La selección de la tubería adecuada para un sistema presurizado comienza con una pregunta clave: ¿cuánta presión puede soportar realmente? Una tabla de clasificación de presión para tuberías de acero inoxidable es la herramienta que utilizan los ingenieros, los equipos de compras y los fabricantes para determinar el tamaño, el programa y el grado de la tubería según la presión de diseño del proyecto, sin tener que adivinar.
A diferencia del acero al carbono, las tuberías de acero inoxidable se dimensionan según una norma independiente (ASME B36.19M), y su capacidad de presión depende de los valores de tensión admisibles específicos de cada grado, que varían con la temperatura. Esta guía presenta los datos dimensionales necesarios, explica cómo se determina la clasificación de presión y muestra las diferencias entre los aceros 304 y 316, para que pueda dimensionar correctamente una tubería en lugar de basarse únicamente en el número de cédula.
La clasificación de presión de las tuberías de acero inoxidable es la presión interna máxima que una tubería de un tamaño, espesor de pared y grado de material determinados puede soportar de forma segura a una temperatura específica, según lo establecido en un código de tuberías reconocido. Es un valor calculado, no una propiedad fija impresa en la tubería.
Algunos términos se usan indistintamente en el sector, pero tienen significados ligeramente diferentes:
Presión de trabajo: la presión a la que opera un sistema de tuberías durante su funcionamiento normal. Generalmente, esta presión es muy inferior a la presión máxima admisible de la tubería, lo que deja margen para sobretensiones y fluctuaciones.
Presión de diseño: la presión que se utiliza como base para dimensionar la pared de la tubería, establecida en o por encima de la presión máxima de operación prevista, incluyendo un margen para transitorios.
Presión nominal (o presión máxima de trabajo admisible): el límite superior que la pared de la tubería puede soportar a la temperatura de diseño, calculado a partir del espesor de la pared, el diámetro y la tensión admisible del material.
La razón por la que no se puede determinar la presión de trabajo de una tubería de acero inoxidable basándose únicamente en la especificaciones técnicas es que estas solo indican el espesor de la pared. Dos tuberías con dimensiones idénticas según la especificaciones técnicas 40S (una de acero inoxidable 304 y otra de aleación con alto contenido de níquel) tendrán capacidades de presión diferentes debido a que sus valores de tensión admisible difieren. La temperatura también influye: la tensión admisible del acero inoxidable austenítico disminuye a medida que aumenta la temperatura, por lo que una misma tubería con una clasificación de presión determinada a 100 °F tendrá una clasificación menor a 500 °F. La especificaciones técnicas define la geometría; el grado y la temperatura determinan la capacidad de presión real de la tubería de acero inoxidable.
La tabla a continuación muestra el espesor nominal de pared por tamaño y cédula para tuberías de acero inoxidable fabricadas según la norma ASME B36.19M, que corresponde a las cédulas "S" (5S, 10S, 40S, 80S). Utilice esta tabla de presión para tuberías de acero inoxidable como referencia rápida antes de realizar el cálculo completo. Para obtener datos dimensionales completos para todos los tamaños, consulte nuestra Tabla de dimensiones y peso de tuberías de acero inoxidable y la Tabla de cédulas de tuberías de acero inoxidable.
El espesor de pared es un valor fijo y estandarizado. La presión nominal no lo es; depende del espesor de pared combinado con el grado de acero inoxidable, la temperatura de diseño y el código de tuberías aplicado (ASME B31.3, B31.1 o una norma EN equivalente). Por este motivo, la mayoría de las filas a continuación se muestran como "calcular según el código". Cuando pudimos obtener un ejemplo completamente especificado y verificable (grado + temperatura + código + supuestos indicados), incluimos la presión calculada directamente en la tabla; consulte la nota a continuación para conocer las condiciones exactas a las que se aplican esos valores. Tenga en cuenta que las cifras de la tabla corresponden a la presión máxima de trabajo admisible (MAWP) calculada, no a una presión de operación recomendada; consulte la sección "Presión nominal vs. Presión de trabajo" a continuación para ver la diferencia entre ambas.
|
Tamaño de tubería (NPS) |
Cronograma |
Espesor nominal de la pared (pulg. / mm) |
Grado de acero inoxidable |
Presión nominal máxima de trabajo (MAWP) |
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1/2" |
5S |
0.065" / 1.65 mm |
316/316L (sin costura) |
≈ 2,755 psig* |
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1/2" |
10S |
0.083" / 2.11 mm |
316/316L (sin costura) |
≈ 3,584 psig* |
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1/2" |
40S |
0.109" / 2.77 mm |
316/316L (sin costura) |
≈ 4,836 psig* |
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1/2" |
80S |
0.147" / 3.73 mm |
316/316L (sin costura) |
≈ 6,796 psig* |
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2" |
5S |
0.065" / 1.65 mm |
316/316L (sin costura) |
≈ 935 psig* |
|
2" |
10S |
0.109" / 2.77 mm |
316/316L (sin costura) |
≈ 1,591 psig* |
|
2" |
40S |
0.154" / 3.91 mm |
316/316L (sin costura) |
≈ 2,284 psig* |
|
2" |
80S |
0.218" / 5.54 mm |
316/316L (sin costura) |
≈ 3,309 psig* |
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4" |
5S |
0.083" / 2.11 mm |
316/316L (sin costura) |
≈ 625 psig* |
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4" |
10S |
0.120" / 3.05 mm |
316/316L (sin costura) |
≈ 910 psig* |
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4" |
40S |
0.237" / 6.02 mm |
316/316L (sin costura) |
≈ 1,836 psig* |
|
4" |
80S |
0.337" / 8.56 mm |
316/316L (sin costura) |
≈ 2,661 psig* |
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8" |
5S |
0.109" / 2.77 mm |
316/316L (sin costura) |
≈ 426 psig* |
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8" |
10S |
0.148" / 3.76 mm |
316/316L (sin costura) |
≈ 581 psig* |
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8" |
40S |
0.322" / 8.18 mm |
316/316L (sin costura) |
≈ 1,285 psig* |
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8" |
80S |
0.500" / 12.70 mm |
316/316L (sin costura) |
≈ 2,030 psig* |
*Cada figura anterior es un ejemplo práctico, no una clasificación universal. Todas se aplican únicamente a: tubería sin costura ASTM A312 TP316/316L, servicio ambiental de 100 °F (38 °C), tensión admisible S = 16 700 psi, factor de calidad E = 1,0 (estándar para tubería sin costura; la tubería soldada utiliza un E menor dependiendo del NDE de la soldadura, lo que reduce el resultado) y coeficiente de espesor de pared Y = 0,4, en la ecuación de estilo Barlow ASME B31.3 (P = 2 × S × E × t / (D − 2 × Y × t)), utilizando un espesor de pared nominal (no reducido por tolerancia de fábrica). Modifique el grado (por ejemplo, el estándar 304/316 sin L, que tiene una resistencia a la compresión de aproximadamente 20 000 psi a 100 °F y produce un valor mayor), la temperatura, el método de fabricación, el código o considere la tolerancia de fábrica y el margen de corrosión, y todos los valores aquí mostrados cambiarán. Recalcule para las condiciones reales de su proyecto utilizando el método descrito en la sección "Cómo calcular" a continuación. Para tamaños no mostrados aquí, o para 304/304L en estos mismos tamaños, utilice el mismo método. Consulte los datos dimensionales completos enlazados anteriormente para ingresar el espesor de pared.
Los códigos de tuberías como el ASME B31.3 calculan la presión interna máxima mediante una forma de la ecuación de Barlow, ajustada según las tolerancias del espesor de pared:
P = 2 × S × t / (D − 2 × Y × t)
Donde:
P = presión interna de diseño
S = tensión admisible del material a la temperatura de diseño (según la tabla A-1 de ASME B31.3 o la tabla de tensiones equivalente en la normativa aplicable)
t = espesor de pared de la tubería (generalmente reducido respecto al nominal para tener en cuenta la tolerancia de fabricación y la corrosión)
D = diámetro exterior de la tubería
Y = coeficiente dependiente de la temperatura y del material (normalmente 0,4 para acero inoxidable austenítico por debajo del límite elástico)
Ejemplo resuelto: tome una tubería 40S de 4" en ASTM A312 TP316/316L, sin costura, a 100°F, según ASME B31.3. OD = 4.500 in, espesor de pared nominal t = 0.237 in, tensión permitida S = 16,700 psi (ASME B31.3 Tabla A-1, TP316L a 100°F), factor de calidad E = 1,0 (sin costura), Y = 0,4 (acero inoxidable austenítico por debajo del rango de fluencia):
P = 2 × 16,700 × 1.0 × 0.237 / (4.500 − 2 × 0.4 × 0.237) ≈ 1,836 psig
Si se utiliza acero inoxidable estándar (no L) 316 o 304, que soporta una tensión admisible mayor de aproximadamente 20 000 psi a la misma temperatura, la misma tubería resultará en una resistencia de aproximadamente 2199 psig; mismas dimensiones, diferente grado, diferente clasificación. Si se modifica la temperatura, el método de fabricación (la tubería soldada utiliza un módulo de Young menor) o el código, el resultado vuelve a variar.
Por eso no publicamos un único valor de presión por programa como regla general: la clasificación de presión correcta para las tuberías de acero inoxidable en su proyecto depende del grado, la temperatura y el código exactos que esté utilizando. En la práctica, la mayoría de los equipos de ingeniería realizan este cálculo directamente a partir de las tablas del código aplicable o utilizan software o herramientas del proveedor que hacen referencia a la edición actual de ASME B31.3, B31.1 o la norma EN correspondiente. Siempre verifique la edición actual, ya que las tablas de esfuerzos admisibles se revisan periódicamente.
Dado que el espesor de pared (t) se encuentra directamente en la fórmula de presión anterior, la selección del cédula es la forma más directa de cambiar la capacidad de presión de una tubería sin alterar su diámetro. La norma ASME B36.19M asigna un espesor de pared fijo por cédula para cada tamaño de tubería. Tomando como ejemplo una tubería de 4" TP316/316L a 100 °F (el mismo caso calculado anteriormente), pasar de SCH 5S a SCH 80S cuadruplica aproximadamente el espesor de pared, y la clasificación de presión calculada aumenta casi en el mismo factor.
CH 5S → SCH 10S: el espesor de pared aumenta de 0,083" a 0,120" (+45%); la presión nominal calculada aumenta de ≈625 psig a ≈910 psig.
SCH 10S → SCH 40S: el espesor de pared casi se duplica nuevamente hasta 0,237"; la presión nominal aumenta a ≈1836 psig.
SCH 40S → SCH 80S: el espesor de pared alcanza 0,337"; la presión nominal alcanza ≈2661 psig, aproximadamente 4,3 veces la cifra del SCH 5S, a costa de un diámetro menor y un mayor peso por pie.
Esta relación de clasificación de presión para tuberías de acero inoxidable (a mayor espesor de pared, mayor clasificación) se mantiene dentro de un mismo grado y temperatura, pero no es perfectamente lineal, ya que el denominador de la fórmula también varía ligeramente al aumentar el espesor de la pared. Si se cambia el grado o la temperatura de diseño, el mismo incremento en la clasificación produce un valor final de presión diferente; consulte la sección de cálculos para obtener más información.
Con el mismo tamaño de tubería, programa y temperatura, las tuberías de acero inoxidable 304 y 316 tienen valores de tensión admisibles comparables, pero no idénticos, ya que ambas son grados austeníticos regidos por mínimos de resistencia a la tracción y de fluencia similares en la Tabla A-1 de ASME B31.3.
En términos prácticos:
La clasificación de presión de las tuberías de acero inoxidable 304 y 316 es lo suficientemente similar como para que la capacidad de presión rara vez sea el factor decisivo entre ambos grados para una determinada especificaciones y temperatura.
La diferencia real entre el 304 y el 316 en la mayoría de los proyectos radica en la resistencia a la corrosión, no en la contención de presión. El contenido de molibdeno del 316 le confiere una mayor resistencia a los cloruros y otros medios agresivos, lo cual es mucho más importante en aplicaciones marinas, químicas y costeras.
Las variantes con bajo contenido de carbono (304L, 316L) soportan una tensión admisible ligeramente inferior a la de sus contrapartes estándar, lo que se traduce en una clasificación de presión marginalmente menor para un espesor de pared determinado. Sin embargo, esta diferencia se utiliza para la soldabilidad y la resistencia a la corrosión intergranular, no para obtener un mayor margen de presión.
En resumen: elija entre 304 y 316 en función del entorno de servicio y la exposición a la corrosión, y luego confirme la clasificación de presión del grado elegido utilizando la temperatura de diseño y el código aplicable a su proyecto.
Seis variables determinan la presión real que puede soportar una determinada longitud de tubería de acero inoxidable:
Diámetro de la tubería: Para un espesor de pared fijo, la capacidad de presión disminuye a medida que aumenta el diámetro. Una tubería de mayor diámetro requiere una pared más gruesa para soportar la misma presión que una de menor diámetro.
Espesor de pared: La variable dominante. La capacidad de presión se relaciona aproximadamente con el espesor de pared para un diámetro dado, por lo que la selección de la cédula de resistencia es el primer factor que los ingenieros consideran cuando una línea necesita mayor margen de presión.
Grado de acero inoxidable: La tensión admisible varía según el grado (por ejemplo, 304, 316, 321 y grados dúplex), y los aceros inoxidables dúplex o superdúplex soportan una tensión admisible significativamente mayor que los grados austeníticos estándar, lo que les confiere una ventaja real en cuanto a la capacidad de presión con el mismo espesor de pared.
Temperatura: La tensión admisible del acero inoxidable austenítico disminuye al aumentar la temperatura, especialmente por encima de los 150 °C (300 °F), por lo que la misma tubería tiene una presión nominal menor a temperaturas elevadas que a temperatura ambiente.
Método de fabricación de tuberías: Las tuberías sin costura y soldadas no se tratan de la misma manera según los códigos de tuberías. Las tuberías soldadas tienen un factor de eficiencia de la junta de soldadura (E) que puede reducir la presión nominal calculada en comparación con las tuberías sin costura de las mismas dimensiones, a menos que la soldadura se haya radiografiado completamente.
Código o norma de diseño aplicable: ASME B31.3, ASME B31.1 y EN 13480 (entre otros) definen la tensión admisible y los factores de diseño de forma ligeramente diferente, por lo que la misma tubería puede tener una presión nominal calculada diferente según el código que rija el proyecto.
Como se definió anteriormente, la presión nominal es el límite máximo calculado, mientras que la presión de trabajo es la presión real a la que opera el sistema. Ambas están relacionadas, pero no deben considerarse iguales al especificar una tubería.
Una tubería con una presión nominal calculada de, por ejemplo, varios cientos de psi a una temperatura determinada, no está diseñada para operar continuamente justo a ese límite. Si bien normas como la ASME B31.3 permiten variaciones limitadas y de corta duración por encima de la condición de diseño, la operación rutinaria a la presión nominal máxima o cerca de ella reduce el margen de seguridad con el que se diseñó la tubería. Se recomienda seleccionar el diámetro, la cédula y el grado de la tubería de manera que la presión nominal calculada supere cómodamente la presión de trabajo prevista, en lugar de simplemente igualarla.
Revisado técnicamente por el equipo de ingeniería de calidad de PMC para verificar la precisión dimensional según la norma ASME B36.19M y la metodología de cálculo según la norma ASME B31.3.
PMC es un fabricante de tuberías de acero inoxidable con certificación ISO 9001:2008. Produce tuberías sin costura y soldadas según la norma ASME B36.19M y normas internacionales equivalentes, abarcando todos los calibres incluidos en esta tabla, desde SCH 5S hasta SCH 80S. Cada lote se inspecciona dimensionalmente en nuestras instalaciones antes del envío, verificando el espesor de pared y el diámetro exterior según las mismas tolerancias de la norma B36.19M mencionadas anteriormente. PMC suministra tuberías TP304/304L y TP316/316L —los grados utilizados en los ejemplos de presión de trabajo que se muestran en esta página— a proyectos petroquímicos, de tratamiento de agua, generación de energía y proyectos marítimos y offshore en todo el mundo.
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