Roscas modificado

Tuberías, Bridas, Roscas y Accesorios.

Objetivo

Con base en una prueba de conceptos teóricos sobre roscas, tuberías, bridas y accesorios de tuberías, el usuario debe responderla correctamente.

Introducción Todos alguna vez hemos visto un tornillo, una tuerca o un tubo; los hay en infinidad de construcciones, aparatos, máquinas y elementos de uso cotidiano. Lo que no todos saben es que cada condición c ondición de trabajo requiere un tornillo, tubo o accesorio específico. Este módulo dará a conocer los conceptos básicos de nomenclatura de nomenclatura y tipos de roscas, tubería, bridas y accesorios de tuberías para aprender a identificarlos, distinguirlos y usarlos correctamente. Si desea más información como dimensiones, tolerancias t olerancias y especificaciones detalladas debe remitirse a las normas ANSI, ASME o ISO.

Contenido Roscas Definición de rosca  Perfil rosca unificada  Perfiles de roscas comunes  Hilos por pulgada  Tipos de ajustes  Nomenclatura  Series estándares  Tipos de tornillos  Tipos de cabeza  Marcadores en la cabeza  Arandelas •

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Roscas en Tuberías Roscas en tuberías  NPT  NPS  Otros tipos de roscas •

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Bridas Bridas o flanches  Tipos de bridas  Clases  Otras especificaciones  Fotos •

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Tuberías Tuberías  Tamaño Nominal  Schedule  Tamaños y Schedule  Construcción del tubo •

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Accesorios de Tuberías De soldadura tope  De encaje  Con rosca  Con brida  Tipos de accesorios Thredolet y Weldolet  Fotos  Acoples en ramificaciones •

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Materiales

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Roscas

Definición de Rosca Es un hilo de sección uniforme enrollado en forma de hélice sobre la superficie interna o externa de un cilindro o cono, donde la hélice es una curva generada por un punto que se mueve uniformemente alrededor del cilindro o cono de forma paralela. Curva helicoidal

Perfil de la rosca Unificada

Definiciones de la rosca Paso: Distancia entre cresta y cresta.

Diámetro Mayor: Diámetro entre cresta y cresta; este valor es el mismo tamaño de la rosca.

Diámetro

Menor:

Diámetro

entre

base y base. Diámetro de Paso: Diámetro medio entre cresta y base; éste es el que se mide en la práctica con un micrómetro*

*El micrómetro es un instrumento de precisión para medir el diámetro de las roscas.

Perfiles de roscas comunes Nacional Unificada: Son las más usadas en el sistema americano (ANSI). Vienen con la base recta o redondeada para distribuir los esfuerzos y hacer la rosca más resistente a la fatiga. Las roscas, tuberías y accesorios que se tratarán en este módulo se basan en la nomenclatura ANSI o  ASME (americana); las referencias europeas y  japonesa (DIN, British Standard, JIS) fueron omitidas.

Perfiles de roscas comunes ACME y Cuadrada: Su uso particular es transmitir potencia y un ejemplo de ello es el tornillo sinfín. Este tipo de rosca es el empleado en el mecanismo de cierre o apertura de las válvulas de compuerta.

Hilos por pulgada Es la cantidad de crestas (filos) que tiene la rosca en una pulgada de longitud. Una rosca:

1/2 - 13 UNC

Tiene media pulgada de diámetro mayor y 13 hilos por pulgada. La rosca es nacional unificada gruesa (los tipos de rosca se explicarán mas adelante). Como se mencionó anteriormente el paso es la distancia entre cresta y cresta en una rosca. Los hilos por pulgada y el paso tienen la siguiente relación:

Paso

1 Hilos por pulg ada

Por ejemplo, si una rosca tiene 13 hilos por pulgada su paso es de:

1"

Paso

1 13

0.0769"

Tipos de ajustes Indican el grado de tolerancia de la rosca (apretada o floja) y si es externa (tornillos) o interna (tuercas o agujeros roscados).

1 2 3 A B LH

Mayor tolerancia: Cuando requiere facilidad de armado y el ajuste no es importante. Tolerancia Media: Son los más comunes Tolerancia Mínina: Dan un buen ajuste. Rosca externa. Rosca interna. Rosca izquierda (Left Hand Thread)

Una rosca 1/4 - 28 UNF 2B es: De 1/4" de diámetro mayor, con 28 hilos por pulgada, Nacional unificada fina, de tolerancia media y rosca interna. Puede tratarse de una tuerca o un agujero roscado.

Nomenclatura La norma americana (Nacional Unificada o UN) es la nomenclatura más usada para los elementos roscados en el campo. Los tipos de roscas unificadas se clasifican en: UNC (Nacional unificada gruesa u ordinaria): Tiene menos hilos por pulgada que la rosca fina para el mismo diámetro nominal*. UNF (Nacional unificada fina): La serie Fina tiene más hilos por pulgada en comparación con la UNC y es por ello que el paso es menor *. UNS (Nacional unificada especial): Tiene un tipo de rosca no estándar y es usado en casos especiales. UNR (Nacional unificada Redondeada): La base de la rosca tiene un  entalle redondeado, dando más resistencia a la fatiga debido a la mejor distribución de esfuerzos que la rosca UNC. *Las ecuaciones y datos para desarrollar este tipo de nomenclatura, s e obtienen de las normas ANSI B1.1 y B18.3.1

Nomenclatura ISO El sistema métrico (ISO) tiene el mismo perfil que la rosca unificada a diferencia que el ángulo es de 55º y no 60º. Las roscas ISO se especifican expresando el diámetro y el paso en milímetros, en ese orden. Siempre son precedidas por la letra M, que indican que el sistema es métrico. Por lo tanto M12 x 1.75 es una rosca que tiene un diámetro mayor nominal de 12mm y un paso de 1.75mm. Note que a diferencia de la rosca ANSI, en la ISO se especifica el paso y no los hilos por pulgada. La nomenclatura de los tipos de roscas como la Whitworth (Británica), JIS (Japonesa) y la ACME (para transmisión de potencia) no son tratados en el módulo.

Series Estándares (ANSI) El tamaño de las roscas (diámetro mayor) cuando es superior a 1/4" se denota por fracciones de pulgada (5/8, 3/4, 1, etc.). Si es inferior a 1/4" se denota por números que nada tienen que ver con su diámetro. La tabla muestra el número de hilos por pulgada estándares para los tipos de rosca fina y gruesa.

Tamaño #0 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #8 #10 #12 1/4 5/16 3/8 7/16 1/2 9/16 5/8 3/4 7/8 1

[in.]  Mayor 0.060 0.073 0.086 0.099 0.112 0.125 0.138 0.164 0.190 0.216 0.250 0.313 0.375 0.438 0.500 0.563 0.625 0.750 0.875 1.000

UNC UNF Hilos / in. Hilos / in. 80 64 56 48 40 40 32 32 24 24 20 18 16 14 13 12 11 10 98

72 64 56 48 44 40 36 32 28 28 24 24 20 20 18 18 16 14 12

Tipos de Tornillos  No Pasante: Va incrustado en un agujero, el otro extremo queda dentro del material por lo tanto no requiere tuercas. Se le conoce también como tornillo goloso. •

 Pasante: Atraviesa el material, por lo que necesita de una tuerca en el otro

•

extremo para asegurarlo.

Tipos de Cabeza

Tipos de Cabeza

Marcadores en la Cabeza Indican el material y la resistencia a la tensión del tornillo (nomenclatura SAE). Generalmente entre más marcas mayor el grado y su resistencia mecánica.

Grado (SAE)

Material

1,2 o 4

 Acero (bajo carbono)

3

 Acero (medio carbono, trabajado en frío)

5

 Acero (medio carbono, con temple y revenido)

Resistencia a la Tensión (PSI)

65,000

110,000

120,000

Material

Resistencia a la Tensión (PSI)

6

 Acero (medio carbono, con temple y revenido)

140,000

7

 Acero aleado (con temple y revenido)

133,000

8

 Acero aleado (con temple y revenido)

150,000

Grado (SAE)

Arandelas o Roldanas Las arandelas (Washer ) tienen como función: Servir de apoyo a las tuercas o bases de los tornillos Distribuir las cargas sobre un área mayor para reducir la presión. Inmovilizar los sujetadores roscados.

• • •

Los tipos de arandelas más comunes son: Planas. Cónicas. De seguridad. • • •

Plana

Cónicas

De seguridad (Helicoidal)

De seguridad (Dentada)

Roscas en tuberías

Roscas en tuberías  Algunos tubos poseen roscas externas o internas para conectar accesorios, válvulas, medidores, uniones, etc. La norma nacional unificada para tuberías se divide en: NPT (National Pipe Taper): Rosca cónica, su diámetro exterior se va reduciendo.

NPS (National Pipe Straight): Rosca recta, mantienen el diámetro externo constante.

NPT La rosca cónica tiene una inclinación (taper) de 3/4" por cada pie de longitud de la rosca; esta inclinación es la diferencia de diámetros al comienzo y al final. Las demás dimensiones del perfil son iguales a la de la rosca nacional unificada. El número de hilos por pulgada  es diferente al de las roscas UNC y UNF. Inclinación de la rosca (exagerada)

La nomenclatura es bastante similar: 5 - 8 NPT Significa tubo de 5" de diámetro externo, rosca de  8 hilos por pulgada y rosca cónica para tuberías (NPT)

NPS La rosca es recta y no tiene ninguna inclinación. Su perfil es exactamente igual a la rosca nacional unificada solo que aplicada a tuberías. El número de hilos por pulgada varía también respecto a la rosca UNC o la UNF.

Un ejemplo de rosca recta para tuberías es: 1/4 - 18 NPS Significa tubo de 1/4" de diámetro externo, rosca de  18 hilos por pulgada y rosca recta para tuberías (NPS)

Otros tipos de roscas Hay unas pequeñas modificaciones de las roscas NPT y NPS, pero en esencia son similares a estas.

 APLICACION

TIPO ROSCA

Juntas de ranura

NPTR

Más cortas en longitud que NPT

 Acoples de tuberías

NPSC

 Aplicaciones de baja presión

NPSM

Donde no existe presión interna

NPSL

Conexiones con contratuerca

NPSH

 Acoples de mangueras

Juntas mecánicas

USOS

Bridas

Bridas o Flanches Conecta dos tubos o un tubo con una válvula, un medidor, una bomba, etc. Su funcionamiento se basa en aplicar una fuerza suficientemente grande a un empaque de tal manera que cuando esté presurizada la tubería, el empaque quede aprisionado contra las bridas y forme un sello.

La gran ventaja de las bridas es que permite un rápido y sencillo desmonte de la tubería (contrario a la soldadura o las tuberías roscadas).

Tipos de Bridas Weld Neck (Con cuello para soldar) Tiene una sección cónica saliente. Va soldada al tubo y resiste altas presiones así como cambios bruscos de temperatura. •

Son muy usadas en el campo.

Slip-on (Deslizante) Se usan en aplicaciones de baja presión. Son fáciles de ajustar y soldar; su costo y tiempo de ensamble es •

menor que la brida weld neck.

Tipos de Bridas Socket Weld (De encaje, para soldar) Igual que la slip-on pero tiene un aro interno que  fija la •

tubería y suaviza el flujo. Resiste altas presiones.

Lapped (De junta plana)  A diferencia de la slip-on la cara que va contra la otra brida es completamente plana y lisa. Por lo demás son iguales. •

Resiste altas presiones.

Tipos de Bridas Roscada El tubo se une a la brida por medio de una rosca tipo NPT. Usada en lugares donde los gases inflamables impiden •

soldar .

Ciega (Blind) Se usa para sellar el fin de una tubería. Se deben acoplar •

a otro tipo de brida unido a la tubería.

Clases Según su resistencia a la presión, las bridas, accesorios para tuberías y válvulas vienen designados por una clase estandarizada por la ANSI. La clase indica la presión recomendada de trabajo, pero según la temperatura esta puede ser mayor o menor. La ANSI 150 (de 150psi) por ejemplo, resiste 285psi hasta 100 ºF de temperatura, pero su resistencia baja hasta  110psi si se somete a 700ºF. Las clases son: 150, 300, 600, 900, 1500 y 2500 (en bridas) 2000, 3000, 6000 y 9000 (en algunos accesorios) Las Clases de las bridas usadas Caño Limón son:  ANSI 150: En facilidades. ANSI 300: En pozos.  ANSI 900: En la Planta de Inyección de Agua.

Otras especificaciones La norma ANSI B16.5 establece según la clase de la brida unas dimensiones específicas así como el número de pernos que la debe sujetar.

Por ejemplo, una brida ANSI 150 de 3" (3" de diámetro nominal y clase 150) debe tener  4 pernos de 5/8" cada uno. Si la brida es ANSI 150 de 20" el número de pernos se eleva a 20 (de 1 1/8" cada uno).

Fotos de Bridas

Weld neck ANSI 900 (Planta de Inyección)

Weld neck ANSI 150

Ciega (Blind) ANSI 150

Slip-on ANSI 150

Tuberías

Tuberías Son los materiales de uso más común para la conducción de líquidos, gases y aire. Aquí se tratarán exclusivamente los tubos de acero al carbón e inoxidables.

Tamaño Nominal (NPS) El Tamaño de un tubo se da por su diámetro nominal (NPS) o Nominal pipe Size que es el estándar por la API y la ASTM. No se debe confundir rosca tipo NPS con diámetro nominal del tubo (NPS también). Si se está refiriendo a una rosca para tuberías, el NPS va al final de la nomenclatura, en los tubos va en el medio. Por ejemplo: 1/4 - 18 NPS es una rosca para tuberías (NPS va al final). 1/4 NPS ANSI 40 es un tubo de 1/4" de diámetro nominal (NPS en el medio). Para tubos entre 1/8" y 12" de diámetro externo (O.D.) el valor nominal  no corresponde exactamente con el diámetro externo. Por ejemplo, para un tubo 2NPS (2" nominales) su diámetro externo es 2.375". Los tubos con diámetro externo mayor a 14" tienen exactamente el  mismo valor nominal. Un tubo 18NPS tiene 18" de diámetro externo.

Schedule Los tubos también se diferencian por su peso o espesor de las paredes; esto se llama schedule o cédula.  Antiguamente se designaban tres tipos: Estándar (Std) Los más utilizados. Tienen la pared más delgada y son los más económicos. •

Extra fuerte (XS) Tiene más espesor que el estándar y resiste más presión. •

Doble extra fuerte (XXS)

•

Tiene el doble de espesor  que el extra fuerte (XS) y es el más resistente.

Schedule Hoy en día la ANSI designó otra forma de referirse al espesor del tubo y es mediante números. La designación numérica va desde 10 hasta 160, siendo éste último el más grueso y el de mayor resistencia a la presión. Los más usados son 40, 80 y 160 por su similitud con STD, XS y XXS. Tenga en cuenta las siguientes equivalencias de la designación antigua con la moderna: El Schedule Estándar (STD) es igual al Schedule 40 hasta tubos de 10". De ahí en adelante el espesor STD siempre será 0.375" y diferente al schedule 40. El Schedule Extra Fuerte (XS) es igual al Schedule 80 hasta tubos de 6". Para diámetros mayores el espesor del XS es de 0.5" El Schedule Doble Extra Fuerte (XXS) tiene el doble de espesor que el XS hasta 8" de diámetro nominal. A partir de ahí su espesor  es de 1" y sólo está disponible hasta 12" de diámetro.

Espesor Pared

Tamaño Nominal 1

2

3

4

6

8

10

12

14 16 20 24

o

el a d

ñ u e m a T

Std XS XX S Std XS XX S Std XS XX S Std XS XX S Std XS XX S Std XS XX S Std XS XX S Std XS XX

h

StdcS XS Std XS Std XS Std XS

Diámetros

Peso

Diámetro Diámetro Espesor Externo Interno pared [in] [in]

Peso [in]

40 80 40 80 40 80 40 80 40 80 40 80 40 60 140 40 120 30 30 40 20 30 20

1.315 1.315 1.315 2.375 2.375 2.375 3.500 3.500 3.500 4.500 4.500 4.500 6.625 6.625 6.625 8.625 8.625 8.625 10.750 10.750 10.750 12.750 12.750 12.750 14.000 14.000 16.000 16.000 20.000 20.000 24.000

1.049 0.957 0.599 2.067 1.939 1.503 3.068 2.900 2.300 4.026 3.826 3.152 6.065 5.761 4.897 7.981 7.625 6.875 10.020 9.750 8.750 11.938 11.750 10.750 13.250 13.000 15.250 15.000 19.250 19.000 23.250

0.133 0.179 0.358 0.154 0.218 0.436 0.216 0.300 0.600 0.237 0.337 0.674 0.280 0.432 0.864 0.322 0.500 0.875 0.365 0.500 1.000 0.406 0.500 1.000 0.375 0.500 0.375 0.500 0.375 0.500 0.375

Tamaños y Schedule [lb/ft] 1.68 2.17 3.66 3.65 5.02 9.02 7.57 10.24 18.56 10.78 14.97 27.51 18.95 28.54 53.10 28.52 43.34 72.35 40.44 54.68 104.02 53.47 65.35 125.36 54.51 72.01 62.51 82.68 78.52 104.02 94.52 125.36

Es ta tab la mu est ra

p a r  a c a d a

d i á m e t r  o n

o mi n al, su di á m et ro

ex te rn o, es p es or y pe

s o d el tu b o. N o

t e

iente: Hasta 12" el schedule estándar (STD) es igual al 40. •

l o

Hasta 8" el schedule extra fuerte (XS) es igual al 80. •

s i g u

El XXS tiene el doble de espesor que el XS (sólo hasta 8"). •

Schedule Tenga en cuenta lo siguiente: El diámetro nominal de un tubo no es siempre el mismo diámetro externo. Esto sólo se cumple a partir de los tubos de 14" o mayores. Sin embargo, para tubos menores a 12" los valores son muy cercanos. •

Otra forma de referirse al schedule de un tubo es anteponiéndole la palabra "ANSI". Por ejemplo, un tubo con Schedule 80 se conoce mejor como un tubo ANSI 80. •

En Caño Limón la mayoría de tubos son ANSI 40 o Estándar (en la planta de inyección se usa ANSI 80). •

Sin importar el schedule los tubos siempre tienen  el mismo diámetro externo; el ancho de la pared afecta el diámetro interno. •

Construcción del Tubo El proceso de elaboración del tubo influye en su resistencia y aplicación. Tubo con costura (Welded wrought pipe): Consta de una lámina de acero doblada y soldada longitudinalmente para cerrar la forma cilíndrica. •

Pueden ser soldados por Soldadura de Arco sumergido, pero el método más usado es la soldadura de alta frecuencia (ERW/HFI) en la que un carrete de dos rodillos dobla la lámina y la suelda de manera automatizada.

Construcción del Tubo Tubo sin costura (Seamless Pipe): Su proceso de fabricación es generalmente por fundición centrífuga. Actualmente son los tubos más económicos y los más usados en el campo. •

Tubos sin costura

Tubos con costura

Accesorios

Accesorios Los accesorios deben estar marcados según la norma ANSI con lo siguiente: Nombre del fabricante Material de la pieza (nomenclatura ASTM o ASME) Schedule (ancho de la pared) Tamaño nominal de la tubería (NPS)

• • • •

Los accesorios se clasifican por su ensamble en: De soldadura tope (Buttwelding fittings) De encaje para soldar (Socket Weld fittings) Roscados (Threaded fittings) Con Brida (Flange fittings)

• • • •

Accesorios de soldadura tope Son unidos a la tubería por medio de soldadura a tope. Su tamaño se da por el diámetro nominal del tubo (NPS) y el schedule. CODO a 90 Grados

Los accesorios de soldar a tope más comunes son: Codo largo a 45 y 90 grados Codo Reductor Codo de retorno (largo y corto) Codo corto a 90 grados Te y Cruz recta Te y Cruz reductora Tapones Reductores

• • • • • • • •

Accesorios de soldadura tope Poseen biseles (puntas recortadas en ángulo) para facilitar la soldadura; el tubo también debe ser biselado antes de efectuar la unión. Una vez unidos, el diámetro externo de ambas piezas  es exactamente igual. Se encuentran disponibles en casi todos los tamaños, por eso son los más usados en las facilidades y pozos.

CODO a 90 Grados

Accesorios de encaje (Socket) Los accesorios de encaje para soldadura  (Socket Weld fittings) tienen unas cavidades donde el tubo es ligeramente insertado dentro del accesorio y luego es soldado.

DE ENCAJE

Los rangos de presión vienen dados por la clase (que depende del schedule) del accesorio.

Clase 3000 (Schedule 80 o XS) Clase 6000 (Schedule 160) Clase 9000 (Schedule XXS)

DE ENCAJE

Accesorios de encaje (Socket) Este tipo de accesorio viene generalmente en diámetros menores a 4 pulgadas, por lo que resiste presiones muy altas (ANSI 3000, 6000 y 9000). Es muy raro encontrarlos en alguna parte del campo. Las dimensiones y tolerancias de estos accesorios están estandarizados por la norma ANSI B16.11

Accesorios de rosca Son iguales a los de encaje pero traen una rosca cónica para tuberías (tipo NPT). Estos no requieren soldadura, sin embargo, se puede adicionarla a la unión para fijar la pieza. DE ROSCA

Por ser elementos roscados, resisten un poco menos de presión que los accesorios de encaje, por eso la clase varia un poco respecto a los anteriores según su schedule. Clase 2000 (Schedule 80 o XS) Clase 3000 (Schedule 160) Clase 6000 (Schedule XXS)

DEROSCA

 Al igual que los accesorios de encaje, vienen restringidos para diámetros pequeños de tuberías (menos de 4").

Accesorios con brida

Poseen bridas para un rápido desmonte de la pieza. Se usan en lugares donde la tubería se tapona o requiere mantenimiento frecuente. Resisten bajas y medianas presiones, según la clase del accesorio.

 Al igual que las bridas vienen en clase 150, 300, 600, 900 y 1500.

Tipos de accesorios Los accesorios más comunes se listan a continuación. Casi todos están disponibles con brida, rosca, de encaje o de soldadura tope:

Codo: Cambia la orientación de una tubería en 45 o 90 grados. Pueden ser reductores (diámetro de salida menor al de la entrada) o continuos. •

Te: Su función es derivar una línea secundaria de una tubería principal. La línea secundaría (ramificación) puede ser del mismo diámetro o menor (Te reductora). •

Tipos de accesorios Cruz: Es una Te con dos ramales. Las derivaciones son de diámetros iguales. •

Reductor: Esta pieza tiene un diámetro de entrada mayor al de salida. No •

tiene derivaciones o ramales.

Tapón (Cap): Sella el fin de una tubería. Los hay con rosca o para ser soldados a tope. •

Thredolet y Weldolet Son unos prácticos accesorios que van soldados al tubo principal y permiten la conexión otro tubo de forma roscada (thredolet) o soldada (weldolet).

Estos accesorios vienen de acuerdo con las especificaciones del tubo principal para ajustarse a su curvatura de forma perfecta.

WELDOLET

Su función principal es el acople de tubería ya sea para instrumentación o derivación de flujo. THREDOLET

Soldadura

Fotos de Accesorios Thredolet

Te Soldada

Codo a 90º

Reductor

Acoples en ramificaciones El tipo de acople para una ramificación dependiendo del diámetro del tubo principal y el secundario esta dado por la siguiente tabla:

P

r

ni

c

pi

a

Secundario 0.5 0.75 0.5 1 0.75 2 1 1 2 2 1.5 2 2 23 3 3 46 3 3 8 3 3 10 3 3 12 3 3 14 3 3 16 3 3 18 3 3 20 3 3 24 3 3 3 3 3 3

1

1.5

2

1 2 8 9 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3

1 8 9 9 3 3 3 3 3 3 3 3 3

7 6 6 5 4 4 4 4 4 4 4 4

3

7 6 6 5 5 5 5 5 5 5 5

4

7 6 6 5 5 5 5 5 5 5

6

7 6 6 6 5 5 5 5 5

8

7 6 6 6 5 5 5 5

10

7 6 6 6 6 6 6

12

7 6 6 6 6 6

14

7 6 6 6 6

16

7 6 6 6

18

20

24

1. Te Roscada. 2. Te Roscada. 3. Thredolet 4. Weldolet 5. Te Reductora (soldada) 6. Te Reductora (soldada) 7. Te soldada. 8. Te Reductora (soldada) 9. Te Reductora (soldada) 7 6 6

7 6

7

Materiales

Los tubos, bridas y accesorios usados en el campo son generalmente de acero al carbón de los siguientes tipos:

ASTM A105

•

ASTM A106 grado B *Mayoría de Tuberías.

•

ASTM A234

•

ASTM A269

•

•

ASTM A304 (Inoxidable)