La temperatura en el diseo de caerasTensiones internas yreaccionesprovenientes de la dilatacin trmica.

Cuando un cao(piping) es sometido aunavariacin de temperaturasufriruna variacin en sulongitud. Si elcaoestuviese libre y no se generarn tensiones internas ni reacciones. Pero, si el cao estuviera fijado de alguna forma,aparecerntensiones internas en el cao y reacciones en los puntos de fijacin, como consecuencia de las restriccionesimpuestasa la libre dilatacin del mismo.

En un cao recto, anclado en dos extremos, la fuerza ejercida por la dilatacin se puedecalcularpor:

P/A es la tensin interna S a la que el material est sometido como consecuencia de la dilatacin restringida. d /L se llama dilatacin unitaria que es funcin de la diferencia de temperatura y del material.

Los valores de e pueden obtenerse en tablas. La frmula se transforma en : S/e = E o S = eE y tambin P=AS, expresiones que nos permitencalcularla tensin interna y el empuje reaccin. Vemos que todas sonindependientes de la longitud del tubo.

Los valores de los empujes son enormes; por lo tanto debe evitarse la existencia de puntos fijos en un tramo recto, pues en el mejor de los casos, los empujes son absorbidos por el fenmeno de pandeo que se produce en el cao. Si por el contrario tuvisemos una configuracin geomtrica no rectilnea cualquiera, la dilatacin del mismo producir no slo empujes sino tambin momentos de reaccin en los puntos fijos.

Cuando hay una disminucin de la temperatura se producirn fenmenos inversos, de contraccin. En este caso el esfuerzo sobre el cao ser de traccin, correspondiente a la reduccin de longitud del cao. No existir el pandeo y todo el esfuerzo ser absorbido por los puntos fijos.

El enfriamiento del cao es menos frecuente y las diferencias de temperatura menores, pero an as, es conveniente tenerlo en cuenta.

Como controlar la dilatacinLos siguientes son algunos mtodos para controlar los efectos de la dilatacin trmica :

1. Uso de elementos deformables en la lnea, de modo que absorben la dilatacin.2. Geometra de la lnea de manera de evitar tramos rectos por medio de ngulos en unplanoo en el espacio, de modo que el propio cao pueda absorber las dilataciones gracias a su flexibilidad.3. Pretensionado (cold-spring), que consiste en introducir tensiones iniciales en el montaje, de signo opuesto a las previstas durante la operacin.Los elementos ms usados para absorber dilataciones son las juntas de expansin que pueden verseAquiLa flexibilidad en una caera puede definirse como la capacidad de absorber las dilataciones trmicas por medio de simples deformaciones en los tramos de la lnea.

La temperatura en eldiseode Piping

El uso de las juntas de expansin se restringe en cambio a casos especiales, del mismo modo que los pretensados o cold-spring, son poco usados porque requieren un estricto control de montaje.

Para una misma dilatacin total, se dice que elsistemaes tanto ms flexible cuanto menor son las tensiones internas y las reacciones sobre los puntos fijos. Esta flexibilidad es considerada apropiada cuando las tensiones provocadas no son mayores que las tensiones admisibles de comparacin.

Se logra flexibilidad en una caera cuando, comoresultadode cambios en su geometra se transforman pandeo y flexin y torsin para las tridimensionales.Por lo tanto, ser mayor la flexibilidad de una tuberia cuanto ms se aparte de la lnearecta. En toda lnea de caeras, la contribucin de cada tramo a la flexibilidad total ser proporcional a ladistanciamedia de ese tramo al eje neutro delsistema. El eje neutro es la lnearectaparalela a la direccin de las resultantes de las reacciones ejercidas por elsistemasobre los puntos extremos de fijacin. La tensin interna en cada punto considerado al eje neutro. Para los puntos de interseccin de la caera con el eje neutro, las tensiones son nulas.

Una caera tridimensional es, engeneralms flexible que una plana de la misma longitud, pues el efecto de torsin es aproximadamente un 30 % ms eficiente para la flexibilidad que el de flexin, en las mismas condiciones restantes.Para un mismo dimetro, las tensiones son independientes del espesor del cao porque si por un lado el aumento del espesor supone mayor esfuerzo para flexionar el cao, por otro aumenta tambin el rea para soportarlo.No tendra que tener la caera excesiva flexibilidad, pues debemos recordar el alto costo que significa en longitud de caera, soportes etc.

Influencia del trazado en la flexibilidad de caeras

La caera ser tanto ms flexible cuanto :

Mayor sea su longitud desarrollada respecto a ladistanciaentre puntos extremos. Ms simtrico sea su trazado. Menores sean las desproporciones entre los diversos tramos. Mayor libertad de movimientos se disponga en la lnea.

Pretensionado y relajamiento espontaneo

El pretensionado (cold-spring) consiste en introducir en la caera, durante el montaje, tensiones iniciales de la misma naturaleza y de signo contrario de las que se originarn a consecuencia de la dilatacin.La caera se corta a una longitud menor de la que tendra si estuviese fra, y despus forzada a la posicin que tendra caliente, provocando as tensiones opuestas a las que surgirn por la dilatacin.

En la prctica no se hace el cold-spring total porque sera introducir en el cao tensiones que justamente queremos evitar sino que se toma un valor del 50 % o menos. Cuando la caera comienza a dilatarse, pasa a la condicin de tensiones nulas y luego toma, en caliente una posicin que genera tensiones que, lgicamente son menores que las que alcanzara sin el cold-spring.El porcentaje ste se llama factor de pretensionado.Debido a la rigurosidad de las dimensiones, se utiliza en casos extremos. Un error en el montaje puede generar grandes tensiones no previstas.

El relajamiento espontneo, (self springing) es un fenmeno que se produce en gran nmero de lneas calientes de acero y que contribuye a reducir tensiones finales causadas por las dilataciones. A medida que la temperatura se eleva en la lnea aumentan las tensiones hasta que por efecto de la temperatura el valor del lmite de fluencia disminuye a tal punto que el material fluye donde hay mayor concentracin de tensiones. Se producen en esos puntos deformaciones plsticas que efectan una redistribucin tensional en toda la lnea, hasta ser alcanzada la temperatura y la posicin final de equilibrio.