Entendiendo las Tuberías de Acero: De la Fabricación a la Infraestructura

Historia, producción y uso de tuberías de acero

Las tuberías de acero son tubos cilíndricos hechos de acero que se usan de muchas formas en fabricación e infraestructura. Son el producto más utilizado fabricado por la industria del acero. El uso principal de la tubería es el transporte de líquido o gas bajo tierra —incluyendo petróleo, gas y agua. Sin embargo, tuberías de diversos tamaños se usan en toda la fabricación y construcción. Un ejemplo común de fabricación doméstica es el tubo de acero estrecho que ejecuta el sistema de enfriamiento en refrigeradores. La construcción usa tuberías para calefacción y fontanería. Las estructuras pueden construirse usando tuberías de acero de diversos tamaños, como barandillas, portabicicletas o bolardos de tubería.

Se cree que William Murdoch fue el pionero de las tuberías de acero. En 1815, unió barriles de mosquetes para soportar un sistema de lámparas de carbón. Murdoch usó su innovador sistema de tuberías para transportar gas de carbón a lámparas en las calles de Londres.

Desde el siglo XIX, se han dado grandes avances en la tecnología de tuberías de acero, incluyendo la mejora de métodos de fabricación, el desarrollo de aplicaciones para su uso y el establecimiento de regulaciones y estándares que rigen su certificación.

¿Cómo se fabrica la tubería de acero?

Desde la fusión de materias primas hasta el moldeo o soldadura, este material de construcción ubicuo se crea a través de dos procesos principales:

Convertir acero en bruto a una forma más utilizable

Ambos procesos deben comenzar fabricando acero de buena calidad. El acero en bruto se produce en fundiciones mediante un proceso de fusión de materias primas en un horno. Para obtener la composición exacta, se pueden añadir elementos al metal fundido y eliminar impurezas. El acero fundido resultante se vierte en moldes para hacer lingotes o se transfiere a una máquina de colada continua para hacer losas, billetes y blooms. La tubería se hace a partir de dos de estos productos: losas o billetes.

Losas de acero y skelp en la fabricación de tuberías

El skelp de acero se hace a partir de losas calentadas a 1 200 °C (2 200 °F). El calor causa la formación de una escama en la superficie, que debe eliminarse mediante un rompe-escamas y limpieza a alta presión. Una vez limpio, la losa de acero se lamina en caliente en tiras delgadas y estrechas de acero llamadas skelp. El skelp se decapa (limpieza superficial) con ácido sulfúrico, se lava con agua y se enrolla en grandes bobinas como materia prima para fabricar tuberías. El ancho del skelp determina el diámetro de la tubería que se puede fabricar.

El skelp se desenrolla de la bobina, se calienta y se pasa por rodillos acanalados, que doblan los bordes del skelp hacia arriba. Este proceso produce un tubo cilíndrico donde los dos bordes se han doblado justo alrededor para encontrarse formando un cilindro largo. Un proceso de soldadura une los bordes y sella la tubería.

• En una operación de soldadura continua, los rodillos de soldadura presionan los bordes de la tubería entre sí — formando una soldadura forjada debido al calor ya aplicado al skelp. No se añade metal durante la soldadura, y los rodillos finales reducen el diámetro y el espesor de la pared de la tubería a las especificaciones.
• La soldadura por resistencia eléctrica sigue un proceso similar a la soldadura continua, excepto que el skelp se lamina en frío en la forma de tubería. La corriente se suministra a los bordes de la tubería por discos de cobre giratorios, que calientan los bordes hasta la temperatura de soldadura. Los rodillos de soldadura unen los bordes de la tubería para crear una soldadura forjada.
• La soldadura en espiral y la soldadura de arco sumergido doble usan técnicas de soldadura más convencionales y añaden material de soldadura para formar la unión.

Billetes de acero para tubería sin costura

Los billetes de acero son piezas cuadradas largas de acero producidas directamente de una máquina de colada continua o como producto secundario hecho de lingotes colados laminados y estirados. Estos billetes pueden usarse para hacer tubería sin costura, que es más segura en algunas aplicaciones por no tener línea de soldadura.

El billete de acero sólido debe calentarse a temperaturas extremas, volviéndose blanco caliente pero no fundido. Las máquinas los laminan para que se conviertan en un sólido cilíndrico. Mientras aún están calientes, un perforador con forma de bala se usa para hacer el centro hueco regular según sus dimensiones. Una serie de operaciones de fresado siguen para conformar la tubería a las especificaciones requeridas.

Pasos de acabado

Las tuberías pueden pasarse por una máquina de enderezado como paso final antes de ser equipadas con uniones en los extremos. La tubería de diámetro pequeño generalmente se equipa con uniones roscadas, pero la tubería de diámetro grande normalmente se equipa con bridas que se sueldan al extremo de la tubería. Máquinas de medición verifican las dimensiones de la tubería terminada y estampan los detalles en el lateral para control de calidad.

Control de calidad

Los pasos de control de calidad incluyen verificar la tubería para detectar defectos usando máquinas de rayos X —especialmente a lo largo de la soldadura. Otra técnica es probar la tubería a presión llenándola de agua y manteniéndola bajo presión por un tiempo especificado para exponer cualquier defecto que pueda causar fallo catastrófico antes de ponerla en servicio.

¿Cómo se usa la tubería de acero?

Las tuberías se usan en estructuras, transporte y fabricación. Se dimensionan según su diámetro exterior, con el diámetro interior variando según el espesor de la pared. Algunas aplicaciones necesitan paredes más gruesas que otras, dependiendo de las fuerzas que la tubería debe manejar.

Uso estructural

Los usos estructurales son comunes en construcción y edificación. En estas industrias, el material de construcción se refiere comúnmente como tubos de acero.

Pilotes de construcción

Los tubos de acero proporcionan resistencia a cimentaciones en un proceso llamado pilotaje. En estas aplicaciones, el tubo se clava profundamente en la tierra antes de colocar la cimentación. Proporciona estabilidad para un edificio alto o construcción en terreno no seguro.

Hay dos tipos fundamentales de cimentaciones de pilotes:

• Pilotes de punta tienen el extremo inferior apoyado en una capa de suelo o roca especialmente fuerte. La carga del edificio se transfiere a través del pilote a la capa fuerte.
• Pilotes de fricción transfieren la carga del edificio al suelo a lo largo de toda la altura del pilote, por fricción. Toda la superficie del pilote ayuda a transferir las fuerzas al suelo.

Postes de andamio

Los postes de andamio se hacen vinculando tubos de acero en una jaula que permite a los trabajadores de construcción acceder a áreas altas sobre el nivel del suelo.

Uso en fabricación

Barandillas de seguridad

Las barandillas de seguridad también se hacen de tubos de acero, creando una característica de seguridad estéticamente agradable para escaleras y balcones.

Bolardos

Los bolardos de seguridad se usan para acordonar un área del tráfico vehicular para proteger personas, edificios o infraestructuras.

Portabicicletas

Muchos portabicicletas comerciales se forman doblando tubos de acero. Las propiedades de material resistente del acero lo hacen seguro contra ladrones.

Uso en transporte

El uso más común de tuberías de acero es para el transporte de productos porque el material es adecuado para instalaciones a largo plazo. Puede enterrarse bajo tierra debido a su dureza y resistencia a la descomposición.

Las aplicaciones de baja presión no requieren que las tuberías tengan alta resistencia ya que no están expuestas a tensiones significativas. El espesor de pared estrecho permite una fabricación más barata. Aplicaciones más especializadas —como tuberías usadas en la industria del petróleo y gas— requieren especificaciones más estrictas. La naturaleza peligrosa del producto transportado y la posibilidad de presión aumentada en la línea exigen alta resistencia y, por tanto, mayor espesor de pared. Esto generalmente conlleva un coste asociado más alto. El control de calidad es crítico para estas aplicaciones.

¿Cómo se especifica la tubería de acero?

Puede haber confusión sobre cómo se especifican estos materiales y qué significa para las características exactas de la tubería. La Sociedad Americana de Ensayo y Materiales (ASTM) junto con la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME) y el Instituto Americano del Petróleo (API) son las organizaciones más referenciadas para especificaciones de tuberías en Norteamérica.

Las especificaciones pueden desglosarse en tres categorías principales:

Tamaño nominal de tubería

El tamaño de la tubería se cita como «Tamaño Nominal de Tubería» o NPS. El origen de los números NPS para tuberías más pequeñas (< NPS 12) es diferente al origen para tuberías de mayor diámetro. Sin embargo, todas las tuberías de un número NPS específico tienen el mismo diámetro exterior (DE). El diámetro interior variará dependiendo del espesor de la pared del metal. La razón es que los mismos soportes estructurales pueden usarse para todas las tuberías de un número NPS específico independientemente del espesor de la pared.

Programas (Schedules)

Los programas de tubería de acero son una forma de describir el espesor de la pared. Este es un parámetro crítico ya que está directamente relacionado con la resistencia de la tubería y la idoneidad para aplicaciones específicas. Un programa de tubería es un número adimensional y se calcula basado en la fórmula de diseño para el espesor de la pared, dada la presión de diseño y el estrés admisible.

Ejemplos de números de programa son: 5, 5S, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 80, 100, 120, 140, 160, STD, XS y XXS —siendo los más comunes los programas 40 y 80. A medida que aumenta el número de programa, aumenta el espesor de la pared. El número de programa de una tubería define por tanto el diámetro interior, ya que el DE está fijado por el número NPS.

Peso de la tubería

El peso de una tubería puede calcularse basándose en el NPS, que define el diámetro exterior, y el programa, que define el espesor de la pared. La fórmula usa el peso teórico del acero de 40,8 libras por pie cuadrado por pulgada de espesor para determinar la constante.

W = 10,69 × t (DE – t)

Donde:

W = peso (en libras por pie)
DE = diámetro exterior
t = espesor

La siguiente tabla de Engineering Toolbox muestra las mediciones de DE, espesor de pared y peso para tuberías de diferentes NPS. Se muestran mediciones tanto para programa 40 como 80.

Tamaño Nominal (pulg)	DE (pulg)	Diám. Int. Sch 40 (pulg)	Espesor Sch 40 (pulg)	Peso Sch 40 (lb/pie)	Diám. Int. Sch 80 (pulg)	Espesor Sch 80 (pulg)	Peso Sch 80 (lb/pie)
1/8	0.405	0.270	0.070	0.240	0.220	0.100	0.310
1/4	0.540	0.360	0.090	0.420	0.300	0.120	0.540
3/8	0.675	0.490	0.090	0.570	0.420	0.130	0.740
1/2	0.840	0.620	0.110	0.850	0.550	0.150	1.000
3/4	1.050	0.820	0.110	1.130	0.740	0.150	1.470
1	1.315	1.050	0.130	1.680	0.960	0.180	2.170
1-1/4	1.660	1.380	0.140	2.270	1.280	0.190	3.000
1-1/2	1.900	1.610	0.150	2.720	1.500	0.200	3.650
2	2.375	2.070	0.150	3.650	1.940	0.220	5.020
2-1/2	2.875	2.470	0.200	5.790	2.320	0.280	7.660
3	3.500	3.070	0.220	7.580	2.900	0.300	10.300
3-1/2	4.000	3.550	0.230	9.110	3.360	0.320	12.500
4	4.500	4.030	0.240	10.790	3.830	0.340	14.900
5	5.563	5.050	0.260	14.610	4.810	0.380	20.800
6	6.625	6.070	0.280	18.970	5.760	0.430	28.600
8	8.625	7.980	0.320	28.550	7.630	0.500	43.400
10	10.750	10.020	0.370	40.480	9.560	0.590	64.400
12	12.750	11.940	0.410	53.600	11.380	0.690	88.600
14	14.000	13.130	0.440	63.000	12.500	0.750	107.000
16	16.000	15.000	0.500	78.000	14.310	0.840	137.000
18	18.000	16.880	0.560	105.000	16.130	0.940	171.000
20	20.000	18.810	0.590	123.000	17.940	1.030	209.000
24	24.000	22.630	0.690	171.000	21.560	1.220	297.000

Basado en ASTM A53 - Especificación Estándar para Tubería, Acero, Negro y Galvanizado en Caliente, Zincado, Soldado y Sin Costura.

Certificación

Los fabricantes emiten un Informe de Prueba de Material (MTR) para validar que el producto cumple con la especificación de análisis químico y propiedades mecánicas. El MTR contendrá todos los datos relevantes del producto y acompañará al producto durante su ciclo de vida.

Los siguientes son parámetros típicos que pueden registrarse en un MTR:

• Composición química incluyendo contenido de carbono, aleaciones y azufre
• Tamaño, peso, identificación y grado del material
• Número de calor del material, que vincula al lote de procesamiento
• Propiedades mecánicas como resistencia a la tracción, límite elástico y alargamiento

Para bolardos de acero, las especificaciones más comunes citadas son ASTM A53 y ASTM A500.

¿Cómo usa Reliance Foundry las tuberías de acero?

Reliance Foundry suministra bolardos de tubería hechos de tuberías de acero. Los bolardos son longitudes verticales de tubería instaladas en el suelo para proteger personas, edificios e infraestructura circundante de colisiones vehiculares.

Los bolardos de tubería de acero deben cumplir especificaciones de seguridad para asegurar que son lo suficientemente fuertes para resistir el impacto de colisiones vehiculares. El acero de programa 40 y programa 80 puede usarse para hacer bolardos de tubería de acero dependiendo de la aplicación.

Los bolardos de tubería de acero a menudo se cubren con acero inoxidable, plástico u otras cubiertas decorativas de metal para atractivo estético y para proteger la tubería de acero de la corrosión.