Curso de tuberías para plantas de proceso - 0209 Recipientes Horizontales

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

0209

LOS RECIPIENTES HORIZONTALES

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

Fax 914-203-074; E-mail [email protected]

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

LOS RECIPIENTES HORIZONTALES.

Índice de la unidad: 01 INTRODUCCIÓN. 02 LA ENVOLVENTE. 02.1 La carcasa. 02.2 Los cabezales y/o fondos. 03 LOS APOYOS DEL RECIPIENTE. 04 LAS CONEXIONES, TUBULADURAS TUBULADURAS O TOBERAS. TOBERAS . 05 LA CAPACIDAD DE LOS RECIPIENTES. 06 LOS ESFUERZOS EN LOS RECIPIENTES. 07 LAS ECUACIONES ECUACIONES PARA EL CÁLCULO DE LOS RECIPIENTES.

Patrocinado 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]

2



01 INTRODUCCIÓN. Como se ha indicado, los recipientes constituyen una de las piezas clave de una planta química, petroquímica, farmacéutica, alimentaria, o nuclear y su denominación es acorde con la función que realiza el recipiente dentro de la planta. En el caso de los recipientes horizontales, su función suele ser. ? Separador de vapor/líquido. ? Acumulador de reflujo (de cabeza), de condensado, etc. ? Depósito. Separadores ,

en estos recipientes se realiza la

separación de: ?

Fluidos no miscibles de distinta densidad.

? Las fases liquida y gaseosa de un producto.

Figura 01; Alzado de un separador con decantador para agua.

Figura 02; Esquema del separador de fases.

Los acumuladores y los depósitos ; son un

tipo de recipientes en los que simplemente los fluidos se almacenan.

Figura 03; Esquema del deposito elevado.

Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y EMPLEO.


3



Los depósitos pueden estar elevados, como en el dibujo precedente, o bajo rasante (por debajo del nivel del suelo) como en este esquema.

Figura 04; Esquema del deposito enterrado.

Como se ha indicado en el capítulo precedente, los recipientes cilíndricos horizontales, están formados por: ? La parte cilíndrica. ? Los casquetes o fondos de los extremos. ? Las conexiones (tubuladuras) con extremos provistos de bridas y/o roscas; destinados a la entrada y salida del fluido, los instrumentos y el acceso (boca de hombre). ? Las sillas o dispositivos de sujeción al suelo. ? Los accesorios interiores, como rompeolas, vertederos, distribuidores, etc. ? Los accesorios exteriores, como el pescante o “davit” para manipular válvulas, bridas de boca de hombre, las ménsulas o soportes para el aislamiento, la placa de características, los clips o soporte para escaleras, plataformas, etc. Cada una de estos elementos los veremos con mayor detalle en los epígrafes siguientes.

02 LA ENVOLVENTE. Es la envoltura metálica que forma propiamente el recipiente. Como ya se ha indicado, los aparatos cilíndricos son los más utilizados, y en ellos la envolvente está formada, básicamente, por dos elementos: ? La parte cilíndrica o carcasa. ? Los fondos o tapas.



4



Es habitual, en los recipientes horizontales, que la carcasa está constituida por un cilindro de un solo diámetro, siendo muy raro el que presenten diversos diámetros, en cuyo caso, la unión entre ellos se realiza mediante virolas troncocónicas que realizan la transición como en las torres.

Figura 05; Alzado y perfil de recipiente horizontal.

02.1 La carcasa. Está formada por una serie de virolas soldadas unas a otras, entendiéndose por virola un trozo de tubería o una chapa (o más si el diámetro es muy grande) que convenientemente curvada y soldada forma un cilindro sin soldaduras circunferenciales. Figura 06; Soldadura de carcasa en taller.

La unión de varias virolas forma la carcasa, de forma que la suma de las alturas de los cilindros obtenidos por las virolas sea la requerida para la carcasa. Las soldaduras de una virola son axiales o longitudinales, ya que están realizadas siguiendo la generatriz del cilindro, y al contrario, las soldaduras que unen virolas, o los fondos con la carcasa, son circunferenciales o transversales, por estar realizadas siguiendo una circunferencia situada, obviamente, en un plano perpendicular al eje del cilindro. Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y EMPLEO.


5



Cuando el diámetro de la carcasa es menor de 609 mm (24"), se utiliza, normalmente, tubería, y en diámetros superiores se realiza a partir de chapa; como dato indicativo, las dimensiones de éstas suelen oscilar entre 2 y 2,4 m de anchura y 6 y 8 m de longitud. En los recipientes horizontales, el espesor no suele ser muy elevado, pese a lo cual conviene indicar que actualmente las maquinas de curvar por rodillos, pueden realizar el curvado de chapas de hasta 150 mm de espesor, aunque este valor es función del diámetro del cilindro. A partir de espesores mayores se debe recurrir a una de estas soluciones: ? Forjado del cilindro, esta solución también se aplica cuando el material en el que se realiza el recipiente, no tolera la soldadura. ? El solapamiento de varias carcasas de menor espesor embebidas en caliente (procedimiento poco habitual). Figura 07; Carcasa y fondo forjado en una sola pieza.

Para dar a las chapas la forma apropiada, se suelen utilizar juegos de rodillos dobladores para flexionar la chapa de acero. Figura 08 Esquema del curvado de las chapas para la formación de virolas.

En el esquema, la fuerza para flexionar la chapa, se aplica a través del rodillo superior y el diámetro de curvatura de la virola se regula mediante la distancia entre los rodillos inferiores, en combinación con el descenso del rodillo superior. El curvado puede realizarse en frío, para pequeños espesores, o en caliente para los espesores gruesos, tras el curvado se procede a soldar los extremos. Con este procedimiento se pueden construir virolas perfectamente cilíndricas.



6



Las chapas para los recipientes, se suelen clasificar de acuerdo con su espesor; los más habituales son: ? La gama de 5 a 25 mm. ? La gama de 26 a 40 mm. ? La gama de 45 a 100 mm. Las chapas más delgadas pueden llegar a tener hasta 20,0 m. (800”) de largo y un ancho de 5,0 m (195”), si bien lo más habitual son chapas de 6,0 x 2,0 m. o de 12,0 x 2,0 m., lo que suele condicionar el nº de juntas soldadas en los recipientes. Los extremos de las virolas presentan dos tipos de acabados, sea cual sea el tipo de material: ? Planos, para espesores de hasta 10 mm. ? Con preparación de bordes (biselados), hay dos casos: ¦ Para unión de chapas de igual espesor. ¦ Para unión de chapas de distinto espesor.

Figura 09 Bordes sin preparación. Figura 10 Bordes con preparación, para chapas de diferente espesor.

Figura 11 Diferentes soluciones para bordes con preparación, en chapas de igual espesor.

Figura 12 Soluciones de preparación por las dos caras para bordes con chapas de igual espesor.



7



Figura 13 Disposición de chapas para la formación de la carcasa.

Figura 14; Soldadura circunferencial de unión entre virolas.

02.2 Los cabezales y/o fondos. Los fondos son las tapas que cierran la carcasa, por sus extremos, se suelen realizar mediante una chapa con forma de cap, cuya curvatura puede adoptar diferentes formas; la más razonable, bajo el punto de vista mecánico es la “semiesférica”, ya que a igualdad de espesores presenta la mayor resistencia al esfuerzo, sin embargo es la solución menos empleada debido a su elevado coste, usándose solamente en los casos críticos, por ello se emplean otros tipos de fondos curvados con diferentes perfiles entendiendo por perfil la sección que nos daría un plano que pasase por el eje del recipiente.



8



Los fondos generalmente son abombados, se realizan a partir de chapa, a la que mediante estampación se le da la forma deseada, existiendo una gran diversidad de tipos entre ellos, y como excepción existen los fondos cónicos y planos, de muy reducida utilización. En todos los fondos se realiza la transición de una figura abombada (más o menos esférica) a una cilíndrica, que es la carcasa; esta línea de transición, denominada justamente línea de tangencia, está sometida a grandes tensiones axiales que se traducen en fuertes tensiones locales, y éste es el punto más débil del recipiente; por esta razón no es aconsejable realizar la soldadura de unión fondo-carcasa a lo largo de esta línea.

Figura 15 ; Soldadura circunferencial de unión entre la carcasa y los fondos.

Para evitar esta coincidencia, los fondos bombeados (y algunos cónicos) se construyen con una parte cilíndrica, denominada pestaña o faldilla, cuya altura mínima «h» varía según la Norma o Código de Cálculo utilizado, pero en general deberá ser no menor que el mayor de los siguientes valores: h ≥ 0,3 D e × e f h ≥ 3 × e f

100 = h = 25mm.

El valor de h no excederá de 100 mm, ni será inferior a 25 mm, siendo: De = diámetro exterior de la carcasa en mm. e f = espesor del fondo en mm.

La descripción de los cinco tipos de fondos más usuales, se realiza en las páginas siguientes.



9



? Fondos semiesféricos; son los formados por media esfera soldada a la carcasa, la línea de soldadura, se encuentra ligeramente por encima de la línea de tangencia; otras características son: ¦ Su radio medio es idéntico al de la carcasa. ¦ El espesor requerido para resistir la presión es aproximadamente la mitad del espesor necesario en la carcasa. ¦ Por su alto coste se utiliza únicamente en el caso de: ? Que se necesite un gran espesor con otros tipos de fondos. ? Recipientes realizados con materiales especiales, tales como: - Recipientes en acero al carbono con espesor de carcasa > 60 mm. - Recipientes en acero aleado con espesor de pared de carcasa > 50 mm. - Recipientes en acero inoxidable con espesor de carcasa > 40 mm.

Figura 16; Detalle de empalme a carcasa y casquete semiesférico.

? Fondos elípticos ; son los formados por una elipse de revolución, estos fondos, junto con los policéntricos y los “pseudo elípticos” son los fondos curvados que con

mayor

frecuencia

utiliza

la

industria petroquímica. El de forma elíptica, con semiejes en la relación 2/1 es el más empleado, debido a la facilidad de su estampación. Figura 17; Casquete de forma elíptica 2/1.



10



? Los fondos policéntricos y los “pseudo elípticos”; son los formados por una figura de revolución, cuyo perfil interno se obtiene mediante la unión de 2 radios de curvatura con centros situados en puntos diferentes, los más utilizados son: ¦ El fondo pseudoelíptico o “Korbbogen”, que tiene el mismo campo de uso que los elípticos t cuyas dimensiones son: ? Radio mayor; R = 0,8 DE ? Radio menor; r = DE /6,5 ¦ El fondo policéntrico de relación 10:1, también llamado “Klopper”, usado en casos de baja presión debido a que requiere mayores espesores, sus dimensiones son: ? Radio mayor; R = DE ? Radio menor; r = DE /10 Siendo en ambos casos, D E el diámetro exterior de la carcasa cilíndrica. La construcción de ambos tipos de fondos se realiza por estampación.

Figura 18; Casquete policéntrico 10:1 “klopper” y “pseudo elíptico” 2:1.

El fondo curvado más frecuente y más utilizado por la industria petroquímica es el fondo de forma elíptica, con semiejes en la relación 2/1. también se emplean los fondos policéntricos y los “pseudo elípticos” pero en menor proporción, en la tabla adjunta pueden verse algunas de sus características geométricas. TABLA 01; CARACTERISTICAS GEOMETRICAS DE LOS FONDOS TIPO DE FONDO

R

r

h

H

Semiesférico

Variable

---

variable

R

Elíptico 2/1

---

---

0,015 De + S

0,25DI

Policéntrico 1/10

DI

DI/10

0,015 De + S

0,194DI

“Pseudo elíptico”

0,8DI

DI/6,5

0,015 De + S

0,25DI



11



Estos fondos se construyen mediante troquelado o una forma de embutición, aplicando la fuerza de una prensa adecuada a una chapa circular de acero, girándola sucesivamente hasta darle la forma deseada. Se pueden construir de este modo fondos desde 3,0 m (12’) hasta 5,0 m. (20’) de diámetro. Los fondos más pequeños pueden ser obtenidos mediante troquelado, pero para que resulte económico, es necesaria la construcción en serie de estos fondos. En este tipo de fondos puede apreciarse un cuello cilíndrico de altura h para que la soldadura a la virola inferior (L.S.) no coincida con la línea de tangencia L.T. y evitar que la soldadura pueda encontrarse en una zona fuertemente solicitada por cargas locales de tipo radial y axial simultáneamente, ya que no hacerlo así provocaría que la soldadura presentase una discontinuidad y por tanto un punto débil en la estructura del recipiente, además de la diferencia de espesores que tendría lugar en esa zona. Figura 19; Esquema de las fuerzas en el casquete y la envolvente.

Figura 20; Situación de las líneas

de

soldadura

tangencia de

unión

y del

casquete con la envolvente en un recipiente cilíndrico.

Las cotas en sentido axial son referidas a la línea de tangencia (teórica) y no a la de soldadura, como se ha visto en los planos precedentes. Cuando el diámetro es pequeño, de 900 mm, o menor (3’) y/o la presión es reducida, los cabezales y/o fondos de los recipientes horizontales, pueden ser planos y esta solución resulta muy económica.



12



Los cabezales o fondos planos pueden soldarse a los recipientes, o instalarse como bridas ciegas en recipientes pequeños, en el dibujo adjunto pueden observarse diversas soluciones para la unión a la envolvente de este tipo de fondos.

Figura 21; Tipos de soldadura de unión para recipientes con fondo plano. Los fondos planos se

realizan mediante una chapa plana soldada directamente a la

carcasa, en la figura precedente se muestran tres tipos de unión del fondo plano. Su utilización es muy escasa por presentar una sección muy poco resistente a la presión, lo que requiere grandes espesores, además de existir el punto débil de la soldadura en la que se produce una elevada concentración de tensiones. Como se ha indicado, su uso se restringe a recipientes de muy baja presión y diámetro pequeño.. Por lo general, las necesidades del proceso indican el cabezal que debe usarse en cada caso. En caso de poder escoger el tipo de cabezal, se escogerá el más económico de entre el hemisférico y elipsoide. Como el espesor necesario para resistir una presión dada, se incrementa en el orden de hemisférico a elipsoide, el costo de su fabricación disminuye en el mismo orden. Para presiones por encima de 200 PSI (14 kg/cm 2) probablemente lo más económico sea usar el fondo elipsoide (cóncavo elíptico) con una relación 2:1 de eje mayor a eje menor. Se construye una gran variedad de cabezales estándar de uso muy común. El uso de los cabezales no estándar implica la construcción de matrices adicionales para la formación del cabezal, con lo que se incrementa el costo de los mismos.



13



03 LOS APOYOS DEL RECIPIENTE. Todo recipiente debe ser soportado, es decir, su carga debe ser transmitida, al suelo o a alguna estructura que las transmita al suelo, esta misión la cumplen las cunas o sillas, dispositivos de sujeción o apoyo sobre las que gravitan las cargas a las que está sometido el recipiente; estas acciones o cargas, que las sillas o cunas transmitirán al suelo, son: ? Peso propio. ? Peso del líquido en operación normal, o agua en la prueba hidráulica. ? Peso de todos los accesorios internos y externos. ? Cargas debidas al viento. ? Cargas debidas al terremoto. No todas las cargas están actuando a la vez en el recipiente, y en el apartado de cálculo se estudiará cada condición o combinación posible de cargas. Los recipientes horizontales se apoyan sobre: ? Unos soportes o pies llamados sillas, fabricadas mediante chapa de acero, que anclados a las cimentaciones mediante pernos de acero y tuercas. ? Cunas realizadas con hormigón armado, rematadas con una chapa de acero y/o unos angulares, sobre las que apoya el recipiente.

Figura 22; Recipiente horizontal sobre “sillas” realizadas con chapas de acero.

Figura 23; Recipiente horizontal sobre apoyos de hormigón.



14



Uno de los apoyos suele ser fijo y el otro permite el deslizamiento longitudinal. Estos dispositivos de apoyo sirven para transmitir el peso del equipo y las cargas que obran sobre el recipiente durante la operación y/o prueba, a la cimentación o estructura portante; en ambos casos la fijación a la cimentación o estructura se realiza mediante pernos, que serán de anclaje en el caso de amarre sobre hormigón. Los soportes deberán estar dimensionados para que resistan cada una de las condiciones de carga posible del recipiente, como son el peso del equipo, las cargas que obran sobre el recipiente, los esfuerzos motivados por la prueba hidráulica, el peso de todos los accesorios y de los eventuales empujes, de tuberías, válvulas etc., así como los derivados de los empujes del viento y de los terremotos. Estas sillas deben permitir la datación axial del equipo, y por tanto sobre las placas de una de las sillas han de preverse agujeros en forma ovalada, o diseñar otro dispositivo, como pueden ser los rodetes de deslizamiento, etc. Las sillas en los depósitos horizontales son generalmente dos, salvo en el caso de recipientes de considerable longitud donde pueden tener un número superior.

TABLA 02 DIMENSIONES DE SILLAS PARA RECIPIENTES HORIZONTALES

De 324 ≡ 12” 356 ≡ 14” 406 ≡ 16” 509 ≡ 20”

A 290 320 360 450

B 210 240 280 360

C -

S 6 6 6 6

Sb 10 10 10 10

Perno M-16 M-16 M-16 M-16

G 22 22 22 22

H 460 480 500 530

W 110 110 110 110

Peso 15 20 25 25

El peso corresponde a una silla. Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y EMPLEO.


15



TABLA 03 DIMENSIONES DE SILLAS PARA RECIPIENTES HORIZONTALES

De 600 a 700 701 a 800 801 a 900 901 a 1000 1001 a 1100 1101 a 1200 1201 a 1300

A 530 620 710 790 880 960 1050

B 450 540 610 690 780 860 950

C 180 210 240 270 320 360 400

S 8 8 8 8 10 10 10

Sb 12 12 12 12 12 12 12

Perno M-20 M-20 M-20 M-20 M-20 M-20 M-20

G 26 26 26 26 26 26 26

H 550 700 750 800 850 900 950

W 130 130 130 130 130 130 130

Peso 40 40 50 55 60 70 70

El peso corresponde a una silla. Cada una de las patas suele colocarse a una distancia de la línea de tangencia entre: ? El quince por ciento de la longitud cilíndrica o entre líneas de tangencia. ? Un quinto de la longitud total del recipiente. En el primero de los casos, un recipiente que tuviese 6,0 m entre líneas de tangencia, tendría sus patas separadas 6 x 0,7 = 4,2 m. En el segundo de los casos, si el recipiente tuviese 7,0 m de longitud total, la separación entre patas sería de (3 x7)/5 = 4,2 m. Prácticamente lo mismo, ya que lo que sobresalen los fondos de la línea de tangencia es aproximadamente la cuarta parte del diámetro del recipiente y para 6,0 m entre líneas de tangencia, el recipiente normalizado tiene un diámetro de 2,0 m.



16



04 LAS CONEXIONES, TUBULADURAS O TOBERAS. Como el resto de los recipientes utilizados en las plantas de proceso, estos recipientes disponen de conexiones para: ? Entrada y salida de productos. ? Instrumentos como manómetros, termómetros indicadores, reguladores de nivel, etc. ? Válvulas de seguridad. ? Paso de hombre, (inspección) cerrada con brida ciega. ? Drenaje, y/o venteo, cerradas con tapas o tapones. Estas conexiones pueden ser: ? Con extremos bridados, en las que el extremo de la tobera donde se conectara la tubería o la válvula, suele estar acabado mediante una brida soldada, tipo welding neck o slip-on; dentro de estas conexiones podemos considerar 2 tipos: ¦ Toberas, que se realizan mediante tubería de acero (pipe). ¦ Tubuladuras realizadas en acero forjado. ? Con extremos roscados o socket-weld, para instrumentación.

Figura 24; Detalle de tobera con bridas W.N. y ciega.

Figura 25; Detalle de tubuladura forjadas.



17



El material de la tubería para la tobera, o el de la tubuladura (forjado) debe ser adecuado o compatible con el de la virola y que esté de acuerdo con los códigos. Como ha podido observarse una tubuladura o conexión puede estar constituida por un carrete de tubería soldado a la virola de la envolvente, de longitud suficiente para colocar su final más allá del aislamiento, provisto de una brida en el extremo. Para compensar el debilitamiento provocado por el agujero realizado en la virola, suele suplementarse el espesor de esta, con una placa de refuerzo, cuyo espesor suele ser igual al del schedule de la tubería, hasta 10” NPS, o igual al espesor de la virola para las tuberías de mayor diámetro. Lo que puede no ser necesario cuando la tubuladura es de acero forjado, que se utilizan en casos de singular importancia. La tubuladura suele ser identificada en el plano del recipiente por: ? El diámetro nominal. ? El tipo de brida, la serie y el tipo de la cara. En el caso de conexiones para recipiente a baja presión y de pequeño diámetro el extremo de la tobera también puede ser roscado, utilizándose accesorios tipo coupling, con rosca interior para evitar daños en ella, ya que durante la construcción y el montaje las roscas externas estarían constantemente expuestas a daños. En este caso se indica diámetro nominal y el ratting.

Figura 26; Esquema para distribución de tubuladuras.



18



05 LA CAPACIDAD DE LOS RECIPIENTES. Pese a que los recipientes horizontales se construyen bajo demanda y con las características que determina el proceso en el que se van a utilizar, existen unas dimensiones normalizadas que nos permiten hacernos una idea de las dimensiones aproximadas de cada uno de los elementos ya citados, en función del volumen o capacidad expresada en metros cúbicos. A continuación se incluye una tabla de dimensiones normalizadas para recipientes horizontales y su capacidad volumétrica, que nos permite realizar una estimación dimensional, de carácter aproximado.

El espesor “S” no tiene en cuenta el avance de corrosión; los valores de cálculo han sido: ¦ Acero al carbono A-42c: Temperatura de –10 a 120 ºC.



19



Presión = 16,0 kg/cm2, Prueba hidráulica = 21,6 kg/cm2 . ¦ Acero inoxidable AISI-304: Temperatura de 20 a 100 ºC. Presión = 14,1 a 11,8 kg/cm2. Presión hidráulica = 19,2 kg/cm2.

06 LOS ESFUERZOS EN LOS RECIPIENTES. La teoría en lo referente al diseño de recipiente sometidos a presión interna, así como las reglas para el diseño y fabricación de recipientes de presión, en zonas con peligro de incendio, han sido establecidas por los códigos ASME y API-ASME, que son los más utilizados por las industrias de procesos petroquímicos, dichos códigos están basados en el criterio de expertos, por ello en la practica todos los recipientes de proceso deben construirse de acuerdo con las reglas de uno de estos códigos, más los criterios de las normas de cada país. En España todos los recipientes a presión deben cumplir lo prescrito por el Reglamento de Recipientes a Presión (RAP) y las Instrucciones Técnicas Complementarias (ITC) que desarrollan dicho Reglamento. El cálculo mecánico de un recipiente consiste en sus aspectos básicos, en: La determinación de los espesores de chapa o el perfil de los diferentes componentes que lo forman. Tomando como base de partida los siguientes datos (que deben ser conocidos o establecidos): ¦ La forma y dimensiones. ¦ El material a utilizar en cada componente. ¦ Las condiciones de presión y temperatura. ¦ Las cargas debidas; al peso propio del equipo, al peso del fluido que contendrá. ¦ Las acciones del viento, nieve y terremoto. ¦ La resistencia del terreno (si es poco resistente).



20



La definición de estas variables se puede realizar como se indica a continuación: ? Presión de proyecto (P); debe ser en todo caso superior a la máxima que se pueda producir en cualquier momento de operación. Su valor se puede fijar como el mayor de:

P' = 1,1 x Presión máxima de operación Kg/m 2 . P = Presión máxima de operación + 1 Kg/cm2. ? Temperatura de proyecto (T); debe ser superior a la máxima que se produzca durante la operación, es habitual adoptar como temperatura de proyecto el valor de:

T = Máxima temperatura de operación + 20º C. ? Velocidad o presión del viento; Las cargas debidas al viento están en función de la presión unitaria del viento, que a su vez está en función de la velocidad del viento adoptada, la situación del equipo, altura, exposición, etc. En muchos países existe una reglamentación que fija las velocidades o presiones unitarias del viento en cada zona, altitud, etc. Cuando esta reglamentación es inexistente, se puede adoptar como velocidad del viento en el proyecto, la máxima velocidad habida en los últimos veinte años. En España se utiliza la Norma NBE-EA-88, sobre Acciones en la Edificación. ? Coeficiente sísmico; La acción sísmica no es uniforme a lo largo y ancho de la superficie de un país, existiendo diversa probabilidad de que pueda producirse un movimiento sísmico en una región u otra; es lo que se conoce como zonas sísmicas, en las cuales habrá una diferente intensidad de movimiento en caso de producirse. Por ello, en unas zonas no será necesario tener en cuenta los posibles efectos de movimientos sísmicos a la hora de diseñar recipientes, pero habrá zonas en las que sí será necesario prever tal posibilidad, y para ello se procederá a determinar el coeficiente sísmico siguiendo los métodos impuestos por la reglamentación del país, o asimilándolo al de puntos equivalentes sísmicamente de países con reglamentación sísmica vigente, para aquellos países que carezcan de este tipo de códigos. En España se utiliza la Norma Sismoresistente P.D.S.-1, en su parte A, que se encuentra incluida en la norma NBE-EA-88, sobre Acciones en la Edificación.



21



?

Tipo de material;

los materiales utilizados comúnmente en la construcción de los

recipientes son: aceros al carbono, acero de baja aleación, sobre todo de Cr, Cr-Mo o Ni y aceros inoxidables, también se utilizan otros materiales como aluminio, plásticos reforzados, etc., este último tipo de equipos no es tratado en este curso. Para la elección del material se puede partir del material existente en el país donde va a instalarse el recipiente, o se puede definir y utilizar un material disponible en el país de origen del diseñador de la ingeniería básica, salvo que las disponibilidades del mercado siderúrgico lo hagan imposible. En ese caso, este último podrá ser sustituido por otro semejante, eligiéndose el más idóneo de acuerdo con las necesidades mecánicas y la composición química. La elección del material a utilizar se realiza sobre la base de estos factores fundamentales: ¦ La temperatura de proyecto. ¦ La presión de proyecto. ¦ Las características corrosivas del fluido contenido en el recipiente. ¦ La soldabilidad, tenacidad, etc ¦ La necesidad o no, de tratamiento térmico de la envolvente del recipiente. ?

Margen o sobreespesor de corrosión

(c); Cuando los fluidos son poco corrosivos,

normalmente no se recurre a la solución de utilizar aceros inoxidables, ya que su coste es muy superior al de los aceros al carbono o de baja aleación, por lo que para compensar la corrosión que van sufriendo los equipos se diseñan con un sobreespesor en su envolvente denominado de corrosión. El valor de este sobreespesor es habitualmente igual al máximo espesor que se espera sea corroído en un plazo de diez años. Este valor suele oscilar entre 1 y 6 mm, su cuantía se incrementa a los espesores obtenidos para resistir las cargas a las que se encuentran sometidos los recipientes. ? Espesor mínimo de pared (emin ); por obligación de la norma, o el código, e incluso por los requerimientos de transporte, es conveniente fijar un valor mínimo del espesor de la envolvente. Como guía práctica se puede adoptar que el espesor no sea inferior al mayor de:

emin = [(2,5 + De ) / 1000] + c mm



22



Las normas son menos exigentes con los espesores mínimos, siendo estos valores, para las más importantes normas, los siguientes:

ASME VIII, Div. 1; emin = 2,5 + c mm La norma alemana AD-Merkblatt, fijaba el valor:

emin = 2 + c mm.

En esta última norma cuando c = 0:

emin = 3 mm.

Para los aceros inoxidables, se admite el valor de:

emin = 2 mm.

? Eficiencia de la soldadura (E); la unión entre chapas se realiza, normalmente, por medio de la soldadura, y ésta representa una discontinuidad dentro del trazado de chapa que puede producir una intensificación local de las tensiones a que se encuentra sometido el material. Esta razón, junto con la posibilidad de producirse defectos en la realización de la soldadura y el calentamiento y rápido enfriamiento al que está sometida la zona próxima a la soldadura, dan pie a considerar la zona de soldadura como debilitada. Teniendo en cuenta este hecho, en el cálculo de los recipientes se introduce una reducción en la tensión máxima admisible multiplicando a ésta por un coeficiente denominado eficiencia de la soldadura (E), cuyo valor varía según las normas o códigos, y de acuerdo a la soldadura y los controles efectuados sobre ella. Así, para el código ASME VIII, Div. 1, el valor de la eficiencia es:

E = 0,85, si se realiza un radiografiado por puntos a las soldaduras. E = 1, si el radiografiado de las soldaduras es total. ? Condiciones de carga en los recipientes; en estos equipos es necesario estudiar diferentes condiciones de carga posibles a lo largo de la vida del equipo, producidas por la coincidencia o no de circunstancias que producen esfuerzos en los recipientes. A continuación se exponen una serie de casos de carga a comprobar en un recipiente, que conviene tener presentes, estando sometidos a posibles variaciones según las zonas o clientes. ? Equipo en operación: ¦ Presión interna. ¦ Presión interna + cargas debidas al viento (presión + succión). ¦ Presión interna + 25 % de las cargas debidas al viento + cargas debidas al sismo. ? Equipo montado pero no en operación; cargas debidas al viento. ? Prueba hidráulica; presión de prueba hidráulica + 25 % de viento. Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y EMPLEO.


23



En los recipientes sometidos a presión externa, deberá entenderse que son cargas debidas a presión externa en lugar de cargas debidas a presión interna. En todos los casos la presión interna está compuesta por la presión interna del recipiente más la debida a la columna de líquido, poco importante en los recipientes horizontales. Las comprobaciones se realizan comparando las tensiones que se producen por la presión interna (o externa), prueba hidráulica, viento y terremoto, con las máximas admisibles en cada circunstancia. ? Tensiones máximas admisibles; los recipientes a presión se calculan con unos espesores de pared capaces de soportar sin deformación la presión a la que se verán sometidos, es decir, que la tensión a la que trabaja el material sea inferior a la máxima tensión admisible. Esta tensión máxima admisible depende de las características del material y del coeficiente de seguridad que se adopte, variando con la temperatura de trabajo. Cada norma o código obtiene el valor de la tensión máxima admisible de forma diferente, aunque en general las variables que se barajan son casi siempre las mismas. Según el código ASME VIII, Div. 1, la máxima tensión admisible s a la temperatura del proyecto viene dada por el menor de los siguientes valores: ¦ Un cuarto de la carga de rotura (R) a la temperatura ambiente (20º C) = R/4. ¦ Cinco octavos del limite elástico (Le ) del material, o de la carga (y) que produce una deformación del 0,2 % a la temperatura de proyecto = ( 5 x Le ) /8 = (5 x y) /8 ¦ La carga por unidad de superficie (f 1)que produce un alargamiento del 1 % en un periodo de 100 000 horas, por deformación plástica a la temperatura de proyecto. ¦ Dos tercios de la carga de rotura (f r ) por alargamiento, en 100 000 horas, a la temperatura de proyecto = 2 x f r / 3 Para los diferentes materiales bajo al denominación ASTM-ASME, el código ASME VIII, Div. 1, contiene unas tablas que muestran las tensiones máximas admisibles para cada tipo de material a las diferentes temperaturas de servicio.



24



07 LAS ECUACIONES PARA EL CÁLCULO DE LOS RECIPIENTES. Simplificando los conceptos respecto a las bases teóricas de las ecuaciones para el diseño de recipientes de pared delgada, las que se dan en los códigos para determinar el espesor mínimo de la envolvente y de los cabezales, son muy simples y de uso sencillo, pero no deben olvidarse las limitaciones y fundamentos de estas ecuaciones, ya que no tener en cuenta esos aspectos puede dar lugar a un mal diseño por el uso indebido de las mismas y el mal uso de los gráficos para diseño rápido de recipientes.

El código de la ASME define un recipiente de pared delgada, como aquel en el que su espesor es menor que la mitad del valor del radio interior. El código API-ASME especifica un décimo del diámetro interior. Este tipo de recipientes constituye la mayoría de los recipientes usados en plantas de proceso, aunque para procesos como el de reactores sintéticos de amoníaco, donde se requiere de presiones muy altas, del orden de 10.000 a 12.000 PSI (700 a 840 kg/cm2) los recipientes deben ser de paredes gruesas; en esos casos no debe aplicarse esta teoría. En los recipientes de pared delgada los esfuerzos se suponen constantes a través del espesor de la pared. La presión que actúa dentro del cilindro produce esfuerzos de tipo longitudinal y circunferencial o tangencial, tal como se muestra en el dibujo. El valor de estos esfuerzos se calculan a partir de las fuerzas que actúan en el recipiente, en el caso de un cilindro simple, Den Hartog, dedujo una expresión de la cual pueden derivarse las ecuaciones para cualquier tipo de cubierta producida por la revolución de un elemento. Su ecuación general es: Sm St P + = Rm Rt t

Figura 27; Esquema de fuerzas en la envolvente

En el caso de una esfera, R m, y R t son iguales al radio R de la esfera y debido a la simetría S m y St son iguales. Por lo tanto: Sm St S S S P PR PDm + = + =2 = ⇒ S = = 2t 4t Rm Rt R R R t



25



Siendo, en ambas ecuaciones: Sm = Esfuerzo longitudinal o meridional, cuya dirección es paralela al eje longitudinal. St = Esfuerzo tangencial, que actúa en el mismo plano que el anterior pero en dirección perpendicular a él. R m = Radio de curvatura en el plano meridional, tiene valor infinito para un cilindro. R t = Radio de la envolvente, que para un cilindro resulta ser la distancia normal entre la línea que pasa por el centro de la envolvente y el punto medio del espesor de la envolvente. P = Presión manométrica interior. t = Espesor de la envolvente o cubierta. Dm = Diámetro medio de la envolvente. Utilizando la ecuación, Den Hartog demostró que en un recipiente a presión, provisto en sus extremos de cabezales elípticos con curvatura relación 2:1, aproximadamente los esfuerzos en la membrana son los mismos tanto para el cabezal como para el cilindro, siendo constantes los espesores. Por ello la relación de 2:1 se usa en cabezales elípticos, ya que se aproxima al perfil ideal. Para un cilindro, R m = ∞ (valor infinito) y Rt es igual al radio del cilindro. Por lo tanto: Sm ∞

+

St P PR PDm = ⇒ St = = R t t 2t

En el caso de un cilindro, el esfuerzo meridional S m = S p es llamado longitudinal y se obtiene considerando que la cubierta está en la dirección de la línea de centros. Del dibujo anterior se puede deducir que el valor de la fuerza total que actúa en el extremo del cilindro es:

Spπ Dmt Esta ultima fuerza se opone a la originada por la presión P, la cual actúa en la dirección longitudinal, cuyo valor total es:

PDm2π /4

Igualando estos valores, tendremos:

S pπ Dmt = PDm2π /4

Simplificando y aislando términos, la ecuación quedara así:

S p = PDm/4t

De estas ecuaciones puede deducirse que el esfuerzo tangencial ( St = PD m /2t) es el de mayor valor y es el único que necesita ser tomado en consideración para calcular el espesor requerido de la pared del cilindro con el fin de resistir la presión interna que en el mismo cilindro actúa.



26



El esfuerzo tangencial St se le llama también esfuerzo de zuncho. El diseño de tanques y recipientes a presión está regulado y basado en lo publicado en los códigos, los cuales periódicamente se actualizan para adaptarse a las innovaciones tecnológicas de los materiales, por lo que resulta conveniente la consulta a la última actualización, revisión o edición. Las fórmulas teóricas citadas anteriormente, son validas para su aplicación, siendo fiables en sus resultados, y han sido utilizadas por ambos códigos, el API-ASME y el ASME, pero para incrementar la seguridad, en los recipientes cilíndricos de pared delgada sometidos a presión interna, el código API-ASME agrega dos coeficientes de corrección o seguridad: ¦ La eficiencia de las juntas longitudinales. ¦ El avance debido a la corrosión. Por ello dicho código presenta la siguiente fórmula: t =

PDm + C 2 SE

Siendo: P = Presión máxima de trabajo o de diseño (manométricas), Dm =

en Kg/cm2 o PSI.

Diámetro medio en cm., o pulgadas. El utilizar el diámetro medio en lugar del diámetro interior, es con el objeto de hacer una mejor estimación del esfuerzo promedio a través de la cubierta del cilindro

S = Coeficiente admisible de trabajo, en Kg/cm2 o PSI, de acuerdo con el tipo de material. E =

Coeficiente de eficiencia de la junta longitudinal (los valores varían desde 0,5 a 0,9 (50 a 90%), dependiendo del tipo de junta, de si ha sido sometida a tratamiento térmico para alivio de tensiones después de la soldadura y de si se realizan radiografías de las soldaduras, el menor valor es para uniones a solape y el mayor para las uniones a tope.

C =

Sobre espesor que es necesario añadir al valor que se obtendría, como tolerancia para compensar el avance de la corrosión, en cm., o pulgadas.

t = espesor en cm., o pulgadas.

Para el cálculo de los recipientes sometidos a presión interna, tendremos en un elemento cilíndrico dos tipos de tensiones:

Circunferenciales o transversales Axiales o

longitudinales.

Siendo el valor de las primeras doble que el de las segundas, como ya se ha indicado. Las diferentes normas o códigos incluyen las fórmulas que definen el espesor exigido por dichos códigos, éstas formulas están basadas en las tensiones circunferenciales que se producen, por ser superiores los espesores requeridos por éstas tensiones circunferenciales. Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y EMPLEO.


27



La norma más utilizada es la ASME, y en la Sección VIII, Div. 1, de dicha norma se exponen a continuación las fórmulas que determinan los espesores mínimos requeridos: ¦ El espesor de las carcasas cilíndricas, de acuerdo con ASME, Sección VIII, Div. 1, viene dado por el mayor valor de las fórmulas: e=

e=

P ′ × D1

200 × σ × E −1,2 × P ′ P ′ × De

200 × σ × E − 0,8 × P ′

+c

+c

¦ El espesor de los diferentes fondos, sobre la base de lo indicado por ASME, Sección VIII, Div. 1, viene dado por el mayor valor de las fórmulas:

Fondos elípticos;

e f =

P ′ × D1

200 ×σ × E − 0,2 × P ′

Fondos semiesféricos;

e f =

Fondos policéntricos;

e f =

+c

P ′ × L

200 ×σ × E − 0,2 × P P ′ × M × L

200 ×σ × E − 0,2 × P

+c

+c

Siendo para todas estas fórmulas: e = espesor de la carcasa, en mm. P = presión de proyecto, en Kg/cm2 . P' = presión de proyecto más presión de la columna de líquido = P + (H x ?) / 10 4 en Kg/cm2 .

L r

3+ M =

4

H = altura de la columna de líquido en el recipiente, en mm.

“? ” = densidad del líquido, en Kg/dm3. D1 = diámetro interior corroído del cilindro (Di + 2 c), en mm. De = diámetro exterior del cilindro, en mm.

“s ” = tensión máxima admisible del material a la temperatura de proyecto, en Kg/mm2. E = eficiencia de las soldaduras. c = sobreespesor de corrosión, en mm. L = radio interno de curvatura mayor, en mm. r = radio interno de curvatura menor, en mm.



28



El suministrador del material (planta laminadora) para la construcción del recipiente debe aportar certificados que identifiquen las chapas de acero suministradas y reflejen las propiedades físicas y químicas de las placas suministradas. Los recipientes son probados hidrostáticamente hasta una y media veces la presión máxima de trabajo. En esta prueba todas las juntas soldadas se someten a impacto por martilleo. El número de variantes de la prueba depende del tamaño del recipiente, del espesor, del material y de algunos otros factores similares.



29

Curso de tuberías para plantas de proceso - 0209 Recipientes Horizontales

Recommend Documents