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Calculadora de expansión térmica y flexibilidad de tuberías
Calcule la dilatación térmica, las dimensiones necesarias del lazo de expansión y la tensión térmica en sistemas de tuberías usando la aproximación de voladizo guiado — un método simplificado de cribado; el análisis completo de flexibilidad según EN 13480 / ASME B31.3 requiere software de tensiones en tuberías.
Resultados
Expansión térmica
La expansión térmica total de un tramo de tubería es:
- α — coeficiente de expansión térmica (µm/m/°C)
- L — longitud de la tubería (m)
- ΔT — cambio de temperatura (°C)
Dimensionamiento del bucle de expansión
La longitud de la pata del bucle de expansión necesaria para absorber la expansión sin exceder la tensión permitida:
- E — módulo elástico (MPa)
- D — diámetro exterior de la tubería (mm)
- Δ — expansión térmica a absorber (mm)
- Sa — rango de tensión admisible (MPa)
Esta es la aproximación de voladizo guiado (tensión de flexión σ = 3·E·D·Δ/L² igualada a Sa), suponiendo que una rama del lazo absorbe toda la expansión. Es conservador para cribado; no es un análisis completo de flexibilidad conforme a código.
Método de voladizo guiado
La tensión térmica si la tubería está fijada rígidamente en ambos extremos (completamente restringida):
Tabla de referencia de CTE
| Material | α (µm/m/°C) | E (GPa) |
|---|---|---|
| Acero carbono | 12.0 | 200 |
| Acero inoxidable 304 | 17.3 | 193 |
| Acero inoxidable 316 | 16.0 | 193 |
| Cobre | 16.5 | 117 |
| Inconel 625 | 12.8 | 207 |
| Titanio Gr.2 | 8.6 | 105 |
Dada: L = 30 m, CS (α = 12.0, E = 200 GPa = 200,000 MPa), ΔT = 180°C, OD = 168.3 mm, Sa = 138 MPa
Δ = 12,0 × 30 × 180/1000 = 64,8 milímetros
Lbucle = √(3 × 200,000 × 168.3 × 64.8 / 138) = √(4.74 × 10⁷) ≈ 6,886 mm ≈ 6.9 m
⚠️ Nota: Este es un cálculo simplificado de voladizo guiado. El análisis real de flexibilidad de tuberías requiere considerar las conexiones de ramales, los múltiples cambios de dirección y la ubicación de los soportes, y debe realizarse con software de análisis de tensión de tuberías para sistemas críticos.
La fórmula clásica de la viga en voladizo guiada para la longitud del brazo de una lira de dilatación es:
L_loop = √(3 × E × D × Δ / S_a)
Donde E es el módulo de elasticidad (MPa), D es el DE de la tubería (mm), Δ es la dilatación térmica (mm) y S_a es el rango de tensión admisible (MPa). Esto da la longitud mínima del brazo de la lira en mm. Proviene de la tensión de flexión en voladizo guiado σ = 3·E·D·Δ/L².
Se necesita una lira de dilatación cuando la dilatación térmica de un tramo recto de tubería provocaría tensiones superiores al rango admisible. Como regla general, cualquier tramo de más de 10 m con ΔT > 50°C debe verificarse. La tensión térmica totalmente restringida σ = E·α·ΔT debe compararse con la tensión admisible.
Las alternativas incluyen:
- Compensadores de dilatación de fuelle — compactos pero requieren mantenimiento
- Juntas deslizantes — para grandes desplazamientos
- Flexibilidad natural — aprovechando los cambios de dirección existentes (curvas en L, curvas en Z)
- Tramos de tubería flexible — manguera trenzada para tamaños pequeños
Ambos son códigos de diseño de tuberías. EN 13480 es la norma europea para tuberías industriales metálicas y ASME B31.3 es el código estadounidense para tuberías de proceso. Ambos exigen análisis de flexibilidad, pero utilizan formulaciones de tensión admisible ligeramente diferentes. La fórmula de la lira de dilatación se basa en el mismo principio de ingeniería en ambos.
El CTE (Coeficiente de Dilatación Térmica, α) es una propiedad del material que define cuánto se dilata un material por unidad de longitud por cada grado de cambio de temperatura. Un CTE más alto significa mayor dilatación. El acero inoxidable (α ≈ 17,3) se dilata aproximadamente un 44% más que el acero al carbono (α ≈ 12,0) para el mismo cambio de temperatura.
Los procedimientos descritos en esta página fueron desarrollados y probados en campo por el equipo de Vibromera utilizando el Balanset-1A, un equilibrador portátil de dos canales y analizador de vibraciones para el equilibrado de rotores in situ.
Instrumentos profesionales de análisis y equilibrado de vibraciones. Utilizados en más de 50 países.
Nikolai Shelkovenko
Nikolai Shelkovenko es ingeniero de análisis de vibraciones y fundador y director ejecutivo de Vibromera. Desde hace más de 15 años equilibra equipos rotativos en campo y no en un banco de pruebas: desbrozadoras, ventiladores industriales, trituradoras, centrifugadoras, ejes y husillos. De ese trabajo nacieron los instrumentos Balanset — se concibieron como una herramienta que el especialista puede llevar hasta la máquina y utilizar solo, in situ, y no como equipo de laboratorio. Vibromera se fundó en 2017 y desde 2023 tiene su sede en Oporto, Portugal. Aquí se realizan el desarrollo, el montaje y el soporte de la línea Balanset. El instrumento insignia es el Balanset-1A, un analizador portátil para el equilibrado en uno y dos planos y para el diagnóstico de vibraciones. Nikolai participa personalmente en la atención al cliente, en la resolución de casos de equilibrado difíciles y en el desarrollo del software. Trabaja con clientes de todo el mundo, en cualquier idioma.
