La nomenclatura de las tuberías y accesorios de PVC

La nomenclatura de las tuberías
y accesorios de PVC
AMANCO Asesoría Técnica
(Revisión 08/2008)
1. Introducción
La adecuada selección y especificación de la tubería y accesorios de PVC asegura
sistemas hidráulicos óptimos en su funcionamiento y en su costo. Con ese fin, este
documento pone a disposición del lector los conceptos y terminología básica que
componen el particular lenguaje de las tuberías y accesorios de PVC.
2. Diámetro nominal vs. diámetro real
Cuando inspeccionamos un tubo de PVC SDR 17 de 50mm de diámetro nominal, llama
nuestra atención que sus diámetros reales, tanto el externo (60,32 mm) como el
interno (53,2 mm aprox.), distan de ser 50 mm. lgualmente ocurre si observamos un
tubo de 50 mm de diámetro nominal Schedule 40, un tubo para instalaciones
eléctricas (conduit) ó uno para agua caliente de CPVC, como muestra la siguiente
tabla:
Norma de fabricación
ASTM D 1785
ASTM D 1785
ASTM D 1785
ASTM D 2241
ASTM D 2241
ASTM D 2241
ASTM D 2241
ASTM D 2241
ASTM D 2241
Conduit liviano
Sch 40
Sch 80
Sch 120
SDR 13.5
SDR 17
SDR 21
SDR 26
SDR 32.5
SDR 41
Diámetro
nominal
(mm)
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
Diámetro
interno
(mm)
52.50
49.24
47.62
51.38
53.21
54.58
55.71
56.62
57.38
51.34
Diámetro
externo
(mm)
60.32
60.32
60.32
60.32
60.32
60.32
60.32
60.32
60.32
54.94
Diámetros
externos
iguales
Aunque todas las tuberías de esta tabla tienen el mismo diámetro nominal y nos
estamos refiriendo a “un tubo de PVC de 50 mm de diámetro”, observamos que:
•
En ningún caso el diámetro es 50 mm, ni externo ni interno
•
Los diámetros externos son los mismos en la mayoría de casos
•
Los diámetros internos presentan variaciones de una especificación a otra, lo que
indica que los espesores de pared no son iguales, y que la capacidad hidráulica (ó el
espacio disponible para conductores eléctricos) no es la misma.
PAG.1
Podemos resumir que a un mismo diámetro nominal se asocia una amplia gama
de diámetros reales, dependiendo de la norma de fabricación de los tubos.
Es por esa razón que al especificar tuberías plásticas de PVC, no es suficiente indicar el
diámetro nominal de las tuberías, siendo necesario aportar información adicional. Esa
información viene dada por la norma de fabricación.
La norma de fabricación de una tubería típica de PVC incluye términos tales como:
ASTM, Schedule, SDR, etc. Especifica, además, cuál es el uso apropiado de esa
tubería. El propósito de este artículo es explicar esa nomenclatura.
3. Tuberías especificadas por cédula ó calibre (Schedule)
La primera familia de tubería que veremos es la de tuberías especificadas por cédula.
Históricamente, esta fue la primera familia de tuberías de PVC.
Las primeras tuberías de PVC se originaron como sustituto de las tuberías de hierro
galvanizado para presión, las cuales eran clasificadas según la cédula ó calibre de la
lámina con que eran fabricadas (originalmente en inglés: Schedule): Sch 40, Sch 80
y Sch 120. La cédula define las características dimensionales (diámetros, espesores,
tolerancias) de las tuberías metálicas.
Las tuberías de PVC adoptaron este criterio de cédula para sus primeras
especificaciones de diseño y fabricación. En esta especificación, para un diámetro
nominal dado, cada cédula define un espesor de pared diferente, y por lo
tanto un diámetro interno diferente. Continuando con el ejemplo de tubería de
50mm de diámetro nominal:
Diámetro externo, Do
(mm)
Diámetro interno (mm)
Espesor de pared, t
(mm)
Presión de trabajo P
(kg/cm2)
Sch 40
Sch 80
Sch 120
60.32
60.32
60.32
52.50
49.24
47.62
3.91
5.54
6.35
19.6
28.0
32.9
Una importante consecuencia de este desarrollo inicial de las tuberías de PVC es que
se adoptó el criterio de utilizar el mismo diámetro externo que las tuberías
galvanizadas, por lo que se habla de tuberías IPS (iron pipe size). Una gran
cantidad de las tuberías comerciales de PVC son IPS, y esto explica por qué en la tabla
en página 1 coincidían la mayoría de diámetros externos. No son IPS: las tuberías
conduit, D 3034, CPVC, Novafort, Novaloc y algunas otras.
PAG.2
Para efectos de diseño hidráulico, la cédula de la tubería es un parámetro importante,
pues indica no sólo su diámetro interno sino su presión de trabajo, la cual depende del
espesor de la pared. Como veremos más adelante, las tuberías según cédula han sido
desplazadas por las tuberías según su SDR, pero la gran mayoría de conexiones
utilizadas hoy día en nuestro medio son Sch 40, por lo cual es necesario conocer
cuáles son sus presiones de trabajo:
Diámetro
nominal
Tubería Sch 40
pulg
mm
½
12
¾
18
1
25
1¼
31
1½
38
2
50
2½
62
3
75
4
100
6
150
8
200
10
250
12
300
Presión de
trabajo (*)
psi (**)
600
480
450
370
330
280
300
260
220
180
160
140
130
kg/cm2
41.4
33.1
31.0
25.5
22.8
19.6
20.7
17.9
15.2
12.4
11.0
9.7
9.0
(*) En el caso de accesorios roscados, la presión de trabajo debe reducirse a la mitad
(**) La presión de trabajo se mide en kg/cm2 ó en libras por pulgada cuadrada (psi)
¿Por qué en las tuberías fabricadas por cédula decrece la presión de trabajo conforme
aumenta el diámetro? Vamos a tratar de explicarlo a continuación. De acuerdo con la
llamada ecuación ISO R-161, se pueden establecer estas relaciones para el esfuerzo
de tensión anular en la pared del tubo:
2S DO
=
−1
P
t
con:
P:
S:
Do :
t:
Presión de trabajo (psi ó kg/cm2)
Esfuerzo Hidrostático de Diseño (psi ó kg/cm2)
Diámetro externo (in ó cm)
Espesor de pared (in ó cm)
PAG.3
Despejando P:
P=
2S
Do
−1
t
El Esfuerzo Hidrostático de Diseño S es un parámetro importante. Resulta de
aplicar un factor de seguridad de 2 al máximo esfuerzo de tensión anular que la
tubería puede soportar de manera continua durante 50 años, que se denomina Base
Hidrostática de Diseño (BHD), y que se establece mediante pruebas de laboratorio
a largo plazo. Para la materia prima utilizada en la fabricación de tuberías de PVC en
nuestro país, el valor de la BHD es de 280 kg/cm2 (4,000 psi), por lo que el valor de S
es: S = BHD/2 = 280/2 = 140 kg/cm2 (2,000 psi).
Al calcular P con la fórmula anteriormente descrita, encontramos la presión interna que
la tubería es capaz de soportar de manera segura -asumiendo un factor de seguridad
de 2- durante un período de 50 años. P así calculada, se define como la Presión de
Trabajo de la tubería.
Retomando la explicación de las presiones de trabajo decrecientes: si tomamos en
cuenta que S es constante y que en tuberías por cédula el valor de t es también
constante para varios diámetros, podemos entonces deducir que el valor de P
disminuirá cuando aumentemos Do en la fórmula. Esto explica los valores decrecientes
de P en la tabla de la página anterior.
Las tuberías de PVC clasificadas por cédulas están normadas en la especificación ASTM
D 1785. En nuestro mercado se utilizan únicamente en diámetros menores y en las
conexiones ó accesorios.
Las siglas ASTM representan la American Society for Testing and Materials (Sociedad
Norteamericana de Pruebas y Materiales), que es la entidad normativa más importante
en los Estados Unidos.
Cada especificación de materiales ASTM consiste en un
extenso protocolo de especificaciones que las tuberías deben de cumplir íntegramente,
cuyo cumplimiento se verifica mediante pruebas de laboratorio también especificadas
por la ASTM. La mayoría de tuberías utilizadas en nuestro país están definidas según
normativas ASTM o sus homologaciones a normas nacionales INTE del Instituto de
Normas Técnicas de Costa Rica (INTECO).
4. Tuberías serie SDR (Standard Dimension Ratio)
Las tuberías de PVC fabricadas según cédula reseñadas en la Sección 3, permitieron la
introducción rápida y exitosa del PVC como sustituto de las tuberías de hierro
galvanizado de unión roscada.
PAG.4
Al desarrollarse la tecnología de cementos de PVC, que permitieron unir los tubos sin
roscarlos, los fabricantes de tuberías de PVC detectaron la oportunidad de optimizar la
gama de producto en los diámetros menores, en los cuales el espesor de pared de la
norma de tubos galvanizados resultaba excesivo para las presiones de operación
usuales.
¿Cómo se originan las tuberías especificadas por su SDR? Volviendo a la fórmula de la
página anterior, si en lugar de mantener constante el valor de t, mantenemos
constante para varios diámetros el valor de S y el de Do/t, tendremos la misma presión
de trabajo P para distintos diámetros, pues los términos del lado derecho de la
ecuación permanecerán constantes.
En este caso, para mantener constante el valor de Do/t, al aumentar el diámetro debe
también aumentar proporcionalmente el espesor de la pared. A la razón Do/t se le
llama Razón Dimensional (dimension ratio) y se identifica como DR. Así,
t
DR =
Do
Do
t
Se han desarrollado con este criterio familias de tuberías que en todo el rango de
diámetros tienen el mismo DR, y por tanto la misma presión de trabajo.
Para obtener valores de presión de trabajo estandarizados y facilitar el cálculo y diseño
de tuberías, se eligió una serie de valores estandarizados para el DR, que se
simbolizan como SDR (Standard Dimension Ratio = Razón Dimensional Estándar).
En países de habla hispana, el término utilizado es RDE.
Para materia prima con un esfuerzo de diseño de 2,000 psi (140 kg/cm2), los SDR y
sus presiones de trabajo asociadas son:
PAG.5
SDR
64
51
41
32.5
26
21
17
13.5
Presión de
trabajo
psi
kg/cm2
63
4.4
80
5.6
100
7.0
125
8.8
160
11.2
200
14.0
250
17.6
315
22.1
Estos valores de presión de trabajo se aplican, para una misma serie de tubería, en
todos sus diámetros, lo que facilita el diseño y especificación de las tuberías. Se han
obtenido de la ecuación anterior expresada de la forma:
P=
2S
SDR − 1
con:
P: Presión de trabajo (psi ó kg/cm2)
S: Esfuerzo Hidrostático de Diseño (psi ó kg/cm2)
Do: Diámetro externo (in ó cm)
t: Espesor de pared (in ó cm)
SDR: Do/t
Las tuberías clasificadas por su SDR se incluyen en la especificación ASTM D 2241. El
Anexo incluye un resumen de las especificaciones de esta norma.
Como se mencionó anteriormente, el diseñador debe utilizar para sus cálculos
hidráulicos el diámetro interno que corresponda al SDR de la tubería utilizada, pues el
diámetro interno puede variar en más de un 10% en algunos casos y un valor
incorrecto puede conducir a cálculos hidráulicos incorrectos.
5. Tuberías especificadas por Clases (AWWA C 900 y C 905 PVC)
Otra especificación para el diseño y fabricación de tuberías es proporcionada por la
AWWA (American Water Works Assocciation).
PAG.6
Mediante la especificación C 900, la AWWA define para tres clases de tuberías de PVC
(Pressure class): Clase 200, Clase 150 y Clase 100. El criterio aquí es definir una
presión de trabajo (utilizando el mismo criterio de DR), más una previsión
estandarizada de resistencia por sobrepresiones originadas por el fenómeno de golpe
de ariete. Resulta de la aplicación de tuberías para acueductos, en los cuales el cierre
y apertura de válvulas, frecuentes derivaciones y aparatos hidráulicos con frecuencia
originan sobrepresiones por aire ó por golpe de ariete.
En la tabla siguiente se muestran las razones dimensionales (DR) de esta norma, así
como las presiones de trabajo y sobrepresiones especificadas:
Clase
DR
200
150
100
14
18
25
Presión
hidrostática
de prueba
(psi)
650
500
350
Sobrepresión
de prueba
(psi)
985
755
535
Puede verse que según esta norma, para una presión de trabajo de 200 psi tal como la
concibe la AWWA, es necesario un DR de 14. En el caso de tuberías serie SDR, el
requerimiento era de SDR 21, que es menos exigente que DR 14. En otras palabras,
las tuberías clasificadas por clases AWWA cumplen requerimientos más exigentes que
según las series SDR de la norma ASTM D 2241. Se fabrican con diámetros externos
idénticos a los de las tuberías de hierro dúctil (no son IPS, sino DIPS : ductile iron pipe
size).
En nuestro país no se utiliza este tipo de tubería, salvo para aplicaciones en sistemas
presurizados contra incendios en edificaciones. Sin embargo, es conveniente conocer
el criterio de la AWWA para clasificar las tuberías y accesorios, para consideraciones de
diseño de válvulas, accesorios especiales, etc., los cuales en nuestro país se utilizan
combinados con las tuberías ASTM D 2241.
6. Material de fabricación de las tuberías y accesorios
Las tuberías descritas en los párrafos anteriores corresponden a PVC manufacturado a
partir de resina tipo 12454B. Existen diversas formulaciones que permiten obtener
otras propiedades mecánicas ó químicas especiales, para atender aplicaciones
específicas.
Por ejemplo, el compuesto utilizado para extrusión (tuberías) es diferente al de
inyección (accesorios) en cuanto a peso molecular. Otro ejemplo es cómo agregando
cloro al compuesto se obtiene el CPVC (cloruro de polivinilo clorado), que permite
aceptar temperaturas de trabajo más altas.
PAG.7
7. Tuberías y accesorios CTS de CPVC (PVC clorado) para agua caliente
El avance tecnológico en materia prima y procesos de fabricación, permitió a la tubería
de PVC incursionar en nuevos usos. Con el CPVC mencionado en el párrafo anterior,
se abrió una nueva aplicación: la conducción de agua caliente a presión.
Las tuberías de CPVC usadas en nuestro medio no son IPS, y por tanto no son
compatibles con las tuberías de PVC para agua fría.
Siendo el cobre (copper) el
material tradicional para tuberías para agua caliente, la tubería de CPVC adoptó sus
especificaciones dimensionales. Esto dio origen a las tuberías CTS (copper tube
size), especificadas en las normas ASTM F 442 y F 441. Existen en otros medios,
para requerimientos de alta temperatura y alta presión, tuberías y accesorios de CPVC
IPS Sch 80, cumpliendo con los requisitos de espesor de pared de tal calibre.
8. Tuberías D 3034
Dentro de las aplicaciones más útiles de las tuberías de PVC están los alcantarillados
sanitarios, es decir, las tuberías destinadas a evacuación de aguas negras en
infraestructura urbanística. Existe una familia de tuberías de norma ASTM D 3034,
disponible en diámetros de 4” (100 mm) hasta 15” (375 mm), cuyo diámetro externo
no es IPS, y que constituye por sí sola toda una familia de tuberías y accesorios. Esta
tubería se ha usado por años en nuestro país en redes sanitarias de urbanizaciones y
ciudades, por sus ventajas de bajo peso y hermeticidad de juntas respecto de los
sistemas tradicionales anteriormente utilizados. Su color es naranja, para evitar la
conexión accidental con tuberías D 2241.
9. Tuberías PIP
Estas tuberías tienen aplicación para irrigación. PIP significa Plastic Irrigation Pipe
(tubería plástica para irrigación). Estas especificaciones no se utilizan en en nuestro
medio, por lo que no las consideramos aquí en detalle. Sin embargo, en aplicaciones
agrícolas de riego ó de conducción a baja presión, es conveniente conocer sus
normativas, pues contienen los criterios de diseño e instalación recomendados para
este tipo especial de aplicaciones de las tuberías de PVC.
10. Tuberías perfiladas y corrugadas
Hasta este punto hemos mencionado únicamente tuberías de PVC usualmente
conocidas como “de pared sólida” por la configuración de su pared. La innovación más
relevante en los últimos años en la tecnología de tuberías para alcantarillado y drenaje
PAG.8
de PVC es el desarrollo de configuraciones de pared novedosas, sea por la
estructuración de la pared ó por el aligerado del material PVC del tubo, para producir
tuberías de alta rigidez y bajo peso.
El principio básico de esta innovación tecnológica es maximizar la inercia de la pared
de la tubería usando un mínimo de material. Para ello, se han desarrollado diferentes
configuraciones geométricas de pared. El parámetro más importante en este tema es
la rigidez de la tubería (pipe stiffness, PS). Es una medida de la resistencia de la
tubería a deformarse cuando se le aplica una carga externa.
En el caso de tuberías de pared sólida, y para ilustrar el concepto, existe una relación
entre la rigidez PS de las tuberías y el SDR mencionado en la sección 4, tal como
muestra la siguiente tabla:
SDR
13.
5
17
21
PS (psi)
PS
(kg/cm2)
916
64.4
2
437
30.7
3
224
15.7
5
26
32.
5
35
41
51
64
115 57
46
28
14
7
8.0 4.01 3.24 1.97 0.99 0.49
9
Tuberías de pared perfilada abierta, tuberías de doble pared, tuberías de perfil cerrado
y otras configuraciones de pared representan hoy día alternativas para el diseñador y
el constructor de obras de infraestructura.
Amanco cuenta con la tubería Novafort, que consiste en tubo
de doble pared (TDP), con características hidráulicas y
estructurales muy ventajosas.
Se ofrece en diámetros
nominales de 4” a 24” (100 a 600 mm). Se fabrica según la
norma ASTM F 949.
Asimismo, el grupo Amanco ofrece hoy día el producto Novaloc, que completa la
oferta en el rango de diámetros de 18” a 60” (450 a 1500 mm), según ASTM F 2307.
El diseño superior en rigidez de tubería, espesor de pared en contacto con el agua, así
como el novedoso sistema de conexión, asegura ventajas competitivas respecto de
otros productos existentes en el mercado en: mejor comportamiento estructural,
mayor vida útil y facilidad de instalación.
En el caso de las tuberías de pared estructurada no aplica el concepto de SDR, que es
exclusivo de las tuberías de pared sólida.
El uso de estas tuberías estructuradas en aplicaciones a presión es un campo nuevo,
de enormes posibilidades, con experiencias muy interesantes en nuestro mercado
agrícola.
PAG.9
11. Formas de unión de tubos de PVC
La conexión usual entre tuberías se obtiene por el sistema de campana - espiga. Estas
conexiones pueden ser utilizando cemento solvente ó mediante empaques de hule
herméticos.
Las uniones cementadas aunque son relativamente fáciles de realizar, deben ajustarse
a procedimientos establecidos, controlados, que aseguren su calidad.
Un alto
porcentaje de los problemas que ocurren en sistemas de tuberías plásticas se originan
en uniones cementadas defectuosas.
Para aplicaciones de infraestructura de acueductos (D 2241),
Amanco ha desarrollado un sistema de unión entre tuberías
de gran hermeticidad y seguridad para el usuario: el sistema
Rieber, superior a cualquier otra oferta en nuestros
mercados.
Otras formas de unir tuberías, ó de unir tuberías y accesorios son: uniones roscadas y
uniones bridadas.
12. Accesorios de PVC y CPVC
Para conexiones que no son en línea, para cambios de dirección, derivaciones, cambios
de diámetro, adaptaciones, transiciones a otros materiales, etc., se ha desarrollado
una amplísima gama de accesorios de PVC. Los hay inyectados y fabricados (a partir
estos últimos de piezas de tubería de PVC).
Para aplicaciones a presión, se utilizan accesorios Sch 40, cuyo diseño y fabricación
están normados por ASTM D 2466. Debe notarse que dependiendo de los diámetros
de la aplicación, en algunos casos la tubería tiene una presión de trabajo menor que la
del accesorio, y en otros casos (diámetros mayores) el accesorio tiene un presión de
trabajo menor que la de la tubería (ver página 2, donde se discute este tema).
Para aplicaciones de drenaje sanitario y pluvial sin presión (DWV – Drainage, waste
and ventilation, en inglés), se utilizan accesorios de otro tipo. Los tradicionales se
fabrican cumpliendo con ASTM D 2665, con espesores de pared cédula 40 pero de
geometría diferente de la de los accesorios para presión. Son conocidos como
“accesorios sanitarios pared gruesa” en nuestro medio.
Una alternativa desarrollada hace unos 20 años y de amplia utilización en nuestro país
son los accesorios para drenaje sanitario y pluvial fabricados con espesores de pared
SDR 32.5 (conocidos como “accesorios sanitarios pared delgada”).
PAG.10
Los accesorios para presión y para drenaje, si bien son IPS ambos, tienen un diseño
geométrico diferente no solo en cuanto espesor de pared, sino en:
a) Dimensiones, siendo más compactos los de presión que los de drenaje
b) Radios de curvatura, pues los accesorios de presión tienen radios de curvatura
menores que los de drenaje (estos últimos, por ubicarse en sistemas que operan
por gravedad, deben facilitar el flujo por gravedad)
c) Largo de espigas, para asegurar la debida superficie de contacto con el tubo
d) Largo de campanas, para asegurar la debida superficie de contacto con el tubo
Su selección debe realizarse con el mismo cuidado con que especificamos las tuberías.
Codo 90º Presión –
Schedule 40 – 50mm
Codo 90º Sanitario “pared gruesa” Schedule 40 – 50mm
Codo 90º Sanitario “pared delgada”
– SDR 32,5 – 50mm
Las tuberías Amanco para alcantarillado, Novafort y Novaloc, cuentan también con una
gama de accesorios y adaptadores que aseguran compatibilidad y flexibilidad de los
sistemas.
En aplicaciones agrícolas, la utilización de accesorios y componentes
metálicos expanden la versatilidad y rango de aplicación de estas tuberías.
PAG.11