dilatacion de tuberias

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  • 8/13/2019 Dilatacion de Tuberias

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    APUNTES DE FLEXIBILIDADAPUNTES DE FLEXIBILIDADAPUNTES DE FLEXIBILIDADAPUNTES DE FLEXIBILIDAD

    OCTUBRE 2008

    Por: Guillermo Daz Andrade

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    ELEMENTOS DE DISEO PARA EL CLCULO DE FLEXIBILIDAD EN TUBERAS Y APLICACIN DE COMPENSADORES DE DILATACIN

    ELEMENTOS DE DISEO PARA EL CLCULO DE FLEXIBILIDAD EN TUBERAS Y APLICACIN DE COMPENSADORES DE DILATACIN

    COPYRIGHT 2008 TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS.

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    INTRODUCCIN

    En todos los mbitos de la industria y en especial en la tecnologa mecnica, losingenieros de proyecto y montaje se ven enfrentados a un problema comn: la

    dilatacin.

    Este fenmeno, especialmente apreciable en las tuberas y conductos sometidos avariaciones importantes de temperatura, ha causado y causa no pocos problemas debido

    principalmente a las graves alteraciones que provoca en el buen funcionamiento de lainstalacin.

    El hecho de que las tuberas acusen particularmente este fenmeno es debido a sufacilidad para variar de longitud en presencia de los saltos trmicos y a sus,generalmente, largos trazados.

    Por otra parte las condiciones de explotacin de las instalaciones de tuberas yconductos han experimentado un creciente incremento de temperatura conforme elrendimiento de las plantas lo ha exigido, y la mejor tecnologa de los materiales lo ha

    permitido.

    Todo ello junto con las fuerzas provocadas por la dilatacin, las vibraciones

    engendradas por compresores, turbinas, motores, bombas y otros elementos, conviertena las tuberas y conductos en elementos transmisores y perturbadores por excelenciadado que su rigidez y estructura, generalmente metlica, favorece la rpida y sostenida

    propagacin de molestos efectos a travs de las instalaciones.

    La adopcin de medidas con las cuales se anule o minimice la difusin de estos efectoses de suma importancia en el campo del diseo de ingeniera mecnica precisamente porser todos ellos perjudiciales y contrarios a la voluntad del diseador, que es la devehicular todo tipo de fluidos con eficacia, seguridad y sin efectos secundarios.

    Este trabajo no pretende sustituir a nada, ya que el campo es muy complejo y tcnicassimilares pueden resultar tambin tiles. Ms bien trata de ofrecer un resumeneminentemente prctico, en el cual se aclaran los conceptos en que se basa el problemaexpuesto y en el que, al mismo tiempo, se ofrecen algunas opciones, acaso las msidneas, para comprenderlo y solucionarlo.

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    COPYRIGHT 2008 TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS.

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    CONCEPTOS BASICOS

    TEMPERATURA

    Entendemos que es la medida del estado de un cuerpo en relacin al calor el fro,generalmente la expresamos en grados centgrados (aqu hablaremos de los valoresaplicables en Europa continental) y tiene una influencia decisiva sobre la elasticidad,

    plasticidad y comportamiento de los materiales.

    PRESION

    Es la razn de una fuerza normal ejercida sobre un punto y la superficie sobre la que seaplica. La expresaremos en Kg/cm2y se relaciona con la resistencia de los materiales.

    FUERZA

    Es una magnitud que expresa la cantidad con que un cuerpo es solicitado en unadireccin y un sentido.

    En tubera se trata, generalmente, con valores muy elevados, por ello deber prestarseespecial atencin a los puntos en que se aplican estas fuerzas.

    FATIGA

    Es la razn proporcional entre una fuerza y su superficie de aplicacin. Nos marcar los

    lmites por encima de los cuales la nica seguridad es que se romper todo, as queatencin tambin a estos lmites.

    MODULO DE ELASTICIDAD (ley de hooke)

    Es la razn de una fatiga a la correspondientedeformacin unitaria.Siempre que no sobrepase el lmite deelasticidad encontraremos que esta razn esconstante y caracterstica para cada material.La expresaremos en Kg/mm2.

    Podemos observar un ensayo de traccinrealizado a una probeta de hierro, en el queapreciamos la grfica esfuerzo-alargamientocon las zonas muy bien definidas. La partelineal corresponde a la zona elstica.

    FLEXIBILIDAD

    La definiremos como la capacidad que tiene un material o estructura para deformarse yvolver a su posicin inicial un nmero de ciclos elevado sin ver prcticamente alteradasu estructura ni sus propiedades.

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    COPYRIGHT 2008 TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS.

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    DILATACION

    Definiremos as a la variacin de dimensiones que experimenta un cuerpo cuando semodifica la temperatura a que se encuentra expuesto.

    Este fenmeno es apreciable en todos los estados de la materia, se produce a nivelmolecular y bsicamente consiste en que las rbitas de los elementos constitutivos delos tomos aumentan o disminuyen segn se incremente o disminuya la temperatura aque estn expuestos.Las fuerzas generadas son enormes y frecuentemente superan el lmite elstico de losmateriales que las padecen.

    Normalmente su magnitud se expresa en mm/m y C aunque para mayor comodidadexisten tablas referidas a escalas de temperatura, donde se expresan directamente enmm/mt obtenindola de una tabla.

    Debe observarse que aunque se hable en general de dilatacin, para los casos detemperaturas inferiores a 0C se trata de lo contrario, esto es retraccin o disminucin delongitud, en nuestro caso (tuberas) o volumen, en vez de incremento de sta.

    En tubera la dilatacin tiene una direccin y un sentido, debido a que la variacin delongitud se manifiesta sobre el extremo libre o ms elstico de la conduccin. Por otra

    parte el crecimiento radial en dimetro de la tubera, es inapreciable ya que las fuerzasnecesarias para deformarlo en ese sentido tienen que ser inmensamente superiores a las

    precisas para provocar su alargamiento.

    En la siguiente figura se aprecia la influencia de la dilatacin sobre una barra delongitud constante en fro y sometida en todos los casos a idntica temperatura segnsea o no fijada por sus extremos. Como la dilatacin es una magnitud vectorial, tiene unorigen y una direccin, por lo tanto, podremos calcular su valor.

    3 DIMENSIONES

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    Como puede apreciarse en el tercer caso, fijacin por ambos extremos, la dilatacinprovoca un excesivo pandeo del tubo. En cualquier circunstancia, esta sera ladisposicin ms desfavorable, puesto que provoca una considerable tensin sobre elmaterial, lo cual se traduce en una destruccin prematura, por fatiga , de la conduccin

    en el supuesto de que no hayamos averiado antes algn equipo de importancia.

    La existencia de dilatacin incontrolada se aprecia tanto por sus destructivos efectos encaliente, como en las tensiones residuales que deja en fro; notables cuando al intentardesmontar un equipo se produce una brusca desalineacin de este con respecto de latubera a que se encontraba unido, dicho que otra forma, el desmontaje resulta muchoms dificil debido al agarrotamiento que producen las tensiones en los elementos.

    El orden de las cargas que se generan en una tubera, sujeta como el tercer caso anterior,y sometida a una temperatura T, se ve en el siguiente ejemplo :

    TUBO DIN2448 DN 200

    Seccin int. S= 4.211,74 mm2Ac. CARBONO < 3% Cr 3 DIMENSIONEST= 200 C

    mmm

    L T 16,2== mmL 10000=

    242 mmKg

    ROT =

    25,24 mmKg

    E =

    25,10 mmKg

    ADM =

    219390 mmKgE=

    Conocido el valor de la dilatacin trmica unitaria a la temperatura de trabajo, podemossaber la dilatacin que sufrir la tubera:

    mmmmmm 6,211016,2 ==

    Para esta dilatacin tenemos que la tensin a la que est sometida la tubera es:

    22 88,4110000

    6,2119390

    mm

    Kg

    mm

    Kg

    mm

    mm

    LE ==

    =

    Valor de la tensin muy prximo al valor de la tensin de rotura rot.

    La fuerza asociada a esta tensin se calcula:

    TnKgmmSFmm

    Kg 38,1766,17638774,421188,41 22 ====

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    TUBERIAS Y ACCESORIOS

    Las tuberas y accesorios, como elementos conductores de fluidos de gran

    responsabilidad, han sido normalizados con objeto de garantizar unos valores exactosde resistencia as como de garantizar su conexin sin tener que reinventarlos cada da encada proyecto.

    Bsicamente esta normalizacin se recoge en las normas DIN de general aplicacin enEuropa continental y ASME ANSI ms aplicada en los Estados Unidos y su rea deinfluencia.

    No es necesario extenderse en este captulo por existir ms que abundante informacinal respecto por parte de los fabricantes y proveedores sobre los estndar disponibles.

    Slo decir que existen tuberas de muchos materiales, pero aqu nos referiremosprincipalmente a las metlicas soldadas y sin soldadura, las primeras soldadaslongitudinales, recomendables slo para servicios sin temperatura y las soldadashelicoidales que pueden constituir, estudiando bien el caso una alternativa vlida paraelevada temperatura siempre y cuando no las sometamos a mucha tensin, si lohiciramos sobre las soldadas longitudinales probablemente se abriran en canal.

    Las tuberas sin soldadura en cambio se utilizarn preferentemente y siempre que losservicios sean estratgicos o requieran mayor seguridad.

    Mencin aparte merecen las tuberas termoplsticas ( PVC, polietileno, polipropileno,fibras de vidrio etc.) de las cuales deberemos saber que:

    a) Tienen unos coeficientes de dilatacin muy elevados.b) No resisten grandes esfuerzos.

    As que poner etiqueta de delicado y tratar con esmero. En este caso para lasoportacin, conexin y gua, recomendamos seguir las instrucciones del fabricante quesuele ofrecer una amplia gama de accesorios especficos.

    Dentro de las tuberas diferenciaremos a los conductos como un grupo aparte.

    Entenderemos por conductos todas aquellas conducciones que escapan a lanormalizacin de tuberas, que en general son redondas. Los conductos, por el contrario,suelen ser de diversas secciones (cuadrada, rectangular u otras) y en general dedimetros o secciones muy grandes. Tambin es cierto que preferentemente estndestinados a servicios de baja presin a excepcin hecha de las aplicaciones hidrulicasen las que aunque se trata de autnticas tuberas, suele hablarse de conductos, queconducen elevadas presiones. Los conductos s se reinventan para cada proyecto, ya quesus dimensiones vienen determinadas por los caudales a trasladar.

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    EJEMPLO DE CALCULO Y SOLUCION A UN PROBLEMA DE DILATACION

    Tras haber situado la conduccin y conocer su peso y los puntos en los que inicialmente

    podemos soportarla, hemos estudiado su comportamiento cuando es sometida a latemperatura de diseo.

    Efectuamos una distribucin de los elementos a tomar en cuenta simulando unescaneado, (esta tcnica la recomendamos para cualquier anlisis a realizar sobretuberas), con origen en el nacimiento de la lnea A, denominado Punto Fijo PrincipalPFP, y a partir de l hemos ido sealando nuevos puntos o nodos que numeramos conuna escala a criterio del diseador de forma que podamos denominar el tramodelimitado entre dos nodos, e incluso intercalar si es el caso segmentos intermediospor modificaciones incluidas posteriormente.

    Hemos definido que la dilatacin es una magnitud vectorial, que puede ser medida yque tiene un origen y un sentido: hacia donde encuentre mayor grado de libertad,

    por lo tanto, y esto es lo ms importante, podemos controlarla!

    Hemos ido calculando la dilatacin y verificando que los tramos que quedancomprendidos entre dos puntos fijos tienen suficiente capacidad para absorberla, ascomo que ninguno de ellos queda sometido a una tensin excesiva, ya sea por pandeoo cualquier otra causa.De ser as, tendremos que replantear el diseo de la lnea bien modificando su trazado,si es posible, o dotndola de mayor elasticidad artificialmente mediante curvas, figuras

    de dilatacin, liras o compensadores de dilatacin, que resultan ms simples que todolo anterior.

    Ya hemos comentado anteriormente el tema y ahora ofreceremos un ejemplo del efectode la dilatacin, ya comentado anteriormente:

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    Efectos de la dilatacin en tubera recta sin compensacin:

    TUBO DIN2448 DN 200

    Seccin int. S= 4.211,74 mm2Ac. CARBONO < 3% Cr 3 DIMENSIONEST= 200 C

    mmm

    L T 16,2== mmL 10000=

    242 mmKg

    ROT =

    25,24 mmKg

    E =

    25,10 mmKg

    ADM =

    219390 mmKgE=

    Ya hemos visto ste ejemplo, as que solo recordaremos los resultados que se obtenan:

    mmmmmm 6,211016,2 ==

    Para esta dilatacin tenemos que la tensin a la que est sometida la tubera es:

    22 88,4110000

    6,2119390

    mm

    Kg

    mm

    Kg

    mm

    mm

    LE ==

    =

    Como ya hemos dicho, el valor de la tensin est muy prximo al valor de la tensin derotura rot.

    Y la fuerza asociada a esta tensin:

    TnKgmmSFmm

    Kg 38,1766,17638774,421188,41 22 ====

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    Solucin al efecto de dilatacin con tubera recta con compensador:

    TUBO DIN2448 DN 200

    Seccin int. S= 4.211,74 mm2Ac. CARBONO < 3% Cr 3 DIMENSIONEST= 200 C

    mmm

    L T 16,2== mmL 10000=

    242 mmKg

    ROT =

    25,24 mmKg

    E =

    25,10 mmKg

    ADM =

    219390 mmKgE=

    COMPENSADOR DE DILATACIN (caractersticas de un compensador HFC 5240)R= mm

    Kg20Am=438 cm2

    Suponemos que el fluido que circula por el interior de la tubera lo hace a una presinde 10 bar.

    La dilatacin de la tubera continua siendo la misma del ejemplo anterior: =21,6 mm

    Por tanto la fuerza que se ejerce sobre el compensador para provocar un desplazamientoes:

    KgmmRF mmKg

    i 2166,212021

    21 ===

    y la fuerza debida a la presin interior de 10 bar:

    KgcmbarSPFj 43800438102===

    As la fuerza total que se ejerce es de : FR= 216 + 43800 = 45960 kg = 45,9 Tn

    Y la tensin que aparece en la tubera debido a ese esfuerzo:

    2912,1074,4211

    459602 mm

    Kg

    mm

    Kg

    S

    F===

    Valor muy inferior a la tensin de rotura de 242 mmKg

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    Vamos a repasar la disposicin general de los elementos a tomar en cuenta en unproblema de dilatacin de tubera.

    PuntoFijoPrincipal PFP

    Se entiende por tal aquel lugar donde la tubera queda firmemente sujeta a unaestructura slida e inamovible.

    Reviste especial importancia la solidez de esta fijacin, ya que es precisamente sobreella donde repercuten los mayores esfuerzos provocados por la dilatacin o loselementos encargados de absorberla.

    Ya hemos comentado antes que las cargas son importantes, vase el comparativo de lacarga que genera una tubera recta sin elemento de compensacin y el de otra que s lo

    incorpora:Hay que saber que cuando se intercala un elemento de compensacin se interrumpentodas las fuerzas existentes debidas a tensiones de la tubera y son sustituidas por las dereaccin del propio elemento de compensacin.

    Deben considerarse como puntos fijos, a parte de las fijaciones artificiales, todas lasconexiones fijas a equipos, bombas, compresores, intercambiadores, motores, injertosde tubera, torres de refrigeracin, calderas etc. as como los codos a 90 excepto cuandoforman parte de un sistema de compensacin.Para el calculo de las resistencias en los puntos fijos, en los dos casos anteriores, se

    tendrn en cuenta las resistencias que se generan en la tubera debido a la colocacin desoportes-guas intermedios que sumados a las tensiones calculadas anteriormente nosaumentarn notablemente el valor final de la tensin:

    Caso sin compensacin:

    F = ( S) + R

    Caso con compensador

    F = P Am + (1/2 L R) + R

    Donde Res el sumatorio de todas las resistencias ofrecidas por las guas a lo largo dela tubera.

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    PuntoFijoIntermedio PFI

    Es un punto situado entre dos puntos fijos.

    En la figura anexa se muestra una disposicin caracterstica; un largo tramo recto hasido dividido en dos segmentos ms cortos, con objeto de adaptar los valores dedilatacin obtenidos al rendimiento de dos elementos de compensacinconvencionales.

    El correcto dimensionado de estos puntos no ofrece mayor dificultad, debido a que lasfuerzas engendradas por el sistema tienden a anularse sobre ellos por ser de sentidosopuestos. En el caso ms desfavorable, desigualdad de estas fuerzas, la resultante ser ladiferencia de ambas, obtenindose normalmente un valor pequeo.

    Lo ideal es que ambas sean iguales, con lo cual el sistema queda en equilibrio.

    PuntosdeGua PG

    Son puntos que repartidos uniformemente a lo largo de toda la tubera evitan ladesalineacin de esta respecto a su eje al mismo tiempo que permiten y facilitan eldesplazamiento del tubo en sentido longitudinal u otro si necesario.

    Estos puntos son asimismo muy importantes, haya o no elementos de compensacindentro del sistema, ya que es mediante su accin que conseguiremos dirigir la tubera

    en el sentido de desplazamiento previsto.

    En su diseo ha de tenerse en cuenta que la superficie de deslizamiento sea suficientepara no descabalgar y siempre superior al valor de dilatacin en ese punto, asimismodeber ser considerado en sentido negativo, es decir retraccin si la temperatura puedeser negativa o la tubera pre-estirada en fro.

    Debern procurarse coeficientes de rozamiento pequeos con objeto de la suma delproducto del peso de la tubera por dicho coeficiente y por todos los puntos de gua nod un valor excesivo de carga sobre el punto fijo o incluso llegue a atascar la tuberaimpidiendo su movimiento.

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    La distribucin de puntos fijos y de gua es variable; debe, por tanto, estudiarse paracada instalacin en funcin del sistema de compensacin adoptado y fluidosconducidos.

    Los puntos de gua deben tener una holgura de un par de mm en dimetro sin hacercontacto con el tubo o patn de forma que aseguremos el libre desplazamiento axial o lanecesaria para permitir otro tipo de desplazamiento si es el caso.

    Fundamental recordar:

    Los puntos fijos existen siempre, los puntos fijos intermedios si no los preveemos secrean ellos solos incontroladamente y los puntos gua deberemos incorporarlos siempreal proyecto si queremos llevar la tubera a alguna parte y que no se nos caiga todo.

    Restricciones STOPDenominaremos as a ciertos puntos que actuarn como puntos fijos en un sentido y ejey como punto gua en otro al mismo tiempo.

    A continuacin, adjuntamos las siguientes figuras que representan los puntos anteriores:

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    EJEMPLO DE CLCULO:

    Lnea de tubera en acero al carbono de la cual conocemos que la dilatacinL= 70,29mm

    FluidoAguaPresin de trabajo8 BarTemperatura95C

    Verificacin de idoneidad de la presin nominal:

    Elegimos sobre catlogo un compensador PN16.

    Condicin de ideonidadPN KpPTRABAJO

    Por tablas, para T=95C Kp= 0,84; 16 0,84 = 13,44 8OK

    Verificacin de idoneidad de la carrera disponible:

    Elegimos sobre catlogo un compensador con una carrera de 30mm.

    Condicin de ideonidadC KcLINEA

    Por tablas, para T=95C Kp= 0,84; 30 0,85 = 25,5 < 70,29MAL

    Posibles soluciones: Si existe una carrera superior, pasar a ella y recalcular a ver si es suficiente.

    Si no existe carrera superior, montar ms de un compensador.

    25,5 3 compensadores= 76,5 > 70,29OK

    Para ms informacin, tablas de Kpy Kcdisponibles en el catlogo de CORACI S.A.

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    Actualmente el catlogo de CORACI, S.A. dispone de una serie de gamas biendiferenciadas:

    COMPENSADORESMATERIAL TIPO

    DN APLICACIN

    CAUCHO C-FLEX 12 mm hasta 2.800 mm General e industria

    METLICOS KAPPA-A 12 mm hasta 50 mm Calefaccin y A.A.

    KMC KFC 12 mm hasta 300 mm Calefaccin y A.A.

    HMC HFC 40 mm hasta 2200 mm Industria

    CMC CFC 1.000mm hasta 10.000 mm Industria

    TEXTILES TXT Cualquier dimensin bajo demanda Industria

    TEFLON PTFE 40mm hasta 500mm (otras bajo pedido) Ind. Qumica

    que fabrica y distribuye en, para y desde Espaa a diversos pases del mundo.

    Para asegurar la instalacinen caso de ausencia del punto fijo por error del instaladoro rotura accidental del mismo que provocara la extensin total de un compensadorsometido a presin, todos ellos pueden ser dotados de un elemento de seguridadpatentado por CORACI, S.A. consistente en un dispositivo limitador en extensiny compresin.

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    TUBOS FLEXIBLES

    Son elementos elsticos construidos en base a una estructura tubular ms o menosreforzada que puede ser de material sinttico (caucho, silicona, PTFE, etc.) o metlico

    (aleaciones de cobre y ms usualmente aceros inoxidables y altos aleados).

    A diferencia de los compensadores con los que no deben ser confundidos, ni utilizadoscomo sustitutivos de aquellos, su longitud puede ser tericamente indefinida.

    En ocasiones se utilizan para absorber dilataciones pero nunca axialmente, sloimitando el comportamiento de los sistemas articulados.

    Se emplean con mayor seguridad para establecer conexiones flexibles entre dos puntosrgidos que tienen un movimiento relativo entre s, bien sea cclico por razones de

    produccin (autoclaves, prensas de bandejas, inyeccin, refrigeracin, etc.) o espordica(desplazamiento de una mquina, desmontaje de equipos para su traslado o limpieza,etc)

    En todo caso constituyen uniones muy fiables que facilitan el montaje, desmontaje yeliminan o amortiguan efectos indeseables de vibraciones generadas por mquinasas como tambin tensionessobre derivaciones de lnea principal hacia aerotermos yotros equipos, con las ventajas de soportar elevadas presiones y altas temperaturas(hasta aprox. 600C) simultneamente, en el caso de las tuberas metlicasflexibles.

    Sus posibilidades de conexin son innumerables, cualquier accesorio que pueda ser

    prensado o soldado es adaptable a un tubo flexible.Para su seleccin y forma de colocacin, recomendamos seguir las instrucciones sobrecatlogo del fabricante segn requerimientos del servicio y normativa al respecto.

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    ELEMENTOS DE DISEO PARA EL CLCULO DE FLEXIBILIDAD EN TUBERAS Y APLICACIN DE COMPENSADORES DE DILATACIN

    ELEMENTOS DE DISEO PARA EL CLCULO DE FLEXIBILIDAD EN TUBERAS Y APLICACIN DE COMPENSADORES DE DILATACIN

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    CONCLUSION

    Conocido el fenmeno de la dilatacin, no puede ignorarse.

    Aunque conocer el comportamiento exacto de los materiales resulta en este casoverdaderamente complejo, cada da lo es menos dado el perfeccionamiento de losmodelos tericos contrastados en potentes programas de clculo y pruebas reales.

    Lo verdaderamente importante es que la informacin de base sea correcta, que eldiseador tenga suficientes conocimientos para crear el modelo por s mismo si esnecesario y que sepa interpretar y valorar los resultados que se le ofrecen.

    O lo que es lo mismo, que est plenamente convencido y seguro de lo que esthaciendo.

    UN COMENTARIO

    La fuerte expansin de la industria en los ltimos veinticinco aos ha provocado un aludde informacin imposible de digerir individualmente, razn que ha obligado a implantarnormativas que simplifican el trabajo de ingeniera as como grupos de trabajomultidisciplinares dado que ante la diversidad y complejidad de cada rama el individuotiende a especializarse.

    Un ingeniero o responsable de proyecto encontrar su atencin dispersa entre elconjunto de componentes de la planta pero deber centrarla en el desarrollo del proyectoy su posterior rendimiento, por lo cual de algunas especialidades muy concretas, notendr ms que un conocimiento muy superficial.

    Lo fundamental es que su base de conocimientos generales sea slida y le permitasolicitar, obtener y saber valorar la ayuda que puedan prestarle otros ingenieros ytcnicos especializados en la materia.

    En cierto modo la funcin de coordinador general del proyecto es ms importante quesaber mucho de algo y del resto nada.

  • 8/13/2019 Dilatacion de Tuberias

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