Tuberías de gran espesor y diámetro: cómo evitar la flexión en la extrusión de tuberías

El aumento del uso de tuberías de gran diámetro, de 630 mm a 1200 mm, en diversas aplicaciones ha alentado el desarrollo de materiales PE100 adecuados para tuberías de gran diámetro para evitar problemas durante la extrusión, como la flexión.

Mantener las dimensiones dentro de las especificaciones es problemático para la extrusión de tuberías de HDPE de pared gruesa de gran diámetro (> pared de 75 mm) debido a la flexión causada por una resistencia de fusión de resina insuficiente.

A medida que el diámetro de la tubería de HDPE aumenta durante la extrusión:

• El grosor aumenta;
• El tubo no se enfría eficazmente desde el interior y dentro del núcleo;
• La velocidad lineal disminuye.

Las tuberías de gran diámetro suelen tardar 3,3 horas en fabricarse y pueden tener varios segmentos de:

• Diferente cristalinidad;
• Diferentes grosores;
• Diferente contenido de humedad, etc.

Desarrollo de la cristalinidad:

En la mayoría de los procesos de extrusión de HDPE, del 60 % al 80 % de la cristalización se lleva a cabo durante la fase de enfriamiento del procesamiento y hasta el 90 % ocurre dentro de una semana de procesamiento. La cristalización restante puede tardar meses en completarse, dependiendo de la temperatura ambiente. Sin embargo, la cristalización continúa hasta que se logra una estructura cristalina estable.

El problema de la flexión en la extrusión de tuberías:

Para tuberías de paredes gruesas, el interior de la pared permanece fundido  durante mucho tiempo, lo que causa unflujo de fusión descendente llamado flexión o pandeo.

La flexión en la extrusión de tuberías puede causar una falta de uniformidad grave  en el grosor de la pared de la tubería, aumentar la ovalidad, compensar la concentricidad de la tubería y crear desperdicios de material en la parte inferior de la tubería, lo que añade gastos de producción adicionales y la calidad del producto final no es óptima.

El pandeo siempre ocurre al fabricar tuberías de paredes gruesas de gran diámetro y consiste en el flujo del material desde la parte superior a la inferior del tubo antes de que el agua de refrigeración lo haya congelado.

Hay dos formas de ayudar a eliminar la flexión en la extrusión de tuberías:

a) Compensando la separación del troquel, pero esto lleva tiempo y siempre lleva al uso de material adicional; La compensación del troquel también ayuda a evitar un alto grosor de pared en la parte inferior.

b) Mediante el uso de material HDPE con un nivel de pandeo bajo y la optimización del proceso de enfriamiento. Se cree que una composición bimodal de polietileno con una alta viscosidad a una baja tensión de cizallamiento mejora el comportamiento de pandeo de la fusión polimérica. El tubo se extruye a través de un troquel convertido en anillo y se enfría en superficies internas y externas.

Compensación del troquel:

La forma convencional de reducir el pandeo en los procesos de extrusión de tuberías es ajustando manualmente la excentricidad del troquel hasta que se logre un perfil de espesor de pared aceptable. Este tedioso procedimiento de prueba y error puede tomarhasta varios intentos para obtener el perfil correcto. Para minimizar los esfuerzos y compensar el efecto del pandeo, el espacio del troquel se debe ajustar antes de comenzar la extrusión de tal manera que el espacio del troquel esté más en la parte superior y menos en la parte inferior del troquel.

Podemos utilizar un instrumento ultrasónico de medición de espesor en línea, con cuatro ubicaciones a 90 ° entre sí y que muestren la variación de espesor en la pantalla. De manera alternativa, se puede utilizar equipo portátil para medir el espesor en línea en varios lugares de la tubería.

En cuanto se sepa la variación de espesor, se puede ajustarla alterando la temperatura del calentador segmentado adecuadamente para controlar el espesor y ahorrar desperdicios, así como mejorar la calidad.

¿Qué es el HDPE con un bajo nivel de flexión?

Las modernas resinas de «baja flexión» permiten producir tuberías con diámetros más grandes y paredes más gruesas que antes. Se necesitan composiciones especiales de polietileno que muestren un equilibrio mejorado entre un bajo nivel de flexión y la procesabilidad para soportar tuberías de presión de gran diámetro (hasta 1200 mm) con una pared de 100 mm de grosor, que se pueden extruir con líneas existentes y ajustes estándar de los cabezales del troquel. La composición también debe mostrar un buen equilibrio de propiedades mecánicas y resistencia a la presión para cumplir con los requisitos de PE100. (Backman, M & Lind, C. 2001).

Debido al alto espesor de la pared y al lento proceso de enfriamiento gobernado por la conductividad térmica del PE, es de suma importancia que el HDPE en estado fundido posea suficiente resistencia a la fusión para evitar que el material se hunda en el fondo de la tubería.

Se ha intentado lograr esto mediante un diseño molecular de HDPE que consigue un buen equilibrio entre la alta resistencia a la fusión y una buena procesabilidad y rendimiento.

El uso del hexeno como comonómero en resina PE100 desarrollada específicamente para tuberías de diámetro muy grande es conocido porque aporta los siguientes beneficios:

• Mejor resistencia al crecimiento de grietas lentas;
• Mejor resistencia contra la propagación rápida de grietas;
• Resistencia de fusión superior (flexión baja).

BorSafe HE3490-ELS-H, PE100 es un material en el que se ha ajustado la distribución del peso molecular para aumentar la viscosidad a bajas velocidades de cizallamiento, lo que reduce la flexión en los procesos de extrusión de tuberías, al mismo tiempo que permite el uso del mismo material para tuberías de un diámetro más pequeño. Es un material bimodal de polietileno MRS 10 de alta densidad especialmente diseñado para simplificar la producción de tuberías de HDPE de paredes gruesas y de gran diámetro (por encima de 80 mm de grosor) a través de su excepcional resistencia a la flexión y una resistencia superior a la fusión. Numerosos ensayos han demostrado un promedio de hasta un 7% de ahorro de material y un mejor control dimensional en comparación con el estándar PE100 cuando se fabrican tuberías con un espesor de pared superior a 80 mm, independientemente del diámetro exterior de la tubería. Por ejemplo, se han llevado a cabo ensayos para tubos de 1200mm x SDR 11 con material estándar de baja flexión y material con un nivel de flexión extrabajo. El ensayo mostró claramente una mejor distribución del grosor de la pared lograda con el material con un nivel de flexión extrabajo. (Abdullah Saber & Hussein Basha,2021).

Por otra parte, utilizando las herramientas correctas y el material de baja flexión, el valor de sobreponderación puede mantenerse bajo, lo que conduce a una reducción de la materia prima y, como consecuencia, una reducción de los costos de producción. Normalmente, los fabricantes de tubos tratan de trabajar al 30 % de la tolerancia de espesor. Esto se debe a dos razones: para tener un alto nivel de calidad pero, sobre todo, para reducir los costes de producción. El objetivo es tener una sobreponderación del 3-3,5 %.