PIPING ( DEFINICION )

Llámese cañería a un conjunto de caños, conductos cerrados destinados al transporte de fluidos, y sus accesorios. La gran mayoría de las cañerías actúa como conductos a presión es decir, sin superficie libre, con el fluido mojando toda su área transversal, a excepción de los desagües o alcantarillado donde el fluido trabaja con superficie libre, como canales.
La necesidad del uso de cañerías surge del hecho de que el punto de almacenamiento o
generación de los fluidos se encuentra generalmente distante de los puntos de utilización.
Se usan para el transporte de todos los fluidos conocidos líquidos o gaseosos, para materiales
pastosos o pulpa y para los fluidos en suspensión, en toda la gama de presiones que se usan en la
industria, desde el vacío absoluto hasta presiones de hasta 4000 kg/cm2(400MPa) y desde cero
absoluto hasta las temperaturas de fusión de los metales.
Su empleo se remonta a la antigüedad, pero su aplicación industrial y fabricación comercial
recién se desarrolla a fines del siglo XIX por la necesidad de que los materiales resistieran las
crecientes presiones motivadas por la utilización del vapor.
La importancia de las cañerías es muy grande y son, de los equipos industriales, los más
usados. El costo puede llegar al 50% o 70% de los equipos de una planta de proceso y el 15% a 20% del total de la instalación. En complejos mineros estas cifras se reducen por la incidencia de costo de las instalaciones del tratamiento del mineral, pero representa un 6% a 8% de las HH de ingeniería y del 10% al 12% del costo total.
Estas son obviamente dependientes de la naturaleza de la instalación industrial, ya que en
caso de una Refinería electrolítica de cobre, éstas cifras son superadas ampliamente.

MATERIALES

Se emplean en la actualidad gran variedad de materiales para la fabricación de cañerías. Las
normas ASTM, por ejemplo, especifica más de 150 diferentes tipos. Podemos resumirlos en el
siguiente cuadro :


Acero al Carbono (Carbon Steel)
Acero de baja aleación(Low alloy steel)
Acero inoxidable (Stainless steel)
Hierro fundido (Cast Steel)
Hierro forjado (Wrough Iron)
Ferrosos
Cobre
Latón (Brass)
Bronce
Monel
Cupro-niquel
Niquel
Plomo
Aluminio
Titanio, Zirconio etc.
No Ferrosos
Caños Metálicos

METODOS DE FABRICACION DE CAÑERIAS

Existen seis procesos de fabricación de caños.

Los procesos de laminación y de fabricación por soldadura son los más importantes y
constituyen los 2/3 de todos los caños utilizados por la industria.

Fundición

En este proceso, el material en estado líquido se moldea tomando su forma final.
Se fabrican mediante este proceso los caños de hierro fundido, algunos aceros especiales no
forjables y la mayoría de los no metálicos como vidrio, porcelana, barro vidriado, hormigón, cemento -amianto, cauchos, etc
Para caños de hierro fundido y de hormigón de buena calidad se usa el procedimiento de centrifugado .en el que el material líquido es colado en un molde rotativo que da como resultado una composición más homogénea de las paredes.
Para caños de hormigón se procede a controlar estrictamente la granulometría de los ácidos y la
relación agua - cemento procediendo a vibrar los moldes en el hormigonado y desmoldando de inmediato

Forja

Es el menos usado. Sólo se utiliza para caños de paredes gruesas, para muy altas presiones.
El lingote de acero es previamente perforado en el centro con una broca, en frío. Luego la pieza es calentada en un horno y las paredes son forjadas con un martinete contra una mandril central. El lingote sufre durante la forja un notable aumento de longitud.

Extrusión

En la fabricación por extrusión, una pieza cilíndrica de acero en estado pastoso es colocado en
un recipiente de acero debajo de una poderosa prensa. En una única operación, que dura pocos
segundos se produce :
1) El émbolo de la prensa, cuyo diámetro es el mismo que el de la pieza, se apoya sobre la
misma.
2) El mandril accionado por la prensa agujerea completamente el centro de la pieza.
3) De inmediato, el émbolo de la prensa empuja la pieza obligando al material a pasar por
una matriz calibrada con el diámetro exterior de caño.
Para caños de acero, la temperatura de calentamiento de la pieza es de 1200 grados C. Las
prensas son verticales y pueden alcanzar un esfuerzo de 1500t. Los caños salen de la operación con paredes gruesas. De allí son llevados aún calientes, a un laminador de cilindros o rolos para reducir su diámetro. Finalmente van a otros laminadores para lograr un diámetro final normalizado y reducción mayor del espesor. Con este proceso se fabrican caños de diámetro nominal de hasta 3" en acero y también de aluminio, cobre, latón, bronce, plomo y materiales plásticos.

Laminación

Los procesos de laminación son los más importantes para la fabricación de caños sin costura. Se
emplean para caños de acero al carbono, de baja aleación e inoxidables Uno de los más difundidos, el proceso "Mannesmann" es el siguiente :
1. Un lingote de acero con diámetro aproximado del caño que se quiere fabricar, se calienta a
una temperatura de aproximadamente 1200 grados C y llevado al denominado " laminador
oblicuo".
2. El laminador oblicuo está formado por rolos de doble cono, con ángulos muy pequeños. El
lingote es colocado entre dos rolos que giran, lo prensan y a la vez le imprimen un
movimiento de rotación y otro de traslación.
3. A consecuencia del movimiento de traslación el lingote es presionado contra un mandril
cónico que se encuentra entre los rolos. El mandril abre un agujero en el centro del lingote,
transformándolo en un caño y alisando continuamente la superficie interior del mismo. El
mandril está fijo y su longitud es mayor que la del caño a formar
4. El caño formado en la primera operación tiene aún paredes muy gruesas. Es llevado
entonces a un segundo laminador oblicuo, luego de haber sido retirado el mandril y
estando aún caliente, que adelgaza las paredes ajustando el diámetro externo y
aumentando su longitud.
5. Al pasar por los laminadores oblicuos el caño se curva. Se le hace pasar de inmediato por
un tren enderezador consistente en rodillos con la curva del diámetro exterior del caño,
dispuestos para ejercer fuerzas laterales que finalmente dejan el caño recto.
6. Finalmente el caño sufre una serie de calibraciones y alisado de las superficies interna y
externa. Este proceso se usa en caños de 3" a 12" y en Estados Unidos hasta 24".

Caños con Costura

Todos los caños con costura son fabricados a partir de flejes de acero laminado (bobinas).
El tipo de unión es el de soldadura
FWP (Furnace Welded Pipe)
1) Un fleje continuo es empujado por cilindros que giran, introduciéndolo en un horno que
lo lleva a una temperatura de aproximadamente 1200 grados Celsius (en la salida del
horno).
2) Un grupo de cilindros colocado a la salida del horno deforman el fleje hasta cerrar un
cilindro presionando fuertemente los bordes que a esa temperatura se sueldan
3) Luego el caño es cortado por una sierra cada 6, 9 ó 12m según sea la longitud
requerida.
4) Los caños pasan por una calibradora y por un chorro continuo de agua que al mismo
tiempo de enfriarlo le quita el laminillo o escamas que se forman en el proceso de
enfriamiento.
5) Más tarde se los transporta a través de mesas de transferencia donde son sometidos a
una lluvia continua de agua y una vez enfriado se los pasa por juegos de cilindros
enderezadores. Finalmente se los frentea con tornos y cuando es requerido se procede
a roscar los extremos.
6) Este proceso se usa para caños de hasta 3" de diámetro nominal.
ERW (Electric Resistance Welding)
1) En este caso la operación de formación del caño se realiza en frío, haciendo pasar el
fleje continuo por rolos que gradualmente lo doblan hasta su forma cilíndrica.
2) Luego de formado el caño se cierra por soldadura continua ejecutada por máquina (arco
sumergido en gas inerte).
3) El proceso se termina pasando el caño por enderezadores y si así fuere requerido por
un tratamiento térmico en horno, para alivio de tensiones producidas en el área de la
soldadura. Luego son frenteados y si es requerido, roscados.
4) En el caso antes descrito la soldadura es longitudinal y se utiliza para caños de hasta 4"
de diámetro nominal.
Para diámetros mayores (hasta 24") es común utilizar soldadura helicoidal con arco
sumergido. Según sea el espesor del material pueden ser requeridas dos o más pasadas externas yuna interna.
Estos caños son de mejor calidad que los de soldadura por presión (en caliente).
La ventaja del caño formado a partir del fleje es que su espesor es uniforme, ya que se logra a
partir de un tren de laminación, y el acomodamiento de la microestructura es conveniente
desde el punto de vista tensional.
En cambio, la soldadura deberá ser inspeccionada por rayos X u otros procedimientos para que elmismo no incida sobre el espesor calculado.

DIFERENCIA ENTRE CAÑOS (pipe)Y TUBOS ( tubes)

La denominación de "caño"(pipe) identifica a estos materiales por dos características fundamentales :
1) Sus diámetros nominales en pulgadas NO coinciden con los exteriores hasta 12"
inclusive. De 14" en adelante el diámetro nominal coincide con el diámetro exterior.
2) Sus espesores son clasificados en series (Schedule) que se obtienen por una fórmula
de aproximación empírica :

Sch. =1000P/S

P = presión interna en psi
S = tensión admisible del material en psi

En cambio los "tubos" (tubes) se caracterizan por :
3) Sus diámetros nominales COINCIDEN con los diámetros exteriores.
4) Sus espesores se definen por un número de calibre o gage BWG (Birmingham WireGage).
Para identificar un caño, basta pedir, por ejemplo 2" Sch. 40
significa un caño de 2,375" de diámetro exterior y 0,154" de espesor.
Para identificar un tubo, basta pedir, por ejemplo 2" BWG 12 significa un tubo de 2" de diámetro exterior y 0,109" de espesor. Como se ve, son dos productos totalmente diferentes, aunque puedan ser usados para servicios idénticos


Aparte de las diferencias en denominación, dimensiones y materiales, los tubos y caños se
aplican para usos totalmente distintos.
Cuando la conducción constituye en si misma un elemento estructural se deberán utilizar
caños, por su resistencia como tal. Del mismo modo, los diámetros de fabricación de los caños son
mucho más amplias que la de los tubos que rara vez pasan las 6", siendo su uso más difundido hasta 2". Por otra parte, los requerimientos de fabricación de los tubos son más exigentes que los de los caños.
Así, rara vez se usan caños para un intercambiador de calor, donde el sellado se efectúa por
mandrilado. El calibrado de los tubos y un menor espesor uniforme garantiza un mejor intercambio térmico sin que aumente rápidamente el ensuciamiento del equipo.

CAÑERIAS DE ACERO CARBONO

Representan los 2/3 de todos los materiales usados en cañerías.
Los límites de temperatura son -30 C a +400 C por sobre la cual no se usa por la precipitación
de carburos en grafito que provoca una rápida disminución de la resistencia mecánica. Algunos
aceros al carbono se revisten con una capa de ZINC de 0,1 mm aproximadamente, por inmersión a una temperatura de 500 C, llamado galvanizado, que provee mayor resistencia a la corrosión. También, por sobre los 450 C se producen en los aceros al carbono deformaciones lentas por fluencia (creep) que son más acentuadas cuanto mayor es la temperatura y la variación de signos de las tensiones a que está sometido. En general, cuanto mayor es el porcentaje de carbono, mayor es la dureza y mayores los límites de fluencia y ruptura, pero menor será su soldabilidad y menor su capacidad de doblarse.

Los aceros tienen pequeños porcentajes de Mn(hasta 0,9%) que produce un incremento en los
límites de fluencia y ruptura y de Si (hasta 0,1%) que aumenta la resistencia a la oxidación en altas temperaturas y resistencia al impacto a baja temperatura.
Los aceros al carbono con Silicio son también llamados "calmados" (Killed Steel) para
distinguirlos de los "efervescentes" (rimed Steel) que no tienen Silicio. Los aceros al Carbono con Si tienen una estructura más fina y uniforme y son de mejor calidad que los "efervescentes", por lo que se recomienda su uso en altas temperaturas, aún siendo ocasionales ( 480 °C).
Para aceros al Carbono a bajas temperaturas (hasta -50 °C) ANSI B.31 permite su uso,
exigiendo que se realicen ensayos de impacto (Charpy) para cada pieza.

CAÑERIAS INDUSTRIALES

Los caños grado C son fabricados sólo por encargo. Los grados A y B son usados para
temperaturas sobre 400 C por largos períodos de tiempo.
ASTM A 53 Caños de acero al Carbono con o sin costura de calidad media 1/8" a 24"
para uso general, negro o galvanizado. La especificación distingue 4 grados; para curvado en frío debe usarse el Gr.A Aunque los límites de temperatura son similares que para el A106 no deben
usarse por encima de los 400 °C. El ASTM A53 es el más usado por ser de menor precio que el A109.

ASTM A 120 Caños de acero al Carbono, con o sin costura de baja calidad 1/8" o 12" sin
garantía de calidad, negro o galvanizado. No deben ser doblados en frío ni sobrepasar temperaturas de 200 °C. No presenta exigencias de composición química.

API 5L Especificación del "American Petroleum Institute" de calidad media. Diámetro 1/8" a 36" negros, con o sin costura. Los grados y requisitos de composición química son similares al ASTM A53. API 5LX Especificación para caños con o sin costura,de acero al Carbono de alta resistencia empleados en oleoductos. No deben ser utilizados por sobre los200° C.

Aceros al Carbono con costura (Welded Pipes) :

ASTM A-134 Para caños fabricados con soldadura de arco protegido para diámetros sobre
16" y espesores hasta 3/4" con soldadura longitudinal o en espiral.
ASTM A-135 Para caños fabricados con soldadura de arco protegido para diámetros de
hasta 30".
ASTM A-155 Para caños fabricados con soldadura de arco protegido para diámetros de
hasta 30".
ASTM A-211 Para caños con soldadura en espiral. En diámetros de 4" a 48".
Tubos de acero al Carbono.
ASTM A-83 Para tubos sin costura para calderas en diámetros de 1/2" a 6".
ASTM A-178 Especificación para tubos fabricados por soldadura de resistencia eléctrica,
para calderas de media y baja presión, en diámetros de 1/2" a 6".
ASTM A-179 Para tubos sin costura, trefilados en frío para intercambiadores de calor en
diámetros de 1/2" a 2".
ASTM A-214 Para tubos con costura, soldados por arco protegido, para intercambiadores
de calor en diámetros de 1/2" a 2".
ASTM A-192 Para tubos sin costura, para calderas de alta presión, de acero al Carbono
calmado (con Si) en diámetros de 1/2" a 7".

CAÑERIAS DE ACEROS ALEADOS E INOXIDABLES

Podemos clasificar los aceros de baja aleación en:
Aceros de baja aleación (low alloy steel), cuando tienen hasta 5% de elementos adicionales.
Aceros de media aleación (imtermediate alloy steel), cuando tienen de 5% a 10% de elementos
adicionales.
Aceros de alta aleación (high alloy steel), más de 10% de elementos adicionales.
De todos estos materiales, los de mayor utilización son los de baja aleación, compuestos
ferríticos (magnéticos) con agregado de cromo, molibdeno, y a veces, niquel.
Desde el punto de vista económico, no es conveniente usar aceros aleados para prolongar la
vida de las cañerías, ya que las instalaciones industriales tienen una duración limitada y su costo es varias veces mayor que los del acero al Carbono.
Los casos en que se justifica usar aceros aleados o inoxidables son los siguientes :
a) Altas temperaturas.
b) Bajas temperaturas (inferiores a -30 C) donde los aceros al Carbono se tornan quebradizos.
c) Alta corrosión. En servicios corrosivos aun dentro de los recomendados para acero al
Carbono, el comportamiento de los inoxidables es mejor para resistencia a la erosión o severa
corrosión.
d) Servicios de fluidos letales. Para caso de fluidos de alta peligrosidad y por razones de
seguridad.
e) Para evitar contaminación : Industria de la alimentación o farmacéutica, donde los óxidos o
residuos de las cañerías de acero al Carbono pueden deteriorar la calidad de los productos.
Deben hacerse consideraciones de proceso y costo de mantenimiento, comparando cuánto
cuesta la reposición o reparación de una cañería de acero al Carbono en comparación con el elevado costo inicial de una de acero inoxidable.
Los aceros inoxidables no sólo tienen mejor comportamiento frente a los problemas de
corrosión y erosión sino que además poseen mayores tensiones de fluencia y rotura. El costo del
montaje y soldadura de las aleaciones también es mucho mayor que en el acero al Carbono.
La resistencia a la oxidación es proporcional (aprox) al contenido de Cr; siendo éste superior al
1% no se produce grafitización en la soldadura.
La temperatura máxima de trabajo puede llegar en algunos casos a 650 C.
El agregado de Ni contribuye a combatir la tendencia de los aceros al Carbono a volverse
quebradizos a bajas temperaturas. Por esa razón es usado en servicios criogénicos.
El Mo es el elemento más eficiente para mejorar el comportamiento a altas temperaturas,
aumentando mucho al resistencia a la fluencia.
La resistencia de los aceros aleados a la acción atmosférica y al agua dulce es mejor que la de
los aceros al Carbono, aunque también se oxidan.
Frente a los ácidos, álcalis calientes y agua salada el comportamiento de los aceros aleados
es semejante al de los aceros al Carbono.

MEDIOS DE UNION

Los diversos medios de unión sirven no sólo para vincular secciones de caños entre si, sino
también para conectarlos con diversos accesorios, válvulas y equipos.
Los principales medios de unión son los siguientes :
Conexiones roscadas (Screwed joints)
Conexiones soldadas (Welded joints
Conexiones bridadas (Flanged joints)
Conexiones de enchufe (Socket Welded joints).

Uniones Roscadas

Son unos de los medios más antiguos de conexión. Son de bajo costo y fácil ejecución, pero
su uso está limitado a 4" (max) en general y se usan en instalaciones secundarias de baja presión, (condensado, aire, agua), domiciliarias (agua, gas) debido al peligro de pérdidas y la baja resistencia mecánica de las mismas.
La norma ANSI B 31 exige que las roscas de los caños sean cónicas y recomienda que se
efectúen soldaduras de sello para cañerías que conduzcan fluidos inflamables, tóxicos y en otros
donde se debe tener absoluta seguridad que no se produzcan filtraciones o pérdidas.
Son las únicas usadas para caños galvanizados. Se usan también en acero al Carbono, baja aleación, hierro fundido, plásticos, vidrio y porcelana, siempre limitadas a 4".
Para acero inoxidable y metales no ferrosos es muy raro el uso de roscas, debido a que son
comunes los espesores finos en dichos materiales.
Los tramos rectos son unidos por medio de cuplas o uniones roscadas. Las roscas cónicas
aseguran mejor sellado pero para asegurarlo se coloca una banda de teflón.
Antiguamente se usaban otros materiales, litargirio - glicerina, fibras vegetales, etc., pero en su mayor parte dificultaban el desarme de las piezas y aún contaminaban el fluido.
En los caños es recomendable no usar espesores menores que Sch. 80 por el debilitamiento
de la pared que significa la rosca.

Uniones Soldadas

Las más utilizadas son las soldaduras de arco protegido, que pueden ser :

1. A tope (butt weld)
2. De enchufe (socket weld)

VENTAJAS :
- Buena resistencia mecánica (casi siempre equivalente a la del caño)
- Estanqueidad perfecta y permanente
- Buena apariencia
- Facilidad en la aplicación de aislación y pintura
- Ninguna necesidad de mantenimiento.
DESVENTAJAS :
- Dificultad en desmontaje de las cañerías
- Mano de obra especializada

BRIDAS (FLANGES)

Están compuestas por dos bridas, una junta, pernos con o sin cabeza roscados y tuercas. Son
fácilmente desmontables. Existen los siguientes tipos :
De cuello soldable (Welding Neck)
Deslizantes (Slip on)
Roscadas (Screwed)
De enchufe (Socket Weld)
Lap Joint
Ciegas.
Las caras de las bridas pueden se lisas (flat face), con resalto (Raise face), de anillo (Ring
Joint Type) y macho-hembra (male & female).
Las juntas pueden ser de materiales, diversos como caucho, resinas revestidas en inox, espiral
y metálicas. El asbestos ha sido desechado por su acción cancerígena. Los materiales más usados
son los aceros forjado y las bridas formadas a partir de chapa torneada, éstas últimas para bajas
presiones.
Una de las normas que regula la fabricación de bridas (flanges) es la ANSI B16.5, que
establece las siguientes clases, según sea el intervalo presión-temperatura de trabajo 150# ,300# ,400# ,600#, 900# ,1500# y 2500# . Para las bridas de acero al Carbono la temperatura máxima es de 260 C (500 F) para 150 y de 455 C (850 F) para las demás clases. La variación de presióntemperatura es de valores más altos para acero inoxidable y aleados.

OTROS MEDIOS DE UNION

DE COMPRESION

Son sistemas muy usados en tubos de metales no ferrosos e inoxidables, todos de pequeño
diámetro. (hasta 1")
La unión se logra con el uso de accesorios especiales, que mediante el apriete de una tuerca
comprime las paredes del tubo contra una cupla hasta lograr un contacto metal - metal estanco. Hay diferentes sistemas. Uno de ellos consiste en expandir el tubo en la punta, en forma cónica. Este cono es comprimido contra una pieza de unión.
Otro sistema consiste en agregar una virola en el extremo del caño que, comprimida contra la
pieza de unión va reduciendo su diámetro abrazando al tubo, que logra así estanqueidad.
Son usados para instrumentación y conducción de aceite hidráulico y resisten presiones de
hasta 2000 Kg/cm2.

UNIONES PATENTADAS(Juntas Dresser, Victaulic, etc)

Todas ellas son del tipo no rígido, permitiendo siempre un pequeño movimiento angular y axial
entre los dos tramos de la cañería. En el caso de las juntas Victaulic, los tramos de caño son
ranurados en los extremos del mismo modo que los accesorios (codos, reducciones, etc.) y los
acoplamientos son dos o más arcos pivotados sobre pernos que abrazan a los elementos de unión y son ajustados por uno o más pernos.
Entre la unión metálica y el caño se coloca una junta flexible (caucho) que garantiza su
estanqueidad. El sistema es más caro que la cañería soldada tradicional pues requiere preparación de extremos y accesorios, pero aparte de la facilidad de montaje (sobre todo en zonas de gases explosivos) tiene la gran ventaja de poder recuperar todos los elementos en cañerías de uso por tiempo limitado.
Haciendo un balance final, es muy conveniente su aplicación en muchos casos, en particular
en minería, donde le agotamiento de los minerales explotables en plazos previsibles hace necesario un tendido de cañerías secuencial a medida que se van agotando las zonas con alta ley de mineral y son reemplazadas por otras nuevas.

DERIVACIONES ESPECIALES

Los ramales en las cañerías suponen un debilitamiento en la cañería principal por extracción
de parte de su sección. Cuando los espesores de pared están calculados con cierta precisión y no hay excedentes de pared disponible se refuerza la unión con una montura (saddle) o con un anillo que se hace con el mismo caño u otra chapa de características similares.
La sección necesaria se calcula por medio de la NORMA ANSI PAR. 304.3 en el caso de ANSI
B31.3 o sus similares en otras normas aplicables.
Este tipo de derivaciones se usa cuando la diferencia de diámetros entre la línea principal y el
ramal es tan grande que su relación está fuera de los accesorios (te) de fabricación standard o en
diámetros grandes.
Cuando los ramales son de pequeño diámetro se utilizan los llamados Weldolet (soldado),
Elbolet (en un codo), Latrolet (en ángulo), Sweepolet (en montura), Sockolet (ramal socked) y
Thredolet (roscada), todas ellas conexiones de pared reforzada para las derivaciones desde una cañería principal.
Su uso evita la utilización de placas de refuerzo de pequeño diámetro que trae como
consecuencia una enorme cantidad de soldadura en áreas reducidas y por tanto concentración de
tensiones residuales en la zona del ramal