conexión u otro componente puede imponer un límite inferior.
La vibración, el ciclo de presión, el ciclo térmico, el peso muerto y las fuerzas externas pueden requerir una evaluación adicional.
ASME B31.3 cubre una gama más amplia de requisitos de diseño, fabricación, examen y prueba que el simple cálculo del espesor de la pared.
Una solicitud clara debe distinguir la especificación de la tubería de la información operativa utilizada para evaluarla.
| Artículo de RFQ | Información a proporcionar |
|---|---|
| Material | Grado exacto y estándar del producto |
| Dimensiones | NPS o OD real, estándar dimensional, programa o espesor de pared numérico |
| Base de la pared | Requisito de pared nominal o mínima, con tolerancias aplicables |
| Ruta de fabricación | Sin costura, soldada u otra construcción especificada |
| Condiciones de diseño | Casos de presión y temperatura cuando se requiere soporte de selección técnica |
| Entorno de servicio | Composición del fluido y condiciones de corrosión relevantes |
| Detalles de suministro | Cantidad, longitudes, preparación de extremos y condición de la superficie |
| Requisitos de calidad | Informes de materiales, trazabilidad, exámenes y pruebas adicionales |
| Documentos del proyecto | Especificación de tuberías aprobada, planos y ediciones de estándares requeridos |
Un plan de inspección de tuberías de acero inoxidable debe definir cómo se verificará la conformidad dimensional y la identidad del material.
Una prueba hidrostática es una prueba de aceptación realizada bajo condiciones especificadas. Su presión de prueba no debe interpretarse como la presión de operación continua admisible del sistema instalado.
No existe un único espesor de pared estándar. El espesor nominal depende del tamaño de la tubería y del programa. Por ejemplo, NPS 2 Schedule 40S tiene una pared nominal de 3.91 mm, mientras que NPS 4 Schedule 40S tiene una pared nominal de 6.02 mm.
No existe una clasificación de presión universal para Schedule 40S. El cálculo depende del diámetro, el grado del material, la temperatura de diseño, los factores de código aplicables, las asignaciones y la tolerancia de fabricación.
Sí, donde el diseño completo y las especificaciones de los componentes lo permitan. Schedule 10S es una designación dimensional en lugar de una restricción a servicio sin presión.
Puede ser. Si la tensión admisible disminuye a la temperatura de diseño, puede ser necesaria una pared más gruesa para la misma presión y diámetro. También se deben revisar la idoneidad del material, el comportamiento de fluencia y la expansión térmica.
Un número de grado más alto o una mejor resistencia a la corrosión no establecen una mayor capacidad de presión. Utilice la tensión admisible del código para el material exacto y la temperatura de diseño.
Solo después de verificar los requisitos del proyecto. Una pared más gruesa cambia el orificio, el peso, la preparación de la soldadura y potencialmente el rendimiento hidráulico. Las conexiones existentes y las interfaces de los equipos deben seguir siendo compatibles.
Seleccione el espesor de pared de la tubería de acero inoxidable a través de una secuencia definida: establezca las condiciones de diseño, seleccione un material adecuado, determine el espesor requerido, incluya asignaciones y tolerancias, y verifique el sistema de tuberías completo.
Para una cotización, proporcione el grado, el estándar, el tamaño, el requisito de espesor de pared, la cantidad y la especificación del proyecto. Cuando se necesite soporte de selección, incluya la presión, la temperatura y el entorno de servicio.
Una especificación completa permite a los proveedores cotizar sobre la misma base técnica y brinda al equipo de inspección requisitos de aceptación claros.
