Calculadora de espesor de pared de tubería (ASME B31.3)

Cómo calcular el espesor de pared mínimo de una tubería

t = (P × D) / (2 × (S·E·W + P·Y)) + C

Determine en orden los cuatro grupos de datos siguientes y obtendrá el espesor de pared mínimo.

• Presión de diseño (P): la presión interna máxima que soporta la tubería en condiciones de servicio.
• Diámetro exterior (D): en el tubo sin costura el diámetro exterior no varía con la serie de espesores, de modo que un tubo de 6 pulgadas tiene el mismo diámetro exterior tanto en Sch 40 como en Sch 80.
• Tensión admisible (S): debe consultarse en la ASME BPVC, Sección II, Parte D, para la temperatura de diseño real, y no tomarse a temperatura ambiente.
• Coeficientes y sobreespesores: introduzca primero E, W e Y y sume al final el sobreespesor de corrosión (C).

El valor obtenido es el espesor de pared mínimo. Al cursar el pedido debe elegirse el siguiente espesor o serie normalizada por encima de ese valor, nunca por debajo.

Referencia de tensión admisible (S)

La tensión admisible es la tensión máxima que el código permite soportar a un material a una temperatura dada, e incluye ya los márgenes de seguridad frente a la fluencia y a la rotura. Su valor desciende al aumentar la temperatura, de modo que una tensión válida a 100 °C sobreestima la capacidad de ese mismo material a 400 °C. Consulte el valor de S correspondiente a la temperatura de diseño real y no lo redondee a una cifra cómoda.

Ejemplo de cálculo

Tomemos un tubo de 6 pulgadas con 168.3 mm de diámetro exterior y una presión de diseño de 5 MPa. Se adopta una tensión admisible de 137 MPa: es solo un valor de ejemplo y no el valor de código de ningún grado concreto. El tubo es sin costura, por lo que E = 1.0; al no tener soldadura longitudinal, W = 1.0. Para acero en servicio por debajo de unos 482 °C (900 °F), Y toma su valor habitual de 0.4.

t = (5 × 168.3) / (2 × (137 × 1.0 × 1.0 + 5 × 0.4)) = 841.5 / (2 × 139) = 3.03 mm

Sumando 1 mm de sobreespesor de corrosión: 3.03 + 1 = 4.03 mm de espesor de pared mínimo.

4.03 mm es el límite inferior, no el espesor que debe pedirse. La tolerancia negativa de espesor en fábrica de tubo sin costura llega hasta el 12.5 %, es decir, solo se garantiza el 87.5 % del espesor nominal pedido. Al cursar el pedido hay que elegir un espesor nominal suficiente para que su 87.5 % siga siendo superior a 4.03 mm.

Tubo sin costura frente a tubo soldado

El coeficiente de junta soldada E es la razón de fondo por la que el tubo sin costura y el soldado se dimensionan de forma distinta. E multiplica directamente al término de tensión admisible, de modo que cuanto menor es E, mayor es el espesor necesario a igualdad de presión y de diámetro. El tubo sin costura toma E = 1.0, el soldado por resistencia eléctrica (ERW) ronda E = 0.85 y el soldado a tope en horno baja hasta unos E = 0.60. En las mismas condiciones de servicio que un tubo sin costura, el soldado tiene que compensar con una pared más gruesa.

Zhejiang Xintongda fabrica tubo sin costura en toda clase de grados austeníticos, dúplex, súper dúplex y de aleación de níquel, de modo que su proyecto aprovecha íntegramente la ventaja de E = 1.0 justo en los materiales donde la resistencia a la corrosión y la contención de la presión resultan críticas.

Campos de aplicación

• Tuberías de proceso: el ámbito central de la ASME B31.3, que abarca toda clase de líneas en plantas químicas, petroquímicas y farmacéuticas.
• Petróleo y gas: oleoductos, sistemas de recogida y tuberías de refinería sometidos a la vez a alta presión y a medios corrosivos.
• Centrales eléctricas e instalaciones de caldera: líneas de vapor y de agua de alimentación que operan a alta temperatura, donde tanto Y como S difieren de los valores a temperatura ambiente.
• Tubuladuras de equipos a presión: las tubuladuras y los ramales conectados a recipientes e intercambiadores, cuyo espesor debe corresponderse con las bases de diseño del propio equipo.

Límites de aplicación

La fórmula solo es válida en el rango de pared delgada, es decir, con P/(S·E) ≤ 0.385, lo que equivale matemáticamente a t < D/6. Por encima de esa relación, la ASME B31.3 exige otro método de cálculo; esta calculadora avisa ante ese tipo de datos en lugar de devolver un resultado erróneo. La temperatura afecta a la vez a dos de las cuatro variables: tanto S como Y varían al subir la temperatura de diseño, de modo que un cálculo hecho a la temperatura equivocada subestima el espesor de pared mínimo real. Además, la presión interna es solo uno de los casos de carga: la flexión, la presión externa y la dilatación térmica generan tensiones adicionales que esta fórmula no cubre y que el código trata por separado. Antes de cursar el pedido, verifique el espesor final conforme al código aplicable y a la especificación técnica del proyecto.