Análisis numérico de la rotura de la tubería de presión a base de caucho y cordones poliméricos

Numeric analysis of the burst pressure pipe based on rubber and polymeric cords

Este trabajo investiga el efecto de cordones de poliamida, poliéster, poliaramida e híbridos (poliamida y poliaramida) como refuerzo de elastómeros utilizados en la fabricación de mangueras marinas. El comportamiento del tubo elastomérico reforzado con estos cordones bajo presión interna se simuló con análisis de elementos finitos (FEA) utilizando elementos denominados barras de refuerzo. Para obtener datos de entrada para el modelo, se evaluaron las propiedades de tracción de los cordones. El cordón de poliaramida mostró la mayor tensión de rotura, el de poliamida el mayor alargamiento de rotura y el cordón híbrido mostró valores intermedios. 

El criterio de fallo adoptado para la tubería consistió en examinar la fuerza admisible en el cordón. Los análisis se centraron en la variación de la presión y la deformación a la rotura de la tubería con el ángulo de orientación de los cordones a lo largo del tubo elastomérico. Los resultados mostraron que los ángulos próximos a 55° daban lugar a tubos más resistentes pero menos rígidos en su dirección longitudinal.

INTRODUCCIÓN

Los tejidos para el refuerzo de elastómeros suelen fabricarse con cordeles hechos de fibras sintéticas de poliamida y poliéster, o una combinación de ellas, con una trama de hilos de algodón o material similar. Este tipo de refuerzo se utiliza ampliamente en la fabricación de neumáticos, diversos artículos de caucho y mangueras flexibles para el transporte de petróleo, proporcionando propiedades como una rigidez y resistencia adecuadas. Los tejidos de fibras sintéticas se fabrican mediante el proceso de tejido a partir de hebras obtenidas por torsión de las fibras, lo que confiere a la hebra propiedades a medida, en particular un comportamiento a la tracción para la mayoría de las aplicaciones. Antes de incorporarse a los elastómeros, estos materiales pasan por el proceso de inmersión, que consiste en un tratamiento con agentes químicos para conseguir una mejor adherencia entre los componentes y mejores propiedades físico-mecánicas.

La poliamida (Nylon®) y el poliéster (Dacron®) se utilizan tradicionalmente en tuberías o mangueras debido a su elevado alargamiento a la rotura (20% y 13,5% respectivamente), que reduce la rigidez del equipo. Sin embargo, tienen poca resistencia en comparación con las fibras de alto rendimiento disponibles hoy en día. Las fibras de carbono y de vidrio E tienen un bajo alargamiento a la rotura (en torno al 2,0%) y se utilizan menos en este contexto, mientras que la poliaramida (Kevlar®, Nomex®, Twaron®) ofrece una alta resistencia, en torno a 2800 MPa.

Estudios anteriores han evaluado las propiedades mecánicas de los tejidos de cuerda/caucho mediante micromecánica de compuestos.