Cuando un caño(piping) es sometido a una variación de temperatura sufrirá una variación en su longitud. Si el caño estuviese libre y no se generarán tensiones internas ni reacciones. Pero, si el caño estuviera fijado de alguna forma, aparecerán tensiones internas en el caño y reacciones en los puntos de fijación, como consecuencia de las restricciones impuestas a la libre dilatación del mismo.
En un caño recto, anclado en dos extremos, la fuerza ejercida por la dilatación se puede calcular por:
Los valores de e pueden obtenerse en tablas. La fórmula se transforma en : S/e = E o S = eE y también P=AS, expresiones que nos permiten calcular la tensión interna y el empuje reacción. Vemos que todas son
independientes de la longitud del tubo.
Los valores de los empujes son enormes; por lo tanto debe evitarse la existencia de puntos fijos en un tramo recto, pues en el mejor de los casos, los empujes son absorbidos por el fenómeno de pandeo que se produce en el caño. Si por el contrario tuviésemos una configuración geométrica no rectilínea cualquiera, la dilatación del mismo producirá no sólo empujes sino también momentos de reacción en los puntos fijos.
Cuando hay una disminución de la temperatura se producirán fenómenos inversos, de contracción. En este caso el esfuerzo sobre el caño será de tracción, correspondiente a la reducción de longitud del caño. No existirá el pandeo y todo el esfuerzo será absorbido por los puntos fijos.
El enfriamiento del caño es menos frecuente y las diferencias de temperatura menores, pero aún así, es conveniente tenerlo en cuenta.
Como controlar la dilatación
Los siguientes son algunos métodos para controlar los efectos de la dilatación térmica :
1. Uso de elementos deformables en la línea, de modo que absorben la dilatación.
2. Geometría de la línea de manera de evitar tramos rectos por medio de ángulos en un plano o en el espacio, de modo que el propio caño pueda absorber las dilataciones gracias a su flexibilidad.
3. Pretensionado (cold-spring), que consiste en introducir tensiones iniciales en el montaje, de signo opuesto a las previstas durante la operación.
Los elementos más usados para absorber dilataciones son las juntas de expansión que pueden verse Aqui
La flexibilidad en una cañería puede definirse como la capacidad de absorber las dilataciones térmicas por medio de simples deformaciones en los tramos de la línea.
La temperatura en el diseño de Piping
El uso de las juntas de expansión se restringe en cambio a casos especiales, del mismo modo que los pretensados o cold-spring, son poco usados porque requieren un estricto control de montaje.
Para una misma dilatación total, se dice que el sistema es tanto más flexible cuanto menor son las tensiones internas y las reacciones sobre los puntos fijos. Esta flexibilidad es considerada apropiada cuando las tensiones provocadas no son mayores que las tensiones admisibles de comparación.
Se logra flexibilidad en una cañería cuando, como resultado de cambios en su geometría se transforman pandeo y flexión y torsión para las tridimensionales.
Por lo tanto, será mayor la flexibilidad de una tuberia cuanto más se aparte de la línea recta. En toda línea de cañerías, la contribución de cada tramo a la flexibilidad total será proporcional a la distancia media de ese tramo al eje neutro del sistema. El eje neutro es la línea recta paralela a la dirección de las resultantes de las reacciones ejercidas por el sistema sobre los puntos extremos de fijación. La tensión interna en cada punto considerado al eje neutro. Para los puntos de intersección de la cañería con el eje neutro, las tensiones son nulas.
Una cañería tridimensional es, en general más flexible que una plana de la misma longitud, pues el efecto de torsión es aproximadamente un 30 % más eficiente para la flexibilidad que el de flexión, en las mismas condiciones restantes.
Para un mismo diámetro, las tensiones son independientes del espesor del caño porque si por un lado el aumento del espesor supone mayor esfuerzo para flexionar el caño, por otro aumenta también el área para soportarlo.
No tendría que tener la cañería excesiva flexibilidad, pues debemos recordar el alto costo que significa en longitud de cañería, soportes etc.
Influencia del trazado en la flexibilidad de cañerías
La cañería será tanto más flexible cuanto :
¨ Mayor sea su longitud desarrollada respecto a la distancia entre puntos extremos.
¨ Más simétrico sea su trazado.
¨ Menores sean las desproporciones entre los diversos tramos.
¨ Mayor libertad de movimientos se disponga en la línea.
Pretensionado y relajamiento espontaneo
El pretensionado (cold-spring) consiste en introducir en la cañería, durante el montaje, tensiones iniciales de la misma naturaleza y de signo contrario de las que se originarán a consecuencia de la dilatación.
La cañería se corta a una longitud menor de la que tendría si estuviese fría, y después forzada a la posición que tendría caliente, provocando así tensiones opuestas a las que surgirán por la dilatación.
En la práctica no se hace el cold-spring total porque sería introducir en el caño tensiones que justamente queremos evitar sino que se toma un valor del 50 % o menos. Cuando la cañería comienza a dilatarse, pasa a la condición de tensiones nulas y luego toma, en caliente una posición que genera tensiones que, lógicamente son menores que las que alcanzaría sin el cold-spring.
El porcentaje éste se llama factor de pretensionado.
Debido a la rigurosidad de las dimensiones, se utiliza en casos extremos. Un error en el montaje puede generar grandes tensiones no previstas.
El relajamiento espontáneo, (self springing) es un fenómeno que se produce en gran número de líneas calientes de acero y que contribuye a reducir tensiones finales causadas por las dilataciones. A medida que la temperatura se eleva en la línea aumentan las tensiones hasta que por efecto de la temperatura el valor del límite de fluencia disminuye a tal punto que el material fluye donde hay mayor concentración de tensiones. Se producen en esos puntos deformaciones plásticas que efectúan una redistribución tensional en toda la línea, hasta ser alcanzada la temperatura y la posición final de equilibrio.
No hay comentarios:
Publicar un comentario