93015421 Diseno de Recipientes a Presion

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

CONTENIDO 1.INTRODUCCIÓN 1.1.Objetivo General: 1.2.Contenido 1.3.Bibliografía 2.CÓDIGOS Y NORMAS APLICABLES 2.1.Recipientes a Presión 2.2.Intercambiadores de Calor (concha y tubo): 2.3.Calentadores de Fuego 2.4.Complementarias 2.5.Código ASME 2.6.ASME Sección VIII, División 1 - Alcance 2.7.ASME Sección VIII, División 2 - Alcance 3.ESPECIFICACIONES GENERALES 3.1.Alcance 3.2.Códigos, Normas y Especificaciones 3.3.Diseño 3.4.Materiales 3.5.Requerimientos de Servicio 3.6.Soldadura 3.7.Fabricación 3.8.Tratamiento Térmico Post Soldadura 3.9.Pintura 3.10.Aislamiento Térmico

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

3.11.Placa de Identificación 3.12.Inspección y Pruebas 3.13.Preparación para despacho 3.14.Planos de Taller 3.15.Reporte de Fabricación del Recipiente 3.16.Garantías del Equipo 4.CONCEPTOS BÁSICOS 4.1.Recipientes a Presión: 4.2.Diseño Mecánico de Recipientes a Presión 5.ANÁLISIS DE ESFUERZOS 5.1.Diseño por Reglas 5.2.Diseño por Análisis 5.3.Esfuerzos Primarios (P) 5.4.Esfuerzos Secundarios (Q) 5.5.Esfuerzos Picos (F) 5.6.Límites de las Categorías de Esfuerzos 6.DISEÑO DE RECIPIENTES A PRESIÓN EXTERNA 6.1.General 6.2.Cálculos 6.3.Anillos Rigidizadores 7.DISEÑO DE RECIPIENTES A PRESIÓN INTERNA 7.1.Esfuerzos por Presión Interna 7.2.Espesor de Pared 7.3.Esfuerzos Circunferenciales por Presión Interna 7.4.Espesor de Pared por ASME

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

7.5.Prueba Hidrostática 8.DISEÑO DE RECIPIENTES HORIZONTALES 8.1.General 8.2.Diagrama 8.3.Modelo 8.4.Esfuerzos 8.5.Diagrama de Momento Flector 8.6.Esfuerzos Longitudinales 8.7.Esfuerzos Tangenciales 8.8.Esfuerzos Circunferenciales 8.9.Influencia de Ubicación de Sillas 9.DISEÑO DE RECIPIENTES VERTICALES 9.1.General 9.2.Presión Interna / Externa 9.3.Carga Estática del Fluido 9.4.Viento 9.5.Sismo 9.6.Cargas Excéntricas 9.7.Peso 9.8.Vibraciones 9.9.Cargas Combinadas 9.10.Esfuerzos Permisibles 10.SISTEMAS DE ALIVIO DE PRESIÓN 10.1.General 10.2.Clasificación:

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

10.3.Capacidad de Alivio 10.4.Presión del Sistema de Alivio (P*) 10.5.Sobrepresión Permitida 10.6.Tolerancia de P* 10.7.Válvulas de Alivio de Presión 11.MATERIALES 11.1.General: 11.2.Sección II “Materials” del Código ASME 11.3.Parte D: 11.4.Selección de Materiales 11.5.Tipos de Materiales 11.6.Guía de Selección - Planchas 11.7.Guía de Selección – Tuberías / Fittings 11.8.Guía de Selección – Piezas Forjadas 11.9.Guía de Selección – Pernos / Tuercas 12.CONEXIONES 12.1.Clasificación 12.2.Tuberías 12.3.Refuerzos 13.SOLDADURA 13.1.General: 13.2.Procedimientos de Soldadura 13.3.Variables de un WPS 13.4.Soldabilidad 13.5.Restricciones de Servicio

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

13.6.Inspección Radiográfica 13.7.Eficiencia de Junta 14.CONTROL DE CALIDAD 14.1.Sistema de Control de Calidad 14.2.Ensayos No Destructivos (NDE) 14.3.Prueba Hidrostática 14.4.Ensayos Destructivos

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

1.

INTRODUCCIÓN

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

1.

INTRODUCCIÓN Instructor: Marco González De León -

Ingeniero Mecánico, USB 1983

-

Especialista en Gerencia de la Empresa, USB 1997

-

Magister Scientiarum en Ingeniería Mecánica, UCV 2004

-

Profesor Agregado del Dpto de Mecánica de la USB, desde 1991

-

Coordinador Técnico de OPRINT, CA, desde 1991

Curso dirigido a 1.1.

Profesionales interesados en el diseño de recipientes a presión

Objetivo General: -

Lograr que el participante adquiera los conocimientos básicos y la metodología para el Diseño Mecánico de Recipientes a Presión, basado en el Código ASME Sección VIII División 1

1.2.

1.3.

Contenido -

Conceptos Básicos

-

Códigos y Normas Aplicables

-

Análisis Básico de Esfuerzos

-

Materiales

-

Soldadura

-

Recipientes a Presión Interna

-

Recipientes a Presión Externa

-

Recipientes Horizontales

-

Recipientes Verticales Altos

-

Conexiones

-

Especificaciones Generales de Recipientes

Bibliografía -

ASME Boiler and Pressure Vessel Code. Section VIII. Division 1.

-

Megyesy, E.F. Pressure Vessel Handbook. 1992

-

Moss, D. Pressure Vessel Design Manual. 1987

-

Bednar, H. Pressure Vessel Design Handbook. 1986

-

ASCE-7. Minimum Design Loads for Building and Other Structures. 1995

9 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

-

Farr, JR & Jawad, MH. Guidebook for the Design of ASME Section VIII. Pressure Vessels. 1996

-

Bernstein, MD & Yoder, LW. Power Boilers. A guide to Section I of the ASME Boiler and Pressure Vessel Code. 1998

-

Zick, LP. Stresses in Large Horizontal Cylindrical Vessels on Two Saddles Supports. 1951

10 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

11 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

2.

CÓDIGOS Y NORMAS APLICABLES

12 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

2.

CÓDIGOS Y NORMAS APLICABLES

2.1.

Recipientes a Presión -

ASME Boiler & Pressure Vessel Code (EE.UU)

•

Sección VIII, División 1. “Rules for the Construction of Pressure Vessels” - 2004

•

Sección VIII, División 2. “Alternative Rules” - 2004

•

Sección VIII, División 3. “Alternative Rules for Construction of High Pressure Vessels” - 2004

-

BS 5500. 2000. Specification for Unfired Fusion Welded Pressure Vessels (Gran Bretaña)

-

CSA B51.97, Part I – Boiler, Pressure Vessel, and Pressure Piping Code (1997 edition) (Canadá)

-

Australian Pressure Vessel Code, AS 1210 Unfired Pressure Vessels (Australia)

-

CODAP 95 – French Code for Construction of Unfired Pressure Vessels (Francia)

-

The Dutch Pressure Vessel Code (Holanda)

-

A.D. Merkblatt Code (Alemania)

• 2.2.

Código ASME Sección VIII División 1 es el más conservador

Intercambiadores de Calor (concha y tubo): -

ASME Sec. VIII (Carcasa) + Estándares de TEMA (tipo de placas, tipos de cuerpo, partes del equipo)

-

ANSI/API STD 660 – “Shell-and-tube Heat Exchangers for General Refinery Services” – 2001

2.3.

Calentadores de Fuego -

ASME Code Sección III: “Rules for Construction of Nuclear Power Plant Component” – 2004

2.4.

-

ASME Code Sección IV: “Heating Boilers” – 2004

-

API STD 560 – “Fired Heaters for General Refinery Services” – 2001

Complementarias ASME -

B16.4-1998: Gray Iron Threaded Fittings

-

B16.5-2003: Pipe Flanges and Flanged Fittings

-

B16.9-2001: Factory-Made Wroght Buttwelding Fittings

-

B16.11-2001: Forged Steel Fittings, Socket Welding and Threaded 13 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

-

B16.47 – 1996: Large Diameter Steel Flanges: NPS 26 Through NPS 60

-

B36.10M-2000: Welded and Seamless Wrought Steel Pipe

-

B36.19M-2004: Stainless Steel Pipe

MSS -

SP-44-1996: Steel Pipeline Flanges

-

SP-75-1998: Specification for High Test Wrought Butt Welding Fittings

API -

STD 605: Large Diameter Carbon Steel Flanges (NPS 26 through 60; Classes 75, 150, 300, 400, 600 & 900)

2.5.

Código ASME -

I – Power Boilers

-

II – Materials:

•

Part A: Ferrous Material Specifications

•

Part B: Nonferrous Material Specifications

•

Part C: Specifications for Welding Rods

•

Part D: Properties (Customary)

•

Part D: Properties (Metric)

-

III – Rules for Construction of Nuclear Power Plant Components (Div 1 – 9 subd; Div 2 & Div 3)

-

IV – Heating Boilers

-

V – Nondestructive Examination

-

VI – Recommended Rules for the Care and Operation of Heating Boilers

-

VII – Recommended Guidelines for the Care of Power Boilers

-

VIII – Pressure Vessels:

•

Division 1

•

Division 2: Alternatives Rules

•

Division 3: Alternative Rules for Construction of High Pressure Vessels

-

IX – Welding and Brazing Qualifications

-

X – Fiber-Reinforcement Plastic Pressure Vessels

-

XI – Rules for Inservice Inspection of Nuclear Power Plant Components

-

XII – Rules for Construction and Continued Service of Transport Tanks

14 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

2.6.

ASME Sección VIII, División 1 - Alcance

2.6.1. Definición: Recipientes a Presión son envases para contener presión, interna o externa. La presión puede ser generada desde una fuente externa (Unfired) o por la aplicación de calor desde fuentes directas o indirectas (Fired) 2.6.2. Objetivos: Indica requerimientos mandatorios, prohibiciones específicas y recomendaciones no mandatorias para el diseño, selección de materiales, fabricación, inspección, exámenes, pruebas y certificación de recipientes a presión El Código no incluye todos los aspectos relacionados con estas actividades. Los aspectos no incluidos deben ser objeto de la aplicación de criterios de ingeniería, siempre considerando la filosofía de este código. En ningún caso, se deben utilizar criterios de ingeniería para obviar los requerimientos mandatorios y prohibiciones específicas del Código. 2.6.3. Reglas para el uso del estampado ASME U 2.6.4. Presión de Diseño: Interna o Externa mayor a 15 Psig Generalmente hasta 3000 Psig. Para presiones mayores, se generan desviaciones a las consideraciones planteadas en esta división. Sin embargo, si las desviaciones son arregladas, y todavía se cumplen con los requerimientos de la división, el recipiente se puede estampar bajo esta división Incluye previsiones para el diseño de dispositivos de alivio de presión requeridos por esta división Partes presurizadas incluidas -

Tuberías externas:

•

Conexiones soldadas: la primera junta circunferencial

•

Conexiones roscadas: la primera junta roscada

•

Conexiones bridadas: la cara de la primera brida

-

Partes no presurizadas que son soldadas directamente al recipiente: orejas de levantamiento, soportes

-

Cubiertas de boquillas: Boca de visita 15 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

-

Para conexión de instrumentos, la primera superficie que se pueda sellar

Recipientes Adicionales Incluidos: -

Los siguientes recipientes en los que se genera vapor:

•

Evaporadores e Intercambiadores de Calor

•

Generadores de vapor por el uso de calor proveniente de la operación de sistemas de procesamiento de químicos o productos petroleros

• -

Recipientes cuyo vapor es sólo para uso interno del mismo Recipientes sujetos a fuego directo de la combustión de combustibles, no incluidos en las Secciones I, III y IV.

Recipientes No Incluidos: -

Aquellos incluidos en otra Sección

-

Calentadores tubulares de fuego

-

Envases presurizados que son parte de equipos rotativos o reciprocantes, donde las consideraciones o esfuerzos de diseño provienen de los requerimientos funcionales de los equipos (bombas, compresores, turbinas)

-

Sistemas de tuberías

-

Componentes de tuberías (tuberías, bridas, codos, empacaduras, pernos, válvulas)

-

Partes de componentes presurizados (strainers)

-

Dispositivos varios (medidores de flujo, separadores, mezcladores)

-

Recipientes con presión de operación interna o externa menor a 15 Psi|

-

Recipientes que contienen agua a presión, que no exceda las siguientes limitaciones:

•

Presión de Diseño: 300 Psi

•

Temperatura de Diseño: 210 ºF

-

Tanques suplidores de agua caliente calentado por medios indirectos (ejemplo: vapor), cuando no exceda las siguientes limitaciones:

•

Calor agregado: 200000 BTU/hr

•

Temperatura del agua: 210ºF

•

Capacidad: 120 gal

-

Recipientes cuya diámetro interno, ancho, alto o longitud diagonal, sea menor a 6 pulg

-

Recipientes a presión para uso humano 16 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

Sub-Sección A: -

Parte UG: Requerimientos Generales aplicables a todos los recipientes

Sub-Sección B: Requerimientos para distintos métodos de fabricación -

Parte UW: por soldadura

-

Parte UF: forjado

-

Parte UB: por soldadura de “brazing” (latón)

Sub-Sección C: Requerimientos relacionados a Clases de Materiales -

Parte UCS: Aceros al Carbono y Aceros de Baja Aleación

-

Parte UNF: Materiales No Ferrosos

-

Parte UHA: Aceros de Alta Aleación

-

Parte UCI: Hierro Fundido

-

Parte UCL: Material con Clad – planchas soldadas (Lined)

-

Parte UCD: Hierro fundido dúctil

-

Parte UHT: Aceros ferríticos con propiedades mejoradas por tratamiento térmico

-

Parte ULW: Construcción “Layered”

-

Parte ULT: Materiales con alta resistencia a baja temperatura

Apéndices Mandatorios y No Mandatarios 2.7.

ASME Sección VIII, División 2 - Alcance Esta división provee reglas alternativas a los requerimientos mínimos de la División 1 Cubre sólo recipientes que tengan las siguientes características: -

A ser instalados en un sitio fijo

-

Para un servicio específico

-

Control de la operación y el mantenimiento es realizado durante la vida útil del recipiente por el usuario que preparó o generó las especificaciones de diseño

Presión de Diseño: -

Máxima: No tiene definido un límite.

-

Para presiones muy altas, se generan desviaciones a las consideraciones planteadas en esta división,

Reglas para el Estampado ASME U2 2.7.1. Comparación con la División 1: -

Reglas más restrictivas en la selección de materiales

-

Procedimientos de diseño más precisos

-

Ciertos esquemas de diseño muy comunes en la División 1 están prohibidos 17 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

-

Procedimientos de fabricación permitidos están claramente definidos

-

Los requerimientos de inspección, pruebas y ensayos no destructivos son más rigurosos

-

Permite el uso de un mayor valor de esfuerzo permisible: Factor de seguridad menor a la Div. 1

-

El diseño debe ser realizado por un ingeniero con comprobada experiencia en el código

-

Permite el diseño de recipientes sometidos a fatiga

-

Indica requerimientos de diseño, fabricación, inspección, pruebas y certificación de recipientes a presión

-

Presión interna o presión externa, generalmente mayor a 10.000 Psi

-

Recipientes “Fired” o “Unfired”

-

Cubre sólo recipientes que tengan las siguientes características:

•

Para un servicio específico

•

Control de la operación y el mantenimiento es realizado durante la vida útil del recipiente por el usuario que preparó o generó las especificaciones de diseño Requerimientos aplicables a materiales utilizados en la fabricación de recipientes

-

No establece límites máximos de presión para las otras divisiones del código, ni límites mínimos de presión para esta división

-

El recipiente puede ser mudado de lugar, siempre y cuando cumpla el mismo servicio para el que fue diseñado

-

Reglas para el uso del estampado ASME U3

-

Incluye previsiones para el diseño de dispositivos de alivio de presión requeridos por esta división

18 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

19 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

3.

ESPECIFICACIONES GENERALES

20 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

3.

ESPECIFICACIONES GENERALES Documento que indica los requerimientos que deben ser cumplidos por el Contratista en el diseño, fabricación, inspección, pruebas y suministro de equipos. Solidario con los siguientes documentos: -

Orden de Compra

-

Requisición

-

Hoja de Datos de Equipos o Planos de Diseño

-

Planos Típicos del Cliente

-

Códigos y Normas

-

Especificaciones relacionadas

Cualquier diferencia entre estos documentos debe ser indicada por el Contratista, y el Cliente debe decidir. 3.1.

Alcance Indica los aspectos que cubren las especificaciones, y los que no cubre

3.2.

Códigos, Normas y Especificaciones Indica las referencias nacionales e internacionales y del cliente, que debe seguir el Contratista para cumplir el trabajo contratado

3.3.

Diseño Indica las Bases y Criterios utilizados para el diseño del equipo: Presión, Temperatura, cargas de viento, cargas de sismo, condiciones de diseño, tolerancia por corrosión, espesores de pared permitidos, cabezales, soportes, escaleras, plataformas, elementos internos, ekementos externos, soportes de aislamiento, tubería interna

3.4.

Materiales -

Indica las preferencias que tiene el cliente en cuanto a los materiales que deben ser usados para fabricar las distintas partes del equipo

3.5.

-

Limitaciones de uso

-

Método para sustituir materiales especificados

Requerimientos de Servicio Indica exigencias especiales para el diseño de equipos que operarán bajo condiciones extremas: manejo de fluidos corrosivos, baja temperatura de operación, sustancias letales. 21 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

3.6.

Soldadura -

Indica tipo de soldadura por categoría de junta

-

Materiales de aporte, procesos de soldadura permitidos, exigencias para cada proceso

-

Requerimientos de radiografiado y otros ensayos no destructivos permitidos y ensayos no permitidos

3.7.

Fabricación -

Tolerancias de fabricación

-

Ubicación de soldaduras longitudinales y circunferenciales entre si, y con respecto a otros elementos a ser soldados

-

Precalentamiento de planchas antes del rolado

-

Requerimientos para los refuerzos de conexiones

-

Boquillas de procesos, de Inspección y Acceso: tipo de unión: bridada, roscada; longitud externa e interna; uniones no permitidas; pernos; empacaduras.

3.8.

Tratamiento Térmico Post Soldadura -

Requerimientos indiucados por el código respectivo, de acuerdo al espesor y al uso del equipo

3.9.

Exigencias de procedimientos de tratamiento

Pintura -

Exigencias de preparación de superficie: método, grado de limpieza

-

SSPC-SP-5: Metal blanco

-

SSPC-SP-10: Casi metal blanco

-

SSPC-SP-6: Comercial

-

Tipo de pintura para cada capa, de acuerdo a las condiciones ambientales:

-

Fondo: rojo con plomo: óxido de hierro o alquídico; cromato de zinc

-

Acabado:Pintura alquídica o fenólica, del color exigido por el servicio

3.10. Aislamiento Térmico Tipo de aislamiento que puede ser utilizado, de acuerdo a la temperatura de servicio y al requerimiento del proceso 3.11. Placa de Identificación Tipo de material, ubicación e información a ser indicada en la placa

22 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

3.12. Inspección y Pruebas -

Cliente tiene derecho a inspeccionar el equipo en el momento que lo crea conveniente

-

La aprobación del equipo no libera al Contratista de su responsabilidad

-

Inspección de materiales, soldadura, tolerancias

-

Especificaciones de prueba hidrostática: presión de prueba, duración, personal que debe presenciarla

-

Otros ensayos: aplicaciones

3.13. Preparación para despacho -

Limpieza, protección de superficies, protección de boquillas: tapones para conexiones roscadas, planchas para conexiones bridadas

-

Despacho de Internos, sillas, pernos y tuercas, partes sueltas

-

Identificación

3.14. Planos de Taller -

Procedimientos para su elaboración: tipo de planos, contenido, lista de materiales, soldadura

-

Esquemas de emisión, revisión, cambios y aprobación para construcción

-

Planos como construido: “as built”

3.15. Reporte de Fabricación del Recipiente -

Contenido: Planos, pruebas, resultados de inspección, certificados de materiales, no conformidades, carta de prueba hidrostática, registro de tratamiento térmico, copia de placa de identificación, cálculos

-

Inspector debe aprobar con su firma lo que corresponda

-

Número de copias exigidas

3.16. Garantías del Equipo -

El equipo debe ser garantizado que está libre de fallas

-

La garantía cubre la integridad física

-

El Contratista debe acordar que reparará o reemplazará cualquier defecto concerniente a la fabricación que se presente durante el primer año de operación

-

La reparación la ejecutará sin costo para el Cliente

23 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

4.

CONCEPTOS BÁSICOS

24 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

4.

CONCEPTOS BÁSICOS Equipos Mecánicos en Plantas de Procesos:

4.1.

-

Bombas, Compresores

-

Sistemas de Tuberías

-

Recipientes a Presión

-

Tanques de Almacenamiento

Recipientes a Presión: Envases, generalmente cilíndricos o esféricos, con capacidad para soportar cargas internas o externas, que son utilizados para procesar y/o almacenar diferentes tipos de fluidos Ejemplos de Recipientes a Presión: -

Separadores de Fluidos

-

Filtros

-

Intercambiadores de Calor Concha - Tubo

-

Calentadores de Fuego Directo

-

Calentadores de Fuego Indirecto

-

Columnas de Fraccionamiento

-

Columnas de Destilación

-

Esferas de Almacenamiento

-

K.O.D.

Partes de un Recipiente a Presión: -

Cuerpo

-

Cabezales, placas tubulares

-

Conexiones: proceso, instrumentación, inspección

-

Internos: demisters, filtros, ciclones, “packings”, “baffles”, “trays”

-

Equipos Internos: haz tubular, quemadores

-

Soportes: faldón, base, sillas

-

Accesorios: Escaleras, plataformas

25 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

Recipiente Horizontal

Separador Vertical

Columna De-Propanizadora

Elementos Internos

26 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

Cabezal, Conexiones y Elemento Interno 4.2.

Diseño Mecánico de Recipientes a Presión Consiste en determinar y especificar de acuerdo con las normas que rigen la materia, todos los requerimientos que se deben cumplir durante la construcción del recipiente, para que la operación del mismo, en un proceso determinado, sea confiable y segura Presión de Operación: Máximo valor de la presión de servicio del equipo Presión de Diseño: Condición más severa de presión y temperatura de operación, considerando la mayor diferencia de presión entre el interior y el exterior del equipo Mayor valor de: -

Pdiseño = Poperación + 30 Psi

-

Pdiseño = 1.1 Poperación

Máxima Presión Permisible de Operación (MAWP): -

Valor de la presión permisible en el tope del recipiente en su posición de operación normal a la temperatura de operación especificada para dicha presión

-

Menor de los valores de presión máxima determinado en cualquier parte del recipiente, incluyendo todas las cargas impuestas sobre el mismo

Temperatura de Operación: Máximo o mínimo valor de la temperatura de servicio del recipiente Temperatura de Diseño: -

Máxima: Temperatura máxima media de la pared del recipiente Tdiseño = Toperación + 50 ºF

-

Mínima: Temperatura mínima media de la pared del recipiente 27 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

Tdiseño = Toperación Espesores de Pared de un Recipiente -

Requerido (t): Mínimo valor de espesor que debe poseer una parte presurizada del equipo para soportar las condiciones de presión y temperatura de diseño

-

Tolerancia por Corrosión (tca): Valor que se agrega al espesor requerido para compensar los efectos que el fluido manejado pudiera tener sobre el material a lo largo de la vida útil del recipiente

-

Diseño: tdiseño = t + tca

-

Comercial (tcomercial): Espesor de las planchas que existen en el mercado; se obtiene aproximando por exceso el espesor de diseño calculado (tdiseño) Se expresan en términos de 1/16”

28 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

29 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

5.

ANÁLISIS DE ESFUERZOS

30 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

5.

ANÁLISIS DE ESFUERZOS Alcance del análisis de esfuerzos depende de la filosofía de diseño que se adopte: -

Diseño por Reglas:

Esquema de diseño de recipientes a presión con geometrías y cargas típicas definidas en un Código o Norma, para las cuales se establecen unos cálculos sencillos, que permiten determinar el espesor de pared de los componentes de un recipiente a presión. -

Diseño por Análisis:

Esquema de diseño de recipientes a presión basado en códigos que permiten establecer un análisis de los esfuerzos generados por las distintas cargas aplicadas en el recipiente. 5.1.

Diseño por Reglas -

Diseño, de acuerdo a ecuaciones sencillas de: cuerpo cilíndricos o esféricos, cabezales de distinta concavidad, conexiones de boquillas, sometidos a presión interna o externa.

-

Exige el seguimiento estricto de las reglas indicadas en el código para dicho recipiente.

-

Diseñador no se involucra en el cálculo de esfuerzos ni en la definición de valores permisibles de esfuerzos

-

Códigos: ASME Sección VIII División 1 o BS5500

-

Utilizan la Teoría de Fallas de Rankine (Esfuerzo máximo principal)

-

Sin embargo, estos códigos exigen la verificación de todas las cargas que afectan al recipiente, y considerar en el diseño los esfuerzos que estas generan.

Ventajas: -

Simplicidad para su aplicación

-

Ha funcionado bien para la industria de la calderería: los recipientes fabricados de acuerdo a reglas han presentado pocas fallas.

5.2.

Diseño por Análisis -

Los códigos utilizados definen unas categorías de esfuerzos que se identifican con elementos del análisis de esfuerzos, que permiten la comparación en el marco de la Teoría de Fallas de Tresca (esfuerzo cortante máximo) con esfuerzos permisibles. 31 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

-

Estos esfuerzos permisibles dependen de la categoría del esfuerzo.

-

Exige el seguimiento estricto de las reglas indicadas en el código para dicho recipiente.

-

Códigos: ASME Sección VIII División 2 o BS5500 Apéndice A..

Desventajas: -

Requiere experiencia en el análisis de esfuerzos

-

Mayor tiempo de diseño

-

Mayor costo de ingeniería

Aspectos a considerar en el diseño: -

Para cargas mecánicas, evitar que las paredes del recipiente lleguen al límite plástico, con el objeto de evitar grandes deformaciones del recipiente, y la consiguiente falla

-

Evitar deformaciones plásticas repetidas, bajo cargas térmicas

CÓDIGO ASME SECCIÓN VIII DIV. 2 Clasificación de Esfuerzos Primarios (No Auto-limitantes) Membrana

General (Pm)

5.3.

Flexión (Pb)

Secundarios (Q) (Auto-limitantes) Cargas Térmicas

Picos (F) (Cíclicos)

Cargas Mecánicas

Local (Pl)

Esfuerzos Primarios (P) Esfuerzos normales o esfuerzos de corte desarrollados por la aplicación de cargas, los cuales son necesarios para satisfacer las leyes de equilibrio entre fuerzas internas y externas, y los momentos Característica básica: Esfuerzos no auto-limitantes Su valor no debe exceder la resistencia a la fluencia del material, debido a que generarían la falla del recipiente o una gran deformación

32 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

Categorías: -

Membrana General (Pm): Cuerpo cilíndrico sometido a presión interna o a cardas vivas

-

Membrana Local (Pl): En el cuerpo, producto de cargas y momentos externos sobre soportes o boquillas

5.4.

Flexión (Pb): Centro de cabezal plano sometido a presión

Esfuerzos Secundarios (Q) Esfuerzos normales o esfuerzos de corte desarrollados por la restricción de partes adyacentes sobre la estructura o por la propia restricción que tenga la estructura considerada Cargas mecánicas o expansión térmica Característica básica: Esfuerzos auto-limitantes Fluencia local o deformaciones menores pueden satisfacer las condiciones que causan el esfuerzo, haciendo poco probable la falla de la estructura Ejemplos: • -

Distribución axial de temperatura en un cuerpo cilíndrico

-

Diferencia de temperatura entre una boquilla y el cuerpo

•

5.5.

Esfuerzos térmicos generales :

Flexión en discontinuidades estructurales:

-

Unión cuerpo – cabezal

-

Unión Brida – Cuerpo / Cabezal / Tubería

-

Unión cuerpos de diferente diámetro o espesor de pared

Esfuerzos Picos (F) Características básicas: -

No son relevantes en términos de importancia, por lo que no causan distorsiones apreciables en la estructura

-

Son repetitivos

Ejemplos: -

Local (Esfuerzos térmicos): Material “cladding” con diferente coeficiente de expansión térmica al metal base

-

En el cuerpo de un recipiente, causado por un cambio repentino de temperatura

-

En una discontinuidad estructural 33 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

5.6.

Límites de las Categorías de Esfuerzos -

Pm < kSm (Condiciones de diseño)

-

Pl < 1.5kSm (Condiciones de diseño)

-

Pl + Pb < 1.5kSm (Condiciones de diseño)

-

Pl + Pb + Q < 3Sm (Condiciones de operación)

-

Pl + Pb + Q + F < Sa (Condiciones de operación)

Notas: -

k= 1.0, para las siguientes cargas: presión de diseño, peso del recipiente, contenido del recipiente, cargas externas impuestas por equipos o dispositivos

-

k=1.2, para cargas de viento y cargas sísmicas

-

Sm, valor de resistencia del material indicado en las tablas de Sección II

-

Sa, valor de resistencia del material que se obtiene de curvas de fatiga

34 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

35 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

6.

DISEÑO DE RECIPIENTES A PRESIÓN EXTERNA

36 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

6.

DISEÑO DE RECIPIENTES A PRESIÓN EXTERNA

6.1.

General La presión causa fuerzas compresivas que generan esfuerzos de membrana Pueden causar “buckling” o colapso del equipo Factores son geométricos: -

Presión crítica de colapso (Pc)

-

Inestabilidad (lc)

Fallas por debajo de Sy Para cilindros largos (l > lc):

2E ( t )3 2 (1−υ ) do lc = 1.14 do (1−υ 2)1 / 4 ( dto )1 / 2 Pc =

Ecuaciones de “buckling” son de dificil aplicación en diseño Con el objeto de simplificar el diseño, se grafican resultados de ecuaciones en función de. -

Longitud

-

diámetro

-

espesor del cuerpo o cabezal

ASME adoptó este procedimiento para casi todos sus códigos 6.2.

Cálculos

6.2.1. Cilindros Do/t ≥ 10: -

Se obtiene A (elongación mínima de colapso), en función de Do, L y t. Se asume t, y se calculan las relaciones L/Do y Do/t Se entra en la Fig UGO 28.0 (A vs L/Do, con curvas Do/t)

-

Se obtiene B (Resistencia del material a compresión en Psi, bajo condiciones geométricas dadas) Se tienen el valor de A y la Tdiseño del recipiente Se entra a los Diagramas de Materiales UCS 28.1 a 28.6

-

Se calcula Pa con las ecuaciones (1) o (2), depende de si se puede determinar B

-

Si el valor de Pa no es adecuadamente mayor a Pdiseño, entonces se ajusta el valor de t y se reinicia el proceso 37 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

Pa =

4B 2 AE (1); Pa = (2) 3 (Do t ) 3 (Do t )

6.2.2. Cilindros 4 ≤ Do/t < 10: -

Se obtienen A y B de igual forma al caso anterior

-

Se calcula Pa1 y Pa2 con las ecuaciones (1) o (2), y se selecciona el menor valor

-

Si el valor de Pa seleccionado no es adecuadamente mayor a Pdiseño, entonces se ajusta el valor de t y se reinicia el proceso

Pa1 =

2.167 B 2.5 1 (1); Pa2 = (1− ) (2) Do Do (Do t ) − 0.0833 t t

6.2.3. Cilindros Do/t < 4: -

Se obtienen A por la ecuación (1):

-

B se obtiene de igual forma al caso anterior

-

Se calcula Pa1 y Pa2 con las ecuaciones (2) o (3), y se selecciona el menor valor

-

Si el valor de Pa seleccionado no es adecuadamente mayor a Pdiseño, entonces se ajusta el valor de t y se reinicia el proceso

A= Pa1 =

1.1 (1) (Do / t ) 2

2.167 B 2.5 1 (2); Pa2 = (1− ) (3) D o D o D o ( t ) − 0.0833 t t

6.2.4. Cilindros Do/t > 1000: -

La presión admisible del cuerpo se calcula por la siguiente ecuación empírica

P=

0.866 E (L Do)(Do / t ) 2.5

6.2.5. Cuerpos Esféricos -

Se obtiene A por la Ecuación (1), asumiendo el valor de t

-

Se obtiene B (Resistencia del material a compresión en Psi, bajo condiciones geométricas dadas) Se tienen el valor de A y la Tdiseño del recipiente Se entra a los Diagramas de Materiales UCS 28.1 a 28.6

-

Se calcula Pa con las ecuaciones (2) o (3), depende de si se puede determinar B

38 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

-

Si el valor de Pa no es adecuadamente mayor a Pdiseño, entonces se ajusta el valor de t y se reinicia el proceso

A = 0.125 (1) ( Ro / t ) Pa =

B 0.0625E (2); Pa = (3) 2 R o R o ( t) ( t)

6.2.6. Cabezales -

Esféricos: Igual a procedimiento de Cuerpos esféricos

-

Elípticos 2:1: Se supone Ro = 0.9 Do, y se repite el procedimiento para cuerpos esféricos

-

Toriesféricos ASME: Se supone Ro = Do, y se repite el procedimiento para cuerpos esféricos

-

Cónicos: Se ejecuta el mismo procedimiento al cuerpo cilíndrico, con los siguientes cálculos previos: - El espesor viene dado por te = t Cosα - La longitud viene dada por Le= (L/2) (1+Ds/Dl). Siendo L la longitud del cono, Ds el diámetro externo menor del cono y Dl el diámetro externo mayor - El diámetro externo Do es Dl

6.3.

Anillos Rigidizadores -

Espesor t de un cuerpo sometido a presión externa puede ser reducido disminuyendo la longitud efectiva del mismo, mediante anillos

-

Anillos permiten rigidizar el cuerpo, otorgándole de esta manera una mayor capacidad para soportar cargas externas

-

Se recomienda instalar los anillos, de tal manera que se divida la longitud efectiva del recipiente en partes iguales

-

Los anillos también se utilizan para disminuir los esfuerzos en recipientes horizontales largos soportados en dos sillas.

-

Los anillos pueden ser instalados tanto en la parte externa como en la parte interna del cuerpo, de acuerdo a la conveniencia de su instalación.

-

El diseño de los anillos se basa en el momento de inercia que aportan al cuerpo que van a fortalecer.

39 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

-

Preferiblemente se deben utilizar planchas. Los perfiles estructurales generan problemas en el doblado y en su ajuste a la forma del cuerpo.

-

Soldadura de anillos: Se puede soldar al cuerpo en forma continua o intermitente

-

El momento de inercia del anillo es determinado por las ecuaciones (1) y (2) donde: - Is... momento de inercia requerido para la sección transversal del anillo, pg4 - I´s... momento de inercia requerido para la sección transversal del anillo, que incluye el momento de inercia de una sección que aporta el cuerpo, pg4. El ancho w de la sección del cuerpo viene dada por: 1.10 (Do/t)0.5 - L... la suma de la mitad de la longitud a cada lado del anillo, desde su línea central - As... área transversal del anillo, pg2 - t... espesor mínimo requerido del cuerpo, pg

I´s =

As As )A D02 Ls ( t + ) A Ls Ls (1); Is = (2) 10.9 14

D02 Ls ( t +

6.3.1. Procedimiento: -

Seleccionar el tipo de anillo, y calcular el área transversal As

-

Determinar Ls, en función de la configuración definitiva seleccionada para el cuerpo: Número de anillos y ubicación

-

Calcular el momento de inercia del anillo I, o del anillo más el ancho de la sección del cuerpo I´

-

Calcular Is e I´s

-

El valor de A viene dado por el siguiente procedimiento: - Calcular factor B de resistencia del material a compresión por (1) - El Factor A se obtiene utilizando los valores de B y la temperatura de diseño en las tablas UCS28.1 a 28.6. Si A < 2500 Psi, entonces A se obtiene de la ecuación:A=2B/E . E es el módulo de Young en Psi -

Si I ≥ Is o I´ ≥ I´s ⇒ Cálculo es adecuado. Si no, debe ser incrementado I o I´.

B=

3PDo (1) As 4( t + ) Ls

40 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

41 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

7.

DISEÑO DE RECIPIENTES A PRESIÓN INTERNA

42 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

7.

DISEÑO DE RECIPIENTES A PRESIÓN INTERNA

7.1.

Esfuerzos por Presión Interna

•

Ecuación de Navier en Elasticidad Lineal

µ ui, jj + (λ + µ ) uk , ki + ρ Bi = 0 µ ∇2u + (λ + µ ) ∇(∇ • u) + ρ Bi = 0 Relación Esfuerzo - Deformación

εij = 1 (ui, j + uj, i ) 2 Ecuación Constitutiva

σij = 2µ εij + λ δij εkk •

Ecuaciones de Lamé

Esfuerzos Radiales 2 2 2 2 σrr = a P21 − b 2P2 − a b2 (P12− P22 ) b −a (b − a ) r

Esfuerzos tangenciales o circunferenciales (hoop stress) 2 2 2 2 σθθ = a P21 − b 2P2 + a b2 (P12− P22 ) b −a (b − a ) r

Esfuerzos Longitudinales

a 2 P1 − b 2 P2 σzz = b2 − a2

43 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

7.2.

Espesor de Pared

7.2.1. Cuerpos Cilíndricos •

Esfuerzos Circunferenciales por ASME

-

Cálculo de espesor requerido (t) excluyendo corrosión

-

Válida para: t ≤ 0.5 R y P ≤ 0.285 R

t=

PR SEl − 0.6 P

Donde: -

P... Presión de diseño, Psi

-

R... Radio interno del recipiente, pg

-

S... Valor máximo de esfuerzo permisible, Psi

-

El... Eficiencia de junta longitudinal

•

Esfuerzos Circunferenciales por Pared Delgada:

σ θθ =

Esfuerzos Circunferenciales por Presión Interna

1 0 0 .0 0

1 0 .0 0

Lam é P are d D e lg a da

σ θ /P

7.3.

P Re t

AS ME M E C -Mo d . 1 M E C -Mo d . 2

1 .0 0 0

1

2

3

4

0 .1 0

t /r

-

Ecuación Lamé: Solución analítica

-

Ecuación Pared Delgada: t/r [ 0.097

-

Ec. ASME: t/r [ 0.5

44 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN Comparación de esfuerzos circunferenciales en el espesor de pared. R= 72 pg, t= 1pg 18.250 18.200

σθθ (Lpc)

18.150 18.100

Ecuación de Lamé

18.050

MEC- Modelo 1

18.000

MEC- Modelo 2

17.950 17.900 17.850 72,0

72,2

72,4

72,6

72,8

73,0

Radio del recipiente (pg)

Comparación de esfuerzos circunferenciales en el espesor de pared. R= 72 pg, t= 36 pg 700

σθθ (Lpc)

650 600

Ecuación de Lamé

550

MEC- Modelo 1 MEC- Modelo 2

500 450 400 72

76

80

84

88

92

96 100 104 108

Radio del recipiente (pg)

7.4.

Espesor de Pared por ASME

7.4.1. Cuerpos Cilíndricos •

Esfuerzos Longitudinales

-

Cálculo de espesor requerido (t) excluyendo corrosión

-

Válida para: t ≤ 0.5 R y P ≤ 1.25 SEc

t=

PR 2SEc + 0.4 P

Donde: -

P... Presión de diseño, Psi

-

R... Radio interno del recipiente, pg

-

S... Valor máximo de esfuerzo permisible, Psi 45 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

-

Ec... Eficiencia de junta circunferencial

7.4.2. Cuerpos Esféricos •

Esfuerzos tangenciales

-

Cálculo de espesor requerido (t) excluyendo corrosión

-

Válida para: t ≤ 0.356 R y P ≤ 0.665 SE

t=

PR 2SE − 0.2 P

Donde: -

P... Presión de diseño, Psi

-

R... Radio interno del recipiente, pg

-

S... Valor máximo de esfuerzo permisible, Psi

-

E... Eficiencia de junta

7.4.3. Cabezales •

Elípticos 2:1 (h=D/4)

t= •

PD 2SE − 0.2 P

Toriesféricos ASME (h≈ D/6)

-

Rad. interno corona (L)=Diám. ext. cabezal (Do)

-

Radio Empalme (r) = 6% L

t= •

0.885 PL SE − 0.1P

Cónicos

-

D...Diámetro interno del cabezal en el punto bajo consideración, pg

-

α... Mitad del ángulo del cono. α ≤ 30º.

t= •

PD 2 (SE − 0.6 P) Cosα

Planos

-

d... Diámetro interno del cuerpo, pg

-

C... Factor que depende del método de conexión del cabezal, de las dimensiones del cuerpo y del tipo de construcción del cabezal. Fig UG-34 del ASME VIII. Div.1

t=d

CP SE

C = 0.33 m; m =

t tactual 46 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

7.5.

Prueba Hidrostática -

Los recipientes o equipos deben ser objeto de una prueba hidrostática

-

Se debe lograr que todas las partes presurizadas estén sometidas a una presión mínima de 1.3 veces la máxima presión permisible de trabajo o la presión de diseño

-

La presión de prueba debe ajustarse a la temperatura de diseño:

S @T prueba hidrostáti ca S @ T diseño S @T prueba hidrostática Pph = 1.3 MAWP S @ T diseño Pph = 1.3 P

47 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

8.

DISEÑO DE RECIPIENTES HORIZONTALES

48 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

8.

DISEÑO DE RECIPIENTES HORIZONTALES

8.1.

General -

Los recipientes a presión horizontales están apoyados en dos sillas

-

Estas sillas están ubicadas cerca de los extremos del equipo

-

Cargas: - Presión Interna o Presión Externa - Reacciones de las Sillas - Cargas de Viento o Cargas Sísmicas - Cargas de Impacto

-

Cálculos se realizan mediante el método de Zick, publicado en 1951 por L.P. Zick

-

Recomendado por el código ASME y el código BS5500

-

Utilizado por la mayoría de fabricantes y diseñadores

-

Ha sido comparado con otros métodos de análisis y resultados experimentales, y ha dado buenos resultados

-

Excepción: esfuerzos circunferenciales en el contacto cuerpo – sillas en el extremo de las sillas

8.2.

Diagrama

8.3.

Modelo -

Viga de sección circular apoyada en dos puntos

-

Diferencias relevantes. - Condiciones de carga dependen del volumen de fluido contenido - Esfuerzos dependen de la configuración física de las sillas (puntos de apoyo) - Sobre el recipiente existen diferentes cargas distintas al peso 49 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

8.4.

Esfuerzos -

Adicionales a los esfuerzos ocasionados por presión, el equipo debe resistir los siguientes esfuerzos generadospor la reacción de las sillas:

-

Longitudinales: - Plano de las sillas - Centro del recipiente

-

Tangenciales de Corte - Cuerpo - Cabezales

-

Circunferenciales - Extremo de las sillas - Fondo del equipo

8.5.

Diagrama de Momento Flector L/2

L/2

Momento Flector en el Centro (M2) Momento Flector en las Sillas (M1)

8.6.

Esfuerzos Longitudinales

8.6.1. Plano de Sillas         

2 2 1− A + R − H 2 AL Q A 1− L 4 1+ H 3L σs1 = 2 KR t

        

50 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

8.6.2. Centro del Equipo QL 4

σctr1 =

        

  R2 − H 2  2  4 A L −  4H L  1+  3L  π R2 t

1+ 2

8.6.3. Permisibles a Tensión: -

K = K1

-

Si el cuerpo está rigidizado ⇒ K = 3.14

σ = σl1 +σlPI ≤ SEc PR ≤ SEc ∑σl = σl1 + 2t

∑ l

8.6.4. Permisibles a Compresión: -

K = K1

-

Si el cuerpo está rigidizado ⇒ K = 3.14

-

Si t/R ≥ 0.005 ⇒ σl a compresión no es relevante

σ l = − σl1 +σ l PI ≤ SY 2 o       σl1 ≤  E   t  2 −  200   t       29   R    3   R  ∑

8.7.

Esfuerzos Tangenciales

8.7.1. A> R/2 -

Esfuerzos en el Cuerpo

-

K2 para cuerpo no rigidizado

-

K3 para cuerpo rigidizado

-

σ2 ≤ 0.8 S

σ2=

       

K 2Q L − 2 A Rt L + 4 H 3

       

σ2=

       

K 3Q L − 2 A Rt L + 4 H 3

       

51 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

8.7.2. A ≤ R/2 -

σ2 ≤ 0.8 S

-

σ3 + σPI ≤ 1.25 S

-

t´= t + twp

En el Cuerpo σ 2 = K 4Q Rt 8.8.

En Cabezales σ 2 = K 4Q R tcab

Adicionales en Cabezales σ 3 = K 5Q R tcab

Esfuerzos Circunferenciales

8.8.1. Deformación Radial R

θ .

8.8.2. En Extremos de Sillas -

L ≥ 8R

σ4= − -

L < 8R

σ4= − -

Q − 3 K 62Q 4t (b +1.56 R t ) 2t

Q R − 12 K 6 Q 4t (b +1.56 R t ) Lt 2

σ 4  ≤ 1.5 S

8.8.3. En Fondo del Cuerpo -

σ 5  ≤ 0.5 Sy

σ5= −

K7 Q t (b +1.56 R t )

52 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

Influencia de Ubicación de Sillas 7000

ΠΠ×Π(Lpc)

8.9.

5000

Zick

3000

MEC

1000 10

20

30

40

50

60

70

Longitud (pies)

Esfuerzos Circunferenciales en Unión Silla / Cuerpo – A/R = 0.5 .

V1 5123. 4804. Y

4486.

140.

4167.

120.

3848. 100.

3530.

80.

3211.

60.

2892.

40.

2574. 2255.

20. X

0. 0.

20.

40.

60.

80.

100. 120. 140. 160. 180. 200. 220. 240. 260. 280. 300. 320.

1936. 1618. 1299. 980.5

Y

661.9 343.2

Z X Output Set: PLACE LEGEND HERE : LOAD Deforme d(0.117): Total Transla tion Contour: PATRAN Node Output 1

24.59

Esfuerzos Circunferenciales en Unión Silla / Cuerpo – A/R = 0.5 V1

Y 140.

120.

5123. 4804. 4486. 4167.

100.

80.

3848. 3530. 3211.

60.

40.

2892. 2574. 2255.

20. X 0. 140. 120. 100. 220. 200. 180. 160. 300. 280. 260. 240. 80. 60. 40. 20. 320. 0.

1936. 1618. 1299. 980.5

Y X Z OutputSet: PLACE LEGEND HERE : LOAD Deformed(0.117): Total Translation Contour: PATRAN Node Output1

661.9 343.2 24.59

Esfuerzos Circunferenciales en Unión Silla / Cuerpo – A/R = 0.5

53 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

21000

µ (Lpc)

16000

11000

Zick MEC

6000

1000 10

20

30

40

50

60

70

Longitud (pies)

Esfuerzos Circunferenciales en Unión Silla / Cuerpo – A/R = 1.17 V1 9571. Y

8976.

135.

8382.

120.

7787.

105.

7192.

90.

6598.

75.

6003.

60.

5409.

45.

4814.

30.

4219. 3625.

15. X

3030.

90. 105. 120. 135. 150. 165. 180. 195. 210. 225. 240. 255. 270. 285. 300.

2435.

0. 0.

15.

30.

45.

60.

75.

1841. Y

1246. 651.4

Z X OutputSet: PLACE LEGEND HERE : LOAD Deformed(0.0489): Total Translation Contour: PATRAN Node Output1

56.79

Esfuerzos Circunferenciales en Unión Silla / Cuerpo – A/R = 1.17 V1 Y 135. 120.

9571. 8976. 8382. 7787.

105. 7192. 90.

6598.

75.

6003.

60.

5409.

45.

4814.

30.

4219.

15.

3625.

X 0.

3030.

300. 285. 240. 270. 255. 225. 210. 195. 180. 165. 150. 135. 120. 105. 90. 75. 60. 45. 30. 15. 0.

2435. 1841.

Y X Z OutputSet: PLACE LEGEND HERE : LOAD Deformed(0.0489): Total Translation Contour: PATRAN Node Output1

1246. 651.4 56.79

Esfuerzos Circunferenciales en Unión Silla / Cuerpo – A/R = 1.17

54 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

(Lpc)

6000

4000 Zick MEC

2000

0 100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

Ángulo de Contacto (º)

Esfuerzos Circunferenciales en Unión Silla / Cuerpo – L = 40 pies V1 1398. Y

1312.

140.

1227.

130.

1141.

120. 110.

970.1

90.

884.6

80. 70. 60.

627.8

40.

542.3

30.

456.7

10. X 0.

X Z OutputSet: PLACE LEGEND HERE : LOAD Deformed(0.0167): Total Translation Contour: PATRAN Node Output1

799. 713.4

50.

20.

Y

1056.

100.

1 2 3 4 5 6 1 7 8 01 9 0 20 30 40 50 0 60 70 80 ..0 0. ...

371.1 285.5 200. 114.4 28.82

Esfuerzos Circunferenciales en Unión Silla / Cuerpo – θ = 180º

55 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

9.

DISEÑO DE RECIPIENTES VERTICALES

56 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

9.

DISEÑO DE RECIPIENTES VERTICALES

9.1.

General Cargas: Presión Interna o Presión Externa Estática de Fluido Viento o Sismo Peso Propio Excéntricas Esfuerzos longitudinales importantes Normas Complementarias: ASCE – 7 – 1995 UBC PDVSA J-222 COVENIN Condiciones del recipiente: Erección Operación Prueba Hidrostática Arranque

9.2.

Presión Interna / Externa Esfuerzos Circunferenciales

σc = P R t Esfuerzos Longitudinales

σl = P R 2t 9.3.

Carga Estática del Fluido Fluido genera esfuerzos similares a la presión:

Pfluido = 0.000145 ρ g H donde: -

Pfluido: presión del fluido (Psi)

-

ρ: Densidad del fluido (kg/m3) 57 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

-

g: Aceleración de la gravedad. 9.81 m/s2

-

H: Altura de fluido sobre el punto de elevación (m)

Esfuerzos:

σcfluido = P R t fluido

9.4.

σcfluido = P R 2t fluido

Viento

9.4.1. Modelo utilizado: -

Viga de sección circular empotrada en un extremo

-

Sometida a un sistema de cargas distribuidas constantes por tramos

-

Cargas son una función de H y del diámetro

9.4.2. Norma: -

ASCE 7 – 1995: “Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures”

9.4.3. Clasificación: -

No Flexibles: H/D < 4 o T < 1 seg

-

Flexible: H/D ≥ 4 o T ≥ 1 seg

9.4.4. Fuerza de Viento No Flexible: Fi = qzi G Cf Ai Flexible: Fi = qzi Gf Cf Ai -

Fi : Fuerza de diseño del viento en cada sección i del recipiente (lbf)

-

qzi:Presión de velocidad evaluada a una altura Z respecto a tierra (lbf / pie2)

-

G: factor de ráfagas de viento para recipientes no flexibles

-

Gf: factor de ráfagas de viento para recipientes flexibles

-

Cf : Coeficiente de Forma del recipiente

-

Ai: Área proyectada del recipiente (pie2)

9.4.5. Velocidad de Presión Cálculo de qzi : qzi = 0.00256 Kzi Kzti V2 Ι -

Kzi : Coeficiente presión de velocidad evaluado a la altura z. Depende del tipo de exposición a la que estará sometido el equipo: A, B, C o D Tabla 6-3 ASCE 7-95 58 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

-

Kzti:Factor topográfico. Figura 6-2 Kzti= (1 + k1 K2 k3)2

-

V: Velocidad del viento @ 10 m de altura (mph)

-

Ι : Factor de Importancia de la estructura. Se define en función del uso o de las consecuencias de una falla de la estructura

9.4.6. Clasificación de Exposición Tipo A: Centros Urbanos: 50% de construcciones con h> 20 m Áreas cercanas: entre 800 m o 15 Hequipo, mayor valor Tipo B: Áreas Urbanas, Sub – Urbanas: Hpromedio = 10 m Áreas cercanas: entre 500 m o 10 Hequipo, mayor valor Tipo C: Planicies, sabanas y campos abiertos, con H< 10 m Tipo D: Áreas Costeras, sin obstrucciones Áreas cercanas: entre 500 m o 10 Hequipo, mayor valor 9.4.7. Categorías de la Estructura Categoría 1: Construcciones o estructuras con baja probabilidad de presencia humana en momento de falla Categoría 2: Edificaciones no cubiertas por las otras tres categorías Categoría 3: Edificaciones que contengan suficiente cantidad de sustancias tóxicas o explosivas, que puedan ser peligrosas para el público Categoría 4: Estructuras de Servicios Esenciales en Emergencias: Hospitales, Estaciones de Bomberos, Centros de Rescate 9.4.8. Ráfagas de Viento (G o Gf): Recipientes No Flexibles (G): -

Exposición: A o B: 0.8

-

Exposición: C o D: 0.85 59 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

Recipientes Flexibles (Gf): -

Cálculo con base en un análisis que incorpore las propiedades dinámicas del equipo

Cf: Tabla 6-7 Área proyectada(Ai): Ai=Doi Cefect Li: -

Doi: Diámetro externo del equipo (pies)

-

Cefect: Factor de obstáculos

-

Li: Longitud de la sección evaluada del equipo (pies) Rango Do < 36” 36” ≤ Do < 60” 60” ≤ Do < 84” 84” ≤ Do < 104” Do ≥ 104”

Cefect 1.50 1.40 1.30 1.20 1.18

9.4.9. Esfuerzos: -

Longitudinales únicamente

-

Mviento = f ( Fi, zi)

-

Esfuerzos disminuyen a medida que se aumenta la altura del punto de evaluación

σl viento = Mviento c I 9.5.

σl viento =

Mviento R0

πtR

3 0

σl viento = 4 Mviento π t D02

Sismo

9.5.1. Modelo utilizado: -

Viga de sección circular empotrada en un extremo

-

Sometida a un sistema de cargas distribuidas

9.5.2. Métodos de Análisis: -

Estático Equivalente: Peso Uniforme: Cargas distribuidas en forma triangular Peso No Uniforme: Fuerzas horizontales son función del peso de cada sector del equipo

-

Dinámico

9.5.3. Selección del Método: -

Altura total del equipo 60 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

-

Grado de riesgo de la instalación

-

Comportamiento del terreno ante un sismo

9.5.4. Norma: -

ASCE 7 – 1995: “Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures”

9.5.5. Fuerza Lateral (V): V = Z Ι K C S Wequipo -

Z: Coeficiente de Localización Geográfica

-

Ι: Factor de Importancia. Ι = 1.15 o Ι =1.00

-

K: factor de Fuerza Horizontal. K=1.33

-

C: Factor de Flexibilidad de la Estructura

-

S: Factor de Suelo

-

Wequipo: Peso del Equipo, considerando el peso propio y el peso del fluido contenido (Lbf) Factor de Localización Geográfica Zona Sísmica Z 4 1 z3 ¾ 2 3/8 1 3/16 0 1/8

9.5.6. Factor de Flexibilidad de la Estructura

C=

1 15 T

T = 2π

n 2 ∑ i i i =1 n ∑ i =1 i i

ωδ

g

fδ

H T = 0.0000265  D 

-

T: Período de vibración de la estructura (seg)

-

ω i: fuerza distribuida por sección (lbf/pie)

-

δ i : Deflexión con respecto a la vertical de cada sección (pies)

-

f i: fuerza concentrada lataral por sección (lbf/pie)

-

g: aceleración de la gravedad: 32.2 pie/s2

-

H: Altura total del equipo (pies)

-

D: Diámetro del equipo (pies)

-

ω : Peso total del equipo por unidad de altura (lb/pie)

-

t: espesor de pared del equipo (pulg)

   

2

ωD t

61 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

9.5.7. Factor de Suelo: -

Tipo S1: Suelos rocosos; condiciones de suelo rígido

-

Tipo S2: Suelos con depósitos o arcillas duras no cohesivas

-

Tipo S3: Suelos con arenas y arcillas de rigidez suave a media Tipo de Suelo S S1 1.0 S2 1.2 S3 1.5

9.5.8. Valores límites de los Factores -

C máximo : 0.12

-

(KC) mínimo: 0.12

-

(KCS) máximo : 0.23 para Zona Sísmica 3 o 4, y suelo S3 0.29, para los otros casos

-

(CS) máximo : 0.11 para Zona Sísmica 3 o 4, y suelo S3 0.14, para los otros casos

9.5.9. Distribución de la Fuerza Lateral: -

Si T > 0.7 seg ⇒ se considera que parte de V se traslada al extremo superior del equipo, y se denomina Ft. Ft = 0.07 TV Ft máximo = 0.25 V

-

Si T ≤ 0.7 seg ⇒ se considera que Ft = 0

9.5.10.Momento de Volcamiento - Peso Uniforme:

2Z q(Z ) = (V − Ft) 2 H

H Z3 M (Z ) = (2V + Ft ) − ZV + (V − Ft) 3 3H 2

-

Q(Z): Fuerza distribuida (lbf / pie)

-

M (Z): Momento de volcamiento en el punto z de evaluación (lbf – pie)

-

Z: altura de evaluación (pies)

-

H: altura total del equipo (pies)

9.5.11.Momento de Volcamiento - Peso No Uniforme:

62 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

Fx =

(V − Ft) ωx hx n ∑ ω i hi

n

Fx = Ft (H − hx ) + ∑ Fi (hi − hx ) i= x

i =1

-

Fx: Fuerza concentrada en la sección en evaluación (lbf)

-

Wx: carga distribuida en la sección en evaluación (lbf/pie)

-

hx: altura de aplicación de carga Fx (pies)

-

Wi: carga distribuida en cada sección i en la que se dividió el equipo (lbf/pie)

-

Fi: Fuerza concentrada en cada sección i en la que se dividió el equipo (lbf)

-

hi: altura de aplicación de carga Fi (pies)

-

Mx: Momento de volcamiento en la sección en evaluación (lbf – pie)

-

H: altura total del equipo (pies)

Esfuerzos: -

Esfuerzos Longitudinales únicamente

-

Msismo = f ( Fi, Z)

-

Esfuerzos disminuyen a medida que se aumenta la altura del punto de evaluación

σl sismo = Msismo c I 9.6.

σl sismo =

Msismo R0

π t R03

σl sismo = 4 Msismo π t D02

Cargas Excéntricas -

Sistemas de tuberías u otros equipos pueden generar cargas excéntricas en el equipo, si son aplicadas en un eje distinto a su eje axial

-

Esfuerzos similares a los generados por viento o sismo

σl excént. = 4 Me2 π t D0

Me = Ce E Ce: Carga excéntrica (lbf) E: Brazo de aplicación de carga (pies) 9.7.

Peso -

El peso del equipo genera esfuerzos de compresión longitudinales, los cuales dependen de la altura de la sección evaluada

σl peso = Wx π t Dm Wx: Peso de la sección del cuerpo arriba del punto en evaluación (lbf) 9.8.

Vibraciones 63 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

-

Velocidad del viento ocasiona vibraciones en los recipientes verticales

-

T debe ser limitado, ya que se pudieran presentar fallas por Fatiga

-

Período de Vibración máximo:

T max = 0.80

WH Vg

V: Carga lateral (lbf) g: aceleración de gravedad: 32.2 pie/s2 W: Peso Total del equipo (lbf) H: Altura total del equipo (pies) 9.9.

Cargas Combinadas -

El equipo debe ser evaluado para: Todas las cargas Todas las condiciones en las que se puede encontrar.

-

Se considera que las condiciones de diseño de viento y de sismo no suceden simultáneamente, por lo que se selecciona el valor de esfuerzo mayor

-

Aplicando el principio de superposición de efectos de cargas:

σ = σc PI + σc Pfluido ∑σl = σl PI + σl Pfluido ±σl viento /sismo ±σl exc −σl peso ∑ c

9.10. Esfuerzos Permisibles -

Se generan esfuerzos a tensión y esfuerzos a compresión

-

Se requiere la comparación con los respectivos valores de resistencia del material: Tensión: σmáximo ≤ 1.2 SE Compresión: σ  máximo ≤  B

-

El código ASME permite incrementar el valor de la resistencia del material a tensión en un 20%, únicamente cuando se considere los efectos del viento o del sismo

64 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

65 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

10. SISTEMAS DE ALIVIO DE PRESIÓN

66 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

10.

SISTEMAS DE ALIVIO DE PRESIÓN

10.1. General Dispositivos que se abren a una determinada presión, para permitir el paso de suficiente cantidad de fluido que permita prevenir que la presión en el equipo, exceda la máxima sobrepresión permitida por encima de la presión de diseño o la MAWP. Cada código de equipos tiene su propios requerimientos de diseño de dispositivos de seguridad API RP 520 API RP 521 Procedimiento de diseño: -

Determinar las fuentes potenciales de sobrepresión

-

Calcular la rata de flujo que debe ser liberada para mantener la presión dentro de los límites permitidos

-

Seleccionar el dispositivo de alivio más apropiado

Códigos especifican todo lo relacionado con estos dispositivos: -

Diseño

-

Manufactura

-

Certificación de capacidad

-

Selección

-

Aplicación

10.2. Clasificación: 10.2.1.Retornan a la posición de cerrado: -

Válvulas de alivio de presión con Resorte Precargado (Secciones I, IV, VIII, X)

-

Válvulas de alivio de presión Operada por Piloto (Sec VIII, X)

-

Válvulas de alivio de presión actuada desde el exterior de la válvula: sistemas electricos, neumáticos o hidraulicos (Secc. I)

10.2.2.No retornan a la posición de cerrado: -

Discos de ruptura (Secciones VIII, X; Sección I lo permite + válvula de retorno automático)

-

Válvulas de alivio de presión de retorno manual (Sección VIII)

-

Pin de ruptura a tensión (Sección VIII)

-

Pin de ruptura a compresión (Sección VIII) 67 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

10.3. Capacidad de Alivio Definición: La rata de flujo que debe ser liberada del equipo durante la condición de emergencia para mantener un valor seguro de presión Fuentes de energía que deben ser evaluadas: Calor, fuego, reacción química, trabajo mecánico Fuentes de flujo que deben ser evaluadas: Compresores, bombas, mal funcionamiento de válvulas de control, válvulas reguladoras en posición abierta, activación de válvulas de bloqueo, fallas en algún interno Caso de diseño: Se determina el peor caso que pueda suceder, y se diseña el sistema de alivio de presión para el mismo 10.4. Presión del Sistema de Alivio (P*) 10.4.1.ASME Sección I: -

Una válvula: P* ≤ MAWP

-

Más de una válvula: P* hasta 103 % de MAWP

10.4.2.ASME Sección VIII Div. 1 y 2: -

General: P* ≤ MAWP

-

Varios dispositivos de alivio: - Una válvula: P* ≤ MAWP - Válvulas adicionales: P* hasta 105 % de MAWP

-

Dispositivos extras contra fuego: Hasta 110 % de MAWP

-

Dispositivos para proteger equipos de almacenamiento de gas comprimido licuado (Div. 1): P* ≤ MAWP

10.5. Sobrepresión Permitida 10.5.1.ASME Sección I: -

Pmáxima: 106% de PD o de MAWP

10.5.2.ASME Sección VIII Div. 1 y 2: -

General: Pmáxima ≤ 110 % de PD o de MAWP o más 3 psi, el mayor valor

-

Varios dispositivos de alivio: Pmáxima ≤ 116 % de PD o de MAWP o más 4 psi, el mayor valor 68 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

-

Dispositivos extras contra fuego: Pmáxima ≤ 121 % de PD o de MAWP

-

Dispositivos para proteger equipos de almacenamiento de gas comprimido licuado (Div. 1): Pmáxima ≤ 120 % de PD o de MAWP

10.6. Tolerancia de P* 10.6.1.ASME Sección I: -

Para P* ≤ 70 psi ⇒ ± 2 % de P*

-

Para 70 psi < P* ≤ 300 psi ⇒ ± 3 % de P*

-

Para 300 psi < P* ≤ 1000 psi ⇒ ± 10 psi respecto a P*

-

Para P* > 1000 psi ⇒ ± 1 % de P*

10.6.2.ASME Sección VIII Div. 1 y 2: -

Para P* ≤ 70 psi ⇒ ± 2 % de P*

-

Para P* > 70 psi ⇒ ± 3 % de P*

-

Dispositivos para proteger equipos de almacenamiento de gas comprimido licuado (Div. 1): - 0 % de P* + 10 % de P*

10.7. Válvulas de Alivio de Presión 10.7.1.Guías de Instalación: -

Deben ser instaladas lo más cerca posible del equipo que está protegiendo

-

Área de flujo de la boquilla debe ser igual al área disponible de la válvula

-

Posición vertical

-

La línea de descarga debe tener una conexión de drenaje

-

No se deben colocar válvulas entre la VAP y el equipo, pero pueden existir excepciones

-

ASME Sección I: Dirige al ASME B31.1 “Power Piping”, que tiene el Apéndice II No Mandatorio: “Rules for the Design of Safety Valve Installations”

-

ASME Sección VIII Div. 1: Dirige al Apéndice M – No Mandatorio “Installations and Operations”

69 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

11. MATERIALES

70 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

11.

MATERIALES

11.1. General: -

Sistemas de designación: ASTM, AISI, ASME, SAE

-

ASME adopta la designación del material de ASTM:Plancha ASTM-A-516-70 vs SA-516-70

-

Contenido de una Especificación de Materiales:

-

Proceso de manufactura, tratamiento térmico, Condición de la superficie, Composición química, Pruebas, Identificación

-

Certificado del Material: Compromiso del Vendedor (fabricante) con el Comprador

11.2. Sección II “Materials” del Código ASME -

Part A: Ferrous Material Specifications

-

Part B: Nonferrous Material Specifications

-

Part C: Specifications for Welding Rods, Electrodes and Filler Metals

-

Part D: Properties (Customary)

-

Part D: Properties (Metric)

11.3. Parte D: Información: -

Composición Nominal, St, Sy, especificación y grado o tipo

Máximo Valor Permisible de Esfuerzos (S) -

Se reporta en KSI (103 Psi), y se obtiene S= St/3.5,

donde St es la

resistencia máxima del material -

Depende de la temperatura de diseño

Propiedades Físicas -

Coeficiente de expansión térmica, módulo de Young, conductividad térmica, relación de Poisson

Cartas de presión externa 11.4. Selección de Materiales -

Compatibilidad con el fluido

-

Resistencia a las condiciones de presión y temperatura

-

Costo

-

Disponibilidad en el mercado: Cantidad 71 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

Tiempo de Entrega -

Rango de espesores manejabels

11.5. Tipos de Materiales -

Planchas

-

Tuberías y Fittings

-

Piezas Forjadas

-

Pernos y Espárragos

-

Tuercas y Arandelas

-

Barras

-

Piezas Fundidas

11.6. Guía de Selección - Planchas Especificación Aplicación -20 ºF a 775ºF SA-516-70 -21º F a –49 ºF: Requiere Sharpy SA-20 SA-285-C 32 ºF a 775ºF, pero para t < 11/16” Recipientes a Presión sin Código SA-283-C Tanques de Almacenamiento Acero estructural SA-36 Se usa en tanques de almacenamiento 11.7. Guía de Selección – Tuberías / Fittings Especificación SA-106-B/

Aplicación -20 ºF a 775ºF

SA-234-WPB SA-53-B/

Sin costura Servicio general (mejor sin costura)

SA-234-WPB SA-333-B/

60 ºF a 660ºF Bajas Temperaturas -150 ºF a -21ºF

SA-420-WPL8

(3-1/2 % Ni)

72 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

11.8. Guía de Selección – Piezas Forjadas Especificación SA-105 SA-181 Cl.80

Aplicación -20 ºF a 775ºF Servicio general

y Cl 70

5 ºF a 775ºF Bajas Temperaturas -150 ºF a 4ºF

SA-350-LF3 SA-182-F1

(Baja aleación) Altas Temperaturas 775º F a 1100ºF (Baja aleación)

11.9. Guía de Selección – Pernos / Tuercas Especificación SA-193-B7 / SA-194-2H SA-307-B / SA-307

Aplicación -20 ºF a 850ºF Servicio general 60 ºF a 450ºF

73 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

12. CONEXIONES

74 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

12.

CONEXIONES

12.1. Clasificación 12.1.1.Función Procesos: Entrada y salida de fluidos Drenajes Instrumentación: Manómetros y Termo Pozos Válvula de Alivio Medidor de Nivel (Level Glass) Control de Nivel Interruptores de Nivel o de Presión Inspección: Bocas de Visita Bocas Desmontables Bocas de Mantenimiento o Montaje 12.1.2.Tipo de Conexión Bridadas: (Diámetro ≥ 2”) -

Diseño de la brida: De acuerdo a ASME B16.5 (Hasta NPS 24) o ASME B16.47 (NPS 26 ⇒ NPS 60). Tipos de Bridas: Welding Neck – WN (Cuello soldable); Slip on – SO; Lap Joint; Socket Weld – SW (Enchufe); Threaded (Roscada); Blind (Ciega)

-

Cara: Raised Face (RF), Flat Face (FF), Ring Joint (RTJ)

-

Clases o Rating: 150, 300, 400, 600, 900, 1500, 2500

Roscadas: (Diámetro < 2”) -

Half – Coupling o Coupling

-

Clases o Rating: 1500, 3000 y 6000

Soldadas: Tuberías unidas por soldadura a tope

75 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

ASME B16.5: Rating de Bridas - MAWP (Psi) ClaseºF -20 a 100 200 300 400 500

150 285 260 230 200 170

300 740 675 655 635 600

400 990 900 875 845 800

600 1480 1350 1315 1270 1200

900 2220 2025 1970 1900 1795

1500 3705 3375 3280 3170 2995

2500 6170 5625 5470 5280 4990

Material Grupo 1.1: A-105, A-216–WCB, A515-70, A-516-70, A-350-LF2, A-537-CL1 12.1.3.Forma Circular: Eje de Boquilla coincide con el centro del recipiente Típica configuración en recipientes a presión Elíptica: Eje de la boquilla no pasa por el centro del recipiente Típica en Medidores de Nivel o Controladores de Nivel en recipientes horizontales Obround (Ranura): Sección rectangular cerrada en sus extremos por dos secciones semi - circulares 12.1.4.Tamaño: Cuerpos Cilíndricos No existen limitaciones Reglas UG-36 a UG-43 aplican para: -

Equipos Øi ≤ 60” Øboq ≤ (Ørec / 2) Máxima Øboq ≤ 20”

-

Equipos Øi > 60” Øboq ≤ (Ørec / 3) Máxima Øboq ≤ 40”

Si no se cumplen los límites ⇒ además se deben cumplir Reglas Suplementarias 1-7 12.1.5.Tamaño: Cuerpos Esféricos y Cabezales No existen limitaciones Si Øboq > (Ørec / 2) ⇒ no se deben utilizar cabezales. Opciones: 76 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

-

Secciones Cónicas

-

Conos con radios de empalme adecuados

-

Secciones curvas contrarias Boquillas de Inspección Tamaño Øi ≤ 12” 12” 3/8” 77 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

-

Conexiones roscadas: Øagujero ≤ 2.375”

Basado en el suministro de material para compensar el material extraido por la instalación de la boquilla No se requiere reemplazar todo el material extraido. Se consideran los siguientes aportes: -

Espesor adicional de la plancha del cuerpo o cabezal

-

Espesor adicional del cuello de la conexión

-

Proyección interna del cuello

-

Soldaduras

Límites de las dimensiones del refuerzo: -

Distancia medida entre la línea central de la conexión y el extremo del refuerzo (X) – Mayor Valor: X≤ d X ≤ d/2 + tboq + tcuerpo /cabezal

-

Distancia medida entre la pared externa del recipiente y el extremo superior del refuerzo o entre la pared externa del recipiente y la proyección interna del cuello (Y) – Menor valor: Y ≤ 2.5 tcuerpo /cabezal Y ≤ 2.5 tboq

El área extraida (A): A = d tr F + 2 tn tr F (1-fr1) -

d: diámetro de tubería en condición corroída (pg)

-

tr: Espesor requerido del cuerpo o cabezal (pg)

-

F: Factor de corrección de esfuerzos con respecto al eje del equipo

-

tn: Espesor de tubería (pg)

-

fr1=Sn/Sv; para conexiones insertas en parad

-

fr1= 1.0; para conexiones a tope con pared de equipo

-

Sn : Resistencia del material de la tubería

-

Sv: Resistencia del material del cuerpo o cabezal

El área de aporte (Ai): debe ser mayor o igual al área extraida (A): Ai = A 1 + A 2 + A 3 + A 4 -

A1 : Aporte de cuerpo o cabezal (pg2) 78 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

-

A2 : Aporte de tubería (pg2)

-

A3 : Aporte de proyección interna (pg2)

-

A4 : Aporte de soldadura (pg2)

•

Si Ai < A ⇒ Se requiere Refuerzo

•

Se recalcula A´i: A´i = A´1 + A´2 + A´3 + A´4 + A´ref A´ref = (Dp – d – 2 tn) te fr4

-

Dp: Diámetro externo del refuerzo

-

Te: espesor del refuerzo

-

fr4=Sp/Sv

-

Sp : Resistencia del material del refuerzo

•

Se determinan las dimensiones del refuerzo de: A´i ≥ A

Otras variables: -

c: tolerancia por corrosión (pg)

-

E: Eficiencia de soldadura de tubería. E=1

-

E1: Eficiencia de soldadura del lugar donde se instalará la boquilla. E1= 1, si boquilla no intercepta soldadura o corta soldadura categoría B E1= valor utilizado en cálculos de equipo, si corta soldadura categoría A

-

h: distancia de proyección interna de tubería (pg)

-

fr2 =Sn/Sv

-

fr3 = menor valor de Sn/Sv o Sp/Sv

79 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

13. SOLDADURA

80 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

13.

SOLDADURA

13.1. General: -

Método de fabricación de recipientes / tanques

-

Se requiere un control estricto del proceso de soldar

-

Objetivo: la soldadura debe tener propiedades al menos similares al metal base unido por ella

-

ASME Sección IX “Welding and Brazing Qualifications” - Similar al API 1104 - Inicialmente contenida en la Sección VIII - Se publicó separada por primera vez en 1941

-

El código exige que las soldaduras sean ejecutadas por soldadores calificados siguiendo procedimientos calificados

13.2. Procedimientos de Soldadura -

Toda soldadura debe ser ejecutada por un soldador calificado, usando un procedimiento aprobado

-

Dos documentos básicos: “Welding Procedure Specification” (WPS) y “Procedure Qualification Record” (PQR)

-

WPS: - Instrucciones de ejecución de soldadura para el soldador y para el inspector - Definición

de

Variables;

Esenciales,

No

Esenciales

y

Esenciales

Suplementarias - Refiere a uno o varios PQR -

PQR: - Registro de datos históricos: resultados de procedimientos - Demuestra que un WPS ha generado soldaduras con propiedades requeridas

13.3. Variables de un WPS 13.3.1.Esenciales: -

Espesor del material

-

Número P: categoría del material base - Nº 1: Acero al carbono - Nº 3: Aceros de baja aleación: hasta .75% de Mn, Ni, Mo. - Nº 8: Aceros inoxidables austeníticos 81 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

-

Número F: metal de aporte: electrodo, “bare wire”, “cored wire”

-

Uso de “backing strip”

-

Precalentamiento

-

Tratamiento térmico post - soldadura

13.3.2.No Esenciales: -

Diseño de garganta

-

Espaciamiento de extremos

-

Método de limpieza de unión

-

Cambios en tamaño de electrodos

-

Posición de soldadura

-

Número A: Clasificación del metal a ser soldado de acuerdo a su composición química

13.3.3.Esenciales Complementarias: -

Depende de cada código

-

Requerimientos adicioneales para la soldadura, tales como pruebas de impacto

13.4. Soldabilidad Se dice que los materiales tienen una buena soldabilidad cuando: -

Pueden ser unidos

-

Si no se produce “cracking” en la soldadura

-

Si las soldaduras tienen propiedades mecánicas similares al material base

Contenido de carbono máximo: 0.35%: -

Pueden generarse zonas de alta dureza que generarían alta susceptibilidad al “cracking”

Carbono Equivalente (CE): Expresión empírica que se utiliza como:

CE = %C + %

Mn Ni Cr Cu Mo V +% +% +% −% −% 4 20 10 40 50 10

-

Indicador de la soldabilidad del acero

-

Tendencia al “cracking”

-

Precalentamiento

-

Tratamiento térmico post soldadura

Categorías de Juntas Soldadas -

Define la localización de la junta en un equipo

-

Categoría A: 82 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

- Juntas longitudinales en cuerpos cilíndricos, cambios de diámetro o en boquillas - Juntas en cuerpos esféricos o en cabezales - Juntas circunferenciales que unan cabezales esféricos al cuerpo -

Categoría B: - Juntas circunferenciales en cuerpos cilíndricos, cambios de diámetro o en boquillas - Unión de cabezales con cuerpo, excepto esféricos

-

Categoría C: - Juntas de bridas, placas tubulares o cabezales planos a cuerpo principal, cambios de diámetro o boquillas

-

Categoría D: - Juntas de boquillas a cuerpo o cabezales

Tipos de Juntas Soldadas -

Define la configuración de una junta soldada

-

Tipo 1: Doble a tope para Juntas A, B, C y D

-

Tipo 2: Sencilla a tope con “backing strip” para Juntas A, B, C y D

-

Tipo 3: Sencilla sin “backing strip” para Juntas A, B y C

-

Tipo 4: Doble de filete para Juntas: A, B, C y D

-

Tipo 5: Sencilla de filete con solape de planchas con soldadura para Juntas: B y C

-

Tipo 6: Sencilla de filete con solape de planchas sin soldadura para Juntas: A y B

13.5. Restricciones de Servicio Sustancias Letales: -

Juntas a Tope: 100% radiografiadas

-

Para aceros al carbono, se requiere PWHT

-

Tipos: - Cat A: 1 - Cat B y C: 1 o 2 - Cat D: Penetración completa

Temperatura de Operación Baja -

Tipos: - Cat A: 1 - Cat B : 1 o 2 - Cat C: Penetración completa 83 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

- Cat D: Penetración completa 13.6. Inspección Radiográfica Clasificación: -

100% RT

-

Spot RT

-

No RT

El código exige en algunos casos especiales el grado radiografiado del equipo Si no existen requerimientos del código, el diseñador decide a conveniencia el grado de inspección radiográfica del equipo No se requiere inspección radiográficas para recipientes diseñados para presión externa En conjunto con el tipo de junta, define el valor de la eficiencia o calidad de junta soldada 13.7. Eficiencia de Junta Tipo 1 2 3 4 5 6

100 %RT 1.00 0.90 -

Spot RT 0.85 0.80 -

No RT 0.70 0.65 0.60 0.55 0.50 0.45

13.7.1.Factores de Eficiencia de Junta Caso 1A (RT-1): -

Cat A: Tipo 1 + Full RT

-

Cat B: Tipo 1 + Full RT

-

Cabezales Elípticos o Toriesféricos: Sin costura

-

⇓

-

Cálculos Cuerpo: E=1.00 (Eficiencia de Junta)

-

Cálculos Cabezal: E=1.00 (Factor de Calidad)

-

Cálculos longitudinales: E=1.00

Caso 1B (RT-2): -

Cat A: Tipo 1 + Full RT 84 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

-

Cat B: Tipo 1 + Spot RT

-

Cabezales Elípticos o Toriesféricos: Sin costura

-

⇓

-

Cálculos Cuerpo: E=1.00 (Eficiencia de Junta)

-

Cálculos Cabezal: E=1.00 (Factor de Calidad)

-

Cálculos longitudinales: E=0.85

Caso 3A: -

Cat A: Tipo 1 + Spot RT

-

Cat B: Tipo 1 + Spot RT

-

Cabezales Elípticos o Toriesféricos: Sin costura

-

⇓

-

Cálculos Cuerpo: E=0.85 (Eficiencia de Junta)

-

Cálculos Cabezal: E=1.00 (Factor de Calidad)

-

Cálculos longitudinales: E=0.85

Caso 3B: -

Cat A: Tipo 1 + Spot RT

-

Cat B: Tipo 1 + No RT

-

Cabezales Elípticos o Toriesféricos: Sin costura

-

⇓

-

Cálculos Cuerpo: E=0.85 (Eficiencia de Junta)

-

Cálculos Cabezal: E=0.85 (Factor de Calidad)

-

Cálculos longitudinales: E=0.70

Caso 5A: -

Cat A: Tipo 2 + No RT

-

Cat B: Tipo 3 + No RT

-

Cabezales Elípticos o Toriesféricos: Sin costura

-

⇓

-

Cálculos Cuerpo: E=0.65 (Eficiencia de Junta)

-

Cálculos Cabezal: E=0.85 (Factor de Calidad)

-

Cálculos longitudinales: E=0.60

Caso 5B: -

Cat A: Tipo 2 + Spot RT 85 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

-

Cat B: Tipo 3 + Full o Spot RT

-

Cabezales Elípticos o Toriesféricos: Sin costura

-

⇓

-

Cálculos Cuerpo: E=0.80 (Eficiencia de Junta)

-

Cálculos Cabezal: E=0.85 (Factor de Calidad)

-

Cálculos longitudinales: E=0.60

86 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

87 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

14. CONTROL DE CALIDAD

88 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

14.

CONTROL DE CALIDAD

14.1. Sistema de Control de Calidad Objeto: Controlar el proceso de manufactura del recipiente desde la etapa de diseño hasta las pruebas finales y su certificación Alcance y Contenido: Cada empresa define el formato de su sistema de control de calidad Prácticas permitidas: Cada empresa tiene sus propias prácticas de construcción, y serán aceptables si desarrolla un sistema de documentación que demuestre que todo lo que se ejecuta está de acuerdo al ASME Certificado de Autorización ASME: Junta que incluye al Inspector autorizado ASME revisa el Sistema de Control de Calidad del fabricante Inspector está autorizado para requirir cambios en el sistema Inspector recomienda la emisión del Certificado Aplica para la renovación del certificado cada tres años Aplicación: La empresa debe cumplir con el sistema de calidad que adoptó Debe mantenerlo actualizado: -

Eliminando procedimientos no utilizados

-

Incorporando nuevos procedimientos

Lineamientos Generales: -

Existencia de organización de control de calidad, con sus niveles de autoridad establecidos

-

Líder de CC debe tener autoridad suficiente

-

Debe tener procedimientos para el control de planos, cálculos y especificaciones

-

Sistema de manejo de materiales: correcta identificación y certificados

-

Programa de Pruebas e Inspección, que provea procedimientos para NDE

-

Procedimientos para corregir No Conformidades

-

Procedimientos de soldadura, calificación de soldadores

-

Control de Tratamiento Térmico Post Soldadura

-

Sistema de calibración de equuipos de medición 89 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

-

Un sistema de registro de Radiografías y Reportes de equipos

-

Procedimientos de Prueba Hidrostática

-

Procedimientos para sub-contratos: radiografía, PWHT

14.2. Ensayos No Destructivos (NDE) Son exámenes que se realizan al equipo con el objeto de detectar defectos ocultos en el material o en las soldaduras Sección V – Nondestructive Examination Ensayos: -

Radiografía (RT)

-

Ultrasonido (UT)

-

Partículas Magnéticas (MT)

-

Líquidos Penetrantes (PT)

-

Visual (VT)

Calificación: Personal ejecutante y el personal evaluador deben ser calificados, de acuerdo al Sistema de Control de Calidad 14.3. Prueba Hidrostática Objetivos: Establecer que el equipo ha sido fabricado apropiadamente, y que tiene un significativo margen de diseño o de seguridad, por encima de la MAWP Demostrar la validez del diseño realizado Detectar fugas Presión Mínima de Prueba: 1.3 MAWP o PD Presión Máxima de Prueba: Aquel valor que permita que el Esfuerzo Principal Máximo no alcance un 90 % del valor de Resistencia a la Fluencia del Material Este límite es un criterio que debe ser confirmado por el cliente Prevención de Fractura Frágil -

Debe usarse agua a una temperatura por encima de la temperatura ambiente, con Tmínima = 70 ºF

-

Se minimiza la posibilidad de una fractura frágil catastrófica de partes presurizadas de gran espesor de pared 90 de 93

DISEÑO MECÁNICO DE RECIPIENTES A PRESIÓN

-

Presencia de defectos, muescas o discontinuidades potencian los esfuerzos presentes

-

Fractura frágil puede ocurrir cuando un metal está sometido a esfuerzos de tensión a una temperatura menor o igual al valor del “nil ductility transition temperature (NDTT)” del metal

-

Se prefiere usar SA-516 que SA-515, debido a que tiene una mayor resistencia a la fractura

-

Por seguridad laboral, Tmáxima = 120 ºF

Soldadura después de PH Hasta 1980, la prueba era la última actividad de fabricación del equipo Se generaban demoras en la entrega del equipo, si algunas partes no presurizadas no estaban fabricadas a tiempo (p.e., internos) Ahora se permite soldar partes no presurizadas a partes presurizadas, siempre y cuando se cumplan ciertos requisitos impuestos por el código 14.4. Ensayos Destructivos Definición: Ensayos realizados con el objetivo de determinar las características de resistencia a los esfuerzos de un recipiente o partes del mismo hasta su falla, sea por deformación permanente o por falla catastrófica Ejemplos: -

Prueba Hidrostática de un equipo modelo

-

Ensayos a tensión de una probeta

91 de 93