Análisis de Flexibilidad

CURSO BÁSICO

ANÁLISIS DE FLEXIBILIDAD EN SISTEMAS DE TUBERÍAS

Instructor: Ing. Deyanira Consuegra

Maracaibo, 20/08/2014

TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................................... 5 1.

CRITERIOS DE DISEÑOS DE SISTEMAS DE TUBERÍAS ............................................................ 7

1.1

LINEAMIENTOS Y CONSIDERACIONES DE DISEÑOS DE UN SISTEMA DE TUBERÍAS. ....... 7

1.1.1

PROCEDIMIENTOS IMPORTANTES PARA LOS DISEÑOS DE TUBERÍAS .............................. 8

1.2

NORMAS APLICABLES PARA DISEÑOS DE TUBERIAS .......................................................... 10

1.2.1

CODIGO ANSI/ASME B31 ............................................................................................................. 10

1.3

PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS DE LAS TUBERÍAS.............................. 14

1.3.1

TAMAÑOS Y LONGITUDES COMÚNMENTE USADOS EN TUBERÍAS DE ACERO AL CARBONO ...................................................................................................................................... 16

1.3.2

COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES (MODULO DE ELASTICIDAD -LEY DE HOOKE)........................................................................................................................................... 19

2.

ANÁLISIS DE ESFUERZOS EN TUBERÍAS. ................................................................................ 22

2.1

TIPOS DE ESFUERZOS EN LA TUBERIA ................................................................................... 23

2.1.1

ESFUERZOS CIRCUNFERENCIAL............................................................................................... 25

2.1.2

ESFUERZOS LONGITUDINAL POR PRESION INTERNA. ......................................................... 26

2.1.3

INTENSIFICACIÓN DE ESFUERZO POR DEFLEXION ............................................................... 26

2.1.4

ESFUERZO LONGITUDINAL TOTAL ........................................................................................... 27

2.1.5

ESFUERZO EQUIVALENTE .......................................................................................................... 27

2.1.6

ESFUERZOS PERMISIBLE ........................................................................................................... 29

2.2

ESFUERZOS DEBIDOS A CONDICIONES DE CARGAS: SOSTENIDAS Y OCASIONALES. . 30

2.2.1

CARGAS SOSTENIDAS ................................................................................................................ 30

2.2.2

CARGAS SOSTENIDAS MAS CARGAS OCASIONALES: ......................................................... 31

2.3

ESFUERZO ADITIVOS ................................................................................................................... 32

2.4

RESUMIENDO LA APLICACIÓN DE LAS ECUACIONES PARA ESFUERZOS SE TIENE: ..... 33

3.

CÁLCULO DE ESPESOR DE PARED DE TUBERÍAS PARA PRESIÓN INTERNA Y EXTERNA........................................................................................................................................ 40

3.1

CÁLCULO DEL ESPESOR DE PARED DE TUBERÍAS BAJO PRESION INTERNA ................ 40

3.2

CÁLCULO DE ESPESOR DE TUBERÍAS PARA PRESIÓN EXTERNA ..................................... 42

3.2.1

MÉTODO DE DISEÑO PARA CÁLCULO DE ESPESOR DE PARED A PRESIÓN EXTERNA. 43

3.3

SOBRE-ESPESOR DEL TUBO POR CORROSIÓN ..................................................................... 45

3.4

MÍNIMO ESPESOR DEL TUBO ..................................................................................................... 45

4.

LOCALIZACIÓN INICIAL DE SOPORTES .................................................................................... 49

4.1

SEPARACIÓN DE SOPORTES ..................................................................................................... 50

4.1.1

DIAGRAMAS TÍPICOS DE TUBERÍAS ......................................................................................... 57

4.1.2

SEPARACIÓN DE SOPORTES EN TUBERÍAS SOMETIDAS A CARGAS CONCENTRADAS 67

4.1.3

SEPARACIÓN DE SOPORTES EN TUBERÍAS HORIZONTALES EN FORMA DE "L". ........... 68

4.1.4

SEPARACIÓN DE SOPORTES EN TUBERÍAS HORIZONTALES EN FORMA DE "U"............ 69

4.1.5

SEPARACIÓN

DE

SOPORTES

EN

TUBERÍAS

HORIZONTALES

EN

PLANOS

DIFERENTES. ................................................................................................................................. 70 4.1.6

MÁXIMO ESPACIAMIENTO PARA GUÍAS EN TRAMOS VERTICALES ................................... 71

4.1.7

ESPACIAMIENTO

DE

GUÍAS

EN

TUBERÍAS

HORIZONTALES

SOMETIDAS

A

VIBRACIONES POR EL VIENTO. ................................................................................................. 72 4.1.8

REFUERZOS EN EL PUNTO DE SOPORTE PARA LÍNEAS DE GRAN DIÁMETRO. (DENTRO DE LOS LÍMITES DE BATERÍA. HASTA 350 Æ) ....................................................... 73

4.1.9

REFUERZOS EN LOS PUNTOS DE SOPORTE PARA TUBERÍAS DE GRAN DIÁMETRO (PARA TUBERÍAS FUERA DEL LÍMITE DE BATERÍAS, HASTA 400KÆ)................................ 74

4.1.10

ESPACIAMIENTO DE SOPORTES PARA LÍNEAS MAYORES DE 24 PULGADAS. ................ 75

4.1.11

ECUACIÓN PARA EL CHEQUEO DEL APLASTAMIENTO EN TUBERÍAS .............................. 77

5.

CONSIDERACIONES SOBRE ARREGLO (“LAYOUT”) DE TUBERÍAS .................................... 79

5.1

TUBERIAS DE PLANTAS DE PROCESO..................................................................................... 79

5.2

ESPACIOS LIBRES (SEPARACIONES) ....................................................................................... 80

5.3

CONSIDERACIONES PARA FACILITAR EL SOPORTE DE TUBERIAS ................................... 80

5.4

GUIAS SOBRE UBICACIÓN DE SOPORTES .............................................................................. 81

5.5

ESPACIAMIENTO ENTRE SOPORTES ........................................................................................ 81

5.6

ESPACIAMIENTO VS. ESFUERZO .............................................................................................. 82

5.7

ESPACIAMIENTO VS. DEFLEXIÓN .............................................................................................. 82

5.8

SOPORTES DE TUBERIAS DE GRAN DIAMETRO .................................................................... 83

5.9

CARGAS EN COLGADORES Y SOPORTES ............................................................................... 83

5.9.1

TIPOS DE COLGADORES Y SOPORTES .................................................................................... 84

5.10

OLEODUCTOS Y GASODUCTOS................................................................................................. 85

5.10.1

CONSIDERACIONES SOBRE ARREGLO (“LAYOUT”) DE TUBERÍAS OLEODUCTOS Y GASODUCTOS ............................................................................................................................... 85

5.10.2

ESPACIOS LIBRES (SEPARACIONES) ....................................................................................... 85

5.10.3

SOPORTES Y ANCLAJES............................................................................................................. 86

5.10.4

RELLENO PARA TUBERIAS ENTERRDAS ................................................................................. 86

5.10.5

REQUERIMIENTO DE “CAMISAS” EN CRUCES DE CARRETERAS Y VIAS FÉRREAS ........ 87

6.

ANÁLISIS DE FLEXIBILIDAD ........................................................................................................ 89

6.1

SOLICITACIONES .......................................................................................................................... 90

6.2

FACTORES A CONSIDERAR EN UN PROBLEMA DE FLEXIBILIDAD ..................................... 91

6.3

TIPOS DE FALLAS COMUNES EN SISTEMAS DE TUBERÍA.................................................... 93

6.4

CRITERIOS DE SELECCIÓN PARA EL GRADO DEL ANÁLISIS DE FLEXIBILIDAD DETUBERÍAS. ................................................................................................................................ 94

6.5

TIPOS DE ANALISIS (CATEGORIAS DE TUBERÍAS) ................................................................ 96

6.5.1

CATEGORIA 1 ................................................................................................................................ 97

6.5.2

CATEGORÍA II ................................................................................................................................ 98

6.5.3

CATEGORÍA III ............................................................................................................................... 98

6.5.4

CATEGORIA IV ............................................................................................................................... 99

7.

INFORMACIÓN REQUERIDA Y GENERADA POR UN ANALISTA DE ESFUERZOS DE TUBERÍAS. ................................................................................................................................... 102

7.1

INFORMACIÒN REQUERIDA PARA DETERMINAR LOS CALCULOS DE FLEXIBILIDAD. .. 102

7.2

INFORMACIÓN GENERADA POR UN ANALISTA DE ESFUERZOS DE TUBERÍAS. ............ 104

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................................................. 105

INTRODUCCIÓN El Análisis de Flexibilidad para tuberías en la Industria Petrolera y/o Química. Permite evaluar el comportamiento de un sistema de tuberías cuando se encuentran sometidos a las condiciones del fluido contenidos en ella; así como también, la incidencia de los factores externos u ambientales que pueden modificar su esfuerzo de fabricación. Este estudio, comprende una serie de normas y códigos que darán a los sistemas de tuberías una implementación y operación segura bajo las condiciones de cargas externas como internas a las que se encuentra solicitada. Cada norma, debe aplicarse acorde a las características de lo que se quiere estudiar porque esta contempla hasta la composición química que debe tener un material para poder lograr un esfuerzo específico en una aplicación específica. Los códigos establecen límites de estudio y chequeos con ensayos de esfuerzos en diversos materiales. Cada material tiene un valor predestinado de aguante según su rango de temperatura y/o presión. En base a estos estudios, existen valores permisibles de carga como su momento o torque acorde a dichas cargas y a los desplazamientos que ocurren en el punto de interés por las condiciones señaladas. También los códigos rigen el desplazamiento que debe tener la tubería como máximo al estar sujeto a viento y/o sismo. Estos códigos aunque no pertenecen al compendio que se indica para las tuberías sino para la disciplina Civil y estructural, establecen características que nos permiten calcular fuerzas distribuidas en base a las aceleraciones que se producen en un movimiento sísmico o al área de incidencia en una ráfaga de viento. Todos estos factores están involucrados con un límite de aguante del material a dicha condición. El análisis de flexibilidad evalúa diversas alternativas que al final se resumirán en una sola para dar el visto bueno de un sistema tubería y/o equipo. El análisis de flexibilidad de tuberías provee las técnicas de ingeniería necesarias para realizar un diseño de tuberías sin sobrecargas ni sobreesfuerzos en los componentes de las tuberías, ni en las conexiones con los equipos. Puede ser estructurado en dos partes fundamentales:a) análisis estático: Incluye el análisis de las conexiones ramales y codos, el análisis de las tuberías y el análisis de los equipos involucrados al sistema. b) El análisis dinámico: incluye los efectos dinámicos producto de un disparo de válvulas de alivios, golpe de arietes, flujos bifásicos, entre otros, que originan resonancias y vibración al sistema de tuberías. Este curso está dirigido a las aplicaciones básicas en un análisis estático.

CAPITULO 1. CRITERIOS DE DISEÑOS DE SISTEMAS DE TUBERÍAS.

1.

CRITERIOS DE DISEÑOS DE SISTEMAS DE TUBERÍAS

1.1

Lineamientos y Consideraciones de Diseños de un Sistema de Tuberías.

El diseño de un sistema de tuberías, sea aéreas, enterradas o sub-lacustre de las instalaciones industriales empieza por la selección del material, continuando con el trazo de su ruta o configuración más adecuada que satisfaga las condiciones del proceso, resistencia, operatividad, seguridad y otras que garanticen su confiabilidad a lo largo de su vida útil.

Además, por si lo anterior no fuera suficiente, el número de tuberías que requieren especial atención en una planta, es cada día mayor, debido a la tendencia de emplear tuberías de mayor diámetro y de estar sujetas a condiciones de operación cada vez más severa de temperatura y presión, que evidentemente requieren mayor confiabilidad, a fin de evitar riesgos mayores durante su operación.

Las técnicas de solución y desarrollos en análisis de flexibilidad de tuberías cuentan ya con programas de análisis que pueden ser utilizados en las computadoras de escritorio las cuales cuentan ya con suficiente capacidad de memoria, además de ser bastante rápidas.

En ingeniería se da por entendido que el objeto del diseño es la optimización del costo-beneficio de la instalación o estructura y que se manejan variables que presentan un comportamiento del tipo aleatorio más que determinístico. Sin embargo, es usual mantener un punto de vista ortodoxo, considerando que el objetivo del diseño es evitar las fallas, y es común, en la mayoría de los casos, idealizar las variables (cargas, operación, fabricación).

Las garantías de seguridad absoluta de una planta, requiere entre otras cosas, de la calidad y perfección en el diseño, de los materiales y de su fabricación, lo anterior resulta prácticamente imposible, desde un punto de vista práctico, sin embargo, es necesario dar niveles adecuados de seguridad a toda la instalación, por lo que se

debe llegar a un grado de confiabilidad bastante aceptable, el cual está íntimamente ligado con el costo y tiempo.

En instalaciones industriales, diversas organizaciones como: API, ASME, ANSI, NEMA,

etc.,

han

contribuido

grandemente,

condensado

experiencias

y

conocimientos en normas, códigos y reglamentos, el objetivo de estos documentos, es la de establecer los valores numéricos de ciertos parámetros que constituyen los requerimientos mínimos para proporcionar seguridad a las instalaciones o construcciones,

es

decir,

proporcionar

protección

al

usuario,

al

definir

requerimientos mínimos sobre materiales, diseño, fabricación, inspección, pruebas, procedimientos,

etc.,

cuya

omisión

o

incumplimiento

pueden

incrementar

radicalmente los riesgos de falla durante la operación y uso de las instalaciones a lo largo de su vida útil.

1.1.1

PROCEDIMIENTOS IMPORTANTES PARA LOS DISEÑOS DE TUBERÍAS

En el proceso de diseño y construcción de una planta industrial, el diseño del sistema de tuberías representa una de las actividades de mayor importancia.

Para llevar a cabo este procedimiento de forma exitosa, se toman en consideración numerosas variables que afectan directamente la eficiencia del proceso productivo de la planta. Estas variables dependen, en gran medida, del diseño adecuado del sistema de transporte de la materia prima y sus productos: las tuberías y sus conexiones.

Atendiendo a lo anterior, se mencionan algunas de las consideraciones de importancia en el proceso de diseño del sistema de tuberías: • Establecimiento de las condiciones de diseño de presión, temperatura y otras

ocasionales como: carga del viento, movimientos sísmicos, ondas de presión del fluido, gradientes térmicos y número de ciclos de las diferentes cargas.

• Determinación del diámetro de la tubería, el cual dependerá fundamentalmente

de las condiciones del proceso: el caudal, la velocidad y la presión del fluido. • Selección de los materiales de la tubería en base a su tendencia a la corrosión,

propiedades mecánicas, economía y disponibilidad. • Selección de los tipos y clases de bridas, válvulas y accesorios.

• Cálculo del espesor mínimo de la tubería, para las temperaturas y presiones de

diseño • Establecimiento de un arreglo adecuado entre los puntos terminales de las

tuberías. • Establecimiento de una configuración aceptable de soportes para el sistema de

tuberías. • Análisis de esfuerzos (bajo condiciones normales y anormales), para verificar que

los producidos en la tubería por los distintos tipos de cargas, componentes locales y puntos terminales, estén dentro de los valores admisibles. • Verificación

de:

posibilidades

y

limitaciones

de

construcción,

costos,

requerimientos de seguridad, requerimientos de espacios para operación, mantenimiento y emergencias, entre otros. • Dentro del proceso de diseño de tuberías, la selección de materiales para las

mismas y sus accesorios, se expresa en las denominadas especificaciones de materiales. A través de ellas, se pueden conocer las características de cada uno de los elementos que componen el sistema de tuberías, cuya selección ha sido determinada en base a la presión, temperatura y naturaleza corrosiva del fluido que transportarán. También describe el espesor de las tuberías, el tipo de conexión entre los distintos ramales y los códigos empleados para la adquisición o clasificación de los materiales. Esto permite que la seguridad de la planta no se vea comprometida, ya que los elementos que la conforman quedarán

adecuadamente relacionados desde el punto de vista metalúrgico. Con esto se logra que los procesos que se lleven a cabo bajo las condiciones de operación señaladas en las especificaciones se desarrollen satisfactoriamente. • Es fundamental que el ingeniero de flexibilidad tenga los conocimientos sobre el

comportamiento de los tipos de materiales empleados en un sistema de tuberías y para tal fin los sistemas de fabricación y normas que lo certifican.

1.2

NORMAS APLICABLES PARA DISEÑOS DE TUBERIAS

1.2.1

CODIGO ANSI/ASME B31

El código empleado para el diseño de tuberías a presión es el ANSI/ASME B31, el cual, es reconocido y adoptado nacional e internacionalmente. El significado de las siglas es el siguiente:

ANSI ASME B31

American National Standards Instituto American Society for Mechanical Engineers Número asignado a los estándares del ASME

El código ANSI/ASME B31 cubre todo lo relativo a materiales, diseño, manufactura, fabricación, examen, inspección, prueba, instalación, operación y mantenimiento de sistemas de tuberías sujetas a diferentes condiciones de presión y temperatura.

Como todo código o reglamento el ANSI B31 es un documento que establece los requerimientos mínimos que deben seguirse en el diseño, para logar una serenidad adecuada. En él, se documentan las buenas prácticas corrientes y actuales y aun cuando no incluyan los conceptos y desarrollos más recientes, hace provisiones para inclusiones posteriores. Diferentes secciones que han sido elaboradas de código ANSI/ASME B31

Secciones Del Código ANSI/ASME B31: B31.1

Power Piping

B31.2

Fuel Gas Piping

B31.3

Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping

B31.4

Liquid Petroleum Transportation Piping y System

B31.5

Refrigeration Piping

B31.6

Chemical Plant (fusionando con B31.3 antes de publicarse

B31.7

Nuclear Piping (eliminado y ahora cubierto por ASME Boler and Presure

B31.8

Gas Transmision and Distribution Piping Systems

B31.9

Building Service Piping

B31.10

Cryogenic Piping Systems

B31.11

Slurry Transportation Piping Systems

Del

ASME/ANSI (Pressure-Integrity Standards / ANSI = American National

Standards Institute): Las normas listadas a continuación proveen los criterios de Diseño y fabricación de muchos de los componentes de tubería comúnmente usados:

B16.1

Cast Iron Pipe Flanges and Flanged Fittings (Class 25, 125, 250,and 800).

B16.3

Malleable Iron Threaded Fittings (Class 150 and 300).

B16.4

Cast Iron Threaded Fittings Classes 125 and 250.

B16.5

Pipe Flanges and Flanged Fittings (Classes 150 through 2500).

B16.9

Factory Made Wrought Steel Buttwelding Fittings.

B16.11

Forged Steel Fittings, Socket-Welding and Threaded (Class 2000 through 9000).

B16.15

Cast Bronze Threaded Fittings (Class 150 and 300).

B16.18

Cast Copper Solder Joint Pressure Fittings.

B16.22

Wrought Copper and Copper Alloy Solder Joint Pressure Fittings.

B16.24

Bronze Pipe Flanges and Flanged Fittings (Class 150 and 300).

B16.28

Wrougtn Steel Buttwelding Short Radius Elbows and Returns.

B16.33

Manually Operated Metallic Gas Valves for Use in Gas Piping Systems Up to 125 psig.

B16.34

Valves-Flanged, Threaded and Welding End (Classes 150 through 4500)

B16.36

Orifice Flanges (Class 300, 600, 900, 1500 and 2500).

B16.38

Large Metallic Valves for Gas Distribution (Manually Operated, NPS 21/2 to 12, 125 psig Maximun).

B16.39

Malleable Iron Threaded Pipe Unions (Classes 150,250 and 300)

B16.42

Ductile Iron Pipe Flanges and Flanged Fittings (Classes 150 and 300).

B16.47

Large Diameter Steel Flanges

Del ASME/ANSI Dimensional Standards: A continuación se listan las normas donde se muestran las dimensiones de los componentes de Tuberías más usados:

B1.20.1

Pipe Threads, General Purpose.

B16.10

Face-to-Face and End-to-End Dimensions of Valves.

B16.201

Ring-Joint Gasket and Pipe Flanges.

B16.211

Non-metalic Flat Gaskets for Pipe Flanges.

B16.25

Buttwelding Ends

B36.10

Welded and Seamles Wrought Steel Pipe.

B36.19

Stainless Steel Pipe

Normas de Materiales de Fabricación de Tuberías. Los materiales de Tuberías no son seleccionados por la Sección de Flexibilidad. Sin embargo, los estándares utilizados pueden servir como consulta para la solución de problemas. Los materiales para las Tuberías deben cumplir con las especificaciones de Tuberías del proyecto. En su ausencia, la selección, datos y uso del material debe basarse en alguna asociación o instituto de normas reconocido, como lo son la ASME, ASTM o API (ASTM = American Society for Testing and Materials; API = American Petroleum Institute).

Ejemplos de especificaciones de materiales para Tuberías son:

ASTM A53

Welded And Seamless Steel Pipe.

ASTM A106 Seamless Carbon Steel Pipe for High Temperature. API 5L

Steel Pipe

The Manufacturers Standardization Society (MSS): Publica The Standard Practices (SP), que proveen las prácticas recomendadas en el Diseño de sistemas Tuberías y de soportes. Los siguientes MSS estándares son aplicables a las restricciones en Tuberías: SP-58

Pipe Hangers and Supports: Materials, Design and Manufacturers.

SP-69

Pipe Hangers and Supports: Selection and Applications.

SP-89

Pipe Hanger and Supports: Fabrication and Installation Practices.

SP-90

Guidelines on Terminology of Pipe Hangers and Supports.

Expansion Joint Manufacturers Association, INC. (EJMA). El estándar de ésta asociación rige la fabricación, instalación y uso de las juntas de expansión.

Welding Research Council (WRC). Los documentos técnicos preparados por este grupo son útiles para el Diseño que tenga relación con uniones por medio de soldaduras entre líneas, equipos o soportes. Bulletin 107

Local Stresses in Spherical and Cylindrical Shells due to External Loading.

Bulletin 198.

Secundary Stress Indices for Integral Attachments to Straight Pipe.

Bulletin 297.

Supplement to WRC Bulletin 107

Cargas en boquillas de recipientes y equipos. Los estándares listados a continuación (junto con los boletines de la WRC) contienen la información recomendada para la evaluación de las cargas en las boquillas de recipientes y equipos:

API 650

Para tanques de almacenamiento atmosférico.

API 610

Bombas centrífugas

API 617

Compresores centrífugos

NEMA SM 23

Turbinas de Vapor; NEMA (National Electrical Manufacturers Association)

API 661

Enfriadores de Aire

API 560

Para calentadores utilizando fuego directo)

ANSI B73.1

Bombas centrífugas

API 674/675

Bombas Reciprocantes

API 618

Compresores Reciprocantes.

Normas Europeas, los estándares más probables para su uso o consultas son: Deutsches Institute Fhr Normung (DIN) y el British Standards Institute (BSI) Lectura de Libros Recomendados: Paul R. Smith, Thomas J. Van Laan. Piping and Pipe Support Systems (Design and Engineering). McGraw-Hill Book Company. ITT Grinnell. Piping Design and Engineering. M. W. Kellogg. Design of Piping Systems

1.3

PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS DE LAS TUBERÍAS. Se denominan tuberías, a aquellos tubos fabricados de acuerdo a las dimensiones y estándares establecidos en normas pertenecientes a industrias que empleen el transporte de fluidos como parte del proceso productivo.

Debido a las variaciones en los distintos requerimientos de cada proceso como: sección, presión, corrosión, temperatura y material; es necesario disponer de diferentes espesores de tubería. Por esto, en pro de estandarizar el sistema de identificación de las distintas tuberías, se ha establecido en la industria el denominado Diámetro Nominal (DN); el cual representa, como su nombre lo indica, un sistema para nombrar tuberías mas no para dimensionarlas. Para el dimensionamiento de las tuberías se emplea el diámetro exterior, el cual representa la medida real de la tubería, y permanece constante independientemente de la variación del espesor de la misma.

Para las tuberías de 12” de diámetro nominal y menores, se les denomina con un DN menor al diámetro externo, dado por aproximación. Para las de 14” y mayores el valor del DN coincide con el valor del diámetro exterior. El espesor de pared viene expresado en función de una denominación que lo clasifica, llamado Schedule. Dicho concepto está asociado al espesor mínimo que debe tener la tubería para soportar los esfuerzos tangenciales producidos por la presión del fluido que transporta,

donde

dicho

espesor

se

representa

con

la

denominación

correspondiente o schedule.

Las propiedades y caracterización de las tuberías se fundamentan en los procesos de fabricación de los siguientes estándares: • American Society of Mechanical Engineers ASME B36.10 • American Society of Mechanical Engineers ASME B36.19

Las propiedades y caracterización de las tuberías se fundamentan en los procesos de fabricación de los siguientes estándares: • American Society of Mechanical Engineers ASME B36.10 • American Society of Mechanical Engineers ASME B36.19 • American Petroleum Institute standard API 5L • American Petroleum Institute standard API 5LX • New United States Legal Standard for steel plate Gauges

Para la ASME B36.10 y B36.19 se tiene una tablas, en la cual se representa diámetro externo, espesor, diámetro interno, peso de la tubería en vacío y llena de agua, el módulo de elasticidad, momento de inercia, área transversal del tubo, área del metal, entre otros. Las características de tuberías que se presentan en estas tablas 1 se muestran a continuación (Anexo1):

Tabla N°1. Propiedades de tuberías de acuerdo a sus dimensiones

A

Nominal

n Outside wall t Pipe Diam. Desig thick size D nation ness e

s 1/8

.405

Inside Diam. d

Wt. Of water Weight per Ft. per Of foot Pipe

Sq. Ft. Sq. Ft. Outside Inside Surface Surface per Ft. per Ft.

Trans verse area in2 A

Area of Metal in2 A

Moment of Inertia in4 I

Section Modulus in3 Z

Radius at Gyration in2 R

10S

.049

.307

.186

.0320

.106

.0804

.0740

.0548

.00090

.00440

.1270

Std

.068

.269

.244

.0246

.106

.0705

.0568

.0720

.00106

.00530

.1215

X-Std

.095

.215

.314

.0157

.106

.0563

.0364

.0925

.00122

.00600

.1146

d La introducción de los números de cédula (“schedule”) para designar los espesores de pared de tubería, se empleaban los términos peso estándar (s), extra fuerte (xs) y doble extra fuerte (xxs) para indicar estos mismos espesores. Los tamaños hasta 10” cédula 40 son los mismos pesos estándar, y tamaños hasta 8” en cédula 80 son los mismos que extra fuerte. Doble extra fuerte ha sido dejado de fabricar en varios tamaños empleándose en su lugar cédula 160.

La tolerancia de fabricación admitida para tuberías usualmente es del 12.5 % del Espesor Nominal de Pared (T) 1.3.1

TAMAÑOS Y LONGITUDES COMÚNMENTE USADOS EN TUBERÍAS DE ACERO AL CARBONO Los fabricantes de tuberías ofrecen una gran gama de tamaños de tuberías, desde 1/8” hasta 44” de diámetro nominal. De 1/8” a ½” la tubería es usualmente utilizada para líneas de instrumentos o de servicios (agua, aire y gas). La tubería de ½” es muy usada para trazas de vapor y tuberías auxiliares en bombas. Las tuberías rectas son construidas de varias longitudes, de acuerdo a su diámetro, tuberías de 3 m, 6m, 12m y hasta 15m (inusual) de longitud.

Otro aspecto de importancia en la caracterización de las tuberías (que se presenta en las especificaciones de materiales), es la preparación de los extremos de la misma, los cuales pueden ser: planos (PE), biselados (BE) o roscados (TE)

Éstos, a su vez, son determinantes en el tipo de unión (junta) entre tuberías y sus accesorios.

En cuanto a los procesos de manufactura que generalmente se utilizan para la fabricación de tuberías, se sabe que en la industria existen varios tipos de acabados para los tubos de las instalaciones industriales.

Comúnmente, los tubos de acero son del tipo sin costura (sin soldadura lateral), los cuales se fabrican por medio de perforación y forja, torneado y calibración del hueco.

Los tubos con costura (producidos por soldadura) se fabrican por soldadura por arco sumergido, soldadura por resistencia eléctrica o soldadura eléctrica por fusión. Importancia del área de tuberías (Piping) en proyectos de ingeniería:

Costo del material del proyecto

25 a 30 %

Trabajo de montaje

35 %

Horas Hombre (HH) de ingeniería 45 %

Propiedades Geométricas y características mecánicas de las tuberías:

DE = Diámetro externo DI = Diámetro Interior DN = Diámetro Nominal Donde: DI ≤ DN≤ DE Superficie Externa (pie 2/pie):

Ao= π D 12

Superficie Interna (pie ²/pie):

Ai= π d 12

Área Metálica (in² ):

Am = π (D² - d²) 4

Área de flujo (in²):

Af = π d² 4

Peso de metal por pie de Tubería (lb/pie): W = 3,4 Am (C.S.) = 0,6802t (D - t) Peso de agua por pie de Tubería (lb/pie): Ww = 0.433 Af = 0.3405d² Radio de giro (in):

Rg = 0.25 √D²

+ d²

Momentos de Inercia (in⁴):

I = 0.0491 (D4 – d4) = Am*Rg²

Módulo de Sección (in³)

Z = 2I/D = 0.0982 (D⁴ - d⁴)/ D

Esta expresión nos da la masa para obtener el peso se debe multiplicar por la aceleración de la gravedad del sitio. Número de cédula o Schedule de tubería. Las tuberías en sus varios tamaños son hechas con varios espesores de pared para cada tamaño, los cuales han sido establecidos por 3 diferentes fuentes: •

American National Standards Institute (ANSI); establece Números de cedulas (Schedules: 10 – 160).

•

American Society of Mechanical Engineers (ASME) y American Society for Testing and Materials (ASTM), establecieron las siguientes designaciones: STD (estandard) XS (extrafuerte)

XXS (doble extrafuerte). • American Petroleum Institute (API): estableció las designaciones 5L y 5LX el

número de cedula (Schedule), se obtiene en forma aproximada a partir de la expresión: Número de Cédula = 1000P/ S Donde: S = esfuerzo admisible de trabajo en lbs/pulg2 P = Presión manométrica interna en lbs/pulg2 La expresión anterior se basa en la fórmula para el cálculo del espesor de la tubería:

tm = t + c+ x

(EC- 1.3.1a)

t = PD/2S (EC-1.3.1b)

Donde:

tm = Espesor mínimo requerido, incluyendo tolerancia de mecanizado, corrosión y erosión, en pulg. t = Espesor del tubo debido a presión, en pulg D=Diámetro exterior del tubo, en pulg. c = Tolerancia mecanizado (rosca o acanaladura), corrosión y erosión, en pulg. X=Tolerancia de fabricación = 12,5% tm

En conclusión, el número de cédula es una expresión que viene a ser más o menos proporcional en relación entre la presión de trabajo y el esfuerzo admisible y también a la relación entre el espesor corroído y el diámetro exterior. 1.3.2

COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES (MODULO DE ELASTICIDAD -LEY DE HOOKE) Establece que el alargamiento unitario que experimenta un material elástico es directamente proporcional a la fuerza aplicada F.

El comportamiento de los materiales dúctiles, tales como ASTM A53 Gr. B. se puede observar mediante una curva Esfuerzo Vs. Deformación.

Donde E= Modulo de Elasticidad del Material: se puede leer en la Tabla C-6 del Apéndice C del ANSI B31.3 (Anexo 4). Esta curva nos muestra el límite de fluencia de los materiales, así como la variación de esfuerzos en los materiales con respecto a las deformaciones sufridas en las tuberías. El Esfuerzo de Fluencia (σy) es el punto en el cual cada desplazamiento adicional puede causar una deformación permanente o ruptura de los elementos sometidos a esfuerzos. Al realizar el análisis de flexibilidad, se busca no superar en ningún momento el límite de fluencia para que la de formación del material no sea permanente, o se genere la fractura del material. El Esfuerzo Último o Resistencia a la Tracción (σu): es el punto más alto de la curva y para muchos materiales es el punto donde ocurre la rotura de la probeta. Los valores de los esfuerzos admisibles se obtienen, según la temperatura, en las normas correspondientes a cada sistema de tuberías. Para tuberías metálicas los valores de esfuerzos admisibles se encuentran en la Tabla A-1 del Apéndice A de la norma ANSI B31.3. (Anexo 4). Algunas Propiedades Mecánicas de los Materiales se muestran en el (Anexo 1). A fin de completar sobre el tema se incluye en el anexo 7 mayor información que detalla el comportamiento de los materiales según la LEY DE HOOKE.

CAPITULO 2 ANÁLISIS DE ESFUERZOS EN TUBERIAS

2.

ANÁLISIS DE ESFUERZOS EN TUBERÍAS. El análisis de flexibilidad se debe realizar para asegurar el cumplimiento de los códigos, normas y prácticas de ingeniería. Específicamente esto incluye la verificación de los esfuerzos en las tuberías, las fuerzas y los momentos resultantes en boquillas de equipos, soportes y uniones bridadas. De acuerdo a las normas ANSI existen cuatro tipos de esfuerzos que deben ser verificados para asegurar que no ocurran fallas en las tuberías debido a esfuerzos excesivos. El primero es el esfuerzo circunferencial debido a la presión, la verificación de este esfuerzo debe ser llevada a cabo por el grupo que elabora las especificaciones de tuberías. Esto se debe a que este esfuerzo es el que determina el espesor requerido de tubería. Los primeros a verificar por el grupo de flexibilidad son los esfuerzos sostenidos o esfuerzos primarios, luego son los esfuerzos por expansiones y movimientos térmicos o esfuerzos secundarios y por último los esfuerzos ocasionales. Los esfuerzos primarios corresponden a la suma de los esfuerzos longitudinales producidos por los siguientes factores: • • • • • •

• • •

Peso. Esto incluye el peso de la tubería, peso del fluido y peso del aislamiento de la tubería. Presión. Fuerzas y momentos aplicados sobre la tubería. Las principales características de los esfuerzos primarios son las siguientes: Los esfuerzos primarios excesivamente elevados pueden producir una deformación plástica y la ruptura del material. Los esfuerzos primarios no son auto-limitantes, es decir, una vez que comienza la deformación plástica esta continúa avanzando hasta que se logre un equilibrio de las fuerzas o hasta que ocurra una falla del material. Normalmente no son de naturaleza cíclica. Las cargas más frecuentes para los esfuerzos primarios o sostenidos son la presión y el peso Los límites admisibles para los esfuerzos sostenidos son usualmente referidos al esfuerzo de fluencia (o sea el punto donde comienzan las deformaciones plásticas) o al esfuerzo último del material y dependen de la temperatura de operación.

Los esfuerzos de expansión o secundarios reciben ese nombre debido a que sólo se encuentran presentes durante los arranques y paradas de planta y tienden a disminuir con el tiempo debido a la relajación térmica del material. Las características de los esfuerzos secundarios son las siguientes:

• •

• • • •

•

Los esfuerzos secundarios son cíclicos, ya que son debidos a las expansiones (o contracciones) térmicas. Los esfuerzos secundarios pueden producir fallas en el material, usualmente después de un número elevado de aplicaciones de la carga (El hecho de que un sistema haya estado funcionando por años no indica que haya sido bien diseñado a fatiga). Casi siempre son auto-limitantes, así que la simple aplicación de la carga no produce fallas. Producen la creación de pequeñas grietas en las superficies interiores o exteriores de las tuberías que presentan imperfecciones o defectos. Los materiales frágiles son mucho más susceptibles. Las superficies corroídas sirven como intensificadores de los esfuerzos y como puntos de iniciación de grietas. La corrosión junto a los ciclos de esfuerzos secundarios producen un deterioro mayor en las tuberías. Las soldaduras irregulares o con porosidades también son puntos de intensificación de los esfuerzos secundarios, con lo que se reducen los ciclos para la fatiga.

Los esfuerzos ocasionales son aquellos producidos por causas excepcionales como son: • • • • • 2.1

Movimientos sísmicos. Golpe de ariete. Viento. Vibraciones. Descarga de válvulas de alivio.

TIPOS DE ESFUERZOS EN LA TUBERIA Después de obtener las Fuerzas y Momentos tanto en la tubería como en las boquillas de los equipos a los que se conecta la tubería es importante evaluar si dichas cargas generadas, pueden ocasionar problema alguno a nuestro arreglo. Primeramente, las fuerzas y momentos obtenidos dentro de la tubería, ocasionan esfuerzos máximos en la misma, dichos esfuerzos serán comparados contra los esfuerzos permitidos por los códigos aplicables, después, tenemos la obligación de evaluar las cargas obtenidas en la boquillas de los equipos a los que se conecta la tubería, lo anterior se lleva a cabo mediante la comparación de dichas cargas, contra las cargas permisibles reportadas por los fabricantes de los equipos en cuestión y por último, evaluar las cargas y diseñar los soportes estructurales requeridos para soportar nuestra tubería.

Existen diferentes teorías, que tratan de establecer las condiciones de falla de los materiales por efecto de combinación de esfuerzos los mismos que son producidos por las fuerzas y momentos que se generan en una estructura, en nuestro caso y particularmente para nuestro propósito, estaremos hablando de una tubería.

El Código para tuberías ANSI/ASME B31.3, favorece el uso de la teoría del Esfuerzo Cortante Máximo para la combinación de esfuerzos, debidos a las fuerzas resultantes obtenidas como resultado del Análisis de Flexibilidad a un arreglo de tuberías, por efecto de temperatura, peso propio, presión y cargas vivas o accidentales. El criterio de TRESCA, es el adoptad por nuestro Código para evaluar los esfuerzos por flexión y torsión obtenidos en nuestros arreglos de tubería.

Tipos de esfuerzos y cargas de acuerdo a los diferentes efectos a los que son sometidos los sistemas de tuberías. Esfuerzos Primarios:

Pueden causar deformaciones o fallas si sobre pasan los límites de fluencia de las tuberías: • Esfuerzos en la sección circunferencial debido a la presión interna • Esfuerzos en la sección longitudinal debido a la presión y el peso muerto • Esfuerzo primario de deflexión debido al peso muerto, carga de viento y sísmica.

Esfuerzo secundarios:

No causan fallas en el material dúctiles cuando las cargas son estáticas, pero pueden causar fallas por fatigas cuando las cargas son cíclicas. Cuando los esfuerzos secundarios exceden el límite de fluencia de la tuberías, pueden producir deformación locales con los cual se distribuyen las cargas y se reducen los esfuerzos. • Esfuerzos secundarios de deflexión y torsión debido a restricciones en la

expansión o contracción térmica.

• Esfuerzos secundarios de circunferencial,

deflexión y torsión debido a la

distribución de la temperatura no uniforme en la tuberías.

Esfuerzos localizados:

Disminuyen rápidamente a corta distancia de su origen. Sus efectos son similares a los esfuerzos secundarios, pero se producen cerca de los codos, juntas en tee y soportes.

2.1.1

ESFUERZOS CIRCUNFERENCIAL. La fuerza tangencial debido a la presión interna actuando en un área de la tubería:

F = P*D. 2

El esfuerzo circunferencial en la pared es: S= F A Donde A = Es el área dada por la superficie de la tubería en función del espesor.

Sustituyendo obtenemos: S = P*D 2t

(EC- 2.1a)

De aquí se obtiene la ecuación del espesor de tuberías:

t = P*D 2t 2.1.2

(EC- 2.1b)

ESFUERZOS LONGITUDINAL POR PRESION INTERNA. Para una tubería de pared delgada la Fuerza longitudinal (F), está en función de la presión interna y el área: F = P*[ p*D] 4 y el esfuerzo longitudinal

SL = F A

Donde A = es la sección transversal de la tubería, dada A = p*D*t Sustituyendo obtenemos: SL = P*D (EC-2.2a) 4t

2.1.3

INTENSIFICACIÓN DE ESFUERZO POR DEFLEXION Cálculo de Intensificación de Esfuerzo Por Presión Deflexión: El esfuerzo por deflexión en la sección transversal de una tubería, provocado por una carga externa es: S = M/Z Donde M = es el momento de flexionante

Z = es la sección transversal.

M Sea Z = p*D2 * t 4 El momento flexionante produce tensión (+) en el lado de la tubería y compresión (-) en el lado opuesto. Si dicho momento ocurre en una discontinuidad geométrica el esfuerzo se intensifica localmente por un factor de intensificación de esfuerzo i

S = i. M Z 2.1.4

(EC-2.3a)

ESFUERZO LONGITUDINAL TOTAL Sumando los distintos esfuerzos longitudinales descritos anteriormente se obtiene:

SL = F/A + P*d / 4t + M /Z (EC-2.4a)

2.1.5

ESFUERZO EQUIVALENTE Esfuerzo generado por la expansión térmica.

SE= √Sb² + 4St²

(EC-3.5a)

Donde SE= Esfuerzo

equivalente que deberá compararse con el rango de esfuerzos

permisibles (SA) (lbs/pulg²). Sb = Esfuerzo de flexión resultante (lbs/pulg²):

Sb = _ i*M b_ (EC-2.5b) Z St = Esfuerzo torsional (lbs/pulg²): St=

_ Mt _ (EC-2.5c) 2*Z

Mb = Momento resultante de flexión (lbs-pulg.) Mt = Momento torsional (lbs-pulg.) Z = Modulo de Sección de la tubería (pulg³) i

= Factor de intensificación de esfuerzos, tabla D-1, Norma ASME B31.3 (Pag

240 a 243), Anexo 4

Mb ² = My ²

+Mz² (EC-2.5d)

Sustituyendo en ecuación (EC-3.5a), se tiene:

SE =

I²*(My² + Mz²) + 4 (Mx² ( Z²)

4Z²

De donde: SE =

i* ( My²+ Mz²) + Mx² Z

(EC-2.5e)

2.1.6

ESFUERZOS PERMISIBLE El efecto en las tuberías, juega un papel muy importante en toda planta industrial, por lo tanto, es lógico pensar que los esfuerzos por expansión térmica, representan el rango que van desde cero (cuando no hay deformaciones por efecto térmico), como son las condiciones en instalación, hasta un valor máximo de temperatura en operación normal. Cuando los esfuerzos son de magnitud

considera, estos

producen una deformación de tipo plástica permanente, como resultado de una cadencia local térmica (CREEP), lo cual produce una reducción de esfuerzos que aparecen en sentido inverso a la condición en frio.

Basándose en lo anterior, el Código ANSI B 31, establece como límite de esfuerzos por expansión térmica el llamado “Rango de Esfuerzos Permisibles SA”, definido por la ecuación:

SA= f (1.25 Sc

+ 0.25 Sh) (EC-2.6a)

De donde: SA = Esfuerzo Permisible (lbs/pulg²). Sc = Esfuerzo básico permisible del material de la tubería a la temperatura ambiente (lbs/ pulg²). Sh = Esfuerzo básico permisible del material de la tubería a la temperatura de operación (lbs/pulg²) o para la máxima temperatura del metal F = Factor de reducción de esfuerzos para condiciones cíclicas Tabla-2.

El factor de reducción cíclica “f”, depende del número total de ciclos (N) a los que el sistema estará sujeto durante su vida útil y puede ser obtenido directamente de tabla, suministrada por el código ANSI B 31.3. El código ANSI/ASME B31 establece que el esfuerzo equivalente (SE)- térmico o secundario- debe ser menor que el esfuerzo admisible (SA):

Tabla del Factor de reducción de esfuerzos por el No. de Ciclos (“f”) Tabla-2

Numero de Ciclos (N)

Factor “f”

7.000 y menos

1.0

7.000 a 14,000

0.9

14,000 a 22,000

0.8

22,000 a 45,000

0.7

45,000 a 100,000

0.6

100,000 a 200,000

0.5

200,000 a 700,000

0.4

700,000 a 2,000,000

0.3

Nota: Si no se conoce el número de ciclos se toma el valor de uno (1) para el factor de corrección Fuente: Tabla 302.3.5. ANSI/ASME B31.3 (1993)

2.2

ESFUERZOS DEBIDOS A CONDICIONES DE CARGAS: SOSTENIDAS Y OCASIONALES. Toda tubería durante su vida útil de operación, está sometida, además del efecto de la temperatura, a condiciones de carga que no varían con el tiempo y que son denominados como cargas sostenidas, como es el caso de su propio peso, la presión, accesorios, etc.., y a condiciones de carga ocasionales, como son : vientos, sismo, acción de válvulas, etc., los cuales producen esfuerzos y que son manejados en forma diferente a los de origen térmico. El Código ANSI B31.3 establece como límite para este tipo de cargas lo siguiente:

2.2.1

CARGAS SOSTENIDAS Para Cargas Sostenidas (peso propio de la tubería, presión, etc.), el código para tuberías establece lo siguiente.

SL = Slp + Sb ≤

1.0 Sh

(EC-2.7.1a)

De donde Sb = Mb Z

(EC-3.7.1b)

;

Slp = PD (EC-2.7.1c) 4t

SL = Esfuerzo Longitudinal debido al peso y presión (lbs/pulg²) Slp= Esfuerzo longitudinal por presión (lbs/ pulg²) Sb = Esfuerzo flexionante por cargas sostenidas (lbs/ pulg²) Sh= Esfuerzo permisible a la temperatura de operación (lbs/ pulg²) Mb= Momento flexionante resultante producido por cargas sostenidas (lbs/ pulg²) Z = Modulo de sección (pulg³) P= Presión de diseño (lbs/ pulg²) D= Diámetro exterior de la tubería (pulg²) t = Espesor de pared de la tubería (pulg.) 2.2.2

CARGAS SOSTENIDAS MAS CARGAS OCASIONALES: Para el caso de Cargas Sostenidas más Cargas Ocasionales (peso propio de la tubería, presión, más viento, sismo, etc), el código para tuberías estable lo siguiente:

Slp + Sb + Se ≤ 1.33 Sh

(EC-2.7.2.a)

De donde: Se = Me Z

(EC-2.7.2.b)

Slp = Esfuerzo longitudinal por presión (lbs/ pulg²) Sb = Esfuerzo flexionante por cargas sostenidas (lbs/ pulg²). Se= Esfuerzo flexionante por cargas ocasionales (lbs/pulg²).

Me= Momento flexionante resultante debido a las cargas ocasionales (lbs/pulg²). Z = Modulo de sección (pulg³) 1.33 = Factor de incremento de esfuerzo permisible. Sy = Esfuerzo de fluencia Cuando el esfuerzo permisible 1.33 Sh es mayor a 2/3 del esfuerzo de fluencia (Sy) del material a la temperatura de operación, la ecuación “B” toma la forma.

Slp + Sb + Se ≤ 2/3 Sy (EC-2.7.2.c)

2.3

ESFUERZO ADITIVOS

El Código ANSI B31 para tuberías sujetas a presión estable que cuando los esfuerzos por presión, peso y cargas sostenidas (SL), son menores al esfuerzo básico permisible del material Sh

el rango de esfuerzos permisibles (SA) del

material, se ve incrementado por la diferencia f(Sh-SL) llamado “Esfuerzo Aditivo”, por lo cual la ecuación de esfuerzos permisibles se transformen en :

SA = f(1.25 (Sc + Sh) - SL) (EC-2.8.a)

De donde: SA = Esfuerzo Permisible (lbs/pulg²). Sc = Esfuerzo permisible a temperatura ambiente (lbs/pulg²) Sh= Esfuerzo permisible a la temperatura de operación (lbs/ pulg²) SL = Esfuerzo permisible longitudinal (lbs/pulg²) Esta expresión es de gran importancia en el análisis de esfuerzos de sistema de tuberías. Ejemplo 2: Esfuerzo Admisible de Tuberías, Anexo 10.

2.4

RESUMIENDO LA APLICACIÓN DE LAS ECUACIONES PARA ESFUERZOS SE TIENE: Esfuerzos longitudinales Los esfuerzos sostenidos o esfuerzos primarios de la tubería deben ser comparados con el esfuerzo en caliente Sh, este esfuerzo Sh debe buscarse en el código correspondiente. (Algunos códigos pueden usar el Sy en vez de Sh, Sy = Esfuerzo máximo fluencia). La ecuación que se debe cumplir para los esfuerzos longitudinales tiene la forma siguiente: SL = AAD* (P*D/4* t) + BAD*(i* MA/Z) ≤ CAD Sh

Cargas Ocasionales En general, al momento flexor de las cargas sustentadas se le suma el momento flexor resultante de las cargas ocasionales estudiadas. Los factores que multiplican los componentes de la ecuación dependen del código utilizado. La ecuación para la evaluación de cargas ocasionales es: DAD*(P D /4 t) + EAD* i*( MA + MB)/ Z ≤ KAD*Sh Donde: MA = Momento resultante de las cargas sostenidas, generalmente el que se toma en cuenta es el momento flexor, lb-pulg. MB = Momento resultante de las cargas ocasionales, lb-pulg. SL = Esfuerzo permisible longitudinal (lbs/pulg²) Sh= Esfuerzo permisible a la temperatura de operación o diseño (lbs/ pulg²) P = Presión interna de diseño, psi. D = Diámetro externo de la tubería, pulg. t = Espesor de la tubería, pulg. (Dependiendo del código, se debe usar el espesor nominal o el nominal menos la corrosión, erosión y tolerancia de fabricación). i = Factor de intensificación de esfuerzos en el punto donde se evalúa el momento, adimensional.

Z = Módulo de sección de la tubería, pulg3 AAD, BAD, CAD = Factores numéricos que dependen del código a usar, adimensionales DAD, EAD, KAD = Factores adimensionales que dependen del código utilizado. (En el código B31.3 los valores son 1, 1, 1.33 respectivamente). La mayoría de las normas recomiendan para el valor de MB, usar solamente el momento más desfavorable entre las cargas de vientos y terremotos. Normalmente, para las velocidades del viento en Venezuela, los esfuerzos generados por este fenómeno superan los resultantes por los fenómenos sísmicos, o al menos sus efectos son despreciables, sobre todo si se siguen los distanciamientos recomendados entre guías (Ver Sección 4.1.6). Máximo Espaciamiento Para Guías en Tramos Verticales Factor de Intensificación de Esfuerzos (SIF, Stress Intensification Factor) El factor de intensificación de esfuerzos para un componente de tubería se define como la razón del esfuerzo para producir falla por fatiga en N-número de ciclos para un componente de referencia y el esfuerzo requerido para producir falla por fatiga en el mismo número de ciclos en el componente en estudio. Este es usado como un factor de seguridad aplicado a componentes de tubería donde puedan ocurrir fallas por esfuerzos locales o por fatiga. Este factor es calculado a través de métodos experimentales. El SIF nunca tiene valores menores que 1. El valor del SIF para un mismo componente de tubería puede variar según el código. El código B31.1 y ASME Section III utilizan un mismo valor del SIF para los tres momentos principales (ver Figura 2.3-1), mientras que B31.3, B31.4, B31.5 y B31.8 tienen diferentes valores de SIF para aplicar a los momentos flexores "en el plano" Mi y a los momentos flexores "afuera del plano" MO , mientras que no aplican ningún SIF a el momento torsor. La definición del momento "afuera del plano" MO aplica a aquellos momentos flexores que tienden a girar el componente de tubería a una posición afuera del plano del cual está instalado. A aquellos momentos flexores que pese a su aplicación tienden a mantener la pieza en su plano de instalación se les denomina como momentos "en el plano" Mi. Ver Figura 2.3-1

Para codos y cambios de dirección, la presión afecta el valor del SIF. El efecto puede ser significativo en codos de grandes diámetros y pared delgada. Algunos códigos presentan factores de corrección para este efecto. Para el cálculo de SIF según la norma B31.3, ver el Apéndice D en el anexo 4, (pag 240 a 243). El factor de corrección puede ser utilizado en los cálculos manuales cuando el esfuerzo en el codo (o cambio de dirección) esté superando por poco margen al esfuerzo admisible, con el fin de reducir el esfuerzo aplicado por debajo del valor admisible. Si el codo tuviera uno o los dos extremos bridados los valores del SIF deben ser multiplicados por un factor de corrección C1, ver nota (5) del Apéndice D, pag 243, anexo 4. El método de cálculo de k, factor de flexibilidad, es semejante al cálculo de los SIF.

CAPITULO 3 CÁLCULO DE ESPESOR DE TUBERÍAS PARA PRESIÓN INTERNA Y EXTERNA

3.

CÁLCULO DE ESPESOR DE PARED DE TUBERÍAS PARA PRESIÓN INTERNA Y EXTERNA El mínimo espesor de pared para cualquier tubo sometido a presión interna o externa en una función de:

-

El esfuerzo permisible para el material del tubo

-

Presión de diseño

-

Diámetro de diseño del tubo

-

Intensidad de la corrosión y/o erosión

Además, el espesor mínimo de la pared de un tubo sometido a presión externa, es una función de la longitud del tubo, pues esta influye en la resistencia al colapso del tubo. Finalmente el mínimo espesor de la pared de cualquier tubo debe incluir la tolerancia apropiada de fabricación

3.1

CÁLCULO DEL ESPESOR DE PARED DE TUBERÍAS BAJO PRESION INTERNA

Toda tubería que contenga un fluido a prisión interna, está sometida a fuerzas de tensión, según sus secciones longitudinales y transversales, por tanto las paredes ha de resistir estas fuerzas para evitar que falle por presión. Para determinar el espesor mínimo de pared requerido en tuberías, es necesario considerar la temperatura de diseño, erosión, corrosión y tolerancia de fabricación.

El Código ANSI B31 en su párrafo 304, presenta la forma para evaluar el espesor mínimo de pared que debe tener una tubería sometida a presión interna, este procedimiento solo es aplicable para tuberías que cumplan con las siguientes relaciones.

t > D /6

P /SE < 0.385

A continuación se describen los pasos a seguir para poder determinar este espesor: t=

PD___ 2(SE + PY)

Donde: P = Presión interna de diseño (lbs/ pulg²) D= Diámetro exterior de la tubería (pulg) S= Esfuerzo máximo permisible a la temperatura de diseño (lbs/pulg²), (por Código) E= Factor de calidad dado por la tabla, factor de soldadura longitudinal de la junta según la tabla de la norma ANSI B31.3 TABLA A-1A Y A – 1B (Pag 202 y 203), Anexo 4. Adicionalmente ver Tabla 302.3.4 Factor de calidad de junta longitudinal soldada, Ej (pag18) Y= Es un factor de corrección (TABLA 4.1.1.A) que depende del material, valido para t < D /6, si

t ≥ D /6 usar ;

Y

= ___d___ D + d

De donde: d = Diámetro interior de la tubería (pulg) Se tienen las siguientes ecuaciones Tm = t + C ;

T = Tm + X ;

Tc ≥ Tn

De donde: Tm = Mínimo espesor de pared que satisface los requerimientos de presión, espesor adicional por corrosión mecánica y erosión, (pulg) t = Espesor para presión de diseño interna solamente, pulg C = Suma de las tolerancias por corrosión y erosión (pulg) T = Espesor nominal (pulg)

X = Tolerancia en planta del fabricante, usualmente 12.5% de espesor nominal (T). Ts = Espesor comercial (pulg) FACTOR DE CORRECIÓN (Y) (TABLA 4.1.1.A)

MATERIAL

621ºC

(1150ºF)

0.4

0.5

0.7

0.7

0.7

0.7

0.4

0.4

0.4

0.4

0.5

0.7

Otros Metales

0.4

0.4

0.4

0.4

0.4

0.4

Hierro Fundido

0

-

-

-

-

-

Acero Ferrifico Acero Austenítico

3.2

CÁLCULO DE ESPESOR DE TUBERÍAS PARA PRESIÓN EXTERNA Para determinar el espesor de pared y los requisitos de rigidez para un tubo recto sometido a presión externa, se debe seguir el procedimiento descrito en los párrafos UG-28 a UG-30 del Código de Calderas y Recipientes a Presión, Sección VIII, División 1; en este caso, se debe usar como longitud de diseño L, la longitud, medida en el eje central de la tubería, entre cualquiera de dos secciones rígidas de dicha tubería, de acuerdo con el párrafo UG-29. Ver anexos 6 Como caso excepcional, para determinar Pa2 en tubos con una relación Do/t < 10, se debe usar como valor de S el menor de los siguientes valores para el material del tubo a temperatura de diseño. (a) 1,5 veces el valor de esfuerzo obtenido de la Tabla A-1 de este Código o. (b) 0,9 veces el valor del límite de elasticidad indicado en la Tabla Y-1 de la Parte D, Sección II para los materiales allí enumerados. El símbolo Do indicado en la Sección VIII es equivalente a D, en este Código. Para determinar la condición de Vacío (Presión externa): Se calcula la relación L/Do ; Do/t. Con la relación se va a la graficas 5-UGO-28.

3.2.1

MÉTODO DE DISEÑO PARA CÁLCULO DE ESPESOR DE PARED A PRESIÓN EXTERNA. El espesor “t” de diseño para tubería recta bajo presión exterior, deberá determinarse de acuerdo con el párrafo UG-28, Sección VIII, División I del código de la ASME, para

calderas y recipientes de presión. Por cuanto los esfuerzos de

diseño en el ANSI B31.3 contienen valores de esfuerzos para -20 ºF y hasta + 360 ºF, y la sub-sección C del Código ASME no los contiene, se recomienda que todo los valores de esfuerzos para cálculos de tuberías sean tomados del código ANSI B31.3

Valido para cilindros que tengan valores de D o / t igual o mayor a 10: Paso 1

Suponga un valor para t y determine las relaciones L/D y D/t. El valor de la longitud “L” se toma según se indica en el grafico L/Do º50)

Paso 2

Entre la figura 3.1 con el valor de L/Do obtenido en el paso 1 (Para valores de L/D mayores de 50, utilice en el grafico L/D º50)

Paso 3

Muévase horizontalmente hasta encontrar la línea con el valor de D/t determinado en el paso 1. Puede interpolarse para valores intermedios de D/t. De este punto de intersección muévase verticalmente hacia abajo para determinar el valor del factor A.

Paso 4

Usando el valor A obtenido en el paso 3, vaya a la tabla 4.1.1.A de la correspondiente al material en consideración. Muévase verticalmente a la intersección con la línea de material / temperatura de diseño. Se puede interpolar para temperaturas intermedias. Para los valores de Y para Materiales Ferrosos ver tabla 4.1.1.A En caso de que el valor A caiga a la derecha del final de la

línea

material / temperatura, suponga una intersección con la proyección horizontal del extremo superior de la línea material / temperatura. Para valores de A que caigan a la izquierda de la línea material / temperatura, véase en paso 7.

Paso 5

Desde

la

intersección

determinada

en

el

paso

4,

muévase

horizontalmente a la derecha para leer el valor del factor B.

Paso 6

Usando este valor de B, calcule el valor de la presión externa máxima permisible Pа, usando la siguiente formula:

P a = __4 B__ 3(Do / t)

Paso 7

Para valores de A que caigan a la izquierda de la línea aplicable de material /temperatura, el valor de Pa puede calcularse por la formula siguiente

P a = __ 2A E___ 3 (Do/t)

Paso 8

Compare el valor cálculo de Pa obtenido por los pasos 6 o 7 con P. Si Pa es menor que P, elija un mayor valor para t y repita el procedimiento de diseño hasta obtener un valor Pa que sea igual o mayor que P. Símbolos: t: Espesor para presión de diseño externa solamente, pulg L: Longitud de diseño de la sección de tubería, tomada como la más larga de las siguientes: (1) distancia entre bridas o anillos de rigidez; (2) distancia entre el punto tangencial. Para los dos

factores anteriores, puede usarse el código ASME,

Sección VIII, Div I, Apéndice V. E: Modulo de elasticidad del material a la temperatura de diseño, psi Pa: Presión externa de trabajo permitida, psi

Nota:

Después de calcular “t” se deben considerar los sobre-espesores mecánicos (por profundidad de rosca y hendiduras, etc) los sobre espesores por corrosión y erosión y la tolerancia del fabricante, así se tendrá: T = t + C +X Donde T=

Espesor nominal de pared del tubo

C=

La suma de los sobre-espesores mecánico, corrosión y erosión

X= 3.3

Tolerancia del fabricante, usualmente 12.5% de T.

SOBRE-ESPESOR DEL TUBO POR CORROSIÓN El mínimo sobre-espesor que debe agregarse al espesor de diseño del tubo debe ser tal como se da en la Tabla 4.2.1.a Sobre-espesores por corrosión mayores de estos valores deberán determinarse para cada caso de condiciones de diseño. Para tubería roscada, el sobre-espesor por profundidad de la rosca debe agregarse al sobre- espesor por corrosión.

3.4

MÍNIMO ESPESOR DEL TUBO El espesor mínimo de la pared de una tubería no será menor que cualquiera de los siguientes: • El espesor requerido para la presión (ya sea externa o interna) mas el sobreespesor por corrosión, más el sobre-espesor por profundidad de rosca. • El espesor determinado por la Tabla 4.2.1.b columna A o B, aquel que resultara en mayor espesor. • La relación D/t (diámetro nominal dividido por espesor, para la condición de corrosión completa) no debe exceder 150 para protegerse contra una posible condición de vacío interno.

TABLA 4.2.1.a SOBRE-ESPESOR DEL TUBO POR CORROSION

MATERIAL DEL TUBO DIAM NOMINAL SOBRE-ESPESOR -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------HIERRO Y OTROS FUNDIDOS TODOS 0.050 -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------SOLDADO POR CUALQUIER PROCESO, O TUBOS SIN COSTURA ACERO AL CARBONO BAJA ALEACION (1)

TODOS

0.050(5)

ACERO DE ALEACION INTERMEDIA (2)

TODOS

0.030

ACEROS DE ALTA ALEACION (3)

TODOS

0.010

MONEL, NIQUEL, ALEACION A BASE DE NIQUEL (4)

TODOS

0.010

TODOS LOS OTROS MATERIALES TODOS 0.030 NO FERROSOS -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------TUBERIA DE EXTREMOS ROSCADOS. TODOS LOS MATERIALES ½” Y ¾” 0.062 TUBERIA DE EXTREMOS ROSCADOS. TODOS LOS MATERIALES Notas:

(1)

1” Y 2”

0.075

Incluye todo los aceros con un contenido de aleación no mayor de 2.25 Cr – 1 Mo

(2)

Incluye todo los aceros con un contenido de aleación de 2.25 a 9 Cr - Mo y aceros de 3.5 a 9 Ni

(3)

Incluye todo los aceros con un contenido de aleación de 12 Cr y mayor

(4)

Incluye materiales como Iconel, Incoloy y Hastelloy

(5)

Cuando se especifica un sobre-espesor por corrosión de 1/16 pulg, se puede tomar el valor mínimo de 0.050 pulg

TABLA 4.2.1.b ESPESOR MINIMO DE LA PARED MATERIAL

Acero al carbono

DIAMETRO

COLUMNA A

COLUMNA B

NOMINAL

Espesor más

Schedule meno

Sobre espesor

12.5% del espesor

por corrosión

nominal o espesor

(pulg)

(pulg)

indicado (pulg)

=2 a 4

0.06

Media y Aluminio

Sch Std. Con extremo liso

6

0.09

Sch Std.

8 a 12

0.09

Sch Std. Sch Std 20

Mayor de 14 0.12

Sch Std 10

½ a4

0.06 (1)

0.09 (1,2)

0.09

0.12

Aceros de Altas Aleaciones, Monel Niquel y Aleaciones .en base a Ni. Todo los otros

6

.materiales no fe-

y mayores

.rroso, excepto aluminio Notas:

(1)

Para tubos roscados en tamaños de 2 pulg NPS y menores, sumarle sobre espesor por profundidad de rosca

(2)

Para conexiones de ramales de 2 pulg NPS y menores, el ramal tendrá un espesor nominal de pared igual al de la tubería principal o deberá ser “Standard Schedule” cualesquiera de los dos que dé el menor espesor

Ejemplo 3 y 4: Calculo espesor de pared de tuberías a presión interna y externa (Anexo 10)

CAPITULO 4 LOCALIZACIÓN INICIAL DE SOPORTES

4.

LOCALIZACIÓN INICIAL DE SOPORTES Para la localización inicial de los soportes, en los distintos sistemas de tuberías, se deben tomar en cuenta las siguientes indicaciones: 1 Los soportes de tubería deben ser instalados lo más cercano posible a cargas concentradas como válvulas, bridas, etc. 2 La localización de soportes no debe interferir con los requerimientos de mantenimiento. Desde el punto de vista de esfuerzos en tuberías y por economía, el mejor lugar para colocar un soporte es instalándolo directamente en el equipo; sin embargo esta localización puede ofrecer dificultades, por las restricciones causadas a los componentes del equipo, restricciones en su configuración, los requerimientos del fabricante del equipo o necesidades de espacio para su operación o mantenimiento. 3 Tanto para el ruteo de las tuberías como para la localización de sus soportes, se debe tomar en cuenta o consultar toda la información disponible y planos generados por las demás disciplinas, para evitar interferencias con los requerimientos de espacio de electricidad, instrumentación y control, equipos mecánicos y de estructuras futuras o existentes. 4 Cuando exista un cambio de dirección en el plano horizontal, se puede utilizar ¾ del espaciamiento mostrado en las Tablas 4.1-1/2/3, esto es para promover la estabilidad y reducir las cargas excéntricas. Para más información ver Secciones 4.1.1 a 4.1.5. 5 Los espaciamientos de las Tablas 4.1-1/2/3 no aplican en secciones verticales de tubería porque ningún momento y casi ningún esfuerzo se desarrollará por la gravedad. La Sección 4.1.6 trata los espaciamientos en líneas verticales. La localización de los soportes y su número dependen del largo de la tubería y la distribución del peso de la tubería en las estructuras de soporte en los distintos niveles de altura. Es recomendable que al menos un soporte que sostenga a la tubería sea colocado en la mitad superior de la sección vertical para tuberías largas, esto es para prevenir el pandeo por las fuerzas de compresión y evitar la inestabilidad resultante que pueda provocar el volcamiento de la tubería por su propio peso. Para las líneas horizontales, las guías deben colocarse en

secciones largas de tuberías para evitar grandes deformaciones y los movimientos excesivos de la tubería por efectos como los del viento, ver Sección 4.1.7. 6 Los soportes deben ser localizados cerca de estructuras existentes de acero para maximizar la facilidad de diseño y construcción, y minimizar las cantidades suplementarias de acero, necesario para transmitir las cargas a las estructuras metálicas nuevas y al piso. En el ruteo de la tubería se debe considerar este punto. 7 Sistemas de Tuberías de Vapor que van a ser sometidos a pruebas hidrostáticas deben ser chequeados con el peso del agua para ver si se necesitan más soportes adicionales (temporales o en el peor de los casos, permanentes) de los que se requieren con el peso del vapor. 8 Casi siempre es preferible reducir el espaciamiento entre soportes donde sea necesario simplificar el Diseño y utilizar las estructuras de soporte disponibles (por ejemplo en un pipe-rack), que tomar plena ventaja del espaciamiento máximo permisible y verse forzado a adicionar nuevas estructuras de soporte a las estructuras civiles y de acero, disponibles o existentes. 9 La localización de soportes se debe hacer con cuidado, ya que una vez que el análisis de la tubería haya sido completado, ningún soporte podrá ser relocalizado sin causar cambios significativos en los niveles de esfuerzos en la tubería o cambios en las reacciones sobre los equipos adyacentes al soporte cambiado y muy posiblemente se necesitará de un nuevo análisis. 4.1

SEPARACIÓN DE SOPORTES En las tablas siguientes se presenta la separación máxima entre soportes (span) para los casos más comunes que se encuentra en los proyectos para diferentes temperaturas de operación. Estos casos son los siguientes: - Tubería con vapor aislada. - Tubería con líquido aislada (gravedad especifica = 1). - Tubería vacía.

- Tubería llena de agua. Estos valores están tabulados para: líneas con diámetros menores o iguales a 24", acero al carbono (Tablas 4.1-1, 4.1-2), acero inoxidable (Tabla 4.1-3), distintas temperaturas de operación, distintos espesores de corrosión, tanto para líneas dentro de los límites de batería como fuera de límites de batería. Para líneas de diámetro mayor a 24" ver Sección 4.1.10. A continuación de las tablas, de la Sección 4.1.1 a la Sección 4.1.11, se muestran gráficas y tablas prácticas de soportería en campo

TABLA 4.1-1 Espaciamiento Entre Soportes Dentro de los Límites de Batería. (CS)

Notas de la Tabla 4.1-1: * Espaciamientos limitados por esfuerzo todos los demás por deflexión. + Las paredes de tubería en el soporte requiere de refuerzos. Ver Sección 4.1.8. Utilización General: 1. Los espaciamientos deben ser considerados como básicos y representan el valor "L". Para los "Diagramas Típicos de Tuberías" el espaciamiento real de trabajo está en función del valor "L", ver Sección 4.1-1. Notas Generales: Los Sistemas de Tuberías de Vapor que van a ser sometidos a pruebas hidrostáticas deben ser chequeados llenos de agua para verificar la necesidad de soportes adicionales. Estos espaciamientos no aplican en tuberías pulsantes. (Tuberías con cargas cíclicas) Condiciones Básicas: Material. Los espaciamientos pueden ser usados para todos los materiales de tubería con esfuerzo máximo permisible a tensión igual o mayor que aceros al carbono ASTM A53, ASTM A106, API 5L GR. "A". Temperatura (°F). Como se indica. Corrosión Permisible. Como se indica. Los espaciamientos de las tablas deben ser usados para Líneas con espesores de corrosión iguales o menores que las indicadas en las tablas. Deflexión. Basada en 5/8".

TABLA 4.1-2 Espaciamiento Entre Soportes Fuera de los Límites de Batería. (CS)

Notas de la Tabla 4.1-2: + Las paredes de tubería en el soporte requiere de refuerzos. Ver Sección 4.1.9. Utilización General: 1. Los espaciamientos deben ser considerados como básicos y representan el valor de "L*". Para los "Diagramas Típicos de Tuberías" el espaciamiento real de trabajo está en función del valor "L*", ver Sección 4.1-2. Notas Generales: Los Sistemas de Tuberías de Vapor que van a ser sometidos a pruebas hidrostáticas deben ser chequeados llenos de agua para verificar la necesidad de soportes adicionales. Estos espaciamientos no aplican en tuberías pulsantes. (Tuberías sometidas a carga cíclica) Condiciones Básicas: Material. Los espaciamientos pueden ser usados para todos los materiales de tubería con esfuerzo máximo permisible a tensión igual o mayor que aceros al carbono ASTM A53, ASTM A106, API 5L GR. "A". Temperatura (°F). Hasta 400 °F. Corrosión Permisible. Como se indica. Los espaciamientos de las tablas deben ser usados para Líneas con espesores de corrosión iguales o menores que las indicadas en las tablas. Deflexión. Basada en su mayoría en 1-1/2". Cuando menos deflexión permisible es indicada, es porque el espaciamiento ha sido limitado por el esfuerzo.

TABLA 4.1-3 Espaciamiento Entre Soportes para Tubería de Acero Inoxidable

4.1.1

DIAGRAMAS TÍPICOS DE TUBERÍAS Notas Generales: 1. Un sistema de tuberías puede ser usualmente dividido en los diferentes diagramas como son mostrados en las páginas siguientes. Cuando un diagrama completo no aplica, secciones aplicables de diversos diagramas se pueden usar para resolver dicho sistema. 2. Para la determinación del espaciamiento básico para tuberías dentro del límite de baterías L o afuera del área de baterías L* Ver tabla 4.1-1/2. 3. El espaciamiento mínimo a carga sostenida MIN. Para las figuras mostradas debe ser ajustado según la Tabla 4.1.1-1. 4. Para cargas concentradas ver Sección 4.1.2. 5. Para separación de soportes en tramos de tubería en voladizo ver Sección 4.1.3 a la Sección 4.1.5.

Tabla 4.1.1-1

Espaciamiento “Min”

Para un Espaciamiento Entre Soportes de:

Menor o igual a 0,45L

1,22L o 1,10L*

Menor o igual a 0,22L

L o L*

Menor a 0,22L

0,90L o 0,90L*

Figuras 4.1.1-1 Diagramas Típicos de Tuberías Localización de Soportes

Figuras 4.1.1-1 (Continuación) Diagramas Típicos de Tuberías Localización de Soportes

Figuras 4.1.1-1 (Continuación) Diagramas Típicos de Tuberías Localización de Soportes

Figuras 4.1.1-1 (Continuación) Diagramas Típicos de Tuberías Localización de Soportes

Figuras 4.1.1-1 (Continuación) Diagramas Típicos de Tuberías Localización de Soportes

Figuras 4.1.1-1 (Continuación) Diagramas Típicos de Tuberías Localización de Soportes

Figuras 4.1.1-1 (Continuación) Diagramas Típicos de Tuberías Localización de Soportes

Figuras 4.1.1-1 (Continuación) Diagramas Típicos de Tuberías Localización de Soportes

Figuras 4.1.1-1 (Continuación) Diagramas Típicos de Tuberías Localización de Soportes

4.1.2

SEPARACIÓN

DE

SOPORTES

EN TUBERÍAS

SOMETIDAS

CONCENTRADAS

Ver ejemplo 6 en el anexo 10, Figura 4.1.2-1:

A CARGAS

4.1.3

SEPARACIÓN DE SOPORTES EN TUBERÍAS HORIZONTALES EN FORMA DE "L". Figura 4.1.3-1

Notas de la Figura 4.1.3-1: 1. La suma de C y D de la Figura 4.2.1.3-1 debe ser al menos 0.9 L. 2. Para la determinación del espaciamiento básico ver Sección 4.1. 3. Todas las dimensiones están en pies. Ver ejemplo 7 en el anexo 10, Figura 4.1.3-1

4.1.4

SEPARACIÓN DE SOPORTES EN TUBERÍAS HORIZONTALES EN FORMA DE "U" Figura 4.1.4-1:

Notas de la Figura 4.1.4-1: 1. La suma de C y D de la Figura 4.2.1.4-1 debe ser igual o menor que 0.9 L. 2. Para la determinación de L ver Sección 4.2.1. 3. Todas las dimensiones están en pies. Ver ejemplo 8 en el anexo 10, Figura 4.1.4-1

4.1.5

SEPARACIÓN DE SOPORTES EN TUBERÍAS HORIZONTALES EN PLANOS DIFERENTES. Figura 4.2.1.5-1

Figura 4.1.5-1 Notas de la Figura 4.1.5-1: 1. Todas las dimensiones están en pies. 2. La separación de soportes debe ser usada donde aplique en los "Diagramas Típicos de Tuberías" mostrados en la Sección 4.2.1.1. 3. Para la determinación del espaciamiento básico ver Sección 4.2.1. Ver ejemplo 8 en el anexo 10, Figura 4.1.5-1

4.1.6

MÁXIMO ESPACIAMIENTO PARA GUÍAS EN TRAMOS VERTICALES

TABLA 4.2.1.6-1 (Espaciamientos en pies) TAMAÑO TUBERIA

ESPESOR AISLAMI

1" 1 1/2" 1 1/2" 2" 3" 4" 6" 8" 10" 12" 14" 16" 18" 20" 24"

1" 1" 1" 1" 1" 1" 2" 2" 2" 2" 2" 3" 3" 3" 3"

PRESION VIENTO 30 lb/pie2 22 23 23 24 27 29 33 37 41 45 47 50 53 56 60

PRESION VIENTO 35 lb/pie2 19 20 20 20 23 25 28 32 35 38 40 43 45 48 51

PRESION VIENTO 40 lb/pie2 17 17 17 18 20 22 25 28 31 34 35 38 40 42 45

PRESION VIENTO 45 lb/pie2 15 15 15 16 18 19 22 24 27 30 31 33 35 37 40

PRESION VIENTO 50 lb/pie2 13 14 14 14 16 17 20 22 25 27 28 30 32 34 36

NOTAS GENERALES: 1. Para líneas con espesor de aislamiento mayor que los mostrados, el espaciamiento Reducido h1 puede ser conseguido por la siguiente fórmula: h1 = hx D1 D2 Donde: D1 = Diámetro exterior de la tubería + el doble del espesor del aislamiento de la tabla. D2 = Diámetro exterior de la tubería + el doble del espesor de la tubería real. 2. El espaciamiento indicado contempla solamente tramos verticales de tubería que estén soportados por encima de las guías. Como se muestra en la Figura 4.1.6-1. 3. En el momento de establecer las elevaciones de las guías se deben chequear las interferencias entre los clips o planchas soldadas a los recipientes (pertenecientes a los soportes), y los demás elementos tales como bridas, refuerzo de boquillas, estructura de sujeción de plataformas y cordones de soldadura.

Figura 4.1.6-1

4.1.7

ESPACIAMIENTO DE GUÍAS EN TUBERÍAS HORIZONTALES SOMETIDAS A VIBRACIONES POR EL VIENTO. Las líneas sobre puentes de tuberías deben ser correctamente guiadas, de acuerdo a la siguiente tabla: TABLA 4.1.7-1 0

ESPACIAMIENTO

2” - 6"

12 m

8" - 24"

18 m

26" - 100" 24 m

24 m

4.1.8

REFUERZOS EN EL PUNTO DE SOPORTE PARA LÍNEAS DE GRAN DIÁMETRO. (DENTRO DE LOS LÍMITES DE BATERÍA. HASTA 350 æ) Las tuberías sin aislamiento y vacías, marcadas con (+) en la Tabla 4.1-1 requieren un refuerzo en el punto de soporte, con las dimensiones mostradas en la figura del refuerzo de tubería "RE-04" del "Manual de Soportes Normalizados de Tubería", anexo 3, cuando la carga en el soporte supere el 100% WL. Las tuberías sin aislamiento llenas con agua, cuyos espaciamientos están marcados con (+) requieren refuerzo en concordancia con la Tabla 4.1.8-1 mostrada a continuación, y con las dimensiones mostradas en detalle en la figura del refuerzo de tubería "RE- 04" del "Manual de Soportes Normalizados de Tubería", anexo 3

TABLA 4.1.8-1

TAMAÑO TUBERIA

SCHEDULE

REFUERZO REQUERIDO

CORROSION PERMISIB

NO REFUERZO

1/4"

3/8"

CARGA MAX. EN EL SOPORTE (%WL)

16" 18" 20" 24" 16" 18" 20" 24" 16" 18" 20" 24" Notas:

3/8" WT 3/8" WT 3/8" WT 3/8" WT 1/2" WT 1/2" WT 1/2" WT 1/2" WT 1/2" WT 1/2" WT 1/2" WT 1/2" WT

0.1" 0.1" 0.1" 0.1" 0.1" 0.1" 0.1" 0.1" 0.25" 0.25" 0.25" 0.25"

95 70 55 35 150 110 95 55 95 70 55 35

300 200 140 90 300 200 140 90 300 200 140 90

400 300 200 140 400 300 200 140 400 300 200 140

1). "%WL" significa el porcentaje del peso calculado de multiplicar el peso "W" de la Tabla 4.1-1 (en lb/pie), por el espaciamiento "L" de los soportes (en pies). 2). El espesor del refuerzo debe ser igual al de la tubería, siempre y cuando, sea igual o mayor que los espesores requeridos indicados arriba. 3). Cualquier desviación a lo aquí indicado debe estar avalada por la ecuación para el chequeo de aplastamiento. Ver Sección 4.1.11.

4.1.9

REFUERZOS EN LOS PUNTOS DE SOPORTE PARA TUBERÍAS DE GRAN DIÁMETRO (PARA TUBERÍAS FUERA DEL LÍMITE DE BATERÍAS, HASTA 400Kæ) Las Tuberías sin aislamiento cuyos espaciamientos están marcados con (+) en la Tabla 4.1-2, requieren refuerzos en los puntos de soporte en concordancia con la siguiente tabla y con las dimensiones mostradas en la figura del refuerzo de tubería "RE-04" del "Manual de Soportes Normalizados de Tubería", anexo 3.

TABLA 4.1.9-1

TUBERIA

TUBERIA

SIN ISLAMIENTO

SINAISLAMIENTO

VACIA

LLENA DE AGUA

REFUERZO REQUERIDO TAMAÑO TUBERIA

SCHEDULE

CORROSION

NO

PERMISIB

REFUERZO

TUBERIA

1/4"

NO

1/4"

3/8"

CARGA MAX. EN EL SOPORTE (%WL) 14"

3/8" WT

0.1"

220

400

110

350

400

16"

3/8" WT

0.1"

170

350

80

250

400

18"

3/8" WT

0.1"

130

275

60

200

300

3/8" WT

0.1"

105

200

45

130

200

3/8" WT

0.1"

70

150

30

85

130

14"

1/2" WT

0.1"

225

400

135

350

400

16"

1/2" WT

0.1"

175

350

95

250

400

1/2" WT

0.1"

135

275

70

200

300

1/2" WT

0.1"

110

200

55

130

200

1/2" WT

0.1"

75

150

35

85

130

14"

1/2" WT

0.25"

220

400

110

350

400

16"

1/2" WT

0.25"

170

350

80

250

400

20" 24"

18" 20" 24"

TABLA 4.1.9-1

TUBERIA

TUBERIA

SIN ISLAMIENTO

SINAISLAMIENTO

VACIA

LLENA DE AGUA

REFUERZO REQUERIDO TAMAÑO TUBERIA

SCHEDULE

CORROSION

NO

PERMISIB

REFUERZO

TUBERIA

1/4"

NO

1/4"

3/8"

CARGA MAX. EN EL SOPORTE (%WL) 18" 20"

1/2" WT

0.25"

130

275

60

200

300

1/2" WT

0.25"

105

200

45

130

200

1/2" WT

0.25"

70

150

30

85

130

24"

Notas: 1). "%WL" significa el porcentaje del peso calculado de multiplicar el peso "W" de la Tabla 4.1-2 (en lb/pie), por el espaciamiento "L" de los soportes (en pies). 2). El material y el espesor del refuerzo debe ser igual al de la tubería, siempre y cuando, sea igual o mayor que los espesores requeridos indicados arriba. 3). Cualquier desviación a lo aquí indicado debe estar avalada por la ecuación para el chequeo de aplastamiento. Ver Sección 4.1.11.

4.1.10 ESPACIAMIENTO DE SOPORTES PARA LÍNEAS MAYORES DE 24 PULGADAS. Tanto el espaciamiento como la soportería de las líneas mayores de 24" dependen las especificaciones de cada proyecto. Como una guía se describe a continuación parte de las especificaciones para líneas mayores a 24": TABLA 4.2.1.10-1. Tuberías Soportadas en Concreto o Saddles* De 600mm de largo como mínimo Máximo Espaciamiento

Línea Tamaño

Carga Max. (Kg)

30"

9300

14

36"

18000

18

(m) (Ver Nota 1)

TABLA 4.2.1.10-1. Tuberías Soportadas en Concreto o Saddles* De 600mm de largo como mínimo Máximo Espaciamiento

Línea Tamaño

Carga Max. (Kg)

42"

19700

15

48"

20500

13

54"

20800

10

(m) (Ver Nota 1)

NOTAS: 1

Los valores listados en la tabla están basados para 0.375" de espesor de pared para líneas de 30" y 0.5" para las tuberías mayores de 30". Estos valores sólo deben ser usados como referencia y deberán ser verificados para cada caso en particular. basándose en el libro “Tubular Steel Structures. Theory and Design”, en su Capítulo 9 “Above ground pipelines”,

2

Las tuberías de 30" pueden ser soportadas directamente sin saddles* solamente cuando se presente el siguiente caso: 2.1._ Durmiente o soporte de acero de 200 mm o mayor de ancho. 2.2._ Espaciamiento máximo de 6 metros entre soportes. 2.3._ Líneas de agua de enfriamiento de 0.5" de espesor API Gr. 60X, sin refuerzo. 2.4._ Todas las demás líneas con refuerzo

Ver Figura 4.2.1.10-1, EJEMPLO DE SADDLE

4.1.11 ECUACIÓN PARA EL CHEQUEO DEL APLASTAMIENTO EN TUBERÍAS La máxima carga lineal permisible "F" que puede soportar una tubería sin sufrir aplastamiento, se puede calcular por medio de la siguiente Ecuación:

(4.1.11.A) F = 0.8058x Shxt

t/D

Donde: t = Espesor corroído de la tubería, pulg. D = Diámetro externo de la tubería, pulg. Sh = Esfuerzo máximo admisible a la temp. de flexibilidad o de diseño, psi.

CAPITULO 5 CONSIDERACIONES SOBRE ARREGLO (“LAYOUT”) DE TUBERÍAS - UBICACIÓN DE SOPORTES

5.

CONSIDERACIONES SOBRE ARREGLO (“LAYOUT”) DE TUBERÍAS

5.1

TUBERIAS DE PLANTAS DE PROCESO Facilidad de Operación: Operación con facilidad y seguridad de Válvulas, Bridas, Instrumentos, TomaMuestras, Drenajes y Venteos. Instalar Plata-Formas adicionales en caso de ser necesario. Accesibilidad para Mantenimiento: Reparación y reemplazo de equipos con mínima dificultad (Espacios libres). Economía: Ruta más económica que cumpla con los requerimientos de diseño y seguridad. Requerimientos Especiales de Proceso •

Pendientes en la Tubería

•

Minimizar caídas de presión

•

NPSH para tuberías de succión de bombas

Posibilidad de Ampliaciones Futuras Necesidad de facilidades de conexiones (Bridas, Válvulas, Ramales y Conexiones para Instrumentos) Apariencia del Sistema Debe armonizar con el ambiente (Tuberías Existentes, Equipos, Carreteras, Edificios). Minimizar Extremos “Muertos” En Tuberías Evitar extremos muertos, puntos bajos y puntos altos. Estos requieren conexiones de drenaje y venteo adecuado. Maximizar Uso de Soportes Existentes. Evaluar capacidad de carga Espacios Libres Para Expansión Térmica •

Separación entre tuberías

•

Separación entre tuberías y estructuras

Nota: A las conexiones de drenaje e instrumentación se deben instalar con refuerzos.

5.2

ESPACIOS LIBRES (SEPARACIONES) Separaciones verticales mínimas entre el terreno o placa del piso y la parte inferior de la tubería, aislamiento o viga de apoyo.

UBICACION Sobre vías principales abiertas al tránsito libre, tales como periferias de unidades de proceso Dentro de las tareas de unidades de procesos  Sobre vías internas, para el acceso de equipos de mantenimiento o bomberos  Debajo de vías de tuberías donde el acceso es: 1. Requerido para vehículos 2. Requerido para equipo portátil Sobre pasarelas y plataformas elevadas Debajo de tuberías a poca altura, en áreas pavimentadas o no , medido a la parte inferior del tubo sin considerar Bridas y Aislamiento 5.3

SEPARACION MINIMA PIES (MM) 20 (6100)

16 (4880)

12 (3650) 10 (3050) 6-3/4 (2050) 1 (300)

CONSIDERACIONES PARA FACILITAR EL SOPORTE DE TUBERIAS a. Los sistemas de tuberías deben ser auto-soportantes (En lo posible) y consistente con los requerimientos de flexibilidad. b. El exceso de flexibilidad puede producir movimientos o vibraciones en la tubería. Se deben instalar soportes o restricciones adicionales en caso de ser necesario. c. Tuberías propensas a vibrar se les debe diseñar soportes independientes para prevenir vibraciones de las otras líneas o estructuras (Tuberías de succión y descarga

de bombas o compresores reciprocantes). Los soportes deben

resistir el movimiento y tener amortiguación. No se deben usar soportes colgantes. d. La tubería debe estar lo más cerca posible del soporte o restricción para que la conexión con la estructura sea lo suficientemente rígida, simple y económica.

e. Tuberías conectadas a la parte superior de recipiente verticales deben ser soportadas del recipiente y ubicadas lo más cerca posible del mismo. f.

Las tuberías en estructuras se deben colocar debajo de las plataformas cerca de los miembros estructurales principales los cuales pueden soportar la carga adicional sin incrementar su tamaño

g. Se debe dejar espacio suficiente para la fabricación y mantenimiento de los soportes.

5.4

GUIAS SOBRE UBICACIÓN DE SOPORTES a. Colocar los soportes preferiblemente en la tubería que en las válvulas, accesorios o juntas de expansión, cargas altas localizadas pueden causar fugas en juntas Bridadas o Roscadas, deformaciones de cuerpos de válvulas o fugas de asientos de válvulas. b. Preferiblemente sobre tramos rectos, que en codos de radios agudos, “Miters” o ramales fabricados, los cuales están sujetos a esfuerzos localizados altos. c. Sobre tramos de tuberías que no requieran remoción frecuente para limpieza o mantenimiento. d. Lo más cerca posible de cargas concentradas, tales como tramos verticales, ramales de tuberías, válvulas motorizadas y otras válvulas pesadas, válvulas de control, separadores, coladores, y otros componentes que requieran remoción frecuente para limpieza o reparación.

5.5

ESPACIAMIENTO ENTRE SOPORTES a. Tuberías horizontales en aéreas abiertas, están limitadas por la resistencia de la tubería b. En plantas de procesos está determinado por la distancia entre columnas en el área c. Depende del esfuerzo longitudinal o de la reflexión para evitar comba excesiva d. Se puede seleccionar el espaciamiento entre soporte, para cambiar la frecuencia natural de la tubería y evitar resonancia.

5.6

ESPACIAMIENTO Vs. ESFUERZO En la mayoría de los casos un estimado del esfuerzo se puede obtener de la ecuación para vigas

S = 1, 2WL²/z

(Fig. C-16 y C-18. Anexo 11)

Donde: S = Esfuerzo máximo de flexión, LPPC W= Peso unitario total LB/PIE L= Tramo de la tubería PIE Z= Modulo de la sección PULG³ A las cargas concentradas mayores, tales como las producidas por válvulas, tramos verticales, ramales, etc, se le debe colocar soportes o lo más cerca posible El efecto de cargas concentradas (Válvulas, etc) no ubicadas en los soportes se puede aproximar multiplicando el esfuerzo por 2P/WL, donde P es la carga concentrada en libras.

5.7

ESPACIAMIENTO Vs. DEFLEXIÓN

Para tuberías en área de proceso la Deflexión está limitada (Generalmente) A ½ pulgada La Deflexión de un tramo se puede aproximar por la formula siguiente: ∂ = 17, 1WL⁴/ (EI)

Donde: ∂ = Deflexión Pulgadas W= Peso Unitario Total LB/PIE L= Tramo de la tubería , PIE E= Modulo de Elasticidad, LPPC I= Momento de Inercia, Pulg⁴

(Fig. C-17 Y C- 16, Anexo 11)

La mínima pendiente que se requiere entre los soporte, para evitar “Bolsillo” debido al combado de la tubería, está dada por la ecuación.

n = KWL³/(EI)

Donde: n = Gradiente entre los soportes. En PIE/100 PIES de Longitud K = 116 para extremos fijos o 600 para extremos libres W= Peso unitario de la tubería y aislamiento (sin fluido) LB/PIE

5.8

SOPORTES DE TUBERIAS DE GRAN DIAMETRO

El esfuerzo mínimo requerido es el siguiente: DIAMETRO DE LA TUBERIA D < 20" 20" ≤ D ≤ 40" D > 40"

DIAMETRO ESPESOR TODOS D/T < 95

REFUERZO MINIMO REQUERIDO NINGUNO ZAPATA("PAD") EN TRAMOS≤40´ SILLA ("SADDLE") EN TRAMOS >40´

D/T ≥95

SILLA ("SADDLE")

TODOS

SILLA ("SADDLE")

Donde D=

Diámetro exterior

T=

Espesor de pared mínimo, completamente corroído

El cálculo de las sillas (“SADDLE”) se debe realizar de acuerdo al código ASME, sección VIII, división 1 (Método de Zick´s)

5.9

CARGAS EN COLGADORES Y SOPORTES En el diseño se deben considerar las cargas siguientes: 

Peso de la tubería, accesorios y aislamiento



Peso del fluido o agua en la línea (El mayor)



Cargas laterales debido al viento



Cargas laterales debido al movimiento de líneas y soportes

Las cargas en los soportes se pueden calcular usando:

5.9.1



Mecánica estática



Programa computarizado de flexibilidad de tuberías.

TIPOS DE COLGADORES Y SOPORTES Restricción: Limita el libre movimiento térmico Soporte: Sostiene una porción del peso de la tubería y cargas verticales Abrazadera: Resiste desplazamiento de la tubería debido a fuerzas que no sean debido a una expansión térmica o gravedad. Anclaje: Restricción rígida que provee fijación total Tope Permite rotación pero previene traslación en una o más direcciones a lo largo de cualquiera de sus ejes. El tope de doble acción previene traslaciones en ambas direcciones a lo largo del mismo eje. Tope Sobre Dos Ejes: Previene traslación en una dirección a lo largo de dos ejes. El tope de dos ejes de doble acción previene traslaciones en un plano y las permite en el plano perpendicular a él. Tope Fijo Limite (“Limit Stop”): Restringe la traslación a una cantidad fija, en una dirección a lo largo de cualquier eje. Guías: Impiden rotación alrededor de uno o más ejes debido a momentos de flexión o torsión. Colgador: Soporta tuberías suspendidas de estructuras Soporte Tipo Durmiente O Deslizante: Soporte por debajo de la tubería, ofrece resistencia por fricción al movimiento horizontal Soporte Rígido o Solido: Provee rigidez en al menos una dirección una dirección Soporte Elástico: Permite que la carga varíe con los movimientos de la tubería (Resortes)

Soporte de Reacción Constante: Mantiene la carga relativamente constante para desplazamiento dentro de su rango de operación Dispositivo de Amortiguación: Alta resistencia a desplazamientos súbitos causados por cargas dinámicas. Permite movimiento libre a desplazamiento aplicados gradualmente, tales como movimientos térmicos. 5.10

OLEODUCTOS Y GASODUCTOS

5.10.1

CONSIDERACIONES

SOBRE

ARREGLO

(“LAYOUT”)

DE

TUBERÍAS

OLEODUCTOS Y GASODUCTOS 

Ubicar los extremos (inicial y final) de la tubería



Ubicar estaciones de bombeo y facilidades de almacenamiento



Necesidad y ubicación de lanzadores y receptores de limpia tubos (“Scraper Launchers and Receivers”)



Determinar ruta y perfil de elevación de la tubería



Los soporte típicos para tuberías aéreas son los durmientes, puntales (“STANCHION”) y vigas circulares, las cuales son similares a los soportes para tuberías de proceso



Las tuberías requieren anclajes adecuados para aislar los movimientos de las tuberías de los equipos de las plantas, estaciones de bombeo y facilidades de almacenamiento



El diseño debe considerar los requerimientos de espacio de válvulas del ANSI B 31.4 ( 434.15) y ANSI B31.8 (846.1)



Ubicar válvulas en áreas accesibles para facilidad de operación



El espacio típico para válvulas de bloqueo de la línea principal de crudo es 16 KMS, en áreas industriales, comerciales y residenciales.



El espacio típico para válvulas de bloqueo de la línea principal de gas es 32, 24, 16. y 8 KMS, para ubicaciones en clase 1, 2. 3. y 4 respectivamente



5.10.2

Instalar válvulas en puntos terminales, para aislar la tubería de los equipos.

ESPACIOS LIBRES (SEPARACIONES) 

Separación vertical mínima sobre el terreno para prevenir acumulación de escombros, bloqueo del agua de desagüe y permitir inspección mantenimiento.

y



Se requiere una separación de 12” mínimo entre oleoductos enterrados y cualquier estructura subterránea ( 434.6( c ) )



Se requiere una separación de 6” entre gasoductos enterrados y cualquier estructura subterránea no asociada con la tubería (841.143)

5.10.3

SOPORTES Y ANCLAJES 

ANSI B 31.4, párrafo 421.1, indica guías generales sobre soportes y anclajes se requiere que se suelde “CAMISA” completa para soportes de tuberías que operen a un esfuerzo cercano a su límite de fluencia, información adicional sobre soportes se encuentra en MSS-SP-58 y MSS-SP-69



ANSI B 31.8, párrafos 834 y 835 da guías sobre soportes y anclajes para tuberías aéreas y enterradas, se requiere que se suelde “CAMISA” completa para soportes de tuberías que operen a un esfuerzo circunferencial mayor o igual al 50% del límite de fluencia.

5.10.4

RELLENO PARA TUBERIAS ENTERRDAS Relleno para Oleoductos Enterrados (434.6): Se requiere de 18” a 48” de relleno sobre oleoductos enterrados.

RELLENO UBICACIÓN

EXCAVACION NORMAL

EXCAVACION ROCOSA

AREA INDUSTRIAL, COMERCIAL Y RESIDENCIA

36"

24"

CRUCE DE RIOS Y ARROYOS

48"

18"

ZANJAS DE DRENAJES EN CARRETERAS Y VIAS FERREAS

36"

24"

OTRAS AREAS

30"

18"

Relleno para Gasoductos Enterrados (841.14) Se requiere 24” mínimo de relleno para tuberías de distribución principal (“MAINS”) y 12” a 36” de relleno para gasoductos (“PIPELINES”) enterrados.

RELLENO UBICACIÓN

5.10.5

EXCAVACION

EXCAVACION ROCOSA

NORMAL

TUBERIA ≤ 20"

TUBERIA > 20"

CLASE 1

24"

12"

18"

CLASE 2 CLASE 3 Y 4

30" 30"

18" 24"

18" 24"

ZANJAS DE DRENAJE EN CRUCES CON CARRETERAS Y VIAS FERREAS

36"

24"

24"

REQUERIMIENTO DE “CAMISAS” EN CRUCES DE CARRETERAS Y VIAS FÉRREAS 

ANSI B31.4 Párrafo 434.13 y ANSI B31.8, Párrafo 841.144 discute los requerimientos de “CAMISA” (“CASING”) en cruces de carreteras y vías férreas, se requiere “CAMISA” (“CASING”) cuando las cargas vivas producidas por el trafico puedan dañar la tubería



Cálculos y detalles en API-RP-1102

CAPITULO 6 ANÁLISIS DE FLEXIBILIDAD

6.

ANÁLISIS DE FLEXIBILIDAD Actualmente, los métodos de análisis matricial, se han formulado a través de las técnicas del método del elemento finito y considerando efectos combinados o separados de: Temperatura, Presión, Peso Propio, Vibraciones, Sismo, etc., existiendo programas de cómputo de propósitos Matricial mediante el Método del Elemento Finito, denominad Métodos Exactos.

El análisis estructural de sistemas de tuberías, se ha denominado “Análisis de Flexibilidad de Tuberías”. Este nombre surgió porque el Método de las Fuerzas o Flexibilidades, fue el que primero se aplicó en el análisis del comportamiento estructural de tuberías.

En general, se establece que el análisis estructural de sistemas de tuberías consta de tres etapas que son: Análisis de Flexibilidad.- Cuyo objeto es determinar las reacciones sobre apoyos, boquillas de equipos interconectados, así como las fuerzas internas y los desplazamientos a lo largo del trazo de la tubería.

Análisis de Esfuerzos.- Cuyo objeto es obtener los esfuerzos resultantes a que están sujetos los diversos componentes de la tubería y de los equipos interconectados.

Fuerzas y Esfuerzos Permisibles.- Se comparan las fuerzas y esfuerzos actuantes con los valores permisibles que establecen los códigos o los fabricantes de los diversos equipos.

En caso de no cumplir con alguno de los puntos anteriores, se tendría que repetir el análisis de flexibilidad haciendo las modificaciones requeridas a la configuración en base a los resultados obtenidos anteriormente e indicando los soportes necesarios a la nueva configuración

Es importante mencionar aquí, que resulta perjudicial suministrarle demasiada flexibilidad a la configuración de un arreglo de tuberías, ya que se incrementarían los costos por el exceso de material, se incrementaran las perdidas por caídas de presión debido a los cambios de dirección y mayor longitud, además de que no se debe olvidar la apariencia de la planta.

Por otro lado, cabe también resaltar, que un analista con poca experiencia, puede caer en el uso excesivo de la computadora ocasionado por la falta de capacidad para dar solución al problema que presenta al arreglo de tuberías, lo cual resultaría inadecuado y muy costoso.

6.1

SOLICITACIONES Las cargas o solicitaciones a que pueden estar sometidos los sistemas de tuberías, pueden clasificarse como sigue: Cargas térmicas: Estas cargas son originadas al limitar la expansión, contracción térmica, a través de interconexiones a equipos y como resultado de las restricciones de desplazamiento inducido por el sistema de apoyos y soportes.

Cargas sostenidas: Son las cargas debidas al peso propio, cargas vivas (fluido interno, nieve, etc.), presión, vibraciones y otras. Cargas ocasionales: Son originadas por efectos de corta duración o baja duración acumulada, debido a condiciones de arranque, paros, instalación, mantenimiento (regeneración y /o decoquizado, secado), etc.

Cargas accidentales: Originadas usualmente por efectos naturales como: sismos, tornados, emergencia, etc., las cuales generalmente son de corta duración, pero son muy severas y se deben considerar sus efectos en el diseño.

Para establecer adecuadamente las consideraciones de diseño, es necesario tener una evaluación confiable de todas las solicitaciones a las cuales puede estar sujeta la tubería durante su vida útil.

Los efectos de peso propio, incluyendo el fluido, normalmente estarán actuando todo el tiempo. Los efectos de presión y de temperatura, usualmente ocurren al mismo tiempo pero podrían ser independiente o tener una relación de dependencia variable.

Los efectos de peso propio viento y sismo, no son diferentes de aquellos para estructuras convencionales, mientras que los efectos de presión y térmicos a lo largo de una tubería, difieren completamente de aquellos que se presentan en otras estructuras convencionales.

En cuanto a efectos sísmicos, deberá tenerse presente que en gran parte de nuestro país, se tienen zonas de alta sismicidad, por efecto de la subducción entre las placas de Cocos y de Norteamérica; así como, a la junta triple con la placa del Caribe, localizada en el Istmo de Tehuantepec.

Para instalaciones industriales importantes localizadas en esas Zona de alta sismicidad, será necesario contar con estudios de riesgo sísmico, que nos proporcionen espectros de diseño que tomen en cuenta, la influencia de las condiciones locales del suelo por efecto de la propagación de ondas sísmicas.

A raíz del sismo del 19 de

Septiembre de 1985, se han identificado las

investigaciones y mediciones de temblores en la parte Sureste del Pacifico de nuestro País, y se han detectado “Zonas de quietud sísmica” o brechas sísmicas, que representan alto riesgo por estar acumulado energía debido a la tectónica de las placas terrestres en esa Zona.

6.2

FACTORES A CONSIDERAR EN UN PROBLEMA DE FLEXIBILIDAD Como principio general, todas las líneas deberán ser analizadas por esfuerzos sin excepción, de acuerdo a Código ASME B-31.3. Los criterios y métodos de análisis a los sistemas de tuberías, son responsabilidad del ingeniero de flexibilidad siguiendo su criterio y experiencia, claro está, sin olvidarse de las indicaciones de los Códigos aplicable, la clasificación de los métodos de análisis a realizar en un

sistema de tuberías, está basada atendiendo principalmente a la exactitud de los resultados que puede obtener con cada uno de ellos. Cualquiera de los métodos de análisis que se seleccione, deberá garantizar la veracidad y certidumbre en los resultados de acuerdo con el grado de complejidad e importancia del sistema.

Cabe mencionar, que dentro de la complejidad e importancia de un sistema de tuberías, los análisis a los sistemas, se puede clasificar en: visual, manual y formal. Los análisis a sistemas de tuberías también los clasifican por categorías de líneas, como puede ser: líneas especiales, líneas críticas y líneas no críticas

La experiencia en el diseño de sistemas de tuberías, juega un papel muy importante en la definición del trazo inicial de un sistema, a falta de tal factor, existen reglas rápidas que se pueden seguir para establecer en forma aproximada trazos preliminares, que finalmente impactan sustancialmente en la eficiencia del diseño de una planta.

En el diseño estructural de sistemas de tuberías, los factores más importantes que deben ser tomados en cuenta, en general, dependen básicamente del tipo de planta de que se trate, como pueden ser: plantas, industriales, instalaciones petroleras, plantas núcleo eléctricas, plantas de generación de energía eléctrica, etc.

El diseño desde el punto de vista estructural, deberá proveer suficiente flexibilidad a los sistemas de tuberías, para asegurar que las expansiones y/o contracciones térmicas de la tubería no produzcan grandes esfuerzos o deformaciones cíclicas, que den lugar a fallas por fatiga. Sin embargo se deberán resolver los sistemas de tuberías de tal manera que su configuración tenga la capacidad de absorber su expansión térmica, cuando esto no sea posible, se usaran loops de expansión o en casos críticos, se usaran juntas de expansión.

A continuación se mencionan las características peculiares de los problemas de flexibilidad de tuberías estructural.

con respecto a los problemas usuales

de análisis

El diámetro de la tubería: está determinado por las condiciones del flujo, así como el espesor de pared por la depresión, corrosión, erosión, temperatura y tipo de material, en donde el material a su vez se selecciona de acuerdo a las condiciones de temperatura y características del fluido que circula. Lo que indica que no será posible disminuir el diámetro o el espesor del tubo para incrementar la flexibilidad. El sobre – esfuerzo no se mejora aumentando el espesor del tubo, sino por el contrario, ello implica que el sistema se rigidice, haciendo más crítico el problema.

Codos y cambios de dirección: estos componen de tubería presentan un comportamiento en flexión diferente al de los tramos rectos, lo cual se refleja en un incremento de la flexibilidad, aun cuando ello viene acompañado de un factor de intensificación de esfuerzos. Los esfuerzos térmicos: que usualmente se consideran como efectos secundarios, son en general los de mayor importancia, pues son los que en la mayoría de los casos gobiernan su diseño.

Efectos de flujo plástico (creep): consiste en una cadencia local a temperaturas elevadas y una redistribución de reacciones, fuerzas internas y esfuerzos a temperaturas ordinarias. Esta operación a la condición de instalación y paros. Efectos de Fatiga del material: ocasionado por las condiciones cíclicas propias de operación de una planta, las cuales se convierten en un factor muy importante, cuando se presentan acompañadas de efectos de corrosión y altas temperaturas.

La presión: da lugar a comportamientos estructurales significativos especialmente cuando se trabaja con diámetros de tuberías grandes.

6.3

TIPOS DE FALLAS COMUNES EN SISTEMAS DE TUBERÍA Las fallas más comunes que pueden sufrir los sistemas de tuberías son las siguientes: - Fallas por sobrepasar esfuerzos admisibles.

- Fatiga en los materiales. - Esfuerzos excesivos en los elementos de un soporte. - Fugas en juntas o uniones. - Mal funcionamiento o deterioro de un equipo por fuerzas y momentos excesivos en las boquillas. - Resonancia por cargas dinámicas.

El analista de esfuerzo debe estudiar estas fallas y diseñar sistemas de tuberías que eviten la aparición de las mismas. Las causas que comúnmente dan origen a este tipo de fallas son las siguientes: - Errores en el diseño y en el análisis de flexibilidad, o por falta de éste. - Falta de comunicación interdisciplinaria (Tuberías, Civil, Equipos y Procesos). - Falta de una adecuada supervisión de construcción. - Falta de personal en obra con experiencia en flexibilidad

6.4

CRITERIOS

DE

SELECCIÓN

PARA

EL

GRADO

DEL

ANÁLISIS

DE

FLEXIBILIDAD DETUBERÍAS.

El primer paso para la realización de un análisis de flexibilidad es determinar las condiciones a las que está sometido el sistema de tuberías para verificar el tipo de análisis requerido, dependiendo si el sistema a analizar es crítico o no. Usualmente el análisis de esfuerzos deberá realizarse con las condiciones de flexibilidad del proyecto (temperatura y presión), suministradas por el Departamento de Procesos en las Listas de Líneas. En caso que en un proyecto determinado no se tenga dicha información, el análisis deberá ser realizado con las condiciones de operación y de diseño de los sistemas. Cuando estemos en presencia de líneas críticas, en las cuales la configuración no nos permita obtener resultados satisfactorios, se podrá realizar el análisis con las condiciones de operación del sistema, previa aprobación del “Líder de Flexibilidad del Proyecto” El Líder de Flexibilidad de un Proyecto, es la persona encargada de determinar cuáles son las líneas que requieren análisis de flexibilidad manual o computarizada y cual no, la prioridad de las líneas críticas a analizar, y deberá reflejarlas en la Lista de Líneas del Proyecto.

Una guía para verificar los sistemas de tuberías que requieren análisis de flexibilidad es la siguiente: Se deberá realizar análisis especializado a las siguientes líneas: •

Todas las líneas de alta presión, superior a Class 2500 (según el ANSÍ B16.5).

•

Todas las líneas de alta temperatura, superior a los 1000 °F (537 ºC).

•

Tuberías mayores de 48" de diámetro.

•

Líneas con Juntas de Expansión

•

Se deberá realiza análisis por computadora a las siguientes líneas:

•

Líneas conectadas a bombas y compresores centrífugos y/o reciprocantes y a turbinas, que cumplan con: diámetro mayor o igual a 3" con temperatura ≥ a 50°C o ≤ 6 °C.

•

Líneas conectadas a enfriadores por aire (Air Cooler).

•

Líneas conectadas a recipientes, según ASME Sección VIII. División 2 (presión > 3000 lb)

•

Líneas conectadas a hornos o calentadores de llama directa.

•

Líneas conectadas a equipos de aluminio.

•

Líneas conectadas a cajas frías.

•

Líneas sometidas a vibraciones o a cargas ocasionales significativas que requieran de análisis dinámico.

Sistemas sujetos a presión externa. •

Líneas de procesos enterradas.

•

Líneas de transferencia de Etileno, de vapor de alta presión o de sistemas de alivio de alta presión.

Se deberá realizar solamente análisis visual, debido a que no requieren análisis formal de flexibilidad, a las siguientes líneas: •

Sistemas similares a otros con un récord exitoso de funcionamiento.

•

Sistemas que al analizarlo rápidamente se puede comparar con otro similar realizado previamente.

•

Sistemas de tamaño uniforme, con no más de dos puntos de fijación, sin apoyos o restricciones intermedias y cumplen con:

__D*y__ ≤ K1 ;

(EC-5.4.a)

(L-U)2

y = ά *ΔT* U

(EC-5.4.b)

Donde: D= diámetro nominal (in, mm) y=

resultante de todos los desplazamientos que deben ser absorbidos por el

sistema (in, mm). L= longitud desarrollada por la tubería entre los dos anclajes (ft, m). U= distancia en línea recta entre los anclajes (ft, m) ά = Coeficiente de expansión térmica. (Anexo 9) K1= 0.03 en el sistema ingles de unidades o 208.0 en el sistema SI

Ejemplo: 1 Flexibilidad de un sistema de Tubería (Anexo 12)

6.5

TIPOS DE ANALISIS (CATEGORIAS DE TUBERÍAS) El primer paso de un análisis de flexibilidad es determinar las condiciones a las que se somete el sistema de tuberías. Luego se debe elegir el tipo de análisis requerido dependiendo del servicio de la línea (crítica o no crítica) y de su grado de complejidad.

Usualmente y a menos que se indique lo contrario, se deberá hacer el análisis con la temperatura y presión de flexibilidad (suministrada por procesos), en caso de no tenerla se hará con las condiciones de diseño; para aquellos casos de líneas críticas en los que la configuración no permita obtener resultados satisfactorios, se podría

hacer el análisis con la temperatura y presión de operación previa consulta y aprobación del Líder de Flexibilidad. También se debe tener en cuenta los modos de operación del sistema en cuestión. Es posible que haya equipos que trabajen en conjunto u otros que mientras unos están en operación otros se mantengan fuera de servicio ("spare"). De ser así habrá que analizar varios casos, considerando que una parte tendrá cambios de temperatura y la otra no.

A continuación se dará una categorización de las líneas con su correspondiente nivel de análisis. Estas categorías deben ser usadas como una guía. Se debe esperar cambios en el tipo de análisis requerido para una tubería de determinada categoría si el cliente o las especificaciones del proyecto así lo convienen. También, cualquier línea puede ser clasificada en una categoría superior a juicio del ingeniero de flexibilidad o del Jefe de Disciplina.

Todos los cálculos manuales y por computadora deben ser clasificados y apropiadamente archivados según las normas del proyecto.

6.5.1

CATEGORIA 1 Las líneas de esta categoría requieren análisis especializado por tratarse de líneas críticas. Las líneas de esta categoría deben ser identificadas en la etapa inicial del proyecto para poder establecer con anticipación la filosofía de análisis y de soportería. Las líneas en esta categoría son: •

Las líneas de alta presión donde la presión sea mayor que lo admitido por ANSI

•

B16.5 Class 2500 para la temperatura y presión de diseño específicas.

•

Líneas de alta temperatura donde la temperatura de diseño del metal exceda los 1000 °F.

•

Tuberías mayores de 48" de diámetro.

•

Las líneas diseñadas para más de 22000 ciclos.

•

Líneas para fluidos categoría M. Según ANSI/ASME B31.3.

•

Líneas de categoría II, las cuales, para juicio del analista, deberán tener un análisis más cuidadoso.

•

Líneas con juntas de expansión.

Los siguientes sistemas:

6.5.2

•

Líneas de transferencia de etileno.

•

Líneas de LNG

CATEGORÍA II Las líneas de esta categoría requieren obligatoriamente análisis por computadora. Estas líneas requieren análisis formal por consideraciones de su tamaño y temperatura o porque están conectadas a equipos sensibles.

Las líneas de esta categoría son: •

Líneas conectadas a bombas y compresores reciprocantes, bombas y compresores centrífugos y turbinas, las cuales cumplan con lo siguiente:

•

a) Diámetro mayor o igual a 3" y temperatura mayor o igual a 65 °C ó menor o igual 6°C.

•

b) Diámetro mayor o igual a 12" y temperatura mayor o igual a 50 °C ó menor o igual a 6 °C.

•

Líneas a enfriadores por aire.

•

Líneas conectadas a recipientes según ASME Sección VIII: División 2.

•

Líneas conectadas a hornos o calentadores de llama directa.

•

Líneas conectadas a equipos de aluminio.

•

Líneas identificadas como Categoría II según Figura 3-1.

•

Líneas conectadas a cajas frías

•

Líneas sometidas a vibraciones

•

Líneas sometidas a cargas ocasionales significativas y que requieran de un análisis dinámico

6.5.3

CATEGORÍA III •

Las líneas dentro de esta categoría requieren obligatoriamente ser analizadas; sin embargo, el análisis puede ser hecho por algún método manual. Se incluyen en esta categoría:

•

Todas las líneas conectadas a equipos sensibles nombrados en la Categoría II que no hayan sido incluidas en la misma por su tamaño y temperatura.

•

Todas las líneas clasificadas como Power Plant Piping, según el código ANSI/ASME B31.1.

•

Todas las líneas designadas según la Figura 3-1 y que no están contempladas en las categorías I y II.

Nota importante: El cálculo manual no debe ser usado para rechazar el diseño de una línea, puede usarse para reubicar los soportes o para una nueva re plantear la ruta. El rechazo o la imposibilidad del diseño deben provenir de un estudio detallado por computadora.

6.5.4

CATEGORIA IV Las líneas de esta categoría requieren de inspección visual y son las siguientes: Líneas identificadas en la Figura 3-1 y que no estén contempladas en las categorías anteriores. Las líneas que son duplicados o reemplazos de existentes sin cambios significativos, que hayan trabajado sin problemas en el pasado. Las líneas que pueden ser juzgadas como adecuadas por comparación con sistemas previamente analizados.

CAPITULO 7 INFORMACIÓN REQUERIDA Y GENERADA POR UN ANALISTA DE ESFUERZOS DE TUBERÍAS.

7.

INFORMACIÓN

REQUERIDA

Y

GENERADA

POR

UN

ANALISTA

DE

ESFUERZOS DE TUBERÍAS. 7.1

INFORMACIÒN REQUERIDA PARA DETERMINAR LOS CALCULOS DE FLEXIBILIDAD. Por lo general el estudio de la línea computarizado se hace con el software CAESAR II, ya que en la industria de la ingeniería mayoritariamente es el más utilizado para este tipo de cálculos, para ello el analista de flexibilidad debe contar con la siguiente documentación: •

Lista de Líneas de Tuberías.

•

Especificación de Tuberías y accesorios (Piping class).

•

Lista de equipos, especificación técnicas (Hoja de Datos) y planos

•

La Filosofía de operación de las bombas.

•

Los Diagramas de tuberías e instrumentos (P&ID’s).

•

Isométricos o planos de rutas de tuberías.

•

Bases y premisas de Diseños.

La lista de líneas y los Diagramas de tuberías e Instrumentación son los documentos fundamentales para identificar las categorías de las líneas y establecer el tipo de estudio a realizar, sea visual o computarizado. Estos documentos contiene la identificación y tamaño de las tuberías, condiciones de presión y temperatura en operación y diseño, densidad del flujo y la fase de esté, representa el proceso desde punto de interconexión inicial hasta la conexión de llegada de cada línea de los diferentes servicios contenidos en el proyecto, así como los equipos que intervienen. Las condiciones de temperatura y presión de flexibilidad la podrá definir el Ingeniero de proceso y/o el especialista de flexibilidad a partir de las condiciones indicadas en la lista de líneas.

La Especificaciones técnicas de Tuberías y accesorios (Piping class) suministra las características y propiedades mecánicas de las tuberías, tales como el material, servicio, espesor por corrosión, la cedula (Schedule) de las tuberías, los tipos de accesorios, entre otros.

Otros de los documentos importantes son los planos de rutas de tuberías e isométricos, cuya información permitirá ser modelada en el Caesar. Los planos isométricos son una representación tridimensional del ruteo completo de la tubería desde una conexión a otra, los cuales son utilizados principalmente para introducir el en programa el modelo en el soswaretf con la ejecución de prefabricación de tuberías, representando los cambios de dirección de las líneas y posición de ésta en el espacio. Los isométricos deben contener la siguiente información: • Identificación del documento: nombre de la línea, nombre del proyecto, número y secuencia del isométrico, progreso de las revisiones, cuadro de firmas. • Listado de materiales y conteo de los mismos que conforman la tubería representada. • Orientación del Norte de la planta. • Señalización de soportes, puntos de conexión a equipos, puntos de intersección y accesorios (bridas, válvulas, entre otros).

Las especificaciones técnicas de los equipos, planos y hojas de datos, podrán facilitar al analista de flexibilidad la inclusión de estos en el modelaje, la verificación de las cargas sobre las boquillas de acuerdo a la norma que lo rige y lograr una simulación mucho más cercana a la realidad.

Otra fuente de información han sido las especificaciones del proyecto que sientan las bases y criterios de diseño, en donde se establecen e indican las condiciones y características del ambiente, ubicación y características del terreno, para el factor o gradiente debido al efecto del sismo y efectos debido al viento y todas aquellas premisas particulares que deberá ser consideradas al momento de simular los arreglos de tuberías propuestos.

7.2

INFORMACIÓN

GENERADA POR

UN

ANALISTA DE

ESFUERZOS

DE

TUBERÍAS. El analista de Flexibilidad inicialmente deberá generar un informe, el cual deberá contener como mínimos los siguientes puntos: •

Objetivo.

•

Alcance

•

Normas que rigen el diseño de los arreglos de tuberías

•

Metodología

•

Premisas de cálculos

•

Casos a estudiar.

•

Cuadro resumen de los cálculos -

Esfuerzos admisibles vs esfuerzos obtenidos.

-

Desplazamientos máximos

-

Cargas máximas de los soportes. (opcional)

•

Recomendaciones

•

Conclusiones

•

Anexos -

Reportes, (Ver anexo 5).

-

Isométricos definitivos el cual debe contener los nodos que relaciona los resultados obtenidos en los reportes. Los Isométricos pueden ser los que se extraen del Caesar.

-

(P&ID’s). Este puede ser opcional, ya que si son muchos es preferible hacer referencia en el documento e indicar en el cálculo el P&ID’s de la línea estudiada.

-

Cuadro de comparación entre las fuerzas y momentos admisibles por la norma que rige el diseño del equipo y las fuerzas y momentos obtenidos por la simulación.

-

Todo documento que sirva de aval o garantía para la simulación de algún cálculo en condiciones especiales.

Queda a criterio del analista de flexibilidad complementar el documento con más información o según los lineamientos descritos en la empresa que se está desarrollando dicho estudio.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS -

Ing. Arístides. R. Soto. Ingeniero Mecánica. Trabajo de Tesis del Curso de Diseño de Tuberías para Plantas Industriales, Refinería, Oleoducto, y Gasoductos. Fuente Internet.

-

Ing. Pablo E. Molina Mendoza. Curso Básico de Flexibilidad.

-

Ing. Guillermo Díaz Andrade. Elementos De Diseño Para El Cálculo De Flexibilidad En Tuberías y Aplicación de Compensadores de Dilatación. Fuente Internet.

-

Ing. Luz M. Méndez P. Análisis de Flexibilidad & Soportes.Internet

-

INELECTRA, Inedon, Departamento De Diseño Mecánico, Manual De Flexibilidad y Soportería.

-

INELECTRA, Inedon, Departamento De Diseño Mecánico, Manual De Soportes Normalizados De Tuberías

-

PEMEX, Sistemas de Tubería en Plantas Industriales - Instalación y Pruebas, Fuente Internet

-

Instituto politécnico Nacional, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Profesional Zacatenco “Análisis de Flexibilidad de Tuberías y Evaluación de Cargas en Boquillas de Equipos Rotatorios”.

-

Norma ASME B31.3. (1990) Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping

-

Norma ASME B31.4 (1989) Liquid Transportation System for Hydrocarbons, Petroleum Gas, Andhydroys Anmonia and Alcohols.

-

Norma ASME B31.8 (1989) Gas Transmisión and Distribution Piping System.

-

Internet. Lección 2. Ley de Hooke.