sistemas auxiliares tema 1 - sistemas de tuberias

ESCUELA UNIVERSITARIA INGENIERÍA TÉCNICA NAVAL CADIZ PROPULSIÓN Y SERVICIOS DEL BUQUE Sistemas Auxiliares del Buque

TEMA 1 SISTEMAS DE TUBERIAS

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Sistemas Auxiliares del Buque

TEMA 1

SISTEMAS DE TUBERIAS



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1 DISEÑO DE LOS SISTEMAS DE TUBERÍAS ...................................................3

1.1 Introducción. .................................................................................................3 a Disposición general del buque.....................................................................4 b Plantas de propulsión y generación de electricidad.....................................4 c Operaciones. ...............................................................................................5 d Habilitación. .................................................................................................5 e HVAC (Heat, Ventilation, Air Condition). .....................................................5 f Sistemas para misiones específicas............................................................5 g Atributos especiales. ...................................................................................5

1.2 Fases de diseño de sistemas.......................................................................7

1.3 Disposición de los espacios. .....................................................................14 a Espacios de maquinaria principales. .........................................................14 b Otros espacios...........................................................................................25

2 TUBERÍAS Y ACCESORIOS. ..........................................................................27

2.1 General.........................................................................................................27

2.2 Disposiciones de tuberías..........................................................................28

2.3 Materiales. ...................................................................................................32

2.4 Flexibilidad y soportado.............................................................................36

2.5 Uniones........................................................................................................46

2.6 Válvulas y Actuadores................................................................................52 a Válvulas de retención (o no retorno)..........................................................53 b Válvulas de cierre. .....................................................................................54 c Actuadores remotos de válvulas de cierre.................................................60 d Válvulas de seguridad y centinela. ............................................................64 e Válvulas reductoras de presión. ................................................................66 f Válvulas reguladoras de contrapresión. ....................................................67 g Válvulas de control. ...................................................................................67 h Accesorios de flujo constante. ...................................................................68

2.7 Orificios. ......................................................................................................68

2.8 Aislamiento..................................................................................................68

2.9 Conexiones al mar. .....................................................................................72

3 BIBLIOGRAFIA................................................................................................77



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1 DISEÑO DE LOS SISTEMAS DE TUBERÍAS

1.1 Introducción. Los sistemas de tuberías forman una amplia red necesaria para soportar todas

las funciones esenciales del buque. Estos sistemas manejan fluidos como vapor, combustible, aceite lubricante y agua de refrigeración para operar maquinaria, carga y lastre, proporcionan salud y confort a las personas (i.e. agua potable, calefacción, agua de enfriamiento y sistema de recogida de residuos), protegen la seguridad del buque y la tripulación con agentes contraincendios y sistemas de control de averías, y recogen y eliminan los contaminantes. Los sistemas de tuberías están entre los más complejos del buque en cuanto al diseño y la construcción.

Los ingenieros de sistemas de tuberías aplican los principios de análisis de esfuerzos estáticos y dinámicos, la termodinámica y la teoría de flujo de fluidos para diseñar unas redes de tubería seguras y eficientes. Además, se enfrentan a retos adicionales. Los sistemas de tuberías constan no sólo de tuberías, válvulas y accesorios, sino también de una disposición de componentes que condiciona y controlan los fluidos, tales como bombas, filtros e intercambiadores de calor. Los sistemas de tubería también contienen válvulas de control, transductores y actuadores, que interactúan con el equipo servido por ellos y tienen que ser compatibles con los sistemas de supervisión y control del buque.

Aunque los ingenieros de sistemas no son responsables directos del diseño de todos los componentes, necesitan una comprensión básica de sus características para integrarlos en un sistema que funcione de forma adecuada.

Uno de los objetivos más difíciles para un diseñador de sistemas es definir y actualizar continuamente todos los requerimientos de diseño de los sistemas a lo largo de las sucesivas fases del diseño de detalle. Esta dificultad estriba, en parte, en la comprensión sólo general de los componentes que se tiene al principio, y en que los ingenieros de los componentes, que suministran los datos, pueden no advertir la necesidad que tiene de ellos el diseñador de sistemas.

Los problemas se acentúan a lo largo del proceso de diseño, si los cambios en las características de los componentes, la adición o supresión de algunos no se comunican con rapidez al diseñador de sistemas. Así, es necesario, normalmente, que



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el ingeniero de sistemas de tuberías busque activamente la información en vez de permanecer esperando que le llegue de una forma rutinaria.

Entre los parámetros de diseño del buque que establecen la base de las características de los sistemas de tuberías se incluyen:

a Disposición general del buque.

El tamaño total, las subdivisiones del casco y la disposición de espacios son las bases para el diseño de los sistemas de protección de incendios y de drenaje de emergencia. Se han de seleccionar sistemas de distribución y agentes extintores adecuados para los espacios de máquinas, acomodación, servicio y bodegas de carga.

Áreas especiales, como las cubiertas de petroleros y gaseros requieren sistemas especiales. La capacidad y situación de las bombas de drenaje están relacionadas con el volumen del casco y la disposición de los compartimentos estancos. La disposición de los sistemas de trasiego de combustible y agua tiene que adaptarse a la disposición de tanques decidida por el arquitecto naval. La situación de las zonas de alojamiento y comedores determina el diseño de los sistemas de drenaje y recogida de residuos líquidos. La altura y la separación de los compartimentos influyen en las presiones de operación y en el dimensionamiento de las tuberías.

b Plantas de propulsión y generación de electricidad.

El tipo, número, potencia y situación de las máquinas de propulsión y generación de energía eléctrica determinan los caudales y presiones, así como los requisitos de filtrado de los sistemas de combustible y aceite lubricante.

La potencia, presión y temperatura de operación y la situación relativa de calderas y turbinas, determina la configuración de la tubería de vapor.

Los requisitos de refrigeración de los equipos de propulsión y generación de energía, junto con la menor necesidad de los auxiliares, fijan las condiciones de los sistemas de refrigeración de agua salada y dulce.

La presión, calidad, capacidad de producción y capacidad de almacenamiento de aire comprimido tiene que satisfacer las necesidades de arranque y control de la planta.



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c Operaciones.

Las áreas de operación, rutas, tiempo de vuelta a puerto y longitud del viaje, afectan a requerimientos de diseño de sistemas de tubería tales como la producción y desinfección de agua dulce, retención y capacidad de tratamiento de aguas residuales, caudales de carga líquida y lastre, limitación de descarga de contaminantes y capacidades de tanques.

d Habilitación.

El número de tripulantes y pasajeros y los estándares de habitabilidad seleccionados determinan la capacidad de los sistemas que proporcionan agua potable, fría y caliente, y agua sanitaria, así como la capacidad de procesado y retención de residuos.

e HVAC (Heat, Ventilation, Air Condition).

La capacidad total de los sistemas de calefacción y refrigeración determinan los caudales de los sistemas de vapor y agua enfriada. Las cargas de calefacción y refrigeración se determinan por la disposición de habilitación, el tamaño de las áreas de vivienda y trabajo, las zonas de operación del buque y las cargas de los equipos. En buques de guerra hay que considerar como significativas las demandas de calefacción y refrigeración de los equipos electrónicos, así como la capacidad operativa en operaciones de defensa en guerra química, bacteriológica o nuclear.

f Sistemas para misiones específicas.

El propósito y la misión de cada buque influyen en la capacidad y disposición de muchos de sus sistemas de tuberías y a menudo requiere sistemas únicos. Los buques de guerra de combate, los buques de carga especializados y los rompehielos son algunos ejemplos.

g Atributos especiales.

En el diseño de los sistemas, el armador puede poner especial énfasis en reducción de costes, de peso, versatilidad del equipo u otros atributos.

Aproximadamente el 70 % del valor añadido por el constructor durante la construcción de los buques más complejos, corresponde a los sistemas de tubería. Así, se puede conseguir una reducción significativa del coste aplicando técnicas para simplificar el diseño, la fabricación, el montaje y la instalación de los sistemas de



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tubería. Los principios de diseño orientado a la producción, el armamento por zonas y la construcción modular, tienen que aplicarse desde etapas muy tempranas de diseño y continuar a lo largo de todas las fases. Las técnicas de diseño y fabricación asistidas por ordenador, aunque en principio supongan un aumento de coste de diseño, proporcionan una oportunidad para reducir el coste total, con el beneficio adicional de proporcionar datos de diseño de una calidad sensiblemente superior.

Figura 1-1: construcción modular diseñada por ordenador.



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1.2 Fases de diseño de sistemas. Los sistemas de tubería se desarrollan con un detalle progresivamente mayor

según avanza el diseño del buque a través de cuatro fases claramente definidas.

Durante el diseño conceptual, se desarrolla una lista preliminar de requerimientos basada en las características del buque disponibles, normalmente muy generales. Si se han desarrollado suficientes detalles de disposición, se puede hacer una comprobación preliminar de los tamaños y posiciones de los espacios para asegurar que se pueden encajar los principales recorridos de tubería. Puesto que en esta etapa no se dispone de datos para hacer estimaciones de coste y peso, estas estimaciones se extrapolan habitualmente de datos de buques existentes de diseño similar.

Durante el diseño preliminar, se seleccionan y disponen en el buque los principales componentes de los sistemas de tubería. Se hacen estimaciones preliminares de caudales, presiones y temperaturas para apoyar la selección de componentes. Los parámetros de los sistemas pueden cambiar varias veces durante esta fase para acomodarse a las actualizaciones de diseño; así, los diseñadores de los sistemas tienen que trabajar en estrecha comunicación con los dedicados a la disposición de espacios, maquinaria y selección de equipos, para asegurar un diseño compatible. Las prestaciones de los sistemas de tubería se determinan basándose en la misión, tamaño y perfil de operación del buque, el pasaje y tripulación, la maquinaria principal y otros factores. La selección de los componentes tendrá como fin conseguir las prestaciones requeridas dentro de los objetivos de peso, coste, ruido, impacto y fiabilidad. Ya que no es posible satisfacer plenamente todos los requisitos, se necesitan con frecuencia estudios de viabilidad para seleccionar las soluciones óptimas.

Durante la fase de diseño preliminar se determina la situación aproximada de los componentes principales y los recorridos de tubería con relación a la disposición del buque y unos respecto a otros. Estas situaciones tienen que seleccionarse con mucho cuidado puesto que las re-disposiciones posteriores pueden ser prohibitivas en coste, horas de diseño y plazo. Los componentes similares o relacionados deberían agruparse (i.e. bombas de agua potable, tanques, desaladoras, y equipo de purificación) para minimizar tuberías y facilitar el montaje a bordo de paquetes de equipo, así como su manejo. En buques de guerra o en aplicaciones especiales, la separación de equipos redundantes por razones de supervivencia es una consideración importante.



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Se preparan disposiciones con los principales recorridos de las tuberías, conductos de ventilación y canaletas para fijar las necesidades de espacio. Tan pronto como se prepare un plano de disposición general, se revisarán los tamaños de los compartimentos, las zonas de paso y los troncos para asegurar que encajan la tubería y otros sistemas a distribuir.

La situación relativa de los componentes que tienen que conectarse con tubería se comprueba también para eliminar recorridos innecesariamente largos o complejos, evitar que los tubos pasen por espacios restringidos y permitir el flujo por gravedad de los fluidos cuando sea necesario. Los recorridos de tubería deberían planificarse para evitar también penetraciones en elementos estructurales sobrecargados; si no se hace así, la estructura tendrá que reforzarse en los pasos de tubería.

Durante el diseño de contrato, los diseñadores de tubería desarrollan detalles adicionales de cada sistema, dentro de los condicionantes establecidos en la fase anterior, y describen cada sistema por especificaciones y planos de contrato. Las especificaciones se preparan en formatos que son bastante diferentes si el buque es de guerra, de aplicaciones especiales (i.e. relacionado con industria off-shore) o tipos normales de buque comercial. Para ilustrar relaciones especiales e interconexiones entre componentes de sistemas que no se entiendan sólo con una especificación escrita, se desarrollan planos o esquemas de contrato. Las especificaciones y los planos de contrato definen suficientemente el sistema para asegurar que se entienden los requerimientos del armador en prestaciones y calidad para permitir al constructor la preparación de una oferta. Los requerimientos mínimos a especificar deben incluir presiones, temperaturas y servicios a alimentar por cada sistema; número, capacidad y situación de los principales componentes; nivel de redundancia requerido para las fuentes de fluidos y las rutas; estándares de materiales; métodos de fabricación, montaje e inspección y estándares de la industria o administración que hayan de aplicarse; requerimientos de limpieza y prueba de los sistemas de tuberías. En la práctica comercial, los tamaños de tuberías se fijan a veces durante el diseño de contrato, aunque más, a menudo, especialmente en los buques de guerra, el dimensionamiento de las tuberías es responsabilidad del constructor.

Las especificaciones deberían escribirse para permitir e impulsar el uso de criterios de diseño que mejoren la productividad. Es deseable el empleo de unidades complejas de tubería y equipos que puedan pre-fabricarse fuera del buque e instalarse después como un módulo completo. Ejemplos comunes son los compresores de aire con sus botellas, filtros y deshidratadores; calderas auxiliares con sus bombas de



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alimentación, equipo de inyección de productos químicos en el agua y tanques de drenaje; estaciones de válvulas de control hidráulicas; estaciones reductoras de presión,...

Otra técnica para mejorar la productividad es especificar pocos elementos de tubería; almacenar un único componente hecho de material que cubra las distintas necesidades, en vez de varios de idéntico tamaño pero de calidades diversas, simplifica el pedido, la fabricación y el manejo. Los pernos de amarre de bridas, por ejemplo, se especifican así.

A menudo en diseños complejos, tales como buques de combate, se usan planos auxiliares para asegurar que los conceptos descritos en la especificación son realizables. Estos planos son, normalmente, diagramas unifilares de tubería volcados sobre las disposiciones de espacios de máquinas u otros (“vertidos”).

Las tres primeras fases de diseño se enfocan sobre todo a las prestaciones y a menudo se supervisan por el armador o su consultor de diseño. Sin embargo, la fase de diseño de detalle se enfoca a la construcción y se realiza habitualmente por el constructor. Fiel a su nombre, esta fase lleva a una completa definición de cada elemento de los sistemas de tubería, y culmina en planos que se usan para fabricar y adquirir todos los componentes de los sistemas e instalarlos a bordo.

Los esquemas de los sistemas de tubería, que se empezaban de forma preliminar en las primeras etapas de la fase de diseño y se actualizan progresivamente a medida que avanza el proceso de diseño y se dispone de más datos, constituyen un fundamento en el que se apoya el diseño de detalle. Los esquemas se usan para asegurar que los sistemas cumplen los requisitos de la especificación y que todos los elementos de los sistemas son compatibles unos con otros y con los elementos con que se relacionan: i.e. controles e interfases con la maquinaria.

Los esquemas son el punto de arranque para el desarrollo de los planos de producción de tuberías. Muestran los componentes y sus interconexiones en forma esquemática, como se muestra en la figura 1-2.



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Figura 1-2: esquema de contrato.



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En ellos, la información de disposición de los sistemas en el buque se muestra en grados diversos, pero se limita habitualmente al espacio y nivel en el que se localiza la tubería o el componente, puesto que es prácticamente imposible un detalle mayor en el formato de los esquemas. También incluyen:

Los símbolos de los componentes.

Estándar de materiales.

Rango de prestaciones de los componentes y curvas de bombas.

Descripción de las válvulas.

Identificación de los componentes/rótulos.

Presiones, temperaturas, caudales, velocidades y caídas de presión.

Dimensión de las tuberías.

Flechas indicando sentido de flujo.

Identificación de los compartimentos y mamparos.

Características de los instrumentos.

Características operativas de presión, temperatura, nivel, y control de flujo.

Notas relativas a fabricación, limpieza, pintado, prueba, y requisitos de seguridad.

Requisitos de ruidos y prevenciones contra golpes de ariete.

Referencia a planos de interfase, estándares y procedimientos.

La calidad y claridad de los esquemas son muy importantes pues desempeñan muchas funciones durante el diseño, la construcción y la operación del buque y son el principal medio para entender como trabajan los sistemas y como se relacionan con otros sistemas. Los componentes y la tubería se deben disponer de forma lógica, fluyendo los sistemas de un lado a otro del dibujo. Las relaciones se deberían mostrar con claridad y todos los componentes de importancia similar deberían resaltar por igual. Los recorridos principales de tubería deben tener el trazado más relevante y sencillo, y destacarse con líneas más gruesas. Los recorridos paralelos deben ser lo más simétricos posible. La información sobre como opera el sistema debe predominar sobre la información relativa a la posición en el barco, aunque ciertos detalles son de importancia.



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Los planos de disposición detallados de los sistemas de tubería se preparan tan pronto como los esquemas se han desarrollado suficientemente. El formato de los planos de disposición de tubería esta íntimamente relacionado con los métodos de construcción del buque, el sistema de ordenador que se emplee y las prácticas individuales del astillero.

Figura 1-3: plano de disposición.

El uso que pretenda dar el armador a los planos puede también influir en su formato y contenido. Los planos de disposición muestran la tubería, los accesorios y componentes a escala tal como aparecen unidos e instalados a bordo, e incluyen una lista completa de materiales. Los planos de disposición se usan para que los diseñadores revisen detalles de la instalación tales como la pendiente de las tuberías y el trazado de las tuberías de aspiración, así como para cálculos de flujo y flexibilidad de tuberías.

Se usan también por los armadores y operadores del buque para mantenimiento, entrenamiento de la tripulación y preparación de modificaciones futuras. Los planos de disposición de tubería muestran típicamente sólo un sistema o sistemas relacionados en un plano sencillo para simplificar la representación.

El desarrollo de los planos de disposición tiene que incluir un proceso para identificar y eliminar interferencias entre sistemas de tubería y entre tuberías y



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conductos, canaletas de cables y otras partes del buque. Para planos que están preparados con métodos de diseño por ordenador, el programa incluye a menudo un sistema con capacidad para comprobar interferencias.

Los planos de construcción están orientados a los requerimientos de producción y a las técnicas de instalación empleadas por el astillero. Los métodos de construcción modular se simplifican con el uso de planos orientados a ello que cubren todos los sistemas a instalar en un trozo de buque. Estos planos se orientan a las actividades de los trabajadores de prefabricación, que no necesitan saber como los elementos de los diferentes sistemas están relacionados con el sistema como un conjunto.

Figura 1-4: isométrica para fabricación y montaje.

Para mejorar la productividad de los sistemas de tubería, hay que realizar un esfuerzo concentrado durante la fase de diseño de detalle. Muchos de los métodos de producción se refieren a las prácticas específicas del astillero constructor, pero los siguientes criterios son de aplicación general:



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Localizar y orientar los componentes cada uno respecto al otro, para reducir al mínimo las longitudes de tubería, los cambios de dirección y el número de uniones.

Disponer las tuberías para facilitar el acceso a las uniones para montaje, inspección y prueba.

Dar prioridad al recorrido de la tubería de mayor tamaño o de material de fabricación más difícil.

Usar tubería curvada en lugar de curvas prefabricadas siempre que sea posible.

Situar las uniones de desmontaje en los límites de los módulos y de las planchas de acceso desmontables.

Planear los conjuntos de tubería para permitir la mayor prefabricación posible.

Prever colectores con ramales múltiples del mismo diámetro para simplificar su construcción, mejor que reducir el diámetro después de cada ramal.

Otras técnicas para planificar la fabricación de tuberías, los soportes, la instalación y la disposición tienen que considerar los métodos de producción de zonas.

1.3 Disposición de los espacios.

a Espacios de maquinaria principales.

El desarrollo de los sistemas de tubería en un espacio de maquinas y la disposición de este espacio están relacionados pues la situación de los principales componentes de maquinaria esta influida por consideraciones sobre los sistemas de tubería y la tubería se ha de disponer conociendo las restricciones que imponen los componentes dentro del local.

Generalmente no hay una disposición óptima del espacio de maquinas que satisfaga todos los requerimientos. El diseñador ha de establecer alternativas y seleccionar la que ofrezca compromisos aceptables como solución a los problemas de diseño. Se trata de un proceso interactivo.



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Una de las primeras decisiones con respecto al espacio de maquinaria es su situación. Para muchos buques, hay a menudo dos elecciones posibles: la zona de popa o ligeramente a popa de la mitad del buque.

Los espacios de maquinas de petroleros, y otros tipos de buques de líneas llenas, están generalmente en popa, lo que simplifica el diseño al permitir una línea de ejes mas corta y reducir interferencias con el manejo de la carga. Las formas del casco en popa de estos buques son lo suficientemente llenas para acomodar la maquinaria propulsora; sin embargo, hay que prever el lastrado cuando el buque este descargado para compensar la posición extrema de las maquinas y mantener un trimado adecuado para la navegación.

Figura 1-5: cámara de maquinas de un bulkcarrier.



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Las líneas del casco en popa de los buques de carga de alta velocidad y los de pasaje son normalmente tan finas que la maquinaria propulsora no puede situarse en esta zona. Para tales buques el espacio de maquinaria tiene que localizarse bastante a proa, donde haya manga suficiente.

Figura 1-6: cámara de maquinas de un ROPAX.

Cuando se desarrolla la disposición de un espacio de maquinaria, el diseñador tiene que visualizar la estructura del buque, las tuberías, las válvulas, los tanques y otros componentes en el espacio, así como la maquinaria de propulsión y auxiliar; debe desarrollar rutas directas y mínimas distancias para la tubería y los cables que conectan los distintos componentes; adecuar seguridad, confort y posiciones de control de los operadores; proporcionar espacios para mantenimiento y recorrido; y permitir permeabilidad suficiente para los agentes extintores de incendios.

En las etapas de diseño iniciales, la disposición se basa en componentes que solo son preliminares y cuyas dimensiones son aproximadas. Por tanto, hay que tomar un margen que permita variaciones posteriores en las dimensiones o desarrollos imprevistos. Además, ya que el espacio de maquinas no transporta carga productiva, no debe ser mayor de lo necesario, especialmente en eslora. Sin embargo hay que reservar espacio suficiente para permitir la instalación de tubería de gran tamaño, conductos de ventilación y cables de fuerza; el mantenimiento y la operación adecuada del equipo; la evacuación rápida del personal en una emergencia; y el acceso para la lucha contra incendios y otras funciones de control de daños.



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A veces, se necesitan soluciones de compromiso entre los componentes seleccionados inicialmente y el espacio disponible. Por ejemplo, aunque las bombas horizontales son más fáciles de soportar y mantener que las verticales, se pueden elegir estas al final porque ocupan menos espacio en planta. La elección entre intercambiadores de tubos o placas se puede decidir en función del espacio disponible, si los demás factores son satisfactorios. Pero tal decisión ha de tomarse sin comprometer los requerimientos de diseño del sistema. Asimismo es preciso tomar decisiones al disponer tuberías, conductos y componentes. Situar un componente en su posición ideal desde el punto de vista de mantenimiento, operación o acceso, puede suponer la necesidad de uniones adicionales y cambios de dirección de la tubería en su proximidad. El diseñador debe determinar qué disposición proporciona el compromiso más ventajoso.

Hay que prever espacios para desmontaje y rutas para transportar a través de escotillas o planchas desmontables de cubiertas y mamparos, los componentes que no puedan repararse en sitio. Como ultimo recurso, puede planearse una ruta para desmontaje a través del casco sin necesidad de entrada en dique. Las consideraciones de desmontaje y extracción del interior del buque pueden determinar ajustes en la situación de los componentes.

También debe preverse espacio suficiente para aislamiento térmico y acústico de la tubería y maquinaria, cuando sea necesario. Los diesel generadores y las turbinas de gas están frecuentemente en un espacio cerrado para reducir el ruido de transmisión aérea. Los márgenes de espacio deben ser suficientes para permitir el movimiento normal y de arranque en los equipos con anclaje elástico.

La situación de los elementos estructurales es una de las consideraciones más importantes cuando se sitúa la maquinaria y la tubería. Debe haber elementos soporte para transmitir las cargas hacia abajo, a la estructura del doble fondo; y dado que tiene que haber estructura suficientemente fuerte en cada extremo, su situación no dependerá solo de cuestiones relativas a la disposición de maquinas. La orientación y escantillón de cuadernas y refuerzos en las planchas estructurales puede afectar de forma adversa al recorrido de tubería y cables a lo largo de los mamparos o bajo cubiertas, imponiendo cambios en la dirección de los tubos y uniones adicionales.

El escantillón y espaciado de cuadernas deben tenerse en cuenta para definir la situación de las bombas, paneles de control y otros componentes; a veces el espacio entre cuadernas es el único disponible para situar pequeños componentes auxiliares.



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También el peso y la situación de los componentes de maquinaria pueden afectar al tamaño de las vigas soporte, lo que puede afectar a la altura del local y a los espacios libres sobre la maquinaria. Por tanto la relación entre la disposición de maquinas y el diseño de la estructura y la tubería es esencial.

Debe planificarse la altura del local, el margen en las rutas y la situación de los soportes bajo la estructura de cubiertas teniendo en cuenta los medios de elevación necesarios para el mantenimiento de las partes pesadas de los componentes, tales como el rotor de las purificadoras o los elementos reemplazables de los motores principales.

Los tecles y pasillos deberían situarse y trazarse con ancho y altura libre suficientes. Deben preverse estaciones de operación y situarse donde el operador pueda observar los instrumentos esenciales. Preferiblemente deberían situarse estaciones de control permanente, de forma que el operador pueda permanecer vigilando a proa o popa.

Las bombas de agua salada han de situarse lo suficientemente bajas y hacia el centro para disponer altura de aspiración adecuada en todas las condiciones de trimado y movimiento del buque. Las tomas de mar también deben estar lo suficientemente bajas para impedir la entrada de aire y próximas a las bombas a las que están conectadas. Las bombas de sentinas deberán situarse muy bajas para tener una aspiración adecuada del espacio a achicar.

La interconexión de los componentes en el circuito debe considerarse cuidadosamente para la orientación adecuada de la disposición. Por ejemplo, normalmente, el aceite lubricante pasa sucesivamente a través de bomba, filtro y enfriador. Es necesaria una orientación adecuada de la entrada y salida de cada componente para permitir un camino corto y directo de la tubería de interconexión. El empacho mínimo de los componentes interconectados puede estar influenciado por los radios de curvatura permisibles en la tubería, con valores que van de 1 a 5 veces el diámetro exterior: La diferencia puede ser significativa en las tuberías de gran tamaño.

En los buques de guerra, la tubería, los conductos de ventilación y los cables que atraviesen divisiones estancas deben situarse sobre la flotación en averías para minimizar en lo posible la necesidad de penetraciones estancas y válvulas para evitar la inundación progresiva.



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El espacio libre recomendado alrededor de los componentes principales se pueden ver en la tabla 1.1. Las dimensiones que se muestran son una guía aproximada para prever espacio de acceso e inspección; no son adecuados normalmente para mantenimiento o desmontaje de los componentes de maquinaria.

Las escalas de acceso principal deberían ser de 600 mm. de ancho y 60 grados de pendiente sobre la horizontal, como máximo. A veces se usan escalas de 300 a 450 mm. de ancho y mayor pendiente. La tendencia actual es a anchos mayores e inclinaciones menores, cuidadosamente reglamentados en buques de pasaje y en el campo “off-shore”, con mínimos de 900 a 1000 mm. de ancho y 45 grados de inclinación en las rutas principales.



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Tabla 1.1 Espacios mínimos sugeridos alrededor de componentes de maquinaria (en mm.)

Altura sobre pasillos y pasarelas Altura mínima, puesto de trabajo Ancho mínimo para paso Espesor mínimo para paso Profundidad máxima para alcance Entrada/salida a estructuras circundantes

Un lado Otro lado Extremo Entre

Calderas Por atrás a la estructura Del fondo a plancha de fondo De fondo a refuerzos De techo de economizadores a la cubierta sobre De calderin de vapor a cubierta sobre De parte alta a vigas sobre Entre unidades Aislamiento CI

Turbina de vapor: en todo el contorno Turbina de gas

Lados Un extremo Otro extremo Entre unidades en paralelo Por fuera de unidades en paralelo

Generador Costados Un extremo Al cuadro Entre unidades en paralelo

Cuadro A la estructura por detrás Un extremo Otro extremo Frente Entre unidades

Reductora a mamparo Tubería a estructura u otra tubería Tubería a otra tubería (huelgo por impacto, Practica Naval) Superficie > 205 C a tubería o tanques conteniendo combustibles Superficie > 344 C a tanques o tubería conteniendo combustibles

2000 2000 600 350 600

450 600 750 600

1700 600 400 750

1250 1100 1500 3350 1200

900 900

1200 1100 600

920 920

1200 1100

600 600 150

1100 1200 920 50

100 450 450



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La planta de vapor típica que se muestra en las figuras 1.7, 1.8 y 1.9 ilustran los principios indicados. La planta de vapor es la más difícil de disponer porque hay muy poca flexibilidad en la disposición de los componentes principales. Las calderas pueden situarse a proa de los motores principales, a popa o sobre ellos. Esta ultima disposición permite un espacio de maquinas mas corto, pero hay que evaluar el efecto que tiene el centro de gravedad mas alto sobre la estabilidad del buque.

Figura 1-7: planta de vapor, sección longitudinal.

El espacio alrededor de las calderas y el recorrido de la tubería tienen que valorarse, tanto desde el punto de vista de operación, como de mantenimiento, considerando aspectos como la renovación de tubos o el desmontaje de sopladores de hollín, tubos del economizador, quemadores y sobrecalentadores. Los ventiladores de tiro forzado deben situarse para tomar el aire más caliente cerca de las salidas o en la parte alta del espacio de maquinas. Los conductos de tiro forzado ocupan un volumen significativo y deben incluirse en los planos de disposición.



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Figura 1-8: planta de vapor, plataforma intermedia.

El tamaño y situación de las tomas y exhaustaciones tienen que ser compatibles con la disposición de la superestructura. Esto es especialmente importante en los buques de guerra por la posible interferencia con los conjuntos de antenas y sensores de los mástiles, Es necesario situar las tomas distantes de las posibles salpicaduras de agua de mar.

La posición vertical y horizontal de las turbinas propulsoras depende en gran medida de la de línea de ejes y propulsores. La situación de la hélice se determina por consideraciones hidrodinámicas, pero, inclinando el eje se obtiene un grado adicional de libertad para fijar la posición de la maquina motriz. Las posibilidades de inclinación de la línea de ejes son, de todas formas, limitadas. Es difícil prever espacio adecuado bajo la reductora para disponer el cárter de aceite y el condensador principal ha de estar tan bajo que es difícil proporcionar inmersión suficiente a la bomba principal de condensado sin hacer un pozo en el doble fondo. La línea de ejes principal se suele elevar invariablemente hacia arriba en proa para resolver estos problemas.



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Figura 1-9: planta de vapor, plataforma superior.

Si los motores principales están localizados en el extremo de popa del espacio de maquinas, hay que comprobar el espacio alrededor de la reductora para permitir el paso y el acceso a los engranajes y a los cojinetes. Los polines de la reductora y el cojinete de empuje deben incluirse en la disposición para confirmar que se prevé suficiente rigidez.

Las bombas principales de extracción de condensado deben tener suficiente altura bajo el nivel mínimo del pozo caliente del condensador para evitar la evaporación de condensado en la entrada del impulsor. También se deben situar las bombas cerca de la línea centro longitudinal del condensador para reducir condiciones erráticas de aspiración cuando el buque balancea o escora.

Hay que asegurarse también de que hay espacio suficiente para la tubería principal de agua salada de refrigeración del condensador debido a su gran tamaño.

Cuando se ha establecido una disposición satisfactoria para el nivel mas bajo, se puede analizar el nivel de operación principal. Al fijar su altura, hay que tener en cuenta el espacio por debajo para tubería, cables, conductos de ventilación, alumbrado y



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espacio sobre la cabeza en el nivel de movimiento inferior, así como para mantenimiento y desmontaje del equipo. El nivel de operación a cada lado de la maquinaria propulsora principal también sirve para los generadores, cuadros, plantas destiladoras, evaporadores de contaminado y otros equipos. Seria deseable que, desde el punto de vista de facilidad de operación, el nivel sea igual en todos los puntos; sin embargo, puede hacer falta un nivel mas bajo entre las turbinas y sobre los reductores para acceso a los cojinetes y para permitir la observación de los termómetros de aceite y los visores de flujo.

Las figuras 1.10 y 1.11 muestran una disposición típica de una cámara de motores diesel de media velocidad. Las principales restricciones de la planta de vapor, como son el ángulo de la línea de ejes, la configuración de la superestructura, el acceso al reductor y la disposición del nivel de operación, también se aplican a la disposición de la planta diesel. Además, hay que prever espacio para el mantenimiento de los pistones, camisas, turbosoplantes y otros componentes principales; para el conexionado de tubería a y el mantenimiento de auxiliares montados sobre los motores, tales como bombas de agua de refrigeración y de combustible; para el desmontaje del haz de tubos de enfriadores.

Figura 1.10: cámara de motores diesel.



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Hay que considerar el ángulo y el tamaño de las conexiones de exhaustación para permitir el recorrido mas directo de los conductos; así mismo para la entrada de aire a los motores principales. Si la planta tiene un sistema de recuperación de calor de los gases de escape, es necesario un espacio significativo sobre el motor para situar la caldera. Si el motor tiene un tanque de drenaje de aceite, también hay que tener en cuenta el espacio debajo. Si se prevé una bomba separada, se debe situar cerca del motor y suficientemente baja para evitar flujo de retorno al motor en la parada. Si el motor tiene un montaje elástico, hay que tener en cuenta una altura añadida y una mayor flexión del motor.

Figura 1-11: cámara de motores diesel.

b Otros espacios.

La disposición de tubería y equipo asociado fuera de los espacios de maquinas principales supone tanto el desarrollo de las disposiciones dentro de espacios tales como las cámaras de bombas, espacios de equipo electrónico y áreas similares, como la disposición de los sistemas de distribución que interconectan muchos espacios y elementos en todo el buque. Se aplican los mismos principios generales que se aplican a los espacios de maquinaria; por ejemplo, hay que prever suficiente espacio para acceso y mantenimiento, los componentes relacionados han de agruparse y hay que



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considerar la operación de cada componente. La situación de la cocina y los espacios sanitarios con relación a los tanques de recogida y los dispositivos sanitarios debe permitir pendientes adecuadas si se utiliza el sistema de recogida por gravedad. El recorrido de la tubería en los espacios de acomodación y tras los mamparos ha de diseñarse de forma que proporcione acceso para inspección y mantenimiento.

Los sistemas de distribución han de proporcionar circulación, alimentación y retorno o entregar fluido a muchos usuarios dispersos. En buques de combate, diseñados para la supervivencia, las fuentes de los sistemas tienen que ser numerosas y distribuidas a lo largo del buque. Los colectores de estos sistemas tienen que recorrer el buque en caminos tan rectos como sea posible para reducir coste y peso del sistema. Los colectores a menudo se trazan por los pasillos para evitar interferencias con los espacios a los que sirven. Asimismo los colectores pueden conducirse por troncos especialmente diseñados para ello; sin embargo, dado que son caros y consumen espacio, solo se usan cuando no se disponen otros medios. En los buques de combate, los colectores de servicios vitales tales como agua de refrigeración o CI deben separarse en sentido longitudinal y vertical para reducir su vulnerabilidad a las averías.



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2 TUBERÍAS Y ACCESORIOS.

2.1 General. Los estándares comerciales de ingeniería para los sistemas de tubería, que

reflejan la práctica y la experiencia de la comunidad de ingeniería internacional, son publicados por ciertas organizaciones nacionales o internacionales tales como:

ANSI, “Instituto Americano de Estándares Nacionales” (American National Standards Institute).

ASTM, “Sociedad Americana de Pruebas y Materiales” (American Society for Testing and Materials).

ASME, “Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos” (American Society of Mechanical Engineers)

MSS, “Sociedad de Normalización de la Industria de Fabricantes de Válvulas y Accesorios” (Manufacturers’ Standardization Society of valves and Fitting Industry)

ISO, “Organización Internacional de Normalización”

y otras organizaciones de normalización de ingeniería; estos estándares se citan normalmente en las especificaciones de buques.

Los requerimientos específicos para aplicaciones marinas y los dirigidos a proteger la salud pública y la seguridad, así como el medio marino, son promulgados por cuerpos reguladores que incluyen:

USCG, Servicio de Guardacostas de los EEUU.

USPHS, Servicio de Salud Pública de los EEUU (United States Public Health Services).

IMO, Organización Marítima Internacional.

ILO, Organización Internacional del Trabajo

y otros. Además, los requisitos dirigidos a la seguridad del buque y su carga son emitidos por las Sociedades de Clasificación:

DNV.



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Lloyd’s Register.

ABS.

BV.

2.2 Disposiciones de tuberías. La tubería se debe disponer de forma clara y ordenada y su recorrido debería ser

lo más directo posible entre la maquinaria y los componentes a los que sirve. La tubería no debe obstruir o interferir con la operación de puertas, escotillas o portillos. La tubería debe permitir el paso libre en las zonas de tránsito y no obstaculizar el trabajo en las áreas de mantenimiento. No se debe impedir la operación y el control de la maquinaria, y la interferencia de la tubería con el mantenimiento del equipo debe ser mínima. Donde sea practicable, la tubería debe dejar libres las planchas desmontables previstas en la estructura para embarque y desembarque de maquinaria o equipos. Donde esto no sea practicable, la tubería de 100 mm. DN y más debe ser embridada para poderse desmontar. El acceso a los compartimentos o al equipo no debe estar limitado por la tubería.

La tubería debe poderse desmontar en las maquinas o equipos que requieran revisiones periódicas o donde se necesite acceso a otros sistemas eléctricos o de tuberías. Se deben situar válvulas de corte juiciosamente para aislar secciones de tubería que sea preciso desmontar durante el recorrido o mantenimiento de máquinas o equipos, de forma que se minimicen las interferencias con la operación de los restantes sistemas.

La tubería debería localizarse donde no este normalmente sometida a daño mecánico. Cuando no sea posible, se protegerá adecuadamente. La tubería aislada no se situará donde se pueda mojar por perdidas, condensación o salpicaduras. Si es necesario, se instalaran pantallas para evitarlo. Se preverá amplio espacio para tener en cuenta la flexibilidad de la tubería.

Debe evitarse una disposición de tubería que produzca excesiva turbulencia que pueda deteriorar el sistema. Se puede reducir la turbulencia usando reducciones graduales en los cambios de diámetro de los tubos; usando tubería curvada en lugar de codos o codos de gran radio de curvatura en lugar de radio pequeño; instalando tes normalizadas; disponiendo tramos rectos de cinco a diez diámetros de longitud aguas debajo de orificios, válvulas de regulación y bombas. Esto es especialmente importante en sistemas de agua salada de Cu-Ni 90-10, donde la gran velocidad producida



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localmente por turbulencias puede erosionar continuamente la película protectora de oxido en la pared del tubo y acelerar la corrosión. En zonas donde no se pueda evitar una turbulencia excesiva se puede sustituir el Cu-Ni 90-10 por un tramo de Cu-Ni 70-30, que tiene mayor resistencia a la corrosión.

No se deben usar curvas a “pico de flauta” salvo cuando no produzcan pérdidas de carga o turbulencias inconvenientes, como en respiros o reboses.

Deben evitarse los puntos altos (en un sistema líquido) y puntos bajos (en sistemas de gases y líquidos) para que no se formen bolsas que impidan la desaireación o drenaje del sistema de tuberías.

La tubería de aspiración se debe disponer en subida continua hacia la bomba para evitar bolsas de aire y no habrá cambios de dirección que causen una distribución inadecuada de velocidades en la entrada de la bomba.

Debe reducirse al mínimo la tubería a través de los espacios de alojamiento. En dichos espacios la tubería debe disponerse de la forma más simétrica y despejada posible, en la posición más adecuada compatible con una operación y mantenimiento eficientes.

Excepto en lo necesario para servir al espacio en sí, no se debe disponer tubería a través de espacios médicos, cajas de cadenas, tanques de agua dulce, combustible, aceite lubricante o servicio sanitario, áreas de servicio o espacios vacíos alrededor de ellas, espacios refrigerados, espacios electrónicos, estaciones de control, troncos de cables, o espacios de servicios de comidas.

La tubería de agua potable no pasará a través de tanques que contengan algo distinto a agua potable. Ni otra tubería que la que contenga agua potable pasará por tanques de la misma, a menos que esté aislada del agua potable por un tronco o una tubería de más diámetro abierta por su parte inferior.

La tubería normalmente presurizada no pasará por espacios vacíos o sin ventilación.

La tubería de líquidos inflamables no pasará por espacios de escape o espacios conteniendo generadores, cuadros o grandes motores eléctricos, ni estará situada a menos de 450 mm. de cualquier fuente caliente (o que tenga bajo su aislamiento una temperatura superior a 200 ºC. Alrededor de todas las uniones de brida se dispondrán pantallas anti-derrame, incluyendo las tapas de válvulas y filtros, dónde una fuga podría



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llevar directamente un líquido inflamable sobre un equipo eléctrico o una superficie caliente.

No se dispondrán tubería de vapor o líquidos dónde las salpicaduras o drenajes de pérdidas, condensaciones o proyecciones de embudos puedan entrar en contacto con equipo eléctrico. Dónde no sea esto posible, se dispondrán pantallas para protección de los equipos. Además, no se dispondrán bridas o juntas en la proximidad de estos equipos.

Cuando se lleven tubería de sentinas o drenajes a través de tanques profundos se dispondrán medios para evitar la inundación de los compartimentos a los que sirve la tubería en caso de rotura en el interior del tanque. Tales medios pueden ser túneles estancos al agua o al aceite o tuberías de espesor reforzado con expansiones y soldar todas las uniones en el interior del tanque.

Cuando se dispone un túnel de tuberías, debe mantenerse la integridad estanca de los mamparos y si el túnel no es de tamaño suficiente para permitir un fácil acceso, no se dispondrán válvulas o accesorios en su interior.

Cuando la tubería atraviese mamparos o cubiertas estancas, ha de mantenerse la integridad tanto de la estructura como de la tubería, lo que puede lograrse usando un pasante soldado u otro tipo de penetración.

No debe emplearse plomo u otro material sensible al calor en sistemas de tubería que atraviesen subdivisiones estancas, ya que el deterioro de estas tuberías en caso de incendio, eliminaría la integridad de la división. En la sentina no se deben situar tuberías que operen con fluidos a más de 50 ºC ni bajo vacío.

Los manómetros, termómetros, niveles y otros instrumentos deben situarse de manera que sean visibles al operador situado en las válvulas asociadas u otros controles.

Se deben situar las válvulas de forma que se puedan operar fácilmente sus volantes. Dónde no sea posible, se dispondrán transmisiones mecánicas o hidráulicas remotas. Si las válvulas están situadas en tuberías horizontales bajo el nivel del piso se deben situar con los vástagos hacia arriba, en la medida que sea posible, sobre la horizontal.

Las válvulas de globo y de cierre de ángulo pueden disponerse con la presión por encima o por debajo del disco obturador, según sea más ventajoso para la operación,



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protección y reparación de las máquinas o equipos servidos por el sistema. Ejemplos típicos de válvulas que deberían tener la presión bajo el disco son las válvulas de cierre de calderas, válvulas de raíz, válvulas de regulación, válvulas de mar, y válvulas de tanques sometidas a la presión del tanque. Dónde la válvula está sometida a vacío en posición de cierre, el vacío debería actuar sobre el disco.

Cuando hayan de unirse en un punto muchas tuberías, se deben usar colectores o cajas de válvulas, como cuando una bomba aspire de varios tanques. Los colectores y cajas de válvulas reducen el espacio requerido, el número de uniones en sitio y facilitan la operación al situar próximos los volantes de las válvulas. Pueden utilizarse cuando son adecuadas las válvulas de globo o en ángulo. Y deben situarse, si es posible, con el cuerpo justo bajo el piso.

La tubería de entrada a las válvulas de seguridad debe ser corta y directa. Cuando la descarga de la seguridad es a la atmósfera, su extremo abierto debe situarse de forma que no produzca daños a maquinas y equipos o suponga riesgo para las personas. La descarga de seguridad de líquidos inflamables debería producirse a una zona adecuada de baja presión del sistema. La descarga de gases tóxicos o explosivos de botellas o sistemas cerrados debe situarse a la atmósfera, sobre la cubierta de intemperie.

Los respiros de tanques de fluidos inflamables y las descargas atmosféricas de sistemas de gases inertes o tóxicos no deben situarse de forma que puedan los gases ser aspirados por ventilaciones o entradas de tiro forzado o donde puedan producir daños a maquinaria, equipos o personal.

Los extremos de la tubería deben terminar en la parte más baja del tanque y deben instalarse de forma que no entren en contacto con el fondo del tanque si éste se deforma hacia arriba. El extremo de un tubo de aspiración debe aumentarse hasta un área de al menos 1,5 veces el área interior del tubo. La altura sobre el fondo debería ser la mitad del diámetro de la tubería y la situación con respecto a la plancha adyacente u otros componentes deberían proporcionar un área libre de aspiración alrededor del extremo abierto de no menos de 1,5 veces el área interior de la tubería.

2.3 Materiales. Para que un material cumpla su servicio a satisfacción, debe tener las siguientes

características:



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Suficiente resistencia a la temperatura de operación para soportar las cargas impuestas.

Mantenimiento de una ductilidad y resistencia al impacto adecuadas a todas las temperaturas de operación.

Resistencia a la corrosión y erosión satisfactorias en los medios en contacto exterior e interior.

Resistencia al desgaste.

Incapacidad de contaminar los fluidos en contacto tanto interna como externamente.

Factores adicionales que influyen en la elección de los materiales de un sistema de tuberías pueden ser:

Coste inicial.

Duración (coste respecto al ciclo de vida).

Facilidad de unión.

Compatibilidad de accesorios.

Peso.

Disponibilidad y tiempo de disponibilidad respecto a las necesidades de fabricación.

A menudo más de un material es adecuado para una aplicación, en cuyo caso hay que valorar la importancia relativa de todos los factores para realizar la selección.

Hay que evaluar las propiedades mecánicas de los metales (fungibilidad, forjabilidad, capacidad de mecanización, soldabilidad) para cada aplicación específica; un metal calificado generalmente como fundible puede ser adecuado para un tipo de fundición pero no para otro.

Los plásticos y los materiales compuestos ofrecen con respecto a los metales ventajas de bajo peso y coste, así como estar libres de corrosión. Los materiales de esta categoría que se usan comúnmente a bordo son cloruro de polivinilo (PVC) y plástico reforzado con fibra de vidrio (GRP / GRE), que se conoce también como termorresina plástica reforzada (RTRP). Sin embargo el uso de estos materiales está muy limitado tanto en la construcción naval comercial como en la militar por ser más susceptible a incendio que los metales y producir gases tóxicos. Ya que no son



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conductores hay que poner medios para evitar cargas estáticas que puedan producir chispas cuando se usan para líquidos inflamables. Todos los cambios de dirección han de hacerse con curvas prefabricadas por lo que habrá más uniones que en un sistema de tubería metálica. Asimismo tienen en general menos rigidez estructural que la tubería metálica, con una menor capacidad para soportar cargas durante transporte, montaje o servicio.

En muchos casos hay que evitar la contaminación del fluido contenido por el material de la tubería. Como ejemplo, es preferible el cobre al acero para sistemas de aire comprimido, donde la oxidación interior puede ser perjudicial; y en los sistemas de agua de mar, electrolítica, el cupro-níquel es preferible al acero inoxidable porque tiene menos tendencia a transmitir iones a la solución, manteniendo una conductividad más baja en el agua de refrigeración.

La tubería de agua salada requiere atención especial porque el agua salada produce una corrosión severa y erosión de muchos metales. Los mecanismos son complejos y sus efectos varían ampliamente dependiendo de la temperatura, si el agua está o no en reposo, el régimen más o menos turbulento del flujo, el contenido de oxígeno del agua y la composición química de la tubería. Asimismo el agua salada es idónea para el crecimiento de organismos marinos que pueden obstruir rápidamente la tubería, especialmente en climas cálidos. Los aceros son especialmente susceptibles a la corrosión en agua salada. A pesar de que se usa el galvanizado, los recubrimientos de goma o las pinturas epoxy para aumentar la vida de servicio de la tubería de acero en medio salino, estos procedimientos de protección son caros de aplicar y difíciles de mantener.

La aleación de Cu-Ni 90/10 forma una película de óxido protectora, que evita la corrosión del material, característica que es beneficiosa en muchas aplicaciones. Sin embargo la formación de la capa protectora se puede inhibir si: la tubería está expuesta a agua con contaminantes, principalmente sulfuros; la pared de la tubería tiene depósitos de grasa o aceite; o la tubería se ha calentado demasiado durante el curvado, la soldadura o el montaje de juntas. El contenido de cobre de estas aleaciones es tóxico a los organismos marinos y evita el ensuciamiento de la tubería.

El titanio es también muy resistente a la corrosión, y tiene mayor resistencia estructural y a la erosión que el cupro-níquel, siendo especialmente adecuado para aplicación de agua salada de alta presión y velocidad. No es tóxico a los organismos marinos, por lo que puede ser necesario otro sistema de evitarlos. En algunos casos se



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recurre al vaciado del sistema cuando no está operativo, manteniendo suficiente velocidad para evitar la adherencia de los organismos e inyectando continuamente un bióxido, i.e. clorito, en el sistema.

Los materiales plásticos son resistentes a la corrosión en agua de mar pero no son tóxicos a los organismos marinos, por lo que hay que utilizar sistemas similares a los empleados en tubería de titanio.

La corrosión galvánica puede atacar severamente a los metales que están expuestos a un electrolito. Para minimizar los efectos de la corrosión galvánica deberían tenerse en cuenta los siguientes factores cuando se diseñan sistemas de tubería de agua salada:

Reducir la diferencia de potencial entre metales seleccionando materiales muy próximos en la serie galvánica o seleccionando combinaciones de metales uno de los cuales se polarice fácilmente.

Evitar pares bimetálicos aislando o seleccionando los metales adecuadamente.

Donde no se puedan evitar los pares bimetálicos, mantener el área catódica (noble) pequeña en relación con el área anódica. Accesorios importantes tales como prisioneros, asientos de válvulas y otros componentes críticos deberían ser el cátodo en un sistema bimetálico.

Pintar las áreas catódicas grandes.

Especificar procedimientos de fabricación que eliminen la cascarilla de las superficies de acero.

Cuando se utilice acero inoxidable, evitar las zonas en que pueda haber agua estancada y disponer compensaciones donde los depósitos y la cavitación sean inevitables.

Estancar todas las superficies donde pudiera haber contacto de inoxidable con otra conexión bimetálica.

Las estructuras que reciban protección catódica deberían ponerse a tierra conjuntamente para proporcionar conexiones de baja resistencia.

Disponer drenajes adecuados para evitar acumulaciones de agua estacionaria.



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Cuando una tubería no férrica o una válvula se conecte a una descarga al costado o a una toma de mar, instalar una pieza consumible de acero de al menos 10 mm. de espesor entre ellos, para proteger el casco, la toma de mar o la conexión de descarga del ataque galvánico.

En la tabla 1-2 se muestran una selección típica de materiales en sistemas de tubería en construcción naval.

Servicio Aplicaciones comerciales

Agua salada (CI vacío, lastre, sentinas) Acero al carbono, galvanizado

Agua salada (refrigeración, CI lleno, destilador) Cu-Ni 90/10, GRP

Agua dulce refrigeración Acero al carbono, GRP

Agua potable Cobre, PVC, GRP

Agua de enfriar Cobre, PVC, GRP

Aceite Acero al carbono

Fuel (motor diesel, caldera) Acero al carbono

Fuel (turbina de gas) Acero inoxidable

Fuel (aviación) Cu-NI 90/10, 70/30

Crudo Acero al carbono, hierro dúctil

Vapor Acero aleado, acero al carbono

Condensado Acero al carbono, cobre

Agua de alimentación Acero al carbono

Drenajes sanitarios (dulce) Acero al carbono, PVC, GRP

Drenajes sanitarios (salada) Acero al carbono, PVC, GRP

Respiros Acero al carbono, PVC, GRP

Aire comprimido Acero al carbono, cobre

Aceite hidráulico Acero al carbono, acero inoxidable, cobre

Refrigerantes Cobre

Fluidos criogénicos Acero inoxidable

CO2 CI Acero al carbono

Agua salada rociadores Acero inoxidable, Cu-Ni 90/10

Espuma CI Acero al carbono

Tabla 1-2 Materiales típicos de tubería

En aplicaciones navales militares se tiende a una mayor vida de servicio, reducido mantenimiento y resistencia a impactos y al fuego. Dado que las condiciones



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de operación varían ampliamente, el coste y la durabilidad no se consideran de igual relevancia en todos los buques.

El material de válvulas y accesorios debe ser compatible con la tubería asociada para proporcionar resistencia similar, facilitar las uniones y controlar la corrosión galvánica. Combinaciones típicas son:

Material de tubería Material de válvulas y accesorios

Acero Acero, hierro fundido

Acero inoxidable Acero inoxidable

Cupro-Níquel Bronce, Monel, Cu-Ni, hierro dúctil

Cobre Bronce, Cobre

GRP GRP, metálico

Tabla 1-3 Combinaciones típicos de material.

El material para los accesorios de las válvulas (asiento, disco, vástago y otros elementos internos críticos) es normalmente diferente del material del cuerpo cuando es necesario un aumento de la resistencia local a la corrosión y erosión. Como ejemplo, en válvulas para servicio en agua salada se usa Monel® para los elementos interiores y Stealita®, una aleación de base y cobalto, para la superficie del asiento y el obturador en servicio de vapor a alta presión y en válvulas de control dónde se requieren unas condiciones muy precisas de regulación por estrangulamiento.

El material de las tuberías se especifica generalmente en la norma de materiales que se prepara en paralelo a los esquemas de tubería.

2.4 Flexibilidad y soportado. Toda la tubería debe tener suficiente flexibilidad para absorber los cambios

dimensionales resultantes de las expansiones y contracciones térmicas, movimientos resultantes de la flexión de la estructura del casco, montaje resiliente e impactos.

En la mayoría de los casos la tubería tiene suficiente flexibilidad natural, gracias a unas longitudes razonables y a la cantidad de curvas. En otras instalaciones, será necesario incorporar medios para lograr la flexibilidad necesaria.

Esta flexibilidad tiene que prever:



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Sobreesfuerzos de compresión.

Tensión o torsión de la tubería.

Sobrecargas en los soportes.

Excesivos momentos flectores en las juntas.

Excesivas cargas en los equipos a que está conectada.

La flexibilidad necesaria tiene que proporcionarse sin exceder la tolerancia del movimiento de los soportes ni dejar que la tubería toque la estructura adyacente.

La flexibilidad de la tubería depende de:

Diámetro.

Espesor.

Material.

Número y localización de los cambios de dirección.

Tipo y localización de los soportes.

La cantidad de movimiento que tiene que ser absorbida por la tubería depende de:

Rango de temperatura de operación.

Flexibilidad de la estructura del buque.

Movimiento de los puntos de fijación de la tubería (i.e. en equipo con montaje resiliente).

Posibles impactos.

Es preciso hacer cálculos de flexibilidad cuando haya dudas razonables de que se haya previsto la flexibilidad suficiente. En un tramo de tubería férrica entre dos anclajes se puede considerar que hay dudas en cuanto a su flexibilidad si:



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Figura 1-13

( )2,1yd

2 ≤−⋅LU

donde:

d = diámetro nominal, (mm.)

y = resultante del movimiento a absorber por la tubería, (mm.)

U = distancia recta entre anclajes, (m)

L = longitud desarrollada, (m)

La determinación de la necesidad de un análisis detallado debería basarse en la comparación con sistemas similares que funcionen bien, y debería considerar las consecuencias de un fallo de la tubería.

Normalmente se realizan análisis detallados para tuberías sobre 425 ºC y para sistemas conteniendo líquidos inflamables o tóxicos.

Los cálculos se efectúan con técnicas estándar y deberían establecer la magnitud y dirección de las fuerzas y momentos en todas las conexiones y en los anclajes y puntos de unión, así como los esfuerzos de flexión, presión longitudinal o torsión y los de expansión combinada en todos esos puntos. Se tiene que determinar también el recorrido y la constante de resorte de los soportes flexibles.

Los siguientes detalles de configuración pueden suponer flexibilidad insuficiente y se deberían evitar:



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Recorridos largos y rectos de tubería entre soportes fijos: i.e. mamparos de compartimentado.

Reducciones locales en la sección transversal de la tubería.

Uso local de materiales débiles.

Tubería pequeña en serie con tubería grande

Excesivo número de colgadores.

Para sistemas de alta temperatura, la flexibilidad se obtiene en principio diseñando un trazado sinuoso para la tubería.

La respuesta a la expansión térmica de la tubería con un diseño en U, se ve en la figura 1-14. El dibujo muestra la tubería anclada en un punto A, que permite expansión libre. Cuando la tubería se calienta, la expansión determina que el punto B se desplaza a B’. Los esfuerzos causados por la expansión pueden comprenderse considerando las fuerzas necesarias para volver el tubo caliente a su posición fría.

Figura 1-14: tubo sin restricción.

Como se muestra en la figura 1-15, una fuerza única es necesaria para volver el punto B’ a la posición B; sin embargo, la acción de esta fuerza determinaría que la tubería tuviera una deformación angular en ese punto. Dado que los anclajes soportan deformaciones angulares, hay que añadir un momento restrictor. Los esfuerzos resultantes de la expansión son enteramente esfuerzos de flexión. Cuanto más distancia tenga la U entre anclajes, menores serán los esfuerzos para un rango de temperatura determinado.



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Figura 1-15: tubo con restricción.

Las curvas de dilatación se pueden fabricar con tramos rectos de tuberías y codos soldados en las juntas. Los valores de expansión que se pueden absorber en tales conjuntos se muestran en las figura 1-16:

Figura 1-16: curvas de expansión de acero.

Las curvas de expansión se instalan frecuentemente en tres dimensiones, como se indica en la figura 1-17. La flexibilidad aumenta mucho comparada con el caso de la U, porque, para el movimiento en cualquier dirección, una de las tres patas está en torsión. La expansión térmica adicional en la tercera dimensión no afecta usualmente a la ganancia en flexibilidad que proporciona la pata que torsión.



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Las curvas en tres dimensiones se pueden usar cuando las limitaciones de espacio no permiten U suficientemente grandes para reducir los esfuerzos a límites aceptables.

z

Figura 1-17: tubo sin restricción.

También se pueden usar juntas de expansión para proporcionar flexibilidad. Las juntas de tipo deslizante o de fuelle absorben movimientos lineales, en tanto que las de “bola”, basculantes y de tipo rotativo absorben movimientos angulares.

Figura 1-18: Diagrama de tubería con punto fijo, punto de guía y accesorio de expansión.

Dado que las juntas de expansión son, en general, menos seguras que la tubería, sólo deben usarse si la disposición de tubería requerida para aceptar el régimen de temperatura de operación no es posible en el espacio disponible, si causa pérdidas de carga inaceptables o si requiere un número de uniones inaceptable. El coste de mantenimiento de las juntas de expansión puede ser significativo y hay que tenerlo en cuenta.



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Figura 1-19: junta de expansión de fuelle.

El movimiento de los equipos causado por un montaje elástico se absorbe usualmente instalando mangueras flexibles, mejor que aumentando la flexibilidad de la tubería acoplada.

Figura 1-20: manguerote flexible.

Debido al movimiento vibratorio de los equipos alternativos, tales como compresores de aire, la tubería de instrumentos conectada debe tener curvas o liras adecuadas para evitar roturas por fatiga.

Los soportes de tubería tienen que ser suficientes para aceptar el peso de la tubería y el fluido que contiene, incluyendo el fluido de prueba hidrostática, y las cargas



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de inercia resultantes de las vibraciones, el movimiento del buque o los impactos. Los soportes de tubería deben evitar la transmisión de cargas excesivas al equipo conectado, pero no deben restringir la expansión térmica de la tubería.

Figura 1-21: soporte deslizante.

Figura 1-22: soporte fijo.

Se deben colocar soportes separados para válvulas pesadas, filtros y otros componentes en línea, con objeto de evitar que sobrecarguen a la tubería y limitar su amplitud de vibración. Esto es especialmente importante cuando un componente tiene un elemento que desplaza su centro de gravedad, como puede ser una válvula de compuerta con un motor de accionamiento. Las tapas de las válvulas no deben usarse para amarrar soportes a menos que se haya determinado que los pernos son lo bastante fuertes para aguantar las cargas. Durante las pruebas de mar pueden ser necesarios soportes adicionales para eliminar condiciones de resonancia.



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Asimismo se pueden necesitar soportes en la proximidad de válvulas de seguridad para absorber las fuerzas de reacción que pueden aparecer cuando se abren las válvulas.

Figura 1-23 curvas de expansión en la cubierta de un petrolero.



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Tabla 1-4 dilatación de las tuberías (mm cada 10 m)



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2.5 Uniones. La tubería a bordo de los buques está expuesta a constantes vibraciones y

flexiones; por ello se requieren uniones de gran seguridad. Muchos tipos de uniones no tienen la resistencia y durabilidad requeridas para operar en el medio marino por un período largo sin pérdidas. Algunas uniones adecuadas son: bridas empernadas, soldadura a tope, soldaduras a solape, uniones latonadas, conexiones reforzadas, uniones roscadas, acoplamientos, uniones de precisión, y juntas pegadas (en plásticos y materiales compuestos).

La selección de las uniones para un determinado sistema de tubería se basa en muchos factores, incluyendo:

Presión.

Temperatura.

Coste.

Seguridad.

Condiciones ambientales.

Tamaño.

Material.

Facilidad relativa de ejecución o montaje en taller y a bordo.

Facilidad de inspección y garantía de calidad.

Disponibilidad de los componentes.

Nivel de preparación requerido en los instaladores.

Restricciones impuestas por los organismos reguladores, sociedades de clasificación y requerimientos de Armador.

La mayor parte de los sistemas contienen varios tipos de uniones.

Las uniones de brida que se muestran en la figura 1-24 son adecuadas para todos los rangos de presiones y temperaturas de los sistemas a bordo. Hay que seleccionar juntas adecuadas a la presión, temperatura y superficie de las bridas a unir.

Los pernos tienen que proporcionar la resistencia adecuada al tamaño de la brida y a la presión, siendo el material del perno adecuado a las condiciones ambientales (i.e.: corrosión por agua salada, alta temperatura).



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Figura 1-24: tipos de bridas.



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Las uniones soldadas a tope y con encastre son también adecuadas a todas las presiones y temperaturas de uso común a bordo.

Las uniones latonadas tienen límites de temperatura superiores dependiendo del material de la tubería y del material de unión.

Las uniones de injertos reforzados (figura 1-25) proporcionan un método de unir ramales sin utilizar un accesorio adicional, reduciendo el número de uniones por ramal de tres a dos y haciendo más sencilla la instalación de un ramal nuevo en una tubería existente.

Estas uniones están diseñadas para reducir la concentración de esfuerzos que existe en la unión de dos tuberías en una conexión sin refuerzos. Las conexiones se diseñan tanto para hacerlas soldadas como para unirlas con aportación de metal.

Figura 1-25

Las uniones roscadas, del tipo recto o cónico son adecuadas para montaje y desmontaje. Sin embargo, comparadas con otros tipos de unión, son más propensas a pérdidas y corrosión local en las roscas y tienen menos resistencia mecánica. Por tanto, su uso se limita a tamaños pequeños en sistemas que no son vitales y no contienen fluidos peligrosos.

Las uniones mecánicas (figura 1-26) están diseñadas para superar las debilidades de las roscadas proporcionando mayor resistencia mecánica y permitiendo el uso de anillos de junta para aislar las roscas del fluido, en tanto proporcionan facilidad de acoplamiento y desacoplamiento.

Los acoplamientos se fabrican en muchas configuraciones y proporcionan un método sencillo y no muy caro de unir sin realizar ningún trabajo en caliente. Algunos tipos de acoplamiento que no se fijan directamente a la tubería no se consideran seguros frente a vibraciones, movimientos térmicos, y flexibilidad del buque. Algunos



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tipos requieren una empaquetadura u otro sello para evitar pérdidas. Los acoplamientos se permiten en buques mercantes para aplicaciones específicas sujetos a procedimientos de instalación especial para asegurar la unión. Generalmente, no se permiten en buques de guerra.

Figura 1-26 uniones mecánicas.



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Con tubería de GRP/GRE se usan, en general, uniones encastradas con adhesivos.

La categoría de las uniones mecánicas de precisión incluye un gran número de dispositivos que proporciona una fijación firme de la tubería sin soldadura, aportación de material en caliente o roscado de la tubería. Estos accesorios utilizan varias técnicas que incluyen la compresión exterior, las aleaciones con memoria de forma, el abocardado y las arandelas que muerden por el interior o amarran el tubo por fuera. No requieren trabajo en caliente y son convenientes en la instalación, especialmente para el montaje directo a bordo. Mientras que el nivel de preparación de los montadores es menor que el requerido para las uniones soldadas o con metal de aportación, requieren muchas de ellas procedimientos especiales y herramientas apropiadas para su instalación y para verificar que la unión está bien hecha.

Dado que la integridad de estas juntas depende de la cuidada interacción mecánica entre accesorio y tubería, hay que tomar precauciones para limitar su aplicación a los materiales, tamaños y espesores exactos para los que están diseñadas y seguir rigurosamente los procedimientos de unión recomendados por el fabricante. Su uso, especialmente de las abocardadas y de las que utilizan anillo de compresión o mordida, está limitado en los buques de guerra.

Las uniones que tienen gran resistencia al fuego, como las soldadas y embridadas, son las que se deben utilizar en los sistemas de extinción de incendios y en los que contienen líquidos inflamables.

Para aumentar la seguridad, el número de uniones debe reducirse al mínimo, utilizando tubería curvada en lugar de curvas prefabricadas donde sea posible. Las uniones soldadas o con aportación de material son preferibles a los otros tipos, especialmente en áreas inaccesibles para inspección o mantenimiento.

Los componentes soldados en posición deberían ser accesibles para reparación. Deben situarse de forma que permitan cambiar, resoldar, precalentar y relajar tensiones en el caso de que sea necesario remplazar o efectuar reparaciones mayores.

Los conjuntos complejos (i.e. grupos de válvulas, filtros y purgadores en un sistema de drenaje de vapor) que no se puedan reparar en sitio y requieran renovación periódica, deben hacerse desmontables con uniones (embridadas, roscadas o de tipo mecánico) junto a las válvulas de raíz. Un método es prever una válvula de corte a cada lado del conjunto con un extremo embridado y otro soldado.



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Donde se necesite estanqueidad absoluta, como en el caso de los serpentines de vapor en tanques de combustible, la capacidad de desmontaje se proporcionará usando el menor número posible de uniones latonadas.

Las válvulas de seguridad, reductoras de presión o de control que requieren desmontajes periódicos, deben ser embridadas o con otro tipo de unión desmontable.

Las bridas y las juntas de unión deben localizarse donde estén menos afectadas por las deformaciones de la tubería debidas a efectos térmicos, flexiones del buque u otras causas. Lo que significa que estén, en general, lejos de curvas y accesorios.

Los accesorios de unión de la tubería (i.e. tes, curvas, reductores y casquillos) han de tener un rango de presión compatible con el del sistema de tubería de forma que los diámetros interiores de la tubería y los accesorios se acerque lo más posible.

Hay que aplicar las medidas adecuadas de garantía de calidad a todas las uniones. Las uniones soldadas requieren inspecciones no-destructivas y pruebas de diversos grados, dependiendo de la aplicación. Las técnicas de inspección aplicables incluyen: inspección visual, líquidos penetrantes, partículas magnéticas y radiografías. La extensión del solape en las uniones de aportación con encastre no se puede determinar visualmente. Para las que requieran gran seguridad, la profundidad del encastre se puede determinar por ultrasonidos u otros medios. Algunos tipos de uniones mecánicas requieren galgas o plantillas especiales para asegurar una longitud de inserción o cogida adecuada.

La integridad de las juntas ha de comprobarse después de su instalación por una prueba hidrostática. Las uniones de taller pueden probarse individualmente para reducir el tiempo requerido para inspección y corrección de pérdidas; sin embargo, siempre hay que efectuar una prueba final a bordo para comprobar las uniones “in situ”. Por razones de seguridad, se usa agua normalmente como líquido de prueba a menos que el agua contamine el sistema (caso de la tubería de aceite lubricante) La presión de prueba esta definida por las Sociedades de Clasificación (tabla 1-5), siendo normalmente un 135 o 150 % de la presión de diseño. La tubería de drenajes por gravedad se prueba a menudo llenándola de líquido hasta su punto más alto.

A veces la prueba hidrostática se sustituye por una prueba con aire a presión para evitar contaminación. Dado que el aire comprimido tiene una cantidad peligrosa de energía potencial, tales pruebas deben realizarse con precaución para evitar fallos



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catastróficos en caso de un defecto en una unión. Se recomienda efectuar una prueba preliminar a una presión en torno a 1,75 kg. /cm2 para detectar pérdidas mayores.

Tabla 1-5 pruebas hidráulicas exigidas por el DNV

2.6 Válvulas y Actuadores. Una válvula es un dispositivo mecánico que regula el flujo y la presión de un

sistema de tuberías, mediante cualquiera de las siguientes funciones:

Retener o permitir el flujo del fluido.

Variar la cantidad de fluido.

Controlar la dirección del fluido.

Evacuando sobrepresiones en el fluido.

Existe un gran número de tipos y diseños de válvulas que satisfacen una o más de estas funciones. Cada tipo de válvula se diseña para satisfacer unos requerimientos específicos.

Independientemente del tipo de válvula, en general hay cuatro formas de regular el fluido a través de las válvulas:

Mediante el movimiento de un disco o tapa contra un orificio.

Deslizando una superficie plana, cilíndrica o esférica a través de un orificio.

Girando un disco o elipse mediante un eje a través de un orificio.



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Moviendo un material flexible por donde circula el fluido.

a Válvulas de retención (o no retorno).

Las válvulas de retención deben instalarse dónde es posible que se produzca un flujo inverso que no se desea. Los dos tipos más comunes son:

“de mal tiempo” clapeta, charnela o (swing-check).

“de globo”, con obturador de movimiento vertical (lift-check).

Esta última puede tener también un volante para cerrar la válvula impidiendo el flujo en ambos sentidos; esta válvula se denomina de cierre y retención (o no retorno). Cuando se necesita al mismo tiempo cierre y retención, como sucede en la descarga de una bomba, se puede instalar una válvula de cierre y retención. A veces el diseño del sistema requiere válvulas especiales de retención con resorte, o mantenidas abiertas con engranajes. Las válvulas de retención montadas en horizontal deben orientarse en sentido proa popa, y las montadas verticalmente, deben instalarse de forma que la gravedad favorezca el cierre de la válvula.

Figura 1-27: válvula de retención “swing-check”.



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Figura 1-28: válvula de retención “lift-check”.

b Válvulas de cierre.

Las válvulas de cierre se instalan para aislar maquinaria, equipo y componentes de tubería por operación del sistema, mantenimiento y recorrido, y para control de daños. Hay cuatro tipos básicos de válvulas de cierre:

Compuerta.

Globo.

Bola.

Mariposa.

Cada tipo básico se fabrica en muchas configuraciones diferentes. Además hay muchas válvulas especialmente diseñadas para aplicaciones específicas.

Los factores a considerar en la selección de las válvulas de cierre incluyen:

Coste.

Presión diferencial.

Pérdida de carga.

Fiabilidad.

Facilidad de operación.

Tamaño.

Seguridad al fuego.

Capacidad de estrangulamiento (para control).



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No hay un único diseño óptimo para todas las aplicaciones, incluso en un sistema dado.

Válvulas de compuerta:

Proporcionan un cierre ajustado y fiable hasta las más altas presiones y temperaturas en los sistemas a bordo, siendo especialmente adecuadas para servicios de vapor de alta presión y válvulas de costado en sistemas conectados a agua de mar.

Son compactas, excepto por la carcasa, que se separa mucho de la línea centro. El sistema de vástago fijo es significativamente más compacto y ayuda en problemas de disposición. El Asiento y los discos son metálicos.

Tienen un par de operación relativamente bajo y la menor pérdida de carga de cualquier tipo de válvula a excepción de las de bola.

No son adecuadas para regulación porque tienen una relación irregular entre la posición del disco y el área de flujo, el asiento y el disco y ello causa excesiva turbulencia en las paredes del tubo próximas, aguas abajo de la válvula.

Figura 1-29: válvula de compuerta.



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Válvulas de globo:

Proporcionan un cierre ajustado y fiable para toda la gama de sistemas a bordo.

Comparadas con las válvulas de compuerta, requieren un par de operación mayor, pero tienen un recorrido de vástago menor y por ello menos vueltas de volante de abierto a cerrado.

Tienen cuerpos mayores que las válvulas de compuerta pero requieren menor altura para la tapa.

Tienen la mayor pérdida de carga de los cuatro tipos de válvulas de cierre a causa de los abruptos cambios de dirección y área del flujo. Las válvulas de globo en ángulo y las de forma en “Y” proporcionan caminos más directos de flujo, lo que reduce las pérdidas de carga. La válvula en ángulo también permite un cambio de dirección sin una curva adicional. Los discos obturadores y los asientos de estas válvulas son normalmente metálicos y reparables sin desmontar la válvula de la línea.

Son adecuadas para estrangular el flujo y proporcionan la mejor característica de control de los cuatro tipos de válvulas de cierre. Para aplicaciones de control de precisión se fabrican con un disco de obturación cónico. Las válvulas de globo no deben instalarse donde la pérdida de carga o el flujo turbulento sean perjudiciales para el sistema.



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Figura 1-30: válvula de globo.

Válvulas de bola:

Tienen mecanismo de actuación y longitud del cuerpo relativamente cortos, y proporcionan una instalación más compacta que las válvulas de globo o de compuerta.

Están disponibles en configuraciones de portas completamente abiertas o de apertura reducida. El tipo de apertura completa proporciona un flujo sin obstrucciones con baja pérdida de carga.

Las válvulas de bola efectúan el movimiento de abiertas a cerradas con 90º de giro de palanca, lo que las hace especialmente adecuadas cuando se requiere una actuación rápida o remota.

La configuración más común consiste en sellos con asiento de elastómero a la entrada y la salida, lo cual limita el rango satisfactorio de temperatura de servicio, aunque también se utiliza asientos de metal para temperaturas altas.

Las válvulas de bola no se usan para regulación.



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Figura 1-31: válvula de bola.



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Válvulas de mariposa:

Son las más compactas de todas las válvulas de cierre; tienen una pérdida de carga relativamente baja, y permiten una operación de apertura o cierre con un cuarto de vuelta, como las válvulas de bola.

Son de construcción menos maciza que los otros tipos de válvulas de cierre, lo que las hace adecuadas a sistemas del buque en el rango bajo de presión.

Figura 1-32: válvula de mariposa.

Las válvulas de mariposa que se usan para aplicaciones que requieren un cierre o regulación muy ajustados, llamadas de altas prestaciones, han de tener material de asiento, diseño del sello, geometría del disco y soporte del mismo adecuados para el servicio a que se destinan. Las válvulas de mariposa pueden ser de asiento metálico o no metálico. Las que se usan para regulación deben tener asiento metálico cuando la pérdida de carga exceda 0,7 kg. /cm2 o cuando la apertura del disco al regular sea menos de 20º.



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Figura 1-33: válvula de mariposa.

Recomendaciones:

Las válvulas deberían cerrar girando el volante o la palanca en sentido de las agujas del reloj cuando se mira desde el extremo del vástago de la válvula.

Para las válvulas de globo o de compuerta, es preferible que el vástago roscado sea exterior al cuerpo de la válvula (es decir, rosca exterior y tipo “yoke”), particularmente en sistemas de agua salada, para reducir el efecto de la corrosión puntual en el mecanismo.

Son preferibles las válvulas de globo y compuerta del tipo de vástago móvil porque la posición de la válvula está a la vista. Cuando se usan las de vástago no móvil, la válvula debe tener un indicador que muestre claramente si la válvula está abierta o cerrada. Las válvulas situadas en los tanques y operadas por transmisiones deberían tener el indicador en el lugar de accionamiento mejor que en la válvula.

Las válvulas de cierre en los sistemas de extinción de incendios, en los que tienen que seguir operando después de un incendio y los que contengan líquidos inflamables deben tener obturación metal-metal, o en el caso de las válvulas de bola, asientos de sellado metálicos.

c Actuadores remotos de válvulas de cierre.

Una válvula de cierre requiere un actuador remoto si:

Está en una posición inaccesible.



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Tiene que ser operada durante una emergencia y puede no haber acceso directo a la válvula durante la emergencia.

Tiene que ser operada desde una posición centralizada.

Requiere un excesivo par para la operación.

Seguridad en la operación.

Como ejemplos, las válvulas de cierre de los tanques de fuel se tienen que poder cerrar desde fuera del espacio de máquinas para evitar que el combustible alimente un incendio; algunas válvulas de control en buques de guerra tienen que operarse desde la cubierta de control para permitir la operación continua cuando las cubiertas inferiores estén inundadas o incendiadas; las válvulas de las aspiraciones de los tanques de carga tiene que poderse operar desde la cubierta abierta, sobre el tanque.

Se debe montar un volante manual en la válvula, además del accionamiento remoto, a menos que la válvula sea inaccesible.

La forma más sencilla de operador remoto manual consiste en una barra rígida (conocida como transmisión) con un volante remoto. Se pueden usar muchas barras de transmisión con juntas universales o rótulas de engranajes para los cambios de dirección. Este método es adecuado para distancias hasta de 15 m o más si el recorrido es recto, pero la distancia se reduce en la práctica por el rozamiento debido a los cambios de dirección.

Se pueden utilizar cables de disparo que actúan sobre válvulas cargadas con muelles en el caso de válvulas pequeñas, cuando la operación remota es sólo para cerrar, como es el caso de las válvulas en los tanques de combustible.

Cuando el tiempo requerido para cerrar una válvula manualmente excede el tiempo disponible para ello, se instalan actuadores de válvula eléctricos o hidráulicos; cuando el par de operación excede la capacidad manual también se automatiza el sistema; o cuando la distancia entre la válvula y la estación de operación excede las limitaciones de los dispositivos manuales.

Para decidir que tipo de actuador es el más adecuado se deben tener en cuenta los siguientes aspectos:

Debe entregar el par con la mínima potencia y en la peor condición de flujo.



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Debe ser capaz de operar la válvula en el tiempo requerido.

Los actuadores de las válvulas operadas remotas deberían permitir su fácil desconexión del medio de actuación para poder operarse manualmente en emergencia.

La disponibilidad del medio de actuación (aire comprimido, presión hidráulica o potencia eléctrica) es a menudo el determinante en la selección del medio de potencia.

Actuadores neumáticos:

Los actuadores neumáticos son probablemente los más usados debido a que la fuente de potencia (aire comprimido) es barata y fácil de disponer.

Figura 1-34: actuador neumático.

Ventajas:

El aire comprimido es relativamente barato.

Los actuadores son fáciles de diseñar y de mantener.

Inconvenientes:

Hacen difícil mantener operaciones de regulación.

La humedad en el aire puede corroer el actuador.

Debido a los altos consumos se pueden presentar problemas de disponibilidad del par.

Actuadores eléctricos:

Ventajas:



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Operación suave y estable.

Altos pares de operación y empuje sostenido.

Los motores eléctricos se integran fácilmente en los sistemas de control.

Diseño compacto.

Inconvenientes:

Caros.

Alto nivel de mantenimiento.

Su uso en áreas peligrosas es complicado.

Figura 1-35: actuador eléctrico.

Actuadores hidráulicos:

Ventajas:

Son los que entregan pares mayores.

Se puede usar acumuladores.

Operación estable.

Compactos.

Inconvenientes:

La instalación requerida (HPU mas tubos) es cara.

Para grandes distancias se pueden producir perdidas de carga.



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Figura 1-36: actuador hidráulico.

d Válvulas de seguridad y centinela.

Una válvula de seguridad está diseñada para abrir cuando la presión de entrada excede un valor máximo de tarado y descarga el fluido del sistema para evitar la sobrepresión. El tipo más común es la válvula de resorte en ángulo (figura 1-32), pero también existen otros tipos que usan la presión del fluido, palancas con contrapesos o pilotaje externo. Hay que instalar una válvula de seguridad cuando la presión en la tubería podría exceder la presión para la que fue diseñada. Para establecer la necesidad de una válvula de seguridad hay que considerar mal funcionamiento del equipo, fallo del sistema de control, error del operador, fuego y otras circunstancias normales o de emergencia. En un sistema alimentado por una bomba centrífuga no se requiere normalmente una válvula de seguridad si el sistema fue diseñado para la presión de descarga de la bomba con válvula cerrada.

La capacidad de una válvula de seguridad no tiene que ser menor que la de la fuente de presión. Una válvula de seguridad debería estar generalmente tarada de forma que la máxima presión de operación del sistema no exceda el 90 % de la presión de tarado para evitar que la válvula pierda durante el trabajo normal.



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Figura 1-37: válvula de seguridad.

No se deben instalar válvulas de cierre o de retención que puedan aislar la válvula de seguridad de la fuente de presión. Tampoco se debe instalar una válvula de cierre en la línea de descarga de la válvula de seguridad. La tubería debe dimensionarse de forma que las pérdidas de carga no produzcan un funcionamiento inestable de la válvula o reduzcan su capacidad. Las pérdidas de carga en la tubería que lleve a la válvula de seguridad no deberían en general exceder el 10 % de la diferencia entre la presión de tarado y la presión de re-asiento. La caída de presión en la descarga de la válvula, junto con cualquier contrapresión de retorno impuesta, no debería exceder el 10 % de la presión de tarado de la válvula, a menos que esta esté diseñada para compensar.

Una válvula centinela es una pequeña válvula que se emplea para avisar del mal funcionamiento actuando como chivata. La presión de tarado está usualmente sobre la presión normal de trabajo del sistema, pero por debajo de la presión que el sistema puede soportar. Una válvula centinela no tiene normalmente la capacidad suficiente para dejar escapar toda la fuente de sobrepresión.



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e Válvulas reductoras de presión.

Una válvula reductora de presión permite que una fuente de alta presión alimente un servicio a presión más baja, con respuesta automática a los cambios de demanda. Deberían instalarse: cuando los requisitos de operación, tales como cambios frecuentes de carga, hagan impracticable o inseguro controlar la presión manualmente; para reducir el coste y el peso de componentes aguas abajo tales como intercambiadores de calor; o para permitir que una bomba o compresor únicos alimenten a distintos equipos que requieran presiones diferentes.

Figura 1-38: válvula reductora de presión.

Los actuadores de las válvulas reductoras de presión pueden ser de tipo de resorte cargado, cámara a presión, pistón, diafragma, directo, pilotado, equilibrado o desequilibrado; y el paso y el obturador pueden seleccionarse de forma que se obtenga una característica carrera-área de flujo adecuada a la aplicación. La velocidad de respuesta requerida, el rango de reducción de presión, el rango de presión de entrada y la precisión del control deben discutirse con el fabricante antes de especificar estas prestaciones. Debe evitarse especificar una válvula de capacidad excesiva porque ello produciría un cierre continuo de la estrangulación, llevando a un desgaste excesivo del asiento y el obturador.

Cada válvula reductora de presión debe proveerse con manómetros aguas arriba y abajo y con válvulas de aislamiento. Si la reductora alimenta un servicio que no puede interrumpirse para el mantenimiento de la válvula, hay que instalar un by-pass con válvula de estrangulamiento. Hay que prever una válvula de seguridad aguas debajo de



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la válvula de aislamiento. Dicha válvula de seguridad deberá tener suficiente capacidad para que pase el flujo total del reductor que se quede abierto en un fallo o del by-pass completamente abierto (la mayor de las dos condiciones) con la presión total de diseño de la entrada. Si el sistema no proporciona aguas arriba suficiente capacidad de filtrado para proteger la válvula reductora, hay que instalar un filtro inmediatamente aguas arriba de la reductora.

f Válvulas reguladoras de contrapresión.

Una válvula reguladora de contrapresión también llamada de descarga, es similar a una válvula reductora excepto que controla la presión aguas arriba más que la presión aguas abajo. Un ejemplo es una válvula de prioridad instalada en un sistema de aire vital de baja presión en buques de guerra; esta válvula corta el aire a usuarios no vitales aguas abajo cuando la presión principal de aire vital aguas arriba cae bajo el punto de tarado. Otro ejemplo es una válvula de descarga en la exhaustación auxiliar en una planta de vapor, que mantiene una presión de exhaustación constante en equipo auxiliar alimentado por vapor y en el calentador desaireador de alimentación arrojando el exceso de exhaustación al condensador principal.

g Válvulas de control.

Una válvula de control (también llamada de regulación) controla el flujo a una localización en un sistema en respuesta a una señal de control de otra parte del sistema, o de otro sistema diferente. Ejemplos son una válvula de control de nivel del condensador principal y una válvula de control de temperatura de aceite lubricante.

Las válvulas de control de temperatura pueden ser de tres vías, tipo by-pass (de flujo total constante) o del tipo de regulación (flujo variable). La señal de control puede ser el nivel de un depósito, la temperatura o la presión y puede comunicarse a la válvula a través de un líquido, aire comprimido o señal eléctrica. Las válvulas de control deberían diseñarse de forma que un fallo de suministro eléctrico, de aire de actuación o rotura de un muelle deje la válvula en posición segura.

Cuando se selecciona una válvula de seguridad, una reductora de presión, una reguladora de contrapresión o una válvula de control, el fabricante de la válvula debe dar una descripción completa de las condiciones de operación y los requisitos de instalación para asegurar una operación satisfactoria.



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h Accesorios de flujo constante.

Un accesorio de flujo constante se usa para regular el caudal a un valor constante según cambia la presión aguas arriba y abajo. Un elemento flexible dentro del accesorio se deforma para restringir el flujo en proporción a la presión diferencial a través de él. La precisión de la regulación y la presión diferencial mínima especificada por el fabricante tienen que ser tenidas en cuenta cuando se selecciona el accesorio. Estos accesorios se usan extensivamente para equilibrar caudales a muchas cargas en sistemas agua de enfriamiento y de refrigeración de agua dulce.

2.7 Orificios. Una placa perforada se instala para introducir una caída de presión adicional

específica en una línea de un circuito. Un orificio es un dispositivo pasivo que no puede responder a cambios en las condiciones del sistema, pero está dimensionada para una única condición de presión de entrada, presión de salida, caudal, densidad y viscosidad de fluido. Un orificio es útil para equilibrar pérdidas de carga en caminos paralelos y para limitar el flujo en un camino dado. Un orificio no puede utilizarse como reductor de presión, porque la tubería aguas abajo está expuesta a la plena presión cuando el flujo se para, cosa que puede ocurrir cuando se cierra una válvula aguas arriba del orificio.

Figura 1-39: placa de orificio.

Deben utilizarse orificios múltiples en serie cuando sea necesario evitar cavitación, que produce turbulencias y ruido. Por ejemplo, turbulencias aguas abajo de un orificio en tubería de Cu-Ni 90-10 pueden erosionar el material de la tubería.

2.8 Aislamiento. Se requiere aislamiento en tubería de alta / baja temperatura para:

Limitar la temperatura superficial para protección de personas.

Reducir las pérdidas / ganancias de calor del sistema.



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Evitar calentamientos / enfriamientos indeseados en espacios cerrados o superficies adyacentes.

Parte o toda la tubería de algunos sistemas como vapor, alimentación, drenajes de vapor, combustible, agua potable caliente,... requieren aislamiento.

La tubería que sólo raramente opera a temperaturas por encima de 52 ºC, tales como tubería de escape de vapor, no requiere aislamiento a menos que suponga un riesgo para las personas.

El aislamiento no es preciso en espacios vacíos o cofferdams a menos que se produzcan excesivas pérdidas de calor. La tubería que tenga que colocarse donde el aislamiento esté sometido a daños por la humedad, como duchas, bajo lavabos,... no debería aislarse; tal tubería debería en su lugar apantallarse. Aproximadamente 60 cm. aguas arriba de cada purgador deberían dejarse sin aislamiento para permitir la operación del purgador.

También se requiere aislamiento en agua de enfriamiento y sistemas de refrigeración operando a temperaturas por debajo de 5 ºC para reducir la ganancia de calor por el sistema.

Para evitar la condensación, se instala normalmente aislamiento anti-rocío en aquellos sistemas como contraincendios y agua de refrigeración que operan normalmente a temperaturas por debajo del punto de rocío ambiental. El aislamiento anti-condensación se aplica normalmente si la condensación puede provocar corrosión o daños, un riesgo a la seguridad o condiciones de vida o trabajo desagradables.

También se debe instalar aislamiento en tuberías de agua dulce o salada que, estando a la intemperie, no puedan en la práctica ser drenadas en condiciones ambientales frías y estén sujetas a condiciones de flujo intermitentes o de bajo flujo que puedan producir la congelación del fluido.

Los materiales utilizados normalmente para aislamientos a altas temperaturas son fibra de vidrio, vidrio celular, fibra mineral y silicato de calcio. Para aislamientos a bajas temperaturas son fibra de vidrio, vidrio celular y espumas plásticas. A continuación aparece una tabla comparativa de temperaturas máximas de empleo de distintos materiales aislantes.



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Tabla 1-6: materiales aislantes.

Los aislamientos se aplican en mantas, bloques y formas moldeadas. El aislamiento moldeado se preforma para montar en tuberías, curvas y otros componentes comunes, para su fácil instalación. Se usan bloques desmontables y reutilizables en uniones, tapetas de válvulas de vapor y en otros emplazamientos que requieran un acceso regular para mantenimiento.

Figura 1-40: Fijación aislamiento en coquillas a una sola capa y revestimiento en tuberías.



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El espesor del aislamiento depende de:

La temperatura de la tubería.

La temperatura de la superficie del aislamiento.

El tamaño de la tubería

El coeficiente de transmisión de calor del aislamiento seleccionado.

Para sistemas a bordo, el espesor se basa generalmente en proporcionar el mínimo necesario para seguridad del personal. La tubería que contiene fluidos a temperatura sobre 65 ºC debería tener aislamiento de suficiente espesor para que la temperatura superficial del aislamiento no exceda de 60 ºC, para proteger al personal de quemaduras. La tubería con una temperatura superficial entre 52 y 65 ºC debería tener, como mínimo una tela protectora. Espesores representativos de aislamientos son los indicados en la tabla 1-7:

Espesor de aislamiento para protección del personal (1)

Diámetro Nominal (mm.)

Temperatura superficial de la tubería en ºC.

15 120 230 340 450 25 25 25 40 50 80 25 25 50 65 150 25 25 50 75 250 25 25 50 88 350 25 40 65 88 500 25 40 65 100

(1) Espesor (mm.) de aislamiento de fibra de vidrio para una temperatura en la superficie del aislamiento ≤ 50 ºC.

Tabla 1-7: espesor aislamiento.

Sobre el aislamiento debe instalarse algún tipo de revestimiento para protegerlo de daños.



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Figura 1-41: Fijación del aislamiento y revestimiento en tuberías de acompañamiento.

Materiales de revestimiento pueden ser láminas de acero galvanizado, acero resistente a la corrosión, aluminio, vendas y fibra de vidrio. Es preferible utilizar revestimiento de metal cuando el aislamiento esté expuesto a daños.

Para aislamientos a baja temperatura, hay que aplicar una barrera de vapor para evitar que el vapor de agua alcance la superficie fría, condensando y mojando el aislamiento. No se requiere una barrera de vapor separada si el aislamiento es de espuma plástica o vidrio celular, dado que la estructura de celdas cerradas de estos materiales cubre esta función.

No se debe instalar el aislamiento en las uniones hasta que no se ha realizado la prueba hidrostática de la tubería.

2.9 Conexiones al mar. Las tomas de mar están construidas generalmente de tubería o planchas de

material similar al del casco y soldadas a este. En el doble fondo, una caja de mar está formada por un tronco que se extiende entre las planchas del casco y las del forro interior. El diseño tiene que proporcionar refuerzo estructural adecuado al tamaño, forma y situación de las aberturas en el casco.



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Figura 1-42: toma de mar.

Las tomas de mar deben estar fuera de las quillas de balance y otras proyecciones del casco y no deben interferir con los picaderos de dique. También deben estar situadas de forma que no reciban fluidos de las descargas al costado.

Las tomas de mar deben localizarse de forma que se eviten pérdidas altas en la entrada y presiones negativas inducidas por el flujo a lo largo del casco con el buque en marcha. Estos efectos son perjudiciales para las prestaciones de las bombas y son de especial significación en buques de alta velocidad y en localizaciones próximas a los apéndices del casco o donde haya separación de flujo a lo largo del casco. Hay que evitar también posiciones que emerjan en balances, cabeceos o condición de buque en rosca, o que permitan entrada de aire arrastrado a lo largo de la superficie sumergida del casco. Si no se puede evitar una entrada de aire la toma de mar debe incorporar un respiro en el punto más alto, ventilando sobre la línea de carga más profunda.

Las tomas de mar que se usen en aguas poco profundas deben localizarse de forma que eviten la toma de suciedad del fondo marino. Si no es posible encontrar una posición que evite al mismo tiempo la toma de aire y de suciedad de fondo, se deben instalar una toma alta y una baja.



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Cada toma de mar tendrá un filtro hecho de barras o plancha perforada, instalado enrasado con el costado. El área libre a través de la plancha de filtrado será de 1,5 ó 2 veces el área total de toda la tubería de aspiración conectada a la toma. Donde sea practicable, las aberturas del filtro no deben ser mayores que el paso más pequeño en los sistemas conectados. Donde no sea posible, se requerirá un filtro separado en el sistema de tubería.

Las tomas de mar deberán tener medios de eliminar la suciedad del filtro. Se utilizará vapor cuando esté disponible; si no, se puede usar aire comprimido. La conexión de soplado debe instalarse más allá de la válvula de fondo y dispuesta de forma que el chorro de vapor o aire se dirija a la rejilla tan directamente como sea posible.

Las descargas al costado consisten en tubos fijos directamente a la plancha del casco. Deben situarse de forma que no produzcan líneas de corriente a las tomas de mar, correderas y transductores de sonda. Si se instalan sobre la línea de flotación, no deben situarse en zona de botes o escalas reales.

Hay que instalar una válvula de costado en cada tubería conectada a una aspiración o a una descarga al mar. Donde se conecte más de una bomba a cada descarga o toma de mar, hay que instalar una válvula en cada ramal para permitir el aislamiento de cada bomba. Cuando la bomba esté situada en un compartimento distinto al de la toma o descarga hay que instalar una válvula adicional en el compartimento de la bomba. Las válvulas de mar deben estar lo más cerca posible de la toma o de la plancha de costado y cualquier unión intermedia debe ser soldada.



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Figura 1-43: descargas al costado.

Las válvulas de costado pueden ser de compuerta, ángulo o mariposa; son preferibles las de compuerta. Las válvulas de mar del tipo compuerta tendrán vástagos de una pieza y no sujetos al disco obturador por pasadores. Las válvulas de costado en espacios que no sean normalmente ocupados deben tener control remoto desde la cubierta por encima.

Deben usarse materiales dúctiles como acero, bronce o hierro fundido nodular para las conexiones al costado bajo la cubierta francobordo; el acero es el material más comúnmente usado. No se permite el uso de acero maleable o hierro fundido.

El número de tomas de mar y descargas debe ser el mínimo consistente con la operación adecuada de los sistemas conectados. Al menos deben instalarse dos tomas de mar para el sistema de refrigeración principal, refrigeración del generador u otros sistemas vitales, para asegurar un suministro continuo en caso de que una de ellas se obstruya. Deben estar tan separadas como sea practicable.

Las tomas de mar en buques que vayan a operar en hielo requieren una consideración especial. Debe evitarse que el hielo roto obstruya la entrada de los sistemas de refrigeración de agua salada y los filtros. Las rejillas deben ser lo suficientemente fuertes para soportar la presión y la abrasión del hielo. En los



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rompehielos, el movimiento del buque cuando rompe el hielo, la corriente de retroceso del frecuente ciado de las hélices y la mezcla de hielo con agua de mar, hacen que el agua aspirada contenga gran cantidad de aire y fragmentos de hielo. Así, las tomas de mar deben diseñarse de forma que mantengan la velocidad hacia la tubería de aspiración suficientemente baja para que los fragmentos de hielo floten en la parte alta de la caja y el aire se separe. La aspiración debe tomarse de la parte baja de la caja de mar y se preverá suficiente altura para que el hielo se acumule lejos de la aspiración. La parte alta de la caja será inclinada para facilitar la renovación de los fragmentos de hielo y aire y deben disponerse una ventilación amplia, en la parte alta de la toma, con una pantalla de entrada para evitar la obstrucción. Un retorno de agua caliente del sistema de refrigeración de máquinas debe conectarse cerca y orientarse hacia la parte alta para fundir el hielo atrapado, con una pantalla para dirigir el agua fría que entra hacia la zona caliente de la caja de mar. El área de la rejilla debe ser al menos 4 veces el de la tubería de aspiración conectada.

El resultado de incorporar todos estos detalles de diseño es una caja mucho mayor y más compleja estructuralmente comparada con el diseño normal de los buques que no operan en hielo.



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3 BIBLIOGRAFIA.

“Marine Engineering”. Roy L. Harrington, SNAME.

“Válvulas, selección, uso y mantenimiento”. Richard W. Green, McGraw Hill.

“Valve selection handbook”. Peter Smith, ELSEVIER.

sistemas auxiliares tema 1 - sistemas de tuberias

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