Curso de tuberías para plantas de proceso - 0203 Soportes & Stress en Tuberias

CURSO AVANZADO PARA EL DISEÑO DE TUBERÍAS EN PLANTAS QUÍMICAS, PETROQUÍMICAS, FARMACEUTICAS, NUCLEARES, ALIMENTARIAS, ETC.

0203

SOPORTES & STRESS EN TUBERÍAS

Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y EMPLEO. Pº del Prado, nº 24, 5ºA; 28014 Madrid; 913-697-294.

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CURSO AVANZADO PARA EL DISEÑO DE TUBERÍAS EN PLANTAS DE PROCESO PETROQUÍMICO, NUCLEAR, ETC. SOPORTES & STRESS EN TUBERÍAS.

Índice de la unidad didáctica: 01. LOS SOPORTES PARA LAS TUBERÍAS. 02. ESTRUCTURAS PARA TUBERÍAS ("PIPE-RACKS"). ("PIPE -RACKS"). 03. SOPORTES ESTRUCTURALES PARA P ARA TUBERÍAS. 04. SOPORTES COMERCIALES PARA TUBERÍAS. 05. INTRODUCCIÓN A LA FLEXIBILIDAD FLEXIB ILIDAD EN TUBERÍAS.

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01 LOS SOPORTES PARA LAS TUBERÍAS. Son elementos de muy diverso tipo, entre los que se encuentran, desde "pipe-racks" a muelles, y que se diseñan para soportar el peso propio de las tuberías y el fluido que estas contienen, garantizar la geometría del sistema, así como contrarrestar las vibraciones, y/o movimientos excesivos, originados por pulsaciones y/o dilataciones de líneas, y/o de equipos, tanques, torres, etc. Si considerando un sistema de tuberías como un todo, incluyendo en él, desde uno de sus extremos, al que tomaremos como principio del sistema, a otro, al que consideraremos como el punto final de dicho sistemas, e incluimos en este, todos sus ramales, derivaciones, soportes, etc., debemos entender, que el sistema debe ser lo suficientemente flexible, como para poder absorber por si mismo, las dilataciones o contracciones producidas en el, y consecuentemente, los esfuerzos, momentos y tensiones que en el mismo se produzcan, sin exigir de los equipos con los que se conecta, reacciones o momentos, superiores a los limites fijados; en estas circunstancias, el sistema debe comportarse como un muelle, en el sentido mas gráfico de la palabra. El Código ANSI B.31, establece reglas generales para evaluar la flexibilidad de los sistemas de tuberías; incluyendo el rango de tensiones admisibles para diversas temperaturas de operación y diferentes tipos o calidades de material para la tubería; el citado código sin embargo, no especifica como calcular las tensiones reales que se producen en los puntos críticos de cualquier sistema, ni tampoco nos indica, en que lugares se pueden encontrar dichos puntos críticos o peligrosos. Para solventar este problema, se han editado textos que han tratado el problema bajo todos los puntos de vista imaginables, desde un plano puramente teórico, hasta las soluciones de tipo práctico, mediante gráficos, tablas o ábacos, que resolvían las formas típicas en que se fraccionaban los sistemas de tuberías. La aparición de los ordenadores ha motivado, en parte, el abandono de esas soluciones gráficas, salvo en el caso de cálculos de pequeños sistemas.


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Algunos expertos en el tema de “stress” sostienen que pueden seguir usándose las soluciones gráficas, ya que han sido suficientemente probadas, y que la citada simplificación no da lugar a una gran inexactitud en los resultados, ya que estos suelen estar mayorados, sin salirse de los márgenes de seguridad. Por otro lado, los programas permiten la solución de estos problemas, con un grado de exactitud, que también depende de las simplificaciones que se introduzcan en la entrada de datos para la modelización del sistema.

02 ESTRUCTURAS PARA TUBERÍAS ("PIPE-RACKS"). La bandeja de tuberías, "pipe rack" ó soporte estructural de los haces de tuberías, es una estructura de tipo abierto, formada por pórticos rígidos, los cuales tendrán sus vigas horizontales situadas de acuerdo con los niveles requeridos por las tuberías.


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Figura 01; Ejemplo de disposición de tuberías sobre “pipe-rack”.

La estructura para el "rack" de tuberías, será de acero laminado, o de hormigón armado, de acuerdo con lo indicado en la especificación del proyecto; si se emplea estructura de acero, normalmente se ha de proceder a la protección de esta, contra la acción del fuego; es muy usual, en este tipo de estructuras, aprovechar la altura ya obtenida, para colocar los "air coolers", creando los accesos necesarios y las plataformas para el mantenimiento de los motores y demás equipos eléctricos y mecánicos. Al determinar las dimensiones de la estructura del "rack" de tuberías, se deben tener presentes las exigencias de soportado de las tuberías de instrumentación y de las bandejas de cables eléctricos. Se dejara un espacio libre entre la parte inferior de la estructura o del tubo mas bajo, y la parte superior de la pavimentación, que no será inferior a 2,40 m. (8'0") y si atraviesa una carretera, no será menor de 3,60 m. (12'0"); el espacio útil ya citado, podrá ser reducido de acuerdo con las normas del Cliente; la distancia entre los soportes del "pipe-rack", depende de: ? Las condiciones de instalación de los equipos. ? Las dimensiones de la planta. Normalmente no será inferior a 6,00 m. (20'0"). La altura de los "pipe-rack" en dirección Este-Oeste será distinta de los que están en dirección Norte-Sur; la diferencia entre ambos puede oscilar de 750 a 900 mm., esto dependerá de las exigencias de cada caso. La distancia entre las tuberías situadas sobre el "rack", deberá estar de acuerdo con los "standards" o normas del Cliente, es conveniente dejar un espacio libre de tuberías, como reserva para establecer futuras líneas; las tuberías calientes deberán estar instaladas en la parte externa del "rack" de tuberías, para facilitar el que puedan ser provistas de compensadores de dilatación o "loops" en su trazado.


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Las derivaciones laterales deberán mantener una distancia entre sí, con el fin de evitar que al dilatarse el colector sobre la estructura pueda haber interferencias entre ellas.


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Figura 02; Separación entre tuberías sobre el “pipe-rack”.


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La distribución de las tuberías sobre la bandeja del "rack" se hará de forma tal, que puedan colocarse otras tuberías en un futuro. Generalmente los colectores de las líneas de servicio, deberán estar montados sobre un lado del "pipe-rack" a fin de economizar tubería al situar las estaciones de servicio, con lo que se logra evitar que las líneas que "pican" sobre los citados colectores tengan mayor recorrido. La apertura o cierre de las válvulas situadas sobre el "pipe-rack", la inspección de instrumentos, y el mantenimiento de elementos mecánicos o eléctricos, puede hacer necesaria la presencia de plataformas metálicas sobre la bandeja de tuberías, para una facilitar el mantenimiento; sus características son reguladas por las especificaciones. El piso de estas plataformas, se puede construir de chapa estriada o de rejilla, la elección de uno y otro tipo, depende de la presencia de derrames líquidos, acumulación de polvo, necesidad de circulación del aire a través del piso, posibilidad de caída de objetos, etc.

Figura 03; Esquema de distribución de tuberías sobre un “pipe-rack”. Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y EMPLEO. Pº del Prado, nº 24, 5ºA; 28014 Madrid; 913-697-294, fax 914-203-074; E-mail [email protected]. Dirigido por Jesús Escobar García 639-155-420; [email protected]

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Figura 04; Alzado de un “pipe-rack”.


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Figura 05; Suplementos estructurales y distribución de tuberías en un “pipe-rack”.

03 SOPORTES ESTRUCTURALES PARA TUBERÍAS. Dentro de estos soportes están incluidos, los patines para tuberías aisladas, las guías, los "trunnions" o patas, las orejetas o "lugs", las ménsulas, las sillas (sobre "rack" o estructura), etc., en todos los casos, estos elementos normalizados, o no, pueden servir para: ? La soportación del peso de la tubería y el fluido que esta contiene (restricción vertical, en "Y"). ? Evitar el deslizamiento lateral y/o longitudinal (restricción horizontal, en "X" y/o "Z").

Figura 06; Sección y alzados de patín de tubería (restricción en Y o de peso).

Figura 07; Alzados de “trunnions” (restricción en Y o de peso).

Figura 08; Aspecto de “trunnions” (restricción en Y o de peso).


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Figura 09; Aspecto de diversos tipos de soportes deslizantes (restricción en Y o de peso).


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Figura 10; Aspecto de dos soportes estructurales deslizantes, con restricción vertical en ambos sentidos & con restricción vertical y transversal en ambos sentidos.


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Figura 11; Aspecto de soportación estructural con restricción longitudinal en ambos sentidos & con restricción vertical para peso.

Figura 12; Soporte estructural con restricción longitudinal y vertical, las dos en ambos sentidos.


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Figura 13; Aspecto de la colocación de orejetas en tubería, para su soportación por peso y otras variantes.

Figura 14; Aspecto de dos soportes estructurales deslizantes, con restricción vertical en ambos sentidos & con restricción vertical y transversal en ambos sentidos.

Figura 15; Aspecto de guía horizontal, para restricción transversal en ambos sentidos & sin restricción vertical.


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Figura 16; Aspecto de dos anclajes estructurales.

04 SOPORTES COMERCIALES PARA TUBERÍAS. Se trata de soportes normalizados, que son suministrados por diversos fabricantes, los más habituales, son; las abrazaderas, los pernos en "U" (abarcones), rodillos, varillas, cáncamos, horquillas, grapas y tensores, así como los muelles, de carga variable (más normales), de carga constante, o antivibratorios. Este tipo de soportes suelen ser montados en combinación con elementos de carácter estructural, como se aprecia en los siguientes dibujos.

Figura 17; Aspecto de abarcones, como restricción transversal y vertical en ambos sentidos & sin restricción transversal.

Figura 18; Aspecto de abarcones sobre soporte estructural, como restricción transversal y vertical en ambos sentidos.


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Figura 19; Soporte con restricción transversal, vertical y longitudinal, en ambos sentidos.

Figura 20; Aspecto de abarcón sobre soporte estructural, como restricción transversal y vertical en ambos sentidos.

Además de los abarcones realizados con redondo de acero, se utilizan otros realizados mediante pletina de acero, como se refleja a continuación.

Figura 21; Aspecto de abarcones de pletina para soldar sobre soporte estructural, como restricción transversal y vertical, así como simultáneamente en ambos ejes.

Como complemento o ampliación de la gama de los abarcones, podemos considerar los accesorios para colgar las tuberías mediante tirantes.


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Figura 22; Aspecto de abrazaderas (abarcones) de tipo comercial para usar con tirantes.

Figura 23; Aspecto de abrazaderas (abarcones) de tipo comercial para usar con tirantes.

Figura 24; Aspecto de colgantes para tuberías (restricción en Y o de peso).


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Figura 25; Otros tipos de colgantes para tuberías (restricción en Y o de peso).

La longitud de los tirantes estará condicionada por la amplitud del desplazamiento, por ejemplo, al pasar de caliente a frío, como se aprecia en los dibujos siguientes.

Figura 26; Esquema del funcionamiento de los tirantes por efecto de la dilatación de la tubería.

Figura 27; Aspecto de

abrazaderas para tuberías.


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Figura 28; Aspecto de “cristos” con abrazaderas y tirantes para tuberías.

Figura 29; Ejemplos de soportes comerciales deslizantes para tuberías con restricción por peso.

Figura 30; Ejemplos de soportes comerciales mediante muelles para tuberías. Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y EMPLEO. Pº del Prado, nº 24, 5ºA; 28014 Madrid; 913-697-294, fax 914-203-074; E-mail [email protected]. Dirigido por Jesús Escobar García 639-155-420; [email protected]

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05 INTRODUCCIÓN A LA FLEXIBILIDAD DE TUBERÍAS. Cuando se utilizan métodos manuales basándose en gráficos, ábacos y formas prefijadas, se utilizan simplificaciones, como ejemplo citamos algunas de ellas a continuación: ? El sistema debe tener solo dos puntos terminales ? Todos sus elementos deben ser paralelos a los ejes coordenados ?

La expansión térmica en una dirección cualquiera, solo es absorbida por los elementos perpendiculares a esta dirección.

? Cada elemento soportara el esfuerzo debido a la expansión térmica, en proporción inversa a su rigidez (inercia); como todos los miembros se suponen de sección uniforme e igual, su rigidez variara con el valor inverso del cubo de su longitud. ? Al deformarse por la expansión térmica, los miembros actúan como vigas en voladizo; se considerara que en el extremo libre sobre el que gravita la carga, existe una guía, de tal forma, que no permite que haya en dicho extremo rotación alguna, aunque la flexión debida al movimiento de este extremo, la produzca realmente


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Figura 31; Ejemplo de eliminación de fatigas en una línea, mediante una soportación adecuada al trazado de la tuberías.

A partir de estos supuestos, también se consiguen resultados validos en la practica, sobre todo si se considera, que realmente son muy pocas las líneas de la planta que están trabajando en condiciones criticas; se consideran líneas criticas o calientes, aquellas en las que su temperatura de operación supera los 100º C. Cuando se realiza el análisis de flexibilidad de la línea, mediante cualquiera de los métodos expuestos, se comparara la tensión obtenida a través del calculo, una vez aplicado el coeficiente de intensificación, si procede, con el valor de "stress-range" que define ANSI B.31, si es aceptable, se dice que la línea es flexible; en caso contrario, tendríamos una línea "rígida" cuyo trazado seria preciso rediseñar; cuando por razones de espacio no pueda conseguirse una mayor flexibilidad con un nuevo trazado, habrá que emplear soluciones tales como, juntas de expansión, uniones articuladas, etc. Una línea no es flexible aunque sus tensiones sean bajas, si el equipo conectado a ella no puede soportar las fuerzas que esta le transmite, ya que el uso de refuerzos en las bocas de los equipos a causa de la tubería, debe reducirse al mínimo.


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