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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA FECHA DATE

27-05-98

OBJETO OBJECT

Revisión Capítulos 4 y 5/Revisión General

ELABORO Iniciales

REVISO Iniciales

APROBO Iniciales/Cargo

GPB

MO

GD

DOCUMENTO NO MODIFICADO (SOLO CAMBIO DE FORMATO)

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Indice Página 1. 2. 2.1. 2.2. 2.2.1. 2.2.2. 2.2.3. 2.3. 3. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 4. 4.1. 4.1.1. 4.2. 4.2.1. 4.3. 4.3.1. 4.3.2. 4.4. 4.4.1. 4.4.2. 4.4.3. 4.4.4. 4.4.5. 4.4.6. 4.4.7. 4.5. 5. 5.1. 5.1.1. 5.1.2.

INTRODUCCION.......................................................................................................... 5 ANALISIS DE ESFUERZOS ........................................................................................ 6 Generales ........................................................................................................................ 6 Cálculo de los Esfuerzos................................................................................................. 8 Esfuerzos longitudinales ................................................................................................. 8 Esfuerzos Térmicos ........................................................................................................ 9 Cargas Ocasionales ....................................................................................................... 13 Factor de Intensificación de Esfuerzos (SIF, Stress Intensification Factor) ................ 13 TIPOS DE ANALISIS (CATEGORIAS DE TUBERIAS).......................................... 16 Categoría I .................................................................................................................... 16 Categoría II ................................................................................................................... 17 Categoría III.................................................................................................................. 18 Categoría IV.................................................................................................................. 18 ANALISIS DE TUBERIAS ......................................................................................... 20 Introducción.................................................................................................................. 20 Análisis Básico ............................................................................................................. 20 Localización Inicial de Soportes................................................................................... 21 Separación de Soportes................................................................................................. 22 Análisis Estático ........................................................................................................... 52 Cargas Sostenidas. (Esfuerzos Longitudinales)............................................................ 53 Cargas Debidas a la Expansión Térmica. (Esfuerzos Térmicos o Secundarios) .......... 53 Análisis Dinámico (Cargas Ocasionales) ..................................................................... 87 Introducción a las Cargas Ocasionales ......................................................................... 87 Introducción al Análisis Dinámico. .............................................................................. 88 Vibraciones ................................................................................................................... 89 Cargas Debidas al Viento ............................................................................................. 92 Sismos........................................................................................................................... 95 Válvulas de Alivio ........................................................................................................ 96 GOLPE DE ARIETE.................................................................................................... 99 Combinación de cargas............................................................................................... 102 ANALISIS DE EQUIPOS.......................................................................................... 104 Evaluación de las Cargas en Conexiones de Tuberías a Equipos............................... 104 Bombas Centrífrugas .................................................................................................. 104 Compresores Centrífugos ........................................................................................... 105

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA 5.1.3. 5.1.4. 5.1.5. 5.1.6. 5.1.7. 5.1.8. 5.2. 5.2.1. 5.3. 5.3.1. 5.3.2. 5.3.3. 6. 6.1. 6.2. 6.2.1. 6.2.2. 6.2.3. 6.2.4. 6.3. 6.4. 6.4.1. 6.4.2. 6.5. 6.6. 7. 7.1. 7.2. 8. 8.1. 8.2. 8.3. 8.4. 8.4.1. 8.4.2. 8.4.3. 9. 9.1.

Turbinas de Vapor ...................................................................................................... 106 Equipos Reciprocantes................................................................................................ 106 Calentadores de Fuego Directo. (Fired Heaters) ........................................................ 106 Enfriadores por Aire ................................................................................................... 107 Tanques Cilíndricos Verticales de Fondo Plano......................................................... 108 Recipientes a presión y otros equipos......................................................................... 109 Movimientos de las Boquillas Debido a la Temperatura de los Equipos ................... 109 Movimientos de las Boquillas en Recipientes Verticales........................................... 109 Arreglos de Tuberías y Soportes Alrededor de los Recipientes y Equipos ................ 116 Equipos Rotativos Centrífugos ................................................................................... 116 Equipos Rotativos Reciprocantes ............................................................................... 117 Recipientes Horizontales y Verticales ........................................................................ 119 SELECCION Y DISEÑO DE SOPORTES ............................................................... 121 Consideraciones Generales ......................................................................................... 121 Soportes Estructurales ................................................................................................ 121 Diseño de Soportes Soldados a la Tubería ................................................................. 122 Diseño de Trunnions Verticales.................................................................................. 130 Diseño de Trunnions Horizontales ............................................................................. 139 Diseño de Trunnions en Líneas de Alta Temperatura ................................................ 140 Soportes Colgantes ..................................................................................................... 145 Soportes Tipo Resorte................................................................................................. 148 Resortes de Carga Variable ........................................................................................ 148 Resortes de Carga Constante ...................................................................................... 154 Amortiguadores .......................................................................................................... 156 Soportes Anti-vibratorios............................................................................................ 156 NORMAS Y DOCUMENTOS DE REFERENCIA................................................... 157 Normas y Procedimientos de INELECTRA............................................................... 157 Otras Normas Aplicables ............................................................................................ 157 DATOS, DOCUMENTACION Y PROCEDIMIENTOS DE TRABAJO................. 161 Datos Necesarios Para el Análisis .............................................................................. 161 Isométricos de Flexibilidad......................................................................................... 162 Recomendaciones Finales........................................................................................... 163 Procedimientos de Trabajo ......................................................................................... 165 Procedimiento de Análisis de Flexibilidad ................................................................. 165 Etapa de Soportería..................................................................................................... 168 Cómputo de Materiales para Soportes ........................................................................ 170 PROGRAMAS DE LA SECCCION DE FLEXIBILIDAD....................................... 171 Uso del S.C.S.............................................................................................................. 171

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA 9.1.1. 9.1.2. 9.2. 9.3.

Ubicación del SCS en la Red Para un Proyecto ......................................................... 171 Requerimientos de Funcionamiento Para la Interfase AutoCAD-SCS ...................... 171 Programa Basado en la Norma API 650..................................................................... 172 Módulos de Cálculos de Tuberías............................................................................... 172 ANEXOS .................................................................................................................... 173 ANEXO A: DATOS DE LAS TUBERIAS................................................................ 174 ANEXO B: COEFICIENTES DE EXPOSICION Kz Y DE RAFAGA Gh. ............. 175 ANEXO C: FORMULAS Y DIAGRAMAS DE VIGA ............................................ 176 ANEXO D: INFORMACION SOBRE SOPORTES ESPECIALES ........................ 177 ANEXO E: COMPENDIO DE NORMAS PARA LA EVALUACION DE LAS CARGAS .................................................................................................................... 178 ANEXO F:. LISTA DE VERIFICACION Y FORMATOS DE FLEXIBILIDAD ... 179 ANEXO G: INSTRUCTIVOS DE PROGRAMAS ................................................... 180

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1.

INTRODUCCION El presente manual de flexibilidad y soportería de tuberías tiene los siguientes objetivos fundamentales: 1.

Uniformizar los criterios y procedimientos que se usarán en materia de flexibilidad en los distintos proyectos de Inelectra.

2.

Reunir la información más importante necesaria para realizar estudios de flexibilidad en sistemas de tuberías.

Este es un documento práctico que contiene normas, criterios, tablas, ilustraciones y procedimientos a seguir, es por esto que la información puede estar sujeta a actualizaciones y/o revisiones para lograr mejoras. Es importante destacar que cualquier comentario o información adicional deben ir remitidos al Gerente del Departamento de Diseño Mecánico para su estudio e incorporación. A menos que se establezca lo contrario en los proyectos, se deberán seguir los lineamientos señalados en este manual para llevar acabo el análisis de flexibilidad y soportería de tuberías por parte de Inelectra.

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA 2.

ANALISIS DE ESFUERZOS

2.1.

Generales 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.

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•= 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: •= •= •= •= •=

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

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Usualmente los códigos indican que para evaluar los esfuerzos ocasionales, estos deben ser sumados a los esfuerzos producidos por las cargas sostenidas, y comparan estos esfuerzos totales con el esfuerzo admisible incrementado en un porcentaje que depende del código utilizado. 2.2.

Cálculo de los Esfuerzos Los esfuerzos admisibles son los esfuerzos máximos permitidos por las normas o códigos, para asegurar la integridad del sistema de tuberías. Los valores del los esfuerzos admisibles varían de acuerdo al caso de estudio y código utilizado. Por ejemplo, los códigos ANSI B31.1 y ANSI B31.3 presentan una serie de tablas con los valores de los esfuerzos admisibles a distintas temperaturas. Los valores de los esfuerzos en estos dos códigos son diferentes. El código ANSI B31.3 presenta usualmente valores que son un 33% mayores que los del ANSI B31.1. De estas tablas se extraen para cada caso dos valores que son el esfuerzo permisible a la máxima temperatura esperada durante el ciclo en estudio (Sh), y el esfuerzo permisible a la mínima temperatura durante el ciclo (Sc). Las consideraciones a ser tomadas para los esfuerzos longitudinales, térmicos y ocasionales (para la mayoría de los códigos ANSI/ASME B31) se muestran a continuación.

2.2.1.

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 = A

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i MA P DO + B ≤ C Sh 4t Z

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Ecuación: (2.2.1.A)

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Donde: SL = A, B, C = P= DO = t= i= MA = Z= Sh =

La suma de todos los esfuerzos longitudinales debido a la presión, el peso y otras cargas sostenidas, psi. Factores numéricos que dependen del código a usar, adimensionales. Presión interna de diseño, psi. Diámetro externo de la tubería, pulg. 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). Factor de intensificación de esfuerzos en el punto donde se evalúa el momento, adimensional. Momento resultante de las cargas sostenidas, generalmente el que se toma en cuenta es el momento flexor, lb-pulg. Módulo de sección de la tubería, pulg3. Esfuerzo máximo admisible a la temp. de diseño, psi.

El primer sumando del cálculo de SL es el esfuerzo longitudinal por el efecto de la presión. Por ejemplo, para el código más usado el B31.3, los valores de A, B, C son todos iguales a uno. Para el código B31.1 los valores de A, B y C son 1, 0.75 y 1 respectivamente. Estos factores no aparecen explícitamente en los códigos, se incluyen aquí para mostrar la forma básica que tiene la ecuación. 2.2.2.

Esfuerzos Térmicos El código ANSI/ASME B31 establece que el esfuerzo térmico o secundario (SE) debe ser menor que el esfuerzo admisible (SA): (2.2.2.A)

SE ≤ S A

En donde: SE = Esfuerzo generado por la expansión térmica. SA = Rango del esfuerzo admisible para los esfuerzos generados por dilatación térmica (esfuerzo térmico admisible). A continuación, se mostrará en detalle el criterio para el código B31.3.

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA 2.2.2.1 Esfuerzos térmicos en el Código ANSI/ASME B31.3. La Ecuación 2.2.2.A es el criterio fundamental. Para este código los esfuerzos se definen de la siguiente manera:

SE =

(2.2.2.1.A)

S b2 + 4 S 2t

Donde: Sb = Esfuerzo resultante debido a la flexión, psi. St = Esfuerzo resultante debido a la torsión, psi. La ecuación para el cálculo de Sb en codos, codos mitrados y tee rectas (Legs 1 y 2. Figura 2.3-1) es: 2

Sb =

2

(i i M i ) + (i O M O ) Z

(2.22.1.B)

Donde: ii = Factor de intensificación de esfuerzo "en el plano" obtenido de la Tabla D-1, Apéndice D, de la norma B31.3. (Ver ANEXO A de este manual y la siguiente Sección 2.3.) Mi = Momento Flexor "en el plano", lb-pulg. iO = Factor de intensificación de esfuerzos "afuera del plano". MO = Momento Flexor "afuera del plano", lb-pulg. St =

Mt = Esfuerzo debido a torsión, psi. 2Z

Mt = Momento torsor, lb-pulg. Z = Módulo de sección de la tubería, pulg3. Para los ramales de conexiones reductoras, (Leg 3 de la Figura 2.3-1) , el cálculo de Sb se rige por la siguiente ecuación:

2

Sb =

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2

(i i M i ) + (i O M O ) Ze

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(2.2.2.1.C)

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Donde:

Sb = Esfuerzo resultante debido a flexión en el ramal, psi. Ze = Módulo de sección efectivo para el ramal, pulg3. = π r 22 T S . r2 = Radio medio de la sección transversal del ramal, pulg. TS = Espesor efectivo del ramal, menor entre T h y (ii )( T b ) , pulg.

T h = Espesor de tubería del cabezal. T b = Espesor de tubería del ramal. El esfuerzo SA se calcula de la siguiente manera: S A = f (1.25 S c + 0.25 S h )

Cuando Sh es mayor que SL, el cálculo de SA toma la siguiente forma: (2.2.2.1.E)

S A = f [1.25 ( S c + S h ) - S L ]

Donde: Sh = Esfuerzo máximo admisible a la temp. de flexibilidad, psi. Sc = Esfuerzo máximo admisible a la temp. mínima del material, psi. f = Factor de reducción de esfuerzos (por efectos cíclicos). Ver Tabla 2.2.2.1-1 en el ANEXO A. La interpretación de la Ecuación 2.2.2.1.E es que la parte no usada del esfuerzo admisible para el caso de la cargas sustentadas, puede ser sumada el cálculo del rango de los esfuerzos admisibles para el caso de las cargas térmicas. Ejemplo 2.2.2.1-1: Una línea de suministro de vapor a la chaqueta de un recipiente entra en operación cada 4 horas. En cada uno de estos ciclos la línea alcanza una temperatura de 93 /C. Si la línea será operada en estas condiciones durante 20 años, Cuál es el esfuerzo térmico admisible, sabiendo que la línea está fabricada de tubería sin costura de acero ASTM A335, 5Cr-2Mo?. La línea se encuentra en El Tablazo, en donde la temperatura ambiente mínima no será menor de 21EC. Aplicar la norma B31.3. Según la Tabla A-1, ANEXO A:

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Sc (a 21EC) = 14.06 kg/mm2 (1 kg/mm2 = 1422.33 psi.) Sh (a 93EC) = 12.73 kg/mm2 N ° de ciclos =

24 x 365 x 20 = 43800 ciclos 4

De la Tabla 2.2.2.1-1, ANEXO A, se obtiene que / = 0.7. Utilizando la Ecuación 2.2.2.1.E:

SA = / [1.25 (Sc + Sh) - SL] Y asumiendo que SL = Sh /4, es decir, que los esfuerzos a los que está sometida la Línea por efecto de la presión y el peso son un 25% del Sh, se obtiene:

SA = / [1.25 (Sc + Sh) - 0.25 Sh] = / (1.25 Sc + 1.00 Sh) = 0.7 (1.25 x 14.06 + 1.00 x 12.73) = 21.21 kg/mm2

SA = 21.21 kg/mm2 Para el mismo caso anterior, suponiendo que el esfuerzo al que está sometida la tubería por efecto de su propio peso y la presión del vapor es del 40% del Sh.

SA

=

0.7 [1.25 (14.06 + 12.73) - 0.4 x 12.73]

SA

=

19.87 kg/mm2

Asumiendo SL = Sh nos queda la Ecuación 2.2.2.1.D:

SA = f ( 1.25 Sc + 0.25 Sh ) SA = 0.7 ( 1.25 x 14.06 + 0.25 x 12.73 ) = 14.53 kg/mm2 SA = 14.53 kg/mm2 Si se usa un espaciamiento adecuado entre soportes (Ver Sección 4.2.1), los cálculos manuales se restringen a la verificación de los esfuerzos secundarios debidos a la expansión térmica. Solo se considerará el análisis de las cargas sostenidas si la condición de diseño SE # SA no se satisface. Con lo anterior, se busca agilizar la verificación de los esfuerzos aplicados y evitar el largo y tedioso análisis de cargas sostenidas.

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2.2.3.

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:

D

P DO i ( MA + MB ) ≤ K Sh + E Z 4t

(2.2.3.A)

Donde: MB = Momento resultante de las cargas ocasionales, lb-pulg. D, E, K = 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 4.2.1.6). 2.3.

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

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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 A. 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, ANEXO A. El método de cálculo de k, factor de flexibilidad, es semejante al cálculo de los SIF.

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3.

TIPOS DE ANALISIS (CATEGORIAS DE TUBERIAS) 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 Lider 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 temparatura 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 o siguiendo las observaciones de este manual.

3.1.

Categoría I 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 tempertura de diseño del metal exceda los 1000 °F. - Tuberías mayores de 48" de diámetro.

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- 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: Líneas de transferencia de etileno. Líneas de LNG. 3.2.

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 centrifugos 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 Section VIII: Division 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.

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3.3.

-

Líneas sometidas a vibraciones

-

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

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 sencibles 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 rerutearla. El rechazo o la imposibilidad del diseño debe provenir de un estudio detallado por computadora. 3.4.

Categoría 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 reeemplazos 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.

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4.

ANALISIS DE TUBERIAS

4.1.

Introducción Esta sección tiene como objetivo principal dar una visión global del análisis de tuberías. Aquí se incluyen secuencialmente todas las etapas y la mayoría de los análisis que se pueden realizar para un sistema de tuberías dado. Todas las soluciones para los diversos tipos de análisis se describen en su forma manual, esto tiene dos objetivos primordiales: 1)

Procurar una vía de solución cuando no se justifique el uso del computador.

2)

Familiarizar al ingeniero con la teoría envuelta en este tipo de análisis, permitiéndole una mejor comprensión del problema, aún cuando no utilice ulteriormente el método manual.

Por esto, se recomienda leer atentamente los ejemplos y seguir el desarrollo del análisis según el Indice de esta sección. Esto servirá de ayuda para comprender el método de análisis, los tipos de problemas y la interpretación de la solución, cuando se resuelvan a través de métodos computarizados. 4.1.1.

Análisis Básico Como se mencionó el la Sección 2, el análisis más usado para un sistema de tuberías se restringe al análisis de cargas térmicas o esfuerzos secundarios. Esto es debido a: 1) Si la tubería está convenientemente soportada (espaciamientos entre soportes recomendados), se puede aseverar que el sistema es seguro a cargas sostenidas; 2) A altas temperaturas los esfuerzos por cargas térmicas serán generalmente mayores que los de cargas sostenidas; 3) Las cargas ocasionales se incluyen en el análisis de casos especiales. En la Sección 3 se dan las directivas de cuando usar métodos manuales, por computadora o por simple inspección según la categoría de tubería. El uso del Caesar II , Simflex o cualquier programa por computador se justifica cuando se tiene un sistema muy complejo, se requieren resultados precisos o porque es más rápido que su equivalente método manual. El ingeniero de flexibilidad, a medida que se familiarice con los métodos manuales, encontrará que mediante su uso para sistemas sencillos podrá conseguir soluciones rápidas y seguras, sin tener que pasar por el proceso de modelarlo, introducir los datos e interpretar los resultados del programa. Esto es especialmente útil cuando se tenga que resolver problemas sencillos en campo.

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4.2.

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 3/4 del espaciamiento mostrado en las Tablas 4.2.1-1/2/3, esto es para promover la estabilidad y reducir las cargas excéntricas. Para más información ver Secciones 4.2.1.1 a 4.2.1.5.

5.

Los espaciamientos de las Tablas 4.2.1-1/2/3 no aplican en secciones verticales de tubería porque ningún momento y casi ningún esfuerzo se desarrollará por la gravedad. Las Sección 4.2.1.6 trata los espaciamientos en líneas verticales. La localización de los soportes y su numero 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 4.2.1.7.

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4.2.1.

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.

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 4.2.1-1, 4.2.1-2), acero inoxidable (Tabla 4.2.1-3), 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 4.2.1.10. A continuación de las tablas, de la Sección 4.2.1.1 a la Sección 4.2.1.11, se muestran gráficas y tablas prácticas de soportería en campo.

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA TABLA .2.1.1. Espaciamiento Entre Soportes Dentro de los Límites de Batería. (CS)

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA Notas de la Tabla 4.2.1-1: *

Espaciamientos limitados por esfuerzo todos los demás por deflexión.

+

Las paredes de tubería en el soporte requiere de refuerzos. Ver Sección 4.2.1.8.

UTILIZACION 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 4.2.1.1. 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 BASICAS: 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".

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA TABLA 4.2.1.2. Espaciamiento Entre Soportes Fuera de los Límites de Batería. (CS)

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA Notas de la Tabla 4.2.1-2: +

Las paredes de tubería en el soporte requiere de refuerzos. Ver Sección 4.2.2.9.

UTILIZACION 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 4.2.1.1.

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 sometidas a carga cíclica) CONDICIONES BASICAS: 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.

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA TABLA 4.2.1.3.

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Espaciamiento Entre Soportes para Tubería de Acero Inoxidable

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA 4.2.1.1 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 Sección 4.1.2.

3.

El espaciamiento mínimo a carga sostenida MIN. para las figuras mostradas debe ser ajustado según la Tabla 4.2.1.1-1.

4.

Para cargas concentradas ver Sección 4.2.1.2.

5.

Para separación de soportes en tramos de tubería en voladizo ver Sección 4.2.1.3 a la Sección 4.2.1.5.

Tabla 4.2.1.1-1 Para un Espaciamiento Entre Soportes de: 1.22L o 1.10L* L o L* 0.90L o 0.90L*

Espaciamiento "MIN.": Menor o igual a 0.45L Menor o igual a 0.22L Menor a 0.22L

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4.2.1.2 Separación de Soportes en Tuberías Sometidas a Cargas Concentradas

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Ejemplo de la Figura 4.2.1.2-1: Una carga concentrada puede ser una válvula o cualquier componente de la línea más rígido que la tubería, que pueda ser modelado como una carga concentrada. La siguiente información es conocida:

L= W= S= P= D=

El espaciamiento básico de soportes, en pies. Sección 4.2.1. El peso de la línea en libras por pie, incluyendo el aislamiento y el contenido según Tablas 4.2.1-1/2. El espaciamiento actual entre soportes en pies. La carga concentrada en libras. La distancia de la carga concentrada al soporte más cercano en pies.

Como L y W son fijos, solo pueden ser variar S, P y D. Usualmente el mejor procedimiento para resolver el sistema, usando la gráfica, es calculando la carga máxima P que puede ser soportada para una configuración predeterminada y luego compararla con la carga real. Si la carga real es mayor que la carga máxima calculada por la figura, entonces se debe variar el sistema reduciendo S, P o D. Asumir: L = 40' 0" W = 122.82 lb°Ft. S = 20'-0" P = 5000 lb. (Carga real) D = 4'-0" S 20 ′ = = 0.5 40 ′ L

D 4′ = = 0.2 20 ′ S

Entrar en la gráfica a la izquierda donde D/S = 0.2. Moverse horizontalmente a la derecha hasta la curva donde S/L = 0.5, entonces desplazarse verticalmente hacia abajo donde P/(W x S) = 2.5. Por lo tanto: P máximo

= 2.5 x W x S = 2.5 x 122.82 x 20 = 6141 lb.

Como la carga máxima es mayor que la carga real el sistema está bien diseñado y no requiere de cambios.

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA 4.2.1.3 Separación de Soportes en Tuberías Horizontales en Forma de "L".

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA Notas de la Figura 4.2.1.3-1: 1. 2. 3.

La suma de C y D de la Figura 4.2.1.3-1 debe ser al menos 0.9 L. Para la determinación del espaciamiento básico ver Sección 4.2.1. Todas las dimensiones están en pies.

Ejemplo: Entrar en la gráfica con dimensión A o B. Preferiblemente usar las dimensiones relacionadas a soportes cuya localización debe ser fija y permita que el otro punto de soporte varíe de posición. Asumir las siguientes condiciones: Línea de 8". Schedule 40. Corrosión permisible 0.10". La línea está llena de líquido. La línea es aislada. La temperatura de diseño es 300 Kæ. La dimensión A es fija a 15'-0". L de la Tabla 4.2.1-1 es 33'-0". Entre en la gráfica en la línea de fondo donde la dimensión de A es 150-0"; moverse verticalmente hacia arriba hasta la curva de L es igual a 330-0"; entonces moverse horizontalmente a la derecha y buscar la máxima dimensión para B que es 120-6". Esto significa que el largo de B debe ser menor o igual que 120-6".

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA 4.2.1.4 Separación de Soportes en Tuberías Horizontales en Forma de "U"

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA Notas de la Figura 4.2.1.4-1: 1. 2. 3.

La suma de C y D de la Figura 4.2.1.4-1 debe ser igual o menor que 0.9 L. Para la determinación de L ver Sección 4.2.1. Todas las dimensiones están en pies.

Ejemplo: Entrar en la gráfica con el valor de A o B. Preferiblemente con el valor del espaciamiento del soporte que deba estar fijo, permitiendo que el otro varíe. Suponer las siguientes condiciones: Línea de 12". Schedule 3/8". Corrosión permisible 0.10" Línea llena de agua. Línea sin aislamiento. Temperatura de diseño 100Kæ. Dimensión A es fija = 10’-0". L calculado de la Tabla 4.2.1-1 es 40’-0" Entrar por la gráfica en la línea de fondo donde la dimensión A es igual a 10’-0"; moverse verticalmente hacia arriba hasta intersectar la curva donde L es igual a 40’ -0"; entonces ir horizontalmente hacia la derecha y conseguir la dimensión máxima de B, el cual es 22’-6". Esto significa que la dimensión real de B debe ser menor o igual que 22’6".

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA 4.2.1.5 Separación de Soportes en Tuberías Horizontales en Planos Diferentes.

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Notas de la Figura 4.2.1.5-1: 1. 2. 3.

Todas las dimensiones están en pies. La separación de soportes debe ser usada donde aplique en los "Diagramas Típicos de Tuberías" mostrados en la Sección 4.2.1.1. Para la determinación del espaciamiento básico ver Sección 4.2.1.

Ejemplo: De las tres dimensiones A, B y C, se tienen dos de ellas fijas y se desea conocer el valor de la tercera. Entonces usar la gráfica para conseguir la dimensión máxima de "C". Suponer las siguientes condiciones: Línea de 10". Schedule 40. Corrosión permisible 0.10". La línea esta llena de líquido. La línea es aislada. La temp. de diseño es 500 Kæ L de la Tabla 4.2.1-1 es 35’-0". La dimensión A es fija = 7’-0" o 0.2 L. La dimensión B es fija = 14’-0" o 0.4 L. Entrar en la gráfica en la línea de fondo donde la dimensión A es igual a 0.2 L; moverse verticalmente hacia arriba hasta el punto donde la curva de B es igual a 0.4 L; entonces moverse horizontalmente hacia la izquierda para conseguir el máximo valor de C, el cual es para este ejemplo 0.5 L o 17’-6". El valor de C debe ser menor o igual a 17’-6".

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA 4.2.1.6 Máximo Espaciamiento Para Guías en Tramos Verticales TABLA 4.2.1.6-1 (Espaciamientos en pies) TAMAÑO TUBERIA

ESPESOR AISLAMI.

PRESION VIENTO 30 lb/pie2

PRESION VIENTO 35 lb/pie2

PRESION VIENTO 40 lb/pie2

PRESION VIENTO 45 lb/pie2

PRESION VIENTO 50 lb/pie2

1"

1"

22

19

17

15

13

1 1/2"

1"

23

20

17

15

14

2"

1"

24

20

18

16

14

3"

1"

27

23

20

18

16

4"

1"

29

25

22

19

17

6"

2"

33

28

25

22

20

8"

2"

37

32

28

24

22

10"

2"

41

35

31

27

25

12"

2"

45

38

34

30

27

14"

2"

47

40

35

31

28

16"

3"

50

43

38

33

30

18"

3"

53

45

40

35

32

20"

3"

56

48

42

37

34

24"

3"

60

51

45

40

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 = h D

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1 2 D

(4.2.1.6.A)

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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 4.2.1.6-1. 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.

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4.2.1.7 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 4.2.1.7-1 0

ESPACIAMIENTO

2” - 6"

12 m

8" - 24"

18 m

26" - 100"

24 m

4.2.1.8 Refuerzos en el Punto de Soporte Para Líneas de Gran Diámetro. (Dentro de los Límites de Batería. Hasta 350 Kæ) Las tuberías sin aislamiento y vacías, marcadas con (+) en la Tabla 4.2.1-1 requieren un refuerzo en el punto de soporte, con las dimensiones mostradas en la figura de el refuerzo de tubería "RE-04" del "Manual de Soportes Normalizados de Tubería". Doc # 903-3060-T31-GUD-002 Rev. 1, cuando la carga en el soporte supere el 100% WL.

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Las tuberías sin aislamiento llenas con agua, cuyos espaciamientos están marcados con (+) requieren refuerzo en concordancia con la Tabla 4.2.1.8-1 mostrada a continuación, y con las dimensiones mostradas en detalle en la figura de el refuerzo de tubería "RE04" del "Manual de Soportes Normalizados de Tubería". Doc # 903-3060-T31-GUD002 Rev. 1. TABLA 4.2.1.8-1 TAMAÑO TUBERIA

SCHEDULE

REFUERZO REQUERIDO

CORROSION PERMISIB.

16" 18" 20" 24" 16"

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

0.1" 0.1" 0.1" 0.1" 0.1"

18" 20" 24" 16" 18" 20" 24"

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" 0.25" 0.25" 0.25" 0.25"

NO REFUERZO

1/4"

3/8"

CARGA MAX. EN EL SOPORTE (%WL) 95 300 400 70 200 300 55 140 200 35 90 140 150 300 400 110 95 55 95 70 55 35

200 140 90 300 200 140 90

300 200 140 400 300 200 140

Notas: 1.

"%WL" significa el porcentaje del peso calculado de multiplicar el peso "W" de la Tabla 4.2.1-1 (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 4.2.1.11.

4.2.1.9 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 4.2.1-2, requieren refuerzos en los puntos de soporte en concordancia con la siguiente tabla y con las dimensiones mostradas en la figura de el refuerzo de tubería "RE-04" del "Manual de Soportes Normalizados de Tubería". Doc # 903-3060-T31-GUD-002 Rev. 1.

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TABLA 4.2.1.9-1

TUBERIA

TUBERIA SINAISLAMIENTO

SIN ISLAMIENTO LLENA DE AGUA VACIA REFUERZO REQUERIDO TAMAÑO TUBERIA

SCHEDULE

TUBERIA

CORROSION

NO REFUERZO

PERMISIB.

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

20"

3/8" WT

0.1"

105

200

45

130

200

24"

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

18"

1/2" WT

0.1"

135

275

70

200

300

20"

1/2" WT

0.1"

110

200

55

130

200

24"

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

18"

1/2" WT

0.25"

130

275

60

200

300

20"

1/2" WT

0.25"

105

200

45

130

200

24"

1/2" WT

0.25"

70

150

30

85

130

Notas: 1.

"%WL" significa el porcentaje del peso calculado de multiplicar el peso "W" de la Tabla 4.2.1-2 (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 4.2.1.11.

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4.2.1.10 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. Línea Tamaño

Carga Max. (Kg)

30" 36" 42" 48"

9300 18000 19700 20500

Máximo Espaciamiento (m) (Ver Nota 1) 14 18 15 13

54"

20800

10

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”, el cual se encuentra en la Biblioteca de Santa Paula.

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.

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* Ver Figura 4.2.1.10-1

FIGURA 4.2.1.10-1 EJEMPLO DE SADDLE 4.2.1.11 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:

F = 0.8058 S h t

t D

(4.2.1.11.A)

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. 4.3.

Análisis Estático El análisis estático se puede definir como el estudio de las cargas causadas por fuerzas mecánicas que no varíen rápidamente en función del tiempo y que estén presentes durante la operación normal del sistema de tuberías. Las cargas estáticas estén presentes hasta en un 100% del tiempo de la vida útil del sistema de tuberías. En su análisis se debe considerar la condición más desfavorable para el sistema.

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4.3.1.

Cargas Sostenidas. (Esfuerzos Longitudinales) Si se siguen las instrucciones para lograr un adecuado espaciamiento entre soportes de la Sección 4.2.1, el análisis de las cargas sostenidas se puede evitar. Sin embargo, en contadas excepciones podemos vernos obligados a hacerlo. En ésta sección se revisará la teoría y los métodos de análisis para las cargas sostenidas. El análisis a cargas sostenidas envuelve tanto el cálculo de los esfuerzos en la tubería como el de las cargas en los soportes. Las cargas sostenidas son aquellas debidas a la presión y al peso de la tubería. En la Sección 2.2.1 se muestra la relación entre las cargas sostenidas y los esfuerzos longitudinales y su criterio de diseño comparándolo con el esfuerzo admisible. El esfuerzo longitudinal debido a la presión se puede considerar constante y se debe usar la presión de flexibilidad si no se indica lo contrario. El esfuerzo longitudinal debido al peso varía de punto a punto a lo largo de la tubería y se debe estudiar en el punto más desfavorable del sistema. El método de análisis para los esfuerzos y las cargas debidas al peso de la tubería es bien conocido. Se divide el sistema de tuberías en pequeños segmentos con sus soportes, estos a continuación son modelados como vigas o cuerpos libres en equilibrio de fuerzas y momentos, solucionándolo estáticamente. Segmentos rectos, codos, válvula, bridas, etc., deben ser modelados como cargas concentradas para calcular las fuerzas y momentos en los soportes y conexiones. Ecuaciones de la Mecánica relacionan fuerzas cortantes, momentos flexores, deflexión y rotación en la tubería modelada como una viga. El esfuerzo torsor se calcula si no es factible despreciarlo.

4.3.2.

Cargas Debidas a la Expansión Térmica. (Esfuerzos Térmicos o Secundarios)

4.3.2.1 Introducción El sistema de tuberías debe tener la suficiente flexibilidad de tal manera que las expansiones (o contracciones) térmicas y los movimientos de los soportes o conexiones terminales no causen: 1.

Falla en la tubería o soporte por un excesivo esfuerzo o fatiga.

2.

Desplazamientos fuera de un rango admisible, produciendo fugas o interferencias con otras tuberías y/o miembros estructurales.

3.

Esfuerzo o distorsión perjudicial de la tubería o de los equipos conectados (bombas, recipientes, válvulas, etc.) como consecuencia de un excesivo empuje o momento en la tubería.

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El análisis de tuberías resulta de un compromiso entre la localización y uso de soportes a cargas y su interacción con las tuberías a altas o bajas temperaturas. Mientras más soportes son añadidos a un sistema, la tubería será más efectiva para soportar las cargas sustentadas y ocasionales. Sin embargo, cuando entran en operación la mayoría de las tuberías varían su temperatura con respecto a la de instalación y se expanden o contraen. Un sistema de tuberías muy restringido por los soportes posiblemente limitará su capacidad de expansión o contracción, generando grandes fuerzas en los puntos de restricción, causando altos esfuerzos en la tubería y/o en los equipos asociados, pudiendo sobrepasar los admisibles. De aquí la necesidad de optimizar la utilización de los soportes tanto en el tipo como en la cantidad. El trazado o arreglo de la tubería provee inherente flexibilidad a través de los cambios de dirección. La rigidez de una tubería recta entre dos restricciones se puede hacer más flexible de alguna de las siguientes maneras: a) Uno o varios lazos de expansión puede ser provistos si el espacio lo permite; b) Una junta de expansión puede ser instalada en la línea; c) Una de las restricciones puede ser reubicada de tal manera que la tubería cambie de dirección, haciendo que cada tramo resultante tubería absorba la expansión del otro tramo. Por otro lado, es inconveniente hacer el sistema innecesariamente flexible (a través del abuso en cambios de dirección o con la superflua inclusión de lazos o juntas de expansión) por el exceso de materiales que esto implica aumentando el costo de instalación y por el incremento de los costos de operación al aumentar la caída de presión. 4.3.2.2 Determinación de la Expansión La expansión térmica que nos concierne es la paralela al eje longitudinal de la tubería (dirección axial). La expansión térmica puede ser calculada por la siguiente ecuación: (4.3.2.2.A)

∆ = L α ( T O - T amb )

Donde: ∆ = Expansión térmica en la dirección longitudinal o axial, pulg. L = Longitud de la tubería, pulg. α = Coeficiente de expansión térmica, pulg/(pulg. x °F) TO = Temperatura de operación del sistema, °F. Tamb = Temperatura ambiente, °F. La norma ANSI/ASME B 31.3 facilita los valores de la expansión (y la contracción) térmica lineal para distintos materiales y temperaturas de operación, con respecto una temperatura ambiente estándar de 70 °F. Ver la tabla C-1 del Anexo A o referirse a la norma.

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4.3.2.3 Análisis de Flexibilidad. La norma ANSI/ASME B31.3 establece que no se requiere ningún análisis formal de flexibilidad si cumple con alguna de las siguientes condiciones: a.

Sistemas duplicados o reemplazos sin cambios significativos de configuración, de un sistema operando con exitoso historial de servicio. (Tubería Categoría IV para este manual)

b.

Sistemas que puedan ser adecuadamente juzgados por comparación con otros sistemas previamente analizados. (Tubería Categoría IV para este manual).

c.

Sistemas de tamaño uniforme, que no tenga más que dos puntos de fijación, sin restricciones intermedias y que cumpla con la siguiente ecuación empírica:

Dy 2 ≤ K1 (L -U )

(4.3.2.3.A)

Donde:

D = Diámetro exterior de la tubería, pulg. (mm) y = Resultante de todas las expansiones térmicas, pulg, (mm), a ser absorbida por el sistema de tuberías. L = Largo total desarrollado por la tubería entre anclajes, pie, (metros). U = Distancia entre anclajes, en línea recta entre ellos, pie, (metros). K1 = 0.03 para las unidades inglesas = 208.3 para unidades SI. La desigualdad del código no permite la evaluación directa de los esfuerzos (ni de sus reacciones y deflexión), sin embargo, su formulación nos dice que cuando el lado izquierdo alcanza un valor de 0.03, la flexibilidad inherente de la tubería ha llegado al límite admisible. Entonces, el rango de esfuerzo admisible SE para las unidades inglesas se puede estimar como: SE =

33.3Dy 2 SA (L -U )

(4.3.2.3.B)

Como no existe prueba analítica de las ecuaciones anteriores, éstas se deben aplicar con mucho cuidado. Se deben tomar precauciones para configuraciones anormales (configuraciones en "U" no proporcionales), tuberías de gran tamaño y pared delgada, condiciones donde existan movimientos extraños diferentes a la expansión de la tubería, con movimientos en los soportes, etc. T31GU003/25/03/02/mrp/SP

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Es importante resaltar que la Ecuación 4.3.2.3.A no asegura que las reacciones terminales (para boquillas de equipos) sean satisfactorias. EJEMPLO 4.3.2.3-1. Verificar si es necesario un análisis formal para la configuración dada en la Figura 4.3.2.3-1, usando la Ecuación 4.3.2.3.A. El diámetro de la tubería es de 10", la temperatura de operación es 300 °F, el coeficiente según la Tabla C-1 (ver Anexo A) para acero al carbono A106 GR. B es 0.0182 pulg./pie. La expansión en cada dirección es:

∆x = (15 + 25 ) x (0.0182 ) = 0.728 pulg ∆y = (50 - 10 ) x (0.0182 ) + (2 - 1 ) = 1.728 pulg ∆z = (15 ) x ( 0.0182 ) = 0.273 pulg y =

0.728 2 + 1.728 2 + 0.2732 = 1.895 D = 10.75 pulg

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Figura 4.3.2.3-1

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U =

40 2 + 40 2 + 152 = 58.5 pies (Distancia en lÍnea recta entre soportes)

L = 15 + 10 + 15 + 50 + 25 = 115 pies. Según la ecuación 2.2.2.1.D:

SA= = =

1.0 (1.25 Sc + 0.25 Sh ) = 1.25 x ( 20000 ) + 0.25 x ( 20000 ) 30000 psi. Dy 10.75(1.895) 2 = 2 = 0.00638 ≤ 0.03 (L -U ) (115 - 58.5 )

Conclusión: no se requiere análisis de flexibilidad. Si se quiere calcular el valor de SE, según la Ecuación 4.3.2.3.B: SE =

33.3Dy 2 S A = 33.3(0.00638)30000 = 6374 psi (L -U )

4.3.2.3.1

Método

Cantilever Este método es comúnmente usado por su simplicidad y aplicabilidad a cualquier configuración espacial que tenga dos puntos fijos. Para utilizarlo correctamente se deben tener presentes las siguientes suposiciones: 1. El sistema tiene solamente dos puntos terminales, sin restricciones intermedias y está compuesto por secciones de tuberías rectas de diámetro y espesor uniforme. 2. Todas las secciones de tuberías son ortogonales entre sí y forman un ángulo de 90° en sus uniones.

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3.

La expansión térmica de un brazo de tubería es absorbida por el (los) brazo(s) perpendicular(es) a ésta.

4.

La cantidad de la expansión térmica que un brazo puede absorber es inversamente proporcional a su rigidez. Como son brazos de sección transversal idéntica, sus rigideces varían de acuerdo al inverso del cubo de sus longitudes.

5.

Las secciones de tubería no tienen ramales. Sin embargo, el efecto de un ramal sobre la tubería del cabezal se puede despreciar si el diámetro del ramal es menor que la mitad del diámetro del cabezal. Pero la flexibilidad del ramal, para absorber los movimientos del cabezal debe ser comprobada.

6.

Durante su adaptación a la expansión térmica, las secciones de tubería actúan como vigas en voladizo guiadas; es decir, ellas están sujetas a flexión por los desplazamientos de uno de sus extremos, pero sin experimentar rotación en el extremo o codo que mantiene su ángulo de 90°. Esta condición se demuestra en la Figura 4.3.2.3.1-1.

El método de Cantilever se puede resolver de varias maneras, a continuación se muestran varios métodos reconocidos.

FIGURA 4.3.2.3.1-1

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4.3.2.3.1.1 Método analítico Las ecuaciones de la Mecánica para una viga a esfuerzo de flexión, guiada en su extremo se desarrollan a continuación: a) Largo permisible de una sección de tubería para un desplazamiento térmico perpendicular en su extremo es:

L =

E c Do ∆ 48 S A

(4.3.2.3.1.1.A)

b) Desplazamiento perpendicular permisible para una sección de tubería:

48 L2 S A ∆ = E c Do

(4.3.2.3.1.1.B)

c)

El esfuerzo flexor máximo

para la sección de tubería es:

Sb =

6FL Mb = Z Z

(4.3.2.3.1.1.C)

Donde Z, el módulo de sección, se puede buscar por tablas o calcular por la siguiente ecuación:

Z = π r 2MED t

(4.3.2.3.1.1.D)

d) Para un desplazamiento ∆ se produce la siguiente fuerza cortante y momento flexor en la restricción: Mb =

E c I∆ 24 L2

F =

E c I∆ 144 L3

(4.3.2.3.1.1.E) (4.3.2.3.1.1.F) Donde:

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L SA Ec DO Sb Mb F rMED t I Z 4.3.2.3.1.2

= Desplazamiento térmico perpendicular al largo L del brazo en estudio, pulg. = Largo del brazo de tubería en estudio, pies. = Rango de los esfuerzos térmicos admisibles, psi. = Módulo de elasticidad a la temperatura de instalación, 27.9 x 106 psi, para aceros. = Diámetro exterior de la tubería, pulg. = Esfuerzo flexor máximo, psi. = Momento flexor en la restricción, lb-pulg. = Fuerza cortante en la restricción, lb = Radio medio de la tubería, pulg = Espesor de la tubería, pulg = Momento de inercia de la tubería, pulg4 = Módulo de sección de la tubería, pulg3

Método Gráfico El método analítico no provee resultados precisos, esto es debido a que el codo es flexible y el brazo es libre de rotar en cierto grado, esto redistribuye los momentos desarrollados en el sistema. En la mayoría de los casos este método da resultados conservadores; sin embargo, en muchos casos es deseable una mayor precisión. Una forma de corregir esto es usar modificaciones del método o a través de cartas o tablas para el cálculo de las reacciones térmicas como las que se muestran en las próximas secciones. A continuación se muestra un método Gráfico cuyo uso, ver Figura y Tablas 4.3.2.3.1.2-1, se ilustra con en el siguiente ejemplo. Ejemplo 4.3.2.3.1.2-1. Aplicar el Método Gráfico de esta sección al pequeño sistema mostrado a continuación. El tramo de tubería de 2.5 metros recibe la mayor deflexión 0.13 pulgadas. Entrando en la Gráfica Cantiliver Guiado Figura 4.3.2.3.1.2-1 en parte inferior derecha donde dice DEFLEXION ), se desplaza en la vertical hacia arriba hasta la línea inclinada de tamaño de tubería de 12". Luego se sigue una dirección paralela a las líneas de L S A / 10 3 (en nuestro ejemplo se sigue sobre la línea igual a 1.0) hasta coincidir con la proyección de una línea vertical para un esfuerzo de 18000 psi. Desde esta intersección se desplaza horizontalmente hacia la izquierda hasta leer el largo requerido en pies, aproximadamente 7.4 pies ( 2.25 metros). Como nuestro brazo es de 2.5 la tubería cumple con los requerimientos.

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA Para el cálculo de las reacciones utilizaremos la Tabla de Fuerzas (Tabla 4.3.2.3.1.2-1). Lo más importante que hay que tener en cuenta aquí es que el largo de la sección de tubería que está en la tabla, es el de la sección perpendicular a la que se le calcula las fuerzas. Para el brazo de 2.5 metros (8.20 pies) buscaremos la intersección entre 8 pies de largo y 12.75 de diámetro y el valor encontrado lo multiplicaremos por la expansión en pulgadas. En nuestro caso el valor en la intersección es "56849" (en caso de se considere necesario se puede interpolar entre 8 y 9). F = 56849

lb x 0 .1 3 p u lg - ex p = 7 3 9 0 lb (d ire ccio n + Y ) p u lg - e x p

M = 8.20 pies x 7390 lb = 60598 lb - pie. (dirección - Z)

Para

F = 13248

lb x 0.081 pulg - exp = 1073 lb (dirección - X) pulg - exp

M = 13.12 pies x 1073 lb = 14078 lb - pie. (dirección + Z)

el brazo de 4 metros (13.12 pies) el valor de la tabla es 13248, dando:

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Acordarse, para la evaluación de las boquillas o restricciones, que la expansión de una tubería es restringida en sus uniones, y por lo tanto, la fuerza calculada para un extremo la recibirá el otro extremo en sentido contrario. Es decir las reacciones en las boquillas serán:

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F X = + 1073 lb F Y = + 7390 lb M Z = - 60598 lb - pie

F X = - 1073 lb F Y = - 7390 lb M Z = + 14078 lb - pie

Nota importante: Los espesores y el módulo "I" mostrados debajo de los diámetros en la Tabla de Fuerzas, sirven para corregir el cálculo de la fuerza cuando se tengan tuberías con espesor diferente al mostrado. Esto se consigue multiplicando la fuerza o el valor las tablas por la razón de los momentos de inercia entre la tubería real y la tabulada. Por ejemplo, si la tubería del ejemplo fuera de sch. 20 la razón entre módulos sería 191.1 pulg4 /279.33 pulg4 = 0.6841, este valor es el hay que multiplicar a la fuerza. 4.3.2.3.2

Métodos Simplificados Soluciones especiales son usualmente presentadas en forma de tablas o cartas, las cuales son convenientes para resolver configuraciones simples. En las Figuras 4.3.2.3.2-1 cada carta aplica a una configuración específica aunque el largo de los brazos o secciones de tubería pueden variar. Como el número de variables que pueden manejar es limitado, estas soluciones están restringidas al número de brazos mostrados en cada configuración. Las cartas presentadas en esta sección son útiles para las configuraciones mostradas y proveen directamente el largo requerido en vez del esfuerzo para cada configuración asumida. Una dato asumido para todas las cartas presentadas es que el módulo de elasticidad es 29 x 106 psi. Las cartas están basadas en análisis precisos (sin suponer esquinas cuadradas) y los resultados serán tan precisos como precisa sea la lectura de las cartas. Las Cartas C-5, C-7, C-9, C-11, pueden ser usadas para determinar el largo requerido para un rango admisible de esfuerzos dado. Para los casos donde el cálculo de las reacciones terminales sea importante, como las reacciones a equipos, las mismas se pueden calcular por medio de las Cartas C-6, C-8, C-10, C-12. Las cartas han sido construidas para esfuerzos dados en función de SA . Para propósitos de diseño se puede aplicar un valor de 18000 psi.. Para las Cartas C-5 y C-6, tenemos el caso de dos brazos mostrados como en el ejemplo anterior que ilustra el método cantilever. La segunda solución en forma de carta es desarrollada para un sistema de dos miembros, sujeto a un desplazamiento en una de sus terminaciones en el mismo plano. La figura de la Carta C-7 muestra la terminación A desplazándose en su dirección longitudinal (en dirección AB). Estructuralmente, esto es equivalente a un movimiento horizontal de C hacia la izquierda. Este desplazamiento es, sin embargo, perpendicular a el brazo BC. Con una apropiada discreción, esta solución puede ser aplicada a movimientos terminales en direcciones tanto perpendicular como paralela

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA a las secciones o brazos de tubería. Los datos requeridos son los mismos a los de las cartas anteriores. El largo mínimo requerido, donde se iguala al valor del esfuerzo admisible es conseguido en la Carta C-7. Las fuerzas y momentos en las restricciones se encuentran en la Carta C-8. El tercer caso es mostrado en la figura de la Carta C-9, este arreglo está formado por dos secciones unidas en ángulo cerrado, en el cual uno de los extremos sufre un desplazamiento normal al plano de los miembros o secciones. Dados un diámetro nominal, el largo L de la sección de tubería más larga, el rango admisible de esfuerzo SA y el desplazamiento ), el largo requerido KL de la sección BC es conseguido en la Carta C-9. De la Carta C-10, los momentos y las fuerzas actuando en los extremos (retricciones) pueden ser conseguidos. El cuarto caso es la solución gráfica para el importante lazo de expansión simétrico, como el mostrado en la figura de la Carta C-11. Los datos que se necesitan para la carta C-11 son: el diámetro D de la tubería, la distancia L entre guías, el rango de esfuerzo admisible SA y la expansión térmica ) entre anclajes. El valor de K2L es conseguido a partir de cualquier valor de K1L. De la Carta C-12, las fuerzas que actúan en los puntos de anclaje y los momentos en las guías pueden ser encontrados. Por último, la Carta C-13 es una adaptación más del método Cantilever.

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TABLA 4.3.2.3.1.2-1. METODO CANTILEVER GUIADO TABLA DE FUERZAS Fuerza en: lb/pulg de expansión, está dada en la tabla en la intersección del diámetro en pulgadas y el largo del brazo en pies. DIAMETRO ESPESOR MODULO “I” LARGO SECCION 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44

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2.37 0.154 0.665

3.50 0.216 3.01

4.50 0.237 7.23

6.62 0.280 28.14

8.62 0.322 72.48

10.75 0.365 160.73

12.75 0.375 279.33

14.00 0.375 372.00

8671 2569 1083 554 321 202 135 95 69 52 40 31 25 20 16 14 11 10 8 7 6 5 5 4 3 3 3 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1

39298 11644 4912 2515 1455 916 614 431 314 236 181 143 114 93 76 63 53 45 39 33 29 25 22 20 17 15 14 12 11 10 9 8 7 7 6 6 5 5 4 4 4 3 3

94204 27912 11775 6029 3489 2197 1471 1033 753 566 436 343 274 223 183 153 129 109 94 81 70 61 54 48 42 38 34 30 27 25 22 20 19 17 16 14 13 12 11 10 10 9 8

366552 108608 45819 23459 13576 8549 5727 4022 2932 2203 1697 1334 1068 868 715 596 502 427 366 316 275 241 212 187 166 148 133 120 108 98 89 81 74 68 62 57 53 49 45 42 39 36 34

944174 279755 118021 60427 34969 22021 14752 10361 7553 5674 4371 3438 2752 2238 1844 1537 1295 1101 944 815 709 620 546 483 429 383 344 309 279 253 230 210 192 176 161 149 137 127 118 109 101 95 88

620316 261696 133988 77539 48829 32712 22974 16748 12583 9692 7623 6103 4962 4089 3409 2871 2441 2093 1808 1572 1376 1211 1071 952 850 762 686 620 562 511 466 426 390 358 330 305 282 261 243 226 210 196

454793 232854 134753 84859 56849 39926 29106 21868 16844 13248 10607 8624 7106 5924 4990 4243 3638 3142 2733 2392 2105 1862 1656 1478 1325 1193 1078 977 888 809 740 678 623 574 530 490 454 422 392 366 341

606901 310733 179822 113241 75862 53280 38841 29182 22477 17679 14155 11508 9482 7905 6660 5662 4855 4194 3647 3192 2809 2485 2209 1973 1769 1592 1438 1303 1185 1080 988 905 832 766 707 654 606 563 524 488 455

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA TABLA 4.3.2.3.1.2-1. Continuación) METODO CANTILEVER GUIADO TABLA DE FUERZAS DIAMETRO ESPESOR MODULO “I” LARGO SECCION 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50

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16.00 0.375 562

18.00 0.375 806

20.00 0.375 1113

24.00 0.375 1942

28.00 0.375 3105

30.00 0.375 3829

36.00 0.375 6658

42.00 0.375 10621

114393 80341 58569 44003 33894 26658 21344 17353 14299 11921 10042 8539 7321 6324 5500 4813 4236 3748 3332 2975 2668 2401 2169 1966 1787 1629 1490 1366 1255 1156 1067 987 915 849 790 736 687 642 601 564 529 497 468

164162 115296 84051 63148 48640 38257 30630 24904 20520 17107 14412 12254 10506 9075 7893 6908 6080 5379 4782 4270 3828 3446 3113 2821 2565 2338 2138 1960 1801 1659 1531 1416 1313 1219 1134 1057 986 922 863 809 760 714 672

226609 159154 116023 87170 67143 52810 42282 34377 28326 23615 19894 16915 14502 12528 10896 9535 8392 7425 6601 5894 5285 4757 4297 3894 3540 3228 2951 2706 2486 2290 2114 1955 1812 1683 1566 1459 1362 1273 1191 1117 1049 986 928

395289 277624 202388 152057 117122 92120 73756 59966 49411 41194 34703 29506 25298 21853 19007 16634 14640 12952 11515 10282 9219 8298 7495 6793 6176 5631 5149 4720 4337 3995 3688 3411 3162 2936 2731 2545 2375 2220 2079 1949 1830 1720 1619

631941 443832 323554 243090 187241 147270 117913 95867 78992 65856 55479 47172 40444 34937 30386 26592 23405 20707 18408 16438 14739 13266 11983 10860 9874 9003 8232 7546 6934 6387 5896 5454 5055 4694 4367 4069 3798 3550 3324 3116 2925 2750 2588

779353 547365 399029 299796 230919 181624 145418 118230 97419 81219 68420 58175 49878 43087 37474 32796 28864 25537 22703 20272 18177 16361 14778 13394 12177 11103 10152 9306 8552 7877 7271 6726 6234 5789 5385 5018 4684 4378 4099 3843 3608 3391 3192

951798 693861 521308 401540 315822 252864 205588 169399 141229 118974 101160 86732 74922 65163 57028 50192 44407 39477 35251 31608 28449 25698 23290 21174 19307 17653 16183 14871 13698 12645 11697 10841 10067 9365 8727 8145 7614 7128 6683 6274 5897 5550

831533 640492 503764 403342 327932 270207 225274 189775 161360 138346 119508 103941 90965 80061 70833 62970 56229 50417 45379 40991 37151 33775 30797 28159 25813 23721 21850 20170 18657 17293 16058 14938 13920 12992 12145 11370 10660 10007 9407 8854

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TABLA 4.3.2.3.1.2-1. Continuación) METODO CANTILEVER GUIADO TABLA DE FUERZAS DIAMETRO ESPESOR MODULO “I” LARGO SECCION 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58

T31GU003/25/03/02/mrp/SP

48.00 0.250 10688

54.00 0.250 15245

60.00 0.250 20942

66.00 0.250 27905

72.00 0.250 36263

78.00 0.250 46143

84.00 0.250 67671

90.00 0.250 70975

162382 139222 120265 104600 91541 80568 71282 63360 56586 50732 45667 41251 37386 33989 30992 28337 25977 23872 21988 20297 18776 17402 16160 15033 14008 13075 12222 11442 10727 10071 9467 8910 8396 7921 7481 7073 6694 6342 6014 5708

231607 198574 171536 148191 130565 114915 101670 91190 80709 72366 65135 58836 53324 48480 44205 40418 37051 34049 31962 28950 26780 24821 23049 21442 19980 18648 17433 16320 15301 14364 13502 12708 11975 11298 10670 10088 9548 9045 8578 8141

318147 272772 235630 204937 179952 157854 139659 124156 110866 99406 89473 80821 73249 66594 60722 55520 50896 46771 43080 39768 36787 34096 31662 29453 27446 25617 23947 22419 21018 19731 18548 17457 16450 15519 14657 13858 13116 12425 11783 11184

423937 363473 313981 273082 238989 210343 186098 165440 147730 132461 119225 107695 97606 88738 80913 73981 67820 62323 57405 52992 49019 45434 42190 39247 36572 34135 31909 29873 28007 26292 24715 23262 21920 20680 19531 18466 17477 16557 15701 14903

550907 472334 408020 354871 310567 273341 241835 214990 191976 172133 154933 139950 126839 115316 105147 96139 88132 80990 74599 68863 65700 59041 54826 51002 47526 44358 41466 38820 36395 34167 32118 30229 28485 26873 25381 23997 22711 21516 20483 19366

700992 601013 519178 451550 395176 347808 307718 273561 244277 219028 197142 178078 161394 146731 133792 122331 112142 103054 94922 87624 81055 75126 69762 64897 60474 56443 52763 49397 46310 43476 40868 38464 36246 34195 32295 30534 28899 27378 25962 24642

876125 751167 648886 564363 493905 434703 384597 341906 305306 273749 246395 222568 201716 183390 167218 152893 140159 128801 118637 109515 101305 93895 87191 81110 75582 70545 65946 61738 57880 54337 51078 48074 45301 42738 40364 38163 36119 34218 32449 30799

924454 798578 694556 607843 534985 473320 420780 375737 336900 303236 273912 248250 225696 205794 188164 172492 158514 146005 134779 124675 115556 107305 99822 93018 86819 81159 75980 71233 66873 62861 59165 55752 52597 49676 46967 44451 42112 39934 37904

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4.3.2.3.3

Mecanismos de Reducción de Cargas Térmicas Los cambios en la dirección de la tubería otorgan de una mayor flexibilidad al sistema. Sin embargo, en ocasiones este solo hecho no es suficiente para resolver los problemas originados por la expansión o contracción térmica. Se han diseñado mecanismos, procedimientos y soportes, para reducir las cargas térmicas. En esta sección se mostrarán algunos de estos procedimientos.

4.3.2.3.3.1 Cold Spring (Pretensado en Frío) El "Cold Spring" se define como el pretensado o predeformación del sistema de tuberías antes de su unión por soldadura con una boquilla o punto terminal, para reducir las fuerzas y momentos causados por la expansión (o contracción) térmica. El "Cold Spring" puede ser "Cuy Sortee" (Corte corto) para operación de tuberías en caliente o "Cuy Long" (Corte largo) para tuberías de servicio criogénico (o frío). El "Cut Short" se consigue reduciendo la longitud de la tubería indicada en el plano en una cantidad deseada, pero nunca excediendo la expansión calculada. El "Cut long" es hecho aumentando la longitud indicada en el plano (haciendo la tubería más larga). La cantidad de "Cold Spring" (C) se expresa como un porcentaje o fracción de la expansión térmica. El "Cold Spring" no tiene la capacidad de reducir los esfuerzos en las tuberías. En la Figura 4.3.2.3.3.1-1 se muestra la posición de la tubería antes y después del "Cold Spring" ("Cut Short" en este caso). El largo de la tubería es inicialmente de 85 pies y tiene una expansión calculada de 1.54 pulg. para una temperatura de 300 °F. El porcentaje de "Cold Spring" deseado es, para este caso, de 50%. El largo de la tubería a ser reducido es igual al producto del porcentaje del "Cold Spring" por la expansión real, es decir 0.77 pulg. Por razones prácticas, el "Cold Spring" usado en el sitio es 3/4 pulg., como puede verse la tubería es halada hacia la izquierda de la figura durante su instalación. Esto es hecho por una fuerza física usando un equipo como por ejemplo un tractor; en esta posición la tubería es soldada a la boquilla o anclaje. Cuando la tubería se calienta, cruza su posición neutral y crece hacia el otro lado.

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Las siguientes dificultades pueden presentarse con respecto al "Cold Spring": 1. Considerar el pretensado para el cálculo de esfuerzos lo cual es erróneo. Sólo se deberá considerar para el cálculo de cargas y momentos sobre equipos y soportes. 2. En construcción pueden obviar la necesidad del "Cold Spring" y no aplicarlo. La cantidad de fuerza necesaria para empujar líneas grandes a su posición inicial, para la soldadura, puede ser considerablemente grande. 3. La reacción en frío (ambiente) sobre las boquillas necesita ser calculada y se debe tener la seguridad de que el equipo sea capaz de soportar la carga adicional de la pretensión en dicha condición. 4. Las deflexiones en la localización del "Cold Spring" se mantendrán iguales, porque el "Cold Spring" solo relocaliza los puntos de soldadura en la unión de la tubería, pero no reduce la expansión que experimentará. La expansión es un dato importante que debe mantenerse en cuenta para no subestimar la deflexión y por lo tanto usar un Spring más pequeño. 5. El "Cold Spring" debe ser indicado en los puntos de soldadura para evitar el costo de soldaduras adicionales.

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4.3.2.3.3.1.1 Reacciones Máximas en Sistemas Simples Debidas al Cold Spring Para un sistema de tuberías de dos anclajes o soportes fijos, sin restricciones intermedias, los valores instantáneos máximos de las reacciones (Fuerzas y momentos) pueden ser estimados de las Ecuaciones 4.3.2.3.3.1.1.A/B (a) Para Condiciones del Desplazamiento Extremo, Rm. La temperatura es la máxima o la mínima definida para el metal, cualquiera que produzca la mayor reacción: (b) Rm = R ç 1 -

2C E m ÷ 3 Ea

Donde: C= Factor de "Cold Spring" varía desde 0 para ninguna aplicación del "Cold Spring" hasta 1.0 para 100% de "Cold Spring". (El factor de 2/3 es basado en la experiencia de que el "Cold Spring" especificado nunca puede ser conseguido en el campo, aún con las más elaboradas precauciones). Ea = Módulo de elasticidad a la temperatura de instalación. Em = Módulo de elasticidad a la máxima o Mínima temperatura del metal. R= Rango de fuerzas o momentos (derivados del análisis de flexibilidad) correspondientes al rango de esfuerzos por los desplazamientos totales y basados en Ea. Rm = Estimación de la fuerza o momento de reacción máximo para la temperatura máxima o Mínima del metal. (b)

Para las Condiciones Originales, Ra. La temperatura para este cálculo es la temperatura esperada cuando se instale la tubería. Ra = CR o C1 R, cualquiera que sea el mayor. (4.3.2.3.3.1.1.B)

donde la nomenclatura es igual que para el apartado (a) y C1 = 1 -

4.3.2.3.33.1.1.C)

Sh Ea SE Em

C1 = "Self-Spring" estimado o factor de relajación; usar cero si C1 da valores negativos. Ra = Fuerza o momento instantáneo estimado en el momento de la instalación. SE = Rango de esfuerzos de desplazamientos o térmicos estimado. Sh = Esfuerzo máximo admisible a la temperatura de diseño o caliente del material.

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Para sistemas de múltiples puntos rígidos o dos puntos terminales con restricciones intermedias, las ecuaciones anteriores no pueden ser aplicadas. Cada caso debe ser estudiado para estimar el lugar, naturaleza y extensión de la elongación local y sus efectos sobre la distribución de los esfuerzos y las reacciones. Ejemplo 4.3.2.3.3.1.1-1. Calcular los momentos de reacción en la boquilla en frío y en caliente, después de aplicar 55% de "Cold Spring". El sistema es mostrado en la Figura 4.3.2.3.3.1.1-1. El momento calculado del análisis de flexibilidad sin "Cold Spring" es 2500 lb-pie.

El material de la Tubería es acero inoxidable A312 TP 304, La temperatura es de 900 °F.

R = momento antes del Cold Spring = 2500 lb-pie C = 0.55 Em = Módulo a la temperatura de operación = 23.5 x 106 psi. Ea = Módulo a la temperatura de instalación = 28.3 x 106 psi.

Rm = R ç 1 -

2(0.55)ö 23.5x 10 6 2C E m æ = 1315 lb - pie = 2500 ç 1 ÷ ÷ è 3 28.3x 10 6 3 Ea

Para calcular la reacción en caliente, usando la Ecuación 4.3.2.3.3.1.1.A Para calcular la reacción en frío, solo podemos evaluar CxR, ya que para evaluar C1 necesitamos SE y no lo tenemos, Ra = CR = 0.55(2500) = 1375 lb - pie

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La boquilla del equipo debe ser capaz de soportar el momento de 1315 lb-pie en las condiciones de operación como las 1375 lb-pie de las condiciones de instalación o en frío. 4.3.2.3.3.2 Lazos de Expansión Los lazos de expansión o "loops" proveen longitud perpendicular a la dirección de la tubería para absorber la expansión térmica, pueden ser simétricos o asimétricos. Los primeros tienen la ventaja de que la sección perpendicular absorbe cantidades iguales de la expansión en ambas direcciones. Por su parte, los lazos asimétricos son usados en ocasiones para aprovechar soportes existentes o para localizar el lazo en el cruce de carreteras. Los lazos de diferentes líneas pueden ser colocados uno al lado de otro en los rack de tuberías. Las líneas más grandes y calientes se localizan en la parte externa porque necesitan mayor desarrollo de tubería en la perpendicular. Los lazos tridimensionales son ampliamente usados porque no bloquean el recorrido de las líneas rectas. La altura usual de la sección vertical es de 3 pies. 4.3.2.3.3.2.1 Dimensionamiento, Fuerzas y Esfuerzos El cálculo de las fuerzas en los stops se realiza por medio de las tablas ITT GRINNEL, que se encuentran al final del ANEXO A A continuación se da un ejemplo de cómo dimensionar un lazo y como calcular las fuerzas y los esfuerzos que se generan. Ejemplo 4.3.2.3.3.2.1-1: Dada una tubería de q 6" SCH 40, ASTM-A53 G.R.B., SMLS operando a una temperatura de 176 EC (350 EF) y 36 mts (120 ft) entre los stops (" = 2.26 in/100 ft). a. b. c.

Calcular las dimensiones del lazo. Calcular las fuerzas en los Stops. Esfuerzo máximo de flexión.

En primer lugar hay que calcular la expansión térmica que va a absorber. ∆=α+L ∆ = Expansión térmica α = Coeficiente de expansión térmica L = Longitud de tubería entre stops ∆ = 2.26 pug x 120 ft = 2.71 pulg T31GU003/25/03/02/mrp/SP

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA 100 pies Entrando en la Gráfica 2-69 se obtiene, que para una tubería de q 6" y una expansión (movement between stops) de 2.71 pulg. se obtiene un brazo H (Loop Height) de 9.5 pies aproximadamente: H = 9.5 pies = 2.895 mts . 2.9 mts. El valor de W puede ser igual o menor a H pero nunca menor de H/2, por lo tanto: W = 2.9 mts Una vez dimensionado el lazo se procede al cálculo de las fuerzas en los stops. De la Tabla 2-64.1 (a la fórmula que aparece en la Tabla 2-81 se le aplica la corrección L'/L para tomar en cuenta el efecto combinado de la guía y el anclaje, tenemos que: I p L′ Fx = Kx c L† L Donde: Fx = Fuerza de Reacción (lb.) Kx = Coeficiente de la Tabla 2-81 C = Coeficiente de expansión por Tabla 2-64.1 Ip = Momento de inercia de la tubería (m4) L = Distancia entre guías (pie) L' = Distancia entre anclajes (pie) Como primer paso debemos calcular el factor L/W = 6/2.9 = 2.0 Segundo, calculamos el factor L/H = 6/2.9 = 2.0 Como los valores anteriores obtenemos Kx y C Kx = 12

por Tabla 2-81; C = 365

por Tabla 2-64.1

Ip = 28.14 in4 (de la tabla de tuberías) L = 6 mts x 1000 mm x 1 m x 1 ft = 19.68 ft 1m 25,4mm 12m Fx = 12 x 365 x 28.14 (120 ) = 1939 lb = 880,3 Kg . 885 Kg 19,685 19.68 El esfuerzo máximo de flexión viene dado por: SB = KB C D (L') L L

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA Donde: SB = Esfuerzo máx. de flex. (psi) KB = Coeficiente de la Tabla 2-81 C = Coeficiente de expansión Tabla 2-64.1 D = Diámetro ext. tub. (pulg) L = Distn. entre guías (pie) L' = dist. entre anclajes (pie) KB = 18 Tabla 2-81 ; C = 365 Tabla 2-64.1 D = 6,625 pulg ; L = 19.68 pies (6 mts) SB = 18 x 365 x 6.625 ( 120 ) 19.68 19.68 SB = 13.481 psi = 948 Kgr/cm5 El factor de intensificación de esfuerzos para codo de 6", 90E LR es 2.27. SB = 948 x 2.27 Kg/cm5 = 2150 Kg/cm5 La distancia entre guías depende mucho de la distancia entre pórticos del rack, por esta razón se tomó 6 mts que es un valor de práctica común de ingeniería. El valor del esfuerzo SB debe ser menor que el SADM de la norma correspondiente. Por alguna de las siguientes razones, un lazo de expansión puede ser la elección más apropiada: 1.

Los cambios de dirección son adaptables a la ruta de la tubería.

2.

Una junta de expansión es impráctico para tuberías de pequeño diámetro y a altas presiones.

3.

El fluido puede crear un problema de corrosión sobre el fuelle de la junta.

4.

La junta de expansión es prohibida por el código aplicable o estándar de diseño.

4.3.2.3.3.3

Juntas de Expansión A diferencia de válvulas, bridas u otros accesorios instalados en la tubería, la junta de expansión es un accesorio mucho más flexible que la tubería, y permite absorber compresiones o expansiones, desviaciones laterales y rotaciones de la tubería.

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Dentro de las razones que pueden motivar el uso de juntas expansión, se encuentran: 1.

El espacio es inadecuado para que un lazo dé la suficiente flexibilidad.

2.

Una Mínima caída de presión o de turbulencia en la tubería es esencial para el proceso o para la operación de la instalación.

3. El fluido es abrasivo y fluye a alta velocidad. 4.

La estructura de soporte disponible es inadecuada para el tamaño, la forma o el peso del lazo de expansión.

5.

Un lazo de expansión puede ser impráctico para tuberías de diámetro grande y a presiones bajas.

Existen juntas de expansión específicas para absorber cada tipo de movimiento de la tubería. Las juntas de expansión pueden clasificarse como deslizantes y flexibles. Existen movimientos relativos de partes adyacentes en el caso de las juntas deslizantes. las "Slip Joints" (Junta Movedizas o Resbaladizas), "Swivel Joints" (Uniones o articulaciones giratorias) y "Ball Joints" (Juntas Esféricas o de Bola, Juntas de Rótula) están agrupadas bajo la denominación de juntas deslizantes. Los acoplamientos (Coupling) Dresser o Vitaulic son algunos de los nombres de fábrica para este tipo de juntas. Las juntas deslizantes también se denominada "Packed Joints" porque vienen con recipientes sellados o "empaquetados" para contener la presión interna y evitar las fugas. Las Juntas flexibles pueden ser divididas en: "Bellow Joints" (Juntas de tipo fuelle), "Metal Hose" (Junta de Manguito) y tubería corrugada. La junta de expansión de tipo fuelle es la más usada. El fuelle es el elemento flexible que puede contener una o mas corrugaciones. El fuelle se une a la tubería por medio de bridas, o en el casos especiales, se puede soldar directamente a la tubería. Los fuelles suelen ser de materiales muy tenaces debido a que deben ser a la vez delgados, flexibles y resistentes a solicitaciones de fuerzas mecánicas, y a la corrosión o erosión. Los aceros inoxidables y las aleaciones de níquel y de titanio se cuentan entre los materiales habituales para su construcción. El diseño de tuberías con juntas de expansión es complicado y envuelve una cuidadosa selección de la junta a instalar. Las fallas en la junta son habituales y son fruto de un equivocado análisis del comportamiento del sistema (con o sin la junta) y una selección deficiente de la junta a usar. Una vez que se ha decidido usar una junta de expansión se debe consultar a una persona especialista o experimentada y contactar con los fabricantes como: Pathway, Flexonics, Adsco, Solar, Anaconda, Metal Bellows.

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA Para mayor información remitirse a los catálogos en los archivos en la Sección de Flexibilidad o consultar el Standard de la EJMA (Expansion Joint Manufacturers Association). 4.4.

Análisis Dinámico (Cargas Ocasionales)

4.4.1.

Introducción a las Cargas Ocasionales Las cargas que son aplicadas solamente durante un lapso corto de tiempo durante la vida de la planta son usualmente clasificadas como cargas ocasionales (de1 1 al 10% de la vida útil de la planta). Esta clasificación envuelve cargas producidas por vientos, sismos, golpe de ariete, descarga de válvulas de alivio, vibraciones de bombas, motores, etc.. Normalmente las cargas ocasionales varían rápidamente en función del tiempo y en la mayoría de los casos son de naturaleza cíclica. Por eso el análisis dinámico es usado para el estudio de éstas cargas. El análisis dinámico es el que da los valores más precisos de la estimación de las cargas y esfuerzos, pero a la vez es el más complicado. Por eso, este tipo de análisis generalmente se hace por computadora. Para los cálculos manuales generalmente se estima una carga estática equivalente a la carga dinámica. Esto hace los cálculos más sencillos, aunque, por lo general, conservadores en el diseño. Normalmente las cargas ocasionales van a someter al sistema de tuberías a cargas tanto horizontales como verticales, toda vez que las cargas sostenidas son generalmente verticales (como el peso). Las cargas ocasionales se resisten mejor por los soportes rígidos. Sin embargo, la flexibilidad del sistema debe ser la adecuada para poder acomodarse a los desplazamientos térmicos. Cuando los movimientos térmicos son lo suficientemente elevados como para permitir el uso de soportes rígidos, los amortiguadores pueden ser necesarios. Los amortiguadores actúan como restricciones rígidas cuando están sujetos a cargas instantáneas (dinámicas), pero no ofrecen resistencia a las cargas estáticas, como las debidas al peso y a la temperatura. Cuando sea posible, el uso de los amortiguadores debe ser evitado, porque sus componentes son costosos y requieren de inspección periódica. En general, no se realiza el estudio de cargas ocasionales a todas las tuberías, sino en aquellas que tengan real importancia desde el punto de vista de procesos o que contengan fluidos tóxicos o inflamables que generen peligro en caso de su ruptura. Otra consideración general en el diseño para este tipo de cargas es que no se analizan concurrentemente cargas ocasionales de dos fenómenos distintos, por ejemplo, se analizan las cargas ocasionales para viento y para sismos por separado, y diseña para la mayor de esas cargas.

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4.4.2. Introducción al Análisis Dinámico. El análisis dinámico de estructuras y tuberías envuelve la evaluación de una amplia variedad de condiciones de carga que dependen del tiempo. Las cargas dinámicas pueden ser causadas por el movimiento del suelo, por interacciones entre la tubería y el fluido, por interacciones entre la tubería y los equipos, e inclusive, por el viento. Las cargas dinámicas tienen un alto grado de incertidumbre. Los movimientos del suelo o las cargas por sismos son la mejor recopilación posible de datos del sitio proyectándose hacia el futuro, prediciendo las cargas para futuros eventos. Las interacciones entre la tubería y el fluido como el golpe de ariete producido por vapor o agua, descarga de válvulas de alivio y presiones pulsantes o cíclicas son altamente dependientes de las condiciones de operación de la planta o la instalación en el momento del evento y se predice su carga para el peor escenario posible a falta de mejores datos. Las interacciones entre equipos y tuberías incluyen cargas cíclicas causadas por falta de balanceo o instalación deficiente de los equipos rotativos. Una vez que el desbalance ha sido medido, el análisis puede ser bastante preciso; sin embargo ese dato es difícil de obtener en el diseño inicial. Las cargas de viento debido al efecto del vértice es dependiente de la dirección del viento, su velocidad y la duración; otra vez, la mejor información para el diseño se basa para en peor escenario posible. En conclusión, la mayor parte de la investigación dinámica está limitada por la cantidad y la precisión de los datos de carga disponible. Esta dependencia en la definición de la carga divide el análisis dinámico en dos clasificaciones generales: 1.

Diseño inicial del sistema de tuberías.

2.

Solución en campo a problemas existentes.

Para el diseño inicial a menudo existe adecuada información para el diseñador que conozca qué buscar y dónde buscar. En muchos casos, los problemas de campo son el resultado de una inesperada carga dinámica que excede o visualmente prueba los inherentes factores de seguridad del sistema. Los datos están en general disponibles durante el diseño inicial para el análisis de terremotos en zonas sísmicas de importancia. Las tuberías que pueden experimentar el cierre rápido de válvulas o que transporta fluidos en dos fases pueden ser chequeadas para el golpe de ariete de agua o de vapor durante la fase de diseño. También, las cargas debido a las válvulas de alivio pueden ser aproximadas durante el diseño inicial. En muchos casos, éstas cargas pueden obligar a relocalizar, a redimensionar o a colocar nuevos soportes en el sistema. El análisis dinámico de problemas de campo a menudo envuelve visibles vibraciones en estado estable. Estos problemas de vibraciones son causados por desbalance de equipos o por pulsaciones de presión del fluido. El análisis debe determinar si el límite por fatiga se excederá. Las soluciones en campo son requeridos cuando ocurren fallas en tuberías T31GU003/25/03/02/mrp/SP

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA o en los soportes durante un "evento". Por "eventos" podemos incluir golpe de ariete, descarga de válvulas de alivio o golpe de una carga de flujo. Un nuevo análisis es requerido para ajustar o adicionar soportes, o para modificar los tiempos de apertura y de cierre de la válvula de alivio. Existen técnicas disponibles para evitar o analizar las cargas dinámicas y algunos efectos de las cargas dinámicas se pueden aproximar a cargas estáticas. Aplicar el doble de la máxima carga dinámica como si fuera una carga estática es una aproximación satisfactoria para sistemas que responden en un solo grado de libertad. Muchos sistemas de tubería son diseñados para sismos usando el método estático. El conocimiento de las frecuencias naturales del sistema de tuberías provee una información muy importante que puede ser usada para investigar los problemas o inclusive para evitar el análisis. Una precisa determinación de los modos de vibración del sistema de tuberías indica la susceptibilidad del sistema a cargas dinámicas, tanto en estado instantáneo, como en estado estable (continuo en el tiempo). Como ningún dato acerca de las cargas dinámicas se requiere para calcular las frecuencias naturales del sistema de tuberías, el análisis solo produce las frecuencias características del sistema y sus posibles contornos de respuesta, y no incluye ni fuerzas ni esfuerzos. Si una frecuencia natural de un sistema de tuberías está cerca o coincide con una frecuencia de una pequeña carga Cíclica perturbadora, o cae dentro del rango de alta energía de un sismo, entonces el rediseño es indicado. Aquí los problemas futuros son más bien evitados que analizados. Las cargas dinámicas por su naturaleza son poco predecibles. Cada mejora en la precisión de la estimación de la carga requiere de mejores datos. Con la elección entre los métodos de análisis como el equivalente estático, cargas armónicas, espectro de respuesta o tiempo histórico, al ingeniero le queda la tarea de balancear los efectos de las aproximaciones, en el peor escenario, con el impacto en los costos por el sobrediseño. 4.4.3.

Vibraciones Si la frecuencia natural del sistema de tuberías es igual o está cerca de la fuente excitadora, por ejemplo un compresor desbalanceado, la amplificación resultante de la carga puede inducir altos esfuerzos flexores que pueden conducir a una prematura falla por fatiga. Los valores de la frecuencia natural usadas para los espaciamientos de soporte recomendados de la Sección 4.2.1 son 3.96 y 2.56 Hz, que son consideradas bastante seguras y fuera de la Mayoría de las fuentes excitatorias que se puedan conseguir en planta.

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En tuberías cercanas a fuentes de vibraciones, se les puede cambiar la distancia entre soportes o su rigidez en varios tramos de tuberías, hasta donde se considere que la misma configuración amortiguará completamente la vibración. El siguiente es un criterio de diseño para conseguir las dos primeras frecuencias naturales (y por consiguiente los dos primeros modos de vibración) para secciones de tuberías. Las dos primeras frecuencias naturales son las que en general amplifican más las cargas excitadoras. La frecuencia natural en ciclos por segundos es dada por la siguiente ecuación:

fn

4.4.3.A

α EI = 2 L W

Donde:

L = Longitud de la tubería en pies. E = Módulo de elasticidad, psi. I = Momento de Inercia, Pulg4. W = Peso de la tubería, lb/pie. α = Valor que depende de las condiciones terminales y del modo de vibración en consideración. Ver Tabla 4.4.3-1.

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA Tabla 4.4.3-1. Cálculo de las Frecuencias naturales (Valor de ") Configuraciones

Modos de Vibración

Valor de "

Por ejemplo, en un compresor reciprocante, las frecuencias de excitación provenientes de sus cambios de presión periódica, vienen determinados por la velocidad de rotación multiplicado por el número de cilindros para los de acción simple y por el doble del número de cilindros para los de etapas de doble acción. Las frecuencias naturales que deben ser evitadas en la tubería son la mitad de las rpm, el rpm y todos sus múltiplos hasta 5 veces las rpm del equipo. Si éstas frecuencias se acercan a las frecuencias naturales del equipo conectados, las resonancias en formas de grandes cargas de presiones aparecerán en el sistema. Estás cargas pueden afectar la tubería, soportes, maquinarias y equipos adyacentes. Por otro lado, la respuesta de un sistema de tuberías los sismos es igual a la suma de las respuestas de sus modos de vibración. Por estudios complicados de observaciones y la teoría de vibraciones, las estructuras de soporte o el suelo responden con cargas calculadas en función de la aceleración de gravedad "g". Donde 1 "g" es una fuerza igual en magnitud al peso de la estructura. La respuesta de la tubería a Éstas cargas se puede relacionar por medio de gráfica de Espectro de Respuesta, ver Figura 4.3.3-1. Es universalmente aceptado que si las frecuencias naturales del sistema de tuberías están por debajo de 4 Hz y por encima de 33 Hz, las fuerzas que soportarán las tuberías por la acción de los terremotos estarán por debajo de 1 "g".

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FIGURA 4.3.3-1. Gráfica Típica de Espectro de Respuesta 4.4.4. Cargas Debidas al Viento El viento posee una energía cinética en virtud de su velocidad y de su masa. Si un obstáculo es puesto en su camino, el viento es desacelerado y el aire detenido o desviado, entonces toda o parte de la energía cinética del viento es convertida en energía potencial de presión. Un sistema de tubería al aire libre usualmente está diseñado para soportar la máxima velocidad esperada en la vida útil de operación de la planta o instalación. Si se siguen los lineamientos para los espaciamientos de las guías en las tuberías, según las Secciones 4.2.1.6 y 4.2.1.7, el análisis de las tuberías para cargas de viento puede ser muy bien evitado. Sin embargo, a continuación se describe un procedimiento para calcular la presión y fuerzas dinámicas que se puede aplicar tanto en tuberías, como soportes y estructuras. La intensidad de la fuerza ejercida por el viento depende de la forma del obstáculo, del ángulo de incidencia del viento y de la velocidad y densidad del aire. Además se toman en cuenta factores como la altura y la localización geográfica del obstáculo o tubería (por ejemplo, se toma en cuenta si la tubería está en una ciudad o en el campo). Usando Aire estándar (densidad = 0.07651 lb/pie3, y temperatura = 59 °F), la expresión para la fuerza dinámica del viento puede ser adaptada de la ecuación de Bernoulli (usando factores de corrección de la norma ANSI A58.1), como sigue:

P = 0.00256 K Z Gh C f V 2 A f

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(4.4.4.1.A)

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Donde: P = Presión dinámica, lb/pie2. KZ = Coeficiente de Exposición. (Ver Tabla 6, Anexo B) Gh = Coeficiente de Ráfaga. (Ver Tabla 8, Anexo B) Cf = Coeficiente de Fuerza. (Ver Tabla 4.4.4-1) V = Velocidad básica del viento, mph (millas por hora) Af = Area proyectada en la dirección del viento, pies2. Para el caso de tuberías bajo cargas de viento, la ecuación se puede reescribir como: F = 0.000213 K Z G h C f V 2 D

(4.4.4.B)

Donde: F = Fuerza de presión dinámica lineal sobre el largo proyectado de la tuberías, lb/pie. D = Diámetro exterior de la tubería incluido el aislamiento, pulg. La velocidad básica del vientos V es la máxima a 33 pies de altura sobre el nivel del terreno, medida en lugares donde los obstáculos no tengan más de 30 pies, y es estadísticamente determinada por medio de observaciones. La velocidad básica de diseño debe ser al menos 70 mph. Tabla 4.4.4-1. Coeficiente de Fuerza. Cf Cf para Valores de h/D de:

Forma

1

7

25

Plana, (viento perpendicular a la superficie)

1.3

1.4

2.0

Plana, (viento diagonal a la superficie)

1.0

1.1

1.5

Redonda,

0.5

0.6

0.7

0.7

0.8

1.2

2

(D 0.00256 K z V > 2.5)

Redonda,

(D 0.00256 K z V

2

≤ 2.5)

Notas: 1. 2. 3. 4.

h: Alto de la estructura, pies. D: Diámetro o minina dimensión horizontal, pies. Interpolación lineal debe ser utilizarse para otros valores de h/D diferentes a los mostrados. Para puentes de tuberías usar Cf = 2.

Las tablas de Kz y Gh muestran valores según las categorías de exposición A, B, C y D, que adecuadamente toman en cuenta las características topográficas y los tipos de construcción circundantes a la instalación estudiada. En general, para diseño de tuberías T31GU003/25/03/02/mrp/SP

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA se usa la categoría C. Las categorías se describen a continuación:

Exposición A: Grandes centros urbanos con el 50% de sus edificaciones por encima de los 70 pies (21.3 metros). El área de influencia de esta categoría se limita en la dirección contraria al viento media milla o 10 veces la altura de la estructura, cualquiera que sea mayor. El efecto de aumento de la velocidad del viento por su canalización debido a las construcciones de ésta categoría debe tenerse en cuenta. Exposición B: Pueblos y pequeños centros urbanos, áreas de bosques y terrenos con numerosas obstrucciones o espacios cerrados de uno a dos pisos de alto. El área de esta categoría se limita en la dirección contraria del viento 1500 pies o 10 veces la altura de la estructura, cualquiera que sea mayor. Exposición C: Terrenos abiertos con obstrucciones dispersas teniendo generalmente alturas menores de 30 pies. Esta categoría incluye sabanas y terrenos planos alejados de las ciudades. Categoría D: Terrenos planos, sin obstrucciones expuestos a vientos provenientes de o que fluyen sobre largas áreas de aguas. Esta categoría aplica solamente a construcciones que reciben el viento proveniente de lagos, mares, etc. Esta categoría se extiende desde la línea de la costa tierra adentro 1500 pies o 10 veces la altura de la estructura, cualquiera que sea mayor. Usualmente, el análisis estático es usado en los cálculos de las cargas debidas al viento, la fuerza F es modelada como una carga uniformemente distribuida a lo largo de la longitud proyectada de la tubería en un plano perpendicular a la dirección del viento. Un análisis similar aplica a soportes y estructuras usando la presión dinámica P. Ejemplo 4.4.4-1. Una tubería vertical de 8" y con aislamiento de 2" de espesor, se verá expuesta a una velocidad básica máxima del viento de 75 mph en la dirección norte-sur, su altura es 30 metros. La tubería está en una planta alejada de la ciudad. Calcular la fuerza distribuida lineal por pies para esta tubería. V = 75 mph h =

30 metros = 98.43 pies 0.3048

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA D = 8.625 pulg + 2x2 pulg = 12.625 pulg = 1.05 pies

Para una altura de 100 pies y Categoría C, Kz y Gh son respectivamente 1.38 y 1.19 (Ver tablas del Anexo B).

D 0.00256 K z V 2 = 12.625 0.00256(1.38)752 = 45.20 > 2.5 98.43 h = = 93.74 1.05 D

F = 0.000213 K Z Gh C f V 2 D = 0.000213(1.38)1.19(2.33)752 (12.625) = 57.88 lb / pie Extrapolando con 7 y 25 en la Tabla 4.4.4-1, Cf = 2.33 Por lo tanto la fuerza lineal dinámica es: Esta fuerza se puede aplicar conservadoramente a toda la tubería. Si se desea, se pueden hacer precisiones de esta fuerza en función de la altura. 4.4.5.

Sismos En general, los efectos de los sismos no son asumidos en el diseño, a menos que la zona en donde se efectúe se sospeche o tenga un historial de sismos de importancia. Dado el caso, solo se analizan tuberías importantes desde el punto de vista de procesos o de seguridad. Ecuaciones parecidas para la estimación de los equivalentes estáticos de las cargas dinámicas de terremotos han sido desarrollados por la normas ANSI A 58.1 y por el Uniform Building Code. Ambas pueden aplicarse convenientemente a las tuberías. Por ejemplo, el UBC recomienda que la fuerza lateral sísmica sea calculada por medio de la siguiente ecuación:

V = ZKCW

(4.44.5.A)

Donde: V = Fuerza lateral sísmica, lb. Z = Factor sísmico, depende de la zona: va de 0.1 para zona 0, hasta 1.00 para la zona 3. K = Factor que depende del tipo de construcción, Varía de 0.67 a 3.0. C = Depende del período natural de la estructura y en general no es mayor que 0.1. W = Peso total de la estructura, lb.

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Si se está fuera del zona de resonancia para terremotos (ver Sección anterior) los valores de las fuerzas laterales pueden llegar a un valor cercano de 0.20 "g", dependiendo de la aceleración registrada del terreno durante el sismo. Otra aproximación más conservadora, según la bibliografía consultada, sugiere diseñar para sismos con una fuerza lateral de 0.5 "g". Como en el caso del viento, el análisis estático es aplicado en los casos manuales con aproximaciones simples, simulando la fuerza del sismo como una fuerza lateral, horizontal y uniformemente distribuida. Usualmente no se suman los efectos del viento y los terremotos, es decir, se Diseña las tuberías para la mayor de ambas cargas. Generalmente la carga debida al viento es mayor que la calculada para los sismos. Una combinación de cargas que si se suele usar es la apertura de válvulas de alivio y los sismos, lo cual es comprensible ya que durante sismos suelen activarse los sistemas de seguridad y de alivio de la planta. 4.4.6.

Válvulas de Alivio Las válvulas de alivio son usadas en los sistemas de tubería para evitar los problemas causados por un aumento de la presión. Cuando una presión preestablecida es alcanzada, la válvula se abre, permitiendo que una suficiente cantidad de fluido escape del sistema y baje la presión. Esto permite una controlada descarga del fluido al mismo tiempo que se evitan las fallas de los componentes bajo presión. Cuando la válvula de alivio descarga, el fluido ejerce una fuerza de reacción a chorro, la cual es transferida a través del sistema de tuberías. Esta fuerza debe ser resistida por los soportes de la tubería, si la tubería por si misma no es capaz de resistirla internamente. La magnitud de Ésta fuerza de reacción es usualmente dada por los fabricantes de válvulas. Si este valor no es conocido, se puede calcular fácilmente si la válvula descarga a la atmósfera. Si por el contrario descarga a sistemas cerrados, las condiciones dinámicas que se pueden desarrollar hacen difícil la estimación de la carga. Para válvulas que descargan a la atmósfera, la norma ANSI/ASME B31.1 recomienda el uso de un método para calcular el equivalente estático de la fuerza de descarga, este método se describe a continuación.

F = DLF ç

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WV 1 + P A1÷ gc

(4.4.6.A)

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Donde: F = Fuerza en la descarga, lb. DLF = Factor dinámica de carga, usar DLF = 2, adimensional. W = Flujo máximo de la válvula x 1.11, lbm/.s V1 = Velocidad del flujo a la salida, pie/s. gC = Constante de aceleración gravitacional, 32.2 lbm-pie/(lbf-s2). P = Presión estática manométrica en la descarga, ver Ecuación 4.4.6.C., psi. A1 = Area de flujo en la descarga. pulg2. La velocidad del fluido en la salida se puede estimar por medio de la siguiente ecuación:

V1 =

(50113.5)( ho - a) 2b - 1

(4.4.6.B)

Donde: hO = Entalpía de estancamiento en la entrada de la válvula de alivio, BTU/lbm. Los valores de a y b se consiguen de la siguiente tabla: Tabla 4.4.6-1. Valores de a y b. Condiciones del vapor a, BTU/lbm Húmedo, calidad < 90 % 293 Saturado, calidad > 90% 823 Subrecalentado 831

b, adimensional 11 4.33 4.33

y la presión P: (4.4.6.C)

W b - 1 48.33( ho - a) P = - PA 2b - 1 A1 b Donde: PA = Presión atmosférica, en psi.

Para válvulas descargando en sistemas cerrados el valor de P de la Ecuación 4.4.6.C puede ser aproximado a cero. El factor de carga dinámico (DLF) es usado tomando en cuenta el incremento de la carga causada por la aplicación instantánea de la fuerza, variando de 1.1 a 2, dependiendo de la rigidez de la instalación de la válvula y el tiempo de apertura de la misma. Sin embargo, un valor de 2 debe ser tomado en los cálculos.

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FIGURA 4.4.6-1 CÁLCULO DE LAS CARGAS EN LA VÁLVULA DE ALIVIO

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4.4.7.

Golpe de Ariete

Cuando una tubería está llena con agua (u otro líquido) en movimiento, las leyes que gobiernan los cambios de presión y descarga dependen de las condiciones de flujo bajo las cuales ocurre el cambio. Si el agua es considerada incompresible y la velocidad del agua que pasa a través de cualquier sección de la tubería permanece constante, se puede aplicar la ecuación de Bernoulli entre cualesquiera dos puntos de la tubería. Sin embargo, cuando el movimiento es variable, esto es, cuando la descarga en cada sección está variando rápidamente de un instante al siguiente, rápidos cambios de presión ocurren dentro de la tubería y la ecuación de Bernoulli no se puede aplicar. Estos cambios de presión son referidos como "golpe de ariete" (en inglés se denomina "waterhammer") por el sonido de golpeteo o martilleo que acompaña al fenómeno. Una breve explicación de los eventos que se suceden al cerrarse bruscamente una válvula al final de una tubería que viene de un tanque de almacenamiento, sin tomar en cuenta la fricción producida es la siguiente (ver Figuras 4.4.7-1 y 4.4.7-2).

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Figura 4.4.7-1. Comportamiento de la Tubería y el Líquido desde el Cerramiento de la Válvula (t=0) hasta el Tiempo t=2L/c. En el instante t=0 en el cual se cierra repentinamente la válvula cortándose el flujo, el líquido que se encuentra junto a la válvula se comprime y su velocidad se vuelve cero, produciéndose al mismo tiempo una expansión de la tubería (ver Figura 4.4.7-1). Tan pronto ocurre con la primera capa, el proceso se repetirá en las siguientes capas adyacentes (t=p). Por su parte, el líquido en las partes mas alejadas continúa moviéndose con velocidad V=U hasta comprimirse por efecto del líquido que continúa llegando. Esta onda de alta presión que se mueve a velocidad "c" corriente arriba frena al fluido hasta encontrarse todo en reposo al llegar al extremo de la tubería en el tiempo t=L/c, pero con una presión adicionada "h" que da origen, por efecto del desbalance de presiones, a que el fluido comience a moverse en sentido contrario (de la válvula hacia el tanque, en el tiempo t=L/c + p). Este nuevo flujo en sentido contrario origina un nuevo cambio en las condiciones del fluido y la tubería, recuperando las que existían originalmente (la presión del líquido y el tamaño de la tubería), excepto por la velocidad que adopta el fluido que es en sentido contrario a la original (V=-U). En el instante t=2L/c en que la onda llega nuevamente a la válvula, como ella está cerrada no se puede mantener un flujo continuo, por lo que se desarrolla una presión negativa "-h" con la que se frena el líquido al mismo tiempo que se expande (consecuencia de la disminución de la presión) mientras la tubería se contrae.

Figura 4.4.7-2. Comportamiento de la Tubería y el Líquido a Partir de t=2L/c, Hasta t=4L/c. Esta onda de presión negativa se propaga a lo largo de la tubería corriente arriba a velocidad "c" frenando el líquido (t=2L/c + p, en la Figura 4.4.7-2 ). Podría ocurrir que el líquido vaporizara en caso de que la presión estática no compense la presión negativa T31GU003/25/03/02/mrp/SP

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA "-h" de forma que la presión final no sea superior a la de vaporización. En el instante t=3L/c todo el líquido dentro de la tubería está en reposo pero con una presión menor en "-h" a la existente antes de cerrar la válvula, por lo que debido a este nuevo desbalance se comienza a mover el fluido del depósito hacia la válvula (V=U), retornando tanto la tubería como el fluido a las condiciones originales conforme la onda viaja a velocidad "c". En el momento en que la onda llega a la válvula (t=4L/c) se tienen las mismas condiciones que en el instante en que se cerró la válvula.

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Figura 4.4.7.1-1. Tanque de Oscilación para Evitar el Golpe de Ariete. Recordar igualmente que estos efectos se trabajan suponiendo cierre instantáneo de la válvula, que es la condición más crítica. Como este caso no es deseado, los sistemas se construyen siempre que es posible con válvulas de compuerta: el cierre y la abertura son procesos que se hacen gradualmente. 4.5.

Combinación de cargas Las tuberías, soportes y boquillas de equipos conectados a los sistemas de tuberías deben ser diseñados para soportar cualquier combinación de cargas simultáneas que puedan ocurrir. Las condiciones normales de operación incluyen las cargas sostenidas y las cargas de expansión térmica. Estas cargas deben ser combinadas con las cargas ocasionales, de la forma como lo requieran los estándares de diseño (ver Sección 2) o según la especificación del proyecto. En muchos casos, los esfuerzos admisibles pueden ser aumentados por un factor para la combinación de cargas sostenidas con las ocasionales. Las cargas pueden ser sumadas algebraicamente para arribar a valores reales, o absolutamente para introducir un análisis más conservador. La Mayoría de los análisis para cargas combinadas en tuberías, se hacen por computadora. El ingeniero, en los cálculos manuales, debe aplicar los criterios de diseño de ésta sección (y las anteriores) a fin de evitar largos análisis manuales o debe usar directamente los programas en la computadora. Algunas combinaciones buscan evaluar los esfuerzos admisibles de la tubería, otras se usan para evaluar las cargas en los soportes y en las boquillas, siendo algunas de ellas habituales y otras son opcionales, y dependen de las especificaciones del proyecto o norma de diseño a aplicar.

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La siguiente es una lista bastante amplia de casos de análisis de cargas combinadas y se muestra aquí para fines ilustrativos. No se debe creer que se aplicarán todos los casos de cargas aquí nombrados a cada sistema de tuberías a estudiar. NOTACION: CARGAS: W: Peso; P: Presión; T: Térmicas; VIENT: Viento; TERR: Terremoto. VA: Descarga válvula de alivio. WH: Golpe de ariete. CASOS DE CARGAS: 1)

Condiciones normales u operacionales:

A. W + P (Cargas sostenidas, para el cálculo de los esfuerzos longitudinales y compararlo con el esfuerzo admisible Sh o Sy según la norma a aplicar.) B. T (Esfuerzos térmicos, para el cálculo de SE y su comparación con el rango admisible de esfuerzos SA) C. W + P + T (Caso Operacional, para el estudio de las reacciones en soportes y boquillas. No existe criterio de esfuerzo admisible para la tubería en este caso). D. W (Poco usado, estudio de las cargas en la tubería, soportes y boquillas en el momento de la instalación) 2) Condiciones ocasionales o de emergencia: A. W + P + VIENT (Para el cálculo de los esfuerzos para las cargas ocasionales y compararlo con el esfuerzo admisible para la tubería, según las normas ANSI/ASME B31) B. W + P + TERR (Explicación IDEM a la anterior) C. W + P + TERR + VA ( IDEM ) D. W + P + WH ( IDEM , donde sea factible el golpe de ariete de vapor o de agua) E. W + P + T + VIENT (Para la evaluación de las cargas en soportes y boquillas) F. W + P + T + TERR (Explicación IDEM a la anterior) G. W + P + T + TERR + VA ( IDEM ) H. W + P + T + WH ( IDEM, donde se factible el golpe de ariete de vapor o agua)

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ANALISIS DE EQUIPOS

5.1.

Evaluación de las Cargas en Conexiones de Tuberías a Equipos La gran mayoría de los equipos de la industria cumplen con una o varias normas o estándares de fabricación. En Inelectra, el Departamento de Ingenería Mecánica se encarga de seleccionar los equipos para los nuevos proyectos, cumpliendo las especificaciones para el uso y aplicación de los mismos. El primer paso que tiene que dar un ingeniero de flexibilidad a la hora de evaluar las cargas en un equipo, es enterarse de la norma de construcción del equipo. Generalmente, estas normas indican las cargas admisibles que pueden ser aplicadas a las boquillas o conexiones. Por otro lado, la norma usada por el fabricante representa los requerimientos mínimos que debe cumplir en su construcción. A menudo el equipo supera los requisitos de diseño de la norma y las solicitaciones en la boquilla pueden ser superiores a las especificadas en la norma. Por esto, la mejor información es la suministrada por los fabricantes. El segundo paso es saber transformar el sistema de coordenadas usado en el análisis de tubería al sistema de coordenadas del estándar o norma a aplicar, es decir, ser consistentes transfiriendo las cargas del análisis de tuberías (evaluadas en el punto de la conexión) a la boquilla del equipo según el sistema de coordenadas de la norma. Algunos sistemas de coordenadas son de cuidado, como la norma API 661 cuyos momentos de su sistema de referencia no siguen la regla de la mano derecha. Las normas pueden requerir como datos para la evaluación de las cargas la distancia de los centros de las bridas de las boquillas al eje de la bomba, o a la base de la fundación.

5.1.1.

Bombas Centrífrugas Las bombas centrífugas pueden regirse según varias normas de diseño como la API 610, ANSI B 37.1 o por el estándar del fabricante. En el Anexo E se consigue un compendio de la norma API 610 Octava Edición para la evaluación de las cargas de la tubería en las boquillas (Agosto 95).

5.1.1.1 API 610 Para el caso de las bombas cuya norma de fabricaci n sea el API 610 se debe tomar los siguientes lineamientos: 1.

Las fuerzas y momentos de las configuraciones de tubería conectadas a las boquillas están dentro de los límites satisfactorios si sus valores son iguales o menores que los de la Tabla 2.1A o Tabla 2.1B, (ver Anexo E).

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2.

Si el criterio del punto 1 falla, pero: las fuerzas y los momentos para cada boquilla son menores o iguales que el doble del valor dado en la tabla del punto 1, y las desigualdades de los párrafos F.1.2.2 y F.1.2.3 se cumplen, entonces las fuerzas y los momentos son satisfactorios.

3.

Las bombas verticales "en línea", son satisfactorias desde el punto de vista de las cargas en las boquillas para valores de hasta el doble de la Tabla 2.1A (2.1B). Inclusive si no se cumple lo anterior, y el esfuerzo causado por las cargas en la boquilla es menor que 5950 psi entonces la solicitación de cargas es aceptable. Las ecuaciones para la evaluación de estos esfuerzos se enseñan en el punto F.2 del Apéndice F de la norma. Las ecuaciones de los párrafos F.1.2.2 y F.1.2.3 relacionan los requerimientos de fuerzas y momentos en cada boquilla, como también sus resultantes en el punto de la base de la bomba respectivamente. La convención de signos de estas ecuaciones o desigualdades es según la regla de la mano derecha.

5.1.1.2 ANSI B 73.1 Las cargas aplicadas en las boquillas de bombas cuyo estándar de fabricación sea el ANSI 37.1, deben verificarse según los admisibles o fórmulas proporcionadas por los fabricantes para este tipo de bombas. 5.1.1.3 Estándar del Fabricante Para el caso de bombas que se rijan según el estándar del fabricantes, se deben solocitar los admisibles a este para poder verificar las cargas aplicadas. Nota importante: En general, las normas API o ANSI aplican a bombas de carcasa de acero al carbono. Si la bomba es de acero fundido sus valores admisibles serán menores que los de la norma. 5.1.2.

Compresores Centrífugos En los compresores centrífugos, en general, se pueden evaluar las cargas en las boquillas por medio de la norma API 617, Apéndice G. La norma API 617 Sexta Edición (Febrero 1995), desarrolla su propio criterio adaptando las ecuaciones de la NEMA. En el Anexo E se encuentra copia del Apéndice G. Para ejemplos, puden servir los contenidos en la norma NEMA 23, con las consideraciones de las adaptaciones entre normas.

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5.1.3.

Turbinas de Vapor El estándar de referencia para las turbinas de vapor es la NEMA 23 (National Electrical Manufacturers Association). Ver Anexo E. La norma puede ser convenientemente aplicada a sopladores (aire o gas) cuando no se disponga de la información de los admisibles del fabricante.

5.1.4.

Equipos Reciprocantes Las normas de referencia para los diversos equipos reciprocantes son: API 618 para compresores reciprocantes, API 674 para bombas de desplazamiento positivo y API 675 para bombas de desplazamiento positivo de volúmen controlado. El diseño de este tipo de equipo depende de su uso y de su fabricante, lo que hace difícil su estandarización. Las normas API establecen que los requerimientos de las tuberías de proceso y auxiliares pueden ser dados por decisión del fabricante o por requerimiento del cliente. Por otro lado, las normas API muestran más preocupación por los efectos de la interacción del equipo con el sistema de tuberías desde el punto de vista dinámico. Toda vez, que la mayoría de estos equipos introducen una perturbación cíclica eb forma de pulsación de presión o vibración. En el Anexo E se podrán conseguir extratos de estas normas con los requerimientos generales que deben cumplir los sistemas de tuberías, y las técnicas de análisis para evitar los efectos negativos de las pulsaciones. Por lo anterior, lo más aconsejable es identificar con anticipación la necesidad de el análisis de estos equipos y asegurarse de que los fabricantes aporten la información tanto de las cargas admisibles de sus boquillas, así como de los diseños o mecanismos necesarios para controlar el efecto de las vibraciones.

5.1.5.

Calentadores de Fuego Directo. (Fired Heaters) Los requerimientos mínimos de carga para las boquillas que se conectan a calentadores de fuego directo están contenidos en la normas API 560, pag. 16 (API 560, Segunda Edición 1995). Existen además, algunas definiciones de los sistemas de tuberías y cargas de los equipos auxiliares que se han incluido en el extracto de esta norma que se encuentra en el Anexo E.

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5.1.6. Enfriadores por Aire Los enfriadores por aire son equipos complejos y delicados. Los sistemas de tuberías conectados a estos deben ser analizados con sumo cuidado debido a lo complejo del sistema y lo frágil de la carcaza del equipo. Los requerimientos para la evaluación de las cargas en las boquillas de estos equipos están delineados en la sección 4.1.10 parrafos 4.1.10.1 al 4.1.10.3 del API 661, Tercera Edición, Abril 1992. Los requirimientos que tienen que cumplir las cargas se evaluan tanto individualmente como su efecto total sobre la carcaza. Ver extracto de la norma en el Anexo E. Un punto importante a tener en cuenta es que el sistema de referencia de esta norma usado para la evaluación de las boquillas no sigue la regla de la mano derecha. Ver Figura 5.1.6-1.

FIGURA 5.1.6-1 SISTEMA DE REFERENCIA EN LA BOQUILLA. NORMA API 661 (NO CUMPLE LA REGLA DE LA MANO DERECHA) La Norma API 661 en su sección 4 (DESIGN), párrafo 4.1.1.2, señala que: “El vendedor debe dejar provisiones para un movimiento lateral del haz tubular del intercambiador de al menos ¼” (6 milímetros) en cada una de las dos direcciones, o al menos ½” (13 milímetros) en una sola de las direcciones, a menos que el comprador y el vendedor estén de acuerdo con un movimiento mayor”. (Ver extracto de la Norma en el Anexo E). Los “Movimientos Laterales” a los que se refiere la Norma, son interpretados como movimientos horizontales en ambas direcciones: “X” y “Z”.

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Basándose en lo anterior, se ideó un método para la simulación de Air Coolers, que permite unos arreglos de tuberías bastante rígidos. Deben analizarse en la computadora las líneas de entrada y salida en un mismo cálculo. En las boquillas del equipo no se colocará ningún tipo de restricción o desplazamiento. Entre las boquillas y el eje central del equipo se colocará un rígido sin peso y se deberán interconectar de esta manera todas las boquillas pertenecientes a un mismo haz tubular, y en uno ó dos nodos ubicados en el eje del equipo se colocarán las restricciones: Y, X (GAP = 6 mm), Z (GAP = 6 mm), RX, RY, y RZ. Ver Figura 5.1.6-2.

Cabe destacar que es conveniente que este análisis se realice en una etapa muy temprana del Proyecto, para definir el ruteo definitivo de las tuberías que permita unas cargas en las boquillas por debajo de los admisibles, e inclusive, para poder solicitar a la disciplina de Equipos, en caso de requerirse, unos desplazamientos mayores a los indicados en la Norma. Si esta solicitud se realiza antes de pedirse las cotizaciones a los fabricantes, se minimizará el impacto en costo de dicho requerimiento. 5.1.7.

Tanques Cilíndricos Verticales de Fondo Plano Para los tanques cilíndricos de fondo plano, cuyos diámetros sean mayores a 120 pies, se les puede aplicar la norma API 650, Apéndice P. Una aplicación típica de esta norma es la evaluación de las cargas que ejercen un sistema de tuberías a las boquillas de los tanques de un patio de almacenamiento de hidrocarburos. En el Anexo E se presenta un extracto de esta norma. Actualmente la Sección de Flexibilidad tiene un programa de computadora que hace el análisis de las cargas en la boquila por esta norma. Ver Sección 9 y Anexo G.

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5.1.8.

Recipientes a presión y otros equipos A los recipientes a presión generalmente se les evalua sus cargas en las boquillas con el boletin WRC-107 (Welding Research Council Bulletin No. 107). Esta norma estima los esfuerzos locales en la unión de la boquilla al equipo. En resumen, el boletin provee una herramienta analítica para evaluar los esfuerzos en las proximidades de la boquilla. El método computa los esfuerzos circunferenciales, longitudinales y cortantes en cuatro puntos de la pared exterior del recipiente y en cuatro puntos en la superficie interior del recipiente. La convensión adoptada por el WRC define los límites de aplicación de la norma y las aplicables orientaciones de las cargas y los esfuerzos, tanto para recipientes esféricos como para cilindricos. Sin embargo, la evaluación de las ecuaciones para el cálculo de los esfuerzos, son suficientemente largas y complicadas como para hacerlo manualmente, se recomienda el uso un programa por computadora como el CAESAR II. Además la Sección de Flexibilidad tiene un programa de computadora que hace el análisis de las cargas en la boquila por este boletin, ver Sección 9 y Anexo G. En todo caso, se debe averiguar primero si la norma o estandar usado en la construcción de recipiente, o el mismo fabricante, tiene alguna previsión precisa para las cargas admisibles en las conexiones. Por ejemplo, en la construcción de los intercambiadores de calor se pueden aplicar normas específicas de institutos o asociaciones conocidos (HEI o TEMA). Además, para recipientes grandes o de importancia, se recomienda evaluar las cargas en las boquillas manteniendo la comunicación, y la colaboración necesaria, con grupo de equipos del Departamento de Ingeniería Mecánica, tal como lo establecen los procedimientos de diseño de Inelectra.

5.2.

Movimientos de las Boquillas Debido a la Temperatura de los Equipos Por la misma razón que las tuberías se expanden debido al aumento de la temperatura, los equipos también experimentan las expansiones térmicas, y por lo tanto, las boquillas conectadas a estos equipos se desplazarón en función de los movimientos de expansión de la superficie del equipo a la cual está conectada. Los movimientos de las boquillas deben ser incluidos en el análisis de las tuberías.

5.2.1.

Movimientos de las Boquillas en Recipientes Verticales Los movimientos verticales térmicos de una boquilla a cualquier altura estudiada en un recipiente vertical es igual a la expansión de la falda (o faldón), si lo tiene, y la suma de todas las expansiones en el eje vertical, de todas las zonas de temperatura constante de la pared del recipiente que están por debajo de la altura en estudio. El movimiento horizontal se basa en la expansión radial del recipiente que es igual a la distancia radial desde la boquilla al centro del recipiente y el coeficiente de expansión térmica evaluada

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA a la temperatura local o para el recipiente a esa altura. En el caso de que el recipiente está soportado por vigas estructurales la expansión de la base del recipiente se puede despreciar. Generalmente, dependiendo del proceso y tipo de recipiente, las temperaturas cambian en función de la altura. 5.2.1.1 Expansión Térmica de la Falda La falda o faldón son base de recipientes hechos de paredes metálicas cerradas donde tienen aberturas para el paso de las tuberias que salen del fondo del recipiente. El desplazamiento vertical de la falda o faldón define el movimiento vertical de la parte más baja del recipiente. Un método para calcularlo se define a continuación: 1.

Calcular

Kxh (5.2.1.1.A) t

donde: K= Factor de corrección de la temperatura; 1 para bases completamente aisladas; 1.7 para bases aisladas o protegidas contra fuego y 2.7 para bases sin aislar. h = Altura del faldón del recipiente, pies. t = Espesor de la base o faldón, pulg. 2.

Buscar en la Tabla 5.2.1.1-1 el factor de corrección de la temperatura "F".

3.

Calcular un )T definido como la temperatura de la parte baja del recipiente menos la temperatura ambiente:

∆T = T BASE - T AMB 4.

Calcular un corregido )T1 : ∆ T 1 = F x ∆T

5.

T 1, la temperatura promedio de la falda es: T 1 = ∆ T 1 + T AMB

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6.

La expansión en sentido vertical de la falda es igual al coeficiente de expansión a la temperatura promedio T 1 multiplicado por la altura de la falda. 0abla 5.2.1.1-1. Factor de Corrección de la Temperatura F (K x h) / t

F

(K x h) / t

F

0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00

1.000 0.800 0.527 0.372 0.285 0.227 0.191 0.162 0.142

18.00 20.00 22.00 24.00 26.00 28.00 30.00 32.00 34.00

0.128 0.117 0.104 0.099 0.089 0.081 0.077 0.072 0.069

Nota: Extrapolar para valores mayor que 34.00 o usar F=0.

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Ejemplo 5.2.1.1-1. En el siguiente recipiente se han especificado las expansiones verticales y horizontales cuyos cálculos se explicarón a continuación. La base es de falda o faldón Mat. A283 Gr C (Acero al Carbono), aislado contra incendio o "Fireproofing", el espesor de la base es 1.5 pulg. El recipiente y las boquillas son de A167 TP 310 (25 Cr - 20 Ni). El diámetro del recipiente es 3 pies.

Figura 5.2.1.1-1 Torre de Proceso con Base de Falda El primer paso es diferenciar las zonas de temperatura constante y calcular las temperaturas promedio de las diferentes zonas de interes del recipiente, es decir, las zonas entre boquillas y zonas de temperatura constante. Por ejemplo, en el recipiente tenemos un líquido en el fondo a 400 Kæ. Luego es recomendable determinar todas las constantes de expansión tomando en cuenta las temperaturas tanto para expansiones verticales como para las horizontales,y los materiales de las boquillas y el recipiente. Las temperaturas en el recipiente son datos de la gente de procesos y servirán para calcular la expansión horizontal y las verticales para zonas del recipiente a temperatura constante. Las temperaturas promedio son fáciles de calcular, por ejemplo, entre la superficie superior del líquido y la segunda boquilla de abajo hacia arriba la temperatura promedio será: (400+350)/2 = 375 Kæ. Las demás temperaturas promedio están mostradas en la Figura 5.2.1.1-1. T31GU003/25/03/02/mrp/SP

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Las constantes de expansión se pueden mostrar convenientemente en forma tabulada. Los datos se pueden extraer de la Tabla C-1 del Anexo A, o de la norma B31.3. Coeficientes de Expansión en Función del Material y las Temperaturas (pulg./pies) Material Temp. Kæ Material Temp. Kæ α α A283 Gr.C (C.S.) 400 0.02700 25 Cr- 20 Ni 312.5 0.02585 A283 Gr.C (C.S.) 110 0.00306 25 Cr- 20 Ni 300 0.02450 25 Cr- 20 Ni 400 0.03530 25 Cr- 20 Ni 287.5 0.02315 25 Cr- 20 Ni 375 0.03260 25 Cr- 20 Ni 275 0.02180 25 Cr- 20 Ni 350 0.02990 25 Cr- 20 Ni 272.5 0.02153 25 Cr- 20 Ni 337.5 0.02855 25 Cr- 20 Ni 270 0.02126 25 Cr- 20 Ni 325 0.02720 Expansión en el Faldón: Siguiendo el procedimiento descrito anteriormente: 1.7 x 14 Kxh = 19.4 = 1.5 t

en la Tabla 5.2.1.1-1 interpolando entre 18 y 20, F = 0.120. ∆T = T BASE - T AMB = 400 - 70 = 33

∆ T 1 = F x ∆T = 0.120 x 330 _ F = 39.6 _ F ~ 40 _ F T 1 = ∆ T 1 + T AMB = 40 + 70 = 110 _ F Como el material del faldón es A283 Gr C (Acero al carbono), implica " = 0.00306, y la expansión es por lo tanto: 14 pies x 0.00306 pulg/pie = 0.0428 pulg. Inmediatamente después del faldón tenemos una zona de temperatura constante definida por la altura del líquido acumulado en el fondo del tanque. Ahora se debe trabajar con el material del recipiente A167 TP-310. La expansión vertical en la altura del nivel del líquido es la expansión de esa zona más la expansión del faldón.

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pulg + 0.0428 = 0.396 pulg pies

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Entre el nivel del líquido y la primera boquilla del lado izquierdo (de abajo hacia arriba) tenemos dos temperaturas para el desplazamiento vertical 400 Kæ y 350 Kæ. Su promedio es (400 +350)/2 = 375 Kæ, Por lo que el desplazamiento vertical de esta boquilla es:

15 pies x 0.0326

pulg + 0.396 = 0.885 pulg pies

Para el desplazamiento horizontal en la expansión en ese punto debemos usar su temperatura local es decir 350 Kæ (" = 0.0299 pulg/pie) y la distancia radial al centro del recipiente 4'-0".

4 pies x 0.0299

pulg = 0.120 pulg pies

De la misma manera se puede seguir con las demás boquillas, mostrándose los resultados en la figura. El mismo procedimiento aplica para predecir los movimientos de los soportes tal como se muestra para el primer soporte de tubería vertical cercana a la boquilla superior del equipo. 5.2.2

Movimientos de las Boquillas en Recipientes Horizontales y Equipos concerniente a los recipientes y equipos horizontales es determinar la ubicación del soporte fijo. Los soportes deslizantes están libres de moverse junto con la expansión o contracción térmica del equipo a lo largo de alguno de sus ejes principales. Esto implica que en el diseño, las tuberías deben tener la capacidad de crecer y contraerse junto con el equipo, o en el peor de los casos, de absorber estos movimientos sin sobrecargar las boquillas. Debido a que en el intercambiador tenemos diferentes temperaturas debido a los "gradientes" formados por el intercambio de calor, se deben tomar temperaturas promedio con respecto a los puntos de referencia.

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En la Figura 5.2.2-1 el intercambiador es de acero inoxidable austenítico. Según las temperaturas en las boquillas se puede considerar que el soporte anclado está a temperatura ambiente 70 Kæ. La parte superior izquierda del equipo se contraerá y la parte superior derecha se expandirá, siendo consecuente a las direcciones del sistema de coordenadas.

Figura 5.2.2.2-1 Intercambiador de Calor Coeficientes de expansión para el Acero inoxidable austenítico a las temperatura de interés son: (70 + 40)/2 = 55 Kæ (para la boquilla superior izquierda) (70 + 110)/2 = 90 Kæ (para la boquilla superior derecha) " a 55 Kæ = -0.001575 pulg/pie " a 90 Kæ = +0.00306 pulg/pie Para la boquilla superior izquierda de la figura:

∆X = 0.001575 x 11 / 12 = + 0.00144" ∆Y = 0.001575 x 63 / 12 = - 0.00827" Los signos indican el movimiento del centro de la boquilla en la dirección de los ejes coordenados de referencia de la Figura.

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Para la boquilla superior derecha:

∆X = 0.00306 x 101 / 12 = + 0.0258" ∆Y = 0.00306 x 63 / 12 = + 0.0161" Algunos intercambiadores están arreglados uno encima del otro, algunos quipos con expansiones y contracciones térmicas estan interconectados unos al lado de otro. Las expansiones y contracciones de los intercambiadores y equipos, y sus interacciones con el sistema de tuberías es de importancia crítica. 5.3.

Arreglos de Tuberías y Soportes Alrededor de los Recipientes y Equipos Las consideraciones básicas al momento de diseñar los arreglos y la soportería de las líneas de un equipo o recipiente son: mantener los momentos y las fuerzas en la boquilla por debajo de los admisibles; facilitar la instalación, la alineación y el mantenimiento del equipo; el arreglo de líneas y soportes debe poder acomodarse o absorber las expansiones y las contracciones de los equipos o recipientes a los cuales está conectado; y por último el diseño debe ser lo más ordenado y simple posible.

5.3.1.

Equipos Rotativos Centrífugos Se recomienda colocar resortes lo más cerca posible de la boquilla y a una distancia no mayor de la mostrada en la Tabla 5.3.1-1. Para más información ver Figura 5.3-1. Los resortes podrán sustituirse por soportes ajustables cuando el desplazamiento vertical sea menor o igual a 2 mm, dependiendo de la criticidad del equipo o de requerimientos específicos del proyecto. Tabla 5.3.1. Distancia Máxima entre Boquilla y Primer Soporte DIAMETRO DISTANCIA (mm) 2" 3" 4" 6" 8" 10" 12" 14" 16" 18" 20" 24"

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Requerimientos de soportes en turbinas de vapor: -

Debido a las altas temperaturas de trabajo de estos equipos, usualmente se utilizan resortes en la línea de entrada, salida y extracciones de vapor, para reducir las fuerzas en las boquillas y permitir los movimientos térmicos de estas, manteniendo las cargas por debajo de los admisibles. Para la realización del estudio flexibilidad con un programa de computación se deben calcular previamente todos los movimientos de las conexiones de la turbina.

-

Frecuentemente en turbinas de vapor de gran tamaño el vendedor provee un resorte directamente debajo de la válvula de entrada al gobernador; en otros casos hacen referencia a ese resorte pero no lo suplen, por lo que es responsabilidad del grupo de diseño.

-

Se deben colocar stops en las líneas de suministro y descarga de vapor para eliminar la transmisión de movimientos de las tuberías.

-

Usualmente la soportería de las turbinas de vapor es similar a las de las bombas centrífugas que operan a altas temperaturas.

Requerimientos de soportes en compresores centrífugos:

5.3.2.

-

Cada línea debe tener un stop en el punto donde la diferencia de expansión térmica con el compresor sea la mínima (puede coincidir con el punto de anclaje del compresor), pero no tiene que ser necesariamente un apoyo. Ver Figura 5.3-2.

-

Este stop debe ser colocado después de que la tubería ha sido conectada al compresor. Se debe colocar una nota en el plano de soportería indicando esto.

-

Los primeros dos soportes más cercanos al compresor deberán ser resortes, no sólo para compensar expansiones térmicas, sino para facilitar la alineación de la tubería del compresor. El resorte más alejado de la boquilla podrá sustituirse por un soporte ajustable, en los casos en los que el desplazamiento sea menor o igual a 2 mm, y no exista otro requerimiento especial en el proyecto.

Equipos Rotativos Reciprocantes Por lo particular de su diseño y fabricación los arreglos de tuberías y soporterías se deben hacer con mucho cuidado, siguiendo las recomendaciones de los fabricantes y de las normas de fabricación aplicables, o en su defecto, de la norma API aplicable. Una consideración especial para estos equipos es el estudio de los efectos dinámicos que las vibraciones o las pulsaciones pueden tener sobre el sistema de tuberías.

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FIGURA 5.3.1 REQUERIMIENTOS DE SOPORTES PARA BOMBAS CENTRIFUGAS

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FIGURA 5.3-2 Requerimientos de Soportes para Compresores Centrífugos 5.3.3.

Recipientes Horizontales y Verticales El grupo de flexibilidad es el responsible de la ubicación de soportes y guías de las líneas en equipos horizontales y verticales. El grupo de recipientes es el responsable del diseño de los clips y/o planchas, pero en base a las cargas y a la definición del tipo de soporte hecho por el grupo de flexibilidad. Los clips y planchas son los accesorios soldados al recipiente a los cuales se les sueldan o apernan los soportes. Esto con el fin de evitar que el soporte sea soldado directamente al cuerpo del equipo y no afectar la garantía del fabricante o estampe ASME. Los soportes para equipos deben ser seleccionacionados del estándar de Inelectra (Manual de Soportes Normalizados Doc# 903-3060-T31-GUD-002), a menos que se supere la capacidad de los mismos. La elevación requerida de los soportes y cualquier

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA elemento estructural especial necesario debe ser anotado junto con la denominación estándar del soporte. Si el soporte estándar no es aplicable debido a su capacidad para la carga, entonces debe ser soporte especial debe ser definido para sus cargas, con la elevación y las dimensiones y nombres de sus perfiles y estructuras. Los soportes de las líneas deben ser ubicados lo más cerca posible de la boquilla del equipo, de manera de minimizar los esfuerzos y reacciones en la misma. Esta ubicación puede estar definida por la separación entre la línea de soldadura y el clip o plancha requerido para el soporte, o por la configuración de la tubería, como puede ser la existencia de un codo, o por la ubicación posible del trunnion, cartela o zapata en la tubería. En la configuración de la tubería y los soportes se debe chequear sus posibles interferencias tanto con las demás instalaciones y plataformas, como con los otros clips o planchas, plataformas, soldaduras del recipiente o accesorios, etc. En caso de líneas calientes con aislamiento, este será cortado para dejar libre el bracket. En caso de las líneas frias no se permite el corte del aislamiento. La información requerida por el grupo encargado del diseño de recipientes puede ser suministrada utilizando los formatos que se encuentran en el Anexo F ("Cargas Sobre Boquillas de Equipos" y "Ubicación de Cargas Sobre Soportes")

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6.

SELECCION Y DISEÑO DE SOPORTES

6.1.

Consideraciones Generales Todos los esfuerzos deberán concentrarse en seleccionar el soporte en vez de diseñar el soporte. Es decir, se debe hacer todo lo posible para seleccionar soportes y arreglos del estándar. Los soportes y estructuras de acero de diseño complicado o que sean difíciles de analizar deben ser evitados, excepto cuando se justifique por economía en la construcción, es decir, se use para combinar varios soportes de tuberías y/o de otras disciplinas en una misma estructura. Cuando sea posible se debe evitar el uso de accesorios soldados a la tubería como lugs, trunnions, etc., en favor de las abrazaderas, con la intención de minimizar el tiempo de construcción y los esfuerzos locales inducidos en la pared de las tuberías por el accesorio soldado. Las estructuras y soportes deben dejar suficiente espacio para las expansiones térmicas. Los soportes de acero deben ofrecer seguridad al personal y sus aristas deben estar alejadas de los pasillos o caminos usuales de operadores y del personal. El criterio general de selección y diseño de soportes es: 1.

Usar lo más simple posible.

2.

Usar criterios de proporción y estética.

Los soportes deben ser proporcionales a la tubería y de estética conveniente. Inclusive, para el personal y el cliente no entendido en la materia, los soportes deben inspirarles seguridad y confianza a la vista. Esto posiblemente evite dos problemas en el futuro: a) La selección y diseño de soportes en los límites de la seguridad, promoviendo la posibilidad de errores y fallas en los soportes, y b) Justificar dicha selección y diseño del soporte a el cliente (con la consiguiente pérdida de tiempo). 6.2.

Soportes Estructurales Como soportes estructurales se clasifican a todos aquellos soportes, estructuras de apoyo y accesorios formados por perfiles ó tubos que en la mayoría de los casos no van soldados a la tubería. Esta categoría no incluye a los soportes colgantes, de resorte de carga variable o constante y a los amortiguadores, ni a las estructuras principales del pipe-rack. Generalmente este tipo de soportes tienen algún tipo de pre-ingenería y sus configuraciones básicas aparecen en el estándar de soportes, donde el ingeniero solo tendrá que seleccionarlo, según el tipo y magnitud de las cargas resultantes del análisis de tuberías.

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Cuando se requieran soportes que resistan cargas superiores a las cubiertas por el estándar, se deberán diseñar soportes especiales (se recomienda que dicho diseño sea llevado a cabo por el grupo civil). En contadas ocasiones nos podemos ver obligados a diseñar un soporte no contemplado para un proyecto o verificar uno previamente diseñado, pero aplicado a un uso no especificado para el mismo. En el caso de el diseño de soportes con perfiles la referencia oficial es el AISC Manual of Steel Construction. Para el caso de trunnions, la Sección de Flexibilidad cuenta con un programa de computación para evaluar los esfuerzos locales en la conexión con la tubería. Ver Sección 9 y Apéndice G. A continuación, se presentan algunos métodos manuales para el análisis y evaluación de algunos soportes estructurales, en especial los trunnions. 6.2.1.

Diseño de Soportes Soldados a la Tubería 1.

Todo tipo de soporte soldado a la pared de la tubería, como trunnions, clips, lugs (orejas), etc., deben ser diseñadas de tal manera que los esfuerzos flexores y de presión que se van a mostrar a continuación no superen el esfuerzo total permisible.

2.

El esfuerzo flexor, SB, en una superficie de pared cilíndrica, está determinado en función del diámetro, el espesor de pared y la carga inducida por pulgada lineal del borde de la junta. Este puede ser evaluado por la siguiente fórmula: Donde: SB = Esfuerzo flexor en la tubería, psi. f = Carga inducida por el soporte, en lb por pulgada lineal a lo largo del borde de la junta. R = Radio exterior de la pared de la tubería, pulg. t = Espesor corroído de la tubería más el espesor del refuerzo (cuando es requerido), pulg.

3.

Los esfuerzos debido a la presión, SP , en la tubería están determinados en función del tamaño de la tubería, el espesor, la presión interna y el tipo de carga a considerar. El esfuerzo longitudinal SPL puede ser evaluado por la siguiente ecuación: SPL = P D = P R 4t 2t

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(6.2.1.B)

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Donde: SPL = P= D= t=

Esfuerzo longitudinal debido a la presión, psi. Presión interna de diseño, psi. Diámetro exterior de la pared de la tubería, pulg. Espesor corroído de la pared de la tubería más el espesor del refuerzo (si aplica), pulg.

Los esfuerzos circunferenciales debido a la presión, SPC, pueden ser evaluados por la siguiente fórmula: SPL = P D = P R 2t t

(6.2.1.C)

Donde: SPC = Esfuerzo circunferencial debido a la presión, psi. 4.

El Esfuerzo Total Permisible, S, es la suma de los esfuerzos flexores y de presión permisibles. Para posibles combinaciones de carga en condiciones normales u ocasionales, es aplicable el Esfuerzo Total Permisible que se encuentra en la Tabla 6.2.1-2.

5.

Si es deseable determinar la carga máxima en la pared de la tubería y diseñar el soporte de tal manera que ésta carga no sea excedida, esta puede determinarse por medio de la siguiente ecuación: Donde: fm = Carga máxima permisible, lb/pulg. lineal. SB = Esfuerzo flexor total permisible, psi.

6.

La carga real inducida por un clip, lug, trunnion, etc. en lb/pulg. lineal, debe ser calculada como se describe del punto 7 al punto 10 y de acuerdo con la Tabla de Fórmulas 6.2.1-1.

7.

Para los soportes de tipo circular como trunnions que producen flexión en la pared de la tubería, las ecuaciones de los Diagramas 1, 2 y 3 de las Figuras

8.

Para lug y juntas con elementos estructurales que producen flexión en la pared de la tubería, las fórmulas dadas en las siguientes figuras pueden ser usadas, para el cálculo del momento lineal I.

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I =

b3 3

I = b L2

Figura 6.2.1-1 9.

La carga aplicada a la pared de la tubería y al refuerzo es lineal y no depende del tamaño de la soldadura. Cuando esté soldado un lug la configuración de la izquierda de la Figura 6.2.1-2 debe ser usada (considera una sola línea de carga). Cuando existan dos cordones de soldadura apartados a 4" o m