Correcto diseño y Layout con tuberías plásticas Honorario Moreno

AGRUQUERO, S.L.

Albert Lueghamer

AGRU (Austria)

Gabriel Quero

AGRUQUERO, S.L.

Introducción

La utilización de los sistemas termoplásticos de tuberías se ha ido incrementando constantemente gracias al desarrollo de nuevos materiales, a la disponibilidad de nuevos productos, a los procesos de fabricación y a su capacidad para encargarse de realizar un trabajo riguroso y manejar las condiciones medioambientales. En especial, los sistemas termoplásticos sólidos ofrecen muchas ventajas, tales como una gran resistencia química, buena resistencia a la temperatura y a la presión, peso reducido y una alta resistencia al impacto.

Gracias a su resistencia química, dichos materiales no pueden unirse con enlaces adhesivos; en cambio, pueden soldarse bien, lo cual ofrece muchas opciones alternativas.

Se ha producido una continua mejora de las tecnologías de unión, ya que los sistemas termoplásticos sólidos de tuberías se utilizan en instalaciones corrosivas (industria, terreno comunal). Las nuevas tecnologías de unión desarrolladas incluyen equipos de soldadura más sofisticados, y pueden así ofrecer más beneficios para el usuario de dichos sistemas de tuberías, mejorando su vida útil y su funcionamiento a la hora de utilizarlos.

El área principal de enfoque de este estudio se centra en los procesos y las técnicas de soldadura. Asimismo, evaluará los requisitos de los métodos actuales para la instalación de tuberías sólidas, los aspectos referidos a la calidad y las cuestiones de influencia sobre las juntas.

Polímeros para sistemas de tuberías

Los materiales termoplásticos ofrecen muchas ventajas. Poseen una gran tolerancia al deterioro, una excelente resistencia a la corrosión y a los disolventes, grandes propiedades termomecánicas, una gran duración y una infinita vida útil. Actualmente, los sistemas de tuberías termoplásticos sólidos se pueden encontrar en muchos tipos de materiales, según se describe brevemente a continuación.

Poliolefinas

Polietileno (PE)

Desde hace más de 50 años, los sistemas de tuberías hechos de PE se utilizan con resultados óptimos para redes de suministro de gas y agua, así como para aplicaciones industriales. Hoy en día, 4 millones de toneladas de PE se destinan a tuberías de presión de forma anual en todo el mundo, lo que convierte al PE en uno de los materiales más utilizados para este fin. El PE ofrece muchas ventajas que han contribuido al éxito en instalaciones exteriores o en el interior de la tierra.

El peso reducido y la gran flexibilidad son características importantes que garantizan una instalación fácil y rápida. La excelente soldabilidad proporciona una capacidad de estanqueidad de escapes absoluta en las

juntas. Además, la excelente resistencia a la abrasión, a los productos químicos y a la radiación UV, así como un precio razonable y una amplia disponibilidad, son factores dignos de mencionarse. Gracias a estas propiedades y a una experiencia práctica duradera (más de 50 años), se acepta generalmente que el PE es adecuado para períodos de vida útil de más de 100 años.

Los materiales de tuberías de presión de PE se clasifican de acuerdo con su fuerza a largo plazo. Hoy en día, se utilizan materiales PE 80 y materiales PE 100. PE 100 (o PE 80) significa que la tubería puede soportar una tensión circunferencial en la pared del tubo de 10 MPa (8 MPa) durante 50 años a 20 °C. Los materiales PE 100 más modernos ya han reemplazado a los materiales PE 80 en la mayor parte de las aplicaciones, gracias a la fuerza mejorada.

En los últimos años, una nueva generación de materiales PE 100, con una excepcional resistencia al agrietamiento lento, se ha introducido en el mercado. Estos materiales, también denominados PE 100 RC, tienen la capacidad de permitir una aplicación segura de tecnologías modernas “sin zanja” (por ejemplo, la explosión de revestimiento o la perforación direccional horizontal) para instalar sistemas de tuberías de PE.

Los sistemas de tuberías de presión se pueden encontrar en dimensiones desde 20 mm hasta 2.000 mm en índices de presión de hasta 25 bares. El PE 80, el PE 100 y el PE 100 RC son soldables entre ellos, tal y como se indica en las pautas de DVS [1].

Polipropileno (PP)

El PP es un termoplástico, y se distingue por su reducido peso específico, por un excelente procesamiento, y una buena soldabilidad y maleabilidad. El PP, en comparación con otros termoplásticos, posee una buena resistencia al calor; se reconoce por su alta resistencia mecánica, su gran resistencia química y su no toxicidad fisiológica.

En cuanto a los sistemas de tuberías industriales, el PP-R (también conocido como Polipropileno

Copolímero Random y PP tipo 3) y el PP-H (también conocido como Polipropileno Homopolímero y PP tipo 1) son los de mayor interés. El PP-B (también conocido como Polipropileno Copolímero de Bloque y PP tipo 2) únicamente se utiliza en casos excepcionales.

Incluso las propiedades mecánicas de este PP de varios tipos son distintas; se ha demostrado que pueden soldarse en conjunto, según lo cual, con respecto a algunas tecnologías de soldadura, deben seguirse unos requisitos especiales.

En entornos explosivos, en los que debe evitarse la carga estática de los sistemas de tuberías, se utilizan materiales electroconductores de PP (PPs-el), que proporcionan una resistencia a la corrosión similar a la del PP normal.

La práctica común en la industria hoy en día está dirigida a la instalación de sistemas de tuberías para el transporte de medios corrosivos en dimensiones de 20 a 1.400 mm en índices de presión de hasta 16 bares. Los sistemas de tuberías sólidos se utilizan para tuberías dobles laminadas, al igual que las capas alineadoras.

Fluoropolímeros

Polifluoruro de vinilideno (PVDF)

El PVDF es un fluoropolímero termoplástico (en parte fluorado) con un excelente procesamiento, una alta soldabilidad y gran maleabilidad. El PVDF se caracteriza por su alta resistencia mecánica, su gran resistencia química [2, 3], incluso a temperaturas más altas, y por su no toxicidad fisiológica.

Gracias a este PVDF, se ajusta a la utilización demandada, que requiere resistencia química y fuerza mecánica a altas temperaturas.

En lo referente al PVDF, se ofrecen dos tipos distintos de Materiales en el mercado, que se distinguen por su proceso de fabricación:

- Tipo de suspensión (Tipo II conforme a ASTM D 3222)

- Tipo de emulsión (Tipo I conforme a ASTM D 3222)

El proceso de suspensión permite la producción de un polímero que posee menos imperfecciones en las cadenas moleculares y, gracias a ello, un mayor grado de cristalinidad. La temperatura de fusión y las propiedades termomecánicas son mayores en comparación con los homopolimerizados por emulsión con el mismo peso molecular. Además, el PVDF de Tipo II muestra un índice de color mejor en comparación con el de Tipo I, que posee un color opaco. A pesar de tener un MFR (índice de fluidez en estado de fusión) distinto, ambos tipos pueden soldarse juntos.

Los sistemas de tuberías termoplásticos sólidos de PVDF se pueden encontrar en dimensiones desde 20 mm hasta 315 mm en índices de presión de hasta 16 bares. Asimismo, los tubos alineadores para tuberías dobles laminadas se pueden encontrar en este tipo de material.

Etilenclorotrifluoroetileno (ECTFE)

El ECTFE (también denominado en el mercado HALAR) es un copolímero alterno de etileno y clorotrifluoroetileno que ofrece una combinación de propiedades única. Su gran procesabilidad permite producir tubos, accesorios y productos semiacabados fabricados con este material (véase la figura 1). Asimismo, el ECTFE proporciona una excelente resistencia a la temperatura a largo plazo y puede emplearse en aplicaciones de hasta 150 ºC durante períodos más largos. Además, ofrece una alta resistencia a las agresiones atmosféricas y magníficas propiedades mecánicas. Posee también una resistencia excepcional ante casi todos los disolventes y productos químicos orgánicos e inorgánicos.

Los sistemas de tuberías en este tipo de material se encuentran disponibles para ser utilizados en la construcción de tuberías sólidas, así como en las tuberías laminadas dobles en dimensiones desde 20 mm hasta 200 mm e índices de presión de hasta 10 bares (véase la figura 1).

Figura 1. Componentes del sistema de tuberías ECTFE (Halar)

Perfluoruro de propilvinilideno (PFA) y Trifluoruro de metilanilina (MFA)

El PFA y el MFA son polímeros totalmente fluorados y conforman un desarrollo superior de teflón (PTFE). En comparación con el teflón, el punto de fusión del PFA y del MFA es de 310 ºC aproximadamente, y, por lo tanto, pueden someterse a proceso de fusión. Estos tipos de materiales ofrecen los mayores índices de temperatura (temperatura máxima de aplicación de 250 ºC), así como la mayor resistencia química [2] de todos los fluoropolímeros termoplásticos.

Otras características del PFA y del MFA:

Buenas propiedades mecánicas Mejor resistencia a la ruptura por tensión que el FEP Excepcional resistencia a la infiltración

Las aplicaciones habituales de los sistemas de tuberías son el transporte de productos químicos puros en procesos en húmedo en la industria de semiconductores y fotovoltaica. Los sistemas de tuberías sólidos se pueden encontrar actualmente en el mercado en dimensiones de ½” (20 mm) hasta 2” (63 mm) en índices de presión de hasta 10 bares.

Soldadura de las tuberías termoplásticas

Existen diversas técnicas de soldadura, en función del tipo de material, de las dimensiones y de los requisitos de aplicación. En general, para todas las técnicas de soldadura aplicadas a dichos sistemas termoplásticos de tuberías, deben ofrecerse tres requisitos básicos con el fin de alcanzar una buena calidad de unión:

Temperatura: para calentar la zona de unión, con el fin de alcanzar un estado termoplástico del material (fusión).

Presión: para unir los componentes fundidos

Tiempo: es importante para controlar el proceso de fusión, de unión y de enfriamiento.

Requisitos en el proceso de unión de los sistemas de tuberías

Hoy en día, se pueden encontrar productos termoplásticos de tuberías de gran calidad, y asimismo se utilizan para aplicaciones en condiciones estrictas. Un factor clave para el funcionamiento de dichas tuberías es la fuerza de unión. En base a las juntas de aplicación, deben cumplirse requisitos especiales adicionalmente, además de la siempre importante integridad física mecánica:

a) Actuación hidráulica

Es frecuente que se produzca en los cordones de las juntas en el interior de la soldadura. La forma y el tamaño del cordón interior puede ser un factor importante en muchas aplicaciones. Se han realizado estudios en la Universidad de Oldenburg [4] que demuestran que la influencia de los cordones interiores creados a base de fusiones regulares a tope para dimensiones de tubos pequeñas (< 90 mm) es inferior al 10%, y en grandes dimensiones son incluso menores. Por lo tanto, la influencia de las juntas en los descensos de presión reales de un sistema instalado no es significativa.

Para algunas aplicaciones, puede ser necesario reducir / eliminar el cordón de soldadura (por ej. en caso de transporte de medios abrasivos). Sin embargo, la experiencia en el campo ha demostrado que la retirada de cordones interiores crea un riesgo mayor de error en lo que se refiere a la integridad mecánica de la tubería instalada. Como consecuencia de ello, se recomienda poner en práctica la utilización de métodos de soldadura en los que no se cree cordón de soldadura interior, tales como la electrofusión a enchufe o las juntas de brida. Asimismo, los nuevos métodos de soldadura, tales como la fusión por IR, ofrecen la ventaja de utilizar cordones interiores más pequeños y, por lo tanto, conseguir mejoras adicionales del comportamiento hidráulico de las juntas.

b) Resistencia química

La resistencia química de un sistema de tuberías no depende únicamente de la resistencia química del material en sí mismo. En la mayor parte de los casos, en los procesos de transporte de medios críticos y corrosivos, las discontinuidades juegan un papel de influencia importante. Especialmente en la zona de soldadura se crean discontinuidades debido al proceso de fusión. En función del sistema de soldadura, la forma del cordón y la forma de la discontinuidad del cordón influyen en el comportamiento de ruptura por tensión. Mediante ensayos de ruptura de fluencia a largo plazo realizados en Hessel Ingenieurtechnik [5], se ha demostrado que el tipo de método de soldadura influye sobre el funcionamiento a largo plazo de las soldaduras. Además, la sensibilidad de la discontinuidad de la resina utilizada contribuye de forma significativa a la discontinuidad de las soldaduras.

Asimsmo, se ha comprobado en instalaciones prácticas de sistemas de tuberías, en las que se han manejado medios corrosivos, que, en especial, el conocido método de soldadura a enchufe con elemento térmico (conforme a DVS 2207 parte 1, 11 y 15) puede causar problemas importantes. Concretamente, la ruptura por tensión en el enchufe en sí (véase fig. 2), o en la entrada del tubo, puede conducir a un error prematuro debido a las influencias desfavorables de las discontinuidades, procedentes de este método de soldadura.

Figura 2. La soldadura a enchufe con elemento térmico es vulnerable a la ruptura por tensión medioambiental

c) Rugosidad y pureza

Especialmente cuando se utilizan sistemas termoplásticos de tuberías para el transporte de medios puros, tales como el agua ultrapura, el agua purificada en la industria farmacéutica y los productos químicos puros, la pureza como la geometría interior de una junta, juega un papel importante para la función de un sistema de tuberías. La fig. 3 muestra que el tamaño del cordón de soldadura puede minimizarse utilizando tecnología de soldadura por IR.

(a) (b)

Figura 3. a) Cordón de soldadura mediante soldadura a tope con elemento térmico comparado con soldadura-IR b)

La forma de los cordones interiores puede influir, por ejemplo, con el agua ultrapura, en el comportamiento de la biopelícula como en el crecimiento bacteriano. Por lo tanto, en tales sistemas se ha comprobado mediante ensayos desde hace años que la soldadura sin contacto con elemento térmico (fusión por IR), por la forma del cordón interior más pequeño y mejor, ofrece un mejor funcionamiento de forma significativa (fig. 3). En los sistemas de tuberías en los que existe higienización durante la operación, es necesario aplicar dicho método de soldadura libre de cordón y de fisura, que elimina completamente la influencia de los cordones (fig. 4) y proporciona asimismo una propiedad de superficie similar al componente de tuberías en sí mismo.

Figura 4. Resultados de soldadura libre de cordón y de fisura en superficie lisa interior y exterior

d) Viabilidad para la aplicación

Con el fin de que la soldadura para la instalación de la tubería designada pueda aplicarse, deben comprobarse y considerarse diversos factores:

¿El método de soldadura elegido es adecuado para el rango de dimensión necesario y para el material de tuberías seleccionado?

¿El método se ajusta a las condiciones del sitio (véase fig. 5 por ejemplo)?

¿Se encuentran disponibles los parámetros de soldadura probados para el sistema de soldadura seleccionado?

Figura 5. Deben aplicarse los métodos de soldadura adecuados en función de las condiciones del sitio

Métodos de soldadura

En la industria, la fusión a enchufe con elemento térmico es aún un método de soldadura muy común que se aplica en los sistemas termoplásticos de tuberías, tales como el PE, el PP y el PVDF. Asimismo, la fusión a tope se ha aplicado en este campo desde hace muchos años, lo cual también ofrece al usuario muchas ventajas, como por ejemplo, un amplio abanico de dimensión, con la posibilidad de obtener una soldadura rentable en relación coste-rendimiento y con una gran calidad de unión. Estos últimos años, las nuevas tecnologías se han desarrollado y han ido mejorado sistemáticamente, de tal forma que, en la actualidad, se han convertido en una buena práctica de fabricación para la soldadura de sistemas termoplásticos de tuberías que se utilizan en entornos corrosivos. En la tabla 1 aparece una perspectiva general de diversos métodos de soldadura, así como su aplicación para diferentes materiales y dimensiones.

Tabla 1: Métodos de soldadura para sistemas termoplásticos de tuberías

Soldadura a tope con elemento térmico

HD-PE PVDFTuboMétodo de soldadura

ECTFE PFA20 - 2200 mm 20 - 1400 mm (20 - 315 mm) xxx xxx(20 - 315 mm) 20 - 315 mmSoldadura sin contacto con elemento térmico 20 - 315 mm 20 - 200 mm 1/2" - 4"

Soldadura Socket (20 - 110 mm) (20 - 110 mm) (20 - 110 mm) xxx xxxElectrofusión 20 - 710 mm 20 - 225 mm 20 - 63 mm xxx xxx

xxx 20 - 110 mmSoldadura libre de cordón y sin fisura 20 - 110 mm (20 - 110 mm) 1/2" - 2"

PP

HD-PE PP PVDFDoble TuboMétodo de soldadura

ECTFE PFA(20 - 315 mm) xxx xxxoldadura a tope con elemento térmico S

(20 - 400 mm) 20 - 400 mmSoldadura sin contacto con elemento térmico

20 - 315 mm xxxxxx xxx 20 - 200 mm xxx xxx xxx xxx xxx Soldadura Socket

xxx xxx xxx xxx xxx Electrofusión

xxx xxx xxx xxx xxx Soldadura libre de cordón y sin fisura

20 - 110 mm método de soldadura aplicable y adecuado

(20 – 110 mm) método de soldadura aplicable pero no recomendable

xxx no adecuado

Soldadura a tope con elemento térmico (conforme a DVS 2207 parte 1, parte 11 y parte 15)

El método más utilizado para las tuberías y los accesorios termoplásticos de unión en la construcción industrial es el método de fusión a tope con elemento térmico. Esta tecnología de soldadura se caracteriza por una manipulación fácil y segura, así como por una opción de ahorro de costes en comparación con otros métodos de unión.

El proceso de fusión a tope con elemento térmico se muestra en la fig. 6. El cumplimiento exacto de los parámetros de soldadura dentro de las tolerancias permitidas es de gran importancia para la calidad de la unión.

Tiempo de

ld d

Tiempo total de unión

Tiempo de soldad ra

Presión en la zona de unión

Alineación / presión de unión

Precalentamient Tiempo de enfriamiento2 1

Presión de l i

tolerancia

+/- 5%

Alineación

1.... Tiempo de ajuste

2.... Tiempo acumulado de presión de unión

Figura 6. Flujo de tiempo de la fusión a tope con elemento térmico considerando la presión en la zona de unión

El contacto directo entre el elemento térmico soporta el riesgo de una contaminación no deseada en la zona de unión, que podría derivar en una desventaja cualitativa, especialmente con los fluoropolímeros. El método de fusión a tope no es aplicable para fluoropolímeros de alta calidad (en los que las temperaturas de soldadura necesarias son >300 ºC) debido a la resistencia de temperatura limitada del revestimiento de protección o la cobertura del elemento térmico.

Soldadura a tope sin contacto con elemento térmico (fusión por IR – conforme a DVS 2207 parte 6)

Debido a las limitaciones de la soldadura a tope con elemento térmico, se han buscado métodos alternativos sin contacto con el elemento térmico con el fin, y como resultado, del desarrollo de la soladura a tope sin contacto con el elemento térmico (fusión por IR) que ahora se establece. Esta

tecnología de soldadura se ha convertido en el método de soldadura de vanguardia para PVDF, ECTFE y PFA en aplicaciones industriales. Además, es muy apropiado para la soldadura de tuberías de PP.

El método de soldadura en sí mismo es similar a la soldadura a tope con elemento térmico, con la principal diferencia de que el proceso térmico se lleva a cabo con un elemento térmico especial de alta temperatura (en la mayor parte de los casos se denomina elemento térmico de radiación oscura). Durante el proceso térmico no se produce contacto con el elemento térmico. Como resultado, se alcanzan tamaños de cordón reducidos y formas de cordón optimizadas (véase fig. 3), así como una soldadura libre de contaminación. En comparación con la soldadura a tope con elemento térmico, el tiempo de soldadura reducido hasta en un 70% es una ventaja adicional de este método de fusión.

El método de fusión por IR demanda un equipo de soldadura más preciso. En función del método de control del parámetro de proceso, existen actualmente dos opciones distintas en el mercado. El proceso de soldadura controlado por presión y el proceso de soldadura controlado a distancia.

Con el método controlado por presión, la presión de la unión se controla a través de dispositivos mecánicos, por ejemplo mediante acción de resorte, transmisión hidráulica o de ejes. La presión de la unión se mantiene durante el proceso completo de soldadura, y especialmente también durante el tiempo de refrigeración (véase fig. 7); las tensiones internas en la unión pueden mantenerse a niveles muy bajos. Con una presión de unión definida, las diferencias en la viscosidad de la soldadura de ambos componentes de la unión también pueden compensarse.

tolerancia

1.... Tiempo de ajuste

2.... Tiempo acumulado de presión de unión

Figura 7. Parámetros del proceso de fusión por IR con control de presión

El último equipo de soldadura actual (véase fig. 8) muestra un proceso de unión completamente automatizado sometido a la menor influencia del personal encargado de la soldadura. Esto conduce a la obtención de una gran calidad de unión con una alta reproducibilidad. Todos los parámetros de soldadura se encuentran bajo un control continuo y se registran durante todo el proceso de unión.

Figura 8. Diseño actual del equipo de fusión por IR con control de presión de juntas

Tiempo de soldadura

Tiempo total de unión

+/- 5% Presión en la zona de unión

Alineación / presión de unión

Tiempo de soldadura

Tiempo de precalentamiento

Tiempo deenfriamiento 2 1

Presión de precalentamiento

Soldadura a enchufe con elemento térmico (conforme a DVS 2207 parte 1, parte 11 y parte 15)

Éste es el método de soldadura más antiguo en los sistemas termoplásticos de tuberías. Lleva aplicándose en la industria desde hace muchos años; sin embargo, conlleva muchas desventajas en el momento de su aplicación. Los aspectos negativos principales de este método de fusión son:

Rango de dimensión de soldadura limitado hasta 110 mm. Problemas graves para los fluoropolímeros con relación al efecto de pegado en el elemento

térmico. Las soldaduras a enchufe crean discontinuidades significativas en la zona de fusión y, por lo

tanto, áreas débiles en dicha zona de fusión. El proceso de soldadura, especialmente en dimensiones más grandes, es difícil de controlar,

sobre todo al soldar tuberías con un grosor de pared pequeño (por ej. tuberías de PVDF).

Este método de soldadura también debería llevarse a cabo mediante la utilización de maquinaria de soldadura con el fin de garantizar el proceso de fusión controlado. La fusión manual, considerablemente tradicional, no puede realizarse con dimensiones superiores a 40 mm, de acuerdo con las pautas de soldadura válidas, actualmente marcadas por ejemplo por la norma DVS.

Asimismo, la opinión tan habitual en el campo, referida a que este método de soldadura, ofrece una fuerza mayor en la zona de fusión gracias al grosor del accesorio del enchufe no es correcta. Esta dilatación del grosor de la pared en el área de fusión reduce la flexibilidad del tubo, lo que provoca que existan niveles de tensión concentrados en el accesorio de soldadura del enchufe. En la mayor parte de los casos, especialmente bajo influencia química, se ha confirmado el mal funcionamiento de dichas juntas.

Electrosoldadura a enchufe (conforme a DVS 2207 parte 1 y parte 11)

El gráfico de la fig. 9 muestra el principio de la conexión con un acoplador para la electrofusión. El accesorio es básicamente un conector doble de enchufe con un elemento térmico eléctrico dentro de la perforación. Un rasgo de calidad es que el cable de resistencia se encuentra totalmente alojado en el PE. Cuando los dos extremos de la tubería desmontados se insertan en el acoplador (véase fig. 9) y éste se une a través de la máquina de soldar a las clavijas de conexión, el calor generado en el cable causa la fusión de las dos superficies de unión. El tiempo de fusión y el suministro de energía se almacenan en un código de barras del accesorio, y la máquina de soldar se encarga de su lectura.

Figura 9. Esquema de acoplador eléctrico de enchufe con tubería insertada

La electrosoldadura a enchufe está dirigida al PE y al PP. Especialmente para el PE, se puede encontrar una amplia gama de accesorios eléctricos de enchufe (codos, reductores, topes, empalmes en T, tomas de carga,…) para un rango de dimensiones desde 20 mm hasta 710 mm. Principalmente, es económicamente viable en caso de dimensiones inferiores a 250 mm, pero depende de las condiciones generales (diámetro del tubo, cantidad de soldaduras, espacio disponible, proceso de instalación, etc.). Por ejemplo, la soldadura a tope con elemento térmico puede resultar más viable económicamente con una dimensión de 160 mm en caso de disponer de un espacio amplio y de numerosas uniones. Sin embargo, si únicamente se van a soldar unas cuantas junturas en un espacio reducido, la electrosoldadura a enchufe es el método más favorable en cuanto a coste se refiere con dimensiones considerablemente más grandes además (ej. 400 mm).

Soldadura libre de cordón y de fisura

Para aplicaciones especiales en las que existe la necesidad de trabajar con superficies interiores completamente lisas en la zona de fusión, este método de soldadura se desarrolló hace una década. Desde entonces, se han logrado muchos adelantos para que este proceso de fusión se lleve a cabo en un rango de dimensión mayor, así como para más tipos de material, tales como el PP, PP natural, PVDF y ECTFE. A través de este método de soldadura, que puede aplicarse para dimensiones desde 20 mm hasta 110 mm, el elemento térmico de contacto se sitúa en el exterior de los componentes de soldadura. En el interior de la tubería, se sitúa un globo plegable de silicona con el fin de estabilizar los componentes durante el proceso térmico y de unión. Como se crea una zona de fusión, se produce una presión de soldadura que garantiza una calidad de unión perdurable. Con este método de soldadura, no se crean cordones ni en el interior ni en el exterior. Existe un factor que debe tenerse en cuenta en el momento de poner en práctica este método de soldadura, y es que el tiempo de soldadura es significativamente superior debido al proceso de calentamiento y de enfriamiento, en comparación con otros métodos de fusión. La soldadura libre de cordón y de fisura se utiliza principalmente para sistemas de tuberías sujetos a unas condiciones sanitarias regulares (por ejemplo en la industria farmacéutica).

Criterios de diseño de los sistemas termoplásticos de tuberías

Los puntos que se exponen a continuación son esenciales en lo relacionado con el diseño de los sistemas termoplásticos de tuberías:

- Expansión térmica - Soportes de tubo - Circuitos de expansión - Instalación fija - Longitud de pliegue - Cargas externas - Prueba de presión

Expansión térmica

Todos los materiales modifican su longitud con los cambios de temperatura. Los materiales termoplásticos poseen una modificación de longitud mayor que los metales. Por ejemplo, el valor en PEHD es de 18mm/100m/°C, en comparación con el acero, con 1,2mm/100m/°C. Esta propiedad de los materiales plásticos debe ser considerada en la instalación de sistemas termoplásticos de tuberías.

El cálculo de la expansión térmica se realiza según:

L = x L x T

= Coeficiente de expansión térmica lineal

Soportes de tubo

La distancia de los soportes de las tuberías es importante con el fin de evitar la deflexión del tubo causada por el peso de la tubería, incluido el peso del medio que se transporta. La distancia de soporte queda afectada por el material de la tubería, el grosor de la pared, el diámetro del tubo y la temperatura. Para los sistemas termoplásticos de tuberías, según las tablas de las pautas DVS 2210-1 [1], se encuentran disponibles los factores que determinan la distancia máxima de soporte para distintos diámetros y temperaturas de los materiales.

Por ejemplo, una tubería de 110mm SDR11 PPH, llena de agua, posee una distancia de soporte máxima “La” de 1750mm a 40°C.

La

Circuitos de expansión

Con el fin de compensar la expansión térmica, se pueden instalar circuitos de expansión. La compensación puede realizarse mediante un cambio estándar de 90º direccional, o bien, si la línea tiene principalmente una dirección recta, se pueden instalar circuitos o curvas en U adicionales. Lo importante de estos circuitos de expansión es el cálculo de la longitud máxima recta “Ls”. Este valor determina la altura de la curva en U o la distancia mínima desde el codo de 90º hasta el siguiente soporte de tubería.

F … Sujeción F …Sujeción

GL.... Rodamiento deslizante LPPunto flexible o suelto (ej. abrazaderas de tubos)

Instalación fija

En caso de que existan problemas de espacio para instalar los circuitos de expansión, también se puede instalar un sistema de tuberías fijo. En este caso, debe instalarse un punto fijo en cada extremo de línea recta. Estos puntos fijos evitan la expansión del sistema de tuberías. Con respecto a este método de instalación deben considerarse dos cuestiones. En primer lugar, el nivel de tensión creado en el material de la tubería, derivado de la molesta expansión de longitud, tiene que calcularse y ser revisado en caso de que este valor de tensión sea inferior al nivel de tensión permitido. Asimismo, hay que diseñar los puntos de sujeción, ya que las fuerzas que se crean pueden proceder de estos puntos. En segundo lugar, la longitud de pliegue también tiene que calcularse; si la longitud de pliegue es inferior a la distancia de soporte, esta longitud de pliegue debe considerarse como distancia de soporte máxima.

Sistema fijo instalado – Fuerza de punto fijo - Fuerza de punto fijo

Longitud de pliegue

En los sistemas de tuberías de instalación fija, debe calcularse la longitud de pliegue. Debido a esta fijación del sistema de tuberías, la tubería tiende a rasgar las zonas existentes entre los soportes en cada extremo de línea recta por el cambio de temperatura. Con el fin de evitar que el sistema de tuberías se tuerza, debe reducirse la distancia de soporte con respecto a la longitud calculada.

l

F

Cargas externas

Para los sistemas de tuberías instalados en el interior de la tierra, debe realizarse un cálculo conforme a ATV-A 127 [7]. En este cálculo, deben tenerse en cuenta todos los datos importantes, tales como la profundidad a la que se inserta la tubería, las condiciones del suelo, la carga externa, como puede ser el tráfico, etc. Mediante este método de cálculo, se puede determinar el grosor requerido de la pared del sistema de tuberías.

Prueba de presión del sistema de tuberías de plástico instalado

Tras la instalación final del sistema de tuberías, debe realizarse una prueba de presión de acuerdo con las pautas de la normativa DVS [1]. Esta prueba de presión garantiza que la soldadura y la instalación se han realizado correctamente. Para cada material y cada nivel de grosor de pared, se determinan un tiempo y una presión de prueba. Asimismo, cuando la prueba de presión se realiza a diferentes temperaturas, se consideran presiones de prueba distintas según las pautas DVS [1].

Ejemplo: Presión de prueba para PE100 a diferente temperatura de pared e índice SDR.

Temperatura de pared (ºC) – PE100 – presión de prueba permisible (bares)]

Características de los sistemas de tuberías de plástico

Si consideramos los criterios fundamentales durante el diseño y la instalación de los sistemas termoplásticos de tuberías, el procesamiento y la manipulación de los materiales de plástico son muy simples y seguros. El reducido peso del sistema de tuberías permite una instalación rápida y sencilla. Asimismo, el comportamiento no corrosivo y la alta resistencia a los medios muy agresivos proporcionan una ventaja significativa de los sistemas termoplásticos de tuberías en muchas áreas de aplicación.

Investigación sobre las uniones en materiales termoplásticos

En las últimas décadas, se han realizado muchas investigaciones sobre la calidad de las soldaduras, sobre todo en cuanto a los sistemas de tuberías de HD-PE, con el fin de comprobar diversos métodos de fusión. Estos estudios han demostrado de forma evidente, en valoraciones a corto y largo plazo, que el método de soldadura a tope con elemento térmico y de electrosoldadura a enchufe proporcionan una alta durabilidad. Asimismo, la calidad de la resina que se utiliza para el componente de la tubería posee una importante influencia sobre la calidad de unión a largo plazo.

En vista de que los materiales termoplásticos cada vez se aplican más en el campo de la industria y que se han desarrollado nuevas tecnologías de soldadura, es necesario que se lleven a cabo estudios para estas combinaciones. En el año 2002, se realizó un estudio de investigación independiente dirigido a comprobar la soldabilidad de los sistemas de tuberías de PP y de PVDF con soldadura a tope con elemento térmico y soldadura a tope sin contacto con elemento térmico, así como los factores de influencia sobre la calidad de unión final [5]. En este estudio, se han verificado distintos factores de influencia importantes; en la fig. 10 se puede obtener una visión general de ello. La mayor parte de estos factores de influencia puede controlarse y regularse mediante la utilización de los equipos de soldadura diseñados consecuentemente.

Figura 10. Factores que influyen en la calidad de las juntas soldadas

El comportamiento a largo plazo de una junta de soldadura queda afectado fundamentalmente por la resina utilizada para la producción del componente de la tubería [5]. El parámetro de influencia más importante es la resistencia al agrietamiento lento (SCG, del inglés slow crack growth), por ejemplo, determinado a través de la prueba Full Notch Creep Test (FNCT), conforme a la ISO 16770. En el modelo de la prueba FNCT, con una discontinuidad definida en forma de circunferencia, se encuentra la ruptura de la fluencia probada de acuerdo con una carga de tracción constante. Las uniones soldadas con materiales con más tiempo medio hasta el fallo en la prueba FNCT y, por tanto, con una resistencia alta al agrietamiento lento, proporcionan una fuerza mayor a largo plazo cuando se sueldan [5].

Comportamiento a largo plazo de uniones soldadas por IR y de uniones a tope con elemento térmico en tuberías de PVDF

La determinación del factor de soldadura a largo plazo es de una importancia decisiva para la evaluación de la calidad de unión de la soldadura a tope y por IR. Las pruebas de tensión a largo plazo han demostrado ser adecuadas para la valoración de la calidad de unión de la soldadura de las construcciones termoplásticas. La muestra se mantiene en constante carga a alta temperatura hasta el tiempo medio hasta el fallo. El equipo de prueba, de acuerdo con la norma DVS 2203-4 (véase fig. 11), garantiza temperaturas constantes y una carga de tensión constante en la muestra.

depósito

Figura 11. Equipo de ensayo para pruebas de tensión a largo plazo conforme a DVS 2203-4

Las muestras con y sin uniones soldadas se someten a prueba bajo diferentes niveles de tensión hasta el fallo con el fin de determinar el factor de soldadura a largo plazo. Posteriormente, el factor de soldadura a largo plazo puede calcularse a partir de las curvas de ruptura de fluencia resultantes (véase fig. 12), como cociente de cada límite de resistencia en el tiempo medio hasta el fallo determinado. Esto significa que el factor de soldadura es igual a la proporción de las fuerzas entre la muestra de soldadura y de referencia (sin unión soldada). Los requisitos en el factor de soldadura a largo plazo para los distintos materiales y métodos de unión se ilustran en el código técnico 2203-1 DVS y 2205-1 DVS.

Asimismo, el factor de soldadura a corto plazo, de menor importancia, puede calcularse de forma similar. A continuación se compara la tensión de rendimiento a partir de la prueba de tensión a corto plazo.

Material básico Presión Presión de referencia Modelo de soldadura Tiempo restante de resistencia

Figura 12. Curva de ruptura de fluencia para la determinación del factor de soldadura a largo plazo

Fuerza de tensión

Muestra con unión de soldadura

Líquido con agente húmedo

Dentro del ámbito del trabajo de investigación presentado, se han sometido a prueba distintos sistemas de fusión por IR y materiales de PVDF. Todas las pruebas se han realizado en la misma dimensión de tuberías (63 x 3,0 mm) con el fin de obtener resultados comparables.

Las pruebas de tensión a largo plazo llevadas a cabo han confirmado que la propagación de la grieta de acuerdo con un comportamiento a largo plazo de las uniones soldadas es decisiva [5]. En la fig. 13 se puede observar que las uniones soldadas muestran un fallo quebradizo debido al SCG. Las grietas comienzan en la discontinuidad entre la tubería y el cordón de soldadura.

Figura 13.Tuberías de PVDF soldadas por IR (tipo de emulsión) tras prueba de tensión a largo plazo

Las pruebas a largo plazo llevadas a cabo han demostrado una influencia evidente a partir del tipo de materia prima (tipo de suspensión PVDF, tipo de emulsión PVDF), según lo cual, la diferencia en los tiempos absolutos hasta el fallo ha sido de un factor 10 aproximadamente (véase tabla 2). El tipo de suspensión PVDF posee un tiempo superior hasta el fallo significativo. Los factores de soldadura a largo plazo que se han determinado para ambos tipos son >0,8 y completan los requisitos de acuerdo con el código técnico 2203-1 DVS, suplemento 2 [1].

Tabla 2: Tiempos medios hasta el fallo a partir de pruebas de tensión a largo plazo en tuberías de PVDF con y sin uniones soldadas (80 °C, 12,5 MPa, 2 % Arkopal N110)

tf [h]Desviación estándar

tf [h]Desviación estándar

PVDF tipo de emulsión

E l i t

217 92 58 21

PVDF tipo de suspensión

S i t

1536 475 408 303

Material básico Unión soldadura

Asimismo, las soldaduras por fusión a tope con elemento térmico de PVDF que se han analizado, muestran la misma diferencia en el comportamiento a largo plazo, con tiempos medios hasta el fallo superiores de tipo de suspensión PVDF. Al comparar la calidad de soldadura entre los dos métodos de soldadura, es obvio que, gracias a una forma mejor del cordón, la fusión por IR (soldadura a tope sin contacto con elemento térmico) proporciona mejores resultados que la fusión normal a tope con elemento térmico.

Comportamiento a largo plazo de uniones soldadas por IR y uniones a tope con elemento térmico en tuberías de PP

Se han llevado a cabo investigaciones por parte de Hessel Ingenieurtechnik con el fin de comparar el PP-H y el PP-R, así como la soldadura a tope con elemento térmico y la soldadura a tope sin contacto con el elemento térmico. Además, en cuanto al PP, se ha demostrado de forma evidente que los materiales con una resistencia al agrietamiento aumentada conducen a la obtención de uniones con mayor vida útil. Asimismo, las muestras soldadas por IR han demostrado ser mejores, comparadas con la fusión a tope con elemento térmico, gracias a formas de cordón optimizadas [5].

Pruebas en uniones soldadas por IR en tuberías de ECTFE y de PFA/MFA

El “Institut für Kunststoffverarbeitung”, Aachen (IKV) ha realizado ensayos a largo plazo en componentes de tuberías soldadas por IR de ECTFE, PFA y MFA con el fin de demostrar la soldabilidad con el método de fusión por IR y una calidad de soldadura posible de alcanzar. Todos los resultados registrados han demostrado una buena soldabilidad de ECTFE (véase fig. 13) y una calidad de unión reproducible. Además, mediante la utilización de la soldadura por IR, se puede lograr una fuerza de unión, similar a la fuerza del material básico, con parámetros de soldadura adecuados [6].

Figura 13. Microtomo cortado de tuberías de ECTFE soldadas por IR

Asimismo, las soldaduras de PFA llevadas a cabo por fusión por IR también se han probado. Los resultados han demostrado una soldabilidad muy buena con el método de fusión por IR, según lo cual, el método controlado por presión demuestra tener ventajas evidentes. El PFA y el MFA poseen una amplia ventana operativa del proceso para la soldadura en comparación con otros fluoropolímeros. En el estudio, también se descubrió que, para materiales como el PFA, debe tenerse en cuenta el ensayo destructivo a bajas temperaturas (-40 ºC) con el fin de distinguir las diferencias en la calidad de la soldadura.

Conclusión

Desde el punto de vista de la duradera experiencia en el campo, así como a través de las investigaciones en laboratorio, es sabido que los sistemas de tuberías fabricados con materiales termoplásticos pueden soldarse con el fin de garantizar una completa integridad del sistema de tuberías instalado en aplicaciones de entornos corrosivos.

La resina termoplástica utilizada posee una influencia decisiva en la fuerza de la soldadura y, por lo tanto, también en la esperanza de vida útil de la tubería instalada.

Los nuevos métodos de soldadura en vanguardia han demostrado ser fiables y proporcionan asimismo una mejor calidad general, especialmente cuando se utilizan para poliolefinas y fluoropolímeros termoplásticos de alta calidad.

Bibliografía

[1] DVS - Technical codes on Plastics Joining Technologies, DVS Media GmbH, 2008

[2] Dolezel, Die Beständigkeit von Kunststoffen und Gummi, Carl Hanser Verlag, Munich, Germany, 1978

[3] Solvay Solexis

[4] Gallus, Hydraulic tests on heating-element butt welds on plastic pipes, 3R international, (42) 1/2003

[5] Hessel, Frank, Lueghamer, Long term performance of infrared welded PVDF and PP Piping systems – Part 1 and Part 2, 3R-international, (41) 12/2002 and (42) 5/2003

[6] Michaeli, Henseler, Schobel, Investigations into weldability of Fluoropolymers, Joining Plastics, 2/2009