Cómo fábricar tuberías de fibra de vidrio

15/04/2002
Las tuberías de materiales plásticos, usualmente utilizadas en aplicaciones tan importantes como las canalizaciones de agua, son productos en constante evolución. Prueba de ello es que en los últimos años han aparecido nuevos materiales en el mercado, como el policloruro de vinilo orientado molecularmente (MOPVC), los nuevos polietilenos o en el caso que nos ocupa, el poliéster reforzado con fibra de vidrio (PRFV).
El poliéster reforzado con fibra de vidrio, en lo sucesivo PRFV, es un material compuesto y formado por dos materiales fundamentales: una matriz, constituida por una resina sintética de tipo poliéster y un refuerzo de fibra de vidrio ubicado dentro del anterior.
La matriz de poliéster es un aglomerante perfecto para el refuerzo, ya que nos asegura la participación simultánea de todos los filamentos del mismo, siendo además una barrera excelente frente a los agentes químicos y ambientales.
La fibra de vidrio debe proporcionar la armadura necesaria para lograr la resistencia mecánica precisa para soportar tanto la presión interna como las cargas externas en las conducciones enterradas.
Tanto la matriz como el refuerzo, pueden ser aportados cualitativa y cuantitativamente dentro de un amplio espectro en función de la aplicación a que vaya a destinarse la tubería para obtener la relación coste/prestaciones más adecuada.
En cuanto a las matrices, existen en el mercado resinas de diferentes tipos, que empleadas, solas o en combinación, proporcionan el carácter anticorrosivo al producto terminado. Estas resinas son susceptibles de ser formuladas conjuntamente con aditivos que incrementen alguna de sus propiedades (resistencia a U.V., resistencia a la abrasión, ...).
Respecto a las fibras de vidrio, podemos manejarlas en forma de velo muy fino, en fieltros (mat) de varios gramajes, en tejidos equilibrados o no, y en hilos continuos. Cada uno de ellos proporciona una característica resistente propia al producto terminado.
Para la fabricación de tuberías y accesorios de PRFV a escala industrial existen varios métodos normalizados e internacionalmente reconocidos: Normas NBS PS 15/69, DIN 16966, ASTM D-2996, etc. y que dan lugar a tuberías de características bien definidas, con diferencias debidas al propio proceso y a los materiales de refuerzo empleados.

Fabricación por laminación manual (HLU): NBS PS 15/69

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Generalmente este método se especifica para instalaciones químicas existiendo la tubería idónea a cada necesidad. En el ámbito de redes de agua y residuales este método de fabricación es de aplicación exclusiva para accesorios. Consiste en la disposición manual sobre el molde, de sucesivas capas de fieltro y/o tejido de vidrio saturadas de resina, hasta obtener el espesor deseado. (Existe documentación independiente sobre este tipo de fabricado).

Fabricación mecánica "Filament Winding" (FW): Awwa C-950

Entre los diferentes sistemas de fabricación de poliéster reforzado, el que proporciona productos con una mejor relación coste/prestaciones es el de "filament winding", consistente en el enrollado de hilos continuos sobre un molde al que previamente se ha provisto de una barrera anticorrosiva, realizándose el conjunto de operaciones de forma continua y automática mediante control por ordenador. Con este procedimiento se consiguen unos laminados de altas prestaciones mecánicas, lo que posibilita la adopción de espesores mucho más reducidos que con el método de fabricación manual. La resistencia a la corrosión se obtiene con la barrera anticorrosiva interior de la tubería.

Estructura de la pared

La pared estructural de las tuberías de PRFV está formada por tres fases fundamentales, cada una de las cuales tienen una composición diferente y un fin específico. Ver figura nº 1.
La primera es la barrera anticorrosiva. De gran importancia, ya que debe proporcionar la resistencia a los agresivos químicos, la resistencia a la abrasión, la estanqueidad absoluta y la lisura, tan característicos en este tipo de tubería. Está compuesta por una superficie interior lisa, rica en resina de 0,25 a 0,5 mm. de espesor, reforzado con velo de vidrio seguida de una capa de espesor mínimo de 1 mm., reforzada con un 25-30% en peso de fieltro de vidrio. El espesor de esta barrera puede variar según las características corrosivas y abrasivas del fluido a vehicular.
Por su parte, la capa estructural debe proporcionar la resistencia mecánica necesaria para soportar los esfuerzos a que se somete la tubería. En las tuberías FW está formada con un 65-75% de hilos continuos de vidrio entrecruzados, dispuestos con el ángulo adecuado para obtener la mayor resistencia en la dirección necesaria (característica exclusiva de los materiales compuestos). El espesor de esta capa y el ángulo de enrollamiento determinarán la resistencia mecánica de la tubería en el sentido circunferencial y longitudinal de la misma. En esta capa se admite la colocación de cargas inertes (sílice, cuarzo o similar).
En los accesorios de fabricación HLU, la capa estructural está formada por un 30-40% de fieltro de vidrio (en espesores mayores de 6,5 mm. se incorpora tejido de vidrio). La cantidad de estos materiales determinará su resistencia mecánica, inferior a la anterior.
La última fase es la protección externa. Su finalidad es proporcionar resistencia a los agentes externos, bien sean ambientales o de los terrenos. Está compuesta normalmente por una capa de resina de 0,2-0,3 mm. de espesor. En el caso de que se prevea una agresividad externa importante sobre la tubería será recomendable colocar, antes de la capa de resina, una barrera anticorrosiva como la descrita anteriormente. Esta protección exterior puede contener, si el caso lo requiere, aditivos para la protección de las radiaciones ultravioletas.

Sistemas de unión

Entre los diferentes sistemas de unión, los más utilizados en las instalaciones de redes de agua y saneamiento son la unión campana y espiga, la unión mecánica, la química, y la bridada.
La unión campana y espiga es un tipo de junta integral, compuesta por una embocadura o campana en la que se introduce la espiga. Esta espiga está mecanizada al objeto de alojar una o dos juntas tóricas de material elastómero. La finalidad de las mismas es la de asegurar la estanqueidad de la unión por presión contra la pared interior de la campana. Esta junta tiene poca resistencia axial y es muy apropiada para tubería enterrada por su facilidad y rapidez de montaje.
Existe una versión de esta junta que incluye un anillo de retención alojado entre campana y espiga al objeto de dotar la unión de resistencia axial. Esta solución es de aplicación en emisarios submarinos.
Por su parte, la unión mecánica consiste en un acoplamiento mecánico formado por una abrazadera o funda metálica y una junta labial interior. Esta unión no tiene resistencia axial y también es muy apropiada para tubería enterrada por su facilidad y rapidez de montaje.
La unión química consiste en el vendado de las dos partes a unir con el mismo material de base, obteniéndose así uniones sin intercalar ninguna pieza o mecanismo para realizar conducciones monolíticas. La longitud y el espesor de la unión dependen del diámetro de la tubería y de las condiciones de servicio. Esta unión resiste esfuerzos de tracción axial.
Finalmente, la unión bridada se utiliza principalmente para realizar conexiones convencionales con otros tipos de tubería, válvulas, equipos de instrumentación, etc. Se dispone de bridas o valonas con brida loca en DIN o ANSI que cubren cualquier necesidad.

La importancia de las materias primas

Algunas de las materias primas utilizadas por la industria para la fabricación de las tuberías y accesorios son las resinas, los refuerzos de vidrio y materias primas auxiliares. En materia de resinas se emplean, por poner un ejemplo, las de poliéster ortoftálica, poliéster isoftálica, poliéster bisfenólica o poliéster viniléster. Éstas en concreto presentan varias características interesantes, tales como: curado a temperatura ambiente, bajo grado de toxicidad, el hecho que sean inertes químicamente y la unión muy fuerte a las fibras de vidrio.
Por su parte, los refuerzos de vidrio se hacen con dos tipos diferentes: de vidrio tipo "C", que posee buena inercia respecto a la corrosión química, y de tipo "E", que tiene una resistencia mecánica muy alta.
Además de las resinas y los refuerzos de vidrio, encontramos las materias primas auxiliares. Son los aditivos (acelerantes, catalizadores) utilizados en el proceso de refuerzo de las resinas, y el material inerte que puede añadirse para aumentar el espesor (generalmente arena silícea). La producción de tubería PRFV, fabricada con sistema Filament Winding y con arena en la capa estructural está normalizada por AWWA C950-81 (Rev.88) y por las principales normas nacionales, entre ellas la UNE.
Las tuberías fabricadas así tienen un nivel de calidad igual a aquellas tuberías que no tienen arena en la capa estructural. Las normas nacionales e internacionales prevén para estas tuberías un control de calidad sobre el sistema de fabricación.
La introducción de una o más capas de arena en la capa estructural sirve para conseguir una mayor anchura de la sección con la consecuente mayor distancia de los elementos estructurales (fibra de vidrio y secciones resistentes de resina) al eje neutro; todo con la finalidad de conseguir que la tubería tenga una rigidez mayor.
Dado que: RCE= EI / D3 donde,
E= Módulo de elasticidad
I= Momento de inercia
D= Diámetro de la tubería
El hecho de insertar un inerte como la arena, que es un inerte a calidad controlada (monogranulométrico, silíceo o de cuarzo, con humedad no superior al 0,5%), no significa reducir el costo de producción de la tubería, dada que cada capa de arena está impregnada de resina y es completada con una paralela de fibra de vidrio continua, pretensada en forma de rovingn

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