Calculadora de presión de rotura de tubos de acero inoxidable

¿Qué es la presión de rotura?

La presión de rotura es la presión interna máxima que una tubería o un tubo puede soportar antes de fallar. Tres factores la determinan: la resistencia máxima a la tracción del material, el diámetro exterior de la tubería y su espesor de pared. Cuanto mayor sea el espesor de pared y menor el diámetro, mayor será la presión de rotura.

Nadie trabaja a la presión de rotura. El factor de seguridad garantiza que la presión de trabajo quede muy por debajo del punto de fallo. El factor de 2.5 que se emplea aquí significa que la presión nominal de la tubería equivale al 40 % de su límite teórico de rotura, y cubre las tolerancias de fabricación, la variabilidad de la calidad de soldadura, la corrosión a lo largo de la vida útil y los picos de presión durante la operación. Esta calculadora no devuelve directamente la presión de rotura, sino que la utiliza para estimar el límite de trabajo seguro.

Explicación de la fórmula

La fórmula de Barlow, en detalle

La fórmula de Barlow procede de la teoría de cilindros de pared delgada, que supone la tensión circunferencial uniformemente repartida a lo largo del espesor de pared. Su forma básica, P = (2 × S × t) / D, expresa la presión de rotura teórica. Al incorporar el factor de seguridad se convierte en presión de trabajo: P = (2 × S × t) / (D × SF). Para otros materiales, hay que multiplicar el resultado por la resistencia a la tracción (UTS) de ese grado dividida entre 520.

Concepto de tensión circunferencial

La tensión circunferencial es la tensión de tracción perimetral que la presión interna genera en la pared de la tubería. Si supera la capacidad del material, la tubería se rompe longitudinalmente (rotura en boca de pez). La fórmula de Barlow calcula la presión a la que la tensión circunferencial alcanza el límite de tracción.

Cuándo es aplicable la fórmula

La fórmula de Barlow es aplicable cuando la relación D/t es superior a unos 20. Cuando esa relación es inferior a unos 10, la tensión varía apreciablemente entre la superficie interior y la exterior, y las ecuaciones de Lamé para pared gruesa resultan más precisas. La mayoría de los espesores de pared de la tubería NPS estándar entran en el intervalo de pared delgada.

Valores de resistencia del material

Esta calculadora toma como referencia el SS 304 (resistencia a la tracción de 520 MPa). Para estimar la presión de trabajo de otros grados, multiplique el resultado calculado por la resistencia a la tracción de ese grado dividida entre 520; la columna de multiplicador hace ese cálculo automáticamente.

Atención:estos son los valores mínimos que fijan las especificaciones ASTM. Consulte siempre el informe de ensayo de material (MTR) para conocer los valores reales de su tubería.

Presión de trabajo segura

La presión de trabajo segura (SWP), también llamada presión máxima admisible de trabajo (MAWP), es la presión más alta a la que debe someterse la tubería durante la operación normal: no es el punto de fallo, sino el límite de diseño.

Presión de trabajo = presión de rotura ÷ factor de seguridad

Un factor de seguridad de 2.5 significa que la presión nominal de trabajo de la tubería equivale al 40% de su límite de rotura. En el ámbito industrial, ese margen de seguridad es esencial. Se trata de un factor habitual en las tuberías de proceso y químicas. Conforme a la norma ASME B31.8, las tuberías de petróleo y gas pueden emplear factores de seguridad distintos; consulte siempre el código aplicable.

Aplicaciones de los tubos de acero inoxidable

Los tubos sin costura de acero inoxidable se emplean ampliamente en los sectores de altas prestaciones siguientes:

• Tuberías de petróleo y gas: las líneas de flujo, las tuberías submarinas y las tuberías de refinería resisten la corrosión y son aptas para el servicio amargo.
• Procesos químicos:los serpentines de reactor, los intercambiadores de calor y las líneas de trasiego exigen resistencia a la corrosión.
• Sistemas de alta presión:las tuberías de vapor, los recalentadores y los circuitos de gas y de líquido requieren alta resistencia a la tracción y a la fluencia.
• Líneas hidráulicas:estos tubos sin costura aportan la estabilidad dimensional necesaria a los sistemas hidráulicos que operan en aplicaciones navales exigentes y en ingeniería aeronáutica de alto riesgo.

Factores que influyen en la presión de rotura

• Resistencia del material:una mayor resistencia a la tracción implica una mayor presión de rotura. A igualdad de dimensiones, el acero inoxidable superdúplex (750-795 MPa) tiene una resistencia a la tracción muy superior a la del acero inoxidable austenítico estándar (485-520 MPa).
• Espesor de pared:un espesor de pared mayor reduce la tensión circunferencial y eleva directamente la presión nominal.
• Diámetro exterior:a igualdad de espesor de pared, un diámetro exterior mayor aumenta la tensión circunferencial y, por tanto, reduce la presión nominal.
• Reducción por temperatura:la calculadora supone una temperatura ambiente de 20 °C / 70 °F. Al aumentar la temperatura, la resistencia a la tracción del material (S) disminuye de forma apreciable. Si su temperatura de servicio supera los 100 °C, aplique siempre un factor de reducción.

Limitaciones

Esta calculadora emplea la fórmula de Barlow de pared delgada y ofrece una estimación teórica tomando como ejemplo el acero inoxidable 304 (resistencia a la tracción de 520 MPa) y un factor de seguridad SF = 2.5. No tiene en cuenta el sobreespesor de corrosión, la reducción por temperatura, la eficiencia de las uniones soldadas, las cargas externas ni la fatiga cíclica. Para otros grados, utilice la tabla de multiplicadores anterior. El resultado es únicamente una estimación inicial y no sustituye a un análisis de ingeniería conforme a las normas ASME B31.1, B31.3, B31.8 o API 5L.