Tuberías

Industriales. Normativa para el diseño. Especificación. Bridas. Válvulas. Juntas de expansión. Componentes. Flexibilidad

  • Enviado por: Humberto J Carrillo Febres
  • Idioma: castellano
  • País: Venezuela Venezuela
  • 16 páginas
publicidad
cursos destacados
Tutorías de Matemática y Ciencia en vivo
Tutorías de Matemática y Ciencia en vivo
Este curso es en relidad un medio de pago para aquellos que deseen tomar el nuevo servicio de tutoría que presta...
Ver más información

Combo cursos de matemática y ciencia
Combo cursos de matemática y ciencia
¡Aprovecha esta gran oportunidad!

Ahora es posible, adquirir a manera de Combo, los siguientes...
Ver más información

publicidad

MONOGRAFÍA ACERCA DE

ELABORADO POR:

GERENCIA PARA PROYECTOS DE INVERSIÓN DE CAPITAL

Todo proyecto enfocado a desarrollarse según cánones óptimos de ejecución cumple dos grandes etapas que son:

  • Definición y Desarrollo: Esta etapa consiste en analizar el riesgo involucrado en la ejecución del proyecto y de decidir si es rentable invertir los recursos que este necesite para su óptima ejecución.

  • Implantación y Operación: Esta etapa es la que define lo concerniente a la ejecución física del Proyecto y la obtención de los dividendos esperados.

A lo largo de la ejecución de las dos etapas mencionadas antes, se cumplen varias fases de importancia específica dentro de los alcances del proyecto:

  • Visualización: Contempla la elaboración del alcance del Proyecto, el estimado de costos de la ejecución en clase V (Aproximado), plan de ejecución clase V (aproximado) y la evaluación de la factibilidad técnica y económica de proseguir con el proyecto.

  • Conceptualización: Consiste en:

    • Organización para la etapa de panificación del Proyecto: En esta parte se conforma el equipo de trabajo, se formalizan los roles, objetivos y responsabilidades, se prepara el plan para conceptuar y definir el Proyecto.

    • Selección de la mejor opción: Aquí es donde se evalúa la tecnología, el sitio y la rentabilidad de las opciones.

  • Definir: Consiste en:

    • Desarrollo del paquete de definición del Proyecto: Para este momento es cuando se procede a analizar los riesgos, precisar el alcance, elaborar el diño básico, desarrollar en detalle el plan de ejecución, realizar los estimados de costos clase II, establecer las guías para el control del Proyecto y desarrollar un plan de aseguramiento tecnológico.

    • Preparación del paquete para la autorización del Proyecto: Acá se revisa la evaluación para solicitar fondos y se prepara la documentación para la aprobación.

  • Implantar: Contempla lo siguiente:

    • Contratación: Aquí es donde se aprueba la estrategia de contratación, la selección del contratista, la revisión y firma del contrato y la administración del contrato.

    • Ejecución: Esta parte es de sumo interés para poder llegar a obtener las expectativas que de habían planteado en la etapa de visualización, pues es aquí don se realiza la ingeniería, la procura de materiales y equipos, la materialización del plan de aseguramiento tecnológico y la construcción del proyecto.

  • Operar: Esta etapa es la culminación del Proyecto, y es acá donde se ejecuta la operación final, las pruebas de garantía, la aceptación de las instalaciones, la elaboración de los informes finales y la evaluación continua de los componentes del Proyecto.

Normativa existente para el diseño de tuberías industriales

Las principales normas que rigen todo lo concerniente a los sistemas de tuberías y su instalación constituyen las bases de muchas leyes relativas a la seguridad. La norma de mayor envergadura en esta aplicación es el Código ASME para calderas y recipientes a presión, el cual en sus secciones I, II, III, VIII, IX y XI define claramente los requerimiento mínimos que consolidad la optima instalación de un sistema.

Enfatizando en el planteamiento de tuberías a presión, se encuentran diferentes secciones separadas para este código que enmarcan la implantación de estos sistemas:

  • Tuberías para Sistemas de Potencia...... B31.1

  • Tuberías para Gases Combustibles...... B31.2

  • Tuberías Plantas Químicas y Refinerías de Petróleo... B31.3

  • Tuberías para transporte de petróleo líquido...... B31.4

  • Tuberías para Refrigeración......B31.5

  • Tuberías para transmisión y distribución de Gas..... B31.8

  • Tuberías para Servicios en Edificios..... B31.9

Indudablemente existen muchas otras organizaciones que se han dedicado a resaltar los requerimientos en la instalaciones de tuberías como tal. Entre ellas podemos mencionar El Instituto Americano de Petróleo (API), La Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM), La Asociación Nacional de Protección Contra Incendios (NFPA), El Instituto Nacional Americano de Normas (ANSI), etc.

TUBERÍAS INDUSTRIALES

Es de gran importancia aclarar la diferencia que existe entre los términos “tubería” y “tubo”, pues comúnmente son confundidos. La Tuberías corresponde al conjunto conformado por el tubo, los accesorios, las válvulas, etc; encargados de transportar los gases o líquidos que así lo necesitan. Mientras que Tubo es aquel producto tubular con dimensiones ya definidas y de material de uso común.

Las tuberías con destinación industrial tienen una muy amplia aplicación, pues es por medio de ellas que se transportan todos lo fluidos (gases, mezclas, líquidos, etc) para optimizar y no limitar los procesos industriales.

Existen tubos con costura y sin costura, la diferencia entre ellos radica en el modo de fabricación. Los primeros basan su manufactura en la soldadura, mientras los segundos no.

Modo de Especificación:

  • Denominación: Diámetro, Costura, Sch, Material, Longitud, Tolerancia.

    • Diámetro: Diámetro nominal de la tubería en pulgadas.

    • Costura: SMLS (Tubería sin costura), Welded (Tubería con costura.

    • Sch: Schedule de la tubería.

    • Material: Material de la tubería. Ej. ASTM A 106 gr. B

    • Longitud: Longitud por pieza. Ej. Piezas de 6m de largo.

    • Tolerancia: Tolerancia de longitud de la tubería.

Ejemplo de especificación de una tubería:

Tubería 3”, con costura (Welded), Sch 80, extremos para soldadura a tope (BW), según ASTM A120, galvanizada.

Procesos de Manufactura: En la industria existen varios tipos de acabados de tubos utilizados para la instalación de sistemas. Comúnmente, o en su mayoría, los tubos de acero que se fabrican son del tipo sin costura (sin soldadura lateral), los cuales se manufacturan por medio de perforación y forja, torneado y calibración del hueco. Los tubos con costura (producidos por soldadura) se fabrican por soldadura de arco sumergido, por soldadura por resistencia eléctrica y por soldadura eléctrica por fusión.

Accesorios de Tuberías: Estos son todos aquellos elementos que instalados en conjunto con el tubo, conforman el sistema de tuberías.

En todo sistema de tuberías se hacen presente los siguientes elementos:

  • Codos de 90º (radio corta o radio largo)

  • Codos de 45º (radio corto o radio largo)

  • Tee rectas o reductoras

  • “Y” laterales

  • Bridas

  • Empacaduras

  • Pernos

  • Válvulas de todos los tipos.

¿Cómo especificar algún accesorio?

Es importante saber que cuando se va a realizar la adquisición de los materiales involucrados en el desarrollo de un Proyecto, se cuenta con una amplia gama especificaciones que definen las características del accesorio.

Codos:

  • Denominación: Angulo, Diámetro, Tipo de Radio. (Sch o Rating), Extremos, Material.

    • Angulo: Angulo de giro para el Fluido. Ej. 90º.

    • Diámetro: Diámetro nominal del codo. Ej. 2”.

    • Tipo de Radio: Radio Largo o Radio Corto (no usado en Refinerías).

    • Sch: Schedule del codo (solo para codos de diámetro mayor de 2”. Ej. Sch40

    • Rating: Rating del codo (solo para codos de diámetro menor o igual a 2”. Ej. 3000#)

    • Extremos: Extremos para encastrar (SW), Biselados (BW), Roscados (THHD).

    • Material: Material de codo. Ej. ASTM A105.

Ejemplo de especificación de un Codo:

Codo 90º ¾”, Radio largo, 6000#, extremos para encastrar (SW), según ASTM A105.

Tee Recta:

  • Denominación: Diámetro, (Sch o Rating), Extremos, Material.

    • Diámetro: Diámetro nominal de la Tee. Ej. 2”

    • Sch: Schedule de la Tee (solo para tee de diámetro mayor de 2”)

    • Rating: Rating de la Tee (solo pata tee de diámetro menor o igual a 2”)

    • Extremos: Extremos para encastrar (SW), Biselados (BW), Roscados (THHD).

    • Material: Material de codo. Ej. ASTM A105.

Ejemplo de especificación de una Tee recta:

Tee recta 4”, Sch 40, extremos biselados (BW), según ASTM A234 gr. WPB..

Tee Reductora:

  • Denominación: Diámetro, (Sch o Rating), Extremos, Material.

    • Diámetro: Diámetro nominal de la Tee y del ramal. Ej. 4”x4”x2”

    • Sch: Schedule de la Tee (solo para tee de diámetro mayor de 2”)

    • Rating: Rating de la Tee (solo pata tee de diámetro menor o igual a 2”)

    • Extremos: Extremos para encastrar (SW), Biselados (BW), Roscados (THHD).

    • Material: Material de codo. Ej. ASTM A105.

Ejemplo de especificación de una Tee reductora:

Tee reductora de 4”x4”x3”, Sch 40, extremos biselados (BW), según ASTM A234 gr. WPB.

Reducciones:

  • Denominación: Tipo, diámetros, extremos, (Sch o Rating), Material.

    • Tipo: Excéntrica o Concéntrica

    • Diámetro: Diámetros nominales de la reducción. Ej. 8”x6”.

    • Sch: Schedule de la Tee (solo para tee de diámetro mayor de 2”)

    • Rating: Rating de la Tee (solo pata tee de diámetro menor o igual a 2”)

    • Extremos: Extremos para encastrar (SW), Biselados (BW), Roscados (THHD).

    • Material: Material de codo. Ej. ASTM A105.

Ejemplo de especificación de una Tee recta:

Reducción excéntrica 2”x1, extremos para encastrar (SW), 3000#, según ASTM A105.

Bridas: Son accesorios para conectar tuberías con equipos (Bombas, intercambiadores de calor, calderas, tanques, etc.) o accesorios (codos, válvulas, etc.). La unión se hace por medio de dos bridas, en la cual una de ellas pertenece a la tubería y la otra al equipo o accesorio a ser conectado. La ventajas de las uniones bridadas radica en el hecho de que por estar unidas por espárragos, permite el rápido montaje y desmontaje a objeto de realizar reparaciones o mantenimiento.

Estas se clasifican en:

  • Brida con cuello para soldar.

  • Brida deslizante.

  • Brida roscada.

  • Brida loca con tubo rebordeado.

  • Brida ciega.

  • Brida con boquilla para soldar.

  • Brida de reducción.

  • Brida orificio.

  • Brida de cuello largo para soldar.

Plantilla de catalogación de las Bridas

INFORMACIÓN

DESCRIPCIÓN DE LA INFORMACIÓN

Tipo de Brida

Las Bridas pueden ser: WN, SW, SLIP-ON, Roscada, Blind, Reductora, LWN y Orificio.

Tipo de cara de junta

Los tipos de cara de junta pueden ser: FF, RF, RTJ.

Tamaño

Se refiere al diámetro nominal del tubo que va a ser empalmado con la brida.

Clase o Rating

Es la relación Presión-Temperatura (125, 150, 250, 300, 600, 900, 1500 Lbs).

Schedule

Se refiere al del tubo que va a ser unido a la brida. Aplica para Bridas WN, SW o Reductoras.

Material

Se debe indicar la norma de fabricación de la Brida.

Materiales usados en la fabricación de las Bridas

MATERIAL

DESIGNACIÓN

GRADO

APLICACIÓN

Acero

A-105

-

Altas Temperaturas

Al

A-181

I y II

Uso General

Carbono

A-350

LF1,LF2, LF3 y LF5

Bajas Temperaturas

Acero

A-182

F1 y F2

Altas Temperaturas y moderada corrosión

Aleado

A-335

P2,P11,P21

Altas temperaturas

Acero Inoxidable

A-182

F5ab,F6a-2,F9,F11,F12,F22,F304, F304L,F310,F316,F316L,

F321

Altas temperaturas y servicios severos de corrosión

PRINCIPALES TIPOS DE VÁLVULAS:

  • Válvula de Compuerta: Las compuertas de disco, actuadas por un husillo, se mueven perpendicularmente al flujo. El disco asienta en dos caras para cerrar. Se usa cuando se requiere frecuente cierre y apertura. No es práctica para estrangulamiento de la vena fluida porque causa erosión en los asientos de la válvula y vibraciones. La bolsa en el fondo de la válvula puede llenarse de depósitos impidiendo el cierre.

  • Válvula de Globo: El disco situado en el extremo del husillo asienta sobre una abertura circular. El flujo cambia de dirección cuando pasa por la válvula. Buena para producir estrangulamiento debido debido a la resistencia que presenta al flujo. Produce menor pérdida de carga y turbulencia, es más indicada para servicio corrosivo y erosivo. No es recomendada para servicios de frecuente cierre y apertura. El costo y la eficiencia en el estrangulamiento para válvulas mayores a 6" es desfavorable.

  • Válvula de Retención, oscilante o de bisagra: el flujo mantiene abierto el cierre a bisagra y el flujo en sentido opuesta la cierra. La del tipo basculante con el pivote en el centro evita el golpe al cerrar. Se utilizan contrapesos externos, en los tipos standard, para proveer una mayor sensibilidad para los cambios de sentido en el flujo. Se usa cuando sea necesario minimizar la pérdida de carga. Es mejor para líquidos y para grandes tamaños. No aplicable para líneas sujetas a flujo pulsante. Algunos tipos sólo operan en posición horizontal.

JUNTAS DE EXPANSIÓN:

  • Plana: de papel tejido y goma. Hasta 250°F. Estriada.

  • No metálica: de amianto tejido. Buena para tuberías revestidas de vidrio o con caras muy rugosas. Hasta 300 o 400".

  • Metálica: muy diversos metales. Satisfactoria para la máxima temperatura que pueda soportarla brida o la junta. Estriada.

  • Estriada: metálica con surcos marcados en ambas caras. Requiere menor carga de compresión que la plana y se obtiene mayor eficiencia que con las planas en muchos casos. Reemplaza a las planas en muchos usos. Muy fina.

  • Laminada: amianto con encamisado metálico. Muy fina.

  • Espiral arrollada: capas de metal preformado y amianto arrolladas en espiral. Fina. Tanto estas juntas como las laminadas se usan hasta 850°F. Requieren menor carga de compresión que las sólidas y por lo tanto es más eficiente para altas temperaturas y presiones.

  • Ondulada: envuelta de metal ondulado relleno de amianto. Para uso hasta 850°F y alta presión. Buena para servicio severo tal como petróleo bruto caliente y productos químicos.. Muy fina.

  • Amianto insertado: metal ondulado, con las ondulaciones rellenas de amianto. Para usos hasta 850°F pero no más de 600 psi. No apto para petróleo caliente. Fina.

  • Anillo octogonal y oval: anillos metálicos fabricados de hierro dulce, acero bajo al carbono, acero inoxidable, monel, ínconel, y cobre. Es la más eficiente y cara. La presión interna expande el anillo y crea un autocierre. Es preferida para servicios severos, siendo la octogonal la más frecuente. Muy fina.

Parámetros de Diseño: Los parámetros fundamentales que delimitan el diseño de un sistema de tubería son, principalmente, la temperatura y presión de diseño.

  • La presión de diseño es considerada como la máxima diferencia de fuerza por unidad de área existente entre el interior y el exterior de un tubo, componente de tubería o entre cámaras adyacentes de una unidad. Esta presión de diseño no será menor que la presión a la condición más severa de presión y temperatura coincidentes que se espere en condición normal.

  • La temperatura de diseño es la temperatura del metal a la condición más severa de presión y temperatura coincidentes, esperada durante operación normal. Los requisitos para determinar la temperatura del metal de diseño para tuberías son:

    • Para tubería con aislamiento externo, la temperatura del metal para diseño será la máxima temperatura de diseño del fluido contenido.

    • Para tubería sin aislamiento externo y sin revestimiento interno, con fluidos a temperatura de 32ºF (ºC) y mayores, la temperatura del metal para el diseño será la máxima temperatura de diseño del fluido reducida, según los porcentajes siguientes:

Componente

*T%

Válvulas, tubería, uniones solapadas y accesorios soldados.

5

Accesorios bridados

10

Bridas (en línea)

10

Bridas de uniones solapadas

15

Empacaduras (en uniones en línea)

10

Pernos (en uniones en línea )

20

Empacaduras (en casquetes de válvulas)

15

Pernos (en casquetes de válvulas)

30

    • Para temperaturas de fluidos menores de 32 ºF, la temperatura del metal para el diseño, será la temperatura de diseño del fluido contenido.

    • Para tuberías aisladas internamente la temperatura será calculada usando la temperatura ambiental máxima sin viento (velocidad cero).

Diseño de Componentes de Tuberías a Presión

Primeramente es importante definir los conceptos de interés en la presentación de las tuberías comerciales:

Los tubos fabricados de acuerdo con los tamaños dados en las normas y en los standards del Instituto americano del Petróleo (API) son llamados tuberías. El diámetro externo de cualquier tamaño nominal es el mismo para cualquier peso (espesor de pared), dentro de un mismo tamaño. Esto es, el diámetro interno para un mismo tamaño nominal varia junto con su espesor. Las tuberías de 12” y menores son designadas por un diámetro nominal que se aproxima, pero no es igual al diámetro interno de una lista (Schedule) 40 o peso standard. Las tuberías de 14” y mayores tienen los diámetros externos iguales a los nominales.

El espesor de pared viene expresado en términos del Schedule, de acuerdo con la Asociación Americana de Standards. Anteriormente a la introducción de números de lista fueron utilizados los términos Peso Standard (S), Extra Fuerte (XS) y Doble Extra Fuerte (XXS), para indicar los espesores de pared.

Espesor de la pared de tubos rectos

El mínimo espesor de pared para cualquier tubo sometido a presión interna es una función de:

  • El esfuerzo permisible para el material del tubo.

  • Presión de diseño.

  • Diámetro de diseño del tubo.

  • Intensidad de la corrosión y/o erosión.

El espesor mínimo de la pared del tubo sometido a presión externa es una función de la longitud del tubo, pues ésta influye en la resistencia al colapso del tubo.

Para tubos metálicos, el espesor de diseño para soportar la presión interna, debe calcularse por la ecuación que sigue, siempre que Do/t sea mayor que 4 (tubos Do/t menor que 4, se considera tubos de pared gruesa y se requieren consideración especial, pues hay que tomar en cuenta factores de diseño y de materiales, tales como teoría de las fallas, fatiga y esfuerzo térmico).

y

Donde:

T= Espesor nominal en [plg].

tm = Mínimo espesor de pared que satisface los requerimientos de presión, espesor adicional por corrosión mecánica y erosión [plg].

t= Espesor por presión de diseño interna solamente [plg].

C= Suma de las sobre medidas mecánicas más la sobre medida por corrosión y erosión [plg]

P= Presión interna de diseño [psig]

Do= Diámetro exterior del tubo [plg]

S= Esfuerzo permisible del material del tubo, a la temperatura de diseño. Estos valores de esfuerzo deben tomarse del código ASME B31.3, Tabla A!, Apéndice A.

E= Factor de soldadura longitudinal de la junta .

X= Tolerancias de fabricación.

Y= Coeficiente cuyos para materiales ferrosos dúctiles se da en la Tabla siguiente y para materiales dúctiles no ferrosos tiene un valor de 0.4 y es cero para en hierro fundido.

Valores de “Y” para Materiales Ferrosos :

Temperatura, ºF

900 y menor

950

1000

1050

1100

1150

Aceros Ferríticos

0.4

0.5

0.7

0.7

0.7

0.7

Aceros Austeníticos

0.4

0.4

0.4

0.4

0.5

0.7

Otros Metales

0.4

0.4

0.4

0.4

0.4

0.4

Dúctiles

Hierro Colado

0.0

--

--

--

--

--

Con todo lo anterior se puede definir una especie de procedimiento de relevante importancia para la realización de un satisfactorio y seguro diseño de tuberías. La siguiente lista muestra los pasos que deben completarse en el diseño mecánico de cualquier sistema de tubería:

  • Establecimiento de las condiciones de diseño, incluyendo:

º Presión

º Temperatura

º Velocidad del Viento

º Movimientos sísmicos

º Choques del Fluido

º Gradientes térmicos

º Cargas cíclicas y números de ciclos.

  • Selección de los materiales de las tuberías de acuerdo a la corrosión y resistencia.

  • Selección de las clases de Bridas y Válvulas.

  • Cálculo del espesor mínimo de pared para la temperatura y presión de diseño (ASME B31.3).

  • Establecimiento de una configuración aceptable entre los puntos terminales de la tubería.

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

  • Análisis de esfuerzo por flexibilidad satisfaciendo los criterios del código ASME B31.3, así como los requerimientos adicionales cubiertos en las normas propias de la empresa.

  • Ejecución de análisis especiales de esfuerzos por cargas sísmicas, de viento, gradiente térmico o fatiga, si fuesen requeridos.

Además de tomar en cuenta todas las consideraciones anteriores, es fundamental crear criterios de decisión muy sólidos al momento de poder diseñar el trazado y configuración definitiva del sistema. Para ello es importante prever un buen diseño de acceso, el cual se refiere a los requerimientos mínimos necesarios para facilitar las tareas de operación y mantenimiento.

Entre los parámetros a tomar en cuenta están:

Alturas Libres:

Mínimo 300 mm para tubos sobre durmientes.

Mínimo 2200 mm para paso de personas.

Mínimo 2500 mm para áreas donde operan equipos móviles de carga.

Mínimo 3700 mm donde se requiera paso de vehículos automotores.

Espacio entre líneas:

La distancia mínima que separa los bordes exteriores delas paredes de los tubos en tramos rectos sin bridas , debe ser mayor de 75 mm.

La distancia mínima que se guardará para espacios entre líneas donde una o ambas tengan bridas no coincidentes tendrá una holgura de 25 mm entre el borde de la brida de mayor diámetro y la pared del tubo adyacente.

Consideraciones sobre arreglos y soportes de tuberías: Es sumamente importante tener en cuenta todos los criterios que se hacen presente en la implantación de la configuración definitiva para el ruteo a seguir en la instalación del sistema de tubería que se este ejecutando. Para ello se hace necesario tomar en cuenta consideraciones como:

  • El sistema de tuberías deberá ser en lo posible, auto soportante y consistente con los requerimientos de flexibilidad.

  • El exceso de flexibilidad puede requerir soportes o sujeciones adicionales para evitar amplios movimientos y vibraciones; esta situación es propensa ocurrir en líneas verticales donde solamente hay un punto de apoyo para sostener el peso.

  • Las tuberías propensa a vibrar, tales como líneas de succión o descarga de bombas reciprocantes o compresoras, deberán ser diseñadas con sus soportes propios e independientes de otras tuberías, o estructuras.

  • Los tubos de las conexiones superiores de recipientes verticales se apoyan y fijan ventajosamente en el recipiente para minimizar movimientos independientes del recipiente, soportes y tuberías, por lo tanto tales tuberías deben ser trazadas lo más cerca posible del recipiente y soportadas muy cerca de la conexión.

  • Las tuberías sobre estructuras deben ser trazadas debajo de las plataformas, cerca de los miembros estructurales principales, en puntos donde sea favorable añadir cargas a fin de evitar la necesidad de reforzar esos miembros.

  • Debe asignarse suficiente espacio, de manera que puedan colocarse los componentes propios de ensamblaje de los soportes.

GUIA GENERAL PARA LA UBICACIÓN DE LOS SOPORTES

La ubicación apropiada de soportes colgantes o soportes fijos involucra consideraciones de la propia tubería, de la estructura a la cual se trasmite la carga y de las limitaciones de espacio.

Los puntos preferidos de la fijación de tuberías son:

Sobre tuberías propiamente y sobre componentes tales como: válvulas, accesorios o juntas de expansión.

Sobre tramos rectos de tuberías en lugar de sobre codos de radios agudos, juntas angulares o conexiones de ramales prefabricados, ya que en estos sitios se encuentra la tubería ya sometida a esfuerzos altamente localizados, a los cuales se le agregarían los efectos locales de fijación.

Sobre tramos de tuberías que no requieran remoción constante para limpieza o mantenimiento.

Cerca de concentraciones grandes de carga, tales como tramos verticales y ramales de tubería.

Tipos de Soportes:


Restricción.

Soporte.

Abrazadera.

Anclaje.

Tope.

Guia.

Colgador.

Soporte fijo o deslizante.

Zapata.

Silla.


FLEXIBILIDAD EN SISTEMAS DE TUBERÍAS

Un aspecto importante en el diseño de la configuración de las tuberías es asegurarse de que exista suficiente flexibilidad en el sistema para que pueda absorber las deformaciones térmicas inducidas por cambios de temperaturas sin alcanzar altos esfuerzos.

Se entiende por flexibilidad, la capacidad que tiene el Sistema de absorber las deformaciones térmicas inducidas por cambios de temperatura, sin sobre pasar los esfuerzos admisibles.

El Sistema debe estar diseñado de tal manera que:

No falle por excesivos esfuerzos térmicos.

No sobrecargue y cause fugas por las bridas.

No falle por fatiga en tuberías y soportes debido a deformaciones muy elevadas.

No se produzcan momentos o fuerzas excesivas en los equipos interconectados.

El objetivo del Ingeniero Mecánico Proyectista, será lograr el mejor arreglo del sistema de tuberías sin necesidad de utilizar lazos o juntas de expansión. La ecuación que rige el aumento de longitud de un tubo sin restricciones, por cambio de temperatura es la siguiente:


Donde

  • =Cambio de longitud.

  • T= Cambio de Temperatura

  • =Coef. de expansión

  • L= Longitud


Por lo tanto este cambio de longitud no depende del diámetro ni del espesor de la tubería.

En términos generales, los fundamentos del análisis de flexibilidad consisten en que toda estructura que está sujeta a un cambio de temperatura cambiará sus dimensiones físicas si tiene libertad de expandirse; en caso contrario, se inducirán esfuerzos provocándose fuerzas de reacción y momentos en los equipos de los extremos. El Problema básico del análisis de flexibilidad es determinar la magnitud de estos esfuerzos en la tubería y controlar que las reacciones en los puntos de interconexión con equipos estén dentro de valores aceptables.

En la lista siguiente se resumen los equipos más sensibles a las cargas, cuyas conexiones con las tuberías deben ser analizadas con precisión por flexibilidad para asegurar que las reacciones se mantengan dentro de ciertos límites aceptables:

EQUIPO

CRITERIO ESTIPULADO POR:

Turbinas de Vapor

NEMA SM-23

Compresores Centrífugos

API 617 que esencialmente estipula 1,85 veces los valores admisibles del NEMA-23

Bombas Centrífugas

API 610

Intercambiadores de Calor

Recomendaciones de las cargas admisibles dadas por los fabricantes

Tanques mayores de 200'

ASME documento N° 77-PVP-19

RECOMENDACIONES PARA RESOLVER PROBLEMAS DE FLEXIBILIDAD:

Cuando el arreglo inicial de las tuberías no es satisfactorio desde el punto de vista de la flexibilidad del sistema, pueden considerarse las siguientes recomendaciones:

Cambiar la configuración del sistema de tubería para reducir su rigidez, agregando codos, tramos que absorban los efectos de la expansión, introduciendo lazos de expansión convencionales. Las juntas de expansión no son deseadas.

La utilización apropiada y la ubicación estratégica de restricciones tales como guías, anclajes direccionales y topes, pueden minimizar las reacciones térmicas y por fricción impuestas a equipos sensibles a cargas.

Los soportes de las tuberías deben diseñarse para el máximo rango de temperaturas que pueda ocurrir.

Los soportes de resortes podrán emplearse para satisfacer los requerimientos, en los puntos donde se provean grandes movimientos verticales, por la expansión térmica.

Los resortes son necesarios donde los esfuerzos térmicos o las cargas tienden a ser excesivos debido a los efectos desarrollados por la restricción del movimiento vertical de la tubería.

Además, los resortes son necesarios en aquellos puntos donde las cargas producidas por los efectos de expansión térmica tenderán a levantar a la tubería de los soportes convencionales durmientes.

Aplicación:

Sistema de tuberías de Bombas Centrífugas:

Las tuberías para bombas centrífugas, especialmente para servicios a altas temperaturas, generalmente representan uno de los problemas más difíciles para diseñar desde el punto de vista de la flexibilidad.

Deberá cumplirse con el criterio establecido acerca de las cargas admisibles en las conexiones, cuando se resuelve el problema de la flexibilidad de la tubería. Este inconveniente deberá resolverse para todas las condiciones posibles de operación de las bombas.

Algunas recomendaciones generales que conciernen al diseño por flexibilidad son las siguientes:

El análisis de flexibilidad de un sistema de tuberías que acopla a bombas centrífugas deberá considerar todos los ramales considerados a múltiples comunes y deberán investigarse las siguientes posibles condiciones de operación:

Todas las Bombas que operan simultáneamente.

El efecto de cada bomba utilizada como repuesto o bloqueada por labores de mantenimiento.

El criterio de las cargas admisibles en las boquillas debe ser satisfecho para las cargas combinadas, térmicas, peso muerto y fricción. Los soportes de resorte pueden requerirse para la tubería inmediata a la conexión de la bomba, a fin de reducir la reacción por carga muerta (peso) impuesta a la bomba.

Proveer restricciones direccionales en localizaciones estratégicas, a fin de prevenir que las cargas térmicas y las acumuladas por fricción, sean excesivas sobre las bombas, debido a tramos largos de tuberías.

Satisfacer los requerimientos específicos respecto a la alineación de las bridas, conectadas a equipos rotativos.

PROGRAMAS USADOS PARA EL CALCULO DEL ANÁLISIS DE FLEXIBILIDAD EN UN SISTEMA DE TUBERÍAS

La formulación matemática del problema está basada en el teorema de Castigliano, el cual relaciona la derivada parcial de la energía de deformación, respecto a las fuerzas y momentos en el sistema de tuberías, con la deflexión o rotación en el punto donde actúan. Entre los programas disponibles para ejecutar análisis detallados de los esfuerzos en sistemas con muchas ramificaciones se encuentran el CAESAR II, SIMFLEX II, PIPE PLUS, AUTO PIPE, SENIOR FLEXONICS.

En términos generales, los datos de entrada consisten en una descripción de la geometría del arreglo:

Dimensiones.

Propiedades Físicas.

Temperatura de Operación.

Especificación de los movimientos en los Soportes.

Restricciones impuestas.

Velocidad del Viento.

Cargas sísmicas.

Cargas cíclicas (vibraciones, pulsaciones, etc.)

Los resultados que produce el programa de flexibilidad incluyen:

Los esfuerzos.

Deflexiones.

Rotaciones.

Momentos.

Fuerzas en cada punto de interés del sistema de tuberías, así como las fuerzas y momentos de los anclajes y restricciones.

Frecuencia natural del sistema.

Las recomendaciones siguientes pueden orientar para decidir la ejecución de un análisis de flexibilidad, con programas computarizados:

En el caso general de sistemas de tuberías: de acuerdo con el siguiente criterio de tamaño de la línea y temperatura:

Líneas de 4” y mayores con un cambio máximo de temperatura mayor de 400 °F.

Líneas de 8” y mayores con un cambio máximo de temperatura mayor de 300 °F.

Líneas de 12” y mayores con un cambio máximo de temperatura mayor de 200 °F.

Todas las líneas de 20” y mayores a cualquier temperatura.

Todas las líneas de 3” y mayores conectadas a equipos rotativos.

Todas las líneas de 4” y mayores conectadas a intercambiadores de calor enfriados por aire.

Todas las líneas de 12” y mayores conectadas a tanques.

CAESAR II v4.3:

CAESAR II es el único software de ingeniería que permite analizar completamente sistemas de tuberías de cualquier tamaño y complejidad, con un mínimo esfuerzo, tanto estática como dinámicamente, incorporando métodos de cálculo y análisis no disponibles en ningún otro software.


Combinando un amplio espectro de facilidades técnicas tanto para la entrada de datos como para la presentación de los datos de salida, CAESAR II ayuda al Ingeniero a realizar los cálculos en menos tiempo, optimizando la calidad de la ingeniería realizada.


Ya sea un nuevo diseño o la verificación de una instalación existente, CAESAR II produce resultados que describen totalmente el comportamiento de la instalación basado en lineamientos y límites de diseño fijados por ASME B31, ASME Section III & VIII, WRC, API, NEMA, EJMA y otras, asegurando que la solución final está comprendida por las especificaciones de los códigos.


Capacidades de Análisis Estático

Este programa comienza el análisis estático recomendando los casos de carga necesarios para cumplir con el código según las cargas y tuberías ingresadas. En la mayoría de los casos, los estados de carga sugeridos por CAESAR II son necesarios y suficientes pero queda a criterio del proyectista el agregado o eliminación de otros.

Esta habilidad de realizar combinaciones algebraicas de desplazamientos, fuerzas y stress le permite al proyectista construir sus propios casos de cargas para casos específicos.


Capacidades de Análisis Dinámico

Un análisis dinámico en CAESAR II comienza con la especificación de los datos dinámicos de entrada tales como acumulación de masas, vibraciones observadas, restricciones, etc.

La posibilidad de manejar espectros de fuerzas posibilita la solución de cargas de impacto tales como golpe de ariete y válvulas de alivio.

Capacidades de salida

Los módulos de salida de CAESAR II proveen una gran flexibilidad interactiva.

La selección de casos de carga, diseño de encabezados, y reportes posibilitan visualizar lo que realmente interesa al destinatario del informe con los resultados.

La salida gráfica muestra desplazamientos, fuerzas, momentos, stress y animaciones dando un informe visual completo del comportamiento de la tubería.

El avanzado sistema interactivo de CAESAR II permite analizar, modificar y chequear un sistema de tuberías antes de ser impreso ahorrando tiempo y dinero.


CADWorx/PIPE v3.01:

CADWorx/PIPE provee excelentes isométricos de la manera más fácil. El software va guiando al usuario paso a paso indicándole a través de cada selección y configuración necesaria. Durante la creación del isométrico el programa presenta diferentes posibilidades de visualización facilitando su ejecución y pudiéndose complementar con dimensionamiento automático y lista de materiales.


Si bien el Ingeniero proyectista puede generar en forma fácil y rápida sus propias especificaciones, CADWorx/PIPE posee especificaciones completas y listas para ser utilizadas, con componentes para series 150, 300, 400, 600 y 900 libras (rating). Estas especificaciones pueden ser fácilmente copiadas y modificadas de acuerdo con los requerimientos del proyectista. Las modificaciones pueden ser realizadas inclusive "on line" es decir mientras se está realizando un diseño, mediante un editor propio que brinda facilidades en el procesamiento de palabras para la búsqueda y reemplazo de caracteres.

Además, el programa desarrolla modelos en tres dimensiones con una simplicidad significativa, pues simplemente pide indicar el plano de trabajo ( norte, sur, este, oeste), el origen y comenzar el tendido. Ubicar componentes verticalmente o a diferentes elevaciones es fácil y sin inconvenientes.

Es posible generar elevaciones ortogonales a partir de las plantas, modificar estas elevaciones y reinsertarlas nuevamente en planta.

El ruteo de la tubería se realiza en forma automática. El tendido puede realizarse en cualquier ángulo y dirección. Pueden utilizarse accesorios "butt weld", "socket weld" o roscados. Adicionalmente el programa facilita el ingreso de pendientes, cambios de elevación, etc de manera de posibilitar la ejecución de planos de planta claros y rápidamente, con recorridos lógicos.

CADWorx/PIPE posee una amplia librería tanto en unidades métricas como inglesas. La entrada de datos puede realizarse en pulgadas con diámetros en pulgadas, en métrico con diámetros en mm o en métrico con diámetros en pulgadas. Adicionalmente existen librerías para instrumentos, restricciones, juntas de expansión, curvas especiales, etc.

Una muy poderosa Herramienta;

Cuando se combinan CADWorx/PIPE con CAESAR II se dispone de un imbatible equipo de diseño de sistemas de tuberías que permite incrementar en forma inimaginable la productividad y la confiabilidad de una ingeniería, reduciendo prácticamente a cero las posibilidades de error en los diseños.