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PB-1 | Comparación de tuberías

Al comparar las características de rendimiento a largo plazo de los materiales plásticos, el polibuteno-1 reúne todas las necesarias para sistemas de tuberías. Si se compara en términos de flexibilidad, resistencia a productos químicos, fluencia, presión, fatiga por dilatación y contracción térmica (ciclo de dilatación y contracción térmica lineal), acústica, peso o resistencia del producto, el polibuteno-1 ofrece el rendimiento a largo plazo requerido hoy en día para los sistemas de tuberías a presión de calor y frío.
 

Polybutene piping extrusion process allowing huge scope in pipe wall sections and diameters


Perfil de tuberías
de PB-1

Comparación de los polímeros utilizados en sistemas de tuberías
  PB-1 PP-R PE-X PVC-C
Resistencia a impactos +++ ++ +++ +
Resistencia química +++ +++ +++ +++
Flexibilidad ++++ ++ +++ +
Resistencia química ++++ +++ +++ +++
Resistencia a la presión ++++ ++ +++ +++
Soldabilidad ++++ ++++ + ++
Resistencia a la temperatura y la presión ++++ ++ +++ ++
Estrés térmico en instalaciones ++++ ++ +++ +
Sostenibilidad
del sistema
++++ +++ +++ +++
Velocidad de la articulación Pequeño Ø ++++ + +++ ++
Gran articulación Ø Disponibilidad ++++ ++++ ++ +++

    Soldabilidad  ++++    Buena  +++    Regular  ++    Deficiente  +
 

La morfología única y el comportamiento de cristalización del PB-1 le proporcionan propiedades sin igual para los sistemas de tuberías de presión.

La elección ideal para sistemas de tuberías de presión

La combinación de propiedades que distingue al PB-1 del resto de los materiales es su alta flexibilidad, combinada con una resistencia sobresaliente a la fluencia de presión interna en un amplio rango de temperaturas.

Todos los materiales de poliolefina tienden a ceder cuando se exponen a una tensión continua durante largos periodos de tiempo.

Este comportamiento de flujo en frío se puede suprimir mediante una red 3D en la estructura del polímero, que se puede lograr, por ejemplo, enlazando químicamente cadenas de polímeros, como ocurre en la fabricación del polietileno (PE-X). Sin embargo, el polibuteno-1 alcanza una resistencia a la fluencia inherente superior (consulte la tabla siguiente) a través de una red física única que se consigue mediante la combinación de microcristalitas y estrechos entrelazamientos creados por la transformación cristalina (envejecimiento). Por lo tanto, no es necesario aplicar más reticulación o copolimerización, ni modificar la formulación.

En su forma de homopolímero más simple, el perfil de propiedades del polibuteno-1 lo convierte en la elección ideal para satisfacer las exigencias de aplicaciones para sistemas de tuberías de presión de calor y frío.
 


Resistencia a la presión

Comparación del rendimiento del PB-1 y materiales plásticos alternativos

Existen normas paralelas a la ISO 12230 que tienen en cuenta el efecto del tiempo y la temperatura en la resistencia prevista de los materiales enumerados a continuación. Los datos presentados en estas normas ofrecen medios útiles de comparación del rendimiento de estos materiales plásticos alternativos utilizados en los sistemas de tuberías.

El siguiente gráfico muestra las líneas de referencia del rendimiento (propiedades de resistencia a la presión) para los siguientes materiales a 70 °C en una escala equivalente:

Materiales con un rendimiento mejor

  • PB-H | ISO 12230 (2012)
  • PB-R | ISO 12230 (2012)

Materiales con un rendimiento medio sin punto de rodilla

  • PE-X - ISO 15875 (2003)
  • PP-RCT - ISO 15874 (2013)
  • PE-RT type II - ISO 12230 (2012)

Materiales con un rendimiento bajo con punto de rodilla

  • PE-RT type I - ISO 22391 (2009)
  • PP-R - ISO 15874 (2013)

Tras 10 años de exposición a una tensión continua aplicada, el polibuteno-1 con el mejor rendimiento (PB-H y PB-R) conserva un 50 % más de resistencia que los materiales de rendimiento medio (PE-X, PP-RCT y PE-RT de tipo II) y de un 70 % a un 90 % más de resistencia que los materiales de rendimiento bajo, PE-RT de tipo I y PP-R.

Tensión de diseño

Tras 10 años de tensión continua aplicada, el PB-1 conserva alrededor de un 50 % más de resistencia que el PE-X, el PP-RCT y el PE-RT de tipo II, y de un 70 % a un 90 % más de resistencia que el PE-RT de tipo I y el PP-R.

Mediante el empleo de criterios normalizados presentados en la ISO 10508, es posible calcular la tensión circunferencial máxima permitida de estas tuberías de poliolefina alternativas para las distintas clases de temperatura de aplicación normalizadas. Este cálculo de la tensión de diseño da como resultado la comparación ilustrada en la tabla siguiente, que muestra que los polímeros de PB-1 alcanzan los valores de tensión circunferencial más altos en todas las clases de aplicación normalizadas. La ventaja intrínseca del PB-1 en cuanto a la tensión que puede soportar es entre un 35 % y un 90 % más alta, en función de la clase de aplicación y el material. Esto significa, de hecho, que con un grosor equivalente, las tuberías de PB-1 ofrecen un factor de seguridad significativo con respecto a estos materiales plásticos alternativos en los sistemas instalados. Esto significa, de hecho, que con un espesor equivalente, las tuberías de PB-1 ofrecen un factor de seguridad significativo con respecto a estos materiales plásticos alternativos en los sistemas instalados.
 

Tensión de diseño
@10 bar
Clase 1
HWS 60 °C
Clase 2
HWS 70 °C
Clase 3
Low Temp UFH
max 50 °C
Clase 4
UFH & LT Heat
max 70 °C
Clase 5
HAT Heat
max 90 °C
20 °C/50y
PB-H 5,73 5,04 7,83 5,46 4,31 10,92
PB-R 5,17 5,13 7,82 4,34 4,13 10,93
PE-X 3,85 3,54 4,61 4,08 3,24 7,60
PP-R 3,09 2,13 4,68 3,30 1,90 6,93
PP-RCT 3,64 3,40 5,73 3,67 2,92 9,24
PE-RT I 3,32 2,68 4,65 3,27 2,38 6,68
PP-RT II 3,53 3,37 5,12 3,38 2,88 7,46
PVC-C 4,38 4,16 10

Podemos calcular el espesor de pared mínimo permitido a partir de la tensión circunferencial máxima permitida. En el cálculo se observa claramente que las tuberías de polibuteno-1 se pueden fabricar con un espesor de pared significativamente reducido al compararlas con otros materiales que dependen de las limitaciones normalizadas para las aplicaciones.

Un espesor de pared menor también implica un orificio interno mayor para un diámetro externo de tubería específico, lo que da lugar a una menor pérdida de la presión en el cabezal y una velocidad de flujo inferior para suministrar un volumen fijo de agua.

*PE-RT significa Polietileno resistente a la temperatura


Resistencia a la fluencia

Resistencia a la fluencia superior a largo plazo

En contraste con otros termoplásticos utilizados en aplicaciones de tuberías, no es necesario modificar el rendimiento a través de la formulación, la reticulación ni la copolimerización en los sistemas de tuberías de PB-1 para cumplir las estrictas normas de rendimiento que se aplican en su uso.

En comparación con otros materiales de poliolefina, el polibuteno-1 ofrece un nivel de resistencia a la presión mayor en situaciones de tensión continua durante largos periodos de tiempo. Esto se conoce como comportamiento de fluencia y en el gráfico se ilustra el rendimiento superior del PB-1 cuando se superan las 100 horas.

Además de sus excelentes propiedades mecánicas y térmicas, el PB-1 ofrece un alto nivel de resistencia a la acción de productos químicos y proporciona un nivel de resistencia a la inflamabilidad que cumple las exigencias de la mayoría de aplicaciones.

El PB-1 se puede procesar por medio de procesos de moldeado por inyección o extrusión normalizados en una amplia gama de productos. Tanto en el caso de los homopolímeros como en el de los copolímeros, el equilibrio de propiedades del PB-1 lo convierten en el material técnicamente preferido para la producción de sistemas de tuberías de agua a presión caliente y fría.
 


Peso, flexibilidad
e hidrostática

Peso y eficiencia hidrostática de la tubería


Se calcula para la clase de aplicación 2, presión de diseño de 10 bares, en función de datos publicados.

 


Propiedades acústicas

Amortiguación acústica

Las paredes más delgadas de las tuberías, así como la gran elasticidad y baja densidad específica de las tuberías de PB-1 ofrecen una gran absorción de los ruidos de funcionamiento.

Entre las propiedades superiores del polibuteno-1 en comparación con otros materiales, cabe citar una amortiguación acústica excelente.

La combinación de una pared de tubería más delgada, un módulo elástico bajo y la reducida densidad específica de las tuberías de polibuteno-1 (ρ = 0,92 g/cm3) garantiza una gran absorción de los golpes de ariete y otros ruidos asociados a la calefacción y refrigeración en sistemas de tuberías.

Las pruebas mostraron una reducción del 90 % del ruido que se produce a través de las tuberías en el Royal Albert Hall de Londres tras la instalación de tuberías de PB-1.
 

Velocidad del sonido de los materiales
  Densidad (g/cm3) Módulo elástico (MPa) Velocidad del sonido (m/s)
Goma blanda 0,90 90 320
PB-1 0,93 350 620
PE-X 0,95 600 800
CPVC 1,56 3.500 2.350


Golpe de ariete

Cuanto mayor sea la clase de SDR, menor es el golpe de ariete a un índice de caudal determinado. El PB-1 tiene la clase de SDR más alta en comparación con el PP-H, el PP-B, el PE-RT y el PEX

Una columna de agua en movimiento dentro de una tubería contiene energía cinética almacenada, en función de su masa y velocidad. Como el agua es un fluido fundamentalmente incompresible, esta energía no puede absorberse cuando la válvula se cierra de forma repentina.

Como resultado se produce un pico de presión instantáneo elevado, normalmente conocido como "golpe de ariete".

Los niveles de ruido y las propiedades acústicas de los sistemas de tuberías son una cuestión de importancia, debido al aumento en la densidad de población. Los sistemas de tuberías que minimizan el ruido de los líquidos y el golpe de ariete en aquellos lugares donde las tuberías pasan a través de los techos y las paredes son un elemento clave para afrontar los problemas de ruido de los residentes.


Existen cinco factores que determinan la gravedad del golpe de ariete:

  • Velocidad
  • Módulo de elasticidad del material de la tubería
  • Diámetro interior de la tubería
  • Espesor de la pared de la tubería
  • Tiempo de cierre de la válvula

El golpe de ariete repetitivo puede llegar a destruir el sistemas de tuberías. Además del ruido, el golpe de ariete puede romper las tuberías si la presión es suficientemente alta.
 

El valor nominal máximo del pico de presión (Ps) es:

v0 · a · ρ = ps

v0 = velocidad del medio (m/s)
a = velocidad de propagación de la onda de presión (m/s)
ρ = densidad del medio (kg/m³)
ps = pico de presión: golpe de ariete (N/m²)


Los picos de presión máximos provocados por el golpe de ariete pueden calcularse mediante la siguiente ecuación tomada del "Manual de Diseño del Sistema de Tuberías de Termoplásticos", de Thomas Sixmith y Reinhard Hanselka, Marcel Dekker Inc., págs. 65-69

Ps = V((3960 E t)/(E t + 3 x 105 DI))½
donde:
Ps = pico de presión (psi)
V = velocidad del agua (ft/sec)
DI = diámetro interior de la tubería (mm)
E = módulo de elasticidad del material de la tubería (psi)
t = espesor de la pared de la tubería (mm)

El módulo elástico bajo de polibuteno-1 en combinación con el espesor reducido de la pared genera un pico de presión bajo para un rango de presión y diámetro exterior de la tubería determinados. La siguiente tabla compara el pico de presión máximo para tuberías de diámetro exterior de 38,1 mm (1-1/2") de diferentes materiales plásticos, diseñados para el mismo servicio de presión.
 
  E E DI t V Ps Ps
  [psi] [MPa] [mm] [mm] [ft/s] [psi] [bar]
PB-1 65.000 450 32,5 (1,28") 3,8 (0,15") 5,0 49,5 3,4
PE-X 87.000 600 28,9 (1,14") 5,6 (0,22") 5,0 72,4 5,0
PP 116.000 800 26,7 (1,05") 6,6 (0,26") 5,0 93,0 6,4
CPVC 507.000 3.500 30,9 (1,22") 4,6 (0,18") 5,0 140,6 9,7

El PB-1 tiene la clase de SDR más alta en comparación con el PP-H, el PP-B, el PE-RT y el PEX, y ofrece la mejor capacidad de acústica con el nivel de golpe de ariete más bajo.
 


El PB-1 en comparación con el PE-RT y el PEX para sistemas de tuberías

Una comparación de costes reales entre los sistemas de tuberías debe incluir el tiempo de instalación, las opciones de unión, la vida útil y la clase de SDR.

El polibuteno-1 ofrece ventajas tangibles para los sistemas de energía central en comparación con el PE-RT y el PEX

Para proyectos de edificios, la variación del coste real de los sistemas de tuberías entre las diferentes opciones de materiales es superior a la comparación de costes por longitud para el mismo diámetro de tubería exterior.

Los prescriptores tienen en cuenta la facilidad de instalación, que afecta a los costes in situ; las opciones de unión; el rendimiento a largo plazo del sistema y la vida útil estimada; y la relación de dimensiones estándar (SDR), que compara la durabilidad frente a la presión de los materiales de las tuberías.

En comparación con los sistemas de PEX y PE-RT, el PB-1 ofrece importantes ventajas en una amplia gama de categorías de rendimiento. Todo ello convierte a los sistemas de tuberías de PB-1 en la mejor opción para las instalaciones de energía central de alto rendimiento.
 

Relación de dimensiones estándar (SDR)

¿Qué es la SDR?

La SDR evalúa la durabilidad de la tubería frente a la presión y correlaciona el diámetro exterior de una tubería y el espesor su pared.

La SDR (relación de dimensiones estándar) alude a la geometría de las tuberías. La SDR permite evaluar la durabilidad de una tubería frente a la presión y describe la correlación entre la dimensión de la tubería y el espesor de su pared. Por ejemplo, SDR 11 indica que el diámetro exterior de la tubería tiene una dimensión de once veces el espesor de la pared.

  • Relación SDR alta
    La pared de la tubería es fina en comparación con su diámetro
  • Relación SDR baja
    La pared de la tubería es gruesa en comparación con su diámetro

Ejemplo de cálculo:
La SDR de una tubería con un diámetro exterior de 100 mm y un espesor de pared de 5 mm se puede calcular de la siguiente manera:
100mm / 5mm = SDR 20
 

¿Qué importancia tiene la SDR para los sistemas de tuberías?

Debido a la alta relación SDR del PB-1 en comparación con el PE-RT o el PEX, los sistemas de tuberías de PB-1 necesitan un espesor de pared menor para soportar el mismo rango de presión con el mismo diámetro exterior de la tubería, por lo que ofrecen las siguientes ventajas:

  • Menos material con la misma capacidad frente a la presión
  • Menos peso por metro de tubería
  • Diámetro exterior menor con el mismo rendimiento
  • Área interior más grande con el mismo diámetro exterior, lo que proporciona:
    - Mayor índice de caudal con la misma presión
    - Menor pérdida de presión, por lo que requiere menos energía para hacer funcionar un sistema o una bomba con menor capacidad

Clases de SDR y dimensiones de tuberías

Clases de SDR citadas en los estándares nacionales para sistemas de tuberías de energía central


Estándares nacionales (RU y NL)
La fuente para las dimensiones de las tuberías de calefacción central que compara los materiales PB-1, PEX y PE-RT

El actual estándar ruso para la calefacción central (GOST 56730 - 2015) y las directrices de los Países Bajos (BRL 5609 y el borrador de su nueva versión) incluyen una comparación de 3 materiales para sistemas de tuberías de calefacción central: PB-1, PE-RT y PEX

Tanto el estándar ruso como las directrices de los Países Bajos exigen los mismos requisitos respecto a las dimensiones de las tuberías y las clases de SDR de los 3 materiales de las tuberías de servicio que funcionan a una presión de 6, 8 y 10 bar.

La tabla de la derecha es un extracto de la tabla correspondiente que muestra las clases de SDR de los materiales listados a diferentes rangos de presión, a partir del estándar ruso y las directrices de los Países Bajos. Como se indica, el PB-1 tiene la clase de SDR más alta para todas las presiones de funcionamiento en comparación con el PEX o el PE-RT. En la siguiente sección se explica lo que esto supone, por qué los estándares incluyen las dimensiones de las tuberías y las clases de SDR, y cuáles son las ventajas para los prescriptores de sistemas de tuberías.


Dimensiones de la tubería y clases de SDR
La capacidad frente a la presión del PB-1 ofrece más ventajas que la del PE-RT y el PEX

La clase más alta de SDR de PB-1 ofrece las siguientes ventajas:
• Sección de pared más fina
• Menos material (menos peso)
• Diámetro y área interior más grandes

Para ilustrar el rendimiento del PB-1, el PE-RT y el PEX a la presión de funcionamiento indicada (8 bar) y con un diámetro de la tubería pequeño (50 mm), la tabla y el diagrama que aparecen a continuación ofrecen una comparación de las dimensiones internas de la tubería que se necesitan.

Ejemplo 1: tubería pequeña de 50 mm de diámetro a 8 bar

El PB-1 es más resistente que el PE-RT y el PEX. Con una presión de funcionamiento de 8 bar y un diámetro exterior de la tubería de 50 mm, los espesores de la pared necesarios son:

 

 

Según lo indicado, con la misma presión del agua, el PB-1 ofrece un índice de caudal considerablemente más alto que el de los otros dos materiales, gracias a que el diámetro interior es mayor y el exterior, de 50 mm. Por otro lado, con un índice de caudal determinado, las tuberías de PB-1 reducen la pérdida de presión, por lo que requieren menos energía para hacer funcionar sistemas o bombas con menor capacidad.

Como se muestra en los gráficos anteriores y con fines comparativos, el PE-RT se puede considerar el punto de referencia al 100 %. Al comparar el área interior transversal de una tubería de 50 mm de diámetro (gráfico de la izquierda), el PB-1 supera claramente al PE-RT con un volumen adicional del 27 %. Además, al comparar la cantidad de material por metro de un tubería de 50 mm de diámetro y con una presión de 8 bar (gráfico de la derecha), la tubería de PB-1 utiliza un 29 % menos que la de PE-RT.

Una vez más, el PE-RT se puede considerar el punto de referencia al 100 % con fines comparativos. Según el gráfico anterior (a la izquierda) y con la misma presión del agua de funcionamiento, una tubería de 50 mm de diámetro exterior (8 bar) de PB-1 ofrece un índice de caudal considerablemente superior (hasta un 35 % más) que una tubería de PE-RT de las mismas características.

Según el otro punto de comparación (a la derecha), a un determinado índice de caudal (rendimiento), la pérdida de presión de las tuberías de PB-1 es un 44 % menor que la de las tuberías de PE-RT. De este modo, las tuberías de PB-1 necesitan menos energía para hacer funcionar un sistema y pueden soportar bombas con una capacidad menor con el mismo rendimiento.
 

Ejemplo 2: tubería grande de 160 mm de diámetro a 10 bar



Debido a que su clase de SDR es más alta (y, por tanto, su sección de pared es más fina), una tubería de PB-1 de 140 mm de diámetro ofrece el mismo rendimiento que una tubería de PE-RT de 160 mm de diámetro, pero con un diámetro exterior más pequeño y un área interior transversal más grande.

A una presión de funcionamiento de 10 bar, una tubería de 160 mm de diámetro exterior:

  • PE-RT de clase SDR 6
    Una tubería de 160 mm de diámetro tiene un área interior transversal de 8,958mm2

  • PEX de clase SDR 7,4
    Una tubería de 160 mm de diámetro tiene un área interior transversal de 10,605mm2

  • PB-1 de clase SDR 9
    Con un diámetro exterior más pequeño (140 mm), el PB-1 presenta un área interior transversal de 9,263mm2

Además, como se muestra en el gráfico (a la derecha), el peso de una tubería de PB-1, con un diámetro exterior de 160 mm y que tenga que soportar una presión de 10 bar, es casi la mitad del peso de una tubería de PE-RT con las mismas características.
 

Técnicas de unión para tuberías de calefacción central
El PB-1 es un material versátil para todas las técnicas de unión disponibles


Conclusión
Utilizar sistemas de tuberías de PB-1 ofrece las siguientes ventajas:

  • Importantes oportunidades para ahorrar material y aumentar la capacidad del sistema al mismo tiempo
    – Paredes más delgadas
    – Aumento del área interior transversal disponible
  • Un mayor grado de libertad para diseñar las redes de energía central
    – La posibilidad de usar tuberías y accesorios con un diámetro exterior más pequeño
  • Una clara ocasión para reducir los costes de instalaciones integrales y de funcionamiento
    – Soportes más pequeños para las tuberías
    – Menor necesidad de material aislante
    – Bombas más pequeñas que consumen menos energía
    – Menos peso total para facilitar el manejo y reducir los costes de envío
  • El uso de todas las técnicas de unión disponibles
  • La mejor acústica de su clase con el nivel de golpe de ariete más bajo
  • Completamente reciclable

PB-1 vs. PE-RT & PEX


 


Tema del seminario web

Las ventajas del PB-1 para los sistemas de tuberías de presión

  • Business Review Webinars
  • Patrocinado por: LyondellBasell
  • Fecha de presentación: 7 de marzo de 2019
  • Presentación a cargo de:
    – Patrick van Beek, Marketing Manager PB-1
    – Werner Rothhöft, Application Development & Technical Service Engineer
  • Objetivos de aprendizaje principales | ¿Qué supone una clase más alta de SDR en la práctica?
    – Descubrir las ventajas de utilizar el polibuteno-1 en sistemas presurizados de tuberías para agua fría y caliente
    – Conocer las extraordinarias características de este material termoplástico, el más avanzado desde el punto de vista técnico
    – ¿Cuáles son las ventajas de utilizar el PB-1 en sistemas de tuberías en comparación con materiales termoplásticos alternativos?
    – Las oportunidades para reducir los costes operativos durante la vida útil de un sistema de tuberías

Seminario web: ¿Qué supone una clase más alta de SDR en la práctica?



 


 

A menudo se hace referencia al polibuteno-1 como polibuteno, PB, PB-1 o polibutileno.

El polibuteno-1 no es vendido por los miembros de la PBPSA para su uso en aplicaciones de tuberías en Norteamérica, y dichas partes exigen a sus clientes o distribuidores que no vendan productos fabricados con PB-1 para aplicaciones de tuberías en Norteamérica.