Las tuberías de fibra de vidrio son tuberías hechas de fibra de vidrio . Se utilizan tanto para transportar diversos medios a lo largo de ellos como como elementos estructurales (soportes, columnas, travesaños, carcasas).
La aparición y producción de tuberías de fibra de vidrio fue posible a mediados de la década de 1950, cuando se dominó la producción industrial de aglutinantes termoplásticos (principalmente resinas epoxi) y fibras de vidrio. Incluso entonces, las ventajas de estos tubos se hicieron evidentes: bajo peso y alta resistencia a la corrosión. Sin embargo, durante este período, aún no podían ganar ninguna participación en el mercado de productos de tubería debido al bajo precio de los materiales de tubería "tradicionales": acero (incluido el acero inoxidable), cobre y aluminio. A mediados de la década de 1960, la situación comenzó a cambiar. En primer lugar, el precio del acero aleado y el aluminio aumentó considerablemente. En segundo lugar, el inicio de la producción de petróleo en las plataformas marinas y en áreas terrestres de difícil acceso requirió el uso de tuberías livianas y resistentes a la corrosión. En tercer lugar, se mejoró la tecnología de producción de tuberías de fibra de vidrio y se mejoró el rendimiento del producto. Durante estos años, Ameron (EE. UU.) dominó la producción a gran escala de tuberías de fibra de vidrio de alta presión (hasta 30 MPa) para campos petroleros. Las tuberías fueron un éxito comercial y aparecieron muchos fabricantes de productos de fibra de vidrio en los Estados Unidos. En la década de 1970, las tuberías de fibra de vidrio fabricadas en EE. UU. se generalizaron en los campos petroleros de América del Norte y Oriente Medio.
En la década de 1980, apareció el interés por las tuberías de fibra de vidrio en todos los países industrializados. Su producción y aplicación se han dominado en Europa, Japón, Taiwán. Comenzaron los experimentos sobre el uso de tuberías de fibra de vidrio en la URSS.
A partir de 2020, se conocen cinco tecnologías fundamentalmente diferentes para la producción de tuberías de fibra de vidrio:
La tecnología de bobinado (coiling) es la más sencilla de implementar y proporciona un alto rendimiento. El devanado puede ser tanto periódico como continuo. La tecnología de bobinado asegura una alta calidad de la superficie interior de la tubería debido a su moldeado en la superficie exterior del mandril, pero la calidad de la superficie exterior es baja debido a la ausencia de elementos formadores en el exterior. En el caso de tuberías destinadas al transporte de líquidos y gases, esta última circunstancia no es imprescindible.
Devanado conocido mediante ligantes poliméricos termoendurecibles (poliéster, epoxi, fenolformaldehído y otras resinas) y termoplásticos (polipropileno, polietileno, poliamida, tereftalato de polietileno, etc.). Cuando se utilizan aglutinantes termoplásticos, son posibles tecnologías de bobinado de una y dos etapas. Cuando se utiliza una tecnología de una sola etapa, el proceso de combinación (impregnación) de un relleno fibroso con un aglutinante termoplástico y el enrollado en un mandril ocurren secuencialmente en la misma instalación tecnológica [1] . Cuando se utiliza una tecnología de dos etapas, primero, como resultado de la operación de combinación, se obtiene un material preimpregnado (prepreg) en forma de hilo, cinta, hilo. El preimpregnado resultante se vuelve a calentar y se aplica al mandril.
Hay muchas formas de colocar fibras de vidrio de refuerzo, pero los métodos anulares en espiral, de cinta en espiral, longitudinales transversales y longitudinales transversales oblicuos han encontrado aplicación industrial.
Devanado de anillos en espiralEl método fue propuesto e implementado por primera vez por Ameron (EE. UU.) en la década de 1960 para la producción de tubería de fibra de vidrio. Con el devanado de anillo en espiral (SKN), el apilador, que es un anillo con troqueles espaciados uniformemente alrededor de la circunferencia, se mueve hacia adelante y hacia atrás a lo largo del eje del mandril giratorio. Este movimiento asegura que las fibras sean continuas a lo largo de toda su longitud con un paso igual a lo largo de las líneas helicoidales. Al variar la relación entre la velocidad de rotación del mandril y el movimiento de traslación del apilador, es posible cambiar el ángulo de apilamiento de las fibras. En las secciones finales de la tubería en la zona de inversión del apilador, el ángulo de colocación de las fibras se reduce de manera que se mantienen en la superficie del mandril por fuerzas de fricción. Debido a esto, las fibras retienen la tensión que les da el apilador, y después del curado del ligante, el refuerzo de la tubería se tensa, lo que mejora las propiedades físicas y mecánicas del producto.
Las ventajas del devanado de anillos en espiral incluyen:
Debido a estas ventajas, el devanado de anillos en espiral se ha generalizado en la fabricación de tuberías de alta presión (en particular, tubería), tuberías estructurales, soportes compuestos para líneas de transmisión de energía y carcasas de motores de cohetes de combustible sólido.
Sin embargo, esta tecnología tiene sus inconvenientes:
Debido a estas desventajas, el devanado de anillos en espiral rara vez se usa para la producción de tuberías de gran diámetro.
Bobinado de cinta espiralSegún el principio, el bobinado de cinta en espiral (SLN) no difiere del bobinado de anillo en espiral, sin embargo, el apilador forma solo una cinta estrecha que consta de varias decenas de fibras. La continuidad del refuerzo está asegurada por múltiples pasadas del apilador. Esta tecnología es más simple que la espiral-anular y permite la formación de tuberías de grandes diámetros, pero tiene una serie de desventajas:
Sin embargo, el bobinado de cinta en espiral se usa ampliamente en la producción de tuberías de uso general de baja y media presión.
Bobinado longitudinal-transversalCon el enrollado longitudinal-transversal (PPN), las fibras que refuerzan la tubería en las direcciones longitudinal y transversal se colocan independientemente unas de otras. En este caso, no es necesario un movimiento inverso del apilador y este método es adecuado para bobinado continuo. Las ventajas de PNP incluyen:
Desventajas de la NPP:
El bobinado longitudinalmente transversal ha encontrado una amplia aplicación en la producción en línea de tuberías de fibra de vidrio de diámetros pequeños (hasta 75 mm).
Bobinado longitudinal-transversal oblicuoLa tecnología se desarrolló en la URSS en el Instituto de Aviación de Kharkov para la producción en masa de proyectiles de fibra de vidrio para cohetes. Poco conocido fuera de Rusia y Ucrania. En Rusia, por el contrario, estuvo muy extendida hasta mediados de la década de 2000. En el caso del bobinado longitudinal-transversal oblicuo (CCW), un apilador forma una pseudocinta que consta de un haz paralelo de fibras impregnadas con un aglutinante, enrollado en un ligero ángulo en la superficie del mandril (formando un refuerzo anular), que se envuelve preliminarmente con fibras no impregnadas, que forman un refuerzo axial después de la colocación. Pseudo-dolent se coloca en el mandril con una superposición en la bobina anterior. Después de colocarlas sobre el mandril, las capas de pseudocinta se enrollan mediante rodillos, cuya superficie exterior tiene líneas helicoidales. El rodillo compacta la capa de refuerzo, eliminando el exceso de ligante. Como resultado, el apilamiento de fibras es muy denso y la capa de unión entre ellas tiene un espesor mínimo, lo que tiene un efecto positivo en la resistencia de la fibra de vidrio y reduce su combustibilidad. Gracias al laminado es posible obtener un contenido de vidrio en la fibra de vidrio curada del 75-85% en peso - resultado inalcanzable por otros métodos (SKN da un contenido de vidrio del orden del 65-70%, y SLN y PPN - 45-60%). Al variar la superposición, es posible cambiar el grosor de la pared de la tubería colocada en una sola pasada. Este método hace posible implementar un bobinado continuo, así como bobinar tuberías de gran diámetro con una pequeña cantidad de fibras colocadas simultáneamente.
Las ventajas de CPP incluyen:
Las desventajas de CPP incluyen:
El enrollado con tela de fibra de vidrio se usa relativamente raramente, debido al mayor costo de la tela de fibra de vidrio en comparación con las fibras no tejidas. En términos de propiedades tecnológicas, el bobinado con fibra de vidrio está cerca del CPV y, a veces, se usa para la producción a pequeña escala de tuberías de gran tamaño.
En 1957, en la ciudad suiza de Basilea, nació la idea de utilizar tubos de plástico reforzado con fibra de vidrio fundidos por centrifugación (CC-GRP - Centrifugally Cast Glassfiber Reinforced Plastic). Esta tecnología fue desarrollada, aplicada y patentada por primera vez por HOBAS
En este método, los materiales que componen la pared de la tubería son alimentados por un alimentador controlado por un controlador digital al interior de un molde de acero que gira rápidamente.
La composición de los materiales es resina de poliéster, fibra de vidrio troceada, arena de cuarzo y harina de mármol.
El diámetro interior del molde giratorio es el diámetro exterior de la tubería de fibra de vidrio terminada. Esto hace posible obtener una tubería con una precisión de diámetro exterior de 0,1 mm.
Este método también permite hacer que la pared de la tubería sea más homogénea y monolítica, para evitar inclusiones gaseosas y delaminaciones.
Dado que la pared de la tubería se puede colar en casi cualquier espesor, los productos compuestos con mayor rigidez anular (más de SN 12 000 n/m² y las tuberías para microtúneles que pueden soportar altas cargas axiales se fabrican principalmente de esta manera.
La pultrusión es un método de alto rendimiento para la producción de tuberías de fibra de vidrio y garantiza una alta calidad de la superficie exterior e interior. Al mismo tiempo, la pultrusión tiene una serie de limitaciones:
La pultrusión se utiliza para la producción en serie de tuberías de fibra de vidrio de diámetros pequeños y presiones de trabajo bajas para fines de plomería y calefacción, así como en la producción de varillas de fibra de vidrio.
Los tubos de fibra de vidrio extruidos no tienen un marco de refuerzo regular sólido. El aglutinante se rellena con fibra de vidrio picada orientada al azar. Esta tecnología es simple y altamente productiva, pero la ausencia de refuerzo sólido empeora significativamente las características físicas y mecánicas de las tuberías. Los termoplásticos (polietileno, polipropileno) se utilizan principalmente como matriz polimérica para tubos de fibra de vidrio extruidos.
La relevancia y viabilidad económica del uso de tuberías de fibra de vidrio está determinada por una serie de sus características operativas en comparación con otros tipos de tuberías.
Sobre la base de estas características, se han formado una serie de áreas de aplicación de tuberías de fibra de vidrio:
En la industria petrolera, las tuberías de fibra de vidrio se utilizan debido a su alta resistencia a la corrosión en ambientes agresivos (aguas de formación, petróleo crudo, fluidos de perforación y de proceso) en comparación con el acero y su alta resistencia específica en comparación con los polímeros termoplásticos [2] .
La fibra de vidrio se utiliza para fabricar tubos y tuberías de conducción (sistemas RPD) con un diámetro de hasta 130 mm para presiones de operación de hasta 30 MPa, tuberías para oleoductos con un diámetro de hasta 300 mm para presiones de operación de hasta 5 MPa, tuberías principales con un diámetro de hasta 1200 mm para presiones de funcionamiento de hasta 2,5 MPa.
En la industria del carbón, existen restricciones sobre los materiales utilizados en las labores mineras cerradas. Por lo que las normas de seguridad en las minas de carbón establecen que los productos elaborados con materiales no metálicos ubicados en labores mineras cerradas deben tener un índice de oxígeno de al menos 28%, ser de combustión lenta, de difícil ignición (según GOST 12.1.044) , y sus productos de combustión no deben ser altamente tóxicos. Por estas razones, el uso de tuberías de polietileno y polipropileno en las minas de carbón es imposible. Al mismo tiempo, las tuberías de fibra de vidrio cumplen con estos requisitos. El uso de tuberías de fibra de vidrio en las minas es recomendable por varias razones:
Las tuberías de fibra de vidrio han encontrado aplicación en viviendas y servicios comunales, principalmente como tuberías de alcantarillado. Esto se debe al hecho de que las tuberías de alcantarillado tienen diámetros del orden de 600-2500 mm, funcionan sin presión interna bajo cargas externas del suelo y la presión del agua subterránea. La alta rigidez anular de la fibra de vidrio le permite crear tuberías para estas condiciones.
Otra aplicación de las tuberías de fibra de vidrio en viviendas y servicios comunales son los vertederos de basura. En los últimos 10-15 años, las tuberías de fibra de vidrio también se han utilizado como conductos de humos en calderas de gas y centrales térmicas.