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La tubería de hierro fundido es una tubería fabricada predominantemente de hierro fundido gris . Históricamente se utilizó como tubería de presión para la transmisión de agua, gas y aguas residuales, y como tubería de drenaje de agua durante los siglos XVII, XVIII, XIX y XX.
En muchas aplicaciones modernas, las tuberías de hierro fundido han sido reemplazadas por tuberías de hierro dúctil , pero este producto más nuevo todavía se conoce vagamente por el nombre histórico más antiguo.
Las tuberías de hierro fundido más antiguas datan del siglo XVII y se instalaron para distribuir el agua por los jardines del Palacio de Versalles. Se trata de unos 35 km de tuberías, normalmente de 1 m de longitud con juntas embridadas. La antigüedad de estas tuberías les confiere un valor histórico considerable. A pesar de una importante renovación en 2008 a cargo de Saint-Gobain PAM, el 80% de las tuberías se conservan originales.
El hierro fundido resultó ser un material beneficioso para la fabricación de tuberías de agua y se utilizó como reemplazo de las tuberías de olmo originales utilizadas anteriormente. Estas tuberías de agua estaban compuestas de secciones de tubería fundidas individualmente, a menudo denominadas varillas, unidas entre sí mediante una variedad de mecanismos de unión. Las juntas con bridas consistían en superficies mecanizadas planas que se atornillaban firmemente entre sí con una junta entre ellas para evitar fugas. Este tipo de unión de tuberías todavía se utiliza en la actualidad, generalmente para tuberías sobre el suelo en plantas de tratamiento de agua y fabricación.
Las tuberías de hierro fundido se utilizaban frecuentemente sin revestimiento, aunque los revestimientos y recubrimientos posteriores redujeron la corrosión y mejoraron la hidráulica. En las tuberías de hierro fundido, el grafito forma escamas durante el proceso de fundición, cuando se examina bajo un microscopio. Las tuberías de hierro fundido fueron reemplazadas por las tuberías de hierro dúctil , que es un desarrollo directo, y la mayoría de las plantas de fabricación existentes hicieron la transición al nuevo material durante los años 1970 y 1980. Las tuberías de hierro dúctil son diferentes al hierro fundido, porque la introducción de magnesio durante el proceso de fundición hace que el grafito forme esferas (nódulos de grafito) en lugar de escamas. Si bien esto permite que el material siga siendo moldeable, el producto final es mucho más resistente que el hierro fundido y permite un comportamiento elástico a niveles de tensión más bajos. [1] Actualmente se fabrican pocas tuberías de hierro fundido, ya que las tuberías de hierro dúctil son ampliamente aceptadas como un producto superior. Muchos servicios públicos, municipios e industrias privadas todavía tienen tuberías de hierro fundido funcionales en servicio hasta el día de hoy.
En una unión de campana y espiga [2], se ensancha un extremo de la varilla de la tubería, lo que se denomina campana o casquillo, para permitir que se inserte el extremo opuesto de la siguiente varilla, el extremo de la espiga, para crear una unión. Los huecos en estas uniones se rellenaban con estopa o hilo para retener el plomo fundido, que se solidificaba formando una unión impermeable. Esta era una operación que requería mucho trabajo y la calidad del sello dependía de la habilidad del trabajador.
Las uniones mecánicas se hacían atornillando un anillo seguidor móvil en la espiga cerca de la campana correspondiente, que comprimía una junta en el medio. Muchas tuberías de agua hoy en día utilizan uniones mecánicas, ya que son fáciles de hacer y no requieren habilidades especiales para instalarlas. Este tipo de unión también permite que se produzca cierta deflexión sin sacrificar la integridad de la unión, de modo que se pueden realizar pequeños ajustes de alineación durante la instalación y las uniones conservan su integridad cuando se someten a un hundimiento limitado . Las deflexiones típicas de las juntas en las uniones mecánicas hoy en día varían entre 3 y 5 grados.
Las juntas esféricas introdujeron conectores más "redondeados", lo que permitía una cantidad relativamente grande de deflexión en cada junta. Este tipo de junta, que todavía se usa hoy en día, se consideraba una junta para fines especiales y se ha utilizado principalmente en terrenos sumergidos y montañosos. Este tipo de junta puede permitir típicamente alrededor de 15 grados de deflexión en cada junta, lo que hace posible el "serpenteo" de la tubería. [3] La ventaja de este tipo de junta era que era más rápida que las juntas de campana y espiga, y no requería habilidades o herramientas especiales para instalarla.
Las uniones a presión, desarrolladas a mediados de la década de 1950, permitieron un método más rápido y que no requería mucha habilidad para unir tuberías. Esta unión consistía en una campana con una ranura cóncava que sujetaba una junta de goma. Se puede introducir una sección de espiga biselada lubricada en esta unión con cuidado, para no hacer rodar la junta de goma, y una vez instalada queda hermética. Este tipo de sistema de unión es popular hoy en día con las tuberías de hierro dúctil y cloruro de polivinilo (PVC).
Los primeros tubos de hierro fundido se fabricaron en moldes horizontales, en los que el núcleo del molde se apoyaba sobre pequeñas varillas de hierro que se convertían en parte del tubo. La fundición horizontal daba como resultado una distribución desigual del metal alrededor de la circunferencia del tubo. Normalmente, la escoria se acumulaba en la corona del tubo, lo que creaba una sección mucho más débil.
En 1845, se fundió el primer tubo verticalmente en un pozo y, a finales de siglo, todos los tubos se fabricaban con este método. Con este método, la escoria se acumulaba en la parte superior de la pieza fundida y se podía eliminar simplemente cortando el extremo del tubo. Los tubos fundidos con este método a menudo sufrían de perforaciones descentradas causadas por la colocación del núcleo del molde descentrado, lo que hacía que un lado del tubo fuera más grueso que el otro.
Después de su invención por parte de Dimitri Sensaud deLavaud, un francobrasileño, en 1918, gran parte de la fabricación de tubos de hierro fundido pasó a utilizar la técnica radicalmente diferente de la fundición centrífuga . La producción moderna de tubos de hierro dúctil sigue utilizando este método general de fundición.
Históricamente, se han utilizado dos tipos diferentes de moldes en la fundición centrífuga de tubos de hierro fundido: moldes de metal y moldes de arena. En los moldes de metal, se introducía hierro fundido en el molde para distribuir uniformemente el metal sobre el interior de la superficie del molde mediante la fuerza centrífuga generada. El molde exterior se protegía normalmente de los daños mediante un baño de agua controlado o un sistema de pulverización de agua. Cuando el tubo se enfriaba lo suficiente para manipularlo y mantener su forma, se detenía el molde y se retiraba el tubo. Los tubos formados en moldes de metal normalmente se recocían después de la fundición para eliminar cualquier tensión en el tubo y luego se limpiaban, inspeccionaban, probaban, calibraban (para conocer las dimensiones), recubrían interna y/o externamente y almacenaban para su uso. La Asociación Estadounidense de Obras Hidráulicas estableció y publicó normas para los tubos de hierro fundido fundidos centrífugamente en moldes de metal para agua. [4]
En el caso de la fundición con moldes de arena, se utilizaron dos tipos de procesos de fabricación. En el primer método, se colocaba un patrón de metal en un matraz de metal y se introducía arena de moldeo en el espacio anular entre el matraz y el patrón. A continuación, se retiraba el patrón para fundir el tubo con hierro gris fundido. El segundo método no implicaba un patrón de metal, sino que implicaba la formación del molde de forma centrífuga revistiendo el matraz calentado con una cantidad medida de resina termoendurecible y arena. En cualquier caso, la máquina de fundición se detenía después de que el tubo se hubiera solidificado y se retiraba el matraz. Los tubos de hierro fundido formados con este procedimiento se enfriaban normalmente en un horno en condiciones de tiempo y temperatura controladas. Al igual que con los moldes de metal, los tubos se recocían normalmente para eliminar cualquier tensión en ellos y, a continuación, se limpiaban, inspeccionaban, probaban, calibraban (para conocer las dimensiones), se recubrían interna y/o externamente y se almacenaban para su uso. [5] La Asociación Estadounidense de Obras Hidráulicas estableció y publicó normas para los tubos de hierro fundido fundidos de forma centrífuga en moldes de arena para agua. [6]
La corrosión de las tuberías de hierro fundido puede ocurrir tanto en las superficies internas como externas. En la corrosión electroquímica, se desarrollan ánodos internos donde el hierro desnudo se expone a aguas agresivas, lo que promueve que el hierro se disuelva. El hierro se combina con varios componentes en el agua, formando un tubérculo en el interior de la tubería. Este proceso de tuberculación puede eventualmente causar restricciones significativas en el área de la sección transversal dentro de la tubería. Dado que los tubérculos tienen forma irregular, es probable que se acumulen crecimientos bacterianos en la superficie. A medida que más hierro se disuelve, el resultado es una pérdida de la estructura de la tubería con el tiempo que puede afectar la integridad de la tubería. En los sistemas de alcantarillado pluvial y sanitario , la creación de gases ácidos (como el sulfuro de hidrógeno ) por acción microbiana puede corroer aún más las paredes internas de la tubería, pero es más pronunciada en el "techo" interior de la tubería.
A partir de 1922, se introdujeron los revestimientos internos de cemento para actuar como barrera y minimizar la corrosión interna. En 1929, el Comité Seccional de la Asociación Estadounidense de Normas (ASA) emitió una norma provisional para revestimientos de mortero de cemento, que se publicó en 1932. En 1939, se publicó la Norma Estadounidense A21.4, que definía el revestimiento de cemento Tipo I que se debía utilizar en el interior de las tuberías de las líneas de agua. Cuando se actualizó la norma en 1953, el cemento Tipo I se reemplazó por el Tipo II, ya que se creía que el Tipo II era un producto más controlado. La norma se revisó nuevamente en 1964, lo que incluyó el uso de cemento Tipo I o Tipo II y la disponibilidad de dos espesores de mortero diferentes. [7]
La primera estandarización de las tuberías de agua de hierro fundido en Gran Bretaña se produjo en 1917 con la publicación de la BS 78. Esta norma especificaba un tamaño nominal adimensional, que se correspondía aproximadamente con el diámetro interior en pulgadas de la tubería, y cuatro clases de presión, Clase A, Clase B, Clase C y Clase D, cada una con un espesor de pared y un diámetro exterior específicos. Se observa que el diámetro exterior es idéntico entre las clases, con la excepción de los tamaños 12 a 27, donde las Clases A y B comparten un diámetro y las Clases C y D tienen otro diámetro más grande.
La BS 78 fue finalmente reemplazada cuando el Reino Unido armonizó con estándares europeos incompatibles, sin embargo, las dimensiones exteriores especificadas continúan vigentes (aunque en forma métrica) como el diámetro exterior de tubería estándar para tuberías de hierro dúctil en Australia y Nueva Zelanda a través de la especificación descendiente, AS / NZS 2280.