Recip a PresionTanques API - original.pdf

Curso Técnico Multidisciplinario EQUIPOS ESTÁTICOS Departamento de MECANICA  Julio 2010

1.-INTRODUCCION 

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Se denominan equipos estáticos a los recipientes sometidos a presión, intercambiadores de calor y tanques de almacenaje. Son equipos de proceso que forman parte de refinerías, plantas químicas, petroquímicas, etc. Dentro de los mismos se pueden producir reacciones químicas, cambios de estado, separaciones físicas de fluidos, filtrado, etc. Tenemos recipientes sometidos a presión interna o externa, con fluídos que trabajan a baja, media o alta temperatura. Formas para contener presión: esférica, cilíndrica, cabezales, placas planas.

2. CONCEPTOS BASICOS, TIPOS Y MATERIALES 

Recipientes a presión: son equipos diseñados para presiones mayores a 15 psig, (1,06 kg/cm2) cuyo código de diseño es el ASME AS ME Sección VIII div 1. Podemos clasificarlos como equipos verticales, horizontales, torres altas, y los casos particulares de intercambiadores de calor.

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Tanques de almacenaje: son equipos diseñados desde presión atmosférica hasta 2,5 psig (0,18 kg/cm2), cuyo código de diseño es el API 650. Hay otro tipo de tanques que soportan hasta una presión de 15 psig (1,06 kg/cm 2) los cuales se diseñan bajo el código API 620.

RECIPIENTES A PRESIÓN 

Recipiente Horizontal

RECIPIENTES A PRESIÓN 

Están formados por un cuerpo cilíndrico, cabezales (esféricos, semielípticos, toriesféricos), conexiones, soportes, internos.

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En función de las necesidades de proceso dentro de los mismos tenemos una serie de internos como lo son los bafles, separadores separ adores de niebla, filtros, etc.

CABEZALES 

Semielípticos rel 2:1 h=D/4

Toriesféricos La relación entre radios es: icr = 6% r profundidad cabezal: D/6 

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Semiesféricos L=D/2

RECIPIENTES A PRESIÓN HORIZONTALES 

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Los equipos horizontales horizontales se encuentran apoyados sobre 2 cunas. cunas. Las mismas generan tensiones sobre la envolvente que merecen un estudio particular a través del llamado método del ZICK. Las cunas se tratan de ubicar a una distancia respecto de la LT de 1/5 de la longitud entre tangencias.

RECIPIE REC IPIENTE NTES S VER VERTIC TICALE ALES S  

Son equipos que se encuentran apoyados sobre patas, polleras, o silletas. Recipiente con patas

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Recipiente vertical con pollera.

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Tipos de pollera: cónica y cilíndrica

TORRE TOR RES S AL ALTA TAS S o COLUM COLUMNAS NAS 

Son equipos verticales que requieren un cuidadoso diseño mecánico, especialmente cuando tenemos valores mayores a 15 de relación alto/diámetro. En este caso aparecen fenómenos como las vibraciones, y requieren además, una verificación por superposición de cargas debido al viento, sismo, izaje, que complican el diseño. También merece un análisis las operaciones de izaje y transporte.

ESFERAS 

Son los equipos que poseen la forma ideal de contener presión, poseen paredes mas finas, por lo tanto son equipos mas livianos, menor superficie y distribución uniforme de tensiones. Su fabricación es costosa .

INTERCA INTE RCAMBIA MBIADOR DORES ES DE CAL CALOR OR  

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Los intercambiadores se encuentran diseñados bajo norma TEMA. Los mismos están compuestos por un cuerpo, bafles, cabezal distribuidor, tubos, placas tubulares, conexiones, soportes. Por el cuerpo pasa un fluído y por los tubos otro fluido, no hay contacto físico entre ellos. Se le llama lado cuerpo a la parte de la envolvente y lado tubos a tubos y channel. Cada parte tiene sus propias condiciones de diseño, es decir, PD, TD, CA, ensayos, etc.

INTERCAMBIADORES DE CALOR PLACAS FIJAS Ventajas  Construcción económica, cantidad mínima de juntas, ideal cuando se deben evitar fugas. Desventajas:  Inconvenientes respecto a esfuerzos de origen térmico, se soluciona con  juntas de expansión, pero encarece al equipo.  Imposibilidad de inspeccionar y limpiar mecánicamente el mazo

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Placas Tubulares Fijas

INTERCAMBIADORES DE CALOR TUBOS EN U Tienen los tubos doblados en U para evitar una de las 2 placas, que al separar el espacio del fluido de la coraza del espacio de fluido de tubos ofrece un punto débil en la unión de los tubos con la placa que puede ser causa de fugas. Presentan cambios de dirección mas graduales, menor resistencia al flujo. Ventajas:  Maneja fluidos de alta presión y temperatura en lado tubos.  Absorbe libremente las dilataciones de los tubos.  Costo relativamente bajo . Desventajas:  Deben trabajar con servicios limpios, ninguna corriente ensucia  Limpieza mecánica del interior del mazo es dificultosa e imposible si es en las curvas  

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del exterior de los tubos es muy difícil

Mínimo paso lado tubos es 2 Los tubos interiores son imposibles de cambiar, se deben tapar. Si se espera daños en los mismos se deben agregar en exceso de los mismos

CABEZAL FLOTANTE  Son los mas sofisticados y caros. Hay de 2 tipos, cabezal flotante con anillo seccionado y con empaquetadura. Ventajas  Amplias facilidades de limpieza, mantenimiento e inspección de tubos.  Facilidad para el reemplazo de tubos.  Absorbe libremente las dilataciones de los tubos Desventajas:  No se usan en servicios con fluidos peligrosos o tóxicos, muchas juntas.  Son caros

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Cabezales Flotantes

KETTLE  Se los utiliza como reboilers, en los mismos hay cambios de estado.  Consiste en un mazo de tubo dentro de una envolvente sobredimensionada, los cuales trabajan sumergidos dentro de un liquido.

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Uniones Placas Tubulares-Tubo Tubulares-Tubo por mandrilado

AEROENFRIADORES  Son intercambiadores de calor que poseen como fluido que circula por fuera de los tubos al aire.

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AEROENFRIADORES – CONJUNTO GENERAL

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AEROENFRIADORES – MAZO TUBULAR

SOFTWARE DE CALCULO El software software de cálculo cálculo utilizado utilizado en CH2M HILL para el cálculo de recipientes es el PVelite de COADE. El software software de cálculo cálculo utilizado utilizado en CH2M HILL para el cálculo mecánico de intercambiadores de calor es el ASPEN TEAMS.

TANQUES DE ALMACENAJE Son diseñados bajo las normas API 650, desde presión atmosférica hasta 2,5 psig y para presiones mayores hasta 15 psig se utiliza la norma API 620.  Constan de un fondo plano, envolvente, techo, conexiones e internos. Tipos de techos:  Soportados cónicos, cónico no soportados, domo, umbrella  Techos flotante interno y externo 

ESTRUCTURA SOPORTE DE TECHO  Componentes:  Columna central  Vigas  Columnas perimetrales

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Corte de un tanque con tec techo ho flotante interno

SOFTWARE DE CALCULO El software software de cálculo cálculo utilizado utilizado en CH2M HILL para el cálculo de tanques de almacenaje es el TANK de COADE.

3.-DATOS NECESARIOS PARA LOS CÁLCULOS DATOS DE DISEÑO PARA RECIPIENTES A PRESION PRESION  Presión interior y/o exterior  Temperatura de diseño  Diámetro int/ext del equipo  Corrosión Admisible  Nivel de radiografiado  Materiales  MDMT (Temperatura mínima de diseño)  PWHT (Tratamiento Térmico por Procesos o Código)  Carga debido a Viento (CIRSOC 102)  Carga debido al Sismo (CIRSOC 103) 

Cargas sobre conexiones “Welding Research Council Bulletins 107 “

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Plataformas, escaleras y tuberías Peso del equipo en operación Peso del equipo en Prueba Hidráulica Peso del equipo en montaje Peso de la Aislación Peso de Internos

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FORMULA DE CALCULO DE LA ENVOLVENTE: t : Espesor de pared del recipiente [cm] P : Presión de diseño del recipiente [kg/cm²] S : Tensión admisible del material [kg/cm²] E : Eficiencia de la junta soldada R : Radio interior del recipiente [cm] CA : Sobre espesor por corrosión [cm] , 1.6 o 3 [mm] valores típicos. Velocidades de Corrosión en función del material y del producto. t = (PR) / (SE-0,6P) + CA La eficiencia de la junta “ E “ depende del nivel del radiografiado y del tipo

de soldadura

SERVICIO LETAL  Se le llama así a equipos que contienen sustancias que por su naturaleza, inhaladas en pequeñas cantidades constituyen un riesgo de vida . El código ASME exige para estos casos:   Juntas a tope  RX total a todas las costuras

COMBINACION DE ESFUERZOS  Viento  Sismo  Izaje  Transporte VIBRACIONES  El viento induce en las torres altas vibraciones. Se debe verificar que la frecuencia de las mismas no coincida con la frecuencia natural de la torre.

BAJA TEMPERATURA  MDMT (Mínima temperatura de diseño del metal)  Fractura frágil Diseño  Ensayo de Impacto  Utilizar materiales con contenido de Ni

RADIOGRAFIADO  El nivel de radiografiado determina el valor de eficiencia de  junta.  Total  Por puntos  No radiografiado

PRUEBA HIDROSTATICA HIDROSTATICA  Se realiza a una presión 1,3 veces a la de diseño TRATAMIENTO TÉRMICO (PWHT)  Se realiza por requerimientos de proceso  Se realiza por espesor de soldadura, Ac al Carbono para espesores mayores a 38,1mm.

CONEXIONES  Se utilizan para entrada y salida de fluidos.  Para inspección, Entrada de Hombre y de mano.  Conexiones para mediciones de nivel de líquido, presión, temperatura.  Válvulas de seguridad.

CONEXIONES INTEGRALES

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Conexión integral con labios soldables

ELEMENTOS DE IZAJE 

Se debe tener en cuenta todas las cargas sobre el equipo durante el izaje

MATERIALES  Para baja temperatura se utilizan aceros con Ni  Para alta temperatura se utilizan aceros con Cr  Aceros Inoxidables. Se utilizan en caso de fluidos corrosivos o equipos de muy baja temperatura.  Aceros Clad. Metal Base Ac al C mas una capa de Ac Inoxidable

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Chapa Clad.

DATOS DE DISEÑO PARA TANQUES DE ALMACENAJE  Diámetro del tanque  Altura del producto  Altura de agua en PH  Gravedad específica de diseño  Corrosión Admisible  Material  MDMT  Carga debido al Viento (CIRSOC 102)  Carga debido al Sismo (CIRSOC 103)  Carga de Nieve (CIRSOC 104)

DISEÑO El espesor requerido de la envolvente cilíndrica de los tanques, según la norma API 650 en ningún caso debe ser menor que : 5

[mm] ó 3/16” para tanques menores menores de 15 [m] de diámetro.

6

[mm] ó ¼” para tanques entre 15 [m] y menores de 36 [m] de diámetro.

8

[mm] ó 5/16” para tanques tanques entre 36 [m] y menores menores de 60 [m] de diámetro. diámetro.

 10

[mm] ó 3/8” para tanques mayores mayores 60 [m] de diámetro.

 Un

material común de fabricación es el ASTM A36, que es un acero al carbono.  Como regla práctica se estima una altura igual al diámetro.  Estos tanques pueden soportar vacío hasta 25 mm columna de agua  El

espesor mínimo del fondo es de 6 [mm] ó ¼” mas CA

 El

espesor del techo no debe ser menor a 5 [mm] ó 3/16” mas CA

ACCESORIOS Puertas de Limpieza dimensiones:    

8” x 16” 24” x 24” 36” x 48” 48” x 48”

ACCESORIOS Drenaje de fondo

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Anillos Contraviento

SOLDADURA  Construcción de envolvente a través de soldadura a tope.  Construcción de techos y fondo a través de solape de chapas, soldadura de filetes. SOLDADURA A TOPE

SOLDADURA A SOLAPE

ELEMENTOS DE SEGURIDAD  Válvula de presión y vacío Para tanques herméticos dejan salir gases o entrar aire para no prevenir presión interior o vacío durante llenado o vaciado del tanque, cambios de temperatura en el ambiente.  Válvula de emergencia  Venteo libre, cuello de cisne.  Techo frangible (Unión débil techo-envolvente)

ELEMENTOS DE SEGURIDAD, continuación  Techo frangible (Unión débil techo-envolvente)

4. REL RELACI ACIÓN ÓN CON OT OTRAS RAS ESPECIALIDADES 

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PROCESOS: Definen, en función de las necesidades del proyecto, presión y temperatura de diseño, volumen, definición de geometría, diámetro de conexiones, internos, en algunos casos elevación de conexiones. Cualquier modificación en los datos de diseño impacta sobre el rediseño del equipo. PIPING: Definen orientación y elevación de conexiones, cargas car gas sobre conexiones, una modificación en esto impacta en la ingeniería de detalle. Ubicación y orientación de escaleras y plataformas en el caso de torres. CIVIL: El ingeniero proyectista de equipos estáticos debe informar cuales son las cargas sobre fundaciones, y en caso de requerir bulones de anclaje se informa diámetro y cantidad de los mismos.

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INSTRUMENTOS: Nos definen la ubicación de conexiones para instrumentos de medición y alarmas. ELECTRICIDAD: Define la ubicación de las conexiones de puesta a tierra y en caso de ser requerido la iluminación necesaria. En el caso de columnas c olumnas de destilación se tiene que tener en cuenta el balizamiento aéreo y la alimentación a limentación necesaria.

PLANO TÍPICO CONJUNTO GENERAL