Memoria CC Tuberias PE

U�IVERSIDAD SIMÓ� BOLÍVAR

DECA�ATO DE ESTUDIOS PROFESIO�ALES

COORDI�ACIÓ� DE I�GE�IERÍA DE MATERIALES

CO�TROL DE CALIDAD PARA TUBERÍAS DE POLIETILE�O

Por:

Erick Alberto Reyes Giménez

I�FORME DE PASA�TÍA

Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar

como requisito parcial para optar al título de

Ingeniero de Materiales

Sartenejas, Octubre de 2010

U�IVERSIDAD SIMÓ� BOLÍVAR

DECA�ATO DE ESTUDIOS PROFESIO�ALES

COORDI�ACIÓ� DE I�GE�IERÍA DE MATERIALES


Realizado con la asesoría de:

Tutor académico: Prof. Rosestela Perera

Tutor Industrial: Ing. Alesnomar Luis

I�FORME DE PASA�TÍA

Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar

como requisito parcial para optar al título de

Ingeniero de Materiales

Sartenejas, Octubre de 2010

iv


Presentado por:

Erick Alberto Reyes Giménez

SUMARIO

En el presente proyecto se ilustra el estudio de control de calidad para tuberías

producidas con Polietileno de Alta Densidad (PEAD) en la empresa GEMACA ubicada

en la ciudad de Barquisimeto. La motivación principal para la realización de este trabajo

se abocó en la producción de tuberías que no cumplían con los requerimientos

expresados en los estándares de calidad de GEMACA así como también en las normas

venezolanas FONDONORMA (0527:2005) y (1710:2007), correspondientes a la

resistencia a la tracción y la dispersión de negro de huno (NH). El estudio ilustró la

influencia de los parámetros de extrusión (perfil de temperaturas del barril y la

velocidad de extrusión) sobre la dispersión del negro de humo y a su vez, sobre la

resistencia a la tracción. Se emplearon concentrados de negro de humo de distintas casas

comerciales para ver su influencia sobre las características de tracción y dispersión.

Además, se realizaron los ensayos de laboratorio empleando tuberías fabricadas con PE

700M en lugar del material mayormente empleado PE 6100M. Aunado a esto se

observaron las propiedades de tuberías fabricadas con 100% de material reciclado. Para

corroborar que la producción se realizaba bajo correctas cantidades de colorante se

tomaron muestras en los mezcladores y se analizó la cantidad de negro de humo a las

tuberías provenientes de estos. Se registraron mediciones a lo largo del tiempo en los

espesores y el diámetro con la finalidad de determinar el estado de las calibraciones de

las máquinas. Por último, se estudió el tipo de fallas de las tuberías al ensayarse a

tracción y bajo presión hidrostática. De este trabajo se concluyó que al incrementar la

temperatura del barril o disminuir la velocidad de extrusión se mejora

considerablemente las propiedades mecánicas y de dispersión de las tuberías; además, el

uso del PE 7700M mejoró la dispersión de NH y la tracción. Las tuberías con material

reciclado presentaron excelentes propiedades mecánicas y de dispersión. Existió un

pésimo mezclado distributivo al momento de combinar la materia prima. Además, las

cantidades de negro de humo medidas no cumplieron con los requerimientos de la

norma y la empresa.

v

AGRADECIMIE�TOS

Una página se queda corta para expresar en palabras todo lo que cada uno, a su

manera, me ha dado antes, durante, y al final de mi carrera universitaria. Espero que con

el pasar del tiempo pueda retribuirles el doble de lo que he recibido de ustedes.

Como fiel creyente que soy de papa Dios y de su amor incondicional, estoy

plenamente agradecido desde los días de vida, que me permiten ver el sol, hasta las

oportunidades y alegrías que me ha regalado en las pruebas que he pasado durante mis

últimos 5 años. A tí, Virgen María en la advocación de Divina Pastora, por la protección

de cada uno de los pasos de mi familia y amigos como madre de todos los católicos.

A mí mamá, esto es para tí. Tanto que decir. Me has inculcado valores,

principios, apoyo y sobre todo amor, te amo. A mi papá. Viejo, gracias por no decirme

cómo vivir sino dejarme ver la forma como vives. Eres un ejemplo de ser humano, ojalá

Dios me de vida y oportunidades para ser la mitad de persona de lo que eres y criar mis

hijos como tú lo hiciste. A cada uno de mis hermanos: José, Ericka, Laura y Yasmín.

Por estar siempre allí, en las malas, en las buenas, por recordarme las cosas buenas de la

vida, por molestarme y sacarme de la monotonía, por las lágrimas y las risas. Los amo.

A mis tres abuelas –porque tengo tres- “la señora”, Tachita y Elizabeth, quienes en todo

momento estando en Barquisimeto o en Caracas se preocuparon por mí. A ustedes

familia bella, gracias por lo bueno y disculpen mis arranques, terquedades y silencios

tuvo que llegar una palabra.

A LaSalle, mi cimiento, mi nacer. Gracias por haberme brindado momentos

inolvidables y amigos inigualables quienes a pesar de la distancia estuvieron a mi lado

con esos lazos de amistad inseparables. Al EJC con quienes la he pasado

maravillosamente, ustedes saben quiénes son, los amo. A mis amigos de la uni, mi 2da

familia, gracias el cariño, por soportarme. No saben cuánto los extrañaré. Para quienes

no están, Tía Laura y Elisa, no saben cuánto las recuerdo y las extraño. Finalmente a

GEMACA y mi tutora Rosestela, gracias por la oportunidad, tanta enseñanza y

profesionalismo. Discúlpenme si faltó alguno/a pero como dije al principio, una página

es muy corta. A todos gracias miles.

vi

Í�DICE GE�ERAL

SUMARIO iv

AGRADECIMIENTOS v

CAPÍTULO I 2

INTRODUCCIÓN 2

CAPÍTULO II 5

OBJETIVOS 5

Objetivo general: 5

Objetivos específicos 5

CAPÍTULO III 6

MARCO TEÓRICO 6

3.1 Extrusión 6

3.2 Tipos de extrusoras 7

3.3 Extrusoras monotornillo 7

3.3.1 Diseño del tornillo extrusor 9

3.3.2 Funcionamiento de la extrusora 10

3.4 Extrusión de tuberías 11

3.4.1 Sistemas de calibración 12

3.5 Equipos auxiliares para extrusión de tuberías 13

3.6 Mezclado 14

3.7 Estudios anteriores 16

3.8 Importancia del trabajo 17

CAPÍTULO IV 19

METODOLOGÍA 19

4.1 Materiales 19

4.2 Procedimiento experimental 20

vii

4.2.1 Ensayo Mecánico 20

4.2.2 Ensayo de contenido y dispersión de negro de humo 21

4.3 Especificación de las extrusoras 23

CAPÍTULO V 24

PRESENTACIÓN Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 24

5.1 Influencia de las variables de procesamiento en las propiedades mecánicas y

dispersión de negro de humo en tuberías de PEAD. 26

5.1.1 Temperatura del barril 26

5.1.2 Velocidad de extrusión 30

5.2 Influencia de los materiales utilizados para la producción de tuberías. 32

5.2.1 Influencia del grado de PE utilizado 32

5.2.2 Influencia del tipo de colorante 37

5.3 Tuberías de igual especificación fabricadas en distintas máquinas 41

5.4 Utilización de material reciclado en la fabricación de tuberías. 48

5.5 Mezclado distributivo, cantidad de colorante y negro de humo en la fabricación de

tuberías de PEAD. 53

5.6 Variación de diámetro y espesores en productos terminados 58

5.7 Fallas en tuberías. 63

CAPÍTULO VI 66

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 66

6.1 Conclusiones 66

6.2 Recomendaciones 67

BIBLIOGRAFÍA 68

APÉNDICE 70

APÉNDICE A 71

VARIABLES DE PROCESO 71

APENDICE B 73

INFLUENCIA DE MATERIALES UTILIZADOS 73

viii

APENDICE C 75

TUBERÍAS DE IGUAL ESPECIFICACIÓN 75

APENDICE D 77

MATERIAL RECICLADO 77

APÉNDICE E 78

TABLAS Y FIGURAS DE UTILIDAD 78

ix

Í�DICE DE FIGURAS

Figura 3.1 Elementos constituyentes de una extrusora monotornillo. 8

Figura 3.2 Zonas características del tornillo extrusor. 9

Figura 3.3. Modelo del fundido en un tornillo estándar. 10

Figura 3.4. Modelo de una línea de extrusión de tuberías. 12

Figura 3.5. Equipos auxiliares en líneas de extrusión de tuberías. 14

Figura 5.1 Fotos registradas para el análisis de dispersión de Negro de Humo en la

tubería 110PN6 Lote 3510 fabricada bajo la condición 1. 27

Figura 5.2 Curvas esfuerzo – deformación correspondientes a la tubería 110PN6 Lote

3510, correspondiente a la condición 1. 28










3110 (PE80), fabricada en la Máquina 7. 33


tubería 75PN10 Lote 3110 (PE80) fabricada en la máquina 7. 34


2810 (PE100), fabricada en la Máquina 7. 35

Figura 5.10. Fotos registradas para el análisis de dispersión de Negro de Humo en la

tubería 75PN10 Lote 2810 (PE100) fabricada en la máquina 7. 36


tubería 250PN6 Lote 4110 (Colorante Clariant) fabricada en la máquina 1. 38

x


4110 (Clariant), fabricada en la Máquina 1. 38


tubería 250PN6 Lote 4110 (Colorante M&M) fabricada en la máquina 1. 39


4110 (M&M), fabricada en la Máquina 1. 40


tubería 110PN10 Lote 3410 fabricada en la máquina 7. 42


3410, fabricada en la máquina 7. 42














tubería 63PN4 Lote 4110 fabricada en la máquina 6 con la utilización de material

reciclado. 49


4110, fabricada con material reciclado en la Máquina 6. 50


tubería 110PN6 Lote 4110 fabricada en la máquina 4 con la utilización de material

reciclado. 51

xi


4110, fabricada con material reciclado en la Máquina 4. 52

Figura 5.27 Diámetros (a) y espesores (b) en milimetros, registrados para la tubería

200PN6 fabricada en la máquina 1. 59







Figura 5.31. Diámetros (a) y espesores (b) en milimetros, registrados para la tubería


Figura 5.32 Fractura de una tubería ensayada bajo presión hidrostática. 63

Figura 5.33 Agrietamiento dúctil en tubería de PEAD bajo presión hidrostática. 64

Figura 5.34 Delaminación vista en probetas ensayadas a tracción. 65

Figura E.1 Probeta tipo 1 para tubos de Polietileno; H es el espesor del tubo. Mediadas

en mm (tomado de la norma FONDONORMA 0527:2005). 79

Figura E.2 Probeta tipo 2 para tubos de PE y PVC; H es el espesor del tubo. Mediadas

en mm (tomado de la norma FONDONORMA 0527:2005). 79

xii

Í�DICE DE TABLAS

Tabla 4.1. Valores característicos a la materia prima utilizada en la fabricación de

tuberías. 20

Tabla 4.2 Especificaciones de las extrusoras 23

Tabla 5.1 Variables de proceso correspondiente a la fabricación de la tubería 110PN6

Lote 3510. 26


Lote 3510. 30

Tabla 5.3. Variables de proceso correspondiente a la fabricación de la tubería 75PN10

Lote 3110. 33


Lote 2810. 35


Lote 4110. 37


Lote 3410. 41


Lote 2010. 43


Lote 3710. 45


Lote 4210. 46


Lote 4110 fabricada en la máquina 6 con la utilización de material reciclado. 48


Lote 4110 fabricada en la máquina 4 con la utilización de material reciclado. 50

Tabla 5.12 Cantidad de concentrado en mezcladores y NH en el producto final

correspondiente a la tubería 200PN6 del lote 4410 fabricada en la máquina 1. 54

xiii




correspondiente a la tubería 32PN12,5 del lote 4410 fabricada en la máquina 9. 56



Tabla A.1 Valores característicos al ensayo de tracción correspondientes a la tubería

110PN6 Lote 3510, correspondiente a la condición 1. 71





Tabla B.1 Valores característicos al ensayo de tracción correspondientes a la tubería

75PN10 Lote 3110 (PE80), fabricada en la Máquina 7. 73


75PN10 Lote 2810 (PE100), fabricada en la Máquina 7. 73


250PN6 Lote 4110 (Clariant), fabricada en la Máquina 1. 74


250PN6 Lote 4110 (M%M), fabricada en la Máquina 1. 74

Tabla C.1 Valores característicos al ensayo de tracción correspondientes a la tubería

110PN6 Lote 3410, fabricada en la máquina 7. 75







Tabla D.1 Valores característicos al ensayo de tracción correspondientes a la tubería

63PN4 Lote 4110, fabricada con material reciclado en la Máquina 6. 77

xiv

Tabla D.2 Valores característicos al ensayo de tracción correspondientes a la tubería

110PN6 Lote 4110, fabricada con material reciclado en la Máquina 4. 77

Tabla E.1 Grado de dispersión basado en las dimensiones de las partículas y

aglomerados (tomado de la norma FONDONORMA 1710:2007, Tabla A.1) 78

Tabla E.2 Norma para la tubería de Polietileno de Alta Densidad de Acueducto o

Químicos 78

Tabla E.3 Valores de MFI y densidad para los lotes de PEAD usados en la fabricación

de tuberías. 80

Tabla E,4 Valores de densidad y contenido de NH para los lotes de colorante usados en

la fabricación de tuberías. 81

2

CAPÍTULO I

I�TRODUCCIÓ�

Las tuberías de plástico se utilizan cada vez más en aplicaciones industriales,

transporte de gas, sistema de riego, saneamientos y reutilización de aguas fluviales. Uno

de los materiales que ha experimentado un importante auge en los últimos años es el

Polietileno (PE). [1] Este material, en mucho de los casos, posee mejores características

al compararse con el poli(cloruro de vinilo) (PVC), acero, hierro fundido, fibras de

vidrio y otras. A continuación se puntualizan algunas de estas ventajas.

- Durabilidad y resistencia química: las tuberías de PE son altamente resistentes a

la mayoría de los agentes químicos que se manejan en la industria. No presentan

corrosión, no se escaman o agrietan. Además, pueden resistir a la acción de

sustancias abrasivas y partículas sólidas en suspensión. Este tipo de tubería

pueden tener una vida útil de hasta 50 años.

- Poco peso: Las tuberías fabricadas con Polietileno de alta densidad (PEAD) son

muy livianas. Su peso es equivalente a sólo una fracción del peso de un tubo de

otro material, beneficiándose el transporte, carga y descarga en la industria de la

construcción.

- Resistencia a la intemperie: las tuberías de PEAD ofrecen un alto grado de

protección contra la degradación causada por los rayos ultravioleta.

- Versatilidad en uniones: Al tratarse de un material termoplástico, existen un

sinfín de métodos y accesorios para la unión de segmentos. Estas uniones se

pueden dar por termofusión, electrofusión o unión mecánica. La mayoría de

estas uniones impiden el ingreso de entes externos que comprometan la limpieza

del fluido a transportar.

- Resistencia mecánica y ductilidad: la resistencia y ductilidad de las tuberías de

PEAD permite soportar sobrepresiones o golpes de ariete, vibraciones, cargas

externas y esfuerzos provocados por los movimientos del terreno. Absorben

cargas de impacto y pueden deformarse más de la mitad de su diámetro original

3

sin que se generen daños permanentes, recuperando hasta el 95% de su diámetro

original al cesar la carga.

- Resistencia a la electrólisis: las tuberías de PEAD no producen ninguna reacción

electrolítica que corroa la tubería por algún efecto potencial eléctrico. La tubería

no necesita revestimientos o encamisados como las tuberías metálicas.

- Ausencia de toxicidad y olor: Este tipo de tuberías son inodoras, atóxcas e

insípidas, siendo idóneas para el transporte de agua potable.

- Fácil transporte de fluidos: Al tratarse de un material plástico, la superficie

interna de las tuberías carecen de rugosidad lo que conduce a un bajo coeficiente

de fricción, y con ello, un transporte de fluidos con mayor facilidad al comparar

tuberías del mismo diámetro con diferentes materiales.

“GEMACA” (MANUFACTURAS GENERALES, C.A) se funda el 13 de

febrero de 1973 teniendo como sede principal la ciudad de Barquisimeto, Estado Lara.

Su objetivo primordial es la manufactura de PE para la elaboración de tuberías de

longitudes, diámetros y espesores de pared variables en función del uso para el cual

requiera la demanda nacional. El proceso de manufactura se realiza bajo estrictos

controles de calidad, según las Normas COVENIN 3833 para la conducción de agua,

COVENIN 3839 (para gas) y 1774 (para fluidos no degradantes), las cuales pueden

soportar rangos de presión que van desde 4 a 20 BAR dependiendo de la aplicación, y

una vida útil de 50 años. La producción consta de diámetros que van desde 16 mm hasta

630 mm. GEMACA es acreedora del Sello Oficial de Calidad MARCA NORVEN N°

131 para la conducción de Líquidos y Sustancias en Estado Gaseoso. Además de esto, la

empresa produce diversos tipos de acoples y conexiones para los sistemas de tuberías.

En GEMACA la Política de Calidad reza lo siguiente.

“El Conjunto de Esfuerzos de cada uno de los integrantes de nuestra

empresa nos lleva, por un camino seguro, al logro de la entera Satisfacción

de las Necesidades de Nuestros Clientes, en lo que a sistemas de Tuberías

de Polietileno y Polipropileno para la conducción de líquidos y gases se

refiere, con Personal Altamente Capacitado, orientado a la búsqueda de

Nuevas Tecnologías y Modernización de Equipos a través de la mejora

continua de los procesos para alcanzar una política de Calidad Total.”

4

Actualmente, GEMACA posee una capacidad de 45 toneladas de producto por

día, y entre los productos y servicios que brinda la empresa están:

- Tuberías de polietileno de diferentes diámetros, espesores y presiones nominales,

para diferentes usos.

- Accesorios para tuberías, entre los cuales se encuentran: conexiones en “T”, codos,

acoples,entre otros.

- Servicio Técnico de Soldadura.

- Servicio de Transporte.

Las tuberías se comercializan según las siguientes características:

- Para tuberías de diámetros externos desde 12 hasta 25 mm, se producen 100 m por

rollo.

- Para tuberías de diámetros externos desde 160 a 630 mm, se producen tramos

rectos de 6 o 12 metros.

- Para fibra óptica se producen rollos de 1500 m.

De acuerdo a lo expuesto, este proyecto de pasantías se abocó al estudio de

varios criterios en los controles de calidad de las tuberías de PEAD producidas en

GEMACA. Se estudiaron las propiedades mecánicas y la dispersión de negro de humo

en el PEAD. Se observó la influencia de las variables de procesamiento, tipo de

colorante, grado de PEAD y material reciclado en estas propiedades. Se evaluó la

cantidad de colorante en los mezcladores de alimentación y con ello la cantidad de

negro de humo presente en las tuberías. Se estudió la influencia de las calibraciones en

las dimensiones de los productos terminados. Finalmente, se estudiaron las fallas

presentadas en las tuberías ensayadas en presión hidrostática y resistencia a la tracción.

5

CAPÍTULO II

OBJETIVOS

Objetivo general:

En el presente proyecto se planteó como objetivo general evaluar diferentes técnicas de

control de calidad relacionados con la cantidad y dispersión de negro de humo,

propiedades mecánicas, dimensiones y fallas en tuberías de polietileno de alta densidad.

Objetivos específicos

De esta manera, para lograr el objetivo general, se plantearon los siguientes objetivos

específicos.

- Realizar láminas a partir de muestras para determinar la dispersión de negro de

humo en tuberías de PEAD con grados PE 80 y PE 100.

- Realizar ensayos de tracción para evaluar las propiedades mecánicas en probetas

de tuberías de PEAD con grados PE 80 y PE 100.

- Observar la relación variables de proceso / propiedades mecánicas,

particularmente, perfil de temperaturas y velocidad de extrusión.

- Estudiar la influencia de las máquinas utilizadas y el sistema de calibración en

las dimensiones de productos terminados con PE.

- Identificar las fallas mostradas en probetas ensayadas bajo presión hidrostática y

tracción de tuberías de PEAD.

6

CAPÍTULO III

MARCO TEÓRICO

3.1 Extrusión

El proceso de extrusión ofrece las ventajas de las técnicas versátiles de

procesamiento del plástico resaltando la importancia económica a diferencia de

cualquier otro proceso. A nivel mundial, las líneas de extrusión son las más grandes a

modificación del plástico se refiere, y es considerada la maquinaria de producción más

importante en la industria del plástico. Básicamente existen dos razones por las cuales

es atractivo la extrusión de materiales plásticos. [2,5]

La extrusión consiste en el paso de una sustancia o material a través de una

sección transversal para tomar la forma deseada. [2] Este proceso puede ser relacionado

de varias formas, dependiendo del producto que será manufacturado. Como es

costumbre, la extrusión de materiales poliméricos envuelve operaciones en continuo a

diferencia de los productos hechos con procesos intermitentes como lo es el moldeo por

inyección. [6,8] Este proceso puede llevarse a cabo en estado fundido o en estado sólido.

Como en la mayoría de las aplicaciones actuales, la extrusora se alimenta con material

sólido (en forma de gránulos o polvo), por acción del tornillo comprime el material, y

por la acción del calor generado por las resistencias eléctricas y calentamiento viscoso

lo funde hasta tomar la forma prevista. Por último, existen aplicaciones donde se realiza

un trabajo postextrusión entre los cuales puede ocurrir el enfriamiento de la producción

o la impresión de grabados. [3,9]

7

3.2 Tipos de extrusoras

Si bien existen muchos tipos de extrusoras, estos diferirán principalmente en el

tipo de proceso que se quiera realizar. Éstas deben cumplir las funciones básicas como

lo son: transporte del material fundido, y presión suficiente para que el material pase por

la sección trasversal deseada. [2]

Clasificación:

- Extrusoras de fricción: El transporte del material se realiza mediante acción

mecánica. El polímero roza con las paredes metálicas ayudando al fundido.

En este tipo se categorizan las monotornillo, dobletornillo, etc.

- Extrusoras tipo pistón: Se hace pasar el material a través de un pistón el cual

actúa bajo un accionamiento hidráulico o mecánico.

Para el procesamiento de termoplásticos, las extrusoras mayormente usadas son

las monotornillo, debido a que se valen del comportamiento reológico del material y

producen buenos resultados. [2] A continuación se explicará de forma más detallada este

tipo de máquina debido a que GEMACA trabaja en su totalidad con extrusoras de esta

índole.

3.3 Extrusoras monotornillo

Las extrusoras monotornillo se utilizan para diversos propósitos como lo son la

fusión y el bombeo del material, formulación con aditivos o cargas, enfriamiento y

mezclado, y en algunos casos reacciones de entrecruzamiento. [3] Este tipo de

maquinarias son simples de operar, además que son relativamente económicas en

relación a su durabilidad y confiabilidad en la vida de uso. [2]

Las características de las extrusoras monotornillo se basan en la información de

las propiedades físicas y térmicas del polímero (como por ejemplo calor específico con

respecto a la temperatura, calor de fusión, punto de fusión y conductividad térmica del

polímero) y las propiedades reológicas en función de la velocidad de deformación y la

temperatura. [4]

8

Esta maquinaria básicamente consta de un tornillo en un cilindro metálico o

también llamad barril. Un extremo de éste se conecta a la tolva de alimentación y el otro

extremo parcialmente abierto. El barril se encuentra rodeado de elementos de

calentamiento (resistencias eléctricas) y refrigeración (ventiladores) para poseer control

de las temperaturas a las que se someterá el material. El tornillo se acopla a un cojinete

de empuje y caja de cambios, a su vez que ésta se conecta a un motor que hace girar el

tornillo dentro del barril. [2]

Posterior al final del tornillo extrusor, se acopla al barril el plato rompedor y el

cabezal. El plato rompedor está constituido por un robusto anillo de acero que rodea un

plato grueso del mismo material. Éste va taladrado por una serie de orificios

equidistantes entre sí y sus extremos suelen estar ensanchados para facilitar el máximo

flujo de material fundido a través de dichos agujeros; además que presenta una ligera

forma cónica para que logre un mejor acople con el tornillo y se eviten zonas muertas

para el flujo del material fundido. Este se sitúa entre el extremo del cilindro y el cabezal. [2]

La geometría y diseño del acople plato rompedor-cabezal deben permitir el

avance del polímero fundido sin que este se estanque, y pueda ser susceptible a la

degradación por estar demasiado tiempo sujeto a temperaturas elevadas. [2,4]

A continuación se ilustran las características antes señaladas en la figura 3.1.

Figura 3.1 Elementos constituyentes de una extrusora monotornillo [3]

9

3.3.1 Diseño del tornillo extrusor

Básicamente, la mayoría de los tornillos utilizados para el procesamiento de

poliolefinas se componen de tres zonas las cuales poseen funciones características para

el procesamiento del material. Estas secciones o zonas son denominadas: Zona de

alimentación, zona de compresión, zona de dosificación (ver figura 3.2).

Figura 3.2 Zonas características del tornillo extrusor.

La primera sección denominada alimentación es aquella donde ocurre el

transporte de sólidos en la extrusora. El material entra en forma de granos (pellets) o

polvo y es precalentado mientras que es transportado hacia la siguiente zona.

Mayormente, en esta zona se utilizan temperaturas bajas para facilitar la transferencia al

igual que se requieren superficies muy lisas en el tornillo. Además se caracteriza por

tener el menor diámetro del tornillo y por consiguiente filetes de mayor dimensión. [3]

Siguiente en las zonas, conforme avanza el material, se encuentra la zona de

compresión o también llamada plastificación. Se caracteriza por un aumento gradual en

el diámetro del tornillo para ayudar a que los componentes se mezclen formando un solo

ente. En esta sección toda la materia prima (ya sea resina virgen, reciclado y colorante)

es fundida y comprimida con la finalidad de proporcionar la homogeneidad de la

mezcla, bajo la acción del calentamiento proporcionado por las resistencias eléctricas y

el roce del material con las paredes del barril. [3] En la zona de plastificación también

pueden añadirse elementos para mejorar el mezclado de los componentes a elaborar,

como lo son pines de mezclado, sistemas de barrera y cavidades de transferencia. [3,4]

Alimentación

Compresión

Dosificación

10

Por último se encuentra la zona de dosificación. Es encargada de ejercer presión

en el material para dosificarlo al acople del plato rompedor-cabezal. Se caracteriza por

tener filetes bajos y pequeñas profundidades de canal. [3,4]

3.3.2 Funcionamiento de la extrusora

El funcionamiento de la máquina es el mismo salvo a pequeñas variaciones que

puedan ocurrir dependiendo del tipo de proceso a realizar. En la mayoría de los casos la

alimentación de la máquina a través de la tolva se realiza por gravedad. En ocasiones

existen dispositivos que facilitan la inclusión del material para aquellos que no fluyen

fácilmente o se atascan en la entrada. [2]

Conforme transcurre el paso del material dentro de la extrusora, éste cae en el

canal mientras que las fuerzas de roce con el barril se desarrollan durante la

plastificación para disminuir su viscosidad y generar el movimiento del fundido hacia la

boquilla. A medida que la temperatura del material se eleva sobre su punto de fusión,

comenzando su acción de plastificación, ocurre la primera evidencia de fusión en las

zonas aledañas a la pared del barril (en figura 3.3). [4] Esto no siempre ocurre en la zona

de compresión. El flujo de material sólido se reduce a medida que avanza a través de la

máquina y llega a la zona de compresión, como se ilustra en la figura 3.3.

Figura 3.3. Modelo del fundido en un tornillo estándar. [4]

Como se puede ver, ocurre un gradiente en la disminución de la profundidad del

canal (en figura 3.3), generando mayor compresión en el material, además que existe el

contacto con el barril, el cual se encuentra a temperaturas elevadas generando un

aumento en el contenido del material fundido. Este comportamiento se puede dar tanto

en la zona de compresión como en la zona de alimentación, debido a que es muy

dependiente de las propiedades físicas y reológicas del material con la temperatura.

11

Como ocurre la disminución gradual del canal origina un aumento en los esfuerzos de

corte y, si el material está fundido y se sigue manteniendo a un sistema de calentamiento

excesivo pueden originarse situaciones adversas que produzcan la degradación del

material. [2,4,7]

Por último, al llegar a las últimas zonas (5 y 6) ya el material se encuentra

fundido casi en su totalidad; sin embargo, puede haber restos de material sólido. Esta

situación donde no se encuentra una fusión uniforme, generalmente da lugar a pobres

desempeños de los productos, mezclado de colores, y así sucesivamente. [4]

Al pasar el material por la zona de dosificación es bombeado directamente al

cabezal y de allí se dirige a la boquilla. Luego de pasar por esta última, el material en

cierta medida adopta la forma de la boquilla alcanzando sus dimensiones finales. Cabe

destacar que al producirse en la boquilla una presión que limita el flujo del material, se

requiere una presión necesaria para que el material realice el recorrido hasta salir por la

boquilla. Esta presión se conoce como presión del cabezal. Mayormente es dependiente

de la geometría y el diseño del cabezal y de la boquilla; sin embargo, también dependerá

de los parámetros reológicos del polímero y sus variaciones con la temperatura. Es tarea

de la extrusora generar la presión necesaria para el paso del material a través de estos

elementos para lograr la elaboración del producto. [4,6]

3.4 Extrusión de tuberías

La diferencia que remarca el proceso de extrusión de tubería con relación a

algún otro proceso es la boquilla. La boquilla utilizada para la extrusión de tuberías

consta de un compendio con un mandril cónico y un anillo los cuales controlan las

dimensiones de los diámetros internos y externos, respectivamente. A medida que la

tubería sale de la boquilla, el fundido tiende a hincharse ligeramente, lo que debe

tomarse en cuenta para las dimensiones finales del tubo. [2] El componente necesario

para mantener las dimensiones deseadas se denomina calibración; éste es requerido si el

extrudado sale de la boquilla con insuficiente resistencia al fundido para mantener la

forma requerida. [2,4] En la figura 3.4 se ilustra una línea de extrusión de tuberías.

12

Figura 3.4. Modelo de una línea de extrusión de tuberías. [2]

La mayoría de las extrusoras utilizadas para producir tuberías poseen un

diámetro interno de 50 - 150mm, con longitudes de barril de 20 a 32 veces el diámetro

interno. Al utilizar extrusoras con un L/D de 24:1 se generan productos con buena

calidad, como consecuencia de una mezcla homogénea y un adecuado tiempo de

residencia del material dentro de ellas. [2]

Al tratarse de un proceso que envuelve temperaturas elevadas es necesario el uso

de instrumentos que regulen el control del funcionamiento de la máquina extrusora.

Como es sabido, las propiedades del material varían con la temperatura y es necesario

conocer las condiciones de procesamiento para conseguir resultados con calidad. [4] La

extrusora cuenta con instrumentos que le indican al operador parámetros como:

temperatura, velocidad de giro del tornillo, potencia consumida, etc.

Actualmente, se producen tuberías de PE en tamaños que van desde ½ - 61

pulgadas. Estos son producidos de acuerdo a los requisitos de una variedad de normas y

especificaciones tales como ASTM y AWWA. [2]

3.4.1 Sistemas de calibración

Como es reportada en la literatura, las dimensiones finales de la tubería están

controladas por cuatro tipos de sistemas de calibración: Libre de forma, mandriles con

enfriamiento por agua, calibración por vacío y calibración bajo presión. El primero de

13

estos sistemas, libre de forma, sólo es sustentable para polímeros con alta viscosidad y/o

alta resistencia en el fundido, como PVC plastificado. Los mandriles ajustan los

diámetros de la tubería al salir de la boquilla, además que tratan de compensar la

contracción, mientras que se logra la estabilidad dimensional al enfriar el material con

agua. [2]

Los sistemas de calibración por vacío y bajo presión son los más utilizados para

la producción de tuberías de PE. [8] Al utilizar sistemas de calibración con vacío, el aire

en el interior de la tubería se encuentra a presión atmosférica, mientras que se aplica

vacío en el exterior, sumergiéndose en agua. Los anillos de calibración en el baño de

agua establecen el diámetro exterior mientras el sistema de arrastre y la velocidad

determinan el espesor.[2] Este método es utilizado en la gran mayoría de los casos para

las tuberías con diámetros grandes.

En contraste, al utilizar calibración bajo presión, el aire en el interior de la

tubería es presurizado mientras que en el exterior se encuentra a presión atmosférica. El

cambio en la presión fuerza el exterior de la tubería contra los anillos de calibración y

un tapón al final de la tubería saliente previene que es escape del aire interno. [2,8]

3.5 Equipos auxiliares para extrusión de tuberías

El objetivo fundamental de estos equipos radica en el enfriamiento y transporte

de la tubería una vez sale de la boquilla. Al ocurrir esto el material debe ser enfriado

para mantener las dimensiones debido a que puede perder su estabilidad por baja

resistencia al fundido. [2]

Varios métodos son utilizados para extraer el calor residual de la tubería.

Dependiendo del tamaño de la tubería, los sistemas más utilizados son inmersión total o

enfriamiento por riego. Este último es aplicado usualmente a grandes diámetros donde

la inmersión total sería un inconveniente. Por otro lado, diámetros más pequeños son

sumergidos en baños de agua. La longitud total de los sistemas de enfriamiento debe ser

adecuada para enfriar el extrudado por debajo de 71°C. [2,8]

14

El sistema de recogida, o también llamado arrastre, debe proveer la fuerza

necesaria para halar la tubería a través de todo el sistema de refrigeración. Además,

debe garantizar el control del espesor de la tubería, manteniendo una velocidad

constante de arrastre. Este espesor será resultado de una combinación entre las

velocidades de revolución del tornillo extrusor (o caudal de salida del material) y la

velocidad de arrastre. Al aumentar la velocidad de arrastre a velocidad del tornillo

constante, disminuirá el espesor, mientras que al reducir el arrastre a velocidad del

tornillo constante, el espesor aumentará. [2,8]

Figura 3.5. Equipos auxiliares en líneas de extrusión de tuberías. [5]

En la figura 3.5 se muestra un ejemplo en la disposición de los equipos

auxiliares en una línea de extrusión. Dependiendo del tamaño de la tubería se utilizará

una unidad de corte. la cual se dispone luego de la sección de arrastre. Estas

herramientas de corte, la mayoría de las veces son utilizadas para tuberías con un

diámetro mayor o igual a 100mm.

3.6 Mezclado

Es importante conocer dos conceptos fundamentales para entender las

propiedades y mecanismos concernientes al mezclado. La mezcla es definida como “el

estado formado por la unión de dos o más ingredientes los cuales no siempre se

disponen en una misma cantidad y que, sin embargo mezclados, se conciben como un

conjunto de entes separados”. [11] Por otro lado, el mezclado es una operación que tiene

15

como finalidad reducir la no uniformidad de la mezcla. Esto puede ser logrado sólo con

inducir un movimiento físico entre los ingredientes.

Difusión molecular, movimiento turbulento y movimiento convectivo son

aquellos tipos de movimiento que pueden ocurrir para un proceso de mezclado. La

convección se fundamenta en el movimiento de partículas fluidas o sólidas en un

sistema desde un lugar a otro y resulta si el área interfacial entre el componente

minoritario y el mayoritario incrementa, o si el componente minoritario es distribuido

completamente en el componente mayoritario sin la necesidad de incrementar el área

interfacial. Este tipo de mezclado es de gran importancia en el estudio del

procesamiento de polímeros donde se resaltan características como corte laminar,

elongación y deformación en la mezcla que ayudan a incrementar el área interfacial por

unidad de volumen y separar los aglomerados. [11]

En la literatura se reportan básicamente dos tipos de mezclado. El primero es el

dispersivo o también llamado mezclado intensivo, el cual envuelve la reducción en

tamaño del componente, y de forma cohesiva se incluye a una fase líquida continua.

Generalmente, el componente a agregar posee aglomerados sólidos y no es compatible

con fases líquidas o burbujas de gas. En alguno de los casos la característica cohesiva de

los aglomerados es resultado de la interacción de fuerzas de van der Walls de las

partículas de aglomerados con la tensión superficial y propiedades elásticas del líquido.

El segundo es el mezclado distributivo o extennsitvo, ampliando la zona interfacial

entre los componentes que carecen de un carácter de cohesión y los dispone a través del

volumen total. [6,11]

Los mecanismos en cuanto al mezclado dispersivo se refiere, dependerán de dos

factores: las propiedades de los aditivos y los parámetros de procesamiento. [11] En

cuanto a los aditivos, como se había mencionado anteriormente, son sólidos y para la

obtención de un efectivo desempeño es necesaria la utilización de polvos finos y bien

mezclados en la matriz polimérica. Aditivos con un tamaño de partícula menor a 100

µm tienden naturalmente a aglomerar, y al presentarse estos aglomerados, contribuyen

con un problema adicional para el proceso de mezclado y la calidad del producto. Los

parámetros de procesamiento influirán en las propiedades en fundido del material. Las

fuerzas de dispersión aumentarán con un incremento de la viscosidad, pudiéndose lograr

16

con una disminución de temperatura; sin embargo, se crea un efecto antagónico con el

mezclado distributivo en la extrusora y las propiedades de mojado de la partícula en el

fundido. Además, la disminución del tamaño de los aglomerados dependerá de las

fuerzas de corte originadas por las tolerancias entre el tornillo y el barril, lo que es

también es conocido como “corte laminar”. [11]

3.7 Estudios anteriores

A partir de 1970 ocurre la discontinuidad en la producción de “polietilenos

negros” para extrusión de tuberías de agua, la cual fue sustituida por mezclas de

gránulos de polietileno y concentrados de negro de humo. Al utilizarse esta tecnología

se determinó que un 2,5% de negro de humo adecuadamente dispersado y distribuido

proveía protección al polietileno contra la degradación por rayos ultravioletas y luz

solar. Aunado a esto, la ventaja de utilizar PE y concentrados de negro de humo

permitió un ahorro significativo en los costos del material. Desafortunadamente, las

máquinas empleadas presentaron dificultades al observar los requerimientos de

mezclado. En la literatura consultada, Gale [11] expone las influencias sobre el mezclado

de materiales utilizando negro de humo al emplear distintos tipos de tornillo extrusor

(convencional, con barreras y con cavidades de mezclado). A pesar de existir zonas

donde la mezcla se somete a esfuerzos constantes y donde ocurren las rupturas de los

aglomerados, aún se dan deficiencias en el mezclado. Al utilizar tornillos con cavidades

de mezclado, el tiempo de residencia del material aumenta, lo que ayuda a la interacción

de las partículas de negro de humo con la matriz polimérica. [11]

Además, en un estudio realizado por Zanasi y colaboradores [13] indican que el

PEAD es ampliamente usado en la fabricación de tuberías para conducción de agua y de

gas. Señala que la característica más importante en las tuberías de PE es la durabilidad,

debido a que la falla durante la vida de servicio se traduce en operaciones de

mantenimiento costosas y en la incomodidad del consumidor. Las fallas prematuras son

frecuentemente relacionadas con cambios en las propiedades del PE provocadas por las

reacciones de degradación, las cuales disminuyen las propiedades mecánicas y producen

inesperadamente fallas. Un aspecto interesante que mencionan en este estudio es que

cuando el PE se recicla, es usado para producir tuberías de PE (sólo o mezclado con PE

virgen) y se espera que las reacciones de degradación (durante el procesamiento y la

17

vida de servicio) ocurran más rápidamente y la durabilidad de la tubería se reduzca.

Como consecuencia, una tubería de PEAD de buena calidad deriva de resina virgen de

PEAD, en cambio una tubería de PEAD de mala calidad, se presume que contiene PE

reciclado. Además, también se menciona el poder reforzante del negro de humo como

aditivo para la producción de tuberías de PEAD.

3.8 Importancia del trabajo

Es de mucha importancia que todo proceso productivo se rija por normas que

garanticen la obtención de productos con estándares de calidad. En este trabajo de

pasantía, se emplearon los requerimientos estipulados en la Norma venezolana

FONDONORMA 0527:2005, la cual estipula las propiedades a la tracción en las

tuberías de materiales plásticos.

De acuerdo a la norma COVENIN, los ensayos mecánicos realizados a tuberías

de PEAD deben cumplir con un porcentaje mínimo de elongación a la ruptura de 350%,

mientras que se requiere una resistencia mínima de 100 Kg/cm2 (0,1Pa). Algunos lotes

en la producción de tuberías de GEMACA presentaron porcentajes por debajo al

indicado en la norma, comprometiendo la vida útil de la tubería e incumpliendo los

estándares de calidad. Además de los problemas en las propiedades mecánicas, se

registraron grados de dispersión de negro de humo por encima de los requeridos en la

norma FONDONORMA 1710:2007. Otra problemática vista en GEMACA fue la

variación de diámetros y espesores en la producción de tuberías: estos estaban fuera de

los rangos reportados en los catálogos de ventas, por lo que se quiso observar la

influencia de las calibraciones y las máquinas en las dimensiones de las tuberías. Por

tales motivos fue necesario observar las influencias de las variables de proceso en las

propiedades mecánicas y dispersión de negro de humo, así como también la influencia

del tipo de material y la procedencia del concentrado empleado.

Este estudio se centra en la necesidad de obtener tuberías de excelente calidad de

acuerdo a las más estrictas normas de fabricación, que no comprometan el desempeño

de las mismas, y a su vez, que cumplan con las exigencias de los clientes de GEMACA.

Al mismo tiempo, se pretende mejorar los procesos de fabricación de la empresa para

18

poder implementar el sistema de gestión de calidad integral acorde con los requisitos de

la norma COVENIN y la obtención de la certificación ISO 9001:2000.

19

CAPÍTULO IV

METODOLOGÍA

4.1 Materiales

En GEMACA, la producción de tuberías se realiza utilizando Polietilenos de

Alta Densidad VENELENE grado tubería, 6100M (PE80), 7700M (PE100) y M61

(Subestándar). El colorante utilizado es Remafin Negro, un concentrado de negro de

humo (NH) de la casa comercial Clariant al 50% de concentración para PE80 y 30% de

concentración para PE100. También se empleó un concentrado de negro de humo de la

casa comercial M&M, al 30% de concentración. Las resinas PE 80 y PE 100 reciben esa

clasificación por la norma ISO 9080, lo cual significa que la resistencia mínima a la

tensión circunferencial es igual a 8MPa y 10MPa, respectivamente.

En GEMACA, los estándares de calidad exigen la realización de ensayos a cada

lote de materia prima que será utilizado para la producción de tuberías, para la

comparación con los reportes realizados por la casa fabricante y asegurarse que la

materia prima está en condiciones para su procesamiento. A los lotes de PEAD y

colorante se les realizó el ensayo de densidad. Para aquellos lotes de PEAD se

determinó el índice de fluidez (MFI), mientras que para los lotes de concentrado se

determinó el contenido de negro de humo a través del procedimiento indicado en la

Norma venezolana FONDONORMA 1710:2007. A continuación, en la tabla 4.1, se

exhiben los valores característicos.

20

Tabla 4.1. Valores característicos a la materia prima utilizada en la fabricación de tuberías.

Material Índice de Fluidez (g/10min) Densidad (g/cm3)

PE6100M 0,099 0,949

PE700M 0,042 0,944

Colorante con 50% de

negro de humo. (Clariant) - 1,196


negro de humo (Clariant) - 1,055


negro de humo (M&M) - 1,065

4.2 Procedimiento experimental

Siendo acreedores del sello oficial de calidad MARCA NORVEN N°132 para

tuberías de PEAD, el proceso de manufactura se realiza bajo estrictos controles de

calidad según las normas COVENIN 32833 (para agua) y COVENIN 3833 (para gas).

Además se emplearon las normas FONDONORMA 0527:2005 referente a la

determinación de las características de tracción y 1710:2007 relacionada a la cantidad y

grado de dispersión de negro de humo. Los requerimientos para las tuberías de PEAD

en la norma COVENIN 1774-81 reportan un mínimo de cantidad de negro de humo de

2%, un valor de esfuerzo de fluencia mínimo de 100 Kg/cm2 (0,1 Pa) y un mínimo

porcentaje de elongación a la ruptura de 350%. La evaluación del grado de dispersión

de negro de humo es reportada en la norma COVENIN 1710. Sin embargo, la

FONDONORMA 1710:2007 incluye el procedimiento para determinar la dispersión de

negro de humo.

4.2.1 Ensayo Mecánico

El procedimiento descrito por la Norma venezolana FONDONORMA

0527:2005 fue el utilizado para el análisis. Para ello, se empleó una prensa de Ensayos

Universales, Marca Zwick / Roell, con capacidad máxima de 10KN. En la obtención de

las probetas se tomaron muestras de una sección de la tubería en dirección longitudinal

de aproximadamente 300mm de longitud y se cortó con un cortatubos. Se dividió la

21

circunferencia de la tubería en tres sectores para diámetros de 20 a 75mm ó en cinco

sectores para diámetros de 75 a 450mm y seguidamente, se cortaron los sectores de

manera que estuviesen igualmente distribuidos en la circunferencia de la tubería.

Posteriormente, las secciones de tubería fueron cortadas usando un troquel

Marca GEMACA. Para espesores de pared de tubería entre 5mm y 12mm se emplearon

probetas denominadas tipo 1 (según Norma FONDORNOMA 0527:2005), con las

siguientes dimensiones: longitud 150mm y ancho 20mm. Para espesores iguales o

menores a 5mm, se emplearon probetas tipo 2 (según Norma FONDONORMA

0527:2005), cuyas dimensiones son: longitud 115mm y ancho 25mm. En los casos

donde el espesor de pared fue superior a 12mm, se realizó un torneado para rebajar

dicho espesor.

Luego de esto, se registró el valor de la longitud inicial de la probeta en

milímetros, así como el espesor promedio y el ancho promedio, en seguida de realizar

tres mediciones para cada caso. Para ello, se empleó un Vernier, Marca Mitutoyo, con

una apreciación de 0,1mm. Posteriormente, se colocó la probeta en el dinamómetro de

manera que coincidiera la alineación axial con la dirección de la tracción. La máquina

de tracción se puso en marcha a una velocidad de 50mm/s para probetas tipo 1 ó

100mm/s para probetas tipo 2. Se ensayaron cinco probetas por cada tubería. El

Software llamado TestXpert II fue el utilizado. Este se encuentra conectado a la

máquina de ensayos universales y de esta manera se obtuvo la curva Esfuerzo –

Elongación de las probetas ensayadas. Por último, se obtuvieron los valores de esfuerzo

en el punto de fluencia y en el punto de ruptura, expresados en Kgf/cm2, así como el

alargamiento en el punto de fluencia y el provocado por la carga de ruptura, expresados

en porcentaje.

4.2.2 Ensayo de contenido y dispersión de negro de humo

El procedimiento a seguir fue el expuesto en la Norma venezolana

FONDONORMA 1710:2007. Para la obtención del contenido de negro de humo se

empleó un equipo Marca Ceast, compuesto por un horno, un tubo de combustión

conectado a un flujo de nitrógeno, y un controlador de temperatura con un rango de 0 –

999°C, con una apreciación de 0,1°C.

22

Se colocó el crisol o cápsula de porcelana en el mechero Bunsen hasta el rojo

vivo para luego dejarse enfriar en el desecador hasta temperatura ambiente.

Posteriormente, se ajustó el caudal de nitrógeno en el tubo de combustión a 200cm3/min

con el fin de eliminar posibles contaminantes. El nitrógeno se purificó haciéndolo pasar

a través de una solución de pirogalol e hidróxido de potasio (5g de pirogalol / 50g de

hidróxido de potasio en 100cm3 de agua). En el tubo desecador en U, se colocó el

desecante y unos tapones de lana de vidrio en las entradas del mismo.

Se pesó el crisol en una balanza analítica, marca AND GR-200 con capacidad de

210g y una apreciación de 0,0001; se pesó 1,0000g de la muestra a analizar en cortes de

mm de espesor. Luego de esto, se colocó el crisol con la muestra dentro del tubo de

combustión. Se encendió la campana extractora de gases, se colocó el equipo a una

temperatura de 500 ± 5 °C y se ajustó el flujo de nitrógeno a 100cm3/min para colocar la

muestra durante 45min. Al terminar este período, se extrajo el crisol y se colocó en el

desecador hasta enfriar. Por último, se registró el peso del crisol con el remanente. Para

determinar el contenido de negro de humo se utilizó la siguiente ecuación:

�� ℎ� � % =��

��× 100 Ec. 4.1

Donde:

�� es el peso de la muestra inicial expresado en gramos

�� es el peso de la muestra luego de estar en el horno, expresado en gramos

Se realizaron tres mediciones y el contenido de negro de humo se expresa como

el promedio de éstas con una cifra decimal.

En relación al grado de dispersión de negro de humo se utilizó una prensa con

calentamiento, marca GEMACA con un controlador de temperatura que se fijaba a

190°C. Entre las láminas de poliacetal se colocaron seis muestras de 0,1 a 0,2 mg de la

tubería a ensayar. Estas se ubicaron de manera equidistante entre ellas y a una distancia

que no permitiera su unión durante el proceso de fusión. Se cerraron las placas de

calentamiento durante seis minutos, posteriormente se liberó la fuerza y se extrajeron

23

las láminas para colocarlas en el porta objetos. Para el análisis de las películas se utilizó

un microscopio marca Nikon, con un sistema fotográfico marca PixeLINK. Al obtener

las microfotografías a 200X se analizaron con el software PixeLINK Capture Software,

el cual permite la medición del tamaño de los aglomerados y la inclusión de textos que

le facilitan al observador las características de las imágenes registradas. Para la

expresión de resultados se empleó la Tabla A1 de la Norma FONDONORMA

1710:2007 (ver apéndice E tabla E.1), con la cual se determinó el mayor grado de

tamaño de partículas para cada muestra. De cada una de éstas, se tomó la partícula de

mayor tamaño y se calculó la media aritmética de los grados obtenidos y se expresó el

resultado con un decimal, aproximado al siguiente mayor valor.

4.3 Especificación de las extrusoras

A continuación, la tabla 4.2 indica las especificaciones de las extrusoras

utilizadas en GEMACA, las cuales se emplearon para la realización de este proyecto.

Tabla 4.2 Especificaciones de las extrusoras

Máquina Marca

Capacidad de tuberías

(diámetros externos) mm

Largo del tornillo

(m)

Diámetro del tornillo (mm)

Sistema de calibración

1 CINCINATI 110 – 630 4,2 90 Vacío

2 WEIFANG

ZHONGYUN 250 – 630 - - Vacío

4 MAM 75-125 2,5 125 Vacío

6 MAM 63-125 2,5 125 Presión de aire

7 CINCINATI 32-125 - - Vacío

8 REIFENHAUSER 16-90 2,5 70 Presión de aire

9 NOVAMEC 16-90 2,5 70 Presión de aire/Vacío

10 MAM 63-125 2,5 125 Presión de aire

24

CAPÍTULO V

PRESE�TACIÓ� Y DISCUSIÓ� DE RESULTADOS

La problemática vista en GEMACA era la falta de regularidad en los

requerimientos de calidad como propiedades mecánicas, dispersión de negro de humo y

dimensiones de las tuberías producidas. Debido a esto fue necesario el estudio de las

variables que pueden influir en dichas propiedades y plasmar las mejoras para su

aplicación en la producción y así obtener productos que estén dentro de los estándares

de calidad utilizados por la empresa.

El polietileno, por su naturaleza química, es susceptible a la degradación

generada por los rayos UV, los cuales son componente de la luz solar. Es por ello que se

utilizan aditivos para prevenir este efecto. Entre estos se encuentra el negro de humo.

Este compuesto es capaz de aumentar las características de estabilidad a la intemperie

de los materiales plásticos. La protección, que incluso a niveles relativamente bajos de

concentración, que imparte el negro de humo a los plásticos es tan grande que no es

necesario usar otros estabilizadores de luz o absorbedores UV. Por otra parte, el negro

de humo posee propiedades organolépticas, lo cual es importante para usos con agua

potable. Sin embargo, si el negro de humo no es dispersado correctamente, algunas

áreas permanecerán desprotegidas contra la exposición ambiental, convirtiéndose en

puntos débiles donde el material se degradará más rápidamente. En estas áreas el

material se torna frágil y podría ser el punto de partida para una falla. Por lo tanto, es

vital lograr una buena dispersión para una protección homogénea.

Como se mencionó anteriormente, este aditivo, al tener un tamaño de partícula

pequeño, tiende a formar aglomerados, por lo que es de gran importancia una buena

calidad en el mezclado para que proteja el polímero. Las etapas en las que ocurre el

mezclado se resumen en: humectación, donde el polímero moja las partículas de negro

25

de humo; ruptura de aglomerados, donde se realiza el mezclado dispersivo; y por último

la distribución de las partículas resultantes en la matriz polimérica.

Para la identificación de las tuberías se rotula utilizando una máquina dispuesta

luego de la unidad de enfriamiento. La rotulación no debe estar separada a una distancia

menor de 1m y no mayor a 3. Esta se rige según los requisitos para tubos de Polietileno

de Alta Densidad de las normas COVENIN 3833, 3839 y 1774 para tuberías de agua,

gas y fluidos no degradantes, respectivamente. Cada rotulación indica lo siguiente:

- Nombre del fabricante: GEMACA

- Siglas: PEAD (de producir tuberías para el transporte de gas combustible deben

agregar la palabra GAS).

- Tipo de Polietileno: PE80 ó PE100.

- Diámetro: θ (en mm).

- Relación Diámetro – Espesor (SDR),entre las cuales están: 33, 26, 31, 17, 13.6,

11, 9 y 7.4

- Presión Nominal (PN), entre las cuales están: 4, 5, 6.3, 8, 10, 12.5, 16 y 20.

- Sello NORVEN 3833 para tuberías de agua, NORVEN 3839 para tuberías de

gas y NORVEN 1774 para fluidos no degradantes.

- País: Hecho en Venezuela.

- Lote de material: LOTE XX XX

(1) (2)

(1) Número de veces que se registra un nuevo lote de Polietileno.

(2) Año de producción.

Ejemplo de rotulación:

GEMACA PEAD PE100 θ110mm SDR13.6 PN10 CONTROL DE CALIDAD

MARCA NORVEN 3833 HECHO EN VENEZUELA LOTE 4110.

26

5.1 Influencia de las variables de procesamiento en las propiedades mecánicas y

dispersión de negro de humo en tuberías de PEAD.

A continuación se presentarán variaciones en las condiciones de procesamiento,

específicamente en el perfil de temperaturas del barril y la velocidad de extrusión.

5.1.1 Temperatura del barril

Al tratarse de la extrusión de un material termoplástico, las temperaturas a las

que se someterá el material son importantes tanto para el procesamiento como para la

calidad del producto final. Para materiales utilizados con un estado de agregación

amorfo es ampliamente usado un perfil con bajas temperaturas en la zona de

alimentación, debido a que se quiere precalentar el material y/o fundirlo antes que

alcance la zona de compresión. Por otro lado, en materiales semicristalinos como el

PEAD se requieren mayores temperaturas iniciales para asegurar el estado fundido al

llegar a la zona de compresión [2]. Una vez el polímero alcanza la zona de dosificación y

pasa a través de la boquilla, es necesario realizar el enfriamiento para asegurar la

estabilidad dimensional del producto terminado. [2,4]

Se ilustrarán las variaciones en los grados de dispersión y propiedades

mecánicas al variar el perfil de temperaturas. Para ello se observó que las tuberías de

mayor diámetro presentaban problemas tanto de dispersión como de porcentaje máximo

de elongación. Además, la mayoría de los perfiles de temperatura utilizados para el

procesamiento eran perfiles planos, contradiciendo los perfiles de forma ascendente

recomendados en la literatura. La tubería seleccionada para ello fue la 110PN6 del lote

3510; a continuación se muestran los parámetros de procesamiento.

Tabla 5.1 Variables de proceso correspondiente a la fabricación de la tubería 110PN6 Lote 3510.

Condiciones Perfil de temperaturas Vgiro

[rpm]

Varrastre

[m/min]

1

2

50 195 195 195 195 195 190

50 195 195 210 210 210 195 60 1.5

27

Al momento de obtener las muestras de tubería se procedió a realizar el ensayo

de dispersión de negro de humo. Las imágenes resultantes de este ensayo se ilustran en

la figura 5.1.

Figura 5.1 Fotos registradas para el análisis de dispersión de Negro de Humo en la tubería 110PN6 Lote

3510 fabricada bajo la condición 1.

Luego de realizar el análisis de la figura 5.1 se determinó un grado de dispersión

de 4, el cual se encuentra fuera de las especificaciones establecidas en la norma

FONDONORMA 1710. Además, se realizó el ensayo a tracción, cuyo resultado se

muestra en la figura 5.2. Al analizar los resultados correspondientes al ensayo mecánico

se obtuvo un porcentaje máximo de elongación de 298±138% (ver figura 5.2), el cual,

no cumple con los requerimientos exigidos por la empresa.

28

Figura 5.2 Curvas esfuerzo – deformación correspondientes a la tubería 110PN6 Lote 3510,

correspondiente a la condición 1.

Luego de obtener las muestras correspondientes a la tubería fabricada bajo la

condición 2, se procedió a realizar los ensayos de tracción y de dispersión de negro de

humo. Los resultados de éste último se ilustran en la figura 5.3.



0 100 200 300 400 500

0

50

100

150

200

Strain in %

Stress in kg/cm²

Elongación %

Esf

uerz

o en

Kg/

cm2

29

Al determinar el tamaño y número de los aglomerados, y clasificarlos según la

norma, se obtuvo un grado de dispersión de 2,5, mejorándose en gran manera el grado

obtenido de la condición número 1, que se encontraba por encima de la especificaciones

de la norma. De igual manera se realizó el ensayo mecánico de resistencia a la tracción,

viéndose el comportamiento de las curvas en la figura 5.4.



Como puede verse en ambos comportamientos alusivos a ambas condiciones,

hubo una mejora en las propiedades mecánicas al realizar el cambio en el perfil de

temperatura. En la condición 1 se obtuvo un porcentaje de elongación a la ruptura de

298 ±138% el cual, en promedio, se encuentra fuera de las especificaciones de la norma,

mientras que en la condición 2 hubo un porcentaje de 456±56%. Por otro lado, al verse

modificadas las temperaturas en la sección de compresión y dosificación ocurre la

disminución de la viscosidad del polímero, produciendo mejores propiedades de flujo

de la matriz polimérica y con ello se mejoran las interacciones del polímero con las

0 100 200 300 400

0

50

100

150

200

Strain in %

Stress in kg/cm²

Elongación %

Esf

uerz

o en

Kg/

cm2

30

partículas de colorantes para el mezclado de los componentes y así unas mejores

propiedades mecánicas.

5.1.2 Velocidad de extrusión

Asociada a la velocidad de giro del tornillo o lo que es lo mismo, el número de

revoluciones por minuto, la velocidad de extrusión posee gran influencia en las

propiedades reológicas del material, aumentando o disminuyendo la generación de

calentamiento viscoso al aumentar o disminuir la velocidad de giro, respectivamente.

Además, este parámetro posee gran influencia en la calidad del mezclado debido a que

se altera el tiempo de residencia del material dentro de la extrusora. Por otro lado, las

variaciones que se hagan en la velocidad de extrusión tendrán mayor o menor efecto

dependiendo de las dimensiones características del tornillo, como lo son diámetro,

largo, entre otras. [2,8]

Para ilustrar la influencia de este parámetro se utilizó la misma tubería de la

sección anterior (110PN6 Lote 3510), con la diferencia que se implementará una tercera

condición en la que se disminuirá la velocidad de extrusión. Vale la pena acotar que la

disminución de la velocidad de arrastre sólo afecta las dimensiones finales del producto.


Condición Perfil de temperaturas Vgiro

[rpm]

Varrastre

[m/min]

3 50 195 195 195 195 195 190 45 1.8

La figura 5.5 registra los resultados obtenidos al realizar el ensayo de dispersión

de negro de humo a muestras producidas bajo la condición 3.

31



Luego de analizar las imágenes se obtuvo un grado de dispersión de 3. Este valor

indica una mejoría en comparación a las muestras obtenidas para la condición 1, debido

a que éstas se encontraban fuera de las especificaciones. Aunado a esto, se realizó el

ensayo mecánico de resistencia a la tracción, donde la figura 5.6 ilustra las curvas de

comportamiento.



0 200 400 600

0

50

100

150

200

Strain in %

Stress in kg/cm²

Elongación %

Esf

uerz

o en

Kg/

cm2

32

Como se puede ver hubo una mejoría considerable en relación a las propiedades

mecánicas registradas de la condición 1 a la condición 3. Para la primera se registró un

porcentaje de 298±138%, mientras que al reducir la velocidad a 45rpm hubo un

aumento al 698±6%. Esto indica que al haber un incremento en el tiempo de residencia

del material dentro de la extrusora, producto de la disminución de la velocidad de

extrusión, el mezclado se promueve produciendo mejor compatibilidad entre el

concentrado de negro de humo y el PEAD. No obstante, pudiera haber un efecto

antagónico al disminuir la velocidad de extrusión, debido a que puede generarse

degradación del material al exponerse al calentamiento al calentamiento.

Es importante acotar que al disminuir la velocidad de extrusión se disminuye de

igual forma la velocidad de producción, por lo que es importante realizar un balance

entre la capacidad de producción y las características de calidad que se deseen obtener

para los productos terminados.

5.2 Influencia de los materiales utilizados para la producción de tuberías.

A continuación se reportan las diferencias al cambiar tanto el grado del PEAD

como el colorante utilizado en la producción de tuberías.

5.2.1 Influencia del grado de PE utilizado

Los distintos tipos de tuberías, las cuales son fabricadas en relación al diámetro

y la presión que soportan, también se clasifican dependiendo del tipo de material

utilizado. Las resinas utilizadas, como se mencionó anteriormente, son las denominadas

PE100 y PE 80.

El PE 100 es utilizado ampliamente para la producción de tuberías grandes,

abarcando diámetros desde 110mm hasta 630mm. Por el lado contrario, el PE80 es

usado por su buen comportamiento reológico, a diferencia del PE 100, encontrándose en

las tuberías de menor diámetro debido a que se desea un comportamiento fluido en

espesores de boquilla de menor magnitud.

33

A continuación, para ilustrar dicha influencia, se seleccionó el tipo de tubería

75PN10 y la máquina 7. Los parámetros de proceso se indican en la tabla 5.3.

Tabla 5.3. Variables de proceso correspondiente a la fabricación de la tubería 75PN10 Lote 3110.

Perfil de temperaturas Vgiro

[rpm]

Varrastre

[m/min]

50 195 195 195 195 195 190 60 1.7

Seguidamente, se observa la figura 5.7 la cual contempla las curvas esfuerzo-

deformación realizadas a la tubería con PE80

Figura 5.7 Curvas esfuerzo – deformación correspondientes a la tubería 75PN10 Lote 3110 (PE80),

fabricada en la Máquina 7.

Luego de ensayar 5 probetas, registrar el porcentaje de deformación y el valor

del esfuerzo en los puntos de fluencia y ruptura, el software arrojó un promedio de

0 100 200 300 400 500

0

50

100

150

200

Strain in %

Stress in kg/cm²

Elongación %

Esf

uerz

o en

Kg/

cm2

34

(206±3) kg/cm² en el valor del esfuerzo de fluencia así como también el promedio de

dichas mediciones en la deformación a ruptura (335±146) %. Este valor no es aceptado

por los estándares de la empresa y los descritos en la norma (mayores al 350%). Los

estándares en valores aceptables pueden alcanzarse con la suma del error (registrado

como la desviación estándar de las probetas). Sin embargo, este parámetro indica la no

reproducibilidad entre las muestras obtenidas, observándose de igual forma que los

porcentajes de ruptura para las mayorías de las probetas oscilaron entre 200 y 300 %.

Al realizar el ensayo de dispersión a las muestras extraídas de la tubería 75PN10

Lote 3110 (PE80) y analizarlas con el software se obtuvieron las imágenes que se

muestran en la figura 5.8. Al analizar las imágenes obtenidas con la ayuda del software

se obtuvo un grado de dispersión de 3. Dicho valor es aceptado en los estándares

descritos en la norma así como también los adscritos por la empresa para la dispersión

de negro de humo en tuberías de PEAD.


3110 (PE80) fabricada en la máquina 7

Utilizando la misma tubería con características de diámetro y presión nominal,

se seleccionó una fabricada con PE100 (75PN10 Lote 2810) para su comparación. En la

tabla 5.4 se ilustran las condiciones de procesamiento.

35



[rpm]

Varrastre

[m/min]

50 195 200 200 200 195 190 60 1.7

Figura 5.9 Curvas esfuerzo – deformación correspondientes a la tubería 75PN10 Lote 2810 (PE100),


Luego de tomar las muestras de tuberías y cortar las probetas se realizó el

ensayo a tracción, obteniéndose las curvas ilustradas en la figura 5.9. Como resultado

del análisis se obtuvo un promedio en el valor del esfuerzo a la fluencia de (191±2)

kg/cm² y un porcentaje de deformación máximo de (538±240) %. Ambos valores son

aceptados dentro de los estándares de la empresa así como también de la norma.

0 200 400 600

0

50

100

150

Strain in %

Stress in kg/cm²

Elongación %

Esf

uerz

o en

Kg/

cm2

36

De igual forma se realizó el estudio dispersivo del negro de humo. En la figura

5.10 se puede observar las fotografías tomadas a las muestras ensayadas.

Figura 5.10. Fotos registradas para el análisis de dispersión de Negro de Humo en la tubería 75PN10

Lote 2810 (PE100) fabricada en la máquina 7

De los comportamientos vistos para la fabricación de la tubería 75PN10 en la

máquina 7 se puede observar una mejoría considerable en el uso del PE100 con respecto

al PE80. El aumento del porcentaje máximo de elongación sugiere la utilización del

PE100 para la fabricación de dicha tubería debido a que la misma, al ser producida con

PE80, no alcanza los estándares mínimos descritos en la norma en lo referido al

porcentaje máximo de elongación. Sin embargo, existe una disminución en el esfuerzo a

la fluencia de 206 a 191 Kg/cm2 al utilizar la otra resina. Los valores reportados en la

norma para este parámetro establecen un esfuerzo superior a 100 Kg/cm2 por lo que, en

relación al porcentaje máximo de deformación, la disminución no presenta gran

relevancia.

Comparando los resultados obtenidos al analizar la dispersión de negro de humo

en ambas tuberías se puede ver una disminución de 0.5 en el grado obtenido. Aunque

ambos valores están en rangos permisibles de dispersión, la disminución indica una

mejoría debido a que existe una mayor homogeneidad del pigmento en la matriz

polimérica. Esta disminución puede atribuirse a un aumento en la viscosidad del PE100

con respecto al PE80 (ver MFI en apéndice E tabla E.4). Al presentarse un aumento en

la viscosidad ocurren mayores esfuerzos de corte durante el procesamiento,

37

promoviendo la destrucción de los posibles aglomerados de negro de humo

predispersados en el colorante y así distribuirlos por la matriz polimérica.

5.2.2 Influencia del tipo de colorante

Además de la protección que brinda el negro de humo a los productos hechos

con polietileno, este aditivo, dependiendo de la morfología y de la distribución que

posea en la matriz polimérica, puede afectar significativamente las propiedades físicas y

mecánicas de las piezas a realizar con esta mezcla. Dependiendo del tipo de PEAD que

se utilizará, ya sea PE80 o PE100, en GEMACA se emplean dos tipos de concentrados

de negro de humo: Un concentrado con 30% de negro de humo (usado en el PE100) y

un concentrado con 50% (utilizado con el PE80). En primera instancia se pensó realizar

ensayos de dispersión a los concentrados para concretar si el problema de los altos

grados provenía directamente del fabricante. Sin embargo, debido a que el laboratorio

de la empresa no estaba en capacidad de realizar ensayos de dispersión para el

concentrado, se procedió a realizar dichos ensayos a los productos terminados.

Se compararon concentrados de negro de humo de distintas casas comerciales

(Clariant y M&M) ambos con un porcentaje de 30%. A continuación, en la tabla 5.5,

se muestran las condiciones de procesamiento para la tubería 250PN6 Lote 4110 que

fue extruida en la máquina 1. Correspondientes al análisis de dispersión de la tubería

con el concentrado de la casa Clariant, la figura 5.11 ilustra lo obtenido.



[rpm]

Varrastre

[m/min]

50 195 195 195 195 195 190 100 0.8

38


4110 (Colorante Clariant) fabricada en la máquina 1.

Posterior a la realización del análisis de las imágenes mostradas se determinó un

grado de dispersión de 3.5 el cual se encuentra fuera de las especificaciones exigidas

por la norma y la empresa. A continuación, en la figura 5.12, se muestra el

comportamiento a tracción de las muestras correspondientes a la tubería con colorante

Clariant.

Figura 5.12 Curvas esfuerzo – deformación correspondientes a la tubería 250PN6 Lote 4110 (Clariant),


0 50 100 150 200 250

0

50

100

150

200

Strain in %

Stress in kg/cm²

Elongación %

Esf

uerz

o en

Kg/

cm2

39

Como puede verse ninguna de las muestras superó el mínimo porcentaje de

deformación a la ruptura exigido por la norma, obteniéndose un promedio de

(198±38%) y un esfuerzo en el punto de fluencia de 242±1 Kg/cm2.

Posterior al cambio del colorante, y manteniendo las condiciones de

procesamiento mostradas en la tabla 5.5, se procedió a la toma de muestra para realizar

el ensayo de dispersión de negro de humo. La figura 5.13 muestran los resultados

obtenidos para la tubería 250PN6 Lote 4110 utilizando colorante de la casa M&M. A

partir del análisis de las imágenes obtenidas se logró un resultado de 2, el cual se

atribuye a una buena dispersión y además está en los estándares reportados en la norma.

Esto implica una mejoría en el grado de dispersión en relación a la muestra analizada

para la tubería fabricada con colorante de la casa Clariant. Sin embargo, y al igual que el

análisis de dispersión, se realizó el ensayo a tracción de la tubería fabricada con

colorante M&M.


Lote 4110 (Colorante M&M) fabricada en la máquina 1.

40

Figura 5.14 Curvas esfuerzo – deformación correspondientes a la tubería 250PN6 Lote 4110 (M&M),


Al observar el comportamiento de la curvas se determinó un porcentaje de

elongación a la ruptura de 275±41% el cual, al igual que la muestra con colorante

Clariant, no cumplió con el mínimo porcentaje de deformación a la ruptura. En cuanto

al esfuerzo en el punto de fluencia se registró una disminución a 226+/-1 Kg/cm2.

Estos resultados reflejan una pequeña mejoría en el porcentaje de deformación a

la ruptura, sin embargo no ocurre lo mismo en cuanto al valor del esfuerzo en el punto

de fluencia. Al igual que lo visto anteriormente, al haber una mejor dispersión de negro

de humo ocurre una mejoría en el porcentaje de deformación a la ruptura. La solución

propuesta para este problema se redujo a la disminución de la velocidad de giro del

tornillo extrusor. Sin embargo, no se pudo realizar debido a que al modificar este

parámetro se comprometería la velocidad de producción.

0 100 200 300

0

50

100

150

200

Strain in %

Stress in kg/cm²

Elongación %

Esf

uerz

o en

Kg/

cm2

41

5.3 Tuberías de igual especificación fabricadas en distintas máquinas

Una de las ventajas del proceso de extrusión de tuberías es la versatilidad que

existe para producir productos de distintas dimensiones con solo cambiar un ente de la

máquina. En GEMACA varios tipos de tuberías, a excepción de las tuberías de diámetro

superior, pueden extruirse en varias máquinas, por lo que en ocasiones existe una

heterogeneidad en las propiedades finales del producto. Básicamente, el objetivo de esta

sección fue el de estudiar si existe variaciones mayores en cuanto a dispersión y

propiedades mecánicas de las tuberías de PEAD.

Se seleccionaron dos tipos de tubería con la utilización del mismo grado de

PEAD y el mismo tipo de colorante. Las tuberías fabricadas en la máquina 7

presentaron, en varias oportunidades, grados de dispersión por encima de los permitidos

por lo que se seleccionó la tubería 110PN10 para observar la influencia de la máquina.

A continuación se muestran las condiciones de procesamiento para la tubería 110PN10

Lote 3410 fabricada en la máquina 7. Posterior a la toma de muestras, se registraron las

imágenes para el estudio del grado de dispersión de negro de humo en el PEAD (figura

5.15).



[rpm]

Varrastre

[m/min]

50 195 195 195 195 195 190 60 1.5

42

Figura 5.15 Fotos registradas para el análisis de dispersión de Negro de Humo en la tubería 110PN10

Lote 3410 fabricada en la máquina 7.

Al analizar de las imágenes registradas se obtuvo un grado de dispersión igual a

4, el cual se encuentra fuera de las especificaciones registradas en FONDONORMA.

Además, se realizó el ensayo a tracción, observándose el comportamiento en la figura

5.16.

Figura 5.16 Curvas esfuerzo – deformación correspondientes a la tubería 110PN10 Lote 3410, fabricada

en la máquina 7.

0 200 400 600

0

50

100

150

200

Strain in %

Stress in kg/cm²

Elongación %

Esf

uerz

o en

Kg/

cm2

43

Conociendo las curvas del ensayo mecánico a tracción se determinó el promedio

del valor de esfuerzo en el punto de fluencia de 215±4 Kg/cm2 y un promedio en el

porcentaje de deformación a la ruptura de 524±71 %. Ambos parámetros cumplen con

los estándares de calidad que se reportan en las normas utilizadas por la empresa.

Para realizar la comparación, se seleccionó la tubería correspondiente al lote

2010, producida en la máquina 4. En la tabla 5.7 se muestran los parámetros de

procesamiento.



[rpm]

Varrastre

[m/min]

50 190 195 195 200 200 200 200 200 195 35 1,0

Figura 5.17 Fotos registradas para el análisis de dispersión de Negro de Humo en la tubería 110PN10


En la figura 5.17 se muestran las imágenes registradas para el análisis de

dispersión de negro de humo en la tubería antes mencionada. Al finalizar el análisis de

las imágenes se determinó un grado de dispersión de negro de humo igual a 2,5 el cual

se encuentra dentro de las especificaciones reportadas en las normas utilizadas por la

empresa. Esto muestra una mejoría en comparación a los resultados correspondientes a

la tubería fabricada en la máquina 7. A continuación se muestran los resultados

obtenidos en el ensayo a tracción para la tubería fabricada en la máquina 4.

44


en la máquina 4.

Como se pueden observar, las curvas registradas para el ensayo a tracción de la

tubería fabricada en la máquina 4 poseen un 700 % de deformación a la ruptura,

caracterizando unas excelentes propiedades mecánicas. Sin embargo, además de

mejorarse el principal problema (porcentaje de deformación a la ruptura), se disminuyó

el valor del esfuerzo máximo en el punto de fluencia de 215±4 a 202±1 Kg/cm2.

Estas características pueden ocurrir como consecuencia de los parámetros de

procesamiento en cada una de las máquinas utilizadas. Debido a que las características

de tracción fueron asociadas al mezclado del concentrado y del material polimérico, las

bajas velocidades de giro del tornillo extrusor inducen un mayor tiempo de residencia

de la mezcla en la máquina; además, al poseer un tornillo 2 m más largo, en la máquina

7 se utilizó el triple de la velocidad empleada en la máquina 4, con lo que puede intuirse

que en esta última el material tiene mayor tiempo de residencia y por lo tanto mejores

características de dispersión y de tracción.

0 200 400 600

0

50

100

150

200

Strain in %

Stress in kg/cm²

Elongación %

Esf

uerz

o en

Kg/

cm2

45

También se quiso observar la influencia de la maquinaria utilizada en la

producción de tuberías de menor diámetro. La tubería seleccionada fue 32PN10 de los

lotes 3710 y 4210 fabricadas en las máquinas 9 y 10, respectivamente. En la tabla 5.8 se

observan los parámetros de procesamiento para la tubería del lote 3710.



[rpm]

Varrastre

[m/min]

50 190 195 195 195 195 195 190 40 3.5

Luego de realizar la toma de muestras se procedió al análisis de dispersión de

negro de humo empleando las imágenes vistas en la figura 5.19. Tras hacer el estudio de

la figura anterior se determinó que las muestras poseían un grado de dispersión de 2.

Además, se realizó el ensayo de resistencia a la tracción (figura 5.20).



46


en la máquina 9.

Por su parte, para realizar la comparación con la tubería fabricada en la máquina

10, a continuación, en la tabla 5.9, se muestran los parámetros de procesamiento. De

igual manera, se tomaron muestras para realizar el ensayo de dispersión de negro de

humo a partir de la figura 5.21.



[rpm]

Varrastre

[m/min]

50 190 195 195 195 195 195 195 190 50 2.5

0 200 400 600 800

0

50

100

150

200

Strain in %

Stress in kg/cm²

Elongación %

Esf

uerz

o en

Kg/

cm2

47



Del análisis, se determinó que la tubería poseía un grado de dispersión de 2.

Asimismo, se realizó el ensayo de resistencia a la tracción del cual se ilustra el

comportamiento en la figura 5.22.


en la máquina 10.

0 200 400 600 800 1000

0

50

100

150

200

250

Strain in %

Stress in kg/cm²

Elongación %

Esf

uerz

o en

Kg/

cm2

48

Como se pudo observar, en los ensayos realizados a las tuberías fabricadas en

máquinas distintas no se perciben muchas diferencias en cuanto a dispersión debido a

que ambos parámetros dieron como resultado un grado de 2, los cuales están acordes a

las especificaciones exigidas por los estándares de la norma. Sin embargo, se registraron

diferencias en el porcentaje de elongación a la ruptura, obteniéndose un alargamiento

promedio de 712% en la máquina 9 y de 1049% en la máquina 10. Al igual que las

características de dispersión de negro de humo, los resultados correspondientes al

ensayo mecánico estuvieron por encima de los exigidos por la norma, por lo que se

ratifica la confiabilidad de las máquinas 9 y 10 para la producción con calidad de este

tipo de tubería.

5.4 Utilización de material reciclado en la fabricación de tuberías.

En GEMACA, la producción rechazada por no cumplir con los estándares

dimensionales en dimámetro, espesor y/o aspecto superficial (perforaciones, rayas u

otros), se destina al molino donde se prepara para su reutilización como material

reciclado. Este material resultante se utiliza en su mayoría para la producción de

tuberías medianas que van desde los 50 mm de diámetro hasta los 110 mm, sabiendo las

consecuencias que pueden repercutir en la variación de las propiedades mecánicas y

también las reológicas al emplearse 100% material reciclado. La tubería 63PN4 Lote

4110 se fabricó en la máquina 6 y las condiciones de procesamiento se observan en la

tabla 5.10.

Tabla 5.10. Variables de proceso correspondiente a la fabricación de la tubería 63PN4 Lote 4110 fabricada en la máquina 6 con la utilización de material reciclado.


[rpm]

Varrastre

[m/min]

50 190 195 195 195 195 195 190 90 2.3

Las siguientes imágenes, reportadas en la figura 5.23, fueron obtenidas a través

de la toma de muestras realizadas a las tuberías para evaluar la dispersión de negro de

humo. Luego registrar las imágenes y analizarlas según la norma correspondiente se

49

determinó que dicha tubería poseía un grado de dispersión de 2. Este resultado se

encuentra en los estándares de calidad descritos por la empresa y, a pesar de tratarse de

un material reciclado y con restos de suciedad, presentó aglomerados pequeños en

comparación al promedio de las fotografías asociadas a las muestras de tuberías

fabricadas con material 100% virgen. Por su parte, al realizarse el ensayo de resistencia

a la tracción se observó el comportamiento ilustrado en la figura 5.24.


4110 fabricada en la máquina 6 con la utilización de material reciclado.

50


con material reciclado en la Máquina 6.

De la figura anterior se puede observar unas excelentes propiedades mecánicas,

caracterizándose por un porcentaje de elongación a la ruptura de 866±54 % y esfuerzo a

la ruptura de 184±24 Kg/cm2. Sin embargo, se tomaron muestras de la tubería 110PN6

Lote 4110, que al igual que en la tubería anterior se fabricó con material reciclado, con

la diferencia que la siguiente fue extruida en la máquina 4 con los parámetros de

proceso reportados en la tabla 5.11.

Tabla 5.11 Variables de proceso correspondiente a la fabricación de la tubería 110PN6 Lote 4110 fabricada en la máquina 4 con la utilización de material reciclado.


[rpm]

Varrastre

[m/min]

50 190 195 195 195 195 195 195 195 190 35 1.0

0 200 400 600 800

0

50

100

150

200

Strain in %

Stress in kg/cm²

Elongación %

Esf

uerz

o en

Kg/

cm2

51


4110 fabricada en la máquina 4 con la utilización de material reciclado.

La figura 5.25 ilustra las fotografías correspondientes al estudio de dispersión de

negro de humo en la tubería 110PN6. Al igual que la tubería 63PN4, la tubería 110PN6

presentó un grado de dispersión menor a los vistos anteriormente. Estos resultados

reflejan una reproducibilidad en cuando a dispersión de negro de humo se refiere, lo que

da a entender que al utilizar material reciclado se obtienen buenos niveles de dispersión.

A continuación, en la figura 5.26, se muestra el comportamiento a tracción de las

muestras correspondientes a la tubería 110PN10 Lote 4110.

52


con material reciclado en la Máquina 4.

De las curvas mostradas se puede ver que la tubería alcanzó los estándares

descritos en la norma en cuanto a porcentaje de deformación a la ruptura se refiere,

obteniéndose un valor de 693±13 %, al igual que se obtuvo un valor de esfuerzo en el

punto de fluencia de 218±2Kg/cm2, lo cual demuestra una buena confiabilidad al

utilizar 100% material reciclado, en cuanto a dispersión y propiedades mecánicas se

refiere. Además, al observar los resultados de ambos tipos de tuberías, se puede concluir

que al obtenerse buena dispersión se obtendrán buenas propiedades mecánicas.

Haciendo la comparación de estos resultados, las buenas propiedades antes

mencionadas pueden deberse a la calidad de mezclado del material. Tratándose de un

material reciclado, el posterior procesamiento incorpora de mejor forma los

componentes (PE y colorante), en comparación a lo hecho por un solo procesado o un

poco tiempo de residencia del material. Sin embargo, este efecto puede comprometerse

debido a que puede ocurrir disminución del peso molecular del polímero y/o

degradación del mismo al exponerse por largos períodos de tiempo a altas temperaturas,

0 200 400 600

0

50

100

150

200

Strain in %

Stress in kg/cm²

Elongación %

Esf

uerz

o en

Kg/

cm2

53

además que puede encontrarse suciedad o partículas no deseadas que puedan inducir la

falla de la tubería hecha con reciclado.

5.5 Mezclado distributivo, cantidad de colorante y negro de humo en la

fabricación de tuberías de PEAD.

Debido a que la dispersión de negro de humo depende fuertemente del tamaño

de aglomerados en la matriz polimérica, el número de éstos también repercutirá en una

dispersión eficiente o ineficiente. Es por ello que se vio la necesidad de realizar un

análisis de la cantidad de negro de humo que es incorporado en las tuberías, así como

también la cantidad de concentrado o colorante que es mezclado para la fabricación.

Para el caso del PE80 es necesario un 5% del colorante, el cual posee un 50% de

concentrado, mientras que para el PE100 es utilizado un 8% de colorante, el cual debe

poseer un 30% de negro de humo.

Para evaluar la distribución y cantidad del colorante se tomaron muestras

provenientes de los mezcladores de cuatro máquinas, las cuales corresponden a cuatro

tipos de tubería. Se pesó la cantidad de cada uno de los componentes y se tomaron

muestras de tubería para realizar el ensayo de contenido de negro de humo siguiendo el

procedimiento de la norma FONDONORMA 1710. A continuación, en la tabla 5.12 se

muestran los resultados correspondientes a la tubería 200PN6 del lote 4410, la cual fue

fabricada en la máquina 1.

54

Tabla 5.12 Cantidad de concentrado en mezcladores y NH en el producto final correspondiente a la tubería 200PN6 del lote 4410 fabricada en la máquina 1.

Muestra PE

[g]

Colorante

[g]

Total

[g]

Mezcladores Tubería

[%�H] PE [%] C [%]

1 33,4356 2,2468 35,6824 93,70 6,30 1,26

2 33,1197 1,3927 34,5124 95,96 4,04 1,64

3 33,6623 2,6985 36,3608 92,58 7,42 1,62

4 33,7780 2,8798 36,6578 92,14 7,86 1,32

5 32,0968 1,1554 33,2522 96,53 3,47 1,64

6 35,7374 2,3201 38,0575 93,90 6,10 1,45

7 30,9893 1,1898 32,1791 96,30 3,70 1,21

Promedio 33,2599 1,9833 35,2432 94,45 5,55 1,45

σ 1,4792 0,7259 2,0514 1,81 1,81 0,19

Como se había dicho anteriormente, para garantizar un 2% de negro de humo en

la tubería es necesario agregar un 5% de concentrado cuando éste posee un 50% de NH,

mientras que se agrega un 8% cuando posee un 30% de NH. Para esta tubería se utilizó

colorante de la casa M&M, el cual posee 30% de NH.

De la tabla anterior se observa que el porcentaje añadido de colorante está por

debajo del reglamentario, y aún con una desviación preponderante, el promedio de las

muestras recogidas no alcanza el 8%. Esto demuestra que aparte de no existir el mínimo

requerido en la adición de colorante, el mezclado distributivo no fue eficiente. Al

comparar la cantidad de NH para esta tubería, se verifica en cierta forma la baja

cantidad de colorante añadida. En este caso se obtuvo un promedio de 1,45% de NH, el

cual se encuentra por debajo de los requerimientos de la empresa y las normas

utilizadas, aún cuando es adicionada la desviación estándar.

De igual manera se realizó el análisis para la tubería 25PN10 del lote 4410, la

cual fue fabricada en la máquina 8. Los resultados se muestran en la tabla 5.13.

55


Muestra PE

[g]

Colorante

[g]

Total

[g]


[%�H] PE [%] C [%]

1 32,4396 3,0280 35,4676 91,46 8,54 1,15

2 30,5780 3,2299 33,8079 90,45 9,55 1,36

3 31,6435 2,0782 33,7217 93,84 6,16 2,10

4 30,9457 2,4146 33,3603 92,76 7,24 0,79

5 29,4529 1,5730 31,0259 94,93 5,07 1,95

6 36,4608 0,8733 37,3341 97,66 2,34 0,76

7 33,3510 2,1820 35,533 93,86 6,14 1,16

Promedio 32,1245 2,1970 34,3215 93,57 6,43 1,32

σ 2,2934 0,8125 2,0110 2,37 2,37 0,53

De la misma forma que lo visto en la tubería anterior, el promedio resultante de

todas las muestras estuvo por debajo del 8% necesario; sin embargo, al tomar en cuenta

la desviación estándar, se llega incluso a superar el porcentaje necesario. Al realizar el

ensayo de cantidad de NH se observó el patrón de la tubería fabricada en la máquina 1,

obteniéndose un porcentaje por debajo del mínimo reportado en las normas.

Correspondiente a la máquina 9, se realizó el mismo estudio a la tubería

32PN12,5 del lote 4410. A continuación, la tabla 5.14 muestra los resultados.

56

Tabla 5.14 Cantidad de concentrado en mezcladores y NH en el producto final correspondiente a la tubería 32PN12,5 del lote 4410 fabricada en la máquina 9.

Muestra PE [g] Colorante

[g]

Total

[g]


[%�H] PE [%] C [%]

1 32,1593 0,8927 33,052 97,30 2,70 1,73

2 32,8777 1,5032 34,3809 95,63 4,37 1,67

3 30,5740 5,1109 35,6849 85,68 14,32 1,52

4 34,3007 0,2306 34,5313 99,33 0,67 0,96

5 34,4986 1,4827 35,9813 95,88 4,12 1,13

6 33,3578 1,3259 34,6837 96,18 3,82 1,66

7 30,1446 3,3962 33,5408 89,87 10,13 1,29

Promedio 32,5590 1,9917 34,5507 94,27 5,73 1,42

σ 1,7061 1,6809 1,0525 4,76 4,76 0,30

De la tabla 5.14 se obtiene que la cantidad de colorante osciló entre valores muy

bajos a valores muy altos, lo cual se observa en la alta desviación estándar de 4,76. Esto

indica que el porcentaje de colorante fue de 10,48 o 0,97. Con respecto al porcentaje de

negro de humo en la tubería se obtuvo un promedio de 1,42; encontrándose por debajo

del porcentaje mínimo reportado en las normas y estándares de la empresa. A diferencia

del mezclado distributivo en la materia prima, se obtuvo una desviación de 0,30 en las

muestras de cantidad de negro de humo, lo que muestra que en la extrusora se realizó un

mejor mezclado entre las partes obteniéndose mayor homogeneidad en la tubería.

Por último, se realizó el mismo estudio a la tubería 32PN6 Lote 4410 la cual fue

fabricada en la máquina 10. La tabla 5.15 muestra los resultados obtenidos.

57


Muestra PE

[g]

Colorante

[g]

Total

[g]


[%�H] PE [%] C [%]

1 30,6832 1,581 32,2642 95,10 4,90 1,76

2 27,7482 1,0319 28,7801 96,41 3,59 1,21

3 30,1955 2,2318 32,4273 93,12 6,88 0,93

4 30,4648 2,1932 32,658 93,28 6,72 0,99

5 32,3121 2,3584 34,6705 93,20 6,80 1,73

6 35,0208 1,2162 36,237 96,64 3,36 1,83

7 31,4012 1,8868 33,288 94,33 5,67 0,89

Promedio 31,1180 1,7856 32,9036 94,58 5,42 1,33

σ 2,2196 0,5224 2,3123 1,51 1,51 0,42

Al igual que lo visto para la tubería fabricada en la máquina 1, se observó que el

promedio del contenido de colorante agregado fue menor al 8% necesario, obteniéndose

un 5,42%. A diferencia de las tuberías 32PN12,5 y 25PN6 la desviación registrada no

fue de mayores proporciones lográndose un valor de 1,51. De igual manera, al realizarse

el ensayo de contenido de NH se obtuvo un promedio de 1,33%, el cual se encuentra

por debajo del mínimo de los estándares de calidad.

Luego de analizar los datos obtenidos en las 4 tuberías se pudo ver que

predomina la heterogeneidad del mezclado de la materia prima. Esto puede deberse a

varios aspectos entre los cuales están: el mezclado manual, la falta de regularidad al

momento de agregar el colorante, mezclado realizado por distinto personal, entre otros.

Sin embargo, pudo verse que los contenidos de NH en las tuberías estuvieron por debajo

de las especificaciones, asociándose a una baja concentración de colorante.

Además, se observó que el ensayo de pirolisis para determinar la cantidad de

negro de humo poseía irregularidades en el tiempo y la temperatura de calentamiento

del horno utilizado. En ocasiones se degradaba la muestra a cenizas como consecuencia

de un sobrecalentamiento y en otras se observaban cantidades de resina plástica en el

recipiente portamuestras.

58

Las soluciones recomendadas para el mezclado distributivo radican en la

utilización de mezcladores automáticos los cuales, además de otorgarle homogeneidad a

la mezcla, a largo plazo pueden contribuir a una mejor utilización de la materia prima y

evitar desperdicios y mal gastos tanto de PEAD como de los colorantes empleados. En

cuanto al ensayo de cantidad de NH, es recomendable la revisión del horno utilizado,

así como también el sistema de ventilación de nitrógeno, para garantizar las condiciones

del ensayo descritas en la norma FONDONORMA 1710 y así la obtención de resultados

confiables.

5.6 Variación de diámetro y espesores en productos terminados

En esta sección se ilustran las variaciones de diámetro y espesor en varios

productos terminados. Para ello se tomaron muestras de producción aproximadamente

cada hora, registrándose 8 mediciones por día, durante 2 días. En el caso de las

mediciones en los espesores se registraron valores en 4 puntos y así analizar la

reproducibilidad de las mediciones en un mismo punto de la sección trasversal de la

tubería.

El objetivo de este estudio es observar la influencia que tienen las calibraciones

y las máquinas utilizadas en las dimensiones de la producción de tuberías, así como

también realizar la comparación con el catálogo de ventas el cual especifica los

estándares utilizados por GEMACA. A continuación se muestran las mediciones

registradas para la tubería 200PN6 fabricada en la máquina 1.

Figura 5.27 Diámetros (a) y espesores (b)

Para este tipo de tubería las especificaciones contemplan un rango de 250

mm en diámetro; y 11,9-13,3 mm para los espesores. Como se puede observar

varios puntos donde ambos parámetros, tanto los diámetros como los espesores, se

encuentran fuera de los rangos establecidos. Las mediciones para el diámetro registran

un promedio de 252 mm, el cual es

de las 15 mediciones realizadas sobrepasaron los rangos permitidos.

Con respecto a la vari

más mediciones fuera del rago especif

máximo, que en este caso es de 13,3 mm. Además de esto, se puede observar que para

un mismo registro de medidas

existe una homogeneidad en los espesores producto del desplazamiento que puede haber

en la boquilla o la pérdida de centro del mecanismo de calibración.

Para analizar la influencia entre distintas máquinas se d

la cual contempla un rango de 110

tipo de tubería se fabricó tanto en la máquina 4 como en la máquina 7, las cuales poseen

sistemas de calibración al vacío.

mediciones a ambas tuberías.

249

250

251

252

253

254

255

256

257

(a)

59

Diámetros (a) y espesores (b) en milimetros, registrados para la tubería 200PN6 fabricada en la máquina 1.

Para este tipo de tubería las especificaciones contemplan un rango de 250

13,3 mm para los espesores. Como se puede observar


fuera de los rangos establecidos. Las mediciones para el diámetro registran

el cual está dentro del rango estipulado. Sin embargo, sólo tres

de las 15 mediciones realizadas sobrepasaron los rangos permitidos.

Con respecto a la variación en los espesores se puede ver que existen muchas

mediciones fuera del rago especificado, predominando valores por encima del

que en este caso es de 13,3 mm. Además de esto, se puede observar que para

un mismo registro de medidas existen valores muy dispersos, lo que indica que no


en la boquilla o la pérdida de centro del mecanismo de calibración.

Para analizar la influencia entre distintas máquinas se destinó la tubería 110PN6

la cual contempla un rango de 110-111 mm en diámetro y 5,3-6 mm en espesor. Este


sistemas de calibración al vacío. A continuación, las figuras 5.28 y 5.29 ilustran las

11,0

11,5

12,0

12,5

13,0

13,5

14,0

14,5

15,0

(b)

registrados para la tubería 200PN6 fabricada en

Para este tipo de tubería las especificaciones contemplan un rango de 250-252,3

13,3 mm para los espesores. Como se puede observar, existen


fuera de los rangos establecidos. Las mediciones para el diámetro registran

in embargo, sólo tres

ación en los espesores se puede ver que existen muchas

icado, predominando valores por encima del

que en este caso es de 13,3 mm. Además de esto, se puede observar que para

alores muy dispersos, lo que indica que no


estinó la tubería 110PN6,

6 mm en espesor. Este


ilustran las

60

Figura 5.28 Diámetros (a) y espesores (b) en milimetros, registrados para la tubería 110PN6 fabricada en

la máquina 4.


la máquina 7.

Al realizar la comparación entre las mediciones del diámetro, puede observarse

que todos los valores están dentro de los rangos estipulados, obteniéndose un promedio

ligeramente mayor en la máquina 7 en relación a la máquina 4. Con respecto a los

espesores, se observa que en ambas máquinas la mayoría de los valores se encuentra por

encima del rango estipulado, además se ve una marcada diferencia, donde los valores

registrados en la producción de la máquina 4 están 1mm por encima al promedio de los

vistos en la máquina 7. De manera general, en ambas gráficas se refleja una disparidad

entre las mediciones, concluyéndose que estas máquinas también poseen problemas

como los descritos para la tubería 200PN6.

110,0

110,1

110,2

110,3

110,4

110,5

110,6

110,7

110,8

110,9

111,0

(a)6,0

6,5

7,0

7,5

8,0

8,5

9,0

(b)

110,2

110,3

110,4

110,5

110,6

110,7

110,8

110,9

111,0

(a)5,0

5,5

6,0

6,5

7,0

7,5

8,0

(b)

61

La tubería 63PN6 fue producida en la máquina 6, la cual posee un sistema de

calibración que trabaja con presión de aire. Las características de esta tubería reportan

un rango de diámetro de 63-63,6 mm y 3-3,5 mm en el espesor. La figura 5.30 muestra

las mediciones para esta tubería.


la máquina 6. Al realizar los análisis se pudo concluir que, al igual que los casos anteriores, las

mediciones correspondientes a los diámetros estuvieron dentro de los rangos, más no

ocurrió lo mismo para la mayoría de los espesores registrados. Además, al tratarse de

una tubería de menor diámetro y espesor persiste la disparidad entre los valores de una

medición, lo que indica la falta de homogeneidad descrita anteriormente. Sin embargo,

este problema se presenta en menores desviaciones que las tuberías anteriores.

Por último, la tubería 32PN10 se fabricó en la máquina 10, y de acuerdo a las

especificaciones los espesores contemplan un rango de 32-32,3 mm en relación al

diámetro y 1,4-1,7mm al espesor. El registro en la variación de estos parámetros se

muestra en la figura 5.31.

63,25

63,30

63,35

63,40

63,45

63,50

63,55

63,60

63,65

(a)2,5

2,7

2,9

3,1

3,3

3,5

3,7

3,9

4,1

4,3

(b)

62

Figura 5.31. Diámetros (a) y espesores (b) en milimetros, registrados para la tubería 32PN10 fabricada en

la máquina 10.

Se mantiene la tendencia vista para las tuberías provenientes de las máquinas

anteriores. Las variaciones del diámetro están dentro del rango establecido, mientras

que los valores correspondientes a los espesores, en su mayoría, oscilan fuera del rango

y también se observa heterogeneidad en los espesores de la sección trasversal. Sin

embargo, la magnitud de esta disparidad es mucho menor tratándose de una tubería más

pequeña.

De manera general, los valores oscilan por encima de los rangos reportados en

las especificaciones, lo que puede producir una utilización excesiva de material a largo

plazo. También se puede ver afectada la calidad de las uniones por soldadura como

consecuencia de la variabilidad en los espesores y diámetros de las tuberías. Además, al

producir tuberías con espesores altos, podrán soportar mayores presiones nominales

debido a que se afecta la relación diámetro-espesor (SDR).

A través de los datos reportados para los distintos tipos de tubería se observa que

los espesores son los más afectados en cuanto a reproducibilidad se refiere. Aunado a

esto, se puede ver que no existe mucha diferencia al comparar los distintos sistemas de

calibración; a pesar de verse en distintos tipos de tuberías, no se observó que los valores

proporcionados en las especificaciones se reprodujeran en la producción. En

consecuencia se recomienda la inversión, por parte de la empresa, para la adquisición de

sistemas más eficientes de calibración y así lograr mantener y mejorar los estándares de

calidad.

31,95

32,00

32,05

32,10

32,15

32,20

32,25

32,30

32,35

(a)2,0

2,2

2,4

2,6

2,8

3,0

3,2

3,4

3,6

(b)

63

5.7 Fallas en tuberías.

Las tuberías pueden fallar debido a una gran variedad de causas y mecanismos.

Las causas de las fallas pueden incluir errores de diseño, falla de materiales, mala

instalación, condiciones de servicio, los factores ambientales, esfuerzos mecánicos,

agentes químicos e inclusive envejecimiento. En función de estos mecanismos pueden

ocurrir una variedad de modos de falla, que incluyen la rotura o fractura, pérdida de

rigidez, alta deformación, pandeo, incapacidades funcionales y pérdidas de propiedades. [14]

Esta sección del proyecto se abocó al estudio de las fallas existentes en las

tuberías y relacionarlas con posibles problemas durante el proceso de fabricación. A

partir de una observación macroscópica se registraron las imágenes de varias probetas

ensayadas en tracción y tuberías ensayadas bajo presión hidrostática.

Figura 5.32 Fractura de una tubería ensayada bajo presión hidrostática.

En la figura 5.32 se muestra el agrietamiento de una tubería ensayada bajo

presión hidrostática. Este tipo de falla es una de las más comunes que se dan en las

tuberías y está asociada a la propagación de una grieta generada por la aplicación de

esfuerzos por encima del límite de rigidez del material. Este tipo de agrietamiento es

64

también conocido como mordida de tiburón, donde la propagación de la grieta ocurre en

la dirección de extrusión y de manera violenta. Sin embargo, existieron casos de fallas

de las tuberías como los mostrados en la figura 5.33.

Figura 5.33 Agrietamiento dúctil en tubería de PEAD bajo presión hidrostática.

Este tipo de falla es conocida como agrietamiento dúctil. Desde un punto de

vista macroscópico, el agrietamiento dúctil es un fenómeno en el cual el material es

sometido a deformación plástica antes de romperse. A diferencia de los tipos de

agrietamiento comunes como el visto en la figura 5.32, el crecimiento de la grieta ocurre

de manera pausada y es acompañada por una deformación plástica considerable. Las

superficies características al agrietamiento dúctil poseen grandes regiones donde ocurre

adelgazamiento en el espesor de la tubería y es en estas regiones donde ocurre la

ruptura, normalmente en dirección trasversal. [14]

Las causas principales por las que ocurre el agrietamiento dúctil se deben a la

historia térmica del polímero o a una excesiva temperatura de procesamiento que genere

cierta degradación en el material, empeorando sus propiedades mecánicas. Es por ello

que al utilizar 100% de material reciclado no se alcanzan las propiedades óptimas

adquiridas con material virgen. También se puede observar este tipo de falla en el

65

ensayo de presión hidrostática de larga duración donde se introduce la tubería en agua a

80°C. Otro tipo de falla que se observó en las probetas ensayadas a tracción fue la

delaminación (figura 5.34).

Figura 5.34 Delaminación vista en probetas ensayadas a tracción.

Para tuberías de materiales termoplásticos como el PEAD, este tipo de daños

ocurren bajo las condiciones de servicio donde ocurran grandes deformaciones. Estas

generan la orientación de las cadenas en dirección al esfuerzo, produciendo la

separación de capas en la sección trasversal de la probeta. Algunas de las posibles

causas radican en la existencia de partículas de gran tamaño o aire atrapado que puedan

generar la propagación de una grieta en el cuello de la probeta. [14] Es por esto que puede

asociarse este tipo de falla a una mala dispersión de negro de humo en la matriz

polimérica.

66

CAPÍTULO VI

CO�CLUSIO�ES Y RECOME�DACIO�ES

6.1 Conclusiones

- Al aumentar la temperatura en las zonas de compresión y dosificación de la

máquina 7, originó una mejora considerable en las características de tracción de

las tuberías, aumentando los porcentajes de elongación a la ruptura de las

probetas ensayadas. Además, se mejoró la dispersión de negro de humo.

- Una disminución en la velocidad de extrusión promovió excelentes

características en la resistencia a la tracción, así como también una mejora

considerable en la dispersión de negro de humo.

- Las tuberías fabricadas con PE 100 en lugar de PE 80 poseen mejores

propiedades mecánicas. Sin embargo, la dispersión de negro de humo no se ve

muy afectada.

- La tubería fabricadas con colorantes de la casa M&M poseen mejores

propiedades de dispersión de negro de humo en comparación a las fabricadas

con colorante Clariant.

- Las propiedades de dispersión de negro de humo y resistencia a la tracción vistas

para las tuberías producidas con 100% de material reciclado fueron excelentes.

- La cantidad de colorante presente en los mezcladores de materia prima no se

encuentra dentro de los rangos permitidos por la empresa. Esta condición

también se presentó para el negro de humo.

67

- Las tuberías presentaron variaciones considerables en el diámetro y espesor, las

cuales se encontraban por fuera de los rangos estipulados por la empresa.

- Las fallas en las tuberías se asociaron a historial térmico y mezclado deficiente.

6.2 Recomendaciones

- Se debe realizar un seguimiento a la producción de tuberías en cuanto a ensayos

mecánicos, dispersión de negro de humo y aspectos dimensionales, para

mantener los estándares de calidad estipulados por la empresa.

- Colocar perfiles de temperaturas ascendentes en las extrusoras, siempre y

cuando éstos se encuentren en los rangos de las temperaturas de procesamiento

de los materiales utilizados.

- Realizar ensayos de dispersión a los colorantes adquiridos.

- Utilizar mezcladores automáticos que garanticen una correcta distribución del

concentrado en el polietileno, así como también la obtención de niveles óptimos

de contenido de negro de humo.

- Adquirir o reparar los sistemas de calibración utilizados en las máquinas para

garantizar óptimas dimensiones en la producción y disminuir las cantidades de

material utilizado.

68

BIBLIOGRAFÍA

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Densidad. Requisitos” (1980)

16. Norma venezolana FONDONORMA 0527:2005 “Tubos de Material Plástico.

Determinación de las características a la tracción”

17. Norma venezolana FONDONORMA 1710:2007 “Plásticos. Determinación del

contenido de negro de humo y su grado de dispersión en poliolefinas”

70

APÉ�DICE

71

APÉ�DICE A

VARIABLES DE PROCESO

Tabla A.1 Valores característicos al ensayo de tracción correspondientes a la tubería 110PN6 Lote 3510, correspondiente a la condición 1.

Probeta Espesor

(mm) Ancho (mm)

Fluencia Ruptura

Esfuerzo

(Kg/cm2)

Alargamiento

(%)

Esfuerzo

(Kg/cm2)

Alargamiento

(%)

1 6,43 10,00 223 19,8 89 249

2 6,33 10,00 220 19,3 88 166

3 6,50 10,02 221 19,6 88 497

4 6,43 10,01 225 20,1 90 227

5 6,59 10,01 218 19,3 87 215

6 6,39 10 216 20,0 86 386

Promedio 6,45 10,01 220 19,7 87 298

σ 0,10 0,01 3 0,4 1 138


Probeta Espesor

(mm)

Ancho

(mm)

Fluencia Ruptura

Esfuerzo

(Kg/cm2)

Alargamiento

(%)

Esfuerzo

(Kg/cm2)

Alargamiento

(%)

1 6,35 10,02 210 20,4 84 478

2 6,20 10,02 211 20,7 84 454

3 7,10 10,05 209 20,0 83 401

4 7,03 10,03 212 20,1 84 479

5 7,02 10,02 211 21,2 84 468

Promedio 6,74 10,03 211 20,5 84 456

σ 0,43 0,01 1 0,5 0 32

72


Probeta Espesor

(mm)

Ancho

(mm)

Fluencia Ruptura

Esfuerzo

(Kg/cm2)

Alargamiento

(%)

Esfuerzo

(Kg/cm2)

Alargamiento

(%)

1 6,65 10,06 215 20,1 148 700

2 6,89 10,01 218 19,5 149 700

3 6,59 10,00 217 19,9 142 700

4 6,58 10,05 217 19,4 108 687

5 6,99 10,01 218 19,2 138 700

Promedio 6,74 10,03 217 19,6 137 697

σ 0,19 0,03 1 0,4 17 6

73

APE�DICE B

I�FLUE�CIA DE MATERIALES UTILIZADOS

Tabla B.1 Valores característicos al ensayo de tracción correspondientes a la tubería 75PN10 Lote 3110 (PE80), fabricada en la Máquina 7.

Probeta Espesor

(mm)

Ancho

(mm)

Fluencia Ruptura

Esfuerzo

(Kg/cm2)

Alargamiento

(%)

Esfuerzo

(Kg/cm2)

Alargamiento

(%)

1 6,66 10,12 200 22,4 79 313

2 6,55 10,07 206 22,3 82 292

3 6,64 10,14 206 21,8 82 585

4 6,2 10,08 209 21,7 82 293

5 6,25 10,07 208 21,8 83 195

Promedio 6,46 10,10 206 22,0 81 335

σ 0,22 0,03 3 0,3 1 147

Tabla B.2 Valores característicos al ensayo de tracción correspondientes a la tubería 75PN10 Lote 2810 (PE100), fabricada en la Máquina 7.

Probeta Espesor

(mm)

Ancho

(mm)

Fluencia Ruptura

Esfuerzo

(Kg/cm2)

Alargamiento

(%)

Esfuerzo

(Kg/cm2)

Alargamiento

(%)

1 5,15 10,37 188 22,2 76 518

2 5,53 10,10 194 21,8 150 700

3 5,14 10,07 190 22,8 122 646

4 5,09 10,05 193 22,4 82 130

5 5,20 10,07 192 22,7 150 700

Promedio 5,22 10,13 191 22,4 116 539

σ 0,18 0,13 2 0,4 36 240

74

Tabla B.3 Valores característicos al ensayo de tracción correspondientes a la tubería 250PN6 Lote 4110 (Clariant), fabricada en la Máquina 1.

Probeta Espesor

(mm)

Ancho

(mm)

Fluencia Ruptura

Esfuerzo

(Kg/cm2)

Alargamiento

(%)

Esfuerzo

(Kg/cm2)

Alargamiento

(%)

1 8,48 9,95 241 17,5 96 225

2 8,69 9,95 241 17,7 96 172

3 8,37 9,94 244 17,8 97 158

4 8,71 9,93 242 17,5 96 183

5 8,56 9,97 243 17,8 97 250

Promedio 8,56 9,95 242 17,7 96 198

σ 0,14 0,01 1 0,2 1 39

Tabla B.4 Valores característicos al ensayo de tracción correspondientes a la tubería 250PN6 Lote 4110 (M%M), fabricada en la Máquina 1.

Probeta Espesor

(mm)

Ancho

(mm)

Fluencia Ruptura

Esfuerzo

(Kg/cm2)

Alargamiento

(%)

Esfuerzo

(Kg/cm2)

Alargamiento

(%)

1 9,04 9,97 227 19,2 91 316

2 9,08 9,97 225 19,4 90 299

3 9,08 9,95 227 19,2 91 271

4 8,18 9,98 226 18,8 90 283

5 9,09 9,97 226 18,9 91 207

Promedio 8,89 9,97 226 19,1 91 275

σ 0,40 0,01 1 0,2 0 42

75

APE�DICE C

TUBERÍAS DE IGUAL ESPECIFICACIÓ�

Tabla C.1 Valores característicos al ensayo de tracción correspondientes a la tubería 110PN6 Lote 3410, fabricada en la máquina 7.

Probeta Espesor

(mm)

Ancho

(mm)

Fluencia Ruptura

Esfuerzo

(Kg/cm2)

Alargamiento

(%)

Esfuerzo

(Kg/cm2)

Alargamiento

(%)

1 7,72 10,08 215 20,2 97 443

2 7,82 10,02 216 20,1 88 610

3 7,98 10,02 220 20,0 108 563

4 8,14 10,04 216 19,6 86 459

5 7,74 10,08 210 19,6 102 543

Promedio 7,88 10,05 215 19,9 96 524

σ 0,18 0,03 4 0,3 9 71


Probeta Espesor

(mm)

Ancho

(mm)

Fluencia Ruptura

Esfuerzo

(Kg/cm2)

Alargamiento

(%)

Esfuerzo

(Kg/cm2)

Alargamiento

(%)

1 7,34 10,14 204 20,2 47 700

2 7,85 10,11 202 20,6 41 700

3 8,34 10,14 202 20,7 41 700

4 8,00 10,19 203 20,4 42 700

5 7,54 10,19 201 20,2 40 700

Promedio 7,81 10,15 202 20,4 42 700

σ 0,39 0,04 1 0,2 3 0

76


Probeta Espesor

(mm)

Ancho

(mm)

Fluencia Ruptura

Esfuerzo

(Kg/cm2)

Alargamiento

(%)

Esfuerzo

(Kg/cm2)

Alargamiento

(%)

1 3,20 6,06 218 56,5 144 815

2 3,20 6,06 220 56,5 144 798

3 3,20 6,08 208 58,1 83 622

4 2,80 6,11 210 57,4 96 630

5 2,80 6,11 212 56,0 90 695

Promedio 3,00 6,10 214 57,0 111 712

σ 0,20 0,00 5 1,0 30 90


Probeta Espesor

(mm)

Ancho

(mm)

Fluencia Ruptura

Esfuerzo

(Kg/cm2)

Alargamiento

(%)

Esfuerzo

(Kg/cm2)

Alargamiento

(%)

1 2,76 6,09 212 41,1 269 1072

2 2,81 6,09 220 42,3 249 1022

3 3,04 6,09 225 43,3 271 1097

4 2,80 6,10 228 46,2 245 1014

5 2,84 6,08 223 45,4 249 1039

Promedio 2,85 6,10 222 44,7 256 1049

σ 0,11 0,01 6 2,1 12 34

77

APE�DICE D

MATERIAL RECICLADO

Tabla D.1 Valores característicos al ensayo de tracción correspondientes a la tubería 63PN4 Lote 4110, fabricada con material reciclado en la Máquina 6.

Probeta Espesor

(mm)

Ancho

(mm)

Fluencia Ruptura

Esfuerzo

(Kg/cm2)

Alargamiento

(%)

Esfuerzo

(Kg/cm2)

Alargamiento

(%)

1 4,26 6,09 212 32,1 209 890

2 3,98 6,09 215 33,3 174 780

3 4,04 6,09 216 32,3 212 909

4 4,24 6,06 18 33,9 157 844

5 4,35 6,06 217 34,1 169 904

Promedio 4,00 6,1 176 33,0 184 866

σ 0,20 0,0 88 1,0 24 54

Tabla D.2 Valores característicos al ensayo de tracción correspondientes a la tubería 110PN6 Lote 4110, fabricada con material reciclado en la Máquina 4.

Probeta Espesor

(mm)

Ancho

(mm)

Fluencia Ruptura

Esfuerzo

(Kg/cm2)

Alargamiento

(%)

Esfuerzo

(Kg/cm2)

Alargamiento

(%)

1 6,86 10,02 216 20,1 86 669,4

2 6,91 10,06 218 19,6 143 700

3 7,26 10,00 221 20,1 142 700

4 7,27 10,03 220 20,1 138 700

5 7,15 10,07 216 19,3 137 700

Promedio 7,09 10,04 218 19,8 129 693

σ 0,19 0,03 2 0,4 24 13

78

APÉ�DICE E

TABLAS Y FIGURAS DE UTILIDAD

Tabla E.1 Grado de dispersión basado en las dimensiones de las partículas y aglomerados (tomado de la norma FONDONORMA 1710:2007, Tabla A.1)

GRADO

Dimensiones (µm)

5 a 10

11 a

20

21 a

30

31 a

40

41 a

50

51 a

60

61 a

70

71 a

80

81 a

90

91 a

100

101 a

110

111 a

120

121 a

130

131a 140

>140

MAXIMO �UMEROS DE PARTICULAS Y AGLOMERADOS

0

0,5 1 1 3 1

1,5 6 3 1 2 12 6 3 1

2,5 12 6 3 1 3 12 6 3 1

3,5 12 6 3 1 4 12 6 3 1

4,5 12 6 3 1 5 12 6 3 1

5,5 12 6 3 1 6 12 6 3 1

6,5 12 6 3 1 7 12 6 3 1

Tabla E.2 Norma para la tubería de Polietileno de Alta Densidad de Acueducto o Químicos

�ORMA

PE 80 PE 100

SDR PRESIÓ�

SDR PRESIÓ�

BAR PSI kPa BAR PSI kPa

P� 4 33 4 60 415 - - - -

P� 5 26 5 75 520 - - - -

P� 6,3 21 6,3 90 625 - - - -

P� 8 17 8 120 830 21 8 120 830

P� 10 13,6 10 150 1035 17 10 150 1035

P� 12,5 11 12,5 185 1280 13,6 12,5 185 1280

P� 16 9 16 235 1620 11 16 235 1620

P� 20 7.4 20 290 2000 9 20 290 2000

79

Figura E.1 Probeta tipo 1 para tubos de Polietileno; H es el espesor del tubo. Mediadas en mm (tomado

de la norma FONDONORMA 0527:2005)

Figura E.2 Probeta tipo 2 para tubos de PE y PVC; H es el espesor del tubo. Mediadas en mm (tomado de la norma FONDONORMA 0527:2005)

80

Tabla E.3 Valores de MFI y densidad para los lotes de PEAD usados en la fabricación de tuberías.

Lotes PE 6100 M (PE80) Lotes PE 7700 M (PE100)

�úmero MFI (g/10min) Densidad (g/cm3)

�úmero MFI (g/10min) Densidad (g/cm3)

1810 0,064 0,947 2010 0,042 0,944

1910 0,096 0,944 2610 0,047 0,946

2110 0,101 0,945 2810 0,041 0,949

2210 0,097 0,947 3010 0,038 0,943

2310 0,089 0,948 3410 0,043 0,944

2410 0,096 0,946 3610 0,088 0,944

2510 0,103 0,948 3810 0,044 0,945

2710 0,096 0,945 1610 0,038 0,943

2910 0,098 0,948 4310 0,043 0,944

3110 0,081 0,937 4810 0,056 0,946

3210 0,131 0,945

3310 0,101 0,948

3510 0,095 0,948

3710 0,099 0,948

0110 0,091 0,949

3910 0,109 0,950

4010 0,117 0,947

4110 0,108 0,948

4210 0,092 0,948

4410 0,112 0,947

4510 0,117 0,947

4610 0,128 0,946

4710 0,099 0,949

81

Tabla E,4 Valores de densidad y contenido de NH para los lotes de colorante usados en la fabricación de tuberías.

Marca M&M Marca Clariant

�úmero Densidad (g/cm3)

Cont, �H (%) �úmero Densidad (g/cm3)

Cont, �H (%)

U-60143 1,056 0,31 33240 1,200 0,47

U-60142 1,060 0,31 33390 1,189 0,46

70167 1,078 0,31 33331 1,054 0,28

33032 1,206 0,48

33389 1,189 0,45

33391 1,183 0,46

33439 1,199 0,48

33440 1,186 0,47

32983 1,203 0,47

32980 1,188 0,48

32981 1,204 0,46

33332 1,042 0,28

33722 1,201 0,47

33730 1,199 0,51

33721 1,201 0,48

33741 1,195 0,47

33333 1,056 0,28

33310 1,069 0,34

Memoria CC Tuberias PE

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