Conversión de presión nominal PN y LB: Principios técnicos y detalles de aplicación

En el campo de la ingeniería de sistemas de tuberías industriales, la conversión entre las clasificaciones de presión PN (presión nominal) y LB (clase de libra) es uno de los puntos técnicos clave para garantizar el funcionamiento seguro y eficaz de los sistemas de tuberías. Comprender y dominar con precisión los métodos de conversión de estos dos sistemas de clasificación de presión es de gran importancia para el diseño, la selección de materiales, la instalación y el mantenimiento de los sistemas de tuberías.

I. Análisis del sistema de clasificación de presión PN

PN es un método de representación de la clasificación de presión en el sistema estándar europeo. Utiliza formas numéricas específicas para caracterizar parámetros relacionados con la presión. Este valor es aproximadamente la resistencia a la presión en MPa de los materiales en condiciones normales de temperatura. En aplicaciones prácticas, para componentes de tuberías de diferentes materiales, la presión de trabajo máxima admisible correspondiente al valor PN variará significativamente con los cambios de temperatura.

Tomemos como ejemplo las válvulas de tuberías de acero al carbono. Cuando la temperatura de trabajo es inferior a 200°C, el valor PN puede reflejar con mayor precisión la presión de trabajo máxima admisible de la válvula. Sin embargo, una vez que la temperatura supera los 200°C, la estructura cristalina del material de acero al carbono cambia, su resistencia y dureza disminuyen, lo que provoca una reducción de la resistencia a la presión. En este momento, la presión de trabajo real correspondiente al valor PN debe corregirse de acuerdo con la curva de rendimiento a alta temperatura del material.

En el caso de las válvulas de hierro fundido, su intervalo de temperatura de trabajo adecuado es relativamente inferior. Por debajo de 120°C, el valor PN puede utilizarse como referencia. Cuando la temperatura supera los 120°C, aumenta la fragilidad del hierro fundido y su resistencia a la presión disminuye drásticamente, por lo que el valor PN original deja de ser aplicable. Las válvulas de acero inoxidable tienen una temperatura crítica de 250ºC. Por debajo de esta temperatura, el valor PN puede utilizarse normalmente, y por encima de esta temperatura, también es necesario reevaluar el índice de presión.

II. Análisis del sistema de clasificación de presión LB

LB, es decir, la clase en libras, es un método de representación de la clasificación de presión ampliamente utilizado en el sistema de normas americano. Su determinación no es una simple definición del valor de presión, sino un resultado exhaustivo del cálculo del rendimiento de materiales metálicos específicos en diferentes condiciones de temperatura y presión, basado principalmente en la norma ANSI B16.34.

En el sistema estándar americano de temperatura - presión, la clasificación 150LB toma 260°C como temperatura de referencia, mientras que otras clasificaciones como 300LB y 600LB toman 454°C como temperatura de referencia. Esto significa que, en diferentes condiciones de temperatura, la presión de trabajo real correspondiente a la clasificación de presión LB debe convertirse en combinación con la curva característica de temperatura - presión del material.

Tomemos como ejemplo la clase 300. Si se convierte simplemente a partir del valor de presión, es de aproximadamente 2,1MPa. Pero teniendo en cuenta su temperatura de uso real de 425,5°C, de acuerdo con los datos de la prueba de presión-resistencia del material, su presión de trabajo real correspondiente debe corregirse a 5,0MPa. Esto refleja plenamente la influencia clave de los factores de temperatura en la clasificación de presión LB y también pone de relieve que en la conversión entre las clasificaciones de presión PN y LB, no se puede confiar en la simple conversión numérica, y los factores de temperatura deben ser considerados exhaustivamente.

III. Influencia de las diferencias del sistema de válvulas en la representación del índice de presión

Las válvulas, como componentes centrales que controlan el flujo de medios en los sistemas de tuberías, su representación del índice de presión está estrechamente relacionada con todo el sistema de válvulas. Actualmente, existen dos sistemas principales de válvulas en el mundo, a saber, el sistema de «presión nominal» representado por Alemania y el sistema de «temperatura - presión» representado por Estados Unidos.

El sistema de «presión nominal», ampliamente adoptado por algunos países, entre ellos China, se basa en la presión de trabajo admisible a temperatura normal. En China, se fija en 100°C, y en Alemania, en 120°C. Este sistema permite determinar cómodamente la presión nominal de las válvulas en condiciones de temperatura normal. Sin embargo, en condiciones de alta temperatura, como no se tiene plenamente en cuenta el cambio de las propiedades de los materiales con la temperatura, la precisión de la presión nominal se verá afectada.

El sistema «temperatura - presión», representado por Estados Unidos, toma 260°C como referencia para la clasificación de 150LB, y 454°C como referencia para otros niveles. Este sistema tiene plenamente en cuenta el cambio en la tensión admisible de los materiales a diferentes temperaturas y puede reflejar con mayor precisión la presión nominal de las válvulas en condiciones reales de trabajo. Pero cuando se convierte con el sistema de «presión nominal», es necesario realizar complejos cálculos de corrección de la temperatura.

Por ejemplo, para una válvula de acero al carbono de calibre 20 de clase 150 libras, la tensión admisible es de 1MPa a 260°C, mientras que la tensión admisible es de aproximadamente 2,0MPa a temperatura normal. Esto conduce a diferencias en la comprensión y conversión de la clasificación de presión de la válvula bajo diferentes sistemas. En las aplicaciones prácticas, los ingenieros deben comprender claramente el sistema al que pertenece la válvula y los métodos de conversión de la clasificación de presión correspondientes para garantizar la precisión de la selección de la válvula.

IV. Conversión de unidades de presión y aplicaciones prácticas

En las aplicaciones industriales prácticas, existen diferencias internacionales en las unidades de representación de la presión del gas. En China, la unidad de masa «kilogramo» (kg) se utiliza comúnmente para describir la presión del gas, y la unidad de presión correspondiente es «kg/cm²», es decir, la presión generada por una fuerza de un kilogramo que actúa sobre un área de un centímetro cuadrado. En el extranjero, especialmente en Europa y América, se suele utilizar «psi» (libras por pulgada cuadrada) como unidad de presión.

Por conversión, sabemos que 1 psi = 1 libra/pulgada² ≈ 0,068bar, y 1 bar ≈ 14,5psi ≈ 0,1MPa. Esta diferencia de unidades plantea retos a la conversión de unidades de presión en proyectos industriales transnacionales. Si la conversión es inexacta, puede dar lugar a una selección incorrecta del equipo y afectar a la seguridad y estabilidad de todo el sistema de tuberías.

En el diseño e instalación de sistemas de tuberías, la conversión exacta de las unidades de presión es crucial. Por ejemplo, en un proyecto de oleoducto transnacional, debido a la participación de equipos y componentes de oleoductos de diferentes países, se requieren frecuentes conversiones de unidades de presión. Si se calculan erróneamente 150LB en el valor MPa incorrecto, puede producirse una disminución del rendimiento de sellado de las piezas de conexión de la tubería, provocando fugas medianas y, por tanto, graves accidentes de seguridad y pérdidas económicas.

V. Diferencias en los valores nominales de presión según los distintos sistemas y precauciones para la conversión

En los rangos de presión más elevados, como la Clase 600 y la Clase 1500, existen diferencias numéricas obvias entre las normas europeas y americanas. En «ISO 7005 - 1 - 1992 Bridas de Acero», se especifica que 11MPa corresponde a la clase 600 - libras, que pertenece al sistema europeo; mientras que en ASME B16.5, se especifica que 10MPa corresponde a la clase 600 - libras, que pertenece al sistema americano. Esta diferencia indica que la clase 600 - libras no puede equipararse simplemente a un valor MPa fijo.

Debido a las diferentes referencias de temperatura de las clasificaciones de presión PN y LB y a las diferencias en las normativas de clasificación de presión de los distintos sistemas, no existe una relación de correspondencia estricta entre ellas. En la práctica de la ingeniería, cuando se convierten los valores nominales de presión, no se puede confiar en fórmulas simples o conversiones numéricas. En su lugar, deben tenerse en cuenta diversos factores, como las propiedades de los materiales, la temperatura de servicio y los diferentes sistemas normalizados.

Los profesionales suelen utilizar software profesional de cálculo de ingeniería para realizar cálculos precisos. Al mismo tiempo, también deben dominar el método de búsqueda de clases de libras a través de las tablas estándar pertinentes. En las operaciones reales, debe prestarse especial atención a las curvas de cambio de tensión admisible de diferentes materiales a diferentes temperaturas. Estas curvas son bases importantes para la conversión precisa de la presión nominal y la selección del equipo.

VI. El papel clave de los conocimientos relacionados con las bridas en las aplicaciones de presión nominal

(I) Adaptabilidad de los tipos de bridas a la presión

Las bridas, como componentes importantes de las conexiones de tuberías, son de varios tipos, entre los que se incluyen las bridas deslizantes, las bridas soldadas a tope, las bridas soldadas por encastre y las bridas sueltas. Los distintos tipos de bridas tienen características estructurales y rangos de presión aplicables diferentes.

Las bridas deslizantes tienen una estructura simple y son fáciles de instalar. Sin embargo, debido a la resistencia relativamente baja de sus piezas soldadas y al rendimiento limitado del sellado, suelen ser adecuadas para sistemas de tuberías con baja presión, medios no tóxicos y medios no inflamables y no explosivos. Por ejemplo, en los sistemas generales de suministro de agua y drenaje de edificios, donde la presión de trabajo es baja, las bridas deslizantes pueden satisfacer los requisitos de conexión.

Las bridas de soldadura a tope tienen un buen rendimiento de sellado y una alta resistencia. Su proceso de soldadura puede garantizar eficazmente la resistencia y estanqueidad de las piezas de conexión. Por lo tanto, las bridas de soldadura a tope son adecuadas para conexiones de tuberías con alta temperatura, alta presión y medios inflamables y explosivos. En las tuberías de alta temperatura y alta presión de la industria petroquímica, las bridas para soldar a tope se utilizan ampliamente para garantizar el funcionamiento seguro del sistema de tuberías.

Las bridas de soldadura de enchufe son adecuadas para tuberías de pequeño diámetro. Su método de conexión es simple y puede garantizar un cierto rendimiento de sellado. En algunas tuberías de instrumentación o tuberías de proceso de pequeño diámetro, se suelen utilizar bridas de soldadura de encaje. Las bridas sueltas se utilizan principalmente para tuberías de metales no ferrosos o tuberías que deben desmontarse con frecuencia. Pueden reducir la tensión de soldadura entre la tubería y la brida y son adecuadas para ocasiones con altos requisitos de expansión de la tubería y comodidad de desmontaje.

(II) Influencia de la forma de la superficie de sellado de las bridas en el sellado a presión

La forma de la superficie de sellado de las bridas es uno de los factores clave para garantizar el rendimiento de sellado de las conexiones de tuberías. Entre las formas de superficie de sellado más comunes se incluyen las superficies de sellado planas, las superficies de sellado con relieve, las superficies de sellado macho y hembra y las superficies de sellado machihembradas.

Las superficies de estanquidad planas son fáciles de mecanizar, pero tienen un rendimiento de estanquidad deficiente y sólo son adecuadas para medios no tóxicos a baja presión. En algunas tuberías de ventilación o tuberías de agua a baja presión con requisitos de estanquidad reducidos, son habituales las bridas con superficies de estanquidad planas.

Las superficies de sellado elevadas se utilizan ampliamente y su rendimiento de sellado es mejor que el de las superficies de sellado planas. Son adecuadas para tuberías de media y baja presión. En los sistemas de tuberías industriales en general, las bridas con superficies de estanquidad elevadas son una opción habitual.

Las superficies de sellado macho y hembra y las superficies de sellado machihembradas tienen un mejor rendimiento de sellado y pueden evitar eficazmente las fugas del medio. Las superficies de sellado macho - y - hembra aumentan la fiabilidad del sellado mediante la cooperación macho - y - hembra; las superficies de sellado de lengüeta - y - ranura colocan la junta en la lengüeta - y - ranura, mejorando aún más el efecto de sellado. Estas dos formas de superficie de sellado son adecuadas para medios de alta presión, tóxicos, inflamables y explosivos. Por ejemplo, en las tuberías de transporte de productos químicos peligrosos de la industria petroquímica, se suelen utilizar bridas con superficies de sellado macho - y - hembra o machihembradas.

(III) Selección del material de las bridas y adaptabilidad a la presión y la temperatura

La selección de los materiales de las bridas está directamente relacionada con su comportamiento en diferentes condiciones de presión y temperatura. Los materiales comunes de las bridas son el acero al carbono, el acero inoxidable, el acero aleado y el hierro fundido.

Las bridas de acero al carbono son económicas y tienen cierta solidez y resistencia a la corrosión. Son adecuadas para tuberías industriales en general, como el transporte de agua, aire y otros medios a temperatura y presión normales. Sin embargo, en entornos de alta temperatura, alta presión o medios corrosivos, el rendimiento de las bridas de acero al carbono será limitado.

Las bridas de acero inoxidable tienen una buena resistencia a la corrosión y pueden mantener un rendimiento estable en medios corrosivos. En la industria química, las tuberías para el transporte de líquidos ácidos o alcalinos suelen utilizar bridas de acero inoxidable. Sin embargo, el coste de las bridas de acero inoxidable es relativamente alto. En algunas ocasiones, la rentabilidad y los requisitos de rendimiento deben tenerse muy en cuenta.

Las bridas de aleación de acero combinan las ventajas de varios metales y tienen una gran resistencia a las altas temperaturas. Son adecuadas para condiciones de trabajo especiales con alta temperatura y alta presión. En las unidades de craqueo a alta temperatura de las refinerías de petróleo, las tuberías están sometidas a los efectos duales de la alta temperatura y la alta presión, y las bridas de aleación de acero pueden satisfacer sus exigentes requisitos de uso.

Las bridas de hierro fundido tienen un coste bajo pero una resistencia relativamente baja. Son adecuadas para conexiones de tuberías con baja presión y piezas no críticas. En algunas tuberías que no soportan presión o tuberías de drenaje de baja presión en sistemas de suministro de agua y drenaje de edificios, las bridas de hierro fundido pueden ser una opción económica y práctica.

Al seleccionar los materiales de las bridas, además de tener en cuenta factores como la naturaleza, la temperatura y la presión de los medios transportados por las tuberías, también hay que considerar factores como la trabajabilidad y soldabilidad de los materiales para garantizar la calidad de fabricación e instalación de las bridas.

En resumen, la conversión entre los valores nominales de presión PN y LB y los conocimientos relacionados con las bridas son los contenidos centrales del campo de la tecnología de sistemas de tuberías industriales. Sólo mediante la comprensión y el dominio profundos de estos conocimientos y la consideración exhaustiva de diversos factores se pueden tomar decisiones científicas y razonables en el diseño, la instalación y el mantenimiento de los sistemas de tuberías, garantizando el funcionamiento seguro y fiable de los sistemas de tuberías y proporcionando una garantía técnica sólida para la producción industrial. En las aplicaciones prácticas de ingeniería, el personal técnico y de ingeniería debe aprender y acumular experiencia continuamente, y seguir estrictamente las normas y especificaciones pertinentes para evitar accidentes de seguridad y pérdidas económicas causadas por una conversión incorrecta del índice de presión o una selección inadecuada de las bridas.