¿Cómo evitar daños en las tuberías al usar expansores?

Cómo la expansión térmica afecta la integridad de las tuberías durante el uso del expansor

La física de la expansión térmica lineal en materiales comunes para tuberías (acero, cobre, PVC)

Todos los materiales para tuberías tienden a expandirse cuando aumenta la temperatura y a contraerse cuando esta disminuye, siguiendo un principio básico descrito por la ecuación ΔL = αLΔT (que, básicamente, significa que el cambio de longitud equivale al coeficiente de expansión multiplicado por la longitud original y por el cambio de temperatura). Sin embargo, los distintos materiales se comportan de forma muy diferente. El acero se alarga aproximadamente 0,0000065 pulgadas por cada pulgada de tubería por cada grado Fahrenheit de aumento de temperatura. El cobre no va muy lejos detrás, con unos 0,0000090 pulgadas por pulgada por grado. Pero observe el PVC: su valor asciende a aproximadamente 0,00003 pulgadas por pulgada por grado, lo que lo hace casi cinco veces más elástico que el acero. Para situar esto en perspectiva, imagine una tubería de acero de 100 pies de longitud sometida a un aumento de temperatura de 150 grados Fahrenheit: en realidad se alargaría cerca de 1,2 pulgadas. La misma longitud de tubería de PVC, bajo condiciones similares, se expandiría más de 5,4 pulgadas. Estas diferencias generan puntos de tensión importantes allí donde entran en contacto distintos materiales. Esto resulta particularmente problemático durante operaciones que implican expansores, ya que la acumulación local de calor amplifica estos movimientos. Las fuerzas resultantes pueden alcanzar, en ocasiones, valores superiores a 20 000 libras, lo cual constituye un factor de gran relevancia para los ingenieros que diseñan sistemas de tuberías.

Por qué la expansión no controlada genera tensión, desalineación y fallo de las juntas cerca de las zonas de expansión

Cuando el movimiento térmico está restringido, las tuberías ejercen una fuerza extrema sobre los anclajes, bridas y juntas. Cerca de los expansores —donde el calentamiento y enfriamiento cíclicos concentran las cargas mecánicas y térmicas— predominan tres modos de fallo:

• Concentración de tensiones en curvas y soldaduras, superando el límite elástico
• Desalineación Angular de las bridas, lo que provoca la expulsión de las juntas tóricas
• Separación de juntas de campana en sistemas de empalme por presión, causando fugas

Según un estudio reciente del Instituto Ponemon de 2023, aproximadamente dos tercios de todas las fallas en tuberías en instalaciones industriales se deben, en realidad, a una mala gestión de los problemas derivados de las tensiones térmicas. Cuando las tuberías experimentan ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento, esto acelera el desarrollo de fatiga. El problema empeora en zonas donde las tuberías están ancladas con demasiada rigidez o no cuentan con un soporte adecuado. Por ejemplo, cuando se aplica una fuerza de compresión excesiva sobre tubos de pared delgada, estos tienden a pandearse. Por otro lado, las fuerzas de tracción pueden provocar la propagación de grietas en materiales frágiles como el PVC. Si las tuberías no están debidamente soportadas, estas tensiones no permanecen localizadas: se transmiten directamente a otros componentes del equipo, como válvulas, bombas y diversos instrumentos. Esto genera riesgos graves de lo que los ingenieros denominan «fallas catastróficas en bridas». Incluso sistemas con clasificación estándar podrían fallar por completo a niveles de presión sorprendentemente bajos, alrededor de 740 psi, cuando se someten durante un tiempo prolongado a estas fuerzas descontroladas.

Mejores prácticas para la selección e instalación adecuadas del expansor

Ajuste del tipo de expansor y del perfil de fuerza al material del tubo y al espesor de la pared

Elegir un expansor adecuado depende realmente de lograr una coincidencia entre la fuerza que aplica y la resistencia mecánica que el tubo puede soportar. Los tubos de acero tienen una resistencia a la tracción mucho mayor en comparación con los materiales de cobre o PVC, por lo que pueden soportar mayores fuerzas radiales de expansión. Sin embargo, tampoco debe olvidarse el espesor de la pared, ya que desempeña un papel fundamental en todo este proceso. En sistemas de climatización (HVAC) de paredes delgadas o en aplicaciones industriales de tuberías ligeras, generalmente debemos mantener bajos los índices de expansión para evitar problemas como el pandeo o la ovalización. En cuanto a los materiales, el PVC se vuelve bastante frágil cuando la temperatura desciende por debajo de los 40 grados Fahrenheit (aproximadamente 4 grados Celsius). El uso de expansores neumáticos con presiones superiores a 800 psi en tubos de PVC aumenta efectivamente la probabilidad de que las grietas se propaguen a través del material. El cobre, en cambio, se comporta de forma distinta, ya que es más dúctil, lo que permite un mayor desplazamiento sin daño al emplear expansores mecánicos. Al trabajar en cualquier proyecto, asegúrese de verificar conjuntamente varios aspectos: la clase específica del material del tubo utilizado, los detalles de su programa de espesores de pared («wall schedule») y las especificaciones de par de apriete recomendadas por el fabricante. Esto resulta especialmente importante en las uniones soldadas, donde las tensiones residuales derivadas de la soldadura pueden hacer que los tubos se deformen con mayor facilidad bajo presión.

Evitar la sobreexpansión: cálculo de los límites seguros de desplazamiento según ASME B31.1/B31.9

La sobreexpansión sigue siendo una de las principales causas de fallo en juntas de sistemas a presión. ASME B31.1 (tuberías para centrales eléctricas) y B31.9 (tuberías para servicios de edificios) definen la expansión máxima admisible en función del material, la temperatura y la geometría. La calibración de los expansores conforme a estos límites garantiza que la deformación se mantenga dentro del rango elástico y evita deformaciones permanentes o microfisuras:

La verificación tras la expansión es esencial: la profilometría láser debe confirmar que el diámetro interno (ID) se mantiene dentro de ±0,5 % del valor nominal. Las desviaciones superiores a este umbral aumentan el riesgo de fugas bajo cargas térmicas cíclicas.

Estrategias de soporte y anclaje para proteger las tuberías alrededor de los expansores

Colocación estratégica de anclajes, guías y soportes deslizantes para absorber el movimiento inducido por los expansores

Los buenos sistemas de soporte gestionan eficazmente el movimiento térmico durante todo el proceso de uso de los expansores, no limitándose simplemente a actuar como restricciones pasivas, sino distribuyendo activamente las fuerzas a lo largo del sistema. Los anclajes asumen el empuje por presión y evitan cualquier movimiento axial en esos puntos fijos. Las guías limitan el movimiento lateral, aunque permiten cierto desplazamiento hacia adelante o atrás. Los soportes deslizantes están diseñados para absorber los desplazamientos previstos mediante sus superficies de bajo coeficiente de fricción, y suelen colocarse a una distancia de aproximadamente 4 a 10 diámetros de tubería respecto a las juntas y las zonas de expansión. Estos tres componentes funcionan conjuntamente de forma bastante eficaz para abordar los principales problemas que los ingenieros observan en obra: acumulación de tensiones en los puntos de soldadura, desalineación de las juntas y pandeo lateral de las tuberías bajo presión.

Lograr una colocación adecuada requiere analizar las tasas de expansión térmica junto con la disposición general del sistema, en lugar de basarse en estimaciones aproximadas para el espaciado. Los soportes principales están diseñados para evitar que los componentes se deformen por flexión y para mantener todo alineado al soportar el peso de los propios componentes. Los soportes secundarios cumplen su función al reducir las vibraciones y controlar esas molestas frecuencias resonantes. Los revestimientos aislantes integrados en los elementos de sujeción también desempeñan una función real: evitan el contacto directo entre piezas metálicas, lo que permite un movimiento libre a lo largo del eje, manteniendo al mismo tiempo bajo control las fuerzas generadas por la expansión. En los puntos fijos donde no se admite absolutamente ningún movimiento —como las entradas de bombas o las bridas de válvulas— se utilizan soportes no ajustables que aseguran firmemente todos los componentes. Sin embargo, en ocasiones se requieren ajustes in situ, por lo que los fabricantes ofrecen versiones que pueden modificarse sin comprometer el rendimiento general. La experiencia industrial demuestra que, cuando todos estos elementos funcionan conjuntamente de forma adecuada, las tensiones mecánicas y térmicas se distribuyen uniformemente en toda la instalación. Este enfoque de ingeniería ha demostrado extender significativamente la vida útil de los equipos, con registros de mantenimiento que indican mejoras del orden del 70 % a lo largo del tiempo.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la importancia de la dilatación térmica en los sistemas de tuberías?

La dilatación térmica desempeña un papel fundamental en los sistemas de tuberías, ya que puede provocar una expansión o contracción significativa de las tuberías ante cambios de temperatura, lo que genera puntos de tensión, desalineaciones y posibles fallos estructurales.

¿Por qué el PVC es más susceptible a la dilatación térmica en comparación con el acero?

El PVC tiene un coeficiente de dilatación térmica mayor que el acero, por lo que se expande casi cinco veces más bajo el mismo cambio de temperatura. Esto puede dar lugar a efectos de expansión más pronunciados en el PVC, especialmente en condiciones de alta temperatura.

¿Cuáles son algunos métodos para mitigar los efectos de la dilatación térmica en las tuberías?

La selección adecuada de expansiones, la coincidencia entre el tipo de expansión y el material y el espesor de pared de la tubería, y la colocación estratégica de sistemas de soporte y anclaje son métodos clave para gestionar y mitigar los efectos de la dilatación térmica.

¿Cómo se puede evitar la sobreexpansión en sistemas presurizados?

Al cumplir con normas como ASME B31.1/B31.9 y calibrar los expansores según los límites definidos de material y temperatura, se puede evitar la sobreexpansión, garantizando que la deformación permanezca dentro del rango elástico.