¿Cómo aumentar la flexibilidad en sistemas de tuberías?

El análisis de esfuerzo y flexibilidad —también conocido como análisis de estrés— es una disciplina fundamental en el diseño de sistemas de tuberías. Su propósito es evaluar si una línea puede soportar las cargas impuestas por condiciones internas, externas o una combinación de ambas, sin comprometer la integridad del sistema.

Un sistema de tuberías debe contar con la flexibilidad suficiente para absorber tanto la expansión como la contracción térmica, así como los movimientos inducidos por soportes y equipos conectados. De lo contrario, pueden generarse efectos indeseados como:

• Falla estructural de la tubería o sus soportes.
• Fugas en juntas o elementos de unión.
• Daños en toberas, bridas o conexiones de equipos conectados.

Dado que este análisis requiere una inversión significativa de horas de ingeniería, no todas las líneas son evaluadas formalmente. Solo se analizan aquellas consideradas críticas, según criterios específicos definidos en cada proyecto.

Cuando un sistema no posee la flexibilidad necesaria para absorber los desplazamientos térmicos, el diseñador debe implementar soluciones que reduzcan la rigidez del sistema, ya sea mediante modificaciones geométricas o el uso de dispositivos mecánicos especializados.

¿Cómo se puede aumentar la flexibilidad?

Matemáticamente, para un resorte ideal, la rigidez se expresa mediante la ecuación de Hooke:

F=k⋅ΔL

Donde:

• F es la fuerza aplicada.
• k es la constante de rigidez (N/m).
• ΔL es la deformación axial.

Este modelo simplificado facilita la comprensión de la rigidez estructural y su influencia en la respuesta mecánica de los elementos. Basándonos en esta fórmula, para reducir la rigidez  y aumentar la flexibilidad, debemos permitir mayores desplazamientos  bajo cargas aplicadas.

Este principio, de manera simplificada, se traduce en dos estrategias fundamentales para incrementar la flexibilidad en sistemas de tuberías: modificaciones geométricas y uso de juntas de expansión.

Figura 1. Representación de formas de aumentar la flexibilidad de un sistema

1. Modificaciones geométricas: cambios en la dirección

Una de las formas más efectivas y económicas de aumentar la flexibilidad es mediante cambios en la geometría del sistema, especialmente en la dirección de las líneas de tubería. Esta técnica consiste en alterar la configuración original del trazado, introduciendo curvas, codos o desviaciones que permiten absorber esfuerzos térmicos y mecánicos.

La flexibilidad de un sistema depende de múltiples factores:

• Configuración geométrica.
• Diámetro y espesor de la tubería.
• Número y tipo de accesorios.
• Tipo de soportes y restricciones.

Cuando los cambios de dirección naturales no son suficientes, se recurre al uso de liras, lazos o loops de expansión, que incrementan la capacidad de absorción de desplazamientos mediante modificaciones geométricas adicionales.

Figura 8. Ilustración modelos de tuberías con cambios geométricos

2. Juntas de expansión: soluciones mecánicas especializadas

Las juntas de expansión son dispositivos mecánicos diseñados para absorber movimientos axiales, radiales o transversales en sistemas de tuberías. Aunque ofrecen una solución compacta y eficaz, su uso debe evaluarse cuidadosamente debido a su costo, complejidad de instalación y susceptibilidad a fallos.

¿Cuándo utilizar juntas de expansión?

• Cuando las restricciones de espacio impiden aplicar soluciones geométricas convencionales.
• Cuando los cambios de dirección afectan negativamente el proceso (caídas de presión, pérdida térmica, etc.).
• Para aislar equipos sensibles (bombas, turbinas, compresores) de vibraciones o cargas no deseadas.

¿Cuándo evitar su uso?

• En condiciones cíclicas severas.
• Donde existan momentos torsores significativos.
• En sistemas con fluidos tóxicos o peligrosos (requieren cubiertas de seguridad).
• En servicios con riesgo de solidificación (ej. azufre líquido).

La selección adecuada de juntas de expansión debe basarse en parámetros específicos del proceso, como temperatura, presión, tipo de fluido, dirección del desplazamiento, tipo de unión y presencia de sólidos suspendidos. Para ello, se recomienda seguir las especificaciones de la Expansion Joint Manufacturers Association (EJMA).

Tipos de juntas de expansión

• Junta simple: absorbe desplazamientos axiales; requiere instalación entre anclajes capaces de resistir fuerzas de empuje.
• Junta de carga balanceada: diseñada para equilibrar la fuerza axial generada por la presión interna; ideal para proteger equipos rotativos.
• Junta con varillas rígidas (Tie Rod): absorbe desplazamientos laterales; se instala perpendicular a la dirección de menor flexibilidad.

Figura 11. Juntas de expansión simple

Figura 12. Juntas de expansión de carga balanceada

Figura 13. Junta de expansión con varillas rígidas

La clave para un sistema de tuberías eficiente y seguro radica en una gestión inteligente de su flexibilidad, combinando soluciones geométricas y mecánicas según las condiciones del proceso y las restricciones del entorno.