Cada tubería de acero se expande cuando se calienta. Una línea de acero al carbono de 100-metros elevada de 20 C a 150 C crece aproximadamente 156 milímetros, y si ese crecimiento no tiene adónde ir, la tubería se pandeará, las bridas se sobrecargarán o las boquillas del equipo serán arrastradas fuera de posición. La expansión térmica es la razón silenciosa por la que los sistemas de tuberías tienen bucles, juntas de expansión y soportes para tuberías, y es uno de los pocos cálculos que un comprador de tuberías puede y debe hacer en papel antes de realizar el pedido.
Formularios de productos
Barra y varilla
Placa y hoja
Bobina y tira
Tubería y tubo
Montaje: Brida, T, Codo, Reductor, etc.
Forja: Anillo, Eje, Círculo, Bloque, etc.
La fórmula de expansión
La expansión térmica lineal de una tubería se calcula como:
Expansión (mm)=L x alfa x delta-T
donde L es la longitud original en metros, alfa es el coeficiente de expansión térmica del material (mm por metro por grado C) y delta-T es el cambio de temperatura en grados C. El coeficiente es la propiedad del material que varía según el grado: los aceros inoxidables austeníticos se expanden aproximadamente un 50 % más que el acero al carbono, que es exactamente la razón por la que una línea de acero inoxidable necesita más capacidad de expansión que una línea de carbono a la misma temperatura.
Coeficientes típicos de expansión
| Material | Alfa media 20-100 C (x10-6/C) | Expansión por 100 m por 100 C |
| Acero carbono | ~11.7 | ~117 milímetros |
| Tipo 304 / 316 inoxidable | ~16.5 - 17.3 | ~165 - 173 milímetros |
| Dúplex 2205 | ~13.5 | ~135 milímetros |
| Inconel 625 | ~12.8 | ~128 milímetros |
El valor del acero inoxidable austenítico es el que hay que recordar: aproximadamente 17 x 10-6 por grado C, frente a aproximadamente 12 para el acero al carbono. Esta es la razón por la que una línea de acero inoxidable de 100 metros con una elevación de 100 grados crece aproximadamente 50 mm más que una línea de carbono de la misma longitud, una diferencia lo suficientemente grande como para importar en el diseño del circuito de expansión.
Ejemplo resuelto: una línea de proceso de acero inoxidable
Tome una línea 316L, de 60 metros de largo, instalada a 20 C y operando a 120 C. El cambio de temperatura es de 100 C. Usando alfa=16.5 x 10-6 / C:
Expansión=60 mx 16.5 x 10-6 / C x 100 C=0.099 m=99 mm.
Esos 99 mm deben ser absorbidos por la disposición de la tubería - un bucle, un fuelle o una curva natural. Si la línea estuviera anclada rígidamente en ambos extremos, la carga térmica crearía tensiones que, en una línea rígida de 316L, pueden exceder el límite elástico. El número de expansión es el punto de partida para cada decisión en el diseño.
Por qué el acero inoxidable austenítico crece más
La red cúbica centrada en las caras (FCC) del acero inoxidable austenítico es más abierta que la red cúbica centrada en el cuerpo (BCC) del acero al carbono, y los átomos se separan más a medida que aumenta la temperatura. Esa es una constante metalúrgica - que no se puede cambiar mediante tratamiento térmico.
Esto significa que cada línea de acero inoxidable o de aleación-de níquel con un delta-T grande necesita proporcionalmente más espacio para moverse. El coeficiente también cambia ligeramente con la temperatura; para trabajos precisos, los ingenieros utilizan el coeficiente medio sobre el rango operativo real de la hoja de datos del material en lugar del valor de temperatura ambiente-.
¿Cuáles son las opciones de diseño?
- Bucles de expansión: la clásica curva en forma de U-de la línea, dimensionada para que la flexión natural absorba el crecimiento.
- Juntas de expansión (fuelles): fuelles metálicos flexibles instalados donde el espacio es demasiado reducido para un bucle.
- Curvas y recorridos de tuberías: utilizar la flexibilidad natural de las curvas en el diseño para absorber el movimiento.
- Anclajes y guías: los puntos de anclaje fijan la línea en ubicaciones definidas para que la expansión se canalice hacia los puntos flexibles, no hacia las boquillas del equipo.
- Pre-estrés/primavera fría: la instalación de la línea se corta ligeramente para que esté pre-cargada contra la futura expansión.
Los errores que aparecen en el sitio
- Tratar una línea de acero inoxidable como una línea de carbono: usar el coeficiente de expansión del acero al carbono en el cálculo indicado en-dimensiona el bucle en aproximadamente 50 mm por 100 m por 100 C.
- Anclar ambos extremos de una línea viva sin punto de flexión y luego observar las bridas con fugas en el primer calentamiento-.
- Usando delta-T en función de la temperatura de funcionamiento menos la temperatura ambiente, pero olvidando que la línea se instaló en invierno -, el aumento real puede ser mayor.
- Colocar una junta de expansión en línea con guías deficientes, de modo que el fuelle experimente corte en lugar de movimiento axial puro.
Cómo utilizar el número al realizar pedidos
Cuando solicita tubería para un servicio caliente, el cálculo de la expansión no cambia la tubería en sí - la calidad y la pared se deciden por la presión y la corrosión - pero decide el diseño, los soportes y los accesorios de expansión.
Un comprador que conoce la delta-T y la alfa puede dimensionar el bucle u ordenar la junta de expansión correcta con el recorrido axial correcto en un solo paso, en lugar de descubrir en el sitio que el fuelle tiene la mitad del recorrido que la línea necesita. Especifique las temperaturas de funcionamiento e instalación en la consulta y el proveedor confirmará el coeficiente del material de la hoja de datos estándar.
