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Comparación entre tuberías de FRP y tuberías de acero

La tubería de acero es un material tradicional para tuberías, fabricado a partir de chapa de acero enrollada de forma espiral en una forma cilíndrica y luego soldada. En términos de resistencia y rigidez, tanto la tubería rellena de arena de fibra de vidrio (FRP) como la tubería de acero tienen características destacadas. Sin embargo, desde la perspectiva de resistencia a la corrosión y vida útil, características hidráulicas, consumo energético, calidad del agua, transporte, instalación y precio, la tubería rellena de arena de FRP es más competitiva que la tubería de acero.

1. Comparación del rendimiento técnico

1.Flexibilidad en el diseño

La tubería de FRP tiene flexibilidad en el diseño y puede ser diseñada y fabricada para cualquier combinación de parámetros técnicos aplicables, lo que puede maximizar las necesidades y requisitos de los clientes; mientras que el diseño de la tubería de acero tiene menos enfoque y solo tiene esta característica en cierta medida.

2.Rendimiento de la resistencia

La tubería de FRP tiene un rendimiento de resistencia, la presión de trabajo permitida puede alcanzar los 6.4MPa, y el factor de seguridad de diseño es más de 6 veces.

1.Resistencia a la tracción: Dependiendo de la disposición de las fibras y su contenido, la resistencia a la tracción circunferencial aparente de la tubería de FRP puede estar entre 140520MPa, y la resistencia a la tracción axial puede estar entre 70320MPa.

2.Resistencia a la flexión: Dependiendo de la disposición de las fibras y su contenido, la resistencia a la flexión circunferencial aparente de la tubería de FRP puede estar entre 154~340MPa. No solo la boca de la tubería es una interfaz flexible, sino que la tubería también es flexible.

3.Resistencia al impacto: La tubería de FRP tiene una buena resistencia al impacto de más de 300kgf•cm/cm2. Las pruebas han mostrado que la tubería de FRP de Φ2600 cayó libremente desde una altura de 1.8m sin sufrir ningún daño.

3.Rendimiento de la rigidez

En términos de rendimiento de rigidez, ambos pueden satisfacer las necesidades de ingeniería. La tubería de FRP aumenta la rigidez añadiendo una capa de arena en la capa media de la pared de la tubería, que soporta menos esfuerzo de flexión según las necesidades de ingeniería, lo que puede cumplir con cualquier requisito de rigidez propuesto por el usuario. La rigidez de la tubería de acero es suficientemente grande y puede ser ignorada. En términos de resistencia a sobrecargas inesperadas a corto plazo (como camiones), las tuberías de FRP pueden soportarlas a través de su deformación elástica y regresar automáticamente a su estado original una vez que se retira la carga; mientras que las tuberías de acero son fácilmente cortadas o rotas bajo ciertas deformaciones.

4.Vida útil

El material base de las tuberías de FRP es un material polimérico extremadamente estable, y su presión de ruptura está diseñada para ser 6 veces la presión de trabajo, lo que puede garantizar una vida útil de 50 años (según los estándares AWWA, ASTM).

La vida útil de las tuberías de acero generalmente es de 20 años, con mantenimiento frecuente durante su operación, mantenimiento difícil y alto costo. Cuando la tubería de acero está enterrada, factores como la calidad del agua en la tubería, el suelo circundante, las aguas subterráneas y la presencia de un campo eléctrico cerca del área enterrada pueden causar corrosión en las paredes internas y externas de la tubería. Por lo tanto, el estándar estipula que las superficies internas y externas de la tubería deben estar recubiertas con asfalto u otros materiales anticorrosivos. Debido a que el material del recubrimiento es diferente al de la tubería de acero, en la operación a largo plazo, es fácil que se produzca estratificación y desprendimiento de la interfaz debido a los efectos de los cambios de temperatura, el impacto hidráulico, etc., lo que reduce la vida útil debido a la corrosión electroquímica.

5.Comparación de características hidráulicas

La pared interna de la tubería de FRP es muy lisa. El valor del coeficiente de rugosidad de Hazen-Williams C de la nueva tubería de FRP es 160-165, y su valor de diseño conservador (calculado en 50 años) es 150. El valor de C de la nueva tubería de acero es 120, y después de su uso, C = 65. La reducción del valor de C se debe a la oxidación de las moléculas de hierro en la superficie interna de la tubería y la corrosión electroquímica reflejada en la acumulación de escamas en la pared interna.

Datos comparando la velocidad de flujo de la tubería de acero y la tubería de FRP. Debido a que la rugosidad absoluta de la nueva tubería de acero es de 0.05mm, la rugosidad absoluta de la tubería de acero corroída es de 3mm, siendo la rugosidad de la tubería de acero corroída 60 veces mayor que la de la tubería de acero sin corroer. Tomando el valor promedio del coeficiente de rugosidad Hazen-Williams C de la tubería de acero como 100 y el valor C de la tubería de FRP como 150, la velocidad de flujo de una tubería de FRP de 12 pulgadas es equivalente a la de una tubería de acero de 14 pulgadas. En otras palabras, con el mismo diámetro de tubería, la velocidad de flujo de la tubería de FRP es un 36% mayor que la de la tubería de acero.

6.Comparación de consumo energético

Dado que el coeficiente de rugosidad Hazen-Williams C de las tuberías de acero disminuye significativamente con los años, su consumo energético también aumentará considerablemente. El consumo energético de las tuberías de acero es mucho mayor que el de las tuberías de FRP. Las dos principales razones son la oxidación y los electrones.